تخلیه جزئی در GIS ناشی از نقص سیستم عایق است. نشان داده شده است که جریان های تخلیه منابع PD در SF، نمایش گاز دارای زمان خیز هستند که می تواند کمتر از صد پیکو ثانیه باشد. عیوب، به عنوان مثال ذرات فلزی متحرک آزاد (شایع ترین نوع نقص) یا عیوب ثابت، باعث ایجاد گذراهای الکترومغناطیسی با محتوای فرکانسی بسیار بالاتر از 2 گیگاهرتز می شوند. سیگنال‌های حاصل در داخل شین‌های کواکسیال یک GIS نه تنها در حالت پایه (TEM 00)، بلکه در بسیاری از حالت‌های مرتبه بالاتر (TEmn و  TMmn) منتشر می‌شوند – انعکاس‌ها در ناپیوستگی‌های متعددی که ذاتاً در ساختار داخلی وجود دارند رخ می‌دهند. برای تشکیل امواج ایستاده و رزونانس های متعدد در فرکانس های مختلف. علاوه بر این، اثرات کوپلینگی بین حالت‌ها وجود دارد که بر تغییرات فضایی در شدت میدان نیز تأثیر می‌گذارد. به دلیل رسانایی محدود هادی های فلزی و تلفات در مرزها و سطوح دی الکتریک (مانند عایق ها، پارتیشن ها) و ناپیوستگی ها (مثلاً اتصالات T و غیره)، انتشار سیگنال تحت تأثیر قرار می گیرد. میرایی و پراکندگی تضعیف سیگنال وابسته به فرکانس است و عمدتاً در ناپیوستگی ها رخ می دهد. نتیجه ترکیب پیچیده ای از رزونانس های امواج الکترومغناطیسی در هر محفظه است.

علاوه بر روش مرسوم طبق استاندارد IEC 60270، برای اندازه گیری PD در GIS از روش های VHF، UHF و آکوستیک استفاده می شود.

روش های VHF و UHF

سیگنال‌های UHF در محدوده فرکانس UHF معمولاً با استفاده از کوپلرهای داخلی شناسایی می‌شوند که معمولاً طراحی مشابه کوپلرهای خازنی دارند. هنگامی که اینها در دسترس نیستند، می توان از اتصال دهنده های خارجی بر روی پنجره ها یا لبه های باز (بدون محافظ) موانع عایق استفاده کرد. در نتیجه تضعیف سیگنال UHF، بسیاری از کوپلرها باید در یک GIS توسعه یافته نصب شوند. یک قانون معمولی برای کاهش متوسط ​​قدرت سیگنال تقریباً 2 دسی بل بر متر است. این امر منجر به نیاز به کوپلرها می شود که در فواصل تقریباً 20 متری در امتداد بخش های مستقیم باس یا فیدرها نصب شوند. در هسته GIS، اجزای مختلف مانند کلیدهای مدار، کلیدهای قطع و ارت، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری جریان و ولتاژ و سایر دستگاه‌ها، معمولاً در مقایسه با بخش‌های مستقیم شین، منجر به مقادیر بالاتری از تضعیف سیگنال می‌شوند. نسبت سیگنال به نویز و در نتیجه حساسیت دستگاه اندازه گیری UHF با استفاده از کوپلرها، تقویت کننده ها و فیلترهای مناسب بهبود می یابد. ثابت شده است که روش UHF حداقل به اندازه روش معمولی مطابق با استاندارد IEC 60270 در تشخیص عیوب حساس است و این عمدتاً به دلیل سطح پایین صدای خارجی است. آزمایش‌ها در آزمایشگاه‌ها و در محل نشان داده‌اند که نقص‌های مهم کوچک – و حتی نقص‌های غیر بحرانی – ممکن است شناسایی شوند. با این حال، همبستگی ضعیفی بین سطح سیگنال UHF بدست آمده و بار ظاهری ثبت شده توسط روش معمولی اندازه گیری PD مطابق با IEC 60270 وجود دارد.

مکان دقیق نقص را می توان به عنوان مثال با استفاده از یک اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال با باند گسترده برای اندازه گیری تفاوت در زمان رسیدن سیگنال های رسیده به سنسور های مجاور بدست آورد.

هنگامی که فاصله بین کوپلرها اندازه گیری شد، با یک محاسبه ساده می توان محل عیب را به دست آورد.

روش های VHF با روش UHF متفاوت است اما حداقل شباهت هایی وجود دارد. رایج ترین کاربرد روش های VHF اندازه گیری باند وسیع در محدوده 40 مگاهرتز تا حدود 300 مگاهرتز است. در این فرکانس‌ها حالت انتشار TEM00 در GIS غالب است، زیرا 30 مگاهرتز معمولاً زیر فرکانس قطع هر مدهای مرتبه بالاتر است. با استفاده از چنین تکنیکی، اندازه گیری PD متناسب با بار ظاهری است، اما فقط برای یک مکان معین از منبع PD و حسگر PD. سیگنال VHF توسط حسگرهای داخلی گرفته می شود، یعنی صفحه فلزی که به عنوان یک حسگر میدان الکتریکی عمل می کند، اما تعداد کمتری سنسور در مقایسه با روش UHF مورد نیاز است. اندازه‌گیری‌های PD در محدوده VHF نسبت سیگنال به نویز بهتری نسبت به روش مرسوم طبق استاندارد IEC 60270 ارائه می‌دهند، اما هنوز اغلب تحت تأثیر سیگنال‌های اغتشاش خارجی هستند. در مورد مکان منابع PD، روش‌های VHF با در نظر گرفتن سیگنال‌های حوزه زمان و محاسبه زمان‌ها و فواصل انتقال برای اندازه‌گیری‌ها بر روی سنسورهای مختلف، مزایای مشابهی با روش‌های UHF دارند.

روش های آکوستیک

سیگنال های صوتی (امواج مکانیکی) از نقص در یک GIS توسط دو مکانیسم اصلی منتشر می شوند:

– ذرات متحرک یک موج مکانیکی را در محفظه تحریک می کنند.

– PD از عیوب ثابت موج فشاری در گاز ایجاد می کند که به محفظه منتقل می شود.

سیگنال حاصل به منبع و مسیر انتشار بستگی دارد. چندین حالت پخش صوتی ممکن است در محفظه وجود داشته باشد. با این حال، برای محدوده‌های فرکانسی که معمولاً استفاده می‌شود (یعنی <150 کیلوهرتز) و یا مواد و ضخامت‌های محفظه معمولی، عمدتاً موج ضد متقارن (خمشی) درجه صفر است که باید در نظر گرفته شود. از آنجایی که محفظه ها معمولاً از آلومینیوم یا فولاد ساخته می شوند، تضعیف سیگنال بسیار کم است. با این حال، سیگنال ها زمانی که از مرزهای بین محفظه ها عبور می کنند، انرژی خود را از دست می دهند، به عنوان مثال با تضعیف فلنج عایق و همچنین برخی از سیگنال منعکس می شود.

سیگنال های صوتی را می توان با استفاده از حسگرهای خارجی دریافت کرد. معمولاً از شتاب‌سنج‌ها یا سنسورهای انتشار آکوستیک استفاده می‌شود. شتاب سنج ها یک سیگنال خروجی متناسب با شتاب (در جهت عمود بر پایه سنسور) سطحی که روی آن نصب شده اند تولید می کنند. باند عبور تا فرکانس محدود بالا صاف است.

سنسورهای انتشار صوتی (AE) یک سیگنال خروجی متناسب با سرعت (در جهت عمود بر پایه سنسور) سطحی که روی آن نصب شده اند تولید می کنند. سنسورهای AE در رزونانس کار می کنند. استانداردهای بین المللی برای کالیبره کردن سنسورهای صوتی (به عنوان مثال برای سنسورهای AE؛ ASTM E976، ASTM E1106) وجود دارد. کالیبراسیون سنسورهای AE موضوع توجه خاصی بوده است. در حالی که چنین استانداردهایی برای تعیین مشخصات و کنترل حسگرها از یک تامین کننده مفید هستند، اما در ارزیابی امکان سنجی استفاده از حسگرها در GIS مرتبط نیستند. شناسایی عیب و مکان یابی با این روش امکان پذیر است.

سیگنال‌های یک ذره جهنده پهن باند هستند (یعنی> 1 مگاهرتز) و در مقایسه با سیگنال‌های ساطع شده از تخلیه‌های اولیه در نقص‌های ثابت، به عنوان مثال، برآمدگی‌ها، دامنه بالایی دارد. با وضوح زمانی یک ابزار معمولی، تک تک برخوردها بین یک ذره و محفظه را می توان به عنوان یک رویداد جداگانه تشخیص داد. بازتاب های فلنج ها به صورت “پژواک” در سیگنال ظاهر می شوند. سیگنال نوع ذره با دور شدن از منبع نقطه ای از نظر فضایی ضعیف می شود. تضعیف دامنه سیگنال به طور معکوس با ریشه دوم فاصله از منبع تا سنسور تغییر می کند، تا زمانی که جبهه موج محفظه را در بر بگیرد که پس از میرایی ناچیز می شود. حساسیت صوتی به ذرات جهنده معمولاً بسیار بیشتر از حساسیت هر روش تشخیصی دیگری است، مشروط بر اینکه سنسور روی همان محفظه (یعنی بین فلنج ها) حاوی ذره نصب شده باشد. این روش دارای مشکلاتی در تشخیص تخلیه از ذرات واقع در سطح داخل اسپیسرهای مخروطی است. به دلیل تضعیف زیاد امواج صوتی در اپوکسی ریخته گری، این روش برای تشخیص عیوب درون اپوکسی (مثلاً حفره ها) حساسیت چندانی ندارد.

سیگنال های نوع پیش تخلیه از برجستگی ها نتیجه امواج فشار ناشی از گرمایش موضعی سریع گاز در محل پیش تخلیه است. سیگنال بسیار پهن باند نزدیک به منبع خواهد بود، اما از آنجایی که گاز به عنوان یک فیلتر پایین گذر عمل می کند، فرکانس های بالا با انتشار سیگنال به دور از منبع به سمت محفظه کاهش می یابد. به طور معمول، سیگنال های شناسایی شده از منابع قبل از تخلیه به محدوده فرکانس زیر 100 کیلوهرتز محدود می شود، اما منبعی که روی محفظه قرار دارد محتوای فرکانس وسیع تری خواهد داشت. اتصال صوتی از یک موج فشار در گاز به محفظه عمدتاً به فشار گاز و زاویه برخورد بستگی دارد. ابزار آکوستیک به دلیل زمان ناکافی تفکیک تکنیک آکوستیک قادر به حل تک تک تخلیه‌های گاز نیستند. سنسورها برای تمایز بین تخلیه های فردی بسیار کند هستند. ثابت‌های زمانی حسگرهای صوتی که در حال حاضر استفاده می‌شوند، همراه با زنگ مکانیکی محفظه منجر به همپوشانی پالس می‌شود.

برای یک سیگنال نوع پیش تخلیه، شکل سیگنال پیچیده است. سطح سیگنال شناسایی شده ترکیبی از امواج در حال حرکت به عقب و جلو در محفظه خواهد بود که منجر به یک سیگنال پیوسته با پوشش 50/60 هرتز و/یا 100/120 هرتز می شود. سطح سیگنال اوج نهایی به طول محفظه و تعداد دفعات تصادف و تداخل بین امواج در حال حرکت به عقب و جلو در محل حسگر بستگی دارد. سطح سیگنال در همان بخش/محفظه نسبتاً ثابت است، اما پس از عبور از فلنج (عایق) معمولاً حدود 8 دسی بل کاهش می یابد

نسبت سیگنال به نویز بستگی به نوع سنسور و تهویه سیگنال مورد استفاده دارد. روش آکوستیک در برابر نویز الکترومغناطیسی در پست بسیار مصون است. ذرات جهنده سیگنال های بسیار قوی ایجاد می کنند و ذرات در محدوده میلی متری که تخلیه های ظاهری در محدوده 5 pC تولید می کنند با نسبت سیگنال به نویز بالا در صورت استفاده از سنسور مناسب شناسایی می شوند. حساسیت با فاصله کاهش می یابد زیرا سیگنال های صوتی با انتشار در GIS جذب و ضعیف می شوند.

تأیید حساسیت اندازه‌گیری‌های الکترومغناطیسی و صوتی در GIS

با توجه به بار واقعی، کالیبراسیون اندازه‌گیری‌های PD امکان‌پذیر نیست. با این حال، یک تأیید مفید از حساسیت تشخیص را می توان برای روش الکترومغناطیسی (UHF) و آکوستیک انجام داد. در هر دو مورد، روش UHF و روش آکوستیک، اصول فنی یکسانی برای تأیید حساسیت اعمال می شود.

تأیید حساسیت اندازه‌گیری‌های UHF

راستی‌آزمایی حساسیت سیستم UHF تضمین می‌کند که نقص‌های مهم GIS که باعث بار ظاهری 5 pC یا بیشتر می‌شوند (هنگامی که طبق استاندارد IEC 60270 اندازه‌گیری می‌شوند) می‌توانند توسط سیستم UHF شناسایی شوند. این روش باید در دو مرحله انجام شود.

در مرحله اول، در کارخانه سازنده، آزمایش ها باید بر روی یک بخش مستقیم از باس بار شامل دو کوپلر نزدیک متصل به یک خازن کوپلینگ و کالیبره شده بر اساس IEC 60270 انجام شود.

یک نقص با اندازه بحرانی باید در موقعیت اولین سنسور قرار داده شود و میله باس باید با ترکیبی از نقص و سطح ولتاژ به گونه ای تنظیم شود که بار ظاهری اندازه گیری شده این منبع PD واقعی 5 pC باشد. (ذره فلزی آزاد و یا برآمدگی ثابت روی هادی HV) سپس سیگنال UHF مربوط به این شارژ ظاهری 5 pC باید اندازه گیری شود. سپس یک پالس باید به اولین سنسوری تزریق شود که زمان خیزش آن به اندازه کافی کوتاه است تا طیف خروجی معادل با طیف اندازه گیری شده از منبع PD واقعی 5 pC تولید شود و دامنه آن طوری تنظیم شود که این سیگنال پالسی تا حد امکان با سیگنال PD واقعی مطابقت داشته باشد. دامنه این پالس مصنوعی باید ثبت شود تا بعداً در مرحله دوم تأیید حساسیت مورد استفاده قرار گیرد.

در مرحله دوم، پس از مونتاژ در محل GIS، مکان کوپلرها و عملکرد مناسب سیستم اندازه‌گیری PD باید تأیید شود تا نشان دهد که یک نقص با “بار ظاهری” 5 pC در هر نقطه از GIS می‌تواند توسط سیستم UHF شناسایی شود. پالس مصنوعی به دست آمده از تست در سایت شرح داده شده در پاراگراف قبل باید به تمام سنسورها یک به یک تزریق شود. و سیگنال UHF باید در حسگرهای مجاور اندازه گیری شود، بنابراین نشان می دهد که سیستم UHF حساسیت کافی برای تشخیص تخلیه های 5 pC در سراسر GIS دارد.

اندازه گیری زمان انتشار با روش UHF

پالس های الکتریکی بسیار سریع ساطع شده توسط منبع PD در تمام جهات در امتداد مجرای GIS منتشر می شود (شکل C.1). به سنسور های داخلی واقع در دو طرف منبع PD می رسد. با تکنیک زمان انتشار، اختلاف زمانی بین جبهه‌های موجی که به دو سنسور می‌رسند، می‌تواند محل منبع PD را نشان دهد. تفاوت‌های زمانی مشاهده شده معمولاً در محدوده ده‌ها نانوثانیه (ns) است، بنابراین اندازه‌گیری‌ها باید با یک اسیلوسکوپ دیجیتالی با نرخ نمونه‌برداری و پهنای باند ورودی به اندازه کافی بالا انجام شود. با این تکنیک، منبع تخلیه را می توان در فاصله ده ها سانتی متری در محل قرار داد.

شکل 1 – محل نقص با اندازه گیری زمان انتشار

فاصله بین کوپلر 1 و منبع PD را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

که در آن Δt تفاوت در زمان رسیدن سیگنال در سنسور های 2 و 1 و uc سرعت انتشار سیگنال است: (30 سانتی متر بر ثانیه).

تغییرات در پارامترهای مسیر انتشار باید در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، در مواردی که یک عایق گذردهی εr توسط موج الکترومغناطیسی طی می شود، سرعت انتشار سیگنال با ضریبی متناسب با برای فاصله داده شده توسط ضخامت عایق کاهش می یابد.

تجزیه و تحلیل کاهش سیگنال

به دلیل پدیده های میرایی، پراکندگی و تشدید، امواج الکتریکی با انتشار در GIS ضعیف می شوند. اگر تأثیر اجزای مختلف GIS برای تضعیف سیگنال به طور دقیق شناخته شده باشد، این می تواند برای تعیین مکان PD اعمال شود. مقادیر معمولی برای تضعیف سیگنال UHF 2 dB/m در مجرای باس مستقیم و 1dB تا 5dB در هر اسپیسر است. از آنجایی که نتایج این فرضیات چندان دقیق نیستند، این روش تنها در موارد خاص قابل استفاده است.

روشهای مکان یابی صوتی

اندازه گیری زمان انتشار: از دو سنسور استفاده می شود و زمان رسیدن سیگنال دریافتی از سنسورها روی اسیلوسکوپ مشاهده می شود. اگر منبع خارج از جفت حسگر باشد، سیگنال از سمتی که ابتدا به آن می رسد می آید. اگر منبع بین سنسورها قرار گیرد، اختلاف زمان رسیدن کمتر از زمان انتشار بین سنسورها است.

توجه: سرعت صوت در یک محفظه به فرکانس بستگی دارد.

جستجو برای بالاترین دامنه: تنها با استفاده از یک سنسور، می توان به سادگی به دنبال تغییرات در دامنه سیگنال بود. هنگامی که سنسور در نزدیکی منبع PD قرار می گیرد، سیگنال معمولا قوی تر خواهد بود. هنگام عبور از محفظه بعدی (به عنوان مثال از روی یک عایق یا فلنج) سیگنال به طور قابل توجهی کاهش می یابد. لازم به ذکر است که با دور شدن سنسور از منبع، دامنه سیگنال صوتی به طور معکوس متناسب با ریشه دوم فاصله از منبع کاهش می یابد. دامنه سیگنال تولید شده توسط ذرات متحرک در زمان متفاوت است، به طوری که توصیه می شود اندازه گیری های تکراری برای به دست آوردن حداکثر مقدار دامنه انجام شود. مشاهده زمان افزایش سیگنال: انتشار سیگنال صوتی در یک محفظه بسیار پراکنده است. سرعت انتشار موج خمشی که مهمترین مؤلفه موج است، از زیر 1000 متر بر ثانیه به حدود 3000 متر بر ثانیه در محدوده فرکانسی بین 10 تا 100 کیلوهرتز افزایش می یابد.

همچنین در گاز با فرکانس جذب افزایش می یابد. پیامد این اثرات این است که جلوی سیگنال، که یک زمان خیز بسیار سریع نزدیک به منبع را نشان می دهد، به عبارت دیگر زمان خیزش تدریجی کندتر را به عنوان تابعی از فاصله از منبع نشان می دهد، سیگنال هنگام انتشار به دور از محل تخلیه، لکه دار می شود.بنابراین، هرچه جلویی تیزتر باشد، فاصله به منبع نزدیکتر است.

اگر سیستم صوتی توسط یک سیگنال الکتریکی که با استفاده از یک کوپل UHF گرفته می شود، راه اندازی شود، حتی می توان اندازه گیری دقیق تری انجام داد.

حساس به رایج ترین عیوب GIS PD حساسیت برای تشخیص ذرات متحرک آزاد بسیار بالاتر از حساسیت هر روش تشخیصی دیگری است، مشروط بر اینکه سنسور روی همان محفظه (یعنی بین فلنج ها/عایق ها) حاوی ذرات نصب شده باشد.

در مورد ذرات فلزی آزاد در GIS، می توان یک تخمین بحرانی بودن ذره (ارتفاع پرش، جرم و طول آن) انجام داد.

مکان یابی منبع PD در GIS در سرویس و در ترانسفورماتورهای قدرت در آزمایشگاه با این روش کارآمدتر است.

تأیید حساسیت اندازه‌گیری آکوستیک

مشابه روش UHF شرح داده شده در C.4.2، تأیید حساسیت برای اندازه‌گیری‌های صوتی برای تأیید عملکرد مناسب تجهیزات اندازه‌گیری در نظر گرفته شده است و همچنین در یک روش دو مرحله‌ای انجام می‌شود:

در مرحله اول ابتدا تست های آزمایشگاهی برای تعیین طیف فرکانس و سطوح سیگنال از نقص واقعی انجام می شود. سطح سیگنال صوتی مربوط به سطح تخلیه ظاهری 5 pC از یک منبع PD واقعی که بر اساس IEC 60270 کالیبره و اندازه‌گیری شده است، با سنسور و ابزار مورد استفاده ثبت می‌شود. علاوه بر این، طیف فرکانس سیگنال شناسایی شده باید اندازه گیری شود. سپس، سیگنال یک فرستنده سیگنال صوتی مصنوعی توسط دستگاه اندازه گیری صوتی ضبط می شود. سیگنال را می توان توسط یک سنسور صوتی (پیزو کریستال) که در روش معکوس استفاده می شود (یعنی پالس شده توسط یک ولتاژ پله) تولید کرد. هنگامی که طیف فرکانس و همچنین دامنه منبع مصنوعی به گونه‌ای تعیین می‌شود که تا حد امکان شبیه سیگنال نقص PD واقعی باشد، این سیگنال مصنوعی می‌تواند به عنوان مرجعی برای تأیید حساسیت استفاده شود. برای کریستال پیزو این ممکن است با استفاده از یک سنسور خوب انتخاب شده پالس شده با یک ولتاژ پله ای که دامنه و زمان افزایش آن به طور مناسب تنظیم شده است به دست آید.

برای مرحله دوم در محل، حساسیت و یکپارچگی تجهیزات اندازه گیری با استفاده از منبع سیگنال صوتی مصنوعی به دست آمده از آزمایش آزمایشگاهی شرح داده شده در C.4.2 تأیید می شود. محفظه باید مانند آزمایشگاه تحریک شود و سیستم اندازه گیری باید همان چیزی باشد که در طول آزمایش آزمایشگاهی استفاده می شود.

وجه برای اندازه‌گیری‌های صوتی معمولاً یک تغییر 3 دسی‌بل در حساسیت ممکن است صرفاً به دلیل برداشتن و تعمیر مجدد حسگر رخ دهد. همچنین امواج صوتی بسیار پراکنده هستند. بنابراین چنین اندازه‌گیری‌هایی فقط برای تأیید و نه برای کالیبراسیون مناسب هستند.

محل منابع PD در داخل GIS

احتمال شکست دی الکتریک به شدت به نوع نقص و محل آن در داخل GIS بستگی دارد.

بر اساس پیشینه عملی و فیزیکی می توان از روش ها و روش های مختلفی استفاده کرد. اندازه‌گیری‌های الکتریکی زمان انتشار، معمولی برای روش UHF اما همچنین برای اندازه‌گیری صوتی، رایج‌ترین روش مورد استفاده در این زمینه است.

روش‌های مبتنی بر تأخیر زمانی بین حالت‌های انتشار مختلف و سنسورهای جهت، غیرعملی نشان داده شده‌اند.