Nghiên cứu về Công nghệ Phát hiện và Phương pháp Phân tích Sự phóng điện cục bộ trong Cầu chì SF6 Floor Tank

Cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn là thiết bị điều khiển và bảo vệ quan trọng trong các trạm biến áp và hệ thống điện. Nó chủ yếu được sử dụng để ngắt, đóng và truyền tải dòng điện tải bình thường trên đường dây, cũng như cắt dòng điện ngắn mạch trong trường hợp hệ thống gặp sự cố. Cầu chì này bao gồm các thành phần như bộ phận ngắt, ống cách điện, biến dòng dạng ống, buồng dập hồ quang, cơ cấu vận hành và vỏ tiếp đất, trong đó buồng dập hồ quang của cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn được chứa trong một vỏ kim loại tiếp đất.

SF₆ đóng vai trò vừa là chất cách điện vừa là chất dập hồ quang cho cầu chì đóng trong thùng. Trong trường điện đồng nhất, độ cách điện của nó khoảng ba lần so với không khí, và khả năng dập hồ quang khoảng 100 lần so với không khí. Do đó, cầu chì SF₆ có đặc điểm là cấu trúc nhỏ gọn và diện tích chiếm chỗ nhỏ. Ngoài ra, cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn còn có ưu điểm như trọng tâm thiết bị thấp, kết cấu ổn định, khả năng chịu động đất tốt, biến dòng được tích hợp sẵn, khả năng chống bụi bẩn mạnh và dễ dàng bảo trì.

Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, lắp ráp, vận chuyển và vận hành của cầu chì đóng trong thùng, có thể xảy ra các khuyết tật cách điện do các yếu tố như gia công kém, va chạm, tác động và hoạt động chuyển mạch. Các khuyết tật cách điện điển hình bao gồm các vật kim loại nhô ra trên dây dẫn hoặc vỏ, điện cực nổi và các hạt kim loại tự do. Khi cường độ điện trường tập trung tại khuyết tật cách điện đạt đến cường độ điện trường làm hỏng khu vực dưới điện áp thử nghiệm hoặc điện áp định mức, sẽ xảy ra phóng điện cục bộ (PD). Phóng điện cục bộ là nguyên nhân chính gây suy giảm cách điện ở cầu chì và là dấu hiệu trước khi xảy ra sự cố cách điện. Do đó, giám sát trực tuyến tín hiệu phóng điện cục bộ có thể phát hiện các khuyết tật cách điện trước khi xảy ra sự cố, đây là phương tiện quan trọng để đảm bảo an toàn và ổn định vận hành của cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn và hệ thống điện.

Dựa trên các tín hiệu vật lý sinh ra trong quá trình phóng điện, các phương pháp phát hiện phóng điện cục bộ chính cho cầu chì bao gồm phương pháp dòng xung, phương pháp siêu âm (AE), phương pháp điện áp tạm thời (TEV) và phương pháp tần số siêu cao (UHF) [2 - 3]. Bài viết này kết hợp kinh nghiệm thực nghiệm và thực tế để tổng quan về các kỹ thuật phát hiện và phân tích phóng điện cục bộ cho cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn SF₆ và tóm tắt đặc điểm của từng phương pháp.

Phương pháp Dòng Xung

Khi xảy ra phóng điện cục bộ, chuyển động của các điện tích tạo ra dòng xung, có thể được phát hiện bởi thiết bị ghép hoặc cảm biến dòng điện được kết nối trong mạch thử nghiệm. Phương pháp dòng xung là phương pháp duy nhất được chỉ định trong IEC 60270 và các tiêu chuẩn liên quan để đo lường định lượng phóng điện cục bộ. Các phương pháp khác chủ yếu được sử dụng để phát hiện hoặc xác định vị trí phóng điện cục bộ. Phương pháp dòng xung có độ nhạy cao, nhưng rất dễ bị nhiễu điện từ tại hiện trường. Do đó, cần phải trích xuất tín hiệu phóng điện mờ nhạt từ các tín hiệu đã phát hiện. Lượng vật lý đại diện cho mức độ phóng điện cục bộ là điện tích biểu kiến q, có thể được tính bằng công thức sau.

Trong công thức, i(t) đại diện cho dòng xung của phóng điện cục bộ, Um(t) là điện áp xung, Rm là giá trị trở kháng phát hiện, và q là điện tích biểu kiến, có đơn vị pC (picocoulomb).

Phương pháp dòng xung dựa trên cảm biến dòng điện phù hợp cho việc phát hiện phóng điện cục bộ trực tuyến. Cảm biến dòng điện tần số cao thường hoạt động trong dải tần số từ 16 kHz đến 30 MHz và được thiết kế theo cấu trúc kẹp, giúp dễ dàng cài đặt tại đầu tiếp đất của cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn.

Phương pháp Siêu Âm

Phóng điện cục bộ gây ra va chạm phân tử mạnh, tạo ra sóng siêu âm lan truyền trong cầu chì. Cảm biến siêu âm được lắp đặt trên vỏ cầu chì có thể phát hiện tín hiệu phóng điện cục bộ. Các yếu tố piezoelectric bên trong cảm biến siêu âm chuyển đổi tín hiệu siêu âm do phóng điện cục bộ thành tín hiệu điện áp, sau đó được truyền đến mạch phát hiện. Mạch phát hiện cho phương pháp siêu âm chủ yếu bao gồm bộ giải ghép (được sử dụng để tách tín hiệu nguồn điện khỏi tín hiệu siêu âm), bộ khuếch đại tín hiệu và bộ lọc.

Các tín hiệu miền thời gian và miền tần số của sóng siêu âm từ phóng điện cục bộ trong cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn được hiển thị trong Hình 2, với dải tần số chủ yếu nằm trong khoảng từ 50 đến 250 kHz. Phương pháp siêu âm có ưu điểm như chi phí thấp, dễ lắp đặt, khả năng chống nhiễu điện từ mạnh và phù hợp để xác định vị trí phóng điện cục bộ. Tuy nhiên, cấu trúc cách điện bên trong cầu chì phức tạp, và sóng siêu âm di chuyển chậm và bị suy giảm đáng kể trong khí SF₆, do đó cần xác định vị trí phát hiện tối ưu.

Phương pháp Tần Số Siêu Cao (UHF)

Thời gian tăng và thời gian kéo dài của các xung dòng điện do phóng điện cục bộ tạo ra nằm trong phạm vi nanosecond, kích thích sóng điện từ có tần số tương đương trong dải tần số siêu cao từ 300 MHz đến 3 GHz. Hiện nay, dải tần số phát hiện của hầu hết các cảm biến UHF trên thị trường là từ 300 MHz đến 1.5 GHz. Do tín hiệu yếu và tần số cao, phương pháp UHF yêu cầu điều chỉnh tín hiệu đầu vào thông qua các mạch lọc, mạch khuếch đại và mạch tích hợp trước khi truyền chúng đến thẻ thu thập dữ liệu để phân tích sau đó.

Đồng thời, khi sử dụng phương pháp UHF, cần loại bỏ các tiếng ồn như tín hiệu truyền thông và tín hiệu nguồn điện chiếu sáng từ cả phần mềm và phần cứng. Phương pháp UHF có độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu mạnh và phù hợp để xác định vị trí phóng điện cục bộ. Mô hình PRPD (phân bố theo pha) của tín hiệu UHF từ phóng điện cục bộ ở tiềm năng nổi được hiển thị trong Hình 3, chứa thông tin về biên độ phóng điện, pha và số lần xuất hiện.

Phương pháp Điện Áp Tạm Thời (TEV)

Khi sóng điện từ do phóng điện cục bộ lan truyền đến vỏ kim loại của cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn, một dòng điện cảm ứng được tạo ra trên bề mặt vỏ, tạo ra điện áp tạm thời giữa trở kháng sóng của cơ sở tiếp đất. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến TEV có thể tương đương với bộ phân chia điện dung. Nó xác định sự xuất hiện của phóng điện cục bộ bằng cách phát hiện điện áp trên tụ điện tương đương giữa điện cực cảm biến và lớp cách điện. Các tín hiệu điện áp tạm thời của phóng điện cục bộ bên trong cầu chì SF₆ được hiển thị trong Hình 4, với dải tần số chính từ 1-100 MHz. Phương pháp TEV có đặc điểm dễ sử dụng và không cần mạch phát hiện bổ sung.

Các Phương Pháp Phân Tích Phóng Điện Cục Bộ

Các phương pháp phân tích phóng điện cục bộ được sử dụng để đánh giá mức độ rủi ro của phóng điện, loại bỏ nhiễu tín hiệu và trích xuất đặc trưng phóng điện để phân loại loại lỗi. Các phương pháp này chủ yếu bao gồm phương pháp sóng xung, phương pháp mô hình PRPD, phương pháp mô hình mối quan hệ biên độ ba pha, phương pháp mô hình thời gian-tần số, và phương pháp đặc trưng thống kê theo thời gian.

Phương pháp sóng xung phân tích một sóng xung đơn dựa trên các tham số như thời gian tăng, thời gian giảm, chiều rộng xung, độ nhọn và độ lệch. Phương pháp mô hình PRPD tích lũy các tín hiệu phóng điện cục bộ dưới điện áp xoay chiều tần số công nghiệp để thu được đặc trưng phân bố theo pha, biên độ và số lần xuất hiện của phóng điện. Do đó, nó còn được gọi là phương pháp \(\varphi -q -n\). Phương pháp mô hình mối quan hệ biên độ ba pha được sử dụng để phân tích phóng điện cục bộ dưới điện áp xoay chiều ba pha.

Nó thu được đặc trưng phân bố phóng điện bằng cách thu thập biên độ phóng điện của tín hiệu phóng điện thống nhất dưới các điện áp pha khác nhau. Phương pháp mô hình thời gian-tần số thu thập các xung phóng điện, tính toán thời gian tương đương và tần số tương đương, và vẽ mô hình phân bố phóng điện trong miền thời gian-tần số tương đương. Phương pháp đặc trưng thống kê theo thời gian phù hợp để phân tích phóng điện cục bộ dưới điện áp một chiều cao. Nó thống kê phân tích đặc trưng phân bố phóng điện dựa trên mức độ lượng phóng điện và thời gian chênh lệch giữa các xung phóng điện.

Đối với việc xác định vị trí phóng điện cục bộ bên trong cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn SF₆, có thể sử dụng phương pháp chênh lệch thời gian tuyệt đối hoặc phương pháp chênh lệch thời gian tương đối. Phương pháp chênh lệch thời gian tuyệt đối sử dụng tín hiệu xung dòng điện phóng điện hoặc tín hiệu tần số siêu cao (UHF) làm thời điểm bắt đầu phóng điện. Sau khi tính toán chênh lệch thời gian giữa tín hiệu siêu âm và tín hiệu bắt đầu phóng điện, nó xác định vị trí nguồn phóng điện. Phương pháp chênh lệch thời gian tương đối chỉ sử dụng nhiều cảm biến siêu âm được lắp đặt ở các vị trí khác nhau trên thùng cầu chì. Nó xác định vị trí khuyết tật cách điện bằng cách tính toán chênh lệch thời gian giữa mỗi tín hiệu siêu âm và tín hiệu siêu âm tham chiếu.

Kết luận

Giám sát trực tuyến phóng điện cục bộ có thể đánh giá hiệu quả hiệu suất cách điện của cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn SF₆ trước khi xảy ra sự cố, và là một trong những phương tiện quan trọng để đảm bảo an toàn và ổn định vận hành. Bài viết này tổng quan về các phương pháp phát hiện và phân tích phóng điện cục bộ trong cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn, kết hợp kinh nghiệm thực nghiệm và thực tế.

Trong quá trình áp dụng tại hiện trường, nên sử dụng nhiều phương tiện phát hiện và phương pháp phân tích để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của giám sát trực tuyến. Đồng thời, theo yêu cầu xây dựng Internet vạn vật điện lực, triển khai các công nghệ then chốt như cảm biến không dây không cần nguồn, mạng truyền thông không dây tiết kiệm năng lượng, tính toán cạnh và dữ liệu lớn đại diện cho xu hướng phát triển tương lai của phát hiện phóng điện cục bộ cho cầu chì đóng trong thùng đặt trên sàn.