در این مقاله منظور از (Partial Discharge) PD ، تخلیه ی جزئی است.

چکیده– در این مقاله روش تشخیص تخلیه نسبی (PD) در ترانسفورمرهای  SF6  عایق بندی شده با جریان معکوس (SIICTs) که از محفظه حفاظ دار به عنوان سنسور با بسامد فوق بالا استفاده می کنند مطرح شده است. محفظه حفاظ دار قطعه ای از ترانسفورمر SF6 با جریان معکوس می باشد. ساختار آن مشابه یک آنتن بوده و از آن می توان به عنوان سنسور UHF برای اندازه گیری سیگنال UHF تخلیه جزئی استفاده کرد. از یک ترانسفورمر جریان ۱۱۰ کیلو ولتی به عنوان شیء آزمایشی استفاده شده و نسبت موج ایستاده (VSWR) محفظه حفاظ دار اندازه گرفته می شود. دقت و حساسیت این روش توسط آزمایشات با ولتاژ AC تایید شده است. این روش تشخیص PD ، مشکل سخت نصب شدن حسگر UHF در ترانسفورمر جریان را حل کرده و روش نوینی برای تشخیص PD در ترانسفورمر SF6 عایق بندی شده با حریان معکوس فراهم کرده است.

عبارات کلیدی- تخلیه نسبی ، محفظه ، تشخیص آنی ، UHF، ترانسفورمر عایق بندی شده گازی با جریان معکوس

1. مقدمه

از ترانسفورمرهای عایق بندی شده SF6 با جریان معکوس (SIICTها) به دلیل اطمینان پذیری بالا ، هزینه نگهداری پایین و عمر کاری بالا به صورت گسترده استفاده می شود. تخلیه نسبی (PD) یکی از مهمترین پارامترها برای ارزیابی شرایط عایق کاری SIICTها به شمار می رود. روش پالس جریان که توسط IEC 60270 توصیه شده است، روش متداولی مخصوصا در آزمایشاتی که در کارخانجات و آزمایشگاهها انجام می شود، می باشد. برای تشخیص میدانی تخلیه نسبی SIICTها ، روش پالس جریان مستعد مختل شدن می باشد. اگرچه سنسورهای متعددی توسط پژوهشگران تعبیه شده است تا از اینگونه اختلالات جلوگیری شود، ولی همچنان انجام تشخیص PD با روش پالس جریان  در میدان دشوار است ، مخصوصا در تجهیزاتی که به دلیل اثر تخلیه کرونا دارای ولتاژ بالایی هستند.

از روش فرکانس فوق بالا (UHF) به دلیل عملکرد خوب آن در مواجهه با اختلال به صورت گسترده برای تشخیص PD در میدان استفاده می شود که در ترانسفورمرهای قدرت و همچنین در جعبه کلیدها کاربرد موثر و موفقی داشته است. هرچند که فضای داخلی کافی برای نصب سنسور UHF در SCIICTها وجود ندارد. برای نشان دادن این مشکلات ، در این مقاله محفظه حفاظ دار SIICTها به عنوان سنسور UHF درنظرگرفته شده است. ایده این روش در جهت استفاده از قطعه خود دستگاه به عنوان یک سنسور برای تشخیص PD UHF می باشد.

2. مکانیزم تشخیص UHF در محفظه داخلی

در ترانسفورمرهای قدرت و GIS فضای داخلی کافی برای نصب سنسور UHF وجود دارد. ولی در دستگاههای متراکم و فشرده ای مثل SIICTها، نصب یک سنسور UHF داخلی دشوار است. از طریق تحلیل و بررسی ساختار SIICTها، متوجه شدیم که می توان از محفظه حفاظ دار این دستگاه به عنوان سنسور UHF استفاده کرد. محفظه حفاظ دار ، قطعه ای در درون SIICT بوده و شکل آن شبیه آنتن تک قطبی می باشد. ساختار معمولی یک SIITC 110 کیلوولتی در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل۱٫ ساختار SIICT 110 کیلو ولتی

سر این محفظه حفاظ دار استوانه ای بوده و درون آن سیم پیچ ثانویه می باشد. سیم ثانویه از میان لوله محفظه حفاظ دار پایین آمده و از جعبه تقسیم ثانویه بیرون زده است. همچنین محفظه حفاظ دار از جعبه تقسیم ثانویه بیرون زده و به پایانه زمینی ارت شده است. می توان از شکل ۱ مشاهده کرد که a) محفظه حفاظ دار مانند یک آنتن تک قطبی بوده و مدل آنتنی معادل آن در شکل ۱b نشان داده شده است. اگرچه این محفظه حفاط دار به عنوان سنسور UHF درنظرگرفته می شود، ولی ساختار فیزیکی آن تغییری نکرده و کارکرد حفاظتی آن تحت تاثیر قرار نگرفته است. برای بدست آوردن بازده آنتن محفظه حفاظ دار ، نسبت ایده آل ولتاژ موج ایستاده (VSWR) محفظه حفاظ دار نشان داده شده در شکل ۱b ، با
نادیده گرفتن اثر ظرفیت پراکنده و اثر فلز مجاور، حساب می شود.

شکل ۲٫ منحنی VSWR محاسبه شده

VSWR بر شرایط انطباق بین آنتن و خطوط تغذیه در سیستم آنتن تاثیر می گذارد. VSWR<2 به معنی این است که آنتن عملکرد خوبی داشته و برای تشخیص PD ، VSWR<5 قابل قبول است. منحنی VSWR محاسبه شده در شکل ۲ نشان داده شده است. همان طور که می توان مشاهده کرد، دامنه فرکانس برای VSWR<2، ۲۰۰~ ۷۵۰ MHz و برای VSWR<5 ، ۱۰ ~ ۱۴۰۰ MHz می باشد. از آنجایی که دامنه نرمال فرکانس برای تشخیص UHF PD 300 تا ۳۰۰۰ MHz است، فرض می شود که آنتن محفظه حفاظ دار دارای بازده قابل قبولی در دامنه UHF باشد.

3. نتایج آزمایشگاهی

یک SIITC 100 کیلو ولتی به عنوان شیء آزمایشی درنظرگرفته شده که با گاز SF6 با فشار ۰٫۴۵ MPa پر شده است. در کنداکتور با ولتاژ بالا یک جلو افتادگی آهنی تعبیه شده است تا در SIITC تمرکز میدان الکتریکی را تحریک کند. سپس اندازه گیری PD  انجام شده و به صورت همزمان سیگنال های پالس جریان و UHF اندازه گرفته می شود. شمای سیستم آزمایشگاهی در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳٫ سیستم آزمایشگاهی

همان طور که در شکل ۳ نشان داده شده است، منبع تغذیه ولتاژ بالای ac به کنداکتور ولتاژ بالای SIICT وصل شده است. محفظه حفاظ دار  بوسیله جعبه تقسیم ثانویه به زمین وصل شده و L ضریب اندوکتانس معادل سیم وصل شده به زمین
می باشد. مقدار L آنقدر کوچک است که می توان آن را نادیده گرفت و در طی فرکانس قدرت و ولتاژ بیش از حد، آن را مدار کوتاه فرض کرد ، ولی این مقدار تحت فرکانس بالا تا دامنه UHF دارای مقاومت بالایی می باشد. سیگنال UHF بدست آمده از اندوکتانس،  بوسیله دستگاه پردازش سیگنال UHF ، با بسامد ۲۰ dB و فیلتر ۳۰۰ MHz-3 GHz تقویت
می شود. سیگنال های پالس جریان و UHF به صورت همزمان و بوسیله اسیلوسکوپ دیجیتالی TEK4054 با پهنای باند ۵۰۰ MHz و نسبت نمونه سازی Gsamples/s ثبت می شود.

ولتاژ شروع PD ، ۳۳ kV بوده و روش پالس جریان سیگنال ها را در همان زمان اندازه می گیرد. نتایج تشخیص در ۳۳ kV در شکل ۴ نشان داده شده اند.

شکل۴٫ نتایج آزمایشگاهی تحت ولتاژ شروع PD

همان طور که شکل ۴ نشان می دهد، سیگنال های PD تنها در ماکزیمم ولتاژ منفی تحت ولتاژ شروع PD پدید می آیند. این همان ویژگی تخلیه فلزی است که در گاز SF6 ، جلوافتادگی دارد. روش پالس جریان از حساسیت تشخیص یکسانی برخوردار است. شکل موج PD تشخیص UHF در شکل ۵ نشان داده شده است.

شکل ۵٫ سیگنال تشخیص PD UHF

1. شکل موج دامنه زمان
2. شکل موج دامنه فرکانس

همان طور که در شکل ۵ نشان داده شده است، سیگنال PF UHF را می توان از طریق آنتن محفظه حفاظ دار تشخیص داد و فرکانس آن حدود ۲۵۰~ ۶۰۰ MHz می باشد. برای نشتی طیفی فیلتر ، حتی می توان از فیلتر ۳۰۰ MHz~ 3 GHz استفاده کرد و سیگنال های کمتر از ۳۰۰ MHZ در این تشخیص شناسایی ,آّمی شوند. مدت شکل موج دامنه زمان حدود ۰٫۱ میکرو ثانیه است. نتایج آزمایشگاهی حاکی از ممکن بودن روش تشخیص PD دارند.

4. نتیجه گیری

روش تشخیص تخلیه نسبی در ترانسفورمرهای عایق بندی شده با گاز SF6 و با جریان معکوس (SIICT) از محفظه حفاظ دار داخلی به عنوان سنسور UHF استفاده می کند که در این مقاله بررسی شد. نتایج محاسبات نشان می دهند که آنتن محفظه حفاظ دار از عملکرد قابل قبول و رضایت بخشی در دامنه UHF برخوردار است. نتایج آزمایشگاهی در یک SIITC میدانی نشان می دهند که روش مطرح شده و روش پالس جریان ، سیگنال های PD را در یک لحظه و تحت یک ولتاژ اعمالی شناسایی می کنند. روش پیشنهاد شده همانند روش پالس جریان دارای حساسیت و دقت تشخیص یکسان بوده و
می تواند به راحتی تشخیص درونی PD UHF را درک کند. این روش ، باعث شده است تا روش تشخیصی جدیدی برای شناسایی PD در SIICT میدانی ایجاد شود.

خواص گاز SF6

اس‌ اف ‌سیکس به عنوان مادهٔ گازی دی‌الکتریک در صنعت برق و در مدارشکنهای ولتاژبالا، تجهیزات کلیدزنی و دیگر تجهیزات برقی به کار می‌رود. از اس‌اف‌سیکس تحت فشار در تجهیزات جی‌آی‌اس استفاده می‌شود چراکه خاصیت دی‌الکتریک آن بسیار بیشتر از هوا یا نیتروژن خشک‌شده‌است. این ویژگی سبب می‌شود که بتوان اندازهٔ تجهیزات برقی را تا حد زیادی کاهش داد. این خاصیت باعث می‌شود جی‌آی‌اس برای مقاصد بخصوصی نظیر بکاگیری در فضای بسته مناسب باشد (در مقابل تجهیزات برقی عایق‌بندی شده با هوا که فضای به‌نسبت زیادتری می‌برند). تجهیزات برقی عایق‌بندیشده با گاز نسبت به آلودگی و تاثیرات آب و هوا نیز مقاومت بیشتری دارند و در کاربردهای طولانی‌مدت به سبب فضای کارکرد مهارشده، اعتمادپذیرتر هستند. اس‌اف‌سیکس همچنین به عنوان یک دی‌الکتریک ولتاژبالا در شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای مانند مولد واندوگراف و پلترونها و میکروسکوپ‌های الکترونی ولتاژ بالا به کار می‌رود.

منبع: IEEE 2018

Junhao li, Senior Member, IEEE, Xuanrui Zhang, Xutao Han and Xiu Yao