مکان­­یابی تخلیه جزئی در کابلهای فشار قوی با به کار بردن روش اختلاف فازی

iiranican

عضو جدید
:مکان­­یابی تخلیه جزئی در کابلهای فشار قوی با به کار بردن روش اختلاف فازی

چکیده:
این مقاله روشی جدید در مکان یابی تخلیه جزئی در کابلهای قدرت ارائه میکند. متاسفانه معمولا از روش Time-Domain Reflectometry (TDR) در مکان یابی استفاده می­شود. این روش بر اساس آنالیز اختلاف فاز موج مستقیم و بازگشتی از سیگنال PD اندازه­گیری شده در انتهای کابل است. این اختلاف فازی در فرکانس­های مختلفی میتواند انجام شود بوسیله تبدیل فوریه گرفتن از سیگنال دریافنی. بعد از جای گزاری الگوریتم نمایان کننده فاز٬ محل خطا مشخص می­شود. این تکنیک مورد آزمایش قرار گرفته است در نرم ­افزار EMTP در یک مدل20 KV با طول خط زمینی 1 km. نتایج آماری بدست آمده نشان دهنده عملکرد بهتر این روش پیشنهادی است.


  1. مقدمه:
فعالیت PD نتیجه عیبهای متفاوتی است مانند حفره در عایق٬ فرورفتگی در عایق٬ آلودگی که در نهایت PD به تدریج زیاد می­شود و باعث فاسد شدن مواد عایقی که در نهایت منجر به شکست عایقی می­شود.






روش TDR در این زمینه بسیار مرسوم است که این روش بر اساس تخمین زمان ورود بین موج مستقیم و انعکاسی از سیگنال PD در نقطه معیوب است. این خوب است که بدانیم که وقتی از روش TDR استفاده میکنیم. پارمترهای مورد توجه از کابل تاثیر گزار هستند به محل دقیق تخمین PD.






یک نمونه کابل 20kv با جزئیات.
یک نمونه کابل ساده با روکش لاستیکی


نمونه­های از PD در شبکه توزیع دارای کابل روکش دار یا به اصطلاح CC Overhead Lines:



شبکه توزیع دارای کابلهای روکش درار (CC Overhead Lines)









مدار معادل الکتریکی افتادن یک شاخه درخت بر روی کابل روکش دار:


مولد تولید پالس PD٬ 2 پالس هم اندازه تولید میکند که حرکت میکنند در خلاف جهت هم به سمت انتهای کابل که آنها موجهای مستقیم و منعکسی هستند که انتشار میابند در طول کابل. دو موج تولید شده طولهای غیر یکسانی را در کابل طی میکنند که باعث می­شود که موج مستقیم و انعکاسی متفاوت باشند. با افزایش طول انتشار مقدار پیک موج پس فازتر می­شود و زمان تاخیر شکل موج افزایش میابد. ( زمان بالا آمدن شکل موج زیاد می­شود). و این باعث می­شود که موج انعکاسعی بیشتر تحت تاثیر نویز قرار بگیرد و مقدار آن کوچکتر شود.
موج مستقیم تحت تاثیر نویز تضعیف شده و باعث کم شدن دامنه آن می­شود که در طول کابل در حال حرکت است. این شرایط به اختلاف زمان ورود تاثیر می­گزارد. چون تشخیص نقاطی از موج که در چه زمانی اندازه گیری شده است را پیچیده میکند که این عمل موقعیت یابی درست را در PD تحت تاثیر خود قرار میدهد. برای غلبه بر این مشکل در روش TDR٬ این مقاله روش صحیح که دقت موقعیت یابی آن بالا است را ارائه میدهد. پایه این روش بر اساس اختلاف فازی است که میتواند در فرکانسهای مختلف انجام شود توسط تبدیل فوریه گرفتن. سیگنال PD اندازه گیری می­شود به وسیله سنسور که متصل است به انتهای کابل و انتهای دیگر کابل باز است به علاوه نویز میتواند در آنالیز PD پیچیدگی ایجاد نماید.


  1. سیستم اندازه گیری PD :
سیستم اندازه گیری PD در روش اختلاف فازی بر اساس روش TDR میباشد. و تنها تفاوت آن در پردازش سگنالها از پالس PD است.سیستم اندازه گیری PD در شکل یک نشان داده شده است. ابزار PD متصل شده­اند به انتهای کابل مورد تست در نقطه A بوسیله یک خازن H.V و قسمت انتهایی B باز است.این ابزارها شامل یک ***** میان گذر و یک تقویت کنند و یک مبدل دیجیتال کنند (AD) و یک کامپیوتر برای پردازش.
پالس PD شبیه سازی شده تزریق میشود در نقطه d از انتهای کابل. شکل پالس PD شرح داده شده است در قسمت 5.1 .
پالس PD اندازه گیری شده است در قسمت انتهایی و میتواند به صورت زیر بیان شود.
Y(t)=h(t)⊗s(t)= (1)
که در اینجا h(t) پاسخ ضربه تجهیزات است. و s(t) سیگنال PD دریافتی بوسیله تجهیزات. اشاره دارد به عمل کانولوشن و y(t) پالس PD اندازه گیری شده است.
سیگنال اندازه گیری شده آنالوگ سپس تبدیل به دیجیتال میشود بوسیله مبدل (A/D)٬ سیگنال PD ضبط شده سپس ذخیره میشود در کامپیوتر توجه کنید که X(t) شامل پالس PD و نویز میباشد.



  1. جدا سازی پالسها:
پالس PD در فاصله d از انتهای کابل 2 تا پالس تولید میکند. یکی از پالسها با یک سرعت مشخصی حرکت میکند در طول کابل به سمت٬ قسمت اندازه گیری (A)٬ پالس دیگر در جهت عکس میرود به سمت انتهای دیگر (B) و بعد از رسیدن به انتهای کابل منعکس میشود. و به سمت قسمت اندازه گیری حرکت میکند. که به پالس اول موج مستقیم و به پالس دوم موج برگشتی میگویند موج برگشتی یک فاصله اضافه به اندازه 2d را طی میکند. زمان ورود بین موج مستقیم و معکوس بوسیله معادله زیر بدست می­آید:
Δt= (2)
t1 زمان ورود موج مستقیم و t2 زمان ورود موج منعکس شده است. و v سرعت انتشار آن است.
در این تکنیک ارائه شده لازم است با جدا کردن موج مستقیم و معکوس پیش از آن که از روش اختلاف فازی استفاده شود. توجه کنید که t=L/V برابر است با ماکزیموم زمان طی شده برای پالس که حرکت کند از انتهای A و B . سیگنال PD ثبت شده X(t) تقسیم میشود به 2 قسمت و هر قسمت دارای طولی برابر با t می­باشد. نشان داده شده در شکل 2.b. اولین شکل مربوط به بخش مستقیم٬ اشاره دارد به X1 و بخش دوم اشاره دارد به X2.

اختلاف زمان ورود بین موج مستقیم و منعکس شده به وسیله معادله زیر بدست می­آید.
Δ (3)
با جای گذاری معادله 2 در معادله 3 اختلاف زمان بین ورود به شکل زیر بدست می­آید.
Δ (4)
فرمول معادله 4 برای 2 انتهای کابل صادق است.

  1. جزئیات روش اختلاف فازی:
ایده اصلی از روش موقعیت یابی PD محاسبات اختلاف فاز در هر فرکانسی از سری فوریه بین موج مستقیم و غیر مستقیم. بنابراین موج ثبت شده PD در قسمت X(t) باید جدا شود قبل از محاسبات اختلاف فاز.
1 – 4. تخمین مکان PD :
بررسی میکنیم X1 حاصل موج مستقیم و X2 حاصل موج منعکس شده سپس سیگنالهای بدست آمده را در سری فوریه به کار میبریم:

(5)

با حاصل ضرب 2 سیگنال داریم:
(6)
علامت * اشاره دارد به عمل مختلط مزدوج. G12 یک مقدار مختلط میباشد که از یک مقدرا و یک زاویه تشکیل شده است.
(7)


که در اینجا :

Δφ(f)= (8)
معادله 8 بیان کننده اختلاف فاز بین سیگنال X1 و X2٬ اختلاف فاز تابعی از فرکانس f میباشد.
رابطه بین اختلاف فاز و فاصله زمانی ورود (Δ ) به صورت زیر بیان می­شود:
Δφ(f)=𝜔. Δ (9)
با جای گذاری معادله 4 خواهیم داشت:
Δφ(f)=2πf (10)
باجابه جا کردن پارامترهای 10 تخمین فاصله PD برحسب فرکانس یه صورت زیر بیان می­شود:
d(f)= (11)
2 – 4. باز کردن فاز:
طبق معادله 10 اختلاف فاز وابسته به موقعیت PD است. برای نشان داندن این وابستگی از کامپیوتر استفاده میکنیم برای کابلی با طول 1000 متر سرعت انتشار برار با v=1.783 بر همین اساس برای سادگی محدوده فرکانس بین 0 تا 50MHZ شکل سه نشان دهنده اختلاف فاز تابعی از فرکانس برای سه موقعیت PD.
در عمل اختلاف فاز متغییر است بین π و -π رادیان. چون اختلاف فاز نتیجه یک تابع مثلثاتی که در معادله 8 تعریف شد. به خاطر بالا بودن پهنای باند فرکانس اختلاف فاز وارد یک سیکل میشود با افزایش فرکانس٬ نشان داده شده درشکل 3a,3b,3d.









به این معنا که وجود دارد بیش از یک فرکانس و در معادله 11 تولید خواهد کرد ابهام در موقعیت یابی PD . گردش این اختلاف فازها اشاره دارد به لبه­ها و مکان یابی موقعیت PD که حرکت میکند به سمت وسط کابل (d=L/2) در جایی که لبه­ها کاهش پیدا میکند. باید توجه داشت اگر اختلاف فاز در ناحیه π و -π نباشد سپس معادله زیر پوشش خواهد داده شد.
-π-2mπ (12)
M تعداد حاشیه­های لبه . تعداد حاشیه­ها بدست می­آید از طریق بازی با معادله 10.
Δφ(f)=m
M= (13)
بر همین اساس برای d=300m و فرکانس بالای 5MHZ تعداد لبه برابر 11 میشود.
ماکزیموم لبه بدست می­آید زمانی که d=0 و f=fc
روشن است برای حذف کردن ابهام در موقعیت PD اختلاف فاز باید نمایان شود به عبارت دیگر اختلاف فاز باید باز آرایی شود برای داشتن یک واحد یکسان برای هر فرکانس نشان داده شده در شکل شکل3d.
این میتواند انجام شود به وسیله جایگذاری الگوریتم نمایان کننده فاز. هدف این الگوریتم برداشتن گسستگی یا جهش فاز است که آشکار میشود در تابع اختلاف فاز.

3 – 4. فلوچارت موقعیت یابی PD :
شکل 4 فلوچارت این روش را نشان میدهد بر پایه اختلاف فاز. سیگنال PD S(t) دریافت می­شود توسط سنسور. این سیگنال کانولو میشود توسط پاسخ امپدانس از مدل سنسور h(t) به کار برده شده در معادله 1. خروجی این کانولوشن سیگنال y(t) است. نویزهای w(t) در خروجی سنسور که باعث پیچیدگی در محاسبات میشود. سیگنال از حالت آنالوک به حالت دیجیتال تبدیل می­شود به وسیله مبدل A/D٬ خروجی این مبدل سیگنال ثبت شده PD است. پالس ثبت شده تقسیم می­شود به دو قسمت (توضیح داده شده در قسمت 3) قسمت اول موج مستقیم X1(t) و قسمت دوم موج انعکاسی X2(t) . هر دو قسمت انتقال داده می­شود به حوزه فرکانس از طریق تبدیل فوریه. خروجی این قسمت x1(f) و x2(f) می­باشد. اندازه فوریع توسط معادله 6 و اختلاف فاز توسط معادله 8 بدست می­آید. بر اساس نکات بالا اختلاف فاز پوشیده است در ناحیه π و –π٬ در مرحله بعد الگوریتم نمایان کننده فاز به کار برده می­شود. برای برداشتن گسستگی ظاهر شده در اختلاف فاز تخمین موقعیت PD به وسیله تابعی از فرکانس معادله 11 بیان می­شود





  1. نتایج شبیه سازی:
توسط نرم افزار EMTP ٬ در این شبیه سازی طول کابل برابر 1000m و 20 kv کابل زمینی با عایق XLPE جزیات کابل توضیح داده شده است در قسمت ضمیمه. غلاف در طول کابل قرار دارد. بنابراین پالس PD حرکت میکند در طول کابل و غلاف . سرعت انتشار تنظیم شده به وسیله پالس تزریقی در انتهای کابل و زمان تداخل بین پیک اول و پیک دوم اندازه گیری می­شود. تجهیزات مدل میشوند به وسیله هشتمین IIR ***** میان گذر با پهنای باند300-1000MHZ زمان هر قسمت T=1000 .

5.1 مدل PD :
سیگنال PD معمولا نمایش داده می­شود به وسیله پالسهای گاووسی و نمایی. پالس PD مدل می­شود به وسیله منبع جریان که دارد 2 تابع نمایی با پیشانی موج T1=4 و دم موج T2=12 مقدار جریان 6Am با بارهایی در حدود 50PC شکل 5 نشان میدهد شبیه سازی این موج و مقایسه با پالس PD









2 – 5. آنالیز مکان یابی PD:
در مثال گفته شده PD در مکان d=300m مورد بررسی قرار میگیرد شکل 6 نشان میدهد پالس pd اندازه گیری شده با سه تفاوت در نسبت سیگنال به نویز -50و0و10db که این نسبت نشان میدهد برای مقایسه کوچک متوسط و بزگ نویز

زمانی که نویز کوچک است موج مستقیم و انعکاسی واضح دیده میشود. به عبارت دیگر زمانی که نویز بزرگ است موج برگشتش به سادگی قابل تشخیص نیست نسبت به نویز برای سادگی مسئله آنالیز pd متمرکز میشود روی SNR=10db
در تکنیک گفته شده پالس PD باید تبدیل شود به 2 قسمت مستقیم و منعکس شونده . بوسیله جدا کننده پالس نشان داده شده در شکل 2 این میتواند انجام شود به شرح زیر:

  1. ابتدا موج مستقیم باید شناسایی شود و سپس قطعه قطعه شود با پنجره ای به طول t
  2. زمان t که اختصاص داده میشود برای موج برگشتی بنابراین موج برگشتی ممکن است نیاز نداشته باشد برای شناسایی و تشخیص از نویز اگر SNR=-5db باشد این مهم است که توجه داشته باشیم که آن نیست بحرانی برای تشخیص نقطه شروع از زمان پنجره t. چون نقطه شروع میتواند منتقل شود به هر نقطه دیگری

به هر حال طول زمان پنجره باید حساب شود پیش از هر چیز شکل 7 نشان میده پالس PD ثبت شده بعد از جداسازی



پالسها دو پنجره که شامل موج مستقیم و منعکسی است و انتقال داده میشود به حوزه فرکانس و اختلاف فاز نمایان میشود در شکل 8 بین فاصله π و -π رادیان و لبه به طور آشکار دیده میشود در فرکانس پایین.

برای فرکانس بالا مثلا بیش از 10MHZ اختلاف فاز به طور پراکنده به نظر میرسد. الگوریتم نمایان کننده فاز توضیح داده شده در قسمت 4.2 به کار برده میشود برای شیفت فازی
شکل 9 نشان میدهد اختلاف فازی نمایان شده برای رنج کامل فرکانس که میتوان دید که اختلاف فاز نمایان شده در فرکانس بالا هنوز تمایل دارد به افزایش خطی با افزایش فرکانس تابع تخمین مکان PD از فرکانس میتواند بدست آید از معادله 11 و نتایج نشان داده شده در شکل 9b

سنسور دریافت سیگنال PD :
برای دریافت سیگنال PD در دو انتهای کابل از حلقه روگوسگی (Rogowski) استفاده میکنند که شکل آن در زیر آمده است.








چگونه کار کردن حلقه روگووسکی:
این حلقه کار میکند بر اساس قانون فاراده. این حلقه به دور هادی قرار میگیرد در جایی که جریان ﭘالس PD تولید میشود و تصمیم به اندازه گیری آنی داریم. این جریان موجود تولید میکند میدان مغناطیسی و نسبت تغییرات در این جریان باعث تولید ولتاژ در حلقه میشود.

مقدرا ولتاژ القاء شده در حلقه ناشی از عبور جریان i جاری شده در حلقه. M مقدرا امﭙدانس مشترک بین جریان اصلی و هسته. برای سادگی تحلیل این حلقه با امبدانس خروجی میتوان مدار شکل زیر را در نظر گرفت. که در آن هستند به ترتیب مقاومت اندوکتانس و خازن حلقه




معمولا هسته هوا به کار میرود برای ترکیب با امبدانس بزگ بار (L ω). مقدار ω برابر با سرعت زاویه­ای میباشد. که در اینجا ω=2ᴨf و f مقدرا فرکانس سیگنال انتشار یافته میباشد.
با در نظرنگرفتن مقدرا مقاومت مقدار ولتاژ در ترمینال برابر میشود با:







روش اندازه گیری سیگنال PD به صورت زیر است. که سیگنال دریافتی از سنسور را از ***** عبور میدهند سبس مراحل زیر را در آن اجرا میکنند.



باید توجه داشت که اگر کابل در وسط حلقه باشد یا به آن چسبیده باشد سیگنال در یافتی کمی متفاوت خواهد بود. تفاوت را میتوان در شکل زیر به صورت آشکار دید:









مدل PD شبیه سازی شده :










سنسور یا حلقه دریافت PD :
جریان ابتدا و انتهای خط


ولتاژ ابتدا و انتهایی خط


ولتاژ اندازه گیری شده در وسط خط توسط حلقه روگوسکی






مدل جریان و ولتاژ در یک خط دارای PD :
تاثیرات PD روی ولتاژ و جریان ابتدا و انتهایی خط






***** کردن سیگنال PD در یافتی :
***** کردن سیگنال PD









تبدیل فوریه گرفتن از سیگنال ***** شده:
تبدیل فوریه
اندازه تبدیل فوریه


اندازه­گیری PD با توجه به تابع داده شده:












مکان­­یابی تخلیه جزئی در کابلهای فشار قوی با به کار بردن روش اختلاف فازی
(Partial Discharge Location in Power Cables using a Phase Difference Method)


دانشجو : مهدی بخش خاوری
ش. دانشجو : 9042310559


استاد : دکترسید محمد حسن حسینی



شهریور 91
 
بالا