Onderzoek naar de detectietechnologie voor partiële ontladingen in ringkasten met vaste isolatie

Met de ontwikkeling van stedelijke elektriciteitsnetwerken is het aantal installaties van solide geïsoleerde ringkasten (RMU's) continu toegenomen. Hun werking heeft een significante invloed op de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening. De gevolgen van storingen zijn ernstig: directe schade omvat schade aan beschermd lijnen en apparatuur, evenals stroomonderbreking; indirecte gevolgen veroorzaken wijdverspreide klantuitval, die dagelijks leven, productie en zelfs sociale stabiliteit verstoren.

Momenteel vormen de tekortkomingen in de veldtestmethoden voor solide geïsoleerde RMU-apparatuur en het frequente optreden van isolatiefouten in operationele schakelapparatuur een serieuze bedreiging voor de veilige werking van het elektriciteitsnetwerk. Detectie van partiële ontladingen (PD) is een effectieve methode om de isolatieconditie van schakelapparatuur te beoordelen en is momenteel een actueel onderzoeksgebied. Het uitvoeren van PD-detectie en foutdiagnose op hoogspanningschakelapparatuur biedt cruciale statusinformatie voor conditiëngestuurde onderhoudsactiviteiten en is essentieel voor de veilige en betrouwbare werking van apparatuur. In hoogspanningschakelapparatuur wordt de isolatiedegradatie die leidt tot isolatiefouten niet alleen veroorzaakt door elektrische velden, maar kan ook ontstaan door mechanische krachten, warmte of hun gecombineerde werking met elektrische velden, wat uiteindelijk de kwaliteit en betrouwbaarheid van de stroomvoorziening beïnvloedt. Om live testen van elektriciteitsapparatuur te standaardiseren en effectief uit te voeren, en met verwijzing naar relevante nationale en internationale normen - voornamelijk gebaseerd op de Notificatie van de State Grid Corporation [2011] No. 11 "Notificatie over de Uitgifte van de 'Technische Specificaties voor Live Testen van Elektriciteitsapparatuur (Proef)" - richt dit onderzoek zich op PD-detectie voor RMU's.

​II. Methoden voor Partiële Ontladingdetectie van Ringkasten​

​1. Vormen van PD-energie​
Partiële ontlading is een gepulste ontlading. Naast ladingsoverdracht en vermogensdissipatie produceert het PD-proces ook elektromagnetische straling, ultrasoon geluid, licht, warmte en nieuwe chemische bijproducten. Detectiemethoden die deze verschijnselen richten omvatten elektrische detectie, akoestische detectie, optische detectie en chemische detectie. Hiervan worden elektrische en akoestische methoden het meest gebruikt, maar hun praktische effectiviteit is vaak beperkt, voornamelijk vanwege significante terplaatse geluidsonderbreking waardoor echte PD-signalen moeilijk te onderscheiden zijn. Effectief onderdrukken van onderbreking is cruciaal voor het verbeteren van de detectieprestaties van PD-apparatuur.

Gedetecteerde Fenomenen:

• ​Elektrisch:​​ (TEV, UHF, HFCT sensoren)
• ​Akoestisch:​​ (Ultrasoon sensoren)
• ​Optisch:​​ (Zichtbaar via kijkvensters op specifieke locaties tijdens ontlading)
• ​Thermisch:​​ (Infrarood, hoewel de detectie-effectiviteit beperkt is door de volledig afgesloten structuur van de RMU)
• ​Chemisch/Gas:​​ (Ozonegeur, etc.)

​2. Detectietechnologieën​
Er worden momenteel talrijke PD-detectietechnieken toegepast voor schakelapparatuur, die in grote lijnen worden ingedeeld als ​Directe Methoden​ (zichtbare ontladingshoeveelheidsdetectie) en ​Indirecte Methoden​ (TEV, ultrasoon, UHF, gecombineerde akoestisch-elektrische detectie). De directe methode is relatief; hierbij wordt een bekende lading tussen de terminals van het testobject ingebracht om een terminalspanningsverandering te creëren die equivalent is aan die veroorzaakt door een PD-gebeurtenis. Deze ingebrachte lading wordt dan de Zichtbare Ontladingshoeveelheid (Q) van de PD genoemd, gemeten in picocoulombs (pC). In de praktijk is de zichtbare ontladingshoeveelheid niet gelijk aan de werkelijke lading die op de ontladingsplaats binnen het testobject wordt uitgestoten; de laatste kan niet rechtstreeks worden gemeten. Hoewel de spanningssinus die over de meetimpedantie wordt gegenereerd door de PD-stroompuls mogelijk verschilt van die veroorzaakt door de kalibratiepuls, worden de reactielezingen op de instrumenten doorgaans als equivalent beschouwd. Hieronder staan twee mainstream RMU-detectietechnieken.

​1) Ultrasoon Detectie voor Solide Geïsoleerde RMU's​
Door ultrasoon signalen die door de lucht worden overgebracht te ontvangen en de akoestische druk van het PD-signaal te meten, kan de ontladingsintensiteit worden afgeleid. Tijdens ultrasoon testen moet de sensor langs de naden/gaten op het oppervlak van de schakelapparatuur worden gescand. Referentiediagrammen bieden richtlijnen voor typische detectielocaties.

​2) Principe van Transient Earth Voltage (TEV) Detectie​
Wanneer PD plaatsvindt binnen een hoogspanningskast, stroomt er een zeer kort pulserende stroom langs de ontladingskanaal, wat tijdelijke elektromagnetische golven opwekt. De snelheid van het ontladingsproces resulteert in een steile stroompuls met een sterke hoge-frequentie elektromagnetische straling. Deze straling kan zich verspreiden door openingen in de metalen behuizing, zoals verzegelingsringen of spleten rond de isolatie. Wanneer deze hoge-frequentie elektromagnetische golven zich buiten de kast verspreiden, induceren ze een tijdelijke spanning op het buitenoppervlak ten opzichte van de aarde. Deze tijdelijke spanning op de aarde (TEV) varieert van millivolts tot volts met een stijgingstijd van enkele nanoseconden. Een speciale TEV-sensor die op de buitenkant van de kast wordt geplaatst, kan dit signaal non-invasief detecteren.

Belangrijkste TEV-Detectielocaties (op tegengestelde wanden van de kast):

• Busbars (verbindingen, wandbussen, steunisolatoren)
• Schakelaars
• Stroomtransformatoren (CT)
• Spanningstransformatoren (PT)
• Kabelterminaties
  Deze componenten bevinden zich doorgaans in de middelste en onderste secties van het frontpaneel, de bovenste, middelste en onderste secties van het achterpaneel, en de bovenste, middelste en onderste secties van de zijpanelen.

​III. PD-Lokalisatie en Faseidentificatie​

Zodra sensorsignalen worden bevestigd als afkomstig van binnen het apparaat, wordt de ​Time Difference Of Arrival (TDOA) lokalisatiemethode​ gebruikt voor verdere positieanalyse. Twee sensors worden op het oppervlak van het apparaat geplaatst; de tijdsverschillen tussen de ontvangen signalen (t2 - t1) worden geanalyseerd om de PD-locatie te bepalen, meestal binnen een bereik van 1 meter van de bron.

​1. Tijdsverschillenmethode:​​
Neem aan dat de PD-bron op afstand X van sensor 1 staat, de snelheid van de elektromagnetische golf = c (lichtsnelheid), en de tijdsverschil t2 - t1 wordt gemeten via een oscilloscoop.
X = (t2 - t1) * c / 2
Met deze formule en een meetlint kan de positie X worden bepaald.

​2. Planesectiemethode:​​

• Verplaats de twee sensors in de ruimte totdat de aankomsttijd van het PD-signaal identiek is bij beide. Dit lokaliseert het ontladingspunt op het loodrechte bissectievlak tussen de twee sensors (Lokalisatie van het Vlak).
• Verplaats de sensors binnen dit bissectievlak totdat de aankomsttijd opnieuw identiek is. Dit lokaliseert het ontladingspunt op de loodrechte bissectielijn binnen dat vlak (Lokalisatie van de Lijn).
• Verplaats de sensors langs deze bissectielijn totdat de aankomsttijd opnieuw identiek is. Dit lokaliseert de ontladingslocatie (Lokalisatie van het Punt).

​Voor de identificatie van de specifieke fase die PD ervaart, wordt de HFCT-methode​ gebruikt om signalen op de aardingleidingen (of lichaam) van de nabijgelegen driefase uitgaande kabels te detecteren. Het stroomsignaal van de defecte fase vertoont een grotere amplitude en een tegengestelde polariteit vergeleken met de signalen op de andere twee fasen, waardoor de defecte fase eenvoudig te identificeren is.