Дослідження технології виявлення часткових розрядів для кільцевих головних споруд з твердотільною ізоляцією

З розвитком міських електромереж кількість встановлених твердотільних ізольованих кільцевих магістральних сполук (RMU) постійно зростає. Їхня робоча умова значно впливає на надійність електропостачання електричної системи. Наслідки аварій є серйозними: безпосередні шкоди включають пошкодження захищених ліній та обладнання, а також втрату електроенергії; непрямі наслідки призводять до широкого відключення споживачів, порушуючи повсякденне життя, виробництво та навіть соціальну стабільність.

На даний момент недоліки методів полевого тестування обладнання RMU та часте виникнення дефектів ізоляції в робочому комутаційному обладнанні становлять серйозну загрозу для безпечного функціонування електричної системи. Виявлення часткових розрядів (PD) є ефективним методом оцінки стану ізоляції комутаційного обладнання та є актуальною темою досліджень. Проведення виявлення PD та діагностики несправностей високовольтного комутаційного обладнання надає важливу інформацію про стан для підтримки на основі стану та є ключовим фактором забезпечення безпечного та надійного функціонування обладнання. У високовольтному комутаційному обладнанні деградація ізоляції, що призводить до дефектів ізоляції, може бути спричинена не лише електричними полями, але також механічними силами, теплом або їхньою поєднаною дією з електричними полями, що в кінцевому підсумку впливає на якість електропостачання та надійність. Для стандартизації та ефективного впровадження живлення тестування електричного обладнання, залучаючи відповідні внутрішні та міжнародні стандарти, зокрема на основі Постанови [2011] № 11 "Про затвердження 'Технічних вимог до живлення тестування електричного обладнання (спроба)'" Корпорації Державної мережі, це дослідження зосереджується на виявленні часткових розрядів для RMU.

​II. Методи виявлення часткових розрядів для кільцевих магістральних сполук​

​1. Форми енергії PD​
Частковий розряд є імпульсним розрядом. Окрім перенесення заряду та розсіювання енергії, процес PD також генерує електромагнітне випромінювання, ультразвукові хвилі, світло, тепло та нові хімічні продукти. Методи виявлення, спрямовані на ці явища, включають електричне виявлення, акустичне виявлення, оптичне виявлення та хімічне виявлення. Серед них найбільш часто використовуються електричні та акустичні методи, але їх практична ефективність часто обмежена, головним чином через значний шумовий фон на місці, що ускладнює відокремлення справжніх сигналів PD. Ефективне усунення завад є ключовим для покращення виявлювальних характеристик обладнання PD.

Явища, які виявляються:

• ​Електричні:​​ (датчики TEV, UHF, HFCT)
• ​Акустичні:​​ (ультразвукові датчики)
• ​Оптичні:​​ (видимі через виглядальні вікна в певних місцях під час розряду)
• ​Теплові:​​ (інфрачервоні, хоча ефективність виявлення обмежена повністю закритою конструкцією RMU)
• ​Хімічні/газові:​​ (запах озону тощо)

​2. Технології виявлення​
На сьогодні використовується багато методів виявлення PD для комутаційного обладнання, які загалом поділяються на ​Прямі методи​ (виявлення видимого кількісного розряду) та ​Непрямі методи​ (TEV, ультразвук, UHF, поєднане акусто-електричне виявлення). Пряма методика є відносною; вона передбачає введення відомої кількості заряду між контактами об'єкта тестування, щоб створити зміну напруги на клемах, еквівалентну тій, що спричинена PD-подією. Цей введений заряд потім називається видимим кількісним розрядом (Q) PD, вимірюється в пікокулонах (pC). На практиці видимий кількісний розряд не дорівнює реальному заряду, виділеному в місці розряду в об'єкті тестування; останній не може бути виміряний безпосередньо. Хоча форма напруги, генерована через вимірювальний імпеданс імпульсом струму PD, може відрізнятися від форми, спричиненої калібрувальним імпульсом, показники на приладах, як правило, вважаються еквівалентними. Нижче наведені дві основні техніки виявлення RMU.

​1) Ультразвукове виявлення для твердотільних RMU​
Отримуючи ультразвукові сигнали, що передаються через повітря, та вимірюючи акустичний тиск сигнала PD, можна зробити висновок про інтенсивність розряду. Під час ультразвукового тестування датчик повинен скануватися вздовж швів/щілин на поверхні комутаційного обладнання. Рекомендаційні діаграми надають керівництво щодо типових місць виявлення.

​2) Принцип виявлення трансієнтного земельного напруги (TEV)​
Коли PD відбувається всередині шафи високовольтного комутаційного обладнання, короткий імпульс струму протікає по каналу розряду, викликаючи трансієнтні електромагнітні хвилі. Швидкість процесу розряду призводить до стрімкого імпульсу струму з сильною здатністю випромінювання високочастотних електромагнітних хвиль. Це випромінювання може поширюватися через відкриття в металевій оболонці, такі як уплотнюючі прокладки або щілини навколо ізоляції. Коли ці високочастотні електромагнітні хвилі поширюються поза шафою, вони викликають трансієнтну напругу на зовнішній поверхні відносно землі. Ця трансієнтна напруга на землі (TEV) від мілівольтів до вольтів з часом наросту кількох наносекунд. спеціальний датчик TEV, розташований зовні шафи, може виявити цей сигнал без вторгнення.

Основні місця виявлення TEV (на стінках шафи):

• Шини (зв'язки, шинні вставки, опорні ізолятори)
• Автоматичні вимикачі
• Трансформатори струму (CT)
• Трансформатори напруги (PT)
• Закінчення кабелів
  Ці компоненти зазвичай розташовані на середніх та нижніх секціях передньої панелі, верхніх, середніх та нижніх секціях задньої панелі, а також верхніх, середніх та нижніх секціях бічних панелей.

​III. Локалізація PD та ідентифікація фази​

Після підтвердження, що сигнали датчиків походять зсередини обладнання, використовується метод ​Time Difference Of Arrival (TDOA) локалізації​ для подальшого аналізу положення. Два датчики розміщуються на поверхні обладнання; аналізується різниця часу між отриманими сигналами (t2 - t1) для визначення місця PD, зазвичай в межах 1 метра від джерела.

​1. Метод різниці часу:​​
Припустимо, що джерело PD знаходиться на відстані X від датчика 1, швидкість електромагнітної хвилі = c (швидкість світла), а різниця часу t2 - t1 вимірюється за допомогою осцилографа.
X = (t2 - t1) * c / 2
Використовуючи цю формулу та лінійку, можна визначити положення X.

​2. Метод бісектора площини:​​

• Переміщуємо два датчики в просторі до того моменту, поки час приходу сигналу PD буде однаковим на обох. Це визначає точку розряду на перпендикулярній бісекторній площині між двома датчиками (визначення площини).
• Переміщуємо датчики в рамках цієї бісекторної площини до того моменту, поки час приходу буде однаковим знову. Це визначає точку розряду на перпендикулярній бісекторній лінії в рамках цієї площини (визначення лінії).
• Переміщуємо датчики вздовж цієї бісекторної лінії до того моменту, поки час приходу буде однаковим ще раз. Це точно визначає місце розряду (визначення точки).

​Для ідентифікації конкретної фази, що досіє PD, використовується метод HFCT​ для виявлення сигналів на заземлювальних провідниках (або корпусі) суміжних трьохфазних виходних кабелів. Сигнал струму від дефективної фази має більшу амплітуду та протилежний знак по відношенню до сигналів на інших двох фазах, що дозволяє легко визначити проблемну фазу.