Ablazione della bocchetta di contatto nel circuito interruttore ad alta tensione a sf6
Ispezione e Manutenzione delle Ustioni dei Circuiti Interruttori ad Alta Tensione SF6
1. Contesto e Metodi di Ispezione Tradizionali
Gli interruttori ad alta tensione SF6 sono ampiamente utilizzati nei sistemi elettrici per proteggere i circuiti da cortocircuiti e sovraccarichi. Per garantire la loro affidabilità e sicurezza, i produttori solitamente richiedono ispezioni periodiche e visive dei contatti principali, dei contatti d'arco e delle ustioni di gas. Queste ispezioni mirano a valutare lo stato di usura di questi componenti e a determinare se sia necessaria la sostituzione.
Storicamente, queste ispezioni si basavano su diversi criteri:
Intervallo di Tempo: Ad esempio, si raccomanda di ispezionare i contatti dopo 12 anni di utilizzo per gli interruttori ad alta tensione SF6 a pressione singola con serbatoio morto.
Operazioni Elettriche: Ad esempio, si consigliano ispezioni dopo 2000 operazioni elettriche.
Operazioni in Condizioni di Guasto: Ad esempio, si raccomandano ispezioni dopo 10 operazioni di interruzione del cortocircuito nominale.
Criteri Combinati: A volte si utilizza una combinazione dei fattori sopra menzionati per una valutazione più completa.
Tuttavia, nel corso del tempo, questi metodi di ispezione basati sul tempo e sul conteggio delle operazioni hanno rivelato alcune limitazioni. Sebbene queste verifiche aiutino a garantire la sicurezza dell'equipaggiamento, non sempre riflettono con precisione lo stato reale di usura dei contatti e delle ustioni. Inoltre, queste ispezioni possono essere costose, inconsistenti e presentare potenziali rischi durante le ispezioni interne in loco, che possono portare a danni all'equipaggiamento.
2. Impatto dell'Arco Elettrico sui Parametri dell'Interruttore
L'arco elettrico è un processo termico ed elettrico complesso che influenza significativamente le prestazioni dell'interruttore. Durante l'interruzione delle correnti di cortocircuito, l'arco può influire sui parametri dell'interruttore attraverso l'ablazione dell'ustione. L'ablazione dell'ustione si riferisce all'erosione del materiale dell'ustione causata dall'alta temperatura dell'arco. Questo processo ha un doppio effetto sulla capacità di interruzione dell'interruttore:
Aumento della Pressione nella Camera: Con l'ablazione dell'ustione, l'area sezione trasversale della gola dell'ustione aumenta, portando a una maggiore pressione all'interno della camera dell'interruttore. Questo aumento di pressione aiuta ad accelerare l'estinzione dell'arco, sopprimendo il riaccensione.
Aumento dell'Area Sezione Trasversale della Gola dell'Ustione: L'ampliamento della gola dell'ustione permette a più gas di fluire nella regione dell'arco, portando via più calore e riducendo la temperatura dell'arco. Tuttavia, questo disperde anche l'energia dell'arco, potenzialmente indebolendo la capacità di auto-blast dell'interruttore.
Pertanto, il processo di ablazione dell'ustione ha effetti positivi e negativi sulla capacità di interruzione di un interruttore a auto-blast. Quando l'interruttore interrompe una corrente di cortocircuito, l'ablazione dell'ustione rimuove parte dell'energia della colonna d'arco, aumenta la massa di gas nello spazio dell'ustione e alza la densità del gas intorno ai contatti dell'arco, riducendo così la probabilità di riaccensione.
3. Stima dell'Intensità dell'Ablazione dell'Ustione e la Sua Importanza
Data l'importante influenza dell'ablazione dell'ustione sulle prestazioni dell'interruttore, stimare l'intensità dell'ablazione (cioè l'aumento del diametro della gola dell'ustione) e calcolare la massa ablativa è un compito cruciale. Una stima accurata dell'ablazione dell'ustione aiuta il personale di manutenzione a comprendere meglio lo stato di salute dell'interruttore e a prendere decisioni informate per le future manutenzioni.
L'intensità dell'ablazione può essere stimata attraverso i seguenti metodi:
Ispezione Visiva: Smontando l'interruttore e osservando direttamente l'usura dell'ustione. Anche se questo metodo è semplice, è costoso e presenta rischi intrinseci, come menzionato in precedenza.
Tecnologie di Rilevamento Non Intrusive: Le tecnologie di rilevamento avanzate non invasive, come la termografia infrarossa e i test ultrasonici, sono sempre più utilizzate per la manutenzione degli interruttori. Queste tecniche consentono di valutare l'ablazione dell'ustione e altri problemi potenziali senza smontare l'equipaggiamento.
Analisi dei Dati e Modellizzazione Predittiva: Analizzando i dati storici di funzionamento dell'interruttore e combinandoli con modelli di fisica dell'arco, i modelli predittivi possono stimare l'intensità dell'ablazione dell'ustione. Questo approccio riduce le ispezioni di smontaggio inutili e migliora l'efficienza della manutenzione.
4. Linee di Sviluppo Futuro
Per migliorare l'efficienza e l'affidabilità della manutenzione degli interruttori ad alta tensione SF6, le strategie di manutenzione future potrebbero fare maggiore affidamento sul monitoraggio dello stato e sulle tecnologie di diagnostica intelligente. Il monitoraggio in tempo reale dei parametri di funzionamento dell'interruttore (come corrente, tensione e temperatura), combinato con algoritmi avanzati di analisi dei dati, può fornire una previsione più accurata dell'ablazione dell'ustione e dello stato di salute dei componenti chiave. Questo approccio può ridurre le ispezioni e le riparazioni inutili, prolungare la durata dell'equipaggiamento e ridurre i costi di manutenzione.
Inoltre, i progressi nella scienza dei materiali si concentreranno sullo sviluppo di materiali per ustioni più resistenti al calore e all'ablazione. L'applicazione di nuovi materiali può ulteriormente migliorare l'affidabilità e la capacità di interruzione dell'interruttore, mitigando gli effetti negativi dell'ablazione dell'ustione.
Metodo di Misurazione dell'Ablazione dell'Ustione negli Interruttori ad Alta Tensione
1.Principi della Misurazione dell'Ablazione dell'Ustione
1.1 Relazione tra Segnali di Pressione e Ablazione dell'Ustione
Le ricerche hanno dimostrato che l'ablazione dell'ustione, che aumenta il diametro della gola dell'ustione, altera le caratteristiche del flusso di gas all'interno dell'interruttore. Questo cambiamento influenza la distribuzione della pressione, portando a variazioni nei segnali di pressione che possono essere catturati dai sensori di pressione. Specificamente, l'ablazione dell'ustione produce due effetti principali:
Modifiche alla Forma d'Onda della Pressione: Un aumento del diametro dell'ustione modifica la resistenza al flusso di gas, alterando la forma d'onda della pressione.
Modifiche alle Caratteristiche Spettrali: L'ablazione dell'ustione influenza anche le caratteristiche spettrali dei segnali di pressione, in particolare nella gamma di frequenze elevate.
Analizzando queste caratteristiche dei segnali di pressione, è possibile inferire indirettamente l'entità dell'ablazione dell'ustione.
1.2 Installazione e Misurazione dei Sensori di Pressione
Per ottenere segnali di pressione accurati, i sensori di pressione possono essere installati in punti diversi a seconda della struttura dell'interruttore e dei requisiti di misurazione:
Misurazione Monopolare: Ogni polo ha una valvola in fondo, che può essere utilizzata per connettere i sensori di pressione. Questa configurazione consente di misurare le onde di pressione da un singolo polo, evitando l'interferenza dovuta alla sovrapposizione di segnali multipolari.
Misurazione Tripolare: Durante l'operazione standard, i tre poli sono collegati tramite tubi di rame, con una valvola di riempimento principale all'interno della base dell'interruttore, che collega tutti e tre i poli. Se la valvola di riempimento principale viene utilizzata come punto di connessione per il sensore di pressione, il segnale misurato sarà la sovrapposizione di tre segnali di pressione individuali.
Per garantire misurazioni accurate, vengono utilizzati sensori di pressione piezoelettrici ad alta sensibilità dotati di amplificatori di carica appropriati. I dati di pressione vengono registrati dall'inizio dell'operazione di commutazione fino alla fine della sesta oscillazione. Il segnale di pressione grezzo può essere elaborato con o senza filtraggio, a seconda dei requisiti di analisi.
Segnale Non Filtrato: La Trasformata di Fourier veloce (FFT) viene applicata direttamente al segnale non filtrato per analizzare le sue caratteristiche nel dominio delle frequenze.
Segnale Filtrato: Viene utilizzato un filtro passa-basso a 100 Hz per rimuovere il rumore ad alta frequenza, mantenendo solo i componenti a bassa frequenza.
Le figure 1 e 2 illustrano la storia della pressione e lo spettro, fornendo una rappresentazione visiva delle caratteristiche del segnale di pressione.
Classificazione delle Condizioni dell'Ustione Utilizzando l'Apprendimento Automatico
Per migliorare l'accuratezza della diagnosi, questo studio utilizza un algoritmo di apprendimento automatico basato sul metodo dei k-vicini più prossimi (k-NN). Il processo coinvolge i seguenti passaggi:
Estrazione delle Caratteristiche: Vengono estratte caratteristiche chiave dai segnali di pressione, come valori di picco e valle, componenti di frequenza, ecc. Queste caratteristiche servono come parametri di input per l'algoritmo di apprendimento automatico.
Addestramento del Modello: Il modello k-NN viene addestrato utilizzando dati noti sulle condizioni dell'ustione e degli elettrodi. Durante l'addestramento, l'algoritmo determina i vicini più prossimi in base alle distanze delle caratteristiche per eseguire la classificazione.
Classificazione dei Nuovi Dati: Per nuove misurazioni sconosciute, il modello addestrato viene utilizzato per classificare le condizioni delle ustioni e degli elettrodi.
Questo approccio consente la valutazione dell'ablazione dell'ustione e delle condizioni di altri componenti critici senza aprire la camera di gas, fornendo raccomandazioni di manutenzione accurate e prolungando la durata di vita dell'interruttore.
Punto di connessione con il sensore di pressione per l'ablazione dell'ustione (foto dalla fonte n. 1)
Dati grezzi della misurazione alla valvola di riempimento principale nelle condizioni originali (blu), segnale filtrato (rosso) (foto dalla fonte n. 1)
Spettro di frequenza dei dati grezzi nel metodo di pressione dell'interruttore ad alta tensione (foto dalla fonte n. 1)
Conclusione del Metodo della Pressione Transitoria per l'Ablazione dell'Ustione negli Interruttori ad Alta Tensione
1. Estrazione delle Caratteristiche dai Segnali di Pressione Filtrati e Non Filtrati
Dai segnali di pressione filtrati e non filtrati possono essere derivati diversi indicatori. Questi indicatori catturano le caratteristiche uniche dei diversi segnali di misurazione ed sono essenziali per identificare lo stato delle ustioni. A causa della larga dispersione di questi indicatori, non è fattibile abbinare direttamente diverse condizioni di ablazione a singoli indicatori. Per affrontare questa sfida, viene impiegato l'algoritmo dei k-vicini più prossimi (k-NN) per la valutazione.
L'algoritmo k-NN genera un vettore n-dimensionale per ogni misurazione, dove n rappresenta il numero di indicatori. La distanza tra due vettori viene calcolata utilizzando la distanza euclidea, con un aggiuntivo peso di varianza per tenere conto della variabilità dei dati. Questo approccio assicura che l'algoritmo possa distinguere efficacemente tra diverse condizioni di ablazione sulla base delle informazioni combinate da più indicatori.
2. Vantaggi e Sfide del Metodo della Pressione Transitoria
Il metodo della pressione transitoria è vantaggioso perché può essere facilmente implementato utilizzando le valvole di riempimento esistenti per connettere i sensori di pressione. Tuttavia, una delle principali sfide è la scarsa dispersione degli indicatori di stato (indicatori), che rende difficile la diagnosi accurata delle condizioni delle ustioni. Per superare questa limitazione, le scale degli indicatori sono state ottimizzate attraverso un'analisi di sensibilità. Mentre un singolo indicatore potrebbe non fornire informazioni sufficienti per tutti i casi, la combinazione di tutti e sette gli indicatori con l'algoritmo di classificazione k-NN migliora significativamente l'accuratezza della diagnosi.
3. Valutazione degli Algoritmi di Classificazione
Sono stati testati diversi algoritmi di classificazione, e i risultati hanno mostrato che l'algoritmo k-NN, utilizzando la distanza euclidea standard, ha raggiunto il tasso di errore più basso, inferiore al 0,9%, durante la validazione incrociata. Questa combinazione di indicatori e l'algoritmo k-NN è stata quindi applicata per classificare le misurazioni sul campo per diversi tipi di interruttori. Per le misurazioni considerate, questo approccio è stato in grado di eseguire la classificazione senza errori.
