مستشعر التفريغ الجزئي في معدات الجهد الكهربائي العالي

التفريغ الجزئي هو مقياس راسخ وثابت لتقييم حالة معدات مصنع الجهد الكهربائي العالي، بحيث تشتمل التقنيات التقليدية للكشف عن التفريغ الجزئي على “التوصيل المادي” لأجهزة الاستشعار بالجهاز الخاضع للمراقبة، مما يحد من أجهزة الاستشعار لمراقبة الأجهزة الفردية، وبالتالي الحد من التغطية.

تحليل مستشعر التفريغ الجزئي في معدات الجهد الكهربائي العالي

التفريغ الجزئي (PD) هو عطل كهربائي حقيقي يحدث في المعدات والأدوات ذات الجهد العالي (HV) التي لا تنفجر الموصلات من خلالها بالكامل، كما يتم تعريفه بواسطة (IEC60270) على أنه “تفريغ كهربائي موضعي يقوم فقط بسد العزل بين الموصلات جزئياً والذي يمكن أو لا يمكن أن يحدث بجوار موصل، والتفريغ الجزئي بشكل عام هو مساهمة لتركيزات “الإجهاد الكهربائي” في العزل أو على سطح العزل.

وبشكل عام، تظهر مثل هذه التفريغ على شكل نبضات ذات مدة أقل بكثير من (1) ميكروثانية، كما ينتج (PD) عن زيادة في شدة المجال الكهربائي بسبب وجود فراغ أو عيب، مما يؤدي إلى تفريغ موضعي داخل الفراغ، والذي يمكن أن يتفاقم بمرور الوقت مما يؤدي إلى فشل كارثي كامل في النطاق المتأثر، كما أن (PD) هو المقياس الأساسي المستخدم في تشخيص حالة معدات مصنع الجهد العالي مثل المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS) وخطوط النقل والمحولات الكهربائية.

كذلك تتطلب التقنيات التقليدية لاكتشاف وقياس (PD)، مثل محولات التيار الكهربائي عالية التردد (HFCTs) ومستشعرات الجهد الأرضي العابر (TEV)، والتي تظهر توصيلاً مادياً بقطعة النبات قيد المراقبة، في حين أن هذه التقنيات توفر معلومات مفصلة حول الخطأ المحلي.

إضافة ذلك الشحنة الظاهرة وأطياف التردد الكهربائي، كذلك النطاق الذي يمكنهم مراقبته يقتصر على عنصر المصنع الذي يرتبطون به فعلياً بسبب الاقتران الوثيق المطلوب والحساسية للإشارة القريبة فقط من المستشعرات، وبالتالي؛ فإن هذه الأساليب ستكون مكلفة ومعقدة في التنفيذ في نظام مراقبة شامل على نطاق واسع (PD).

متطلبات الكشف عن التفريغ الجزئي لمعدات الجهد العالي

تتجنب تقنيات الكشف الإشعاعي (PD) متطلبات أجهزة الاستشعار ذات الأسلاك الصلبة لمعدات الجهد العالي، كما تتضمن التقنية الأساسية استخدام مستقبلات الراديو لاكتشاف وقياس الإشارة الكهرومغناطيسية المنتشرة من نبضة تيار (1 – 1000) نانو ثانية، بحيث تم إزاحتها أثناء حدث (PD)، كما تشبه إشارة النبضة الكهرومغناطيسية تذبذباً كلاسيكياً متحللاً ضمن عرض نطاق يتراوح من (50 – 1000) ميجاهرتز، وذلك اعتماداً على نوع وبنية الخطأ.

ومع ذلك؛ فإن مدى التردد يقتصر بشكل عام على حوالي (50-800 MHz) بسبب استجابة حدود النطاق لبيئة الانتشار التي تحتوي على العديد من الهياكل المعدنية المخففة للتردد العالي، وعلاوة على ذلك يتم ترشيح عرض النطاق الترددي للإشارة الراديو مترية بواسطة بنية الطنين للفراغ الذي ينتج استجابة تمرير النطاق، كما يتم استقبال إشارة (PD) المشعة وتحديد موقعها بواسطة عدة مستشعرات إشعاعية منفصلة مكانياً.

كذلك تتميز مراقبة (PD) بالقياس الإشعاعي بميزة التثبيت البسيط والسريع وسهولة إعادة التكوين والقدرة على مراقبة عناصر نباتية متعددة باستخدام مستشعر واحد، بحيث تأتي هذه الفوائد على حساب انخفاض المعلومات التشخيصية نظراً لأن تحديد الشحنة المطلقة التي تم إزاحتها أثناء حدث (PD) وأطياف الإشارة الأصلية التي تشكل تحدياً أكبر مقارنة بالتقنيات التقليدية، ومع ذلك من المحتمل أن تكون شبكة الاستشعار اللاسلكية واسعة النطاق [PD (WSN)] قادرة على مراقبة محطة فرعية بأكملها بتكلفة وتعقيد أقل.

تحليل مستشعر أخذ العينات اللاسلكي بشكل عالي السرعة PD

بنظرة عامة على عقدة الاستشعار الإشعاعي، يوضح الشكل التالي (1) بنية عقدة مستشعر (PD) اللاسلكية المقترحة.

كما تُستقبل إشارة (PD) للقياس الإشعاعي عبر هوائي ثنائي القطب واسع النطاق وتُطبق على واجهة (RF) أمامية كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يوفر (balun 4:1) عرض نطاق أكبر للهوائي عن طريق مطابقة استجابة تردد “إيقاف الطنين” بـ (50)، كما وتُنشئ مرشحات تمرير النطاق وتوقف النطاق نطاقي قياس فعالين من (30-70) ميجاهرتز و (250-320) ميجاهرتز لإزالة الإشارات المُرسلة المتداخلة المحتملة داخل نطاق القياس الإشعاعي (PD)، مثل البث التليفزيوني الرقمي (FM) و (DAB).

ثم يتم تطبيق الإشارة المرشحة على مضخم منخفض الضوضاء [ADL5530 (LNA)]، والذي يوفر (10) ديسيبل من كسب القدرة للتعويض عن كسب الهوائي، بحيث يوضح الشكل التالي (3) الاستجابة الإجمالية لمرشحات تمرير النطاق مع المضخم منخفض الضوضاء (LNA).

إجراءات تصميم المستشعر عالي السرعة والقابل للطي (ADC)

يشتمل النموذج الأولي لهيكل (ADC)، والموضح في الشكل التالي (4) على مضخم أمامي لعينة العينة (SHA) ومراحل مضخم قابل للطي (SHFA) من سبع سلاسل متصلة ومقارن واحد ووحدة مرجعية دقيقة للجهد الكهربائي، بالإضافة الى طاقة منخفضة (FPGA) لتوفير المعالجة الرقمية للبيانات المتوازية.

كما توفر مراحل (SHFA) إخراج رمز رمادي رقمي متوازي (8) بت موازٍ زمني، كما تُستخدم إشارات الساعة التكميلية غير المتداخلة، والمتولدة داخل (FPGA) لدورة كل عينة من خلال (SHFAs)، كما يوفر مرجع الدقة مستويات العتبة لـ (SHFA)، والتي يتم تعيينها بنصف جهد الدخل الأقصى، بحيث يتم الحصول على العينة الأولى بواسطة (SHA) الأمامية، والتي تطبق الإشارة على (SHFA 1) أثناء وضع الانتظار قبل الحصول على العينة التالية، كما تتكرر هذه العملية من خلال كل (SHFA) أثناء انتقالات (S / H).

كذلك يتم تحميل المخرجات الرقمية لكل (SHFA) في (FPGA) في كل دورة ساعة، حيث يتم محاذاتها في كلمة ذات رمز رمادي (8) بت، كذلك يتم أخذ عينات من (LSB 8) دورات ساعة بعد (MSB) بسبب عملية الأنابيب، ثم يتم تحويل العينة إلى كلمة ثنائية وتحميلها في سجل الإخراج، بحيث يؤدي تشغيل النظام المقترح، وذلك كما هو الحال مع (ADCs) التقليدية عبر الأنابيب.

ووصولاً إلى زمن انتقال بسبب طريقة تحويل الساعة لكل بت، وهي (4) دورات على مدار الساعة؛ فإنه يتم إجراء محاذاة البيانات على حواف الساعة الصاعدة والهابطة، ومع ذلك؛ فإن هذا النطاق ليس له أي تأثير على الحصول على الإشارات المستقبلة حيث يمكن تجاهل رموز الإخراج الأربعة الأولى، ولا تتأثر نقاط عينة النبض الفعلية، وبالتالي ينتج عن وقت الاستجابة تأخير بين الإدخال والإخراج.

وأخيراً تم اقتراح مستشعر يعتمد على هيكل (ADC) قابل للطي موصلة بالأنابيب وتم تحسينه لأخذ عينات فعالة منخفضة الطاقة لإشارات (PD) الإشعاعي، وهو النموذج الأولي المنفصل القادر على أخذ العينات عند (25) مللي أمبير / ثانية بينما يكون استهلاك الطاقة أقل بكثير من مثيله في الدوائر المتكاملة المتاحة تجارياً.

كذلك يمكن تقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر عن طريق تقليل جهد إمداد (ADC)، ونظراً لأن نطاق إخراج الكاشف اللوغاريتمي (AD8310) يقتصر على (2) فولت تقريباً؛ فإنه يمكن تقليل إمداد الجهد الكهربائي الخاص بـ (ADC) إلى (2.2) فولت على الأقل، مما يقلل من إجمالي استهلاك الطاقة إلى (37) ميجاوات.

كما تُظهر الاختبارات الأولية التي تم إجراؤها أن النظام المقترح له دقة في حدود (5) ديسيبل حتى توهين قدره (28) ديسيبل، في حين أن هذا الخطأ مهم، بحيث لا يزال من الممكن إجراء تقدير دقيق نسبياً للموقع إذا كان الخطأ مطابقًا لجميع أجهزة الاستشعار أو تم تقديم تعويض مناسب في خوارزمية موقع (PD).