Kontaktna ventilna erozija v visokonapetostnem preklopniku s šestfluoridom plinskega kovina (sf6)

Preverjanje in vzdrževanje ventilov visokonapetostnih preklopnikov SF6

1. Pozadina in tradicionalne metode preverjanja

Visokonapetostni preklopniki SF6 so široko uporabljeni v električnih sistemih za zaščito krak na kratek in preobremenitve. Za zagotavljanje njihove zanesljivosti in varnosti proizvajalci običajno zahtevajo redno razbiranje in vizualno preverjanje glavnih kontaktov, kontaktnih lukov in plinskih ventilov. Ti pregledi so namenjeni oceni stanja opadanja teh komponent in določitvi, ali je potrebna zamenjava.

Zgodovinsko so ta pregledi temeljili na več merilih:

• Časovni interval: Na primer, priporoča se pregled kontaktov po 12 letih uporabe za enonaponne preklopnike SF6 s smrtnim rezervoarjem.

• Električne operacije: Na primer, pregledi so priporočeni po 2000 električnih operacijah.

• Operacije ob napakah: Na primer, pregledi so priporočeni po 10 operacijah preklopnika pri nominalnem kraču.

• Kombinirana merila: Nekaterič je uporabljena kombinacija zgornjih dejavnikov za bolj celovito oceno.

Vendar pa so s časom ti časovno in operacijsko številčno temeljene metode preverjanja razkrile nekatere omejitve. Čeprav te preglede pomagajo zagotoviti varnost opreme, ne odražajo vedno točno dejanskega stanja opadanja kontaktov in ventilov. Poleg tega so ti pregledi lahko dragi, neskladni in predstavljajo potencialne tveganja med na mestu izvedenimi notranjimi preglezi, ki lahko vodijo do poškodbe opreme.

2. Vpliv luka na parametre preklopnika

Luk je kompleksen termični in električni proces, ki zelo vpliva na delovanje preklopnika. Med prekinjanjem kračnih tokov luke lahko vplivajo na parametre preklopnika skozi ablacijo ventilov. Ablacija ventila se nanaša na erozijo materiala ventila zaradi visoke temperature luka. Ta postopek ima dvojni učinek na prekinjalno sposobnost preklopnika:

• Povečan tlak v kamerni prostornini: Ko se ventili ablirajo, se poveča presečna ploskev grla ventila, kar vodi v višji tlak znotraj kamere preklopnika. To povečanje tlaka pomaga pospešiti izginjanje luka z zmanjševanjem možnosti ponovnega zapalitve.

• Povečana presečna ploskev grla ventila: Večanje presečne ploskve grla ventila omogoča večemu količinu plina, da pretoci v regijo luka, nosi boljše toploto in zmanjša temperaturo luka. Vendar to tudi razprši energijo luka, kar lahko oslabi samozapalno sposobnost preklopnika.

Tako ima postopek ablacije ventila pozitiven in negativni učinek na prekinjalno sposobnost samozapalnega preklopnika. Ko preklopnik prekine kračni tok, ablacija ventila odstrani del energije stolpa luka, poveča maso plina v prostornini ventila in poveča gostoto plina okoli kontaktov luka, s tem zmanjša verjetnost ponovnega zapalitve.

3. Ocena intenzitete ablacije ventila in njena pomen

Zaradi značilnega vpliva ablacije ventila na delovanje preklopnika ocena intenzitete ablacije (tj. povečanje premera grla ventila) in izračun abliranega masa je ključna naloga. Natančna ocena ablacije ventila pomaga osebju za vzdrževanje bolje razumeti zdravje preklopnika in sprejeti informirane odločitve za prihodnje vzdrževanje.

Intenziteta ablacije se lahko oceni z naslednjimi metodami:

• Vizualno preverjanje: Z razbiralnim preklopnikom in neposrednim opazovanjem opadanja ventila. Čeprav je ta metoda preprosta, je draga in prinaša notranja tveganja, kot je bilo omenjeno že prej.

• Nenavadenja metode za preverjanje: Napredne nenavadenja metode za preverjanje, kot so infrardeča termografska in ultrazvočna preverjanja, se vse bolj uporabljajo za vzdrževanje preklopnikov. Te tehnike omogočajo oceno ablacije ventila in drugih potencialnih problemov brez razbiranja opreme.

• Analiza podatkov in prediktivno modeliranje: S analizo zgodovinskih operacijskih podatkov preklopnika in kombinacijo z fizikalnimi modeli luka, prediktivni modeli lahko ocenijo intenziteto ablacije ventila. Ta pristop zmanjša nepotrebnih razbiralnih pregledov in izboljša učinkovitost vzdrževanja.

4. Smeri prihodnje razvoja

Za izboljšanje učinkovitosti in zanesljivosti visokonapetostnih preklopnikov SF6 bodo prihodnje strategije vzdrževanja morda bolj odvisne od nadzora stanja in pametnih diagnostičnih tehnologij. Realnočasni nadzor operacijskih parametrov preklopnika (kot so tok, napon in temperatura), kombiniran z naprednimi algoritmi za analizo podatkov, lahko zagotovi bolj točno predvidenje ablacije ventila in splošnega zdravja ključnih komponent. Ta pristop lahko zmanjša nepotrebnih pregledov in popravil, podaljša življenjski čas opreme in zniža stroške vzdrževanja.

Dodatno bo napredek v materialni znanosti usmerjen v razvoj materialov, ki so bolj odporni na toplotno obremenitev in ablacijo. Uporaba novih materialov lahko še bolj izboljša zanesljivost in prekinjalno sposobnost preklopnika, zmanjša negativne učinke ablacije ventila.

Metoda merjenja ablacije ventila v visokonapetostnih preklopnikih

1.Principi merjenja ablacije ventila

1.1 Povezava med signali tlaka in ablacijo ventila

Raziskave so pokazale, da ablacija ventila, ki poveča premer grla ventila, spremeni karakteristike pretoka plina znotraj preklopnika. Ta sprememba vpliva na porazdelitev tlaka, kar vodi do variacij signalov tlaka, ki jih lahko zajamejo senzorji tlaka. Specifično ablacija ventila povzroča dva glavna učinka:

• Spremembe valovnega oblika tlaka: Povečanje premera ventila spremeni upor protokom plina, kar spremeni obliko valovnega oblika tlaka.

• Spremembe spektralnih značilnosti: Ablacija ventila vpliva tudi na spektralne značilnosti signalov tlaka, posebej v visokofrekvenčnem območju.

S analizo teh značilnosti signalov tlaka je mogoče neposredno zaključiti o obsegu ablacije ventila.

1.2 Namestitev in merjenje senzorjev tlaka

Za pridobivanje natančnih signalov tlaka lahko senzorji tlaka namestijo na različnih mestih, odvisno od strukture preklopnika in zahtev za merjenje:

• Merjenje enega pola: Vsak pol ima ventil na dnu, ki se lahko uporabi za povezavo senzorjev tlaka. Ta nastavitev omogoča merjenje valovnega oblika tlaka iz enega pola, čeprav se izogiba motnjam zaradi superpozicije signalov več polov.

• Merjenje treh polov: V standardnem delovanju so trije poli povezani preko bakrenih cevi, z glavnim ventilom zapolnjevanja znotraj baze preklopnika, ki povezuje vse trije pole. Če se glavni ventil zapolnjevanja uporabi kot povezovalno mesto za senzor tlaka, bo merjeni signal superpozicija treh posameznih signalov tlaka.

Za zagotavljanje natančnih meritev se uporabljajo visokočutljivi piezoelektrični senzorji tlaka, opremljeni z ustrezno napravo za nabijanje. Podatki o tlaku se zapisujejo od začetka preklopne operacije do konca šestega nihanja. Surov signal tlaka se lahko obdeluje z ali brez filtriranja, glede na zahteve za analizo.

• Nezafiltriran signal: Hitra Fourierova transformacija (FFT) se uporablja neposredno na nezafiltriranem signalu za analizo njegovih frekvenčnih značilnosti.

• Zafiltriran signal: Uporabljajo se 100 Hz nizkoprostropni filtri za odstranitev visokofrekvenčnega šuma, pri čemer se ohranijo samo nizkofrekvenčne komponente.

Sliki 1 in 2 prikazujeta zgodovino tlaka in spekter, kar omogoča vizualno predstavitev značilnosti signalov tlaka.

2. Klasifikacija stanja ventila z uporabo strojnega učenja

Za izboljšanje natančnosti diagnosticiranja ta raziskava uporablja algoritem strojnega učenja, temelječ na metodi najbližjih sosedov (k-NN). Postopek vključuje naslednje korake:

• Izluščevanje značilk: Ključne značilke so izluščene iz signalov tlaka, kot so vrhovi in doline, frekvenčne komponente itd. Te značilke služijo kot vhodni parametri za algoritem strojnega učenja.

• Trening modela: Model k-NN se trenira z uporabo znanih podatkov o stanju ventilov in elektrod. Med treniranjem algoritem določi najbližje sosede na podlagi razdalj med značilkami za izvedbo klasifikacije.

• Klasifikacija novih podatkov: Za nove, neznane meritve se trenirani model uporablja za klasifikacijo stanja ventilov in elektrod.

Ta pristop omogoča oceno ablacije ventila in drugih ključnih komponent brez odpiranja plinske komore, kar zagotavlja natančna priporočila za vzdrževanje in podaljša življenjski čas preklopnika.

Povezovalno mesto s senzorjem tlaka za ablacijo ventila (slika iz vira št. 1)

Suroidni podatki merjenja na glavnem ventilu v prvotnem stanju (modro), zafiltrirani signal (rdeče) (slika iz vira št. 1)

Frekvenčni spekter suroidnih podatkov v metodi tlaka visokonapetostnega preklopnika (slika iz vira št. 1)

Zaključek prehodne metode tlaka za ablacijo ventila visokonapetostnega preklopnika

1. Izluščevanje značilk iz zafiltriranih in nezafiltriranih signalov tlaka

Iz zafiltriranih in nezafiltriranih signalov tlaka je mogoče izluščiti več značilk. Te značilke zajemajo edinstvene značilnosti različnih meritev signalov in so ključne za identifikacijo stanja ventilov. Zaradi širšega razpršenja teh značilk ni mogoče neposredno ujemati različnih stanj ablacije z individualnimi značilkami. Za reševanje tega izziva se uporablja algoritem najbližjih sosedov (k-NN) za oceno.

Algoritem k-NN generira n-razsežni vektor za vsako meritve, kjer n predstavlja število značilk. Razdalja med dvema vektorjema se izračuna z Evklidsko razdaljo, s dodatnim uteženjem variance, da se upošteva variabilnost podatkov. Ta pristop zagotavlja, da algoritem lahko učinkovito loči med različnimi stanji ablacije na podlagi združenih informacij iz več značilk.

2. Prednosti in izzivi prehodne metode tlaka

Prehodna metoda tlaka je prednostna, ker se lahko enostavno izvede z uporabo obstoječih ventilov za zapolnjevanje za povezavo senzorjev tlaka. Vendar je eden od glavnih izzivov slaba razpršenost kazalcev stanja (značilk), kar ovira točno diagnosticiranje stanja ventilov. Za premočevanje tega omejitve so bile optimizirane lestvice značilk preko analize občutljivosti. Čeprav ena sama značilka morda ne zagotavlja dovolj informacij za vse primere, kombinacija vseh sedmih značilk s klasifikacijskim algoritmom k-NN znatno izboljša natančnost diagnosticiranja.

3. Ocena klasifikacijskih algoritmov

Nekaj klasifikacijskih algoritmov je bilo testiranih, in rezultati so pokazali, da je algoritem k-NN, ki uporablja standardno Evklidsko razdaljo, dosegel najnižjo stopnjo napak manj kot 0,9% med prekrivajočim se validiranjem. Ta kombinacija značilk in algoritma k-NN je bila nato uporabljena za klasifikacijo terenskih meritev za različne vrste preklopnikov. Za obravnavane meritev preklopnikov je bil ta pristop sposoben izvesti klasifikacijo brez kakršnekoli napak.