Zanik wtryskownika kontaktowego w wysokonapiętym przekaźniku obwodowym sf6
Inspekcja i konserwacja dysz wyładowczych wysokonapiowych przekaźników SF6
1. Tło i tradycyjne metody inspekcji
Wysokonapiowe przekaźniki SF6 są szeroko stosowane w systemach energetycznych do ochrony obwodów przed zwarciami i przeciążeniami. Aby zapewnić ich niezawodność i bezpieczeństwo, producenci zazwyczaj wymagają okresowego rozmontowywania i wizualnej kontroli głównych kontaktów, kontaktów łukowych i dysz gazowych. Te kontrole mają na celu ocenę stanu zużycia tych elementów i określenie, czy wymiana jest konieczna.
Z historii wynika, że te kontrole opierały się na kilku kryteriach:
Interwał czasowy: Na przykład zaleca się kontrole kontaktów po 12 latach użytkowania dla jednopolewowych przekaźników SF6 w stalowej obudowie.
Operacje elektryczne: Na przykład kontrole są zalecane po 2000 operacjach elektrycznych.
Operacje awaryjne: Na przykład kontrole są zalecane po 10 operacjach przerwania nominalnego prądu zwarcia.
Złączone kryteria: Czasem używa się kombinacji powyższych czynników dla bardziej kompleksowej oceny.
Jednakże, z biegiem czasu, te metody kontroli oparte na interwałach czasowych i licznikach operacji ujawniły pewne ograniczenia. Choć te kontrole pomagają zapewnić bezpieczeństwo sprzętu, nie zawsze dokładnie odzwierciedlają rzeczywisty stan zużycia kontaktów i dysz. Ponadto, te kontrole mogą być kosztowne, niekonsekwentne i narażać na potencjalne ryzyko podczas lokalnych kontroli wewnętrznych, co może prowadzić do uszkodzenia sprzętu.
2. Wpływ łuku na parametry przekaźnika
Łuk to złożony proces termiczny i elektryczny, który znacznie wpływa na wydajność przekaźnika. Podczas przerwania prądów zwarcia, łuk może wpływać na parametry przekaźnika poprzez ablację dysz. Ablacja dysz to erozja materiału dyszy spowodowana wysoką temperaturą łuku. Ten proces ma podwójny wpływ na zdolność przerwania przekaźnika:
Zwiększenie przekroju poprzecznego gardła dyszy: Rozszerzenie gardła dyszy pozwala na przepływ większej ilości gazu do obszaru łuku, co odprowadza więcej ciepła i zmniejsza temperaturę łuku. Jednak to również rozprasza energię łuku, potencjalnie osłabiając zdolność samozgasięcia przekaźnika.
Tak więc, proces ablacji dysz ma zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki na zdolność przerwania przekaźnika samozgasięciowego. Gdy przekaźnik przerwie prąd zwarcia, ablacja dysz usuwa część energii kolumny łuku, zwiększa masę gazu w przestrzeni dyszy i podwyższa gęstość gazu wokół kontaktów łukowych, co zmniejsza prawdopodobieństwo ponownego zapłonu.
3. Szacowanie intensywności ablacji dysz i jej znaczenie
Biorąc pod uwagę znaczący wpływ ablacji dysz na wydajność przekaźnika, szacowanie intensywności ablacji (tj. zwiększenie średnicy gardła dyszy) i obliczenie ablacji masy jest kluczowym zadaniem. Dokładne szacowanie ablacji dysz pomaga personełowi konserwacyjnemu lepiej zrozumieć kondycję przekaźnika i podejmować świadome decyzje dotyczące przyszłej konserwacji.
Intensywność ablacji można oszacować za pomocą następujących metod:
Wizualna inspekcja: Poprzez rozmontowanie przekaźnika i bezpośrednie obserwowanie zużycia dyszy. Chociaż ta metoda jest prosta, jest kosztowna i niesie ze sobą inherentne ryzyko, jak wspomniano wcześniej.
Nieniszczące techniki detekcji: Zaawansowane nieniszczące techniki detekcji, takie jak termografia podczerwona i ultradźwiękowe badania, są coraz częściej stosowane w konserwacji przekaźników. Te techniki pozwalają na ocenę ablacji dysz i innych potencjalnych problemów bez rozmontowywania sprzętu.
Analiza danych i modelowanie predykcyjne: Poprzez analizę historycznych danych operacyjnych przekaźnika i połączenie ich z modelami fizyki łuku, modele predykcyjne mogą oszacować intensywność ablacji dysz. Ten podejście redukuje niepotrzebne kontrole rozmontowywania i poprawia efektywność konserwacji.
4. Kierunki rozwoju w przyszłości
Aby zwiększyć efektywność konserwacji i niezawodność wysokonapiowych przekaźników SF6, strategie konserwacji w przyszłości mogą bardziej polegać na monitoringu stanu i inteligentnych technologiach diagnostycznych. Monitorowanie w czasie rzeczywistym parametrów pracy przekaźnika (takich jak prąd, napięcie i temperatura), połączone z zaawansowanymi algorytmami analizy danych, może dostarczyć dokładniejszych prognoz ablacji dysz i ogólnej kondycji kluczowych elementów. Ten podejście może zmniejszyć niepotrzebne kontrole i naprawy, wydłużyć żywotność sprzętu i obniżyć koszty konserwacji.
Ponadto, postępy w naukach materiałowych będą skupiały się na opracowaniu materiałów dysz bardziej odpornych na ciepło i ablację. Zastosowanie nowych materiałów może dalej poprawić niezawodność i zdolność przerwania przekaźnika, zmniejszając negatywne skutki ablacji dysz.
Metoda pomiaru ablacji dysz w wysokonapiowych przekaźnikach
1.Zasady pomiaru ablacji dysz
1.1 Relacja między sygnałami ciśnienia a ablacją dysz
Badania pokazały, że ablacja dysz, która zwiększa średnicę gardła dyszy, zmienia charakterystykę przepływu gazu w przekaźniku. Ta zmiana wpływa na rozkład ciśnienia, prowadząc do zmian sygnałów ciśnienia, które mogą być uchwycione przez czujniki ciśnienia. Konkretnie, ablacja dysz prowadzi do dwóch głównych efektów:
Zmiany fali ciśnienia: Zwiększenie średnicy dyszy modyfikuje opór przepływu gazu, zmieniając kształt fali ciśnienia.
Zmiany charakterystyk spektralnych: Ablacja dysz wpływa również na charakterystyki spektralne sygnałów ciśnienia, szczególnie w zakresie wysokich częstotliwości.
Poprzez analizę tych cech sygnałów ciśnienia, można pośrednio wnioskować o stopniu ablacji dysz.
1.2 Montaż i pomiar czujników ciśnienia
Aby uzyskać dokładne sygnały ciśnienia, czujniki ciśnienia można zamontować w różnych punktach, w zależności od struktury przekaźnika i wymagań pomiarowych:
Pomiar jednopolowy: Każdy pol przekaźnika ma zawór na dole, który może być użyty do połączenia czujników ciśnienia. Ta konfiguracja pozwala na pomiar fal ciśnienia z pojedynczego pola, unikając interferencji sygnałów wielopolowych.
Pomiar trójpolowy: W normalnym trybie pracy, trzy pola są połączone rurami miedzianymi, z głównym zaworem wypełniającym znajdującym się w podstawie przekaźnika, łączącym wszystkie trzy pola. Jeśli główny zawór wypełniający będzie używany jako punkt połączenia czujnika ciśnienia, pomierzony sygnał będzie superpozycją trzech indywidualnych sygnałów ciśnienia.
Aby zapewnić dokładne pomiary, używa się czujników ciśnienia piezoelektrycznych o wysokiej czułości wyposażonych w odpowiednie wzmacniacze ładunku. Dane ciśnienia są rejestrowane od początku operacji przełączania do końca szóstego oscylacji. Surowy sygnał ciśnienia może być przetwarzany z lub bez filtracji, w zależności od wymagań analizy.
Niefiltrowany sygnał: Do surowego sygnału bezpośrednio stosuje się szybką transformację Fouriera (FFT) do analizy jego charakterystyk w dziedzinie częstotliwości.
Filtrowany sygnał: Używa się dolnoprzepustowego filtra 100 Hz, aby usunąć hałas o wysokich częstotliwościach, zachowując tylko składowe niskich częstotliwości.
Rysunki 1 i 2 ilustrują historię ciśnienia i widmo, dostarczając wizualne przedstawienie charakterystyk sygnałów ciśnienia.
Klasyfikacja stanu dysz przy użyciu uczenia maszynowego
Aby zwiększyć dokładność diagnozy, to badanie wykorzystuje algorytm uczenia maszynowego oparty na metodzie k-Nearest Neighbors (k-NN). Proces obejmuje następujące etapy:
Ekstrakcja cech: Kluczowe cechy są ekstrahowane z sygnałów ciśnienia, takie jak wartości szczytowe i doliny, składowe częstotliwościowe itp. Te cechy służą jako parametry wejściowe dla algorytmu uczenia maszynowego.
Trenowanie modelu: Model k-NN jest trenowany przy użyciu znanych danych dotyczących stanu dysz i elektrod. W trakcie treningu, algorytm określa najbliższych sąsiadów na podstawie odległości cech, aby przeprowadzić klasyfikację.
Klasyfikacja nowych danych: Dla nowych, nieznanych pomiarów, używany jest wytrenowany model do klasyfikacji stanu dysz i elektrod.
Ten podejście umożliwia ocenę ablacji dysz i innych kluczowych elementów bez otwierania komory gazowej, dostarczając dokładne rekomendacje konserwacyjne i wydłużając żywotność przekaźnika.
Punkt połączenia czujnika ciśnienia do pomiaru ablacji dysz (zdjęcie źródłowe nr 1)
Surowe dane pomiaru w głównym zaworze wypełniającym w stanie pierwotnym (niebieski), filtrowany sygnał (czerwony) (zdjęcie źródłowe nr 1)
Częstotliwościowy widmo surowych danych w metodzie ciśnienia wysokonapiowego przekaźnika (zdjęcie źródłowe nr 1)
Podsumowanie metody przejściowego ciśnienia dla ablacji dysz wysokonapiowych przekaźników
1. Ekstrakcja cech z filtrowanych i niefiltrowanych sygnałów ciśnienia
Można wyodrębnić wiele cech zarówno z filtrowanych, jak i niefiltrowanych sygnałów ciśnienia. Te cechy uchwytują unikalne charakterystyki różnych sygnałów pomiarowych i są niezbędne do identyfikacji stanu dysz. Ze względu na szeroki rozrzut tych cech, nie jest możliwe bezpośrednie dopasowanie różnych stanów ablacji do indywidualnych cech. Aby rozwiązać ten problem, wykorzystuje się algorytm k-Nearest Neighbors (k-NN).
Algorytm k-NN generuje wektor n-wymiarowy dla każdego pomiaru, gdzie n reprezentuje liczbę cech. Odległość między dwoma wektorami jest obliczana za pomocą odległości euklidesowej, z dodatkowym ważeniem wariancji, aby uwzględnić zmienność danych. Ten podejście zapewnia, że algorytm może efektywnie odróżniać różne stany ablacji na podstawie połączonej informacji z wielu cech.
2. Zalety i wyzwania metody przejściowego ciśnienia
Metoda przejściowego ciśnienia jest korzystna, ponieważ może być łatwo zaimplementowana przy użyciu istniejących zaworów wypełniających do połączenia czujników ciśnienia. Jednak jednym z głównych wyzwań jest słaba dyspersja wskaźników stanu (cech), co utrudnia dokładną diagnozę stanu dysz. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, skalę cech zoptymalizowano poprzez analizę wrażliwości. Chociaż jedna cecha może nie dostarczać wystarczającej ilości informacji we wszystkich przypadkach, połączenie wszystkich siedmiu cech z algorytmem klasyfikacji k-NN znacząco poprawia dokładność diagnostyki.
3. Ocena algorytmów klasyfikacji
Przetestowano kilka algorytmów klasyfikacji, a wyniki pokazały, że algorytm k-NN, używający standardowej odległości euklidesowej, osiągnął najniższą stopę błędów poniżej 0,9% podczas walidacji krzyżowej. Ta kombinacja cech i algorytmu k-NN została następnie zastosowana do klasyfikacji pomiarów terenowych dla różnych typów przekaźników. Dla rozważanych pomiarów przekaźników, ten podejście było w stanie przeprowadzić klasyfikację bez żadnych błędów.
