Výzkum technologie detekce částečných výbojů pro tělesně izolované okružní přepážkové jednotky

S rozvojem městských elektrických sítí se počet instalací těsně izolovaných kruhových distribučních jednotek (RMU) neustále zvyšuje. Jejich provozní stav má významný dopad na spolehlivost dodávky elektrické energie. Důsledky selhání jsou vážné: přímé škody zahrnují poškození chráněných vedení a zařízení, stejně jako ztrátu energie; nepřímé důsledky způsobují rozsáhlé výpadky u zákazníků, ruší každodenní život, výrobu a dokonce i sociální stabilitu.

V současné době nedostatečnost metod polních zkoušek pro těsně izolované RMU zařízení a časté výskyty vad izolace v provozním výběžkovém zařízení představují vážné hrozby pro bezpečný provoz elektrické sítě. Detekce částečných výbojků (PD) je efektivní metodou pro hodnocení stavu izolace výběžkového zařízení a je aktuálním objektem výzkumu. Provádění detekce PD a diagnostiky poruch na vysokonapěťovém výběžkovém zařízení poskytuje klíčové informace o stavu pro údržbu podmiňovanou stavem a je klíčové pro zajištění bezpečného a spolehlivého provozu zařízení. V vysokonapěťovém výběžkovém zařízení dochází k degradaci izolace vedoucí k vadám izolace nejen kvůli elektrickým polím, ale také vlivem mechanických sil, tepla nebo jejich kombinace s elektrickými poli, což nakonec ovlivňuje kvalitu a spolehlivost dodávky energie. Pro standardizaci a efektivní provádění živých zkoušek elektrického zařízení a s ohledem na relevantní vnitrostátní a mezinárodní normy – hlavně na základě Oznámení odboru produkce transformačních stanic Státní elektrárny [2011] č. 11 "Oznámení o vydaní 'Technické specifikace pro živé zkoušení elektrického zařízení (zkouška)'" – se tento výzkum zaměřuje na detekci částečných výbojků u RMU.

​II. Metody detekce částečných výbojků u kruhových distribučních jednotek​

​1. Formy energie PD​
Částečný výboj je pulzní výboj. Kromě přenosu náboje a spotřeby energie proces PD také generuje elektromagnetické záření, ultrazvuk, světlo, teplo a nové chemické vedlejší produkty. Metody detekce zaměřené na tyto jevy zahrnují elektrickou detekci, akustickou detekci, optickou detekci a chemickou detekci. Mezi těmito metody jsou nejčastěji používány elektrické a akustické, ale jejich praktická efektivita je často omezena, zejména kvůli výraznému rušivému zvuku na místě, který komplikuje rozlišení skutečných signálů PD. Efektivní eliminace rušení je klíčová pro zlepšení výkonu detekčního zařízení PD.

Detekované jevy:

• ​Elektrické:​​ (TEV, UHF, HFCT senzory)
• ​Akustické:​​ (ultrazvukové senzory)
• ​Optické:​​ (viditelné prostřednictvím okýnek v určitých místech během výboje)
• ​Tepelné:​​ (infračervené, i když efektivita detekce je omezena uzavřenou strukturou RMU)
• ​Chemické/Plynové:​​ (pach ozonu atd.)

​2. Technologie detekce​
V současné době se pro výběžkové zařízení používá mnoho metod detekce PD, které lze obecně rozdělit do kategorií ​Přímé metody​ (detekce zdánlivého množství výboje) a ​Nepřímé metody​ (TEV, ultrazvuk, UHF, kombinovaná akusticko-elektrická detekce). Přímá metoda je relativní; spočívá v injekci známého množství náboje mezi terminály zkoumaného objektu, aby byla vytvořena změna napětí na terminálech ekvivalentní změně způsobené událostí PD. Tento injikovaný náboj se pak nazývá Zdánlivé množství výboje (Q) PD, měřené v pikokoulombech (pC). V praxi není zdánlivé množství výboje rovno skutečnému náboji vyslanému na místě výboje uvnitř zkoumaného objektu; ten nelze měřit přímo. Ačkoli vlnová forma napětí vygenerovaná PD proudovým pulsem může být odlišná od té vyvolané kalibračním pulsem, odpovědi na přístrojích se obecně považují za ekvivalentní. Níže jsou uvedeny dvě hlavní techniky detekce RMU.

​1) Ultrazvuková detekce pro těsně izolované RMU​
Přijímáním ultrazvukových signálů šířených vzduchem a měřením zvukového tlaku signálu PD lze usuzovat na intenzitu výboje. Během ultrazvukového testu by měl být senzor prohledáván podél švů/mezer na povrchu výběžkového zařízení. Referenční diagramy poskytují pokyny pro typická místa detekce.

​2) Princip detekce dočasného zemního napětí (TEV)​
Když dojde k PD uvnitř skříně vysokonapěťového výběžkového zařízení, proudí krátce trvající pulzní proud podél kanálu výboje, který vyvolá dočasné elektromagnetické vlny. Rychlost výbojového procesu vede k strmému pulznímu proudu s výkonnou schopností vydávat vysokofrekvenční elektromagnetické záření. To se může šířit skrz otvory v kovové obale, jako jsou těsnicí pásky nebo mezery kolem izolace. Když se tyto vysokofrekvenční elektromagnetické vlny šíří ven ze skříně, vyvolají dočasné napětí na vnější ploše vzhledem k zemskému zemi. Toto dočasné napětí na zemi (TEV) se pohybuje od milivoltů po volty s časem stoupání několika nanosekund. Specializovaný TEV senzor umístěný na vnější straně skříně může tento signál detekovat neinvazivně.

Hlavní místa detekce TEV (na protilehlých stěnách skříně):

• Sběrnice (spojení, stěnové vypěňovací trubky, nosné izolátory)
• Spínací relé
• Transformátory proudu (CT)
• Transformátory napětí (PT)
• Koncové části kabelů
  Tyto komponenty jsou obvykle umístěny ve střední a dolní části předního panelu, horní, střední a dolní části zadního panelu a horní, střední a dolní části bočních panelů.

​III. Lokalizace PD a identifikace fáze​

Jakmile jsou signály senzorů potvrzeny jako pocházející z uvnitř zařízení, je pro další poziciální analýzu použita lokalizace na základě ​Rozdílu času příchodu (TDOA)​. Dva senzory jsou umístěny na povrchu zařízení; rozdíl mezi jejich přijatými signály (t2 - t1) se analyzuje pro určení místa PD, obvykle do 1 metru od zdroje.

​1. Metoda rozdílu času:​​
Předpokládejme, že zdroj PD je vzdálen X od senzoru 1, rychlost elektromagnetické vlny = c (rychlost světla), a rozdíl času t2 - t1 je změřen pomocí osciloskopu.
X = (t2 - t1) * c / 2
Pomocí tohoto vzorce a metrového pásku lze určit pozici X.

​2. Metoda poloroviny:​​

• Posuňte dva senzory v prostoru, dokud čas příchodu signálu PD nebude stejný na obou. Tím se určí místo výboje na kolmé polorovině mezi oběma senzory (Lokalizace poloroviny).
• Posuňte senzory uvnitř této poloroviny, dokud čas příchodu opět nebude stejný. Tím se určí místo výboje na kolmé půlkouli uvnitř této poloroviny (Lokalizace půlkoule).
• Posuňte senzory podél této půlkoule, dokud čas příchodu opět nebude stejný. Tím se přesně určí místo výboje (Lokalizace bodu).

​Pro identifikaci konkrétní fáze, která prochází PD, se používá metoda HFCT​ pro detekci signálů na zemnících vodičích (nebo těle) sousedních třífázových vedení. Signál proudu z vadné fáze má větší amplitudu a opačnou polaritu oproti signálům na ostatních dvou fázích, což umožňuje snadné identifikování vadné fáze.