أعطال المراوح في المحولات الكهربائية بسبب درجة حرارة الزيت

ضرورة تحديد أسباب أعطال المراوح في المحولات الكهربائية

باعتبارها المعدات الرئيسية لتوصيل القدرة الكهربائية؛ فإن سلامة المحولات الكهربائية واستقرارها مهمان لموثوقية نظام الطاقة، وفي الوقت نفسه وكتنفيذ واسع النطاق للألواح الكهروضوئية ومزارع الرياح والمركبات الكهربائية وما إلى ذلك، تتعرض المحولات للحمل الزائد لا محالة في منطقة محلية أو خلال فترة قصيرة، مما يجعل درجة حرارة البقعة الساخنة المتعرجة تواجه خطراً محتملاً لتجاوز حد.

وللتأكد من أن ارتفاع درجة حرارة المحول في حدود معقولة؛ فإنه من الضروري الحفاظ على التشغيل العادي لنظام تبريد المحولات، كما تعد مضخات ومراوح الزيت مجرد جزأين نشطين من نظام التبريد للمحولات المغمورة بالزيت، وبالنسبة للمحولات التي تعمل بالزيت (OF) أو الموجه بالزيت (OD)؛ فإنها تتمتع بتسامح أقل للخطأ بسبب وجود المضخات، لذلك تميل المرافق في الوقت الحاضر إلى استخدام المزيد من محولات الزيت الطبيعي (ON) حتى عند مستويات الجهد العالي.

ومن ناحية أخرى، وبالنسبة للعديد من محولات التشغيل، تصبح المراوح الخارجية هي الجزء النشط الوحيد لتعزيز كفاءة تبديد الحرارة، أي التحول إلى وضع التبريد بفعل الهواء الطبيعي بالزيت (ONAF)، لذلك تعتبر المراوح الخارجية للمبادل الحراري عاملاً رئيسياً للتأثير على ارتفاع درجة حرارة المحولات المغمورة بالزيت، كما تم إجراء عدة محاولات لتصميم وتحسين الهيكل وتحسين أداء المبادل الحراري مع المراوح.

ولتصميم المبرد مع المراوح، تم التحقق من صحة سلسلة من المحاكاة العددية للعثور على الحجم والبنية الأمثل للمشتت الحراري، بحيث تم تصميم نظام تبريد الهواء القسري للمحركات باستخدام نماذج حرارية ذات معلمات مجمعة، مما يقلل بشكل كبير من ارتفاع درجة حرارة اللفات والمغناطيسات، وبالإضافة إلى ذلك تم مناقشة تأثير التوصيل الحراري لجدار المبرد على تبديد الحرارة الكلي.

ولتحسين هيكل المبرد بالمراوح؛ فقد تم أثبات أن إضافة مداخن أو حاويات حول المبادل الحراري؛ فإنه يمكن أن تعزز أداء تدفق الهواء، ولتحسين كفاءة الحساب تم اقتراح نموذج المشع الحراري الهيدروليكي الكامل، والذي يجمع بين خصائص المروحة وهندسة المبرد، ومن أجل تحسين أداء التبريد للمبادل بالمراوح؛ فقد  أظهرت محاكاة (CFD) والتجارب المقابلة أن النفخ الأفقي لمروحة تبريد “الأوفست”، بحيث يمكن أن يحقق أفضل كفاءة تبريد.

كما أن المروحة هي نوع نموذجي من الآلات الدوارة، وقد تمت مراقبة بعض المراوح كبيرة الحجم مثل توربينات الرياح بشكل جيد عبر الإنترنت وغير متصل، بحيث أنشأ العديد من الباحثين مجموعة متنوعة من طرق مراقبة الحالة وطرق تشخيص الأعطال لآلة الدوران بناءً على الإشارة الحالية وإشارة الاهتزاز وما إلى ذلك، ومع ذلك وبالنسبة إلى مراوح نظام التبريد داخل محول الطاقة؛ فهي تتمتع بقدرة منخفضة جداً لوحدة واحدة ويتم استخدامها دائماً كقطعة من المعدات المساعدة للمحول، لذلك لم تتم مراقبتها بشكل خاص.

أساس التنفيذ والطريقة السليمة المقترحة

يميز حجم الهواء أوضاع التبريد بين الحمل الحراري الطبيعي والحمل القسري، بحيث يؤثر وضع التبريد بشكل مباشر على (TOT) للمحول، لذا؛ فإن المفتاح هو العثور على قيمة ذاتية يمكنها تحديد وضعي التبريد، أي تعكس تغير حجم الهواء من المراوح، ووفقاً لتعريف أس الزيت، يتضمن حساب تركيب أس الزيت مباشرة درجة حرارة زيت المحول، وبما أن تشغيل مروحة التبريد له تأثير مباشر على درجة حرارة الزيت.

ومن هذا المنطق الذي يظهر في المنطق مخطط التدفق الفني الموضح في الشكل التالي (1)، نريد استخدام أس الزيت لربط حالة تشغيل المروحة بدرجة حرارة الزيت لغرض مباشر للكشف عن أعطال مروحة التبريد المحتملة من خلال مراقبة درجة حرارة الزيت العلوية، بحيث أدى ذلك إلى نمذجة حساب درجة حرارة الزيت العليا لحالتين تشغيل المروحة، وذلك بهدف إيجاد الفرق في أس الزيت.

كما تظهر نتائج حساب أس الزيت ودراسة البيانات المقاسة أنه بالنسبة لنفس المحول؛ فإن التغيير في حالة تشغيل المروحة من بالكامل إلى النصف إلى الإيقاف الكامل لا يؤثر فقط بشكل مباشر على اتجاه درجة حرارة الزيت، ولكن يؤثر أيضاً بشكل غير مباشر على القيمة المرجعية المحددة لأس النفط، ونظراً لأنه تم دائماً استخدام أس الزيت في النموذج الحراري الديناميكي (IEC)؛ فقد تم اختيار إطار عمل نموذج حراري أعلى زيت (IEC) محسّن لتتبع التباين باستخدام مراقبة (TOT).

نمذجة درجة حرارة الزيت في أوضاع تبريد الهواء المختلفة

النمذجة الحرارية الهيدروليكية في وضع (ONAN): هنا يتم الحفاظ على زخم تدفق النفط والطاقة
تحت وضع التبريد (ON)، بحيث تتغير كثافة تدفق الزيت داخل المحول بسبب ارتفاع درجة حرارة الزيت، كما يتم موازنة رفع الطفو الحراري الناتج (Δpd) لتدفق الزيت مع مقاومة السوائل:

حيث أن:

[ρoil (T)]: هي وظيفة تركيب كثافة الزيت، والتي تعتمد على درجة حرارة الزيت.

(g): هي تسارع الجاذبية.

(βoil): هو معامل التمدد الحراري، بحيث يمكن حساب (S) كـ:

حيث أن:

(Δy): هو فرق الارتفاع بين النقطة الوسطى للمبرد ونقطة الملف.

(yra): هو ارتفاع المبرد.

(Toil2): هي درجة حرارة الزيت العلوي.

(Toil1): هي درجة حرارة الزيت السفلي درجة حرارة الهواء المحيط (Tamb)، بحيث تعني درجة حرارة الهواء بعيدة بدرجة كافية عن المبرد، وبالنسبة لتدفق الزيت في لوحة المبرد؛ فإنه يمكن اعتبار قناة الزيت على أنها مستطيل بعرض الزيت وارتفاع الغليان، لذلك تم حساب تدفق الزيت (Qoil) على النحو التالي:

حيث أن:

[voil (T)]: هي اللزوجة الحركية للزيت.

(sc): هي منطقة قناة الزيت.

(dc): هو محيط القناة والثابت المتعلق بشكل القناة.

كما يتم تحويل الخسارة الكلية (P) الناتجة عن اللف ولب الحديد إلى الزيت على شكل حرارة، ومن منظور الحفاظ على الطاقة، إذن:

نقل الحرارة من الزيت إلى الهواء في وضع (ONAF): وبالنظر إلى أن بعض المبددات الحرارية لا يمكن نفخها بواسطة المروحة في وضع تبريد الهواء؛ فإن تأثير التبريد هو نتيجة للتأثير المشترك للتبريد الطبيعي والقسري.

وفي وضع (ONAF)، تتمثل وظيفة المروحة في جعل الحمل الحراري الطبيعي للحمل القسري، وبالمقارنة مع وضع (ONAN)، لم يعد الحفاظ على الزخم على جانب الهواء قائماً، وذلك لإعداد تعبير الزخم على جانب الهواء، بحيث يجب أن تشارك سرعة الرياح من المراوح كمعلمات الإدخال الخارجية في النمذجة أعلاه، لذلك تم تغيير متوسط عدد رينولدز ومتوسط عدد نسلت إلى:

حيث (PrairF) هو عدد (Prandtl) لتدفق الهواء القسري، كذلك (VairF) هو متوسط سرعة الهواء من المراوح، بالنسبة للمبرد الذي يحتوي على زعانف (N)؛ فإن قوة تبديد الحرارة لزعانف (N1) في وضع (ONAN) هي (P1) وقوة تبديد الحرارة لزعانف (N2) في وضع (ONAF) هي (P2)، بحيث يجب أن يكون الزيت الداخل وتدفق الزيت العالمي في كلا الوضعين بنفس القيمة، وذلك كما يظهر الرسم التخطيطي للاقتران في الشكل التالي.

حيث أن:

(P): هي الخسارة الكلية.

(Qoil): هو تدفق الزيت الكامل من خلال المبرد، بينما (Toil2N ، QoilN ، Toil2F ، QoilF) هي درجة حرارة الزيت الداخل وتدفق الزيت عبر الزعانف تحت الحمل الحراري الطبيعي والحمل القسري على التوالي.