Recerca sobre la tecnologia de detecció de descàrregues parcials per a unitats principals d'anell amb aïllament sòlid

Amb el desenvolupament de les xarxes elèctriques urbanes, el nombre d'instal·lacions d'unitats principals de anell (RMU) amb aïllament sòlid ha augmentat continuament. El seu estat operatiu té un impacte significatiu en la fiabilitat del subministrament elèctric del sistema. Les conseqüències de les fallades són greus: els danys directes inclouen daños als circuits i equips protegits, així com la pèrdua d'energia; les conseqüències indirectes causen interrupcions generalitzades dels clients, pertorbant la vida diària, la producció i fins i tot l'estabilitat social.

Actualment, les insuficiències dels mètodes de proves de camp per a l'equipament RMU amb aïllament sòlid i la freqüència de falles d'aïllament en el commutadors operatius representen una amenaça seria per a l'operació segura del sistema elèctric. La detecció de descàrregues parcials (PD) és un mètode eficaç per avaluar l'estat de l'aïllament dels commutadors i és un focus de recerca actual. Realitzar la detecció de PD i el diagnòstic de fallades en els commutadors d'alta tensió proporciona informació crucial sobre l'estat per a la manteniment basat en condicions i és clau per assegurar l'operació segura i fiable dels equips. En els commutadors d'alta tensió, la degradació de l'aïllament que porta a falles d'aïllament no només es produeix per camps elèctrics, sinó que també pot desenvolupar-se degut a forces mecàniques, calor o la seva combinació amb camps elèctrics, afectant finalment la qualitat i la fiabilitat del subministrament. Per normalitzar i implementar eficientment les proves en línia de l'equipament elèctric, i referint-se a les normes nacionals i internacionals rellevants - principalment basades en la Notificació [2011] No. 11 de la Corporació Estatal de Xarxa de Producció "Notificació sobre l'Emissió de l'Especificació Tècnica per a Proves en Línia de l'Equipament Elèctric (Prova)" - aquesta recerca es centra en la detecció de descàrregues parcials per a RMUs.

​II. Mètodes de Detecció de Descàrregues Parcials per a Unitats Principals de Anell​

​1. Formes d'Energia de PD​
La descàrrega parcial és una descàrrega pulsada. A més de implicar la transferència de càrrega i la dissipació d'energia, el procés de PD també genera radiació electromagnètica, ones ultrasonores, llum, calor i nous subproductes químics. Els mètodes de detecció orientats a aquests fenòmens inclouen la detecció elèctrica, acústica, òptica i química. Entre aquests, els mètodes elèctrics i acústics són els més utilitzats, però la seva efectivitat pràctica sovint està limitada, principalment degut a la interferència significativa del soroll in situ que dificulta distingir els senyals de PD autèntics. Eliminar eficàcement la interferència és crucial per millorar el rendiment de detecció de l'equipament de PD.

Fenòmens Detectats:

• ​Elèctric:​​ (sensores TEV, UHF, HFCT)
• ​Acústic:​​ (sensores ultrasònics)
• ​Òptic:​​ (visible a través de finestres d'observació en ubicacions específiques durant la descàrrega)
• ​Tèrmic:​​ (infraroig, encara que l'efectivitat de detecció està limitada per l'estructura totalment tancada de la RMU)
• ​Químic/Gas:​​ (olor a ozó, etc.)

​2. Tecnologies de Detecció​
Actualment, es fan servir diversos mètodes de detecció de PD per a commutadors, que es poden categoritzar ampliament com ​Mètodes Directes​ (detecció de la quantitat aparent de descàrrega) i ​Mètodes Indirectes​ (TEV, ultrasònic, UHF, detecció acústo-elèctrica combinada). El mètode directe és relatiu; implica injectar una quantitat de càrrega coneguda entre els terminals de l'objecte de prova per crear un canvi de tensió terminal equivalent al causat per un esdeveniment de PD. Aquesta càrrega injectada es coneix com a Quantitat Aparent de Descàrrega (Q) de la PD, mesurada en picocoulombs (pC). En la pràctica, la quantitat aparent de descàrrega no és igual a la càrrega real emissora al lloc de descàrrega dins de l'objecte de prova; aquesta última no es pot mesurar directament. Si bé la forma d'ona de tensió generada a través de la impedància de mesura pel pols de corrent de PD pot diferir de la causada pel pols de calibratge, les lectures de resposta en els instruments generalment es consideren equivalents. A continuació es presenten dos tècniques de detecció de RMU àmplies.

​1) Detecció Ultrasònica per a RMUs amb Aïllament Sòlid​
Rebent senyals ultrasònics transmesos a través de l'aire i mesurant la pressió acústica del senyal de PD, es pot inferir la intensitat de la descàrrega. Durant les proves ultrasòniques, el sensor hauria de ser escanejat a través de les costures/fissures a la superfície del commutador. Les diagrames de referència proporcionen orientació sobre les ubicacions típiques de detecció.

​2) Principi de Detecció de Voltatge Transitori a Terra (TEV)​
Quan ocorre una PD dins d'un armari de commutador d'alta tensió, un corrent pulsat d'extrem curta durada flueix a través del canal de descàrrega, excitant ones electromagnètiques transitories. La ràpida naturalesa del procés de descàrrega resulta en un pols de corrent escarpat amb una capacitat de radiació electromagnètica d'alta freqüència molt forta. Aquesta radiació pot propagar-se a través d'obertures en l'envoltura metàl·lica, com ara juntas d'estanqueïtat o fissures al voltant de l'aïllament. Quan aquestes ones electromagnètiques d'alta freqüència es propaguen fora de l'armari, induïxen un voltatge transitori a la superfície exterior relativament a terra. Aquest voltatge transitori a terra (TEV) varia de mil·livolts a volts amb un temps de creixement de alguns nanosegons. Un sensor TEV dedicat col·locat a l'exterior de l'armari pot detectar aquest senyal de manera no invasiva.

Ubicacions Principals de Detecció de TEV (a les parets oposades de l'armari):

• Barras de distribució (connexions, bushings de la paret, aïlladors de suport)
• Interruptors de circuit
• Transformadors de corrent (CT)
• Transformadors de tensió (PT)
• Terminacions de cables
  Aquests components solen trobar-se en les seccions mitjana i inferior de la panell frontal, les seccions superior, mitjana i inferior de la panell posterior, i les seccions superior, mitjana i inferior de les panells laterals.

​III. Localització de PD i Identificació de Fase​

Un cop s'ha confirmat que els senyals dels sensors provenen de dins de l'equipament, es fa servir la ​localització de diferència de temps d'arribada (TDOA)​ per a una anàlisi posicional més avançada. Es col·loquen dos sensors a la superfície de l'equipament; es analitza la diferència de temps entre els seus senyals rebuts (t2 - t1) per determinar la ubicació de la PD, generalment dins d'un rang d'1 metre de la font.

​1. Mètode de Diferència de Temps:​​
Suposem que la font de PD està a una distància X del sensor 1, la velocitat de l'ona electromagnètica = c (velocitat de la llum), i la diferència de temps t2 - t1 s'ha mesurat amb un oscil·loscopi.
X = (t2 - t1) * c / 2
Utilitzant aquesta fórmula i una regla, es pot determinar la posició X.

​2. Mètode de Bisectriu Plana:​​

• Mou els dos sensors en l'espai fins que el temps d'arribada del senyal de PD sigui idèntic en tots dos. Això localitza el punt de descàrrega en el pla bisector perpendicular entre els dos sensors (Localització del Pla).
• Mou els sensors dins d'aquest pla bisector fins que el temps d'arribada sigui idèntic de nou. Això localitza el punt de descàrrega en la línia bisector perpendicular dins d'aquest pla (Localització de la Línia).
• Mou els sensors a través d'aquesta línia bisector fins que el temps d'arribada sigui idèntic un cop més. Això localitza la ubicació de la descàrrega (Localització del Punt).

​Per identificar la fase específica que experimenta PD, es fa servir el mètode HFCT​ per detectar senyals en els conductors de terra (o cos) dels cables trifàsics adjacents. El senyal de corrent de la fase defectuosa presenta una amplitud més gran i una polaritat oposada comparada amb els senyals en les altres dues fases, permetent la identificació directa de la fase defectuosa.