Контактна насадка абляції в високовольтному випливаючому переривачі
Перевірка та обслуговування насадок високовольтних вимикачів SF6
1. Фон і традиційні методи перевірки
Високовольтні вимикачі SF6 широко використовуються в електроенергетичних системах для захисту кіл від коротких замкнень та перегузок. Для забезпечення їх надійності та безпеки виробники зазвичай вимагають періодичного розбирання та візуального огляду основних контактів, дугових контактів та газових насадок. Ці перевірки спрямовані на оцінку стану зношення цих компонентів та визначення необхідності їх заміни.
Історично, ці перевірки проводилися на основі декількох критеріїв:
Часова інтервал: Наприклад, рекомендується перевіряти контакти після 12 років використання для вимикачів SF6 з однією камерою.
Електричні операції: Наприклад, рекомендується проводити перевірку після 2000 електричних операцій.
Операції при аваріях: Наприклад, рекомендується проводити перевірку після 10 номінальних операцій короткого замикання.
Комбіновані критерії: Іноді використовується комбінація вищезазначених факторів для більш всебічної оцінки.
Проте з часом, ці часові та базовані на кількості операцій методи перевірки показали деякі обмеження. Хоча ці перевірки допомагають забезпечити безпеку обладнання, вони не завжди точно відображають реальний стан зношення контактів та насадок. Крім того, ці перевірки можуть бути дорогими, неконсистентними та створювати потенційні ризики під час місцевих внутрішніх перевірок, що може призвести до пошкодження обладнання.
2. Вплив дуги на параметри вимикача
Дуга — це складний термічний та електричний процес, який значно впливає на продуктивність вимикача. Під час переривання струму короткого замикання, дуга може вплинути на параметри вимикача через абляцію насадок. Абляція насадок — це ерозія матеріалу насадки, спричинена високою температурою дуги. Цей процес має подвійний ефект на здатність вимикача переривати струм:
Збільшення тиску в камері: Коли насадка аблює, поперечне сечение горла насадки збільшується, що призводить до збільшення тиску в камері вимикача. Це збільшення тиску допомагає прискорити затухання дуги, придушуючи повторне запалення.
Збільшення поперечного сечення горла насадки: Збільшення горла насадки дозволяє більшому об'єму газу потрапляти в область дуги, відводячи більше тепла та зменшуючи температуру дуги. Однак, це також розсіює енергію дуги, потенційно послаблюючи самопідсилення вимикача.
Таким чином, процес абляції насадок має як позитивний, так і негативний ефект на здатність вимикача переривати струм. Коли вимикач перериває струм короткого замикання, абляція насадок видаляє частину енергії дугового стовпа, збільшує масу газу в просторі насадки та підвищує густоту газу навколо дугових контактів, що зменшує ймовірність повторного запалення.
3. Оцінка інтенсивності абляції насадок та її важливість
З урахуванням значного впливу абляції насадок на продуктивність вимикача, оцінка інтенсивності абляції (тобто збільшення діаметра горла насадки) та обчислення аблюваної маси є важливою задачею. Точна оцінка абляції насадок допомагає обслуговуючому персоналу краще зрозуміти стан вимикача та приймати відповідні рішення щодо майбутнього обслуговування.
Інтенсивність абляції можна оцінити за допомогою наступних методів:
Візуальний огляд: Розбираючи вимикач та безпосередньо спостерігаючи за зношенням насадки. Хоча цей метод простий, він дорогостоячий та має власні ризики, як зазначалось вище.
Невторгненські методи детекції: Сучасні невторгненські технології детекції, такі як інфрачервона термографія та ультразвукове тестування, все більш активно використовуються для обслуговування вимикачів. Ці методи дозволяють оцінити абляцію насадок та інші потенційні проблеми без розбирання обладнання.
Аналіз даних та прогнозування: Аналізуючи історичні дані про роботу вимикача та поєднуючи їх з моделями фізики дуг, прогнозувальні моделі можуть оцінити інтенсивність абляції насадок. Цей підхід зменшує непотрібні перевірки розбирання та покращує ефективність обслуговування.
4. Майбутні напрямки розвитку
Для підвищення ефективності та надійності обслуговування високовольтних вимикачів SF6, майбутні стратегії обслуговування можуть більше спиратися на моніторинг стану та інтелектуальні діагностичні технології. Реальність моніторингу робочих параметрів вимикача (таких як струм, напруга та температура), поєднана з розширеними алгоритмами аналізу даних, може забезпечити більш точне прогнозування абляції насадок та загального стану ключових компонентів. Цей підхід може зменшити непотрібні перевірки та ремонти, продовжити термін служби обладнання та знизити витрати на обслуговування.
Крім того, прогрес в наукі про матеріали буде зосереджений на розробці більш термостійких та абляційно-стойких матеріалів для насадок. Застосування нових матеріалів може ще більше покращити надійність та здатність вимикача переривати струм, зменшуючи негативні ефекти абляції насадок.
Метод вимірювання абляції насадок високовольтних вимикачів
1. Принципи вимірювання абляції насадок
1.1 Взаємозв'язок між сигналами тиску та абляцією насадок
Дослідження показали, що абляція насадок, яка збільшує діаметр горла насадки, змінює характеристики потоку газу в вимикачу. Ця зміна впливає на розподіл тиску, що призводить до змін у сигналах тиску, які можуть бути вловлені датчиками тиску. Конкретно, абляція насадок призводить до двох основних ефектів:
Зміни форми сигнала тиску: Збільшення діаметра насадки змінює опір потоку газу, що змінює форму сигнала тиску.
Зміни спектральних характеристик: Абляція насадок також впливає на спектральні характеристики сигналів тиску, особливо в високочастотному діапазоні.
Аналізуючи ці характеристики сигналів тиску, можна непрямо вивести ступінь абляції насадок.
1.2 Встановлення та вимірювання датчиків тиску
Для отримання точних сигналів тиску, датчики тиску можна встановити в різних точках, залежно від конструкції вимикача та вимог до вимірювань:
Однополюсне вимірювання: Кожен полюс має клапан на своїй нижній частині, який можна використовувати для підключення датчиків тиску. Це дозволяє вимірювати хвилі тиску з одного полюса, уникнувши інтерференції від суміщення сигналів з багатьох полюсів.
Трьохполюсне вимірювання: Під час стандартної роботи три полюси з'єднуються медними трубками, а головний заповнювальний клапан розташований всередині основи вимикача, з'єднуючи всі три полюси. Якщо головний заповнювальний клапан використовується як точка підключення датчика тиску, виміряний сигнал буде суміщенням трьох окремих сигналів тиску.
Для забезпечення точних вимірювань використовуються датчики тиску з п'єзоелектричними елементами, оснащені відповідними зарядними підсилювачами. Дані тиску записуються від початку операції переключення до кінця шостої коливання. Сирові сигнали тиску можна обробляти як з фільтрацією, так і без неї, залежно від вимог до аналізу.
Сигнал без фільтрації: Быстрое преобразование Фурье (FFT) застосовується безпосередньо до сигналу без фільтрації для аналізу його характеристик у частотній області.
Сигнал з фільтрацією: Використовується 100 Гц низькочастотний фільтр для видалення високочастотних шумів, зберігаючи лише низькочастотні компоненти.
Рисунки 1 і 2 ілюструють історію тиску та спектр, надаючи візуальне представлення характеристик сигналів тиску.
Класифікація стану насадок за допомогою машинного навчання
Для підвищення точності діагностики це дослідження використовує алгоритм машинного навчання на основі методу k-найближчих сусідів (k-NN). Процес включає наступні кроки:
Видобування ознак: Основні ознаки видобуваються з сигналів тиску, таких як вершини та долини, частотні компоненти тощо. Ці ознаки використовуються як вхідні параметри для алгоритму машинного навчання.
Навчання моделі: Модель k-NN навчається на відомих даних про стан насадок та контактів. Під час навчання алгоритм визначає найближчих сусідів на основі відстаней між ознаками для проведення класифікації.
Класифікація нових даних: Для нових, невідомих вимірювань, навчена модель використовується для класифікації стану насадок та контактів.
Цей підхід дозволяє оцінити абляцію насадок та інших ключових компонентів без відкриття газової камери, надаючи точні рекомендації щодо обслуговування та продовжуючи термін служби вимикача.
Точка підключення датчика тиску для вимірювання абляції насадок (фото з джерела №1)
Сирові дані вимірювання головного заповнювального клапана в початковому стані (синій), сигнал з фільтрацією (червоний) (фото з джерела №1)
Частотний спектр сирових даних методу тиску високовольтного вимикача (фото з джерела №1)
Висновок про метод тимчасового тиску для абляції насадок високовольтного вимикача
1. Видобування ознак з сигналів тиску з фільтрацією та без фільтрації
З обох сигналів тиску, з фільтрацією та без, можна отримати кілька ознак. Ці ознаки відображають унікальні характеристики різних вимірювальних сигналів та є важливими для визначення стану насадок. Через широке розсіювання цих ознак неможливо безпосередньо зіставити різні ступені абляції з окремими ознаками. Для вирішення цієї проблеми використовується алгоритм k-найближчих сусідів (k-NN).
Алгоритм k-NN генерує n-вимірний вектор для кожного вимірювання, де n — це кількість ознак. Відстань між двома векторами обчислюється за допомогою евклідової відстані, з додатковим зважуванням дисперсії для врахування варіативності даних. Цей підхід забезпечує, що алгоритм може ефективно відрізняти різні ступені абляції на основі сумісної інформації з багатьох ознак.
2. Переваги та виклики методу тимчасового тиску
Метод тимчасового тиску має перевагу, оскільки його легко реалізувати, використовуючи існуючі заповнювальні клапани для підключення датчиків тиску. Однак, одним з основних викликів є слабке розсіювання індикаторів стану (ознак), що ускладнює точну діагностику стану насадок. Для подолання цього обмеження, масштаби ознак були оптимізовані за допомогою аналізу чутливості. Хоча одна ознака може не надати достатньо інформації для всіх випадків, поєднання всіх семи ознак з алгоритмом класифікації k-NN значно покращує точність діагностики.
3. Оцінка алгоритмів класифікації
Було протестовано кілька алгоритмів класифікації, і результати показали, що алгоритм k-NN, використовуючи стандартну евклідову відстань, досяг найнижчої помилки менше 0,9% під час крос-валідації. Це поєднання ознак та алгоритму k-NN було застосовано для класифікації полевих вимірювань для різних типів вимикачів. Для розглянутих вимірювань вимикачів, цей підхід зміг виконати класифікацію без будь-яких помилок.
