Forschung zur Teilentladungserkennungstechnologie für feste-isolierte Ringverteiler

Mit der Entwicklung städtischer Stromnetze hat sich die Anzahl der Installationen von fest isolierten Ringkabelschaltanlagen (RMU) kontinuierlich erhöht. Ihr Betriebsstatus beeinflusst erheblich die Versorgungsverlässlichkeit des elektrischen Systems. Die Folgen von Ausfällen sind schwerwiegend: Direkte Schäden umfassen Schäden an den geschützten Leitungen und Geräten sowie Stromausfälle; indirekte Folgen verursachen weite Verbreitung von Kundenunterbrechungen, die das tägliche Leben, die Produktion und sogar die soziale Stabilität stören.

Derzeit stellen die Unzulänglichkeiten der Feldprüfmethoden für fest isolierte RMU-Geräte und die häufige Auftretenshäufigkeit von Isolationsfehlern in betrieblichen Schaltanlagen eine ernsthafte Bedrohung für den sicheren Betrieb des Stromsystems dar. Die Detektion von Teilentladungen (PD) ist eine effektive Methode zur Bewertung des Isolationszustands von Schaltanlagen und ein aktuelles Forschungsfokus. Die Durchführung von PD-Detektion und Fehlerdiagnose an Hochspannungsschaltanlagen liefert wichtige Zustandsinformationen für zustandsorientierte Wartung und ist entscheidend für die Sicherstellung eines sicheren und zuverlässigen Gerätebetriebs. In Hochspannungsschaltanlagen wird die Isolierung nicht nur durch elektrische Felder beeinträchtigt, sondern kann auch aufgrund mechanischer Kräfte, Wärme oder ihrer Kombination mit elektrischen Feldern entarten, was letztendlich die Stromqualität und -versorgungsverlässlichkeit beeinflusst. Um die Standardisierung und effektive Durchführung von Live-Prüfungen von Stromgeräten voranzutreiben und sich auf relevante nationale und internationale Standards – hauptsächlich basierend auf der Benachrichtigung der State Grid Corporation Production Substation [2011] Nr. 11 "Benachrichtigung über die Veröffentlichung der 'Technischen Spezifikation für Live-Prüfungen von Stromgeräten (Versuchsweise)'" – zu stützen, konzentriert sich diese Forschung auf die PD-Detektion für RMUs.

​II. Methoden zur Detektion von Teilentladungen an Ringkabelschaltanlagen​

​1. Formen der PD-Energie​
Teilentladung ist eine gepulste Entladung. Neben Ladungstransfer und Energieabgabe erzeugt der PD-Prozess auch elektromagnetische Strahlung, Ultraschallwellen, Licht, Wärme und neue chemische Nebenprodukte. Zu diesen Phänomenen gehörige Detektionsmethoden umfassen elektrische Detektion, akustische Detektion, optische Detektion und chemische Detektion. Dabei werden die elektrischen und akustischen Methoden am häufigsten eingesetzt, ihre praktische Wirksamkeit ist jedoch oft begrenzt, hauptsächlich aufgrund signifikanter Störungen am Ort, die es schwierig machen, echte PD-Signale zu identifizieren. Die effektive Beseitigung von Störungen ist entscheidend, um die Detektionsleistung von PD-Geräten zu verbessern.

Erkannte Phänomene:

• ​Elektrisch:​​ (TEV, UHF, HFCT-Sensoren)
• ​Akustisch:​​ (Ultraschallsensoren)
• ​Optisch:​​ (Sichtbar durch Sichtfenster an bestimmten Orten während der Entladung)
• ​Thermisch:​​ (Infrarot, obwohl die Detektionswirksamkeit durch die vollständig abgeschlossene Struktur der RMU eingeschränkt ist)
• ​Chemisch/Gas:​​ (Geruch von Ozon usw.)

​2. Detektionstechnologien​
Es werden derzeit zahlreiche PD-Detektionstechniken für Schaltanlagen eingesetzt, die grob in ​Direkte Methoden​ (scheinbare Entladungsmengendetektion) und ​Indirekte Methoden​ (TEV, Ultraschall, UHF, kombinierte akusto-elektrische Detektion) unterteilt werden. Die direkte Methode ist relativ; sie beinhaltet die Injektion einer bekannten Ladungsmenge zwischen den Anschlüssen des Prüfobjekts, um eine Spannungsänderung am Terminal zu erzeugen, die derjenigen entspricht, die durch ein PD-Ereignis verursacht wird. Diese injizierte Ladung wird dann als scheinbare Entladungsmenge (Q) der PD bezeichnet und in Picocoulombs (pC) gemessen. In der Praxis ist die scheinbare Entladungsmenge nicht gleich der tatsächlichen an der Entladungsstelle innerhalb des Prüfobjekts freigesetzten Ladung, die letztere kann nicht direkt gemessen werden. Während die Spannungswellenform, die durch den PD-Stromimpuls über dem Messwiderstand generiert wird, von der durch den Kalibrierimpuls verursachten unterschiedlich sein kann, gelten die Instrumentenmesswerte im Allgemeinen als äquivalent. Im Folgenden werden zwei verbreitete RMU-Detektionstechniken vorgestellt.

​1) Ultraschalldetektion für fest isolierte RMUs​
Durch Empfang von Ultraschallsignalen, die durch die Luft übertragen werden, und Messung des akustischen Drucks des PD-Signals, kann die Entladungsintensität abgeleitet werden. Bei der Ultraschallprüfung sollte der Sensor entlang der Nahtstellen/Lücken auf der Oberfläche der Schaltanlage abgetastet werden. Referenzdiagramme geben Hinweise auf typische Prüfstandorte.

​2) Prinzip der Transient Earth Voltage (TEV)-Detektion​
Wenn PD innerhalb eines Hochspannungsschaltanlagengehäuses auftritt, fließt ein extrem kurz andauernder gepulster Strom entlang des Entladungskanals, der transiente elektromagnetische Wellen erregt. Die Schnelligkeit des Entladungsprozesses führt zu einem steilen Stromimpuls mit starkem Fähigkeit zur Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Strahlungen. Diese Strahlung kann durch Öffnungen im Metallgehäuse, wie Dichtungsgummi oder Lücken um die Isolation, propagieren. Wenn diese hochfrequenten elektromagnetischen Wellen außerhalb des Gehäuses propagieren, induzieren sie eine transiente Spannung auf der äußeren Oberfläche bezogen auf Erdung. Diese transiente Spannung auf der Erde (TEV) liegt im Bereich von Millivolt bis Volt mit einer Anstiegszeit von wenigen Nanosekunden. Ein spezieller TEV-Sensor, der außen am Gehäuse platziert wird, kann dieses Signal nicht-invasiv detektieren.

Haupt-TEV-Detektionsstandorte (auf gegenüberliegenden Gehäusewänden):

• Stromkreise (Verbindungen, Wanddurchführungen, Trägerisolatoren)
• Schaltgeräte
• Stromwandler (CT)
• Spannungswandler (PT)
• Kabelenden
  Diese Komponenten befinden sich normalerweise in den mittleren und unteren Abschnitten der Frontplatte, den oberen, mittleren und unteren Abschnitten der Rückplatte und den oberen, mittleren und unteren Abschnitten der Seitenplatten.

​III. PD-Ortung und Phasenidentifikation​

Sobald Sensormesssignale bestätigt wurden, dass sie aus dem Inneren des Geräts stammen, wird die ​Zeitdifferenzortung (TDOA)​ für weitere Positionsanalysen verwendet. Zwei Sensoren werden auf der Geräteoberfläche platziert; die Zeitdifferenz zwischen den empfangenen Signalen (t2 - t1) wird analysiert, um den PD-Standort zu bestimmen, der normalerweise innerhalb eines Bereichs von 1 Meter vom Quellpunkt entfernt liegt.

​1. Zeitdifferenzmethode:​​
Angenommen, der PD-Quelle ist in der Entfernung X vom Sensor 1, die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle = c (Lichtgeschwindigkeit), und die Zeitdifferenz t2 - t1 wird über einen Oszilloskop gemessen.
X = (t2 - t1) * c / 2
Mit dieser Formel und einem Maßband kann die Position X bestimmt werden.

​2. Ebenenschneidemethode:​​

• Bewegen Sie die beiden Sensoren im Raum, bis die Ankunftszeit des PD-Signals bei beiden identisch ist. Dies lokalisiert den Entladungspunkt auf der senkrechten Mittelachse zwischen den beiden Sensoren (Ermittlung der Ebene).
• Bewegen Sie die Sensoren innerhalb dieser Mittelachse, bis die Ankunftszeit wieder identisch ist. Dies lokalisiert den Entladungspunkt auf der senkrechten Mittelachse innerhalb dieser Ebene (Ermittlung der Linie).
• Bewegen Sie die Sensoren entlang dieser Mittelachse, bis die Ankunftszeit erneut identisch ist. Dies bestimmt den Entladungsstandort (Ermittlung des Punktes).

​Um die spezifische Phase zu identifizieren, die PD erfährt, wird die HFCT-Methode​ verwendet, um Signale auf den Erdleitungen (oder Körper) der benachbarten dreiphasigen Ausgangskabel zu detektieren. Das Stromsignal der defekten Phase zeigt eine größere Amplitude und eine entgegengesetzte Polarität im Vergleich zu den Signalen der anderen beiden Phasen, was eine einfache Identifikation der fehlerhaften Phase ermöglicht.