أهم الأعطال المسببة للفشل في المعدات والمواد الكهربائية

دواعي حدوث الفشل في المعدات والمواد الكهربائية:

تتعرض الأنظمة والمعدات والمواد الكهربائية لأعطال يمكن أن تسبب التدمير الكامل للمعدات وانقطاعاً شديداً في التيار الكهربائي، ولهذا السبب؛ فإنه من المهم معرفة الأسباب الرئيسية لهذه الإخفاقات وعواقبها والإجراءات والاختبارات التي يجب إجراؤها من أجل معرفة أسباب فشل المعدات أو موادها، لذلك في هذا الطرح سوف يتم الإشارة إلى الأسباب الأكثر شيوعاً لفشل الأنظمة والمعدات والمواد الكهربائية.

متوسط الوقت بين حالات الفشل (MTBF):

من أجل فهم أفضل لفشل المعدات والمواد وآلية هذه الإخفاقات، من المهم فهم المقصود بمتوسط الوقت بين الأعطال (MTBF) الذي يستخدم لتقييم موثوقية المعدات، لذلك؛ فإن (MTBF) هو الوقت المنقضي المتوقع بين حالات الفشل المتأصلة في النظام أثناء التشغيل، ويمكن حسابه على أنه المتوسط الحسابي (المتوسط) للوقت بين فشل النظام، وعادة ما يكون جزءاً من نموذج يفترض أنه تم إصلاح النظام الفاشل على الفور (المتوسط) وقت الإصلاح، أو MTTR) كجزء من عملية التجديد.

وهذا على النقيض من متوسط ​​وقت الفشل (MTTF)، والذي يقيس متوسط ​​الوقت للفشل مع افتراض النمذجة أن النظام الفاشل لم يتم إصلاحه (وقت الإصلاح اللانهائي)، حيث يعتمد تعريف (MTBF) على تعريف ما يعتبر فشل النظام.

وبالنسبة للأنظمة المعقدة و”القابلة للإصلاح”، حيث تعتبر هذه الأعطال هي تلك التي تخرج عن ظروف التصميم التي تجعل النظام خارج الخدمة وفي حالة الإصلاح، لذلك لا تعتبر حالات الاضطراب التي تحدث والتي يمكن تركها أو الحفاظ عليها في حالة غير مثالية، ولا تؤدي إلى خروج النظام عن الخدمة ووجود حالات فشل بموجب هذا التعريف.

بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن أن يتم اعتبار الوحدات التي يتم إزالتها للصيانة الروتينية الدورية والمجدولة أو مراقبة المخزون ضمن تعريف الفشل والاضطراب، لذلك يصف (MTBF) الوقت المتوقع بين فشلين متتاليين للنظام قابل للإصلاح، بينما يشير (MTTF) إلى الوقت المتوقع لفشل نظام غير قابل البدء بعملية الإصلاح.

على سبيل المثال، هناك ثلاثة أنظمة متطابقة تبدأ في العمل بشكل صحيح في الوقت “صفر”، حيث تعمل حتى تفشل جميعها في ذات الوقت، والنظام الأول فشل في 100 ساعة والثاني فشل في 120 ساعة والثالث فشل في 130 ساعة، كما أن (MTBF) للنظام هو متوسط ​​ثلاث مرات فشل، وهو (116.667) ساعة، خاصةً إذا كانت الأنظمة “غير قابلة للإصلاح”؛ فإن (MTTF) الخاص بها سيكون (116.667) ساعة.

بشكل عام، فإن (MTBF) هي “وقت التشغيل” بين حالتين من حالات الفشل لنظام قابل للإصلاح أثناء التشغيل، وهذا ما يمكن ملاحظته في الشكل التالي:

ولكل ملاحظة،  هناك “وقت التوقف”، وهو الوقت اللحظي الذي ينخفض فيه، والذي يكون بعد (أي أكبر من لحظة صعوده)، ويسمى “وقت الصعود”، حيث أن الفرق هو أن وقت التوقف مطروح من وقت التشغيل، وهو مقدار الوقت الذي كان يعمل فيه بين هذين الحدثين، وبمجرد معرفة (MTBF) للنظام، يمكن حساب احتمالية تشغيل أي نظام معين في الوقت الذي يساوي (MTBF).

كما ينبغي لهذا الحساب أن يقوم بتشغيل النظام خلال “فترة العمر الافتراضي” الخاصة به، والتي تتميز بمعدل فشل ثابت نسبياً، وهو “الجزء الأوسط من المنحنى”، وعند حدوث حالات فشل عشوائية فقط، وبموجب هذا الافتراض؛ فإن أي نظام معين سيبقى حتى يصل إلى (MTBF) المحسوب مع احتمال 36.8٪ (أي أنه سيفشل من قبل مع احتمال 63.2٪)، الأمر نفسه ينطبق على (MTTF) لنظام يعمل خلال هذه الفترة الزمنية.

حيث يستخدم منحنى يسمى “حوض الاستحمام” على نطاق واسع في هندسة الموثوقية، كما يصف شكلاً معيناً من وظيفة الخطر التي تتكون من ثلاثة أجزاء:

• الجزء الأول: هو معدل الفشل المتناقص، والمعروف بالفشل المبكر.

• الجزء الثاني: هو معدل فشل ثابت، حيث يُعرف بالفشل العشوائي.

• الجزء الثالث: هو معدل الفشل المتزايد، والمعروف بالفشل التآكل.

حيث أن الاسم مشتق من الشكل المقطعي لحوض الاستحمام.

كما يعد التنبؤ بقيمة (MTBF) عنصراً مهماً في تطوير المنتجات، ومع ذلك؛ فمن غير الصحيح استقراء (MTBF) لإعطاء تقدير لعمر المكون، والذي سيكون عادةً أقل بكثير مما هو مقترح بواسطة (MTBF) الأساسي، ونظراً لمعدلات الفشل الأعلى بكثير في “تآكل نهاية العمر الافتراضي” جزء من “منحنى حوض الاستحمام”.

(MTBF) هو مجموع فترات التشغيل مقسوماً على عدد حالات الفشل المرصودة، وخاصةً إذا كان “وقت التوقف” (بمسافة) يشير إلى بداية “وقت التوقف” (بدون مساحة) ويشير “وقت التشغيل” (بمسافة) إلى بداية “وقت التشغيل” (بدون مساحة)؛ فستكون الصيغة:

وغالباً ما يُشار إلى (MTBF) بالرمز اليوناني (θ) أو “MTBF = θ”).

حيث تبلغ بيانات الشركات المصنعة النموذجية لـ (MTBF) للمحولات المغمورة بالزيت 30 عاماً، وذلك على الرغم من أن التجربة تظهر أن المحولات قد يكون لها (MTBF) أعلى وعمر إنتاجي يبلغ حوالي 50 عاماً أو أكثر.

وفي الولايات المتحدة، تم العثور على محول طاقة 100 ميجا فولت أمبير يرجع تاريخه إلى عام 1945م ومحول طاقة 75 ميجا فولت أمبير يرجع تاريخه إلى عام 1954م، وهو لا يزال يعمل في ظروف جيدة، كما تم تسجيل حالات مماثلة في أوروبا.

الأسباب الرئيسية لفشل المعدات والأدوات الكهربائية:

بصرف النظر عن الفشل الطبيعي للمواد والأسباب غير المتوقعة (رياح قوية جداً وسقوط الأشجار وأفعال الحيوانات والبرق والعمل في ظل ظروف عابرة قاسية وخلل في أنظمة الحماية وحفريات الإهمال وتعتيم الاتصالات والتخريب وما إلى ذلك)؛ فإن جميع الأرقام الواردة في هذا الطرح التي تمثل عيوباً في الأعمال والإجراءات تتوافق مع مواقف واقعية)، والتي قد تؤدي منفردة أو مجتمعة إلى حدوث أعطال في الأنظمة والمعدات والمواد الكهربائية .

ومن بين هذه الأسباب من المهم التأكيد على:

• أخطاء التصميم والمعدات المعيبة ومواصفات المواد.

• التغليف والمناولة والنقل غير المناسبين.

• تخزين غير مناسب.

• أخطاء ونواقص تركيب المعدات والمواد.

• اختبارات قبول المصنع (FAT) واختبارات قبول الموقع (SAT) لم يتم إجراؤها أو عدم إجراؤها وفقاً للمعايير المعمول بها ولم يشهدها ممثل المالك.

• الاستخدام غير السليم للمعدات.

حيث تبين التجربة أن محولات الطاقة والكابلات (بما في ذلك الوصلات والنهايات) وملحقات الخطوط العلوية (العوازل والمشابك والموصلات وما إلى ذلك) والهياكل المعدنية، مثل أعمدة الخطوط العلوية ودعامات معدات الجهد العالي وخزانات المحولات الكهربائية وأعمدة الإنارة، هي أكثر المعدات والمواد تأثراً بالأعطال الناتجة عن الأسباب المشار إليها أعلاه.

كما تنجم معظم حالات الفشل عن ارتفاع درجة حرارة المعدات والمواد مما يتسبب في ضعف أو فقدان الخصائص الميكانيكية والفيزيائية أو الكيميائية لهذه المواد، مما يؤدي إلى التلف المبكر، وهي حالة حساسة بشكل خاص للمواد العازلة التي تفقد خصائصها العازلة للكهرباء، كما سيؤدي فقدان الخواص العازلة للمواد العازلة إلى قصر الدوائر في التركيب.

ومع ذلك، يجب عدم إهمال فشل المعدات والمواد الأخرى بسبب هذه الأسباب، كما يجب إيلاء اهتمام خاص لآلية تشغيل “قواطع الدوائر الكهربائية” ذات الجهد المتوسط ​​والعالي والعوازل والموصلات والمحركات وكابلات لوحات الطاقة والتحكم.