Kontaktní tryska vysokého napětí v přerušovači sf6
Prohlídka a údržba trychtýřů vysokonapěťových spínacích přerušovačů SF6
1. Pozadí a tradiční metody prohlídek
Vysokonapěťové spínací přerušovače SF6 jsou široce používány v elektrických systémech k ochraně obvodů před krátkými spoji a přetížením. Aby byla zajištěna jejich spolehlivost a bezpečnost, výrobci obvykle vyžadují pravidelné rozebírání a vizuální prohlídky hlavních kontaktů, kontaktních oblouků a plynových trychtýřů. Tyto prohlídky mají za cíl posoudit stav opotřebení těchto komponent a určit, zda je nutná jejich výměna.
Historicky se tyto prohlídky prováděly na základě několika kritérií:
Časový interval: Například doporučuje se prohlídku kontaktů po 12 letech používání pro jednoduchého tlaku SF6 přerušovače s uzavřenou nádrží.
Elektrické operace: Například doporučuje se prohlídku po 2000 elektrických operacích.
Poruchové operace: Například doporučuje se prohlídku po 10 nominálních operacích při krátkém spoji.
Kombinovaná kritéria: Někdy se používá kombinace výše uvedených faktorů pro komplexnější hodnocení.
S časem se však ukázalo, že tyto časově a počtem operací založené metody prohlídek mají některé omezení. Ačkoli tyto kontroly pomáhají zajistit bezpečnost zařízení, nezobrazují vždy přesně skutečný stav opotřebení kontaktů a trychtýřů. Kromě toho mohou být tyto prohlídky nákladné, nekonzistentní a při provedení na místě mohou představovat potenciální rizika, která mohou vést k poškození zařízení.
2. Vliv oblouku na parametry přerušovače
Oblouk je složitý tepelný a elektrický proces, který významně ovlivňuje výkon přerušovače. Během přerušování krátkých spojů může oblouk ovlivnit parametry přerušovače prostřednictvím ablace trychtýře. Ablace trychtýře znamená erozi materiálu trychtýře způsobenou vysokou teplotou oblouku. Tento proces má dvojitý efekt na schopnost přerušování přerušovače:
Zvýšení tlaku v komoře: S ablací trychtýře se zvětšuje průřez hrdla trychtýře, což vede ke zvýšení tlaku uvnitř komory přerušovače. Toto zvýšené tlak pomáhá urychlit vyhasnutí oblouku tím, že potlačuje znovuzapálení.
Zvýšení průřezu hrdla trychtýře: Zvětšení hrdla trychtýře umožňuje více plynu proniknout do oblasti oblouku, odvádí více tepla a snižuje teplotu oblouku. Nicméně, to také rozptyluje energii oblouku, což může oslabit samočinnou výbušnou schopnost přerušovače.
Tedy, proces ablace trychtýře má jak pozitivní, tak negativní efekty na schopnost přerušování samočinně výbušného přerušovače. Když přerušovač přeruší krátký spoj, ablace trychtýře odstraní část energie obloukového sloupce, zvýší hmotnost plynu v prostoru trychtýře a zvýší hustotu plynu kolem kontaktních oblouků, čímž snižuje pravděpodobnost znovuzapálení.
3. Odhad intenzity ablace trychtýře a jeho význam
Vzhledem k významnému dopadu ablace trychtýře na výkon přerušovače je klíčovou úlohou odhad intenzity ablace (tedy zvětšení průměru hrdla trychtýře) a výpočet ablatované hmotnosti. Přesný odhad ablace trychtýře pomáhá personálu pro údržbu lépe pochopit stav přerušovače a podniknout informovaná rozhodnutí pro budoucí údržbu.
Intenzitu ablace lze odhadnout následujícími metodami:
Vizuální prohlídka: Rozborem přerušovače a přímým pozorováním opotřebení trychtýře. Ačkoli je tato metoda jednoduchá, je nákladná a nese v sobě inhereční rizika, jak bylo zmíněno výše.
Nevazivé detekční techniky: Pokročilé nevazivé detekční technologie, jako je infrarudá termografie a ultrazvukové testování, se stále častěji používají pro údržbu přerušovačů. Tyto techniky umožňují hodnotit ablace trychtýře a další potenciální problémy bez rozbírání zařízení.
Analyza dat a prediktivní modelování: Analyzou historických operačních dat přerušovače a jejich kombinací s fyzikálními modely oblouku lze prediktivní modely odhadnout intenzitu ablace trychtýře. Tento přístup snižuje nepotřebné rozbírání a zlepšuje efektivitu údržby.
4. Budoucí směry vývoje
Aby byla zvýšena efektivita a spolehlivost údržby vysokonapěťových spínacích přerušovačů SF6, budoucí strategie údržby by mohly více využívat monitoringu stavu a inteligentní diagnostické technologie. Reálný časový monitoring operačních parametrů přerušovače (např. proud, napětí a teplota), kombinovaný s pokročilými algoritmy analýzy dat, může poskytnout přesnější predikci ablace trychtýře a celkového stavu klíčových komponent. Tento přístup může snížit nepotřebné prohlídky a opravy, prodloužit životnost zařízení a snížit náklady na údržbu.
Kromě toho se vývoj materiálů zaměří na vytváření materiálů trychtýřů, které jsou odolnější proti teplu a ablace. Použití nových materiálů může dále zlepšit spolehlivost a schopnost přerušování přerušovače, snižuje negativní efekty ablace trychtýře.
Měřicí metoda pro ablace trychtýře vysokonapěťových přerušovačů
1.Zásady měření ablace trychtýře
1.1 Vztah mezi signály tlaku a ablace trychtýře
Výzkum ukázal, že ablace trychtýře, která zvětšuje průměr hrdla trychtýře, mění charakteristiky toku plynu uvnitř přerušovače. Tato změna ovlivňuje distribuci tlaku, což vede k variacím signálů tlaku, které lze zachytit pomocí senzorů tlaku. Konkrétně ablace trychtýře vede k dvěma hlavním efektům:
Změny v průběhu tlakového signálu: Zvětšení průměru trychtýře mění odpor toku plynu, což mění tvar průběhu tlakového signálu.
Změny spektrálních charakteristik: Ablace trychtýře také ovlivňuje spektrální charakteristiky signálů tlaku, zejména v oblasti vysokých frekvencí.
Analyzou těchto charakteristik signálů tlaku lze nepřímo usuzovat na rozsah ablace trychtýře.
1.2 Instalace a měření senzorů tlaku
Pro získání přesných signálů tlaku lze senzory tlaku instalovat v různých bodech v závislosti na struktuře přerušovače a požadavcích na měření:
Měření jednopólové: Každý pól má ventil na spodku, který lze použít k připojení senzorů tlaku. Tato konfigurace umožňuje měření tlakových vln z jednoho pólu, což eliminuje rušení z nadpolových superpozic signálů.
Měření třípólové: Během standardního provozu jsou tři póly propojeny měděnými trubkami, s hlavním plnícím ventilem uvnitř základny přerušovače, který spojuje všechny tři póly. Pokud se hlavní plnící ventil použije jako připojovací bod pro senzor tlaku, měřený signál bude superpozicí tří individuálních signálů tlaku.
Pro zajištění přesných měření se používají senzory tlaku s vysokou citlivostí vybavené vhodnými zesilovači náboje. Data tlaku jsou zaznamenávána od začátku přepínací operace až po konec šesté oscilace. Raw signál tlaku lze zpracovat buď s filtrováním, nebo bez něj, v závislosti na požadavcích analýzy.
Nezafiltrovaný signál: Na nezafiltrovaný signál se přímo aplikuje rychlá Fourierova transformace (FFT) pro analýzu jeho frekvenčních charakteristik.
Zafiltrovaný signál: Používá se 100 Hz dolní propustný filtr pro odstranění vysokofrekvenčního šumu, zanechávající pouze nízkofrekvenční komponenty.
Obrázky 1 a 2 ilustrují historii tlaku a spektrum, poskytují vizuální reprezentaci charakteristik signálů tlaku.
Třídění stavu trychtýře pomocí strojového učení
Pro zlepšení přesnosti diagnózy tento studie využívá algoritmus strojového učení založený na metodě k-Nearest Neighbors (k-NN). Proces zahrnuje následující kroky:
Extrakce funkcí: Klíčové funkce jsou extrahovány z signálů tlaku, jako jsou vrcholy a údolí, frekvenční komponenty atd. Tyto funkce slouží jako vstupní parametry pro algoritmus strojového učení.
Trénování modelu: Model k-NN se trénuje pomocí známých dat o stavu trychtýře a elektrod. Během tréninku algoritmus určuje nejbližší sousedy na základě vzdálenosti funkcí pro klasifikaci.
Klasifikace nových dat: Pro nová, neznámá měření se využívá trénovaný model pro klasifikaci stavu trychtýře a elektrod.
Tento přístup umožňuje hodnotit ablace trychtýře a jiné klíčové komponenty bez otevírání plynné komory, poskytovat přesné doporučení pro údržbu a prodlužovat životnost přerušovače.
Připojovací bod s senzorem tlaku pro ablace trychtýře (fotografie ze zdroje č. 1)
Surové data měření u hlavního plnícího ventilu v původním stavu (modrá), zafiltrovaný signál (červená) (fotografie ze zdroje č. 1)
Frekvenční spektrum surových dat v metodě tlaku vysokonapěťového přerušovače (fotografie ze zdroje č. 1)
Závěr metody přechodného tlaku pro ablace trychtýře vysokonapěťových přerušovačů
1. Extrakce funkcí z zafiltrovaných a nezafiltrovaných signálů tlaku
Ze zafiltrovaných i nezafiltrovaných signálů tlaku lze odvodit několik funkcí. Tyto funkce zachycují unikátní charakteristiky různých měřicích signálů a jsou klíčové pro identifikaci stavu trychtýře. Vzhledem k širokému rozptyle těchto funkcí není možné přímo porovnávat různé stavy ablace s individuálními funkcemi. Pro řešení tohoto problému se používá algoritmus k-Nearest Neighbors (k-NN).
Algoritmus k-NN generuje n-rozměrný vektor pro každé měření, kde n představuje počet funkcí. Vzdálenost mezi dvěma vektory se vypočítává pomocí euklidovské vzdálenosti, s dodatečným vážením variance pro zohlednění variability dat. Tento přístup zajišťuje, že algoritmus může efektivně rozlišovat mezi různými stavy ablace na základě kombinované informace z několika funkcí.
2. Výhody a výzvy metody přechodného tlaku
Metoda přechodného tlaku je výhodná, protože lze ji snadno implementovat pomocí existujících plnících ventilů pro připojení senzorů tlaku. Nicméně, jedním z hlavních problémů je špatný rozptyl indikátorů stavu (funkcí), což komplikuje přesné diagnostikování stavu trychtýře. Pro překonání tohoto omezení byly škály funkcí optimalizovány pomocí analýzy citlivosti. Ačkoli jedna funkce nemusí poskytnout dostatečné informace ve všech případech, kombinace všech sedmi funkcí s klasifikačním algoritmem k-NN významně zlepšuje přesnost diagnostiky.
3. Hodnocení klasifikačních algoritmů
Bylo testováno několik klasifikačních algoritmů, a výsledky ukázaly, že algoritmus k-NN s použitím standardní euklidovské vzdálenosti dosáhl nejnižší chybové míry nižší než 0,9% během křížové validace. Tato kombinace funkcí a algoritmu k-NN byla pak použita k klasifikaci měření v terénu pro různé typy přerušovačů. Pro zvažovaná měření přerušovačů byl tento přístup schopen provést klasifikaci bez jakýchkoli chyb.
