Оценка ОПН с использованием профиля температуры поверхности

Тепловидение в течение многих лет служило практичным и экономичным средством оценки состояния ОПН.Но было предпринято сравнительно мало усилий, чтобы определить, что представляет собой «здоровый» и «подозрительный» профиль температуры поверхности.В этом отредактированном вкладе Джонатана Вудворта в INMR исследованы переменные, которые могут влиять на температуру поверхности, а также ее связь с потерями мощности.

Мониторинг состояния разрядников MOV в течение последних десятилетий в основном осуществлялся путем измерения токов третьей гармоники (более известных как ток утечки) в основании разрядника.Однако этот метод усложняется тем, что разрядник необходимо изолировать от земли для получения точных данных.Он еще больше усложняется воздействием внутренних и внешних токов.Хотя этот способ контроля состояния хорошо работает для установок ОПН, в которых ранее использовались счетчики перенапряжения и где ОПН уже изолирован от земли, его нелегко использовать для ОПН, которые глухо заземлены.На рис. 1 показана такая установка.

Рис. 1: Структура контроля тока утечки.

Во многих установках изоляция основания ОПН не является практичным вариантом для обеспечения контроля состояния.Поэтому вместо тока утечки предпочтительным методом стало инфракрасное сканирование (ИК).Это влечет за собой получение тепловых изображений ОПН и последующее сравнение с аналогичными устройствами, находящимися в эксплуатации в том же месте.Тем не менее, несмотря на его популярность, поставщики или другие организации не дают практических указаний относительно того, какие температуры можно отнести к безопасным рабочим диапазонам, а какие температуры указывают на то, что ОПН начинает испытывать проблемы.Общее «эмпирическое правило» гласит, что разница в 5°C между ОПН-партнерами вызывает беспокойство, а разница в 10°C еще более серьезна.Как правило, о разнице температур более 10°C не сообщается, и это, вероятно, связано с тем, что, когда разрядники достигают этой стадии, они близки к отказу или выйдут из строя и будут удалены из системы до завершения следующего цикла теплового сканирования.

Несмотря на то, что ИК-сканирование является лучшим доступным в настоящее время методом мониторинга, у этого метода есть недостаток, заключающийся в том, что оно обычно выполняется только в ограниченных масштабах.Во многом это связано с тем, что требуется, чтобы кто-то обошел каждую подстанцию, чтобы получить тепловые изображения каждого разрядника.В идеале, если бы можно было постоянно контролировать температуру ОПН, можно было бы в любое время составить хороший прогноз состояния.С этой целью недавно был начат эксперимент с использованием беспроводного датчика температуры на пламегасителях для непрерывного контроля температуры поверхности.Цель состояла в том, чтобы лучше понять температуру поверхности разрядника с учетом многих переменных, таких как время суток, широта, ветер, солнце, площадь поверхности, дождь, кардинальное направление солнца, расстояние от трансформаторов, высота, материал и конструкция.Все эти факторы влияют на температуру поверхности.Второй целью было определение чувствительности температуры поверхности к потерям мощности разрядника.

Влияние окружающей среды на температуру поверхности (экспериментальный анализ)

Разрядник был настроен для постоянного контроля температуры поверхности, чтобы определить, как эта переменная циклически работает, основываясь исключительно на окружающей среде и без какого-либо влияния внутреннего рассеяния энергии.

Беспроводной датчик был установлен на двух ОПН рядом, как показано на рис. 2. Датчик находился на западной стороне ОПН, а сбор данных начался летом 2017 года на северо-востоке США.Температура записывалась каждые 6 минут и тут же передавалась в облачную базу данных, где сохранялась для анализа.На рис. 3 показан типичный суточный цикл температуры поверхности ОПН двух ОПН 152 кВ MCOV без напряжения в полимерном корпусе подстанции класса.

Рис. 2: Беспроводной датчик температуры на поверхности разрядника станционного класса.

Рис. 3: Температура поверхности разрядника в полимерном корпусе.

Рис. 4: Дельта температур между поверхностями двух разрядников в одном месте.

Как видно, в течение 24-часового периода наблюдается значительное изменение температуры поверхности.Это большое колебание, обусловленное исключительно окружающей средой, затрудняет оценку состояния ОПН, если смотреть только на температуру поверхности.Однако если сравнить температуру двух разрядников, как показано на рис. 4, можно заметить небольшие изменения в разнице температур разрядников.Как показано, разница температур в течение дня составляет 1-2°F, а вечером разница почти незначительна.

Воздействие окружающей среды на температуру поверхности

1. Время суток

Время суток оказывает, пожалуй, наибольшее влияние на температуру поверхности разрядника.Днем почти всегда температура поднимается, а ночью падает.Как показано на рис. 5, температура окружающей среды изменяется от 56°F до 85°F в течение дня, и эквивалентные разрядники под напряжением (из эксперимента с электрическими потерями) и обесточенные разрядники следуют в пределах нескольких градусов от температуры окружающей среды.

Рис. 5: Температура поверхности.152 кВ MCOV темп.

2. Расположение на ОПН

Несколько переменных местоположения могут влиять на температуру поверхности ОПН, и их необходимо учитывать при сравнении тепловых сканов ОПН-партнеров.Например, вертикальное расположение датчика на разряднике может привести к разнице в несколько градусов.Кроме того, вертикальные положения могут существенно различаться, если датчик находится на другом блоке одного и того же многоколонного разрядника.Поэтому датчики должны быть размещены в одном и том же месте на каждом парном разряднике, используемом для сравнения.

3. Основное направление Солнца

Казалось бы вероятным, что сторона разрядника, обращенная к югу, будет иметь более высокую среднюю температуру.Однако быстрое испытание разрядников на 152 кВ, использованных в этой оценке, показало небольшую разницу между севером и югом.Предполагается, что это связано с тем, что навесы затеняют сторону разрядника, так что датчики не испытывают истинного воздействия солнца.См. рис. 6 для температур за два дня.

Рис. 6: Температура поверхности разрядника 152 кВ с севера на юг.

4. Погода

Было замечено, что дождь вызывает быстрое падение температуры поверхности разрядника.Дождь также уменьшает тепловой шум, вызванный солнцем.Снег также может оказывать некоторое влияние на температуру поверхности, но на момент написания этого материала все еще проводилось расследование.

Эксперимент по влиянию электрических потерь

Чтобы лучше понять влияние потерь в разрядниках на температуру поверхности, был проведен простой эксперимент с обесточенными разрядниками.Один разрядник был установлен на открытом воздухе без подключения к электросети.Непосредственно рядом с этим блоком монтировался второй разрядник, также без приложенного напряжения, но с установленным под корпусом и вдоль поверхности диска нагревателем.Эта роль этого нагревателя заключалась в моделировании потерь разрядника под напряжением, но без фактического включения питания.Нагреватель располагался по всей длине разрядника с противоположной от датчика стороны и регулировался на различных уровнях в течение нескольких дней.Затем контролировали наружную температуру.На рис. 5 показана разница температур между ОПН с имитацией потерь и нагревателем, установленным на 20 Вт, и ОПН без напряжения.

Установившиеся потери

Ограничители подстанции, применяемые в системах ниже 245 кВ, обычно рассеивают от 0,2 до 0,3 Вт на кВ MCOV.Таким образом, в случае разрядника MCOV на 152 кВ потери в установившемся режиме будут составлять от 30 до 40 Вт.Кроме того, долгое время считалось, что для большинства ОПН установившиеся потери не приводят к повышению температуры.Это исследование, однако, показало, что потери всего 8 Вт на разряднике класса станции MCOV в полимерном корпусе на 152 кВ вызвали заметное повышение температуры поверхности.На рис. 7 показана взаимосвязь между дельтой T поверхности разрядника и внутренними потерями мощности, обнаруженными в этом исследовании.Это соотношение, конечно, только для этого конкретного разрядника и будет другим для других материалов корпуса и конфигураций навеса.

Рис. 7: Зависимость температуры поверхности от потерь мощности для разрядника MCOV 152 кВ в полимерном корпусе.

Если разрядник работает рядом с MCOV, он, скорее всего, будет поддерживать температуру на несколько градусов выше температуры окружающей среды.Если температура поверхности должна использоваться для контроля состояния ОПН, сравнение с температурой соседнего ОПН даст оптимальную оценку при условии, что сравнение проводится в одном и том же основном месте вдоль двух ОПН.Сравнение температуры разрядника с температурой окружающей среды также может работать, если нормальные потери невелики.

Переменные, влияющие на изменение температуры поверхности из-за электрических потерь

1. Площадь поверхности

Площадь поверхности пламегасителя, испытанного в ходе этого исследования, составляла 436 кв. дюймов, а материалом корпуса была резина EP.Навесы рассматривались как изоляторы, и их площадь не учитывалась.Если бы площадь поверхности была больше, дельта T, необходимая для сброса ватта, была бы меньше.В этом случае рассеиваемые ватты на квадратный дюйм составляли 40/400 = 0,01 ватта, и для этого требовался перепад 10 ° F.

2. Материал корпуса

Поскольку все материалы имеют коэффициент излучения, уровень тепла, который может быть передан окружающему воздуху, будет разным.На это повлияет даже цвет материала.Например, серый фарфор имеет коэффициент излучения 0,92, а серый полимер — от 0,95 до 0,97.Это означает, что полимерный каучук излучает тепловую энергию более эффективно, чем глазурованный фарфор, что, в свою очередь, означает, что при одинаковой потере мощности фарфоровый разрядник теоретически нагревается до более высокой температуры, чем разрядник в полимерном корпусе.

3. Дизайн

Если разрядник спроектирован с внутренним воздушным пространством, расположенным вдоль дисков в осевом направлении, воздух действует как изолятор, и этот изоляционный слой приводит к тому, что диски нагреваются сильнее, чем внешняя поверхность.Этот факт снижает скорость изменения наружной температуры и, по сути, снижает ценность внешнего датчика.К счастью, длительное повышение температуры разрядников не требует быстрого изменения температуры для обнаружения проблемы.

Анализ изменения температуры поверхности из-за импульсной активности переключения

Непрерывный контроль температуры поверхности разрядника позволяет определить перенапряжение при переключении.Если в разряднике возникнет переходный процесс, близкий к его максимальной номинальной стойкости, он мгновенно поднимет температуру на 80–90°F.Это также повысит температуру поверхности почти мгновенно и в той же степени.Учитывая чувствительность поверхности разрядника к температуре, как показано в вышеприведенной серии испытаний, такое повышение температуры можно было бы легко обнаружить.Однако этот тип подачи энергии происходит только в разрядниках, применяемых в системах напряжением от 345 до 400 кВ.В случае систем с более низким напряжением уровень энергии, подаваемой от перенапряжения при переключении, намного ниже и может увеличить температуру разрядника станционного класса не более чем на 4–5°F.Это может быть трудно отличить от окружающего шума.Поэтому обнаружение перенапряжения при переключении в системах ниже 345 кВ будет сложной задачей.

Анализ изменения температуры поверхности из-за событий TOV

Всякий раз, когда в заземленной 3-фазной системе возникает замыкание на землю, на одной из неповрежденных фаз возникает повышение напряжения.Разрядники на этой исправной фазе немедленно перейдут в состояние перенапряжения на каком-то уровне.Чтобы добиться хорошей защиты системы от переходных процессов, используется разрядник MCOV с минимально возможным значением.Этот оптимизированный рейтинг MCOV обычно означает, что во время события TOV разрядник переводится в режим ранней стадии отказа, если перенапряжение не прерывается выключателями, роль которых заключается в прекращении события перенапряжения.В течение этого времени разрядники нагреваются внутри, и это быстро ощущается на внешней поверхности разрядника.

Если событие TOV достаточно серьезное, чтобы поставить под угрозу долговременную работоспособность ОПН, его температура достигнет довольно высокого уровня — возможно, даже на 50–100°F выше температуры окружающей среды.Повышение температуры ОПН можно рассчитать с помощью симулятора TOV (см. рис. 8), который рассчитывает скорость нарастания ОПН 70 кВ MCOV для различных уровней перенапряжения.Результаты, показанные на рис. 9, показывают, что для более высоких значений TOV скорость повышения температуры значительна и что окончательная температура разрядника, вероятно, будет ощущаться на его внешней поверхности.Для проверки этого можно провести исследование в испытательной лаборатории.

Рис. 8 Симулятор ТОВ.

Рис. 9: Расчетная скорость повышения температуры разрядника MCOV 70 кВ для различных случаев перенапряжения.

Несколько выводов, которые можно сделать из этого эксперимента:

1. Рекомендуется сравнение с ОПН-партнером для точного измерения состояния ОПН с использованием температуры поверхности;
2. Для повышения точности такой оценки ОПН показания температуры в идеале должны производиться между полуночью и восходом солнца;
3. Наружная температура разрядника достаточно чувствительна, чтобы обнаружить разницу всего в 8 Вт, что представляет собой лишь небольшое изменение тока утечки;
4. Коммутационные перенапряжения в системах выше 345 кВ будут определяться по температуре поверхности разрядников;
5. События TOV, вероятно, также будут обнаруживаться на ОПН по быстрому повышению температуры (т. е. на несколько секунд) с длительным охлаждением (т. е. от минут до часов).

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.