Ablació de la boquilla de contacte en el disjuntor de alta tensió sf6
Inspecció i manteniment de les boquilles dels interruptors de corrent d'alta tensió SF6
1. Contexte i mètodes d'inspecció tradicionals
Els interruptors de corrent d'alta tensió SF6 es fan servir ampliament en sistemes elèctrics per protegir els circuits contra curts circuits i sobrecàrregues. Per assegurar la seva fiabilitat i seguretat, els fabricants solen requerir desmuntar-los i inspeccionar-los visualment de manera periòdica, incloent els contactes principals, els contactes d'arc i les boquilles de gas. Aquestes inspeccions tenen com objectiu avaluar l'estat d'esgarrifança d'aquests components i determinar si és necessària la seva substitució.
Històricament, aquestes inspeccions s'han basat en diversos criteris:
Interval de temps: Per exemple, es recomana inspeccionar els contactes després de 12 anys d'ús en els interruptors de circuit mort de pressió única SF6.
Operacions elèctriques: Per exemple, es recomana inspeccionar-los després de 2000 operacions elèctriques.
Operacions en cas d'averia: Per exemple, es recomana inspeccionar-los després de 10 operacions d'interrupció de curt circuit amb la potència nominal.
Criteris combinats: Es fa servir una combinació dels factors anteriors per a una avaluació més completa.
No obstant això, amb el temps, aquests mètodes d'inspecció basats en intervals de temps i en el nombre d'operacions han mostrat algunes limitacions. Tot i que aquestes comprovacions ajuden a assegurar la seguretat de l'equipament, no sempre reflecteixen amb precisió l'estat real d'esgarrifança dels contactes i les boquilles. A més, aquestes inspeccions poden ser costoses, inconsistents i comportar riscos durant les inspeccions internes in situ, que podrien arribar a enderrocar l'equipament.
2. Impacte de l'arc elèctric en els paràmetres de l'interruptor
L'arc elèctric és un procés tèrmic i elèctric complex que afecta significativament el rendiment de l'interruptor. Durant la interrupció de corrents de curt circuit, l'arc pot influir en els paràmetres de l'interruptor a través de l'ablació de la boquilla. L'ablació de la boquilla es refereix a l'erosió del material de la boquilla causada per l'alta temperatura de l'arc. Aquest procés té un doble efecte sobre la capacitat d'interrupció de l'interruptor:
Aument de la pressió de la cambra: Quan la boquilla s'abla, la secció transversal de la gorja de la boquilla augmenta, produint una major pressió dins de la cambra de l'interruptor. Aquest increment de pressió ajuda a accelerar l'extinció de l'arc suprimint la reactivació.
Aument de la secció transversal de la gorja de la boquilla: L'ampliació de la gorja de la boquilla permet que més gas flueixi cap a la regió de l'arc, portant-se'n més calor i reduint la temperatura de l'arc. No obstant això, això també dispersa l'energia de l'arc, potencialment debilitant la capacitat d'autoblast de l'interruptor.
Així, el procés d'ablació de la boquilla té tant efectes positius com negatius sobre la capacitat d'interrupció d'un interruptor d'autoblast. Quan l'interruptor interromp una corrent de curt circuit, l'ablació de la boquilla elimina part de l'energia de la columna d'arc, augmenta la massa de gas a l'espai de la boquilla i eleva la densitat del gas al voltant dels contactes d'arc, reduint així la probabilitat de reactivació.
3. Estimació de l'intensitat de l'ablació de la boquilla i la seva importància
Atès l'impacte significatiu de l'ablació de la boquilla en el rendiment de l'interruptor, estimar l'intensitat de l'ablació (és a dir, l'augment del diàmetre de la gorja de la boquilla) i calcular la massa ablatida és una tasca crucial. Una estimació precisa de l'ablació de la boquilla ajuda el personal de manteniment a entendre millor l'estat de salut de l'interruptor i a prendre decisions informades per al futur manteniment.
L'intensitat de l'ablació es pot estimar mitjançant els següents mètodes:
Inspecció visual: Desmuntant l'interruptor i observant directament l'esgarrifança de la boquilla. Tot i que aquest mètode és simple, és costós i comporta riscos inherents, com s'ha mencionat anteriorment.
Tècniques de detecció no invasives: Les tecnologies avançades de detecció no invasiva, com la termografia infraroja i les proves ultrasòniques, es fan cada vegada més servir per al manteniment de l'interruptor. Aquestes tècniques permeten avaluar l'ablació de la boquilla i altres possibles problemes sense desmuntar l'equipament.
Anàlisi de dades i modelització predictiva: Analitzant les dades històriques d'operació de l'interruptor i combiand-les amb models de física de l'arc, els models predictius poden estimar l'intensitat de l'ablació de la boquilla. Aquest enfocament redueix les inspeccions innecessàries de desmuntatge i millora l'eficiència del manteniment.
4. Direccions de desenvolupament futur
Per millorar l'eficiència i la fiabilitat del manteniment dels interruptors de corrent d'alta tensió SF6, les estratègies de manteniment futurs podrien depenir més de la monitorització de l'estat i les tecnologies de diagnòstic intel·ligent. La monitorització en temps real dels paràmetres d'operació de l'interruptor (com ara la corrent, la tensió i la temperatura), combinada amb algoritmes avançats d'anàlisi de dades, pot proporcionar una predicció més precisa de l'ablació de la boquilla i de la salut general dels components clau. Aquest enfocament pot reduir les inspeccions i reparacions innecessàries, allargar la vida útil de l'equipament i disminuir els costos de manteniment.
A més, els avenços en la ciència dels materials es centraran en el desenvolupament de materials de boquilla més resistent als calor i a l'ablació. L'aplicació de nous materials pot millorar encara més la fiabilitat i la capacitat d'interrupció de l'interruptor, atenuant els efectes negatius de l'ablació de la boquilla.
Mètode de mesura de l'ablació de la boquilla en interruptors de corrent d'alta tensió
1.Principis de la mesura de l'ablació de la boquilla
1.1 Relació entre els senyals de pressió i l'ablació de la boquilla
La recerca ha demostrat que l'ablació de la boquilla, que augmenta el diàmetre de la gorja de la boquilla, altera les característiques del flux de gas dins de l'interruptor. Aquest canvi afecta la distribució de pressió, provocant variacions en els senyals de pressió que es poden captar amb sensors de pressió. Específicament, l'ablació de la boquilla resulta en dos efectes principals:
Canvis en la forma d'ona de pressió: Un increment del diàmetre de la boquilla modifica la resistència al flux de gas, alterant la forma de l'ona de pressió.
Canvis en les característiques espectrals: L'ablació de la boquilla també influeix en les característiques espectrals dels senyals de pressió, especialment en el rang de freqüències altes.
Analitzant aquests atributs dels senyals de pressió, és possible inferir indirectament l'extensió de l'ablació de la boquilla.
1.2 Instal·lació i mesura de sensors de pressió
Per obtenir senyals de pressió precisos, els sensors de pressió es poden instal·lar en diferents punts, depenent de la estructura de l'interruptor i els requisits de mesura:
Medició de pol únic: Cada pol té una válvula a la base, que es pot utilitzar per connectar sensors de pressió. Aquesta configuració permet la mesura d'ones de pressió d'un sol pol, evitant la interferència de la superposició de senyals de múltiples pols.
Medició de tres pols: En funcionament estàndard, els tres pols estan connectats mitjançant tubs de cobre, amb una válvula principal de ompliment situada a la base de l'interruptor, connectant tots tres pols. Si es fa servir la válvula principal de ompliment com a punt de connexió per al sensor de pressió, el senyal mesurat serà la superposició de tres senyals de pressió individuals.
Per assegurar mesures precises, es fan servir sensors de pressió piezoelèctrics de alta sensibilitat equipats amb amplificadors de càrrega adequats. Les dades de pressió es registren des de l'inici de l'operació de commutació fins al final de la sisena oscil·lació. El senyal de pressió brut es pot processar amb o sense filtrat, depenent dels requisits d'anàlisi.
Senyal no filtrat: S'aplica la transformada ràpida de Fourier (FFT) directament al senyal no filtrat per analitzar les seves característiques en el domini de freqüència.
Senyal filtrat: Es fa servir un filtre pas baix de 100 Hz per eliminar el soroll de freqüència alta, conservant només les components de freqüència baixa.
Les figures 1 i 2 il·lustren l'historial de pressió i l'espectre, proporcionant una representació visual de les característiques del senyal de pressió.
Classificació de l'estat de la boquilla mitjançant aprenentatge automàtic
Per millorar la precisió del diagnòstic, aquest estudi fa servir un algoritme d'aprenentatge automàtic basat en el mètode dels k-neighbors més propers (k-NN). El procés implica els següents passos:
Extracció de característiques: Es treuen característiques clau dels senyals de pressió, com els valors màxims i mínims, les components de freqüència, etc. Aquestes característiques serveixen com a paràmetres d'entrada per a l'algoritme d'aprenentatge automàtic.
Entrenament del model: El model k-NN s'entrena fent servir dades conegudes sobre l'estat de les boquilles i els electrodes. Durant l'entrenament, l'algoritme determina els neighbors més propers basant-se en les distàncies entre les característiques per fer la classificació.
Classificació de noves dades: Per a noves mesures desconegudes, es fa servir el model entrenat per classificar l'estat de les boquilles i els electrodes.
Aquest enfocament permet avaluar l'ablació de la boquilla i altres condicions crítiques dels components sense obrir la cambra de gas, proporcionant recomanacions de manteniment precises i allargant la vida útil de l'interruptor.
Punt de connexió amb el sensor de pressió per a l'ablació de la boquilla (foto de la font n.º 1)
Dades brutes de la mesura a la válvula principal de ompliment en condicions originals (blau), senyal filtrat (vermell) (foto de la font n.º 1)
Espectre de freqüència de les dades brutes en el mètode de pressió d'interruptors de corrent d'alta tensió (foto de la font n.º 1)
Conclusió del mètode de pressió transitori per a l'ablació de les boquilles d'interruptors de corrent d'alta tensió
1. Extracció de característiques dels senyals de pressió filtrats i no filtrats
Es poden derivar diverses característiques tant dels senyals de pressió filtrats com no filtrats. Aquestes característiques capturen les característiques úniques de diferents senyals de mesura i són essencials per identificar l'estat de les boquilles. Degut a la gran dispersió d'aquestes característiques, no és viable ajustar directament diferents condicions d'ablació amb característiques individuals. Per abordar aquest repte, es fa servir l'algoritme dels k-neighbors més propers (k-NN) per a l'avaluació.
L'algoritme k-NN genera un vector n-dimensional per a cada mesura, on n representa el nombre de característiques. La distància entre dos vectors es calcula utilitzant la distància euclidiana, amb un pes addicional de variància per tenir en compte la variabilitat de les dades. Aquest enfocament assegura que l'algoritme pugui distingir eficientment entre diferents condicions d'ablació basant-se en la informació combinada de múltiples característiques.
2. Avantatges i reptes del mètode de pressió transitori
El mètode de pressió transitori és avantatjós perquè es pot implementar fàcilment utilitzant les válvules d'ompliment existents per connectar sensors de pressió. No obstant això, un dels principals reptes és la pobra dispersió dels indicadors d'estat (característiques), que dificulta un diagnòstic precís de l'estat de les boquilles. Per superar aquesta limitació, les escales de les característiques s'han optimitzat a través d'una anàlisi de sensibilitat. Mentre que una sola característica pot no proporcionar informació suficient per a tots els casos, la combinació de totes set característiques amb l'algoritme de classificació k-NN millora significativament la precisió del diagnòstic.
3. Avaluació dels algoritmes de classificació
S'han provat diversos algoritmes de classificació, i els resultats han mostrat que l'algoritme k-NN, utilitzant la distància euclidiana estàndard, va aconseguir la taxa d'error més baixa, inferior al 0,9%, durant la validació creuada. Aquesta combinació de característiques i l'algoritme k-NN es va aplicar per classificar les mesures de camp per a diferents tipus d'interruptors. Per a les mesures d'interruptors considerades, aquest enfocament va poder realitzar la classificació sense errors.
