Скритият проблем с интерференцията на вторичната верига

Намесата във вторичната верига в инсталациите на сензорни изолатори средно напрежение не се обявява. То не задейства защитно реле, не светва индикатор за повреда и не генерира аларма в системата за управление на подстанцията. То поврежда измервателните данни постепенно - измества показанията на напрежението с части от процента, внася грешки във фазовия ъгъл, които се натрупват в несъответствия при измерването на енергията, и генерира фалшиви положителни резултати при частичен разряд, които изпращат екипите по поддръжката да изследват изолацията, която е в перфектно състояние. В инсталациите за възобновяема енергия, където вторичните вериги на изолаторите на сензорите обхващат разстояния от стотици метри между гондолите на вятърните турбини и контролните зали на подстанциите за събиране на електроенергия и където силовата електроника генерира спектри на електромагнитни смущения, които конвенционалното проектиране на подстанциите никога не е предвиждало, смущенията във вторичните вериги не са случайна неприятност. То е постоянен, невидим данък върху точността на всяко измерване, което системата на сензорния изолатор произвежда - данък, който се натрупва безшумно, докато неправилно функциониране на защитата, провал в одита на измерването на приходите или решение за поддръжка, взето въз основа на повредени данни, не разкрие колко дълго е съществувал проблемът. Това ръководство идентифицира механизмите на смущения, които остават скрити най-дълго, обяснява защо инсталациите за възобновяема енергия са уникално уязвими и предоставя рамката за отстраняване на проблеми, която изолира и премахва смущенията при източника им, вместо да маскира симптомите им.

Съдържание

• Защо смущенията във вторичните вериги остават скрити в изолаторните системи на сензорите?
• Какви механизми за смущения са уникални за инсталациите за средно напрежение за възобновяема енергия?
• Как смущенията във вторичните вериги повреждат данните от измерванията на изолатора на сензора?
• Как систематично да отстранявате смущенията във вторичните вериги?
• ЧЕСТО ЗАДАВАНИ ВЪПРОСИ

Защо смущенията във вторичните вериги остават скрити в изолаторните системи на сензорите?

Вторичните смущения на веригата в сензорните изолационни системи остават скрити по една конкретна и последователна причина: смущаващите сигнали заемат същия честотен диапазон като измервателните сигнали, с амплитуди, които попадат в границите на допустимите отклонения на наблюдавания клас на точност. Това не е случайно - то е пряка последица от начина, по който са проектирани вторичните вериги на сензорните изолатори, и от начина, по който се проверява тяхната точност.

Механизъм за прикриване на лентата на допустимост

Изолатор на сензор, калибриран съгласно IEC 61869, клас 1, има допустима грешка на съотношението ± 1,0%¹. Сигнал за смущения, който внася систематично изместване на отчитането на напрежението от 0,7%, се намира изцяло в този диапазон на толеранс - невидим за всяка процедура за проверка на точността, която проверява само дали отчитането е в рамките на класа. Интерференцията е налице, може да бъде измерена с подходящи уреди и засяга всяка функция надолу по веригата, която използва изхода на изолатора на сензора. Но то не генерира аларма, флаг и индикация, че измерването е компрометирано.

Този механизъм за прикриване е най-вреден при инсталациите за възобновяема енергия, където:

• Измерването на приходите зависи от изходните напрежения на изолатора на сензора с точност до клас 0.2S - диапазон на допустимо отклонение от ± 0,2%, който смущаващите сигнали рутинно преминават, без да предизвикват автоматизирано откриване.
• Мониторингът на качеството на електроенергията използва изходите на сензорите за характеризиране на съдържанието на хармоници - смущаващите хармоници от силовата електроника са неразличими от истинските събития, свързани с качеството на електроенергията, в данните от измерванията.
• Мониторингът на състоянието разчита на данни за частични разряди, получени от вторичните вериги на изолаторите на сензорите - смущаващите сигнали в UHF диапазона генерират фалшиви PD събития, които консумират ресурси за поддръжка при изследване на здрава изолация.

Проблемът с усилването на интермитентността

За смущенията във вторичните вериги на инсталациите за възобновяема енергия е характерно, че са непостоянни - тяхната величина се променя в зависимост от скоростта на вятъра, нивото на слънчевото греене, натоварването на инвертора и честотната модулация на превключване. Тази непостоянност прави откриването на смущенията по-трудно, отколкото на грешките в стационарно състояние, тъй като:

• Периодичната проверка на калибрирането, извършвана по време на прозореца за поддръжка, когато инсталацията може да е частично натоварена, улавя различно ниво на смущения от работното състояние.
• Системите за тенденциите, които сигнализират за трайни аномалии в измерванията, не се задействат при смущения, които се появяват и изчезват с производствените цикли.
• Персоналът по поддръжката, който наблюдава несъответстващи показания, ги обяснява с истински събития в електроенергийната система, вместо да изследва вторичната верига.

Резултатът е проблем с интерференцията, който е налице от момента на пускането в експлоатация, наблюдаван е многократно като “необяснима променливост на показанията” и никога не е бил разследван, тъй като нито едно наблюдение не е било достатъчно аномално, за да оправдае намеса за отстраняване на неизправностите.

Характеристика на смущенията	Защо остава скрита	Изискване за откриване
Амплитуда в рамките на допустимото отклонение на класа на точност	Не се генерира аларма за точност	Едновременно сравняване на референции
Периодично в зависимост от производствения цикъл	Периодичното калибриране пропуска пиковите смущения	Непрекъснат мониторинг при пълно натоварване
Същата честота като измервателния сигнал	Неразличима от истинска вариация на сигнала	Спектрален анализ на вторичната верига
Кумулативна фазова грешка	Появява се като промяна на фактора на мощността	Прецизно измерване на фазовия ъгъл
Фалшиви събития PD	Разглежда се като деградация на изолацията	Идентификация на източника на UHF спектър

Какви механизми за смущения са уникални за инсталациите за средно напрежение за възобновяема енергия?

Инсталациите за възобновяема енергия излагат вторичните вериги на сензорните изолатори на механизми за смущения, които не съществуват в конвенционалните подстанции. Разбирането на тези механизми е предпоставка за отстраняването на смущения, които конвенционалните диагностични подходи не успяват да идентифицират.

Хармоници при превключване на силовата електроника

Силовата електроника на вятърните турбини и слънчевите инвертори работи при честота на превключване от 2 kHz до 20 kHz, като генерира хармонични спектри на тока и напрежението.² които се разпространяват през мрежата за събиране на средно напрежение и се свързват с вторичните вериги на изолаторите на сензорите по три пътя едновременно:

• Проведено свързване - хармониците при превключване се разпространяват по кабелната мрежа средно напрежение и се появяват като изкривяване на напрежението върху проводниците, наблюдавани от сензорните изолатори; сензорният изолатор възпроизвежда точно това изкривяване в своя вторичен изход, където то е неразличимо от истинските събития, свързани с качеството на електроенергията.
• Капацитивно свързване - вторични сигнални кабели, прокарани в близост до силови кабели средно напрежение в кабелни корита на кули за вятърни турбини, натрупват капацитивно свързани хармоници при превключване³; при честота на превключване от 5 kHz до 20 kHz капацитивното съпротивление на свързване между съседните кабели спада до 10 kΩ до 100 kΩ - достатъчно ниско, за да се вкарат амплитуди на смущения от 50 mV до 500 mV във вторични вериги с нива на сигнала от 1 V до 10 V
• Магнитно свързване - високочестотните хармонични на тока в кабелите средно напрежение генерират магнитни полета, които индуцират напрежения в контурите на вторичните вериги; при 10 kHz индуцираното напрежение на единица площ на контура е 10× до 100× по-високо, отколкото при 50 Hz за същото разстояние между кабелите.

Променливо честотно задвижване Впръскване на ток в земята

Спомагателните системи на вятърните турбини - охлаждащи вентилатори, двигатели за управление на стъпката, задвижвания за отклонение - работят чрез задвижвания с променлива честота (VFD), които инжектират високочестотни заземителни токове с общ режим в заземителната система на турбинната конструкция⁴. Тези заземителни токове протичат през заземителните проводници, които са общи за системата на VFD и точките на заземяване на вторичните вериги на изолатора на сензора, като генерират разлики в потенциала на земята, които се проявяват като смущения в общия режим на вторичните вериги.

Механизмът за инжектиране на ток в земята е особено коварен, защото:

• Той работи при честоти на превключване на VFD (4 kHz до 16 kHz), които са извън честотната лента на конвенционалните анализатори на качеството на електроенергията, използвани за отстраняване на неизправности във вторични вериги.
• Амплитудата му варира в зависимост от натоварването на VFD - най-висока е по време на събития, свързани с увеличаване на скоростта на вятъра, когато всички спомагателни системи са активни едновременно.
• То се появява на клемите на вторичната верига на изолатора на сензора като напрежение с общ режим, което системите за измерване с един извод преобразуват директно в грешка при измерване с диференциален режим.

Резонанс на дълги кабели в мрежите за събиране на отпадъци

В мрежите за събиране на електроенергия от офшорни и големи наземни вятърни паркове се използват кабели средно напрежение с дължина от 5 km до 30 km между веригите на турбините и подстанцията за събиране на електроенергия. Тези кабели образуват разпределени LC вериги с резонансни честоти, които попадат в диапазона от 200 Hz до 2 000 Hz - пряко припокриващи се с диапазона на измерване на хармоници на системите за мониторинг на качеството на електроенергията, свързани към изходите на сензорните изолатори.

Когато хармоници от превключването на инвертора възбуждат тези резонанси на кабела, получените в резултат на това разпределения на напрежението на стоящата вълна създават аномалии в измерването на изолатора на сензора, които варират в зависимост от позицията по протежение на захранващия кабел - турбините в електрическата средна точка на резонансния участък на кабела показват драстично различни амплитуди на хармоничното напрежение от турбините в края на захранващия кабел, което води до несъответствия в измерването, които изглежда показват проблеми с точността на изолатора на сензора, а не резонансни явления в мрежата.

Изтичане на заземителна повреда при постоянен ток в соларна ферма

В соларните паркове за комунални услуги постоянните токове на утечка при повреда в заземяването от влошаване на изолацията на фотоволтаичните масиви преминават през заземителната система на мрежата за променлив ток. Тези токове на утечка - обикновено с честотно съдържание от DC до 300 Hz - се инжектират в заземителните проводници на вторичната верига на сензорите и генерират нискочестотни смущения, които повреждат измерванията на напрежението с основна честота чрез интермодулация със системната честота от 50 Hz.

Механизмът на изтичане на постоянен ток води до характерно асиметрично изкривяване на изходната форма на вълната на изолатора на сензора - положителни и отрицателни полуцикли с различна амплитуда - което се проявява като фалшив втори хармоничен компонент при измерванията на качеството на електроенергията и систематично изместване при отчитането на ефективното напрежение.

Как смущенията във вторичните вериги повреждат данните от измерванията на изолатора на сензора?

Механизмите на корупция, чрез които смущенията във вторичните вериги влошават точността на измерване на изолаторите на сензорите, са количествено измерими. Разбирането на големината на грешката, свързана с всеки механизъм, позволява да се приоритизират усилията за отстраняване на неизправности според сериозността на въздействието.

Корупция на съотношението на грешките от проведени смущения

Проведени хармоници при превключване, наложени върху вторичния изход на изолатора на сензора, повреждат измерванията на средноквадратичното напрежение съгласно:

$U_{measured} = \sqrt{U_{fundamental}^2 + \sum_{n=2}^{N} U_n^2}$

Къде: $U_n$ е амплитудата на $n$-ти хармоничен компонент на смущенията. За сензорен изолатор с основен изход 10 V и превключващи хармонични смущения с обща стойност 500 mV RMS:

$U_{measured} = \sqrt{10^2 + 0.5^2} \приблизително 10,012\ \текст{V}$

Това представлява грешка в съотношението +0,12% само от смущения - в рамките на допустимото отклонение от клас 1, но надхвърлящо границите на клас 0.2S. В приложенията за измерване на приходите тази грешка от 0,12% за 100 MW соларна ферма се изразява в 120 kW системно неизмервано производство - несъответствие в приходите от приблизително $52 000 годишно при типични тарифи за възобновяема енергия.

Нарушаване на фазовото изместване от смущенията в земния контур

Токовете на земния контур, протичащи през проводниците на вторичната верига, генерират спад на напрежението $U_{GL}$ който е фазово изместен спрямо основния измервателен сигнал. Този фазово изместен компонент се прибавя векторно към истинския сигнал, което води до грешка във фазовото изместване:

$\delta_{error} = \arctan\left(\frac{U_{GL} \times \sin\phi_{GL}}{U_{signal} + U_{GL} \времената \cos\phi_{GL}}\дясно)$

За напрежение на заземителния контур от 200 mV при фазово изместване 90° на сигнал от 5 V:

$\delta_{error} = \arctan\left(\frac{0.2}{5}\right) \approx 2.3°\ (138\ \text{minutes of arc})$

Грешката на фазовото преместване от 138 минути надвишава ограничението от 40 минути за клас 1 на IEC 61869 - въпреки това грешката на съотношението от същия заземен контур може да остане в рамките на толеранса на клас 1, като се получи изолатор на сензора, който преминава проверката на грешката на съотношението, но не отговаря на ограниченията за фазово преместване с коефициент 3.

Фалшиви частични разряди от високочестотни смущения

Системите за мониторинг на частични разряди в УКВ, свързани с вторичните вериги на изолатора на сензора, откриват сигнали в честотния диапазон от 300 MHz до 3 GHz. В този честотен диапазон се разпростират хармониците на превключване на силовата електроника и техните интермодулационни продукти, които генерират смущаващи сигнали, които системата за мониторинг на частични разряди не може да разграничи от истинската дейност на частичните разряди без анализ за идентифициране на източника.

В инсталациите за възобновяема енергия, където има UHF смущения от превключването на инвертори, честотата на фалшивите PD събития от 50 до 200 видими pC събития в минута се измерва рутинно върху изолатори на сензори в перфектно диелектрично състояние - консумирайки ресурси за поддръжка и генерирайки доклади за оценка на състоянието, които препоръчват подмяна на изолацията на компоненти, които нямат реално влошаване.

Как систематично да отстранявате смущенията във вторичните вериги?

Стъпка 1 - Определяне на базовата линия на смущенията по време на пълно производство
Извършете първоначалната оценка на смущенията по време на пълна производствена експлоатация - максимална скорост на вятъра или максимална слънчева радиация - когато активността на превключване на силовата електроника и инжектирането на ток в земята са максимални. Свържете спектрален анализатор към вторичната изходна клема на изолатора на сензора и запишете пълния честотен спектър от DC до 30 MHz. Идентифицирайте всички спектрални компоненти над долната граница на шума и класифицирайте всеки от тях като основен (50/60 Hz и хармоници), свързан с честотата на превключване (ленти от 2 kHz до 20 kHz) или широколентов шум.

Стъпка 2 - Количествено определяне на амплитудата на смущенията спрямо класа на точност
Изчислете общото хармонично изкривяване (THD) на сигнала от вторичната верига и го изразете като процент от основната амплитуда. Сравнете с толеранса на класа на точност:

$\text{THD}{влияние} = \frac{\sqrt{\sum{n=2}^{N} U_n^2}}{U_{fundamental}} \ пъти 100$

Ако влиянието на THD надхвърля 50% от допустимата грешка на съотношението на класа на точност, смущението влошава точността на измерване и изисква отстраняване, а не смекчаване.

Стъпка 3 - Определяне на доминиращия път на смущенията
Изолирайте пътя на смущенията чрез последователно изключване:

• Изключете вторичното заземяване на екрана на кабела в края на контролната зала - ако амплитудата на смущенията спадне с > 50%, преобладаващият път е заземяване през екрана на кабела.
• Временно пренасочете къс участък от вторичния кабел далеч от захранващите кабели средно напрежение - ако смущенията спаднат с > 30%, преобладаващият път е капацитивното или магнитното свързване от съседните захранващи кабели.
• Измерване на разликата в потенциала на заземяване между заземяването на основата на изолатора на сензора и заземяването на контролната зала по време на пълно производство - стойности над 1 V потвърждават, че инжектирането на заземителен ток от VFD е значителен източник на смущения

Стъпка 4 - Елиминиране на смущенията от земния контур
За смущения в земния контур, потвърдени в стъпка 3:

• Проверете заземяването на екрана в една точка само в края на контролната зала - свържете отново всички екрани с двойно заземяване към изолирани клеми в края на полето.
• Инсталирайте разделителни трансформатори във вторични вериги, където разликите в потенциала на заземяване надвишават 5 V и не могат да бъдат намалени чрез промяна на заземителната система.
• За интелигентни сензорни изолатори с цифрови изходи използвайте оптични комуникационни връзки между електронния модул на сензорния изолатор и контролната зала - оптичните връзки осигуряват пълна галванична изолация, която елиминира всички пътища за смущения на земния контур едновременно.

Стъпка 5 - Премахване на смущенията от капацитивна и магнитна връзка
За смущения в свързването, потвърдени в стъпка 3:

• Пренасочване на вторичните кабели за постигане на минимални разстояния на разделяне съгласно IEC 61000-5-2⁵ - Минимум 300 mm от кабели 6 kV със заземена метална преграда между кабелните корита
• Заменете неекранните вторични кабели с индивидуално екраниран, цялостно екраниран (ISOS) кабел - индивидуалният екран осигурява отхвърляне на високочестотната магнитна връзка, която кабелите само с цялостно екраниране не могат да постигнат над 1 kHz.
• Инсталирайте дросели с феритни ядра на вторичните кабели на изходната клема на изолатора на сензора - посочете импеданс > 200 Ω при 10 kHz, за да отслабите смущенията от честотата на превключване на VFD, без да повлияете на измервателните сигнали от 50 Hz.

Стъпка 6 - адресиране на хармоничните проводящи смущения при превключване
За проведени хармонични смущения при превключване, които не могат да бъдат отстранени чрез промени в маршрута на кабела:

• Инсталирайте нискочестотни филтри на вторичния изход на изолатора на сензора - посочете честота на прекъсване от 500 Hz до 1 kHz за приложения за измерване на качеството на електроенергията; 150 Hz за приложения за измерване на приходите, където не се изисква съдържание на хармоници над третата хармоника.
• Проверете дали поставянето на филтър не води до изместване на фазата при 50 Hz - посочете максимално изместване на фазата от < 5 минути от дъгата при 50 Hz за приложения с клас на защита
• При интелигентните сензорни изолатори конфигурирайте филтъра за цифрова обработка на сигнала в електронния модул, за да отхвърлите компонентите с честота на превключване - повечето сензорни изолатори IEC 61850 предлагат конфигурируеми настройки на филтъра против изкривяване, които могат да бъдат оптимизирани за специфичния спектър на смущенията в инсталацията.

Стъпка 7 - Удостоверяване на елиминирането на фалшиви PD събития
След като завършите стъпките за отстраняване на смущенията, свържете отново системата за мониторинг на частични разряди UHF и измерете видимата честота на събитията PD при пълно производство. Сравнете с изходната стойност преди интервенцията. Успешното елиминиране на смущенията намалява фалшивите PD събития до < 5 видими pC събития в минута - прагът, под който истинските сигнали за влошаване на изолацията могат да бъдат надеждно разграничени от остатъчните смущения.

Стъпка 8 - Провеждане на проверка на точността след интервенцията
Извършете пълно калибриране на триточковото съотношение на грешката и фазовото преместване съгласно IEC 61869-11, след като всички мерки за отстраняване на смущенията са въведени, по време на пълна производствена експлоатация. Това калибриране след интервенцията установява истинската точност на сензорната изолационна система при експлоатационни условия на смущения - единственият резултат от калибрирането, който е от значение за инсталациите за възобновяема енергия, където смущенията зависят от производството.

Стъпка 9 - Документиране на източниците на смущения и мерките за смекчаване
Запишете пълното характеризиране на смущенията - резултатите от спектралния анализ, идентифицираните пътища, измерените амплитуди и всички приложени мерки за смекчаване - в записа на активите на изолатора на сензора. Тази документация е от съществено значение за:

• Бъдещ персонал по поддръжката, който наблюдава аномалии в измерванията и трябва да разграничи новите смущения от предварително характеризираните и намалени източници.
• Отговори на одита на измерването на приходите, които изискват доказване на целостта на измервателната система при експлоатационни условия
• Искове за гаранция и гаранция за изпълнение, когато точността на измерването е договорен резултат

Заключение

Интерференцията на вторичната верига в изолаторните инсталации на сензори за средно напрежение за възобновяема енергия е скрита по замисъл - амплитудата ѝ попада в границите на допустимите отклонения на класа на точност, периодичността ѝ не позволява периодично откриване на калибриране, а честотното ѝ съдържание се припокрива с измервателните сигнали, които поврежда. Уникалните за възобновяемата енергия механизми на смущения - хармониците при превключване на силовата електроника, инжектирането на заземителен ток от VFD, резонансът на събирателната мрежа и свързването на постояннотокови утечки - изискват подходи за отстраняване на неизправности, които традиционната практика за диагностика на подстанциите не включва. Протоколът от девет стъпки в това ръководство - базов анализ на спектъра, изолиране на пътя, елиминиране на земния контур, смекчаване на връзките, филтриране на провежданите смущения и проверка на точността след интервенцията - разглежда всеки механизъм в неговия източник, а не маскира симптомите му. В инсталациите за възобновяема енергия, където точността на измерването е едновременно задължение за приходи, защита и надеждност, премахването на смущенията във вторичните вериги не е допълнителна поддръжка. То е основата, от която зависи всяко решение в инсталацията, базирано на данни.

Често задавани въпроси относно смущенията във вторичните вериги в системи с изолатори на сензори

1. “Инструментални трансформатори”, https://en.wikipedia.org/wiki/Instrument_transformer. Обяснява принципите на работа и класовете на точност на инструменталните трансформатори съгласно стандартите на IEC. Evidence role: general_support; Source type: research. Подкрепя: Сензорен изолатор, калибриран по IEC 61869, клас 1, има допустима грешка на съотношението ± 1,0%. ↩

2. “Хармоници на мощността”, https://en.wikipedia.org/wiki/Harmonics_(electrical_power). Подробно описва създаването на хармонични спектри на напрежението и тока от силовите електронни устройства. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: Силовата електроника на вятърните турбини и слънчевите инвертори работи с честота на превключване от 2 kHz до 20 kHz, като създава хармонични спектри на тока и напрежението. ↩

3. “Капацитивно свързване”, https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitive_coupling. Определя физическия пренос на енергия между съседни проводници чрез променящи се електрически полета. Роля на доказателство: механизъм; Тип източник: изследване. Подкрепя: Вторични сигнални кабели, прокарани в близост до силови кабели средно напрежение в кабелни корита на кули за вятърни турбини, натрупват капацитивно свързани хармоници при превключване. ↩

4. “Хармонични стойности на VFD”, https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/variable-frequency-drive-interference. Обсъжда механизмите, чрез които задвижванията с променлива честота внасят високочестотен шум и земни токове. Роля на доказателство: механизъм; Тип източник: индустрия. Подкрепя: променливочестотни задвижвания (VFD), които инжектират високочестотни заземителни токове с общ режим в заземителната система на турбинната конструкция. ↩

5. “IEC 61000-5-2”, https://webstore.iec.ch/publication/4207. Официални насоки за инсталиране и намаляване на електромагнитната съвместимост. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепя: Пренасочете вторичните кабели, за да постигнете минималните разстояния на разделяне съгласно IEC 61000-5-2. ↩