استخدام السوائل البديلة في المحولات عالية القدرة

أهمية استخدام السوائل البديلة في المحولات عالية القدرة

تعد محولات الطاقة العالية (HPT) من أغلى معدات “أنظمة نقل الكهرباء” (TS)، وأيضاً تعتمد موثوقية هذه الأنظمة بشكل مهم على أداء (HPT) المناسب، ولهذا السبب؛ فإن أي تحسين مقترح لهذه الآلات الكهربائية يمكن أن يؤثر على معايير التقييم هذه (التكلفة والموثوقية) يجب أن يتم اختباره بعمق قبل تنفيذها النهائي.

وعادة ما يتم تبريد هذه الآلات الكهربائية الساكنة بالزيت المعدني، وفي الواقع، تستخدم أساطيل (HPT) من (TS)، ويستخدم هذا السائل نظراً لموثوقيته المؤكدة من وجهة نظر العزل والتبريد، ومع ذلك؛ فإنه يتم حالياً دراسة استبدال هذا النوع من السوائل بآخرين بخصائص أفضل من حيث البيئة والسلامة من الحرائق.

كما تعتمد هذه السوائل البديلة على “الإستر” ويتم إنتاجها من منتجات الحصاد مثل فول الصويا والنخيل وبذور اللفت وعباد الشمس، لكن في الواقع؛ فإنه يمكن العثور على العديد من الدراسات العلمية التي تحلل جوانب مختلفة من هذه السوائل العازلة الجديدة.

على سبيل المثال، قام العديد من المختصين بتحليل تأثير هذه السوائل على مدى العمر الافتراضي الخاص “بالعزل المتعرج” وذلك نظراً لأن عمر المحولات الكهربائية يعتمد عليه بشدة، كما تمت دراسة السلوك العازل لهذه السوائل من قبل باحثين آخرين، وأخيراً يتم حالياً دراسة قدرتها على التبريد.

لذلك؛ فإن استخدام التقنيات العددية على أساس طريقة العناصر المحدودة، على سبيل المثال لقد انتشرت ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) في العقدين الماضيين، بحيث أن استخدم العديد من المؤلفين كلاً من الرموز التجارية وغير التجارية لدراسة السلوك الهيدروليكي الحراري للسائل مع الأخذ في الاعتبار نوعاً مختلفاً من أساليب اللف.

على سبيل المثال؛ فقد استخدم العديد من المؤلفين تكوين قناة تبريد عمودية لضمان كل من التبريد والعزل الكهربائي، وعلى النقيض من ذلك، تقدم أعمال أخرى تكوين قناة زيت متعرجة في نظام التبريد المتعرج.

ومع ذلك؛ فإن جميع هذه الأعمال المذكورة سابقاً تستخدم “الزيوت المعدنية” كسائل عازل، وفي الآونة الأخيرة، استخدم العديد من المختصين هذه التقنية لتحليل أداء التبريد للسوائل الجديدة في المحولات، وعلى سبيل المثال، في عام 2015م.

لذلك فإن مقارنة درجات الحرارة التي تم الحصول عليها في نموذجين عدديين ثنائي الأبعاد لملفين مختلفين من ثلاث مراحل (محول طاقة 66 كيلو فولت، 16.5 ميجا فولت أمبير مع نظام تبريد متعرج ومحول توزيع 22 كيلو فولت، 2.3 ميجا فولت أمبير مع نظام تبريد محوري شعاعي).

الإعدادات التجريبية الخاصة باستخدام السوائل البديلة

تم إجراء اختبار التشغيل الحراري في محول القدرة ثلاثي الطور بقدرة (170/36) كيلو فولت، وكذلك محول (100) ميجا فولت أمبير، (ONAN / ONAF) الموضح في الشكل (1).

الوصف الهندسي الخاص باستخدام بدائل السوائل

يوضح الشكل (2) الملفين الرئيسيين للمرحلة، وهما (LVW) في الجزء الداخلي ولف الجهد العالي (HVW) في الجزء الخارجي من الشكل، وفيما يتعلق بـ (LVW)، وكما يتضح من الشكل (2) والشكل (3)؛ فهو يتكون من أسطوانة كرتون داخلية (3 مم وقطرها 792 مم) محاطة بـ (5) طبقات متحدة المركز مع (25) لفة نحاسية حسب الطبقة.

كما يحتوي كل منعطف على (4) ألواح متوازية (أبعاد اللوحة: 15.95 مم × 14.95 مم) ملفوفة بورق عازل كهربائي بعرض 0.8 مم، كما يتم فصل الطبقات النحاسية عن طريق 80 عصا خشبية بسمك 6 مم، وبهذه الطريقة؛ فإنه يتم إنشاء 80 مجرى بسعة 3.1 درجة بين الأسطوانة الداخلية والطبقة الأولى و (80) قناة تبريد أخرى بين الطبقة الأولى والطبقة الثانية، وأخيراً يبلغ الارتفاع الإجمالي لـ (LVW 1.634) ملم.

كما يتضح من الشكل (4)، أنه تم إجراء مراقبة درجات الحرارة داخل (LVW)، وذلك باستخدام مستشعرات الألياف البصرية (FOSs) الموجودة في الجزء الداخلي من الطبقة الرابعة لكل من المرحلتين (V) و (W) (ترقيم من الجزء الداخلي من متعرج)، وذلك عند حوالي 100 مم من الجزء العلوي من الملف.

كما أن دقة هذه المستشعرات هي (± 1) درجة مئوية، أيضاً ووفقاً لمعيار (IEC 60076-2)؛ فإنه تم قياس درجة الحرارة المحيطة باستخدام (4) مستشعرات مزدوجة الحرارة موجودة في جميع أنحاء المحول (واحد أمام كل وجه من جوانب الخزان، وذلك على بعد مترين من محيطه ومن أسطح التبريد) عند حوالي منتصف ارتفاع أسطح التبريد.

كما يتم وضع موازين الحرارة في جيوب مقياس الحرارة الموجودة في غطاء المحول، ولكن أيضاً في مدخل ومخرج مبرد زيت المحول، حيث تم تسجيل قياسات درجة الحرارة بواسطة أداة تسجيل بيانات تجارية، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه تم استخدام نظام قياس خسارة المحولات التجارية.

إجراء الاختبار التجريبي

تم إجراء اختبار التشغيل الحراري باستخدام الإعداد التجريبي الموصوف سابقاً وتبريد (ONAN) وزيت معدني تجاري، حيث تُستخدم طريقة الدائرة القصيرة لتحديد ما إذا كانت درجات حرارة الزيت والملف متوافقة مع المواصفات القياسية، وقبل بدء الاختبار (المحول البارد) تم قياس وتسجيل درجات حرارة أجهزة الاستشعار.

وبعد ذلك؛ فإنه تم إجراء الاختبار على خطوتين، بحيث تم تنفيذ الإجراء الأول لتوفير إجمالي الخسائر (أعلى خسائر المحولات)، كما تم تسجيل درجة الحرارة بانتظام مع مرور الوقت المنقضي بين كل قياس (في هذه الحالة، 60 دقيقة)، وذلك حتى الوصول إلى حالة الاستقرار.

كما يتحقق هذا الشرط عندما ينخفض ​​معدل التغير في ارتفاع درجة حرارة السائل العلوي إلى أقل من (1 كلفن / ساعة)، بحيث يبقى هناك لمدة 3 ساعات، ثم في الخطوة الثانية؛ فإنه يتم تحميل المحول بالتيار المقدر لموضع صنبور الاختبار لمدة ساعة واحدة، وفي الوقت نفسه؛ فقد استمر قياس جميع درجات الحرارة حيث كانت مدة الاختبار الإجمالية حوالي (14) ساعة.

النموذج العددي الخاص باستخدام بدائب السوائل

يسمح هذا المجال بدراسة ظواهر انتقال الحرارة وميكانيكا الموائع التي تحدث في (LVW) للمحول أثناء تشغيله، كما يتم استخدام قسم ثلاثي الأبعاد من (LVW) لطور من هذا المحول في نموذج (CFD)، وذلك نظراً لأن أعلى درجات الحرارة تظهر عادةً في هذا الملف. كذلك نظراً لأعلى التيارات الكهربائية وموقعها في الجزء الداخلي من الطور.

المعادلات الحاكمة

الطريقة العددية المستندة إلى الحجم المحدود تحل معادلات (Navier-Stokes)، والتي تنص على الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة لتدفق السوائل، وذلك بالنسبة للسائل غير القابل للضغط (يمكن اعتبار الزيوت بهذه الطريقة)؛ فإن المعادلات التي تحدد الكتلة والزخم والحفاظ على الطاقة هي (1-3)، ومن ناحية أخرى وبالنسبة للمجال الصلب؛ فإن المعادلة التي تنص على الحفاظ على الطاقة هي (4).

وأخيراً؛ فإنه وفي العمل الحالي، تمت دراسة أداء التبريد لثلاثة سوائل عازلة للكهرباء (زيت معدني وسوائل أساسها استر) في (100 MVA HPT)، وذلك مع نظام تبريد محوري ووضع تبريد (ONAN) باستخدام نموذج (CFD) ثلاثي الأبعاد من (LVW)، بحيث تم التحقق من صحة هذا النموذج بنجاح من خلال المقارنة مع النتائج التجريبية لاختبار التشغيل الحراري للمحول.

كما تظهر النتائج العددية أن جميع السوائل تحافظ على تبريد طبقات اللف بشكل موحد على الرغم من أن الزيت المعدني هو سائل تبريد أفضل قليلاً عند القدرة المقدرة، وهذا بسبب اللزوجة العالية للسوائل القابلة للتحلل، مما يؤثر سلباً على قدرات التبريد.