Дослідження технології виявлення та методу аналізу локального зразку в січнику на підставі SF6

Підлоговий резервуарний тип вимикача є важливим пристроєм керування та захисту у підстанціях та електроенергетичних системах. Він використовується для переривання, замикання та проводження нормальних навантажень у лініях, а також для відключення короткозамкнутих струмів при аваріях системи. Складається з таких компонентів, як пристрої переривання, ізоляційні втулки, втулкові трансформатори струму, камери гасіння дуги, механізми управління та заземлені корпуси, камера гасіння дуги підлогового резервуарного типу вимикача розташована всередині заземленого металевого корпусу.

SF₆ використовується як ізоляційна та дугогасна середа для резервуарних типів вимикачів. У рівномірному електричному полі його ізоляційна міцність близько три рази вища, ніж у повітря, а його дугогасна здатність близько 100 разів вища, ніж у повітря. На цьому основі, SF₆ вимикачі характеризуються компактною будовою та невеликою площею. Крім того, підлогові резервуарні типи вимикачі мають переваги, такі як низький центр тяжіння обладнання, стабільна конструкція, хороша сейсмостійкість, вбудовані трансформатори струму, високу стійкість до забруднення та зручне обслуговування.

Однак, під час виробництва, зборки, транспортування та експлуатації резервуарних типів вимикачів, через фактори, такі як погана обробка, зіткнення, ударні завантаження та комутаційні операції, можуть виникнути дефекти ізоляції. Типові дефекти ізоляції включають видимі металеві предмети на провідниках або корпусах, плавучі електроди та вільні металеві частинки. Коли напруженість електричного поля, концентроване на дефекті ізоляції, досягає значення пробою поля області під тестовим напругом або номінальним напругом, відбувається локальний розряд (LR). Локальний розряд є основною причиною виродження ізоляції вимикачів та передбачає несправності ізоляції. Тому, онлайн-моніторинг сигналів локального розряду може виявити дефекти ізоляції до виникнення несправностей, що є важливим способом забезпечення безпечного та стабільного функціонування підлогових резервуарних типів вимикачів та електроенергетичної системи.

На основі фізичних сигналів, що виникають під час розряду, основні методи детекції локального розряду для вимикачів включають метод імпульсного струму, ультразвуковий метод (AE), метод транзиторного земного напруги (TEV) та метод ультра-високих частот (UHF) [2 - 3]. Ця стаття поєднує експериментальні та наявні на місцевості досвід для огляду різних методів детекції та аналізу локального розряду для SF₆ підлогових резервуарних типів вимикачів та підсумовує характеристики кожного методу.

Метод імпульсного струму

При виникненні локального розряду, рух зарядів створює імпульсний струм, який можна виявити за допомогою куплюючого пристрою або датчика струму, підключених до тестового контуру. Метод імпульсного струму є єдиним методом, вказаним у IEC 60270 та відповідних стандартах, для кількісного вимірювання локального розряду. Інші методи використовуються переважно для детекції або локації локального розряду. Метод імпульсного струму має високу чутливість, але він високо чутливий до електромагнітних завад на місці. Тому, необхідно виділити слабкі сигнали розряду з виявлених сигналів. Фізична величина, що представляє величину локального розряду, це очевидний заряд q, який можна отримати за наступною формулою.

У формулі, i(t) представляє імпульсний струм локального розряду, Um(t) є імпульсною напругою, Rm є значенням вимірювального імпедансу, а q є очевидним зарядом, з одиницею виміру pC (пікокулон).

Метод імпульсного струму на основі датчиків струму придатний для онлайн-детекції локального розряду. Високочастотні датчики струму зазвичай працюють в діапазоні частот 16 кГц до 30 МГц і мають кліщі подібну конструкцію, що сприяє їхньому монтажу на заземленому кінці підлогових резервуарних типів вимикачів.

Ультразвуковий метод

Локальний розряд спричиняє інтенсивні молекулярні зіткнення, що створюють ультразвукові хвилі, які поширюються всередині вимикача. Ультразвукові датчики, встановлені на корпусі вимикача, можуть виявляти сигнали локального розряду. П'єзоелектричні елементи всередині ультразвукових датчиків перетворюють ультразвукові сигнали, створені локальним розрядом, на напругові сигнали, які потім передаються до контуру виявлення. Контур виявлення для ультразвукового методу складається переважно з декуплеру (використовується для розділення сигналів живлення від ультразвукових сигналів), усилителя сигналу та фільтра.

Часові та частотні сигнали ультразвукових хвиль від локального розряду всередині підлогових резервуарних типів вимикачів показані на рис. 2, з основним діапазоном частот, розподіленим між 50 та 250 кГц. Ультразвуковий метод має переваги, такі як низька вартість, легка установка, висока стійкість до електромагнітних завад та придатність для локації локального розряду. Однак, внутрішня ізоляційна конструкція вимикачів є складною, а ультразвукові хвилі поширюються повільно та дуже затухають в газі SF₆, що вимагає визначення оптимальної позиції виявлення.

Метод ультра-високих частот (UHF)

Час підвищення та тривалість імпульсів струму, створених локальним розрядом, знаходяться на наносекундному масштабі, що стимулює електромагнітні хвилі з еквівалентними частотами в ультра-високому частотному діапазоні від 300 МГц до 3 ГГц. Зараз, діапазон виявлення частот для більшості UHF-датчиків на ринку становить 300 МГц до 1,5 ГГц. Завдяки слабкій та високочастотній природі сигналів, метод UHF вимагає підготовки входящих сигналів шляхом фільтрації, підсилення та інтеграції, перед їх передачею на карту збору даних для подальшого аналізу.

Також, при використанні методу UHF, необхідно елімінувати шуми, такі як сигнали зв'язку та сигнали живлення освітлення, як програмно, так і апаратно. Метод UHF характеризується високою чутливістю, сильною стійкістю до завад та придатністю для локації локального розряду. Фазовий розширенний шаблон (PRPD) UHF-сигналів від локального розряду з плавучим потенціалом показаний на рис. 3, який містить інформацію про амплітуду, фазу та кількість виникнень розряду.

Метод транзиторної земної напруги (TEV)

Коли електромагнітні хвилі, створені локальним розрядом, поширюються до металевого корпусу підлогового резервуарного типу вимикача, на поверхні корпуса створюється індукований струм, що призводить до появи транзиторної земної напруги через хвильовий імпеданс заземлювального об'єкта. Принцип роботи TEV-датчика можна еквівалентно порівняти з принципом роботи конденсаторного дільника напруги. Він визначає наявність локального розряду, виявляючи напругу через еквівалентний конденсатор між електродом датчика та ізоляційним шаром. Транзиторні земні напруги від локального розряду всередині SF₆-вимикача показані на рис. 4, з основним діапазоном частот від 1 до 100 МГц. Метод TEV характеризується простотою використання та відсутністю потреби у додатковому контурі виявлення.

Методи аналізу локального розряду

Методи аналізу локального розряду використовуються для оцінки рівня ризику розрядів, зниження шумів, витягання характеристик розряду для класифікації типів несправностей. Ці методи включають метод імпульсної форми, метод фазово-розширеного шаблону (PRPD), метод шаблону зв'язку амплітуд трьох фаз, метод часових-частотних шаблонів та метод часових статистичних характеристик.

Метод імпульсної форми аналізує окрему форму розряду на основі параметрів, таких як час підвищення, час спаду, ширину імпульсу, куртозу та асиметрію. Метод PRPD накопичує сигнали локального розряду під напругою мережевої частоти, щоб отримати розподіл фаз, амплітуд та кількості виникнень розрядів. Тому, його також називають методом \(\varphi -q -n\). Метод шаблону зв'язку амплітуд трьох фаз використовується для аналізу локального розряду під напругою трьох фаз.

Він отримує характеристики розподілу розряду, збираючи амплітуди єдиного сигнала розряду при різних фазних напругах. Метод часових-частотних шаблонів збирає імпульси розряду, обчислює їх еквівалентний час та еквівалентну частоту, та будує шаблон розподілу розряду в еквівалентному часовому-частотному домені. Метод часових статистичних характеристик придатний для аналізу локального розряду під високою постійною напругою. Він статистично аналізує характеристики розподілу розряду на основі величини кількості розряду та різниці часу між імпульсами розряду.

Для локації локального розряду всередині SF₆-підлогових резервуарних типів вимикачів, можна використовувати метод абсолютного різниці часу або метод відносної різниці часу. Метод абсолютного різниці часу використовує імпульс струму розряду або сигнал ультра-високих частот (UHF) як початковий момент розряду. Після обчислення різниці часу між ультразвуковим сигналом та сигналом початку розряду, він локалізує джерело розряду. Метод відносної різниці часу використовує лише кілька ультразвукових датчиків, встановлених на різних позиціях на резервуарі вимикача. Він визначає місце ізоляційних дефектів, обчислюючи різницю часу між кожним ультразвуковим сигналом та референтним ультразвуковим сигналом.

Висновок

Онлайн-моніторинг локального розряду може ефективно оцінити ізоляційну продуктивність SF₆-підлогових резервуарних типів вимикачів до виникнення несправності, і це одна з важливих методів забезпечення їх безпечного та стабільного функціонування. Ця стаття оглядає методи виявлення та аналізу локального розряду підлогових резервуарних типів вимикачів, поєднуючи експериментальний та наявний на місцевості досвід.

При практичному застосуванні, слід використовувати кілька методів виявлення та аналізу, щоб покращити точність та надійність онлайн-моніторингу. Також, відповідно до вимог побудови універсальної електроенергетичної інтернету речей, реалізація ключових технологій, таких як бездротові безпідсилені датчики, низьковатті бездротові мережі зв'язку, обчислення на краю та великі дані, представляє майбутній напрямок розвитку виявлення локального розряду підлогових резервуарних типів вимикачів.