Ablación do bocal de contacto no interruptor de circuito de alta tensión sf6

Inspección e manutención das boquillas dos interruptores de alta tensión SF6

1. Antecedentes e métodos de inspección tradicionais

Os interruptores de alta tensión SF6 son ampliamente utilizados nos sistemas eléctricos para protexer os circuitos contra cortocircuitos e sobrecargas. Para asegurar a súa fiabilidade e seguridade, os fabricantes xeralmente requiren unha desmontaxe periódica e unha inspección visual dos contactos principais, contactos de arco e boquillas de gas. Estas inspeccións teñen como obxectivo avaliar o estado de desgaste destes compoñentes e determinar se é necesaria a súa substitución.

Históricamente, estas inspeccións baseáronse en varios criterios:

• Intervalo de tempo: Por exemplo, recoméndase inspeccionar os contactos despois de 12 anos de uso para os interruptores de alta tensión SF6 de tanque morto de presión única.

• Operacións eléctricas: Por exemplo, aconséllanse inspeccións despois de 2000 operacións eléctricas.

• Operacións de fallo: Por exemplo, recoméndanse inspeccións despois de 10 operacións de interrupción de cortocircuito nominal.

• Criterios combinados: Ás veces, úsanse unha combinación dos factores anteriores para unha avaliación máis comprehensiva.

No entanto, co paso do tempo, estes métodos de inspección baseados en intervalos de tempo e contaxes de operacións revelaron algunhas limitacións. Aínda que estas comprobacións axudan a asegurar a seguridade do equipo, non reflicten sempre de xeito exacto o estado real de desgaste dos contactos e as boquillas. Ademais, estas inspeccións poden ser caras, inconsistentes e supor riscos potenciais durante as inspeccións internas no local, que poden levar ao dano do equipo.

2. Impacto do arco na parámetros do interruptor

O arco é un proceso térmico e eléctrico complexo que afecta significativamente o rendemento do interruptor. Durante a interrupción de correntes de cortocircuito, o arco pode afectar os parámetros do interruptor a través da ablación da boquilla. A ablación da boquilla refírese á erosión do material da boquilla causada pola alta temperatura do arco. Este proceso ten un efecto dual na capacidade de interrupción do interruptor:

• Aumento da presión na cámara: A medida que a boquilla se abla, a sección transversal da garganta da boquilla aumenta, provocando unha maior presión dentro da cámara do interruptor. Esta presión aumentada axuda a acelerar a extinción do arco ao suprimir a rechispa.

• Aumento da sección transversal da garganta da boquilla: O alargamento da garganta da boquilla permite que pase máis gas á rexión do arco, levando máis calor e reducindo a temperatura do arco. No entanto, isto tamén dispersa a enerxía do arco, posiblemente debilitando a capacidade de autoexpulsión do interruptor.

Así, o proceso de ablación da boquilla ten efectos positivos e negativos na capacidade de interrupción dun interruptor de autoexpulsión. Cando o interruptor interrompe unha corrente de cortocircuito, a ablación da boquilla elimina parte da enerxía da columna de arco, aumenta a masa de gas no espazo da boquilla e eleva a densidade de gas arredor dos contactos de arco, reducindo así a probabilidade de rechispa.

3. Estimación da intensidade de ablación da boquilla e a súa importancia

Dado o impacto significativo da ablación da boquilla no rendemento do interruptor, estimar a intensidade da ablación (isto é, o aumento do diámetro da garganta da boquilla) e calcular a masa ablatada é unha tarefa crucial. Unha estimación precisa da ablación da boquilla axuda ao persoal de manutención a entender mellor a saúde do interruptor e a tomar decisións informadas para a manutención futura.

A intensidade da ablación pode estimarse mediante os seguintes métodos:

• Inspección visual: Desmontando o interruptor e observando directamente o desgaste da boquilla. Aínda que este método é simple, é caro e implica riscos inherentes, como mencionamos anteriormente.

• Técnicas de detección non intrusivas: As tecnoloxías de detección non intrusivas avanzadas, como a termografía infravermella e as probas ultrasonicas, están sendo cada vez máis utilizadas para a manutención do interruptor. Estas técnicas permiten avaliar a ablación da boquilla e outras posibles cuestións sen desmontar o equipo.

• Análise de datos e modelización predictiva: Analizando os datos históricos de operación do interruptor e combinándoo con modelos de física de arcos, os modelos predictivos poden estimar a intensidade de ablación da boquilla. Este enfoque reduce as inspeccións de desmontaxe innecesarias e mellora a eficiencia da manutención.

4. Direccións de desenvolvemento futuro

Para mellorar a eficiencia e a fiabilidade da manutención dos interruptores de alta tensión SF6, as estratexias de manutención futuras poden depender máis da monitorización de condición e das tecnoloxías de diagnóstico inteligente. A monitorización en tempo real dos parámetros de operación do interruptor (como corrente, voltaxe e temperatura), combinada con algoritmos avanzados de análise de datos, pode proporcionar unha predicción máis precisa da ablación da boquilla e da saúde global dos compoñentes clave. Este enfoque pode reducir as inspeccións e reparacións innecesarias, estender a vida útil do equipo e reducir os custos de manutención.

Ademais, os avances na ciencia dos materiais centraranse no desenvolvemento de materiais de boquilla máis resistentes ao calor e á ablación. A aplicación de novos materiais pode mellorar aínda máis a fiabilidade e a capacidade de interrupción do interruptor, mitigando os efectos negativos da ablación da boquilla.

Método de medida da ablación da boquilla en interruptores de alta tensión

1.Principios da medida da ablación da boquilla

1.1 Relación entre as señales de presión e a ablación da boquilla

As investigacións demostraron que a ablación da boquilla, que aumenta o diámetro da garganta da boquilla, altera as características de fluxo de gas dentro do interruptor. Esta cambio afecta a distribución de presión, provocando variacións nas señales de presión que poden captarse por sensores de presión. Específicamente, a ablación da boquilla resulta en dous efectos primarios:

• Cambios na forma de onda de presión: Un aumento no diámetro da boquilla modifica a resistencia ao fluxo de gas, alterando a forma da onda de presión.

• Cambios nas características espectrais: A ablación da boquilla tamén inflúe nas características espectrais das señales de presión, especialmente na banda de frecuencias altas.

Analizando estas características das señales de presión, é posible inferir indirectamente a extensión da ablación da boquilla.

1.2 Instalación e medida de sensores de presión

Para obter señales de presión precisas, os sensores de presión poden instalarse en diferentes puntos dependendo da estrutura do interruptor e dos requisitos de medida:

• Medida de polo único: Cada polo ten unha válvula na súa base, que pode usarse para conectar sensores de presión. Esta configuración permite medir as ondas de presión dun só polo, evitando a interferencia da superposición de señales de múltiples polos.

• Medida de tres polos: Durante a operación estándar, os tres polos están conectados por tubos de cobre, cunha válvula de llenado principal situada na base do interruptor, conectando todos os tres polos. Se a válvula de llenado principal se usa como punto de conexión para o sensor de presión, a señal medida será a superposición de tres señales individuais de presión.

Para asegurar medidas precisas, utilízanse sensores de presión piezoeléctricos de alta sensibilidade equipados con amplificadores de carga adecuados. Os datos de presión rexistranse desde o inicio da operación de conmutación ata o final da sexta oscilación. A señal de presión crúa pode procesarse con ou sen filtrado, dependendo dos requisitos de análise.

• Señal non filtrada: Aplica-se directamente a transformada rápida de Fourier (FFT) á señal non filtrada para analizar as súas características no dominio de frecuencia.

• Señal filtrada: Usa-se un filtro pasa baxos de 100 Hz para eliminar o ruido de alta frecuencia, retendo só os componentes de baixa frecuencia.

As figuras 1 e 2 ilustran a historia de presión e o espectro, proporcionando unha representación visual das características da señal de presión.

2. Clasificación da condición da boquilla usando aprendizaxe automática

Para mellorar a precisión do diagnóstico, este estudo emprega un algoritmo de aprendizaxe automática baseado no método de k-Veciños Máis Próximos (k-NN). O proceso implica os seguintes pasos:

• Extracción de características: Extraense características clave das señales de presión, como valores de pico e valle, componentes de frecuencia, etc. Estas características serven como parámetros de entrada para o algoritmo de aprendizaxe automática.

• Entrenamento do modelo: O modelo k-NN entréname usando datos coñecidos sobre a condición das boquillas e electrodos. Durante o entrenamento, o algoritmo determina os veciños máis próximos baseándose nas distancias de características para realizar a clasificación.

• Clasificación de novos datos: Para novas medidas descoñecidas, úsase o modelo entranado para clasificar a condición das boquillas e electrodos.

Este enfoque permite avaliar a ablación da boquilla e outras condicións críticas de compoñentes sen abrir a cámara de gas, proporcionando recomendacións de manutención precisas e prolongando a vida útil do interruptor.

Punto de conexión con sensor de presión para a ablación da boquilla (foto da fonte nº 1)

Datos brutos de medida na válvula de llenado principal en condición orixinal (azul), señal filtrada (vermello) (foto da fonte nº 1)

Espectro de frecuencia de datos brutos no método de presión de interruptores de alta tensión (foto da fonte nº 1)

Conclusión do método de presión transitoria para a ablación da boquilla de interruptores de alta tensión

1. Extracción de características de señales de presión filtradas e non filtradas

Pódense derivar varias características tanto de señales de presión filtradas como non filtradas. Estas características capturan as características únicas de diferentes señales de medida e son esenciais para identificar a condición das boquillas. Debido á ampla dispersión destas características, non é factible emparelar directamente diferentes condicións de ablación con características individuais. Para abordar este desafío, emprega-se o algoritmo de k-Veciños Máis Próximos (k-NN) para a avaliación.

O algoritmo k-NN xera un vector n-dimensional para cada medida, onde n representa o número de características. A distancia entre dous vectores calculase utilizando a distancia euclidiana, con un peso adicional de varianza para ter en conta a variabilidade dos datos. Este enfoque asegura que o algoritmo pode distinguir eficazmente entre diferentes condicións de ablación baseándose na información combinada de múltiples características.

2. Vantaxes e desafíos do método de presión transitoria

O método de presión transitoria é vantaxoso porque pode implementarse facilmente usando as válvulas de llenado existentes para conectar os sensores de presión. No entanto, un dos principais desafíos é a pobre dispersión dos indicadores de estado (características), que dificulta un diagnóstico preciso da condición das boquillas. Para superar esta limitación, as escalas de características optimízanse mediante unha análise de sensibilidade. Aínda que unha característica individual pode non proporcionar información suficiente para todos os casos, a combinación de todas as sete características co algoritmo de clasificación k-NN mellora significativamente a precisión do diagnóstico.

3. Avaliación de algoritmos de clasificación

Probaronse varios algoritmos de clasificación, e os resultados mostraron que o algoritmo k-NN, utilizando a distancia euclidiana estándar, logrou a menor taxa de erro inferior ao 0,9% durante a validación cruzada. Esta combinación de características e o algoritmo k-NN aplicáronse para clasificar medidas de campo para diferentes tipos de interruptores. Para as medidas de interruptores consideradas, este enfoque foi capaz de realizar a clasificación sen erros.