Badania nad technologią wykrywania częściowych rozładowań w jednostkach pierścieniowych z izolacją stałą
Wraz z rozwojem miejskich sieci energetycznych, liczba instalacji jednostek pierścieniowych z izolacją stałą (RMU) nieustannie rośnie. Ich stan działania znacząco wpływa na niezawodność dostaw energii w systemie elektrycznym. Konsekwencje awarii są poważne: bezpośrednie uszkodzenia obejmują uszkodzenie chronionych linii i urządzeń, a także utratę mocy; pośrednie konsekwencje powodują szeroko zakrojone przerwy w dostawach dla klientów, zakłócając codzienne życie, produkcję i nawet stabilność społeczną.
Obecnie niedostateczność metod testowania terenowego sprzętu RMU z izolacją stałą oraz częste występowanie uszkodzeń izolacyjnych w działającym sprzęcie przełącznikowym stanowią poważne zagrożenie dla bezpiecznej pracy systemu energetycznego. Wykrywanie częściowych wyładowań (PD) jest skuteczną metodą oceny stanu izolacji sprzętu przełącznikowego i jest obecnie głównym obszarem badań. Przeprowadzanie wykrywania PD i diagnostyki awarii w sprzęcie wysokiego napięcia dostarcza kluczowych informacji o stanie do opartego na stanie konserwacji i jest kluczowe dla zapewnienia bezpiecznej i niezawodnej pracy sprzętu. W sprzęcie wysokiego napięcia degradacja izolacji prowadząca do uszkodzeń izolacyjnych może być spowodowana nie tylko polami elektrycznymi, ale może również rozwinąć się pod wpływem sił mechanicznych, ciepła lub ich połączenia z polami elektrycznymi, co ostatecznie wpływa na jakość i niezawodność dostaw energii. Aby standaryzować i efektywnie wprowadzić w życie testowanie sprzętu energetycznego w trybie na żywo, odnosząc się do odpowiednich krajowych i międzynarodowych standardów – głównie na podstawie Powiadomienia nr 11 z 2011 r. Korporacji Państwowej Sieci Energetycznej "O wydaniu 'Technicznej Specyfikacji Testowania Sprzętu Energetycznego w Trybie Na Żywo (Próba)" – niniejsze badania koncentrują się na wykrywaniu częściowych wyładowań w RMU.
II. Metody wykrywania częściowych wyładowań w jednostkach pierścieniowych
1. Formy energii PD
Częściowe wyładowanie to impulsowe wyładowanie. Obejmuje ono nie tylko transfer ładunku i rozproszenie mocy, ale proces PD generuje również promieniowanie elektromagnetyczne, ultradźwięki, światło, ciepło i nowe produkty chemiczne. Metody wykrywania tych zjawisk obejmują detekcję elektryczną, akustyczną, optyczną i chemiczną. Spośród nich, metody elektryczne i akustyczne są najczęściej stosowane, ale ich praktyczna skuteczność często jest ograniczona, głównie ze względu na istotne zakłócenia hałasem na miejscu, które utrudniają rozróżnienie prawdziwych sygnałów PD. Efektywne eliminowanie zakłóceń jest kluczowe dla poprawy wydajności detektora PD.
Zjawiska wykrywane:
- Elektryczne: (czujniki TEV, UHF, HFCT)
- Akustyczne: (czujniki ultradźwiękowe)
- Optyczne: (widoczne przez okna widokowe w określonych lokalizacjach podczas wyładowania)
- Cieplne: (infraczerwone, choć skuteczność wykrywania jest ograniczona przez całkowicie zamkniętą strukturę RMU)
- Chemiczne/Gazowe: (smród ozonu itp.)
2. Technologie wykrywania
Obecnie stosuje się wiele technik wykrywania PD w sprzęcie przełącznikowym, które można ogólnie podzielić na Metody Bezpośrednie (wykrywanie ilości wyładowania pozornej) i Metody Niedirectne (TEV, ultradźwiękowe, UHF, kombinowane detekcje akustyczno-elektryczne). Metoda bezpośrednia jest relatywna; polega ona na wprowadzeniu znanej ilości ładunku między końcówki obiektu testowego, aby stworzyć zmianę napięcia końcowego równoważną tej powodowanej przez zdarzenie PD. Ten wprowadzony ładunek nazywany jest Ilością Wyładowania Pozornej (Q) PD, mierzonym w pikokulombach (pC). W praktyce ilość wyładowania pozornej nie jest równa rzeczywistej ilości ładunku emitowanego w miejscu wyładowania w obiekcie testowym; ta ostatnia nie może być mierzona bezpośrednio. Chociaż fala napięcia generowana przez impedancję pomiarową przez impuls prądu PD może się różnić od fali napięcia powodowanej przez impuls kalibracyjny, odczyty instrumentów są zwykle uznawane za równoważne. Poniżej przedstawiono dwie główne techniki wykrywania RMU.
1) Wykrywanie ultradźwiękowe dla RMU z izolacją stałą
Przez odbiór sygnałów ultradźwiękowych przesyłanych przez powietrze i pomiar ciśnienia akustycznego sygnału PD, można wnioskować o intensywności wyładowania. Podczas testów ultradźwiękowych czujnik powinien być zeskanowany wzdłuż szwów/luk na powierzchni sprzętu przełącznikowego. Diagramy referencyjne dostarczają wskazówek dotyczących typowych lokalizacji wykrywania.
2) Zasada wykrywania przejściowego napięcia ziemnego (TEV)
Gdy PD występuje wewnątrz szafy sprzętu wysokiego napięcia, przepływa przez kanał wyładowania bardzo krótkotrwały impuls prądu, który pobudza przejściowe fale elektromagnetyczne. Szybkość procesu wyładowania powoduje stromy impuls prądu o silnej zdolności do emisji promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości. To promieniowanie może się propagować przez otwory w metalowej obudowie, takie jak uszczelki lub luki wokół izolacji. Gdy te fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości propagują się na zewnątrz szafy, indukują przejściowe napięcie na zewnętrznej powierzchni względem ziemi. To przejściowe napięcie na ziemi (TEV) oscyluje od milivolty do voltów z czasem narastania kilku nanosekund. Dedykowany czujnik TEV umieszczony na zewnątrz szafy może wykryć ten sygnał nieinwazyjnie.
Główne lokalizacje wykrywania TEV (na ścianach szafy naprzeciwko):
- Magistrale (połączenia, wtyki ścianowe, izolatory nośne)
- Wyłączniki
- Przekształtniki prądowe (CT)
- Przekształtniki napięcia (PT)
- Zakończenia kabli
Te komponenty są zwykle umieszczone w środkowej i dolnej części frontowej płyty, górnej, środkowej i dolnej części tylnej płyty, oraz górnej, środkowej i dolnej części bocznych płyt.
III. Lokalizacja PD i identyfikacja fazy
Po potwierdzeniu, że sygnały czujników pochodzą z wnętrza sprzętu, do dalszej analizy pozycyjnej stosuje się Lokalizację Różnicy Czasu Przybycia (TDOA). Dwa czujniki są umieszczane na powierzchni sprzętu; analizuje się różnicę czasu między odebranymi sygnałami (t2 - t1), aby określić lokalizację PD, zazwyczaj w zakresie 1 metra od źródła.
1. Metoda różnicy czasu:
Założmy, że źródło PD znajduje się w odległości X od czujnika 1, prędkość fali elektromagnetycznej = c (prędkość światła), a różnica czasu t2 - t1 jest mierzona za pomocą oscyloskopu.
X = (t2 - t1) * c / 2
Korzystając z tego wzoru i miarki, można określić pozycję X.
2. Metoda płaszczyzny dwusiecznej:
- Przesuń dwa czujniki w przestrzeni, aż czas przybycia sygnału PD będzie taki sam dla obu. To umieszcza punkt wyładowania na prostopadłej płaszczyźnie dwusiecznej między dwoma czujnikami (Lokalizacja Płaszczyzny).
- Przesuń czujniki w obrębie tej płaszczyzny dwusiecznej, aż czas przybycia będzie taki sam ponownie. To umieszcza punkt wyładowania na prostopadłej linii dwusiecznej w tej płaszczyźnie (Lokalizacja Linii).
- Przesuń czujniki wzdłuż tej linii dwusiecznej, aż czas przybycia będzie taki sam ponownie. To precyzyjnie określa lokalizację wyładowania (Lokalizacja Punktu).
Aby zidentyfikować konkretną fazę doświadczającą PD, stosuje się metodę HFCT do wykrywania sygnałów na przewodach uziemienia (lub korpusie) sąsiednich trójfazowych kabli wychodzących. Sygnał prądowy z defektywnej fazy ma większą amplitudę i przeciwną polarność w porównaniu z sygnałami na dwóch innych fazach, co pozwala łatwo zidentyfikować uszkodzoną fazę.
