اجراء التفريغ الجزئي للمحولات باستخدام عكس الوقت الكهرومغناطيسي

ضرورة اجراء التفريغ الجزئي باستخدام عكس الوقت الكهرومغناطيسي

تعد محولات القدرة أحد المكونات الرئيسية لأنظمة الطاقة، كما يعتبر التفريغ الجزئي (PDs)، والناتج عن تحسينات محلية غير طبيعية في المجال الكهربائي داخل خزان المحولات، بمثابة السبب الرئيسي لتلف نظام العزل لمحولات القدرة، حيث تم نشر طرق القياس القائمة على التقنيات الكهربائية والكيميائية والصوتية والكهرومغناطيسية لدراسة هذه الظاهرة في محولات القدرة الكهربائية.

كما حظيت التقنيات القائمة على “الكهرومغناطيسية” بمزيد من الاهتمام مؤخراً بسبب متانتها ضد الضوضاء الخارجية وقدرتها على اكتشاف (PDs) الضعيفة، بحيث تنتج (PDs) موجات كهرومغناطيسية في نطاق (300) ميجا هرتز حتى (3) جيجا هرتز، ونتيجة لذلك؛ فإنه يتم تطبيق طرق الكشف عن المصدر الكهرومغناطيسي لتحديد موقع (PDs) في نطاق الترددات الفائقة (UHF).

كذلك تستخدم الطرق الكهرومغناطيسية بشكل عام فرق وقت الوصول (TDoA) لتوطين (PDs)، لكن وفي مشكلة ثلاثية الأبعاد؛ فإنها تحتاج هذه الطريقة إلى أربعة أجهزة استشعار متزامنة على الأقل لتوفير توطين المصدر، وذلك حتى مع وجود أربعة أجهزة استشعار، بحيث لا يمكن تحقيق موقع دقيق لمصدر (PD) في وجود لفات المحولات الكهربائية، وذلك لأن افتراض خط الرؤية لطريقة (TDoA) لم يعد مضموناً.

أيضاً تم التحقيق في تأثير وجود لفات المحولات على وقت وصول الإشارة، وفي هذا الصدد؛ فقد تمت مناقشة تأثير موضع المستشعر على اتساع الإشارة المسجلة، بحيث تم التحقق من صحة عمليات المحاكاة في وجود ملفات المحولات مقابل القياسات.

ومن أجل تحسين أداء طرق تحديد موقع (PD) المستندة إلى (TDOA)؛ فقد تم استخدام خوارزمية جديدة باستخدام تقنية تحسين السرب الثنائي، وتم اختبارها على نموذج معقد نسبياً لخزان محول يتضمن انعكاس وانكسار وانحراف للحالة الكهرومغناطيسية موجات مع مراعاة معدات المحولات، بما في ذلك جدران خزان المحولات، حيث كانت الخوارزمية المقترحة قادرة على تحديد موقع مصدر (PD) بدقة موقع تبلغ حوالي (15) سم.

المنهجية ومخطط المحاكاة الخاصة بإجراء التفريغ الجزئي للمحولات

الفارق الزمني للوصول

يتضمن مبدأ توطين مصدر (PD) باستخدام (TDoA)، وذلك من أجل الحصول على المجالات الكهرومغناطيسية بواسطة ثلاثة أجهزة استشعار منفصلة على الأقل في مشكلة ثنائية الأبعاد، كما تُستخدم الاختلافات في أوقات وصول الإشارات إلى مواقع أجهزة الاستشعار لتشكيل نظام من المعادلات غير الخطية الواردة في العلاقة التالية:

حيث:

(Δt): هو الفرق في وصول الإشارة إلى مستشعرين.

(i ، j):  المعطيات الخاصة بإحداثيات (xi، yi) و (xj، yj).

ومن خلال حل مجموعة المعادلات الناتجة؛ فإنه يمكن الحصول على موقع مصدر (PD)، حيث تم تطبيق خوارزميات مختلفة لتحسين توطين مصدر (PD) المستند إلى (TDoA).

عكس الوقت الكهرومغناطيسي

من المعروف أن “معادلات ماكسويل” في الوسائط غير المفقودة ثابتة في ظل عامل انعكاس الوقت، وذلك كنتيجة لثبات الانعكاس الزمني، بحيث يمكن جعل الموجات من المصدر التي تباعدت عنه في الأصل، بحيث تتقارب مرة أخرى، وذلك كما لو كان الوقت يسير إلى الوراء.

لذلك وكما هو موضح في الخطوات الثلاث التي سيتم ذكرها في الأسفل؛ فإن إشارات “المجال الكهرومغناطيسي” المقاسة على مسافة من المصدر تحتاج فقط إلى عكس الوقت وإعادتها إلى الوسط الأصلي لإنتاج الموجات التي تنتشر مرة أخرى وتركز في النهاية في موقع المصدر، مما يخلق حيود بقعة بؤرية محدودة.

ولتطبيق عملية عكس الوقت على مشكلة توطين مصدر (PD)، يحتاج المرء إلى اتباع الخطوات الثلاث التالية:

• تُقاس “الموجات الكهرومغناطيسية” من مصدر (PD) في موقع واحد أو عدة مواقع (وقت أمامي)، بحيث يمكن القيام بهذه الخطوة التي تسمى خطوة إلى الأمام، إما رقمياً أو تجريبياً.

• تكون الأشكال الموجية المسجلة معكوسة زمنياً ويتم حقنها مرة أخرى في مساحة الحل في بيئة محاكاة (خطوة إلى الوراء).

• يتم استخدام معيار لتحديد نقاط الاتصال التي تم إنشاؤها بواسطة التداخل البناء لتحديد موضع مصدر (PD) الأصلي، وذلك لتحديد النقطة المحورية للموجات المحقونة مرة أخرى، كما يمكن استخدام عدة معايير (على سبيل المثال، المجال الأقصى، الحد الأدنى من “الانتروبيا”، الارتباط المتبادل).

اعتبار نموذج المحولات ثنائية الأبعاد

يوضح الشكل التالي (1) الهندسة الكلية لخزان المحولات الذي سيتم استخدامه في التحليل، كما أن حجم الخزان (1000 × 500) مم 2، بحيث تعتبر جدران خزان المحولات عبارة عن موصلات كهربائية معدنية مثالية (PEC)، كما تُستخدم ثلاث دوائر معدنية نصف قطرها (100) مم لتمثيل اللفات الأسطوانية ذات الغلاف الصلب للمحول.

وبصرف النظر عن اللفات الثلاث المدروسة؛ فإن  الخزان يعتبر المحولات فارغاً، حيث يتم استخدام أربعة مواقع أجهزة الاستشعار، كما ويتم تقديم المجموعة الفرعية المستخدمة لكل دراسة حالة في الوصف المرتبط بها.

لذلك تظهر أربع نقاط، يُشار إليها بـ (E1)، (E2)، (E3)، (E4)، وبواسطة مواقع أجهزة الاستشعار؛ فإنه سيتم تحديد موقع مصدر التفريغ الجزئي على أنه (PD) في الأشكال، حيث يظهر أحد مصادر التفريغ الجزئي في الشكل (1) (الصليب الأحمر)، كما يعتبر مصدر ثنائي القطب متناهي الصغر كمصدر (PD)، وهو مصدر ثنائي القطب متحمس بنبض “غاوسي” بعرض نطاق (3) ميجاهرتز.

وأخيراً، فقد تمت مناقشة عدة أمور في هذا الطرح، وأهمها أنه يتم إجراء مقارنة نظرية بين (TDoA) وتقنيات عكس الوقت الكهرومغناطيسي عند استخدامها لتوطين مصدر (PD)، بحيث يُلاحظ أنه باستخدام ثلاثة أجهزة استشعار، لا يمكن لتقنية (TDoA) تقديم نتائج دقيقة عندما يتم حظر خط الرؤية بسبب وجود لفات المحولات.

ومن ناحية أخرى؛ فإنه يمكن أن توفر تقنية عكس الوقت الكهرومغناطيسي نتائج توطين معقولة للمصدر باستخدام مستشعر واحد فقط، وذلك حتى إذا لم يتم استيفاء حالة خط البصر، وكل ذلك باستثناء الحالة التي يكون فيها مصدر (PD) أقرب إلى جسم معدني أكثر من نصف الطول الموجي الأدنى لإشارة المجال المشع.

وهناك مهارة الطريقة المقترحة لتوطين مصادر (PD) في محيط الأجسام المعدنية يتم تحليلها عددياً وتجريبياً، كما ويلاحظ أنه على الرغم من ملاحظة تدهور دقة التوطين مقارنة بحالة المسافات الأطول بين مصدر (PD) والجسم المعدني؛ فإنه يتم الحصول على خطأ توطين معقول يبلغ 10 مم (يقابل λmin / 10).

وباختصار، تشير عمليات المحاكاة العددية المقدمة المدعومة بالنتائج التجريبية إلى أن طريقة انعكاس الوقت الكهرومغناطيسي قادرة على توفير توطين دقيق لمصادر (PD) التي تحدث على مسافات أبعد من حد الانعراج (λmin / 2) للأجسام المعدنية مثل سطح الطاقة خزان المحولات أو اللفات.

كذلك فقد تم استخدام التكوينات ثنائية الأبعاد في هذه الورقة لإثبات قدرة تقنية انعكاس الوقت على إجراء توطين غير خط البصر لمصادر (PD)، كما أن العمل المستقبلي جار للتحقيق في أداء تقنية عكس الوقت لتحديد مصادر (PD) في محولات واقعية (ثلاثية الأبعاد).