Ablation de la buse de contact dans le disjoncteur haute tension au sf6

Inspection et Maintenance des Buses de Disjoncteurs à Haute Tension SF6

1. Contexte et Méthodes d'Inspection Traditionnelles

Les disjoncteurs à haute tension SF6 sont largement utilisés dans les systèmes électriques pour protéger les circuits contre les courts-circuits et les surcharges. Pour garantir leur fiabilité et leur sécurité, les fabricants exigent généralement un démontage périodique et une inspection visuelle des contacts principaux, des contacts d'arc et des buses de gaz. Ces inspections visent à évaluer l'état d'usure de ces composants et à déterminer s'il est nécessaire de les remplacer.

Historiquement, ces inspections se basaient sur plusieurs critères :

• Intervalle de Temps : Par exemple, il est recommandé d'inspecter les contacts après 12 ans d'utilisation pour les disjoncteurs monopression SF6 à réservoir mort.

• Opérations Électriques : Par exemple, des inspections sont conseillées après 2000 opérations électriques.

• Opérations en Cas de Défaut : Par exemple, des inspections sont recommandées après 10 opérations de court-circuit nominal.

• Critères Combinés : Une combinaison des facteurs ci-dessus est parfois utilisée pour une évaluation plus complète.

Cependant, au fil du temps, ces méthodes d'inspection basées sur le temps et le nombre d'opérations ont révélé certaines limites. Bien que ces contrôles contribuent à assurer la sécurité de l'équipement, ils ne reflètent pas toujours avec précision l'état d'usure réel des contacts et des buses. De plus, ces inspections peuvent être coûteuses, incohérentes et présenter des risques potentiels lors des inspections internes sur site, ce qui peut entraîner des dommages à l'équipement.

2. Impact de l'Arc sur les Paramètres du Disjoncteur

L'arc est un processus thermique et électrique complexe qui affecte considérablement les performances d'un disjoncteur. Lors de l'interruption des courants de court-circuit, l'arc peut influencer les paramètres du disjoncteur par l'ablation des buses. L'ablation des buses fait référence à l'érosion du matériau des buses causée par la température élevée de l'arc. Ce processus a un double effet sur la capacité d'interruption du disjoncteur :

• Augmentation de la Pression dans la Chambre : À mesure que la bus s'ablate, la section transversale de la gorge de la bus augmente, entraînant une pression plus élevée à l'intérieur de la chambre du disjoncteur. Cette pression accrue aide à accélérer l'extinction de l'arc en supprimant la réallumage.

• Augmentation de la Section Transversale de la Gorge de la Bus : L'élargissement de la gorge de la bus permet à plus de gaz de s'écouler vers la région de l'arc, emportant plus de chaleur et réduisant la température de l'arc. Cependant, cela disperse également l'énergie de l'arc, potentiellement affaiblissant la capacité d'auto-explosion du disjoncteur.

Ainsi, le processus d'ablation des buses a des effets positifs et négatifs sur la capacité d'interruption d'un disjoncteur à auto-explosion. Lorsque le disjoncteur interrompt un courant de court-circuit, l'ablation des buses élimine une partie de l'énergie de la colonne d'arc, augmente la masse de gaz dans l'espace de la bus et augmente la densité de gaz autour des contacts d'arc, réduisant ainsi la probabilité de réallumage.

3. Estimation de l'Intensité de l'Ablation des Buses et Son Importance

Étant donné l'impact significatif de l'ablation des buses sur les performances du disjoncteur, l'estimation de l'intensité de l'ablation (c'est-à-dire l'augmentation du diamètre de la gorge de la bus) et le calcul de la masse ablatée est une tâche cruciale. Une estimation précise de l'ablation des buses aide le personnel de maintenance à mieux comprendre l'état de santé du disjoncteur et à prendre des décisions éclairées pour la maintenance future.

L'intensité de l'ablation peut être estimée par les méthodes suivantes :

• Inspection Visuelle : En démontant le disjoncteur et en observant directement l'usure de la bus. Bien que cette méthode soit simple, elle est coûteuse et comporte des risques inhérents, comme mentionné précédemment.

• Techniques de Détection Non Intrusives : Les technologies de détection non intrusives avancées, telles que la thermographie infrarouge et les tests ultrasonores, sont de plus en plus utilisées pour la maintenance des disjoncteurs. Ces techniques permettent d'évaluer l'ablation des buses et d'autres problèmes potentiels sans démonter l'équipement.

• Analyse des Données et Modélisation Prédictive : En analysant les données historiques d'exploitation du disjoncteur et en les combinant avec des modèles de physique de l'arc, des modèles prédictifs peuvent estimer l'intensité de l'ablation des buses. Cette approche réduit les inspections de démontage inutiles et améliore l'efficacité de la maintenance.

4. Directions de Développement Futur

Pour améliorer l'efficacité et la fiabilité de la maintenance des disjoncteurs à haute tension SF6, les stratégies de maintenance futures pourraient s'appuyer davantage sur la surveillance de l'état et les technologies de diagnostic intelligent. La surveillance en temps réel des paramètres d'exploitation du disjoncteur (tels que le courant, la tension et la température), combinée à des algorithmes d'analyse de données avancés, peut fournir une prédiction plus précise de l'ablation des buses et de l'état global des composants clés. Cette approche peut réduire les inspections et les réparations inutiles, prolonger la durée de vie de l'équipement et réduire les coûts de maintenance.

De plus, les progrès en science des matériaux se concentreront sur le développement de matériaux de buses plus résistants à la chaleur et à l'ablation. L'application de nouveaux matériaux peut encore améliorer la fiabilité et la capacité d'interruption du disjoncteur, atténuant les effets négatifs de l'ablation des buses.

Méthode de Mesure de l'Ablation des Buses dans les Disjoncteurs à Haute Tension

1.Principes de la Mesure de l'Ablation des Buses

1.1 Relation Entre les Signaux de Pression et l'Ablation des Buses

Des recherches ont démontré que l'ablation des buses, qui augmente le diamètre de la gorge de la bus, modifie les caractéristiques d'écoulement de gaz à l'intérieur du disjoncteur. Ce changement affecte la distribution de la pression, conduisant à des variations des signaux de pression qui peuvent être capturés par des capteurs de pression. Spécifiquement, l'ablation des buses a deux effets principaux :

• Changements dans la Forme d'Onde de Pression : Une augmentation du diamètre de la bus modifie la résistance à l'écoulement de gaz, altérant la forme de l'onde de pression.

• Changements dans les Caractéristiques Spectrales : L'ablation des buses influence également les caractéristiques spectrales des signaux de pression, en particulier dans la gamme de fréquences élevées.

En analysant ces caractéristiques des signaux de pression, il est possible d'inférer indirectement l'ampleur de l'ablation des buses.

1.2 Installation et Mesure des Capteurs de Pression

Pour obtenir des signaux de pression précis, des capteurs de pression peuvent être installés à différents points en fonction de la structure du disjoncteur et des besoins de mesure :

• Mesure Monopolaire : Chaque pôle a une vanne à sa base, qui peut être utilisée pour connecter des capteurs de pression. Cette configuration permet de mesurer les ondes de pression d'un seul pôle, évitant les interférences dues à la superposition des signaux multipolaires.

• Mesure Tripolaire : Lors de l'exploitation normale, les trois pôles sont connectés via des tubes en cuivre, avec une vanne de remplissage principale située à l'intérieur de la base du disjoncteur, reliant les trois pôles. Si la vanne de remplissage principale est utilisée comme point de connexion pour le capteur de pression, le signal mesuré sera la superposition de trois signaux de pression individuels.

Pour assurer des mesures précises, des capteurs de pression piézoélectriques à haute sensibilité équipés d'amplificateurs de charge appropriés sont utilisés. Les données de pression sont enregistrées du début de l'opération de commutation jusqu'à la fin de la sixième oscillation. Le signal de pression brut peut être traité avec ou sans filtrage, selon les besoins d'analyse.

• Signal Non Filtré : La Transformée de Fourier Rapide (FFT) est appliquée directement au signal non filtré pour analyser ses caractéristiques dans le domaine fréquentiel.

• Signal Filtré : Un filtre passe-bas de 100 Hz est utilisé pour éliminer le bruit de haute fréquence, ne conservant que les composantes de basse fréquence.

Les figures 1 et 2 illustrent l'historique de la pression et le spectre, fournissant une représentation visuelle des caractéristiques du signal de pression.

2. Classification de l'État des Buses Utilisant l'Apprentissage Automatique

Pour améliorer la précision du diagnostic, cette étude utilise un algorithme d'apprentissage automatique basé sur la méthode des k-Plus Proches Voisins (k-NN). Le processus implique les étapes suivantes :

• Extraction de Caractéristiques : Des caractéristiques clés sont extraites des signaux de pression, telles que les valeurs de pic et de creux, les composantes de fréquence, etc. Ces caractéristiques servent de paramètres d'entrée pour l'algorithme d'apprentissage automatique.

• Entraînement du Modèle : Le modèle k-NN est entraîné en utilisant des données connues sur l'état des buses et des électrodes. Pendant l'entraînement, l'algorithme détermine les voisins les plus proches en fonction des distances entre les caractéristiques pour effectuer la classification.

• Classification des Nouvelles Données : Pour de nouvelles mesures inconnues, le modèle entraîné est utilisé pour classifier l'état des buses et des électrodes.

Cette approche permet d'évaluer l'ablation des buses et l'état d'autres composants critiques sans ouvrir la chambre à gaz, fournissant des recommandations de maintenance précises et prolongeant la durée de vie du disjoncteur.

Point de connexion avec le capteur de pression pour l'ablation des buses (photo de la source n°1)

Données brutes de la mesure à la vanne de remplissage principale en condition initiale (bleu), signal filtré (rouge) (photo de la source n°1)

Spectre de fréquence des données brutes dans la méthode de pression des disjoncteurs à haute tension (photo de la source n°1)

Conclusion de la Méthode de Pression Transitoire pour l'Ablation des Buses des Disjoncteurs à Haute Tension

1. Extraction de Caractéristiques des Signaux de Pression Filtrés et Non Filtrés

Plusieurs caractéristiques peuvent être dérivées des signaux de pression filtrés et non filtrés. Ces caractéristiques capturent les particularités uniques des différents signaux de mesure et sont essentielles pour identifier l'état des buses. En raison de la dispersion large de ces caractéristiques, il n'est pas possible de faire correspondre directement différentes conditions d'ablation avec des caractéristiques individuelles. Pour relever ce défi, l'algorithme des k-Plus Proches Voisins (k-NN) est utilisé pour l'évaluation.

L'algorithme k-NN génère un vecteur n-dimensionnel pour chaque mesure, où n représente le nombre de caractéristiques. La distance entre deux vecteurs est calculée en utilisant la distance euclidienne, avec un poids supplémentaire de variance pour tenir compte de la variabilité des données. Cette approche assure que l'algorithme peut efficacement distinguer différentes conditions d'ablation en se basant sur l'information combinée de plusieurs caractéristiques.

2. Avantages et Défis de la Méthode de Pression Transitoire

La méthode de pression transitoire est avantageuse car elle peut être facilement mise en œuvre en utilisant les vannes de remplissage existantes pour connecter les capteurs de pression. Cependant, l'un des principaux défis est la mauvaise dispersion des indicateurs d'état (caractéristiques), ce qui rend difficile un diagnostic précis de l'état des buses. Pour surmonter cette limitation, les échelles de caractéristiques ont été optimisées par analyse de sensibilité. Bien qu'une seule caractéristique puisse ne pas fournir suffisamment d'informations dans tous les cas, la combinaison de toutes les sept caractéristiques avec l'algorithme de classification k-NN améliore considérablement la précision du diagnostic.

3. Évaluation des Algorithmes de Classification

Plusieurs algorithmes de classification ont été testés, et les résultats ont montré que l'algorithme k-NN, en utilisant la distance euclidienne standard, a atteint le taux d'erreur le plus faible, inférieur à 0,9 %, lors de la validation croisée. Cette combinaison de caractéristiques et de l'algorithme k-NN a ensuite été appliquée pour classer des mesures sur le terrain pour différents types de disjoncteurs. Pour les mesures de disjoncteurs considérées, cette approche a pu effectuer la classification sans erreurs.