التحليل الطيفي لمجال التردد للكشف عن رطوبة بطانات المحولات

أهمية التحليل الطيفي لمجال التردد

البطانات من بين المكونات الأكثر أهمية والأكثر تكلفة لأنظمة الطاقة، وذلك بالنسبة لمحولات الجهد الزائد والفائق الجهد، حيث يتم استخدام البطانات من نوع المكثف الورقي المشبع بالزيت (OIP) على “نطاق واسع لنقل التيار” عبر خزانة المحولات، وغالباً ما يؤدي الفشل في البطانات إلى عواقب وخيمة، مثل الحرائق والانفجارات.

وكما ذكرت (CIGRE WG A2.37)، تساهم أعطال البطانات في حوالي (37 ٪) من جميع الحرائق أو الانفجارات في محولات الطاقة، كما يؤدي دخول الرطوبة إلى الجلبة من خلال “حشيات التسرب” أو فتحات أخرى إلى ما يقرب من 90٪ من جميع حالات فشل الجلبة.

كما يمكن أيضاً أن تتدهور خصائص العزل للجلبة، وذلك بشدة بسبب الرطوبة في نظام (OIP)، مما يؤدي إلى أخطاء رطوبة غير منتظمة التوزيع في البطانات، لذلك؛ فإنه من المهم للغاية اكتشاف أخطاء الرطوبة غير الموزعة بشكل موحد في جلبة.

وفي الآونة الأخيرة، ثبت أن طريقة الاستجابة للترددات العازلة (DFR) هي طريقة واعدة للغاية للكشف عن التلف والرطوبة في البطانات، لذلك قام “سوكولوف” بتعديل ما يسمى بمعامل التبديد لتقييم التلوث بالرطوبة المحلية للبطانات، لذلك اختبرت أطياف عازلة مجال التردد لعزل الورق الزيتي بمحتوى رطوبة مختلف في الحالة المستقرة وعزل ورق الزيت بدرجات تقادم مختلفة عند درجة حرارة ثابتة.

كما تمت دراسة خصائص الطيف العازل لمجال التردد الكهربائي لعزل الورق الزيتي بمحتوى رطوبة مختلف ودرجات حرارة مختلفة من (1) ميجا هرتز إلى (1) كيلو هرتز، كما تم استخدم نهج منحنى النموذج (X-Y) والمنحنى المقاس للحصول على محتوى الرطوبة لعزل الورق الزيتي.

أيضاً تم اقتراح معادلة ملائمة لتقييم الرطوبة بناءً على التردد المميز لفقدان العزل الكهربائي، كما أنشأت صيغة تجريبية للوظيفة الأسية لحالة العزل بالكرتون والكرتون لتقييم محتواها، حيث استخدمت تقنية التحليل الطيفي العازل لمجال التردد لدراسة فشل الرطوبة لنماذج جلبة (OIP)، كما واقترحت المعايير الدولية المحدثة (IEC60137 ،IEC60296 ،IEC60422) للطرق القياسية لتقييم الرطوبة.

كذلك من الصعب التنبؤ بمعظم البطانات في المستقبل القريب عن طريق القياس التقليدي، كما نشأت الأعطال المتكررة للبطانات من رطوبة جزئية صغيرة في السليلوز من ورق العزل، ومع ذلك؛ فإن هناك نقص في الأساليب الموثوقة لاكتشاف أخطاء الرطوبة الموزعة بشكل غير منتظم في البطانات، والتي يمكن أن تبدأ في فشل العزل في موقع المحطة الفرعية.

اختبار الإعداد والطرق الخاصة بالتحليل الطيفي لمجال التردد

قياس (DFDS) في جلبة البطانة الداخلية

كما هو مبين في الشكل التالي (1)، يتكون نموذج البطانة من حجرة “البولي ميثيل” (PMMA) وقضيب موصّل ولب مكثف وزيت وجهاز تأريض كهربائي، كما أن هناك “مادة الغمد” الخاصة بنموذج البطانة شفافة، لذلك من السهل التقاط صور للظواهر الناتجة عن الرطوبة في النموذج، أيضاً يمكن أن تتحمل غرفة (PMMA) درجة حرارة (80) درجة مئوية وجهد تيار متردد يبلغ (30) كيلو فولت.

ولمراقبة عيب العزل في مرحلة مبكرة من تدهور العزل؛ فقد تم اعتماد عدد متزايد من البطانات ذات الهيكل ثنائي الصنبور في المعدات عالية الجهد، وخاصة البطانات عالية الجهد، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2)، بحيث يمكن تقسيم قياس (FDS) الأصلي إلى قياس (DFDS) من ثلاثة أجزاء.

وعندما يبدأ اختبار (DFDS)؛ فإنه يتم إجراء (FDS) عن طريق تطبيق إشارة “منخفضة الجهد” متغيرة التردد على الطبقات المختلفة من نوى السعة قيد الاختبار وقياس الجهد المطبق والتيار وزاوية الطور في نطاق التردد من (0.001) هرتز إلى (10) كيلو هرتز، وذلك عند طيف طاقة (140) فولت.

وكما هو مبين في الشكل (2-B)؛ فإن السعة الرئيسية (Cac) هي السعة بين صنبور الاختبار (1) (الصنبور 1 = c) وقضيب الجهد العالي (قضيب = A) لجلبة متدرجة السعة، والتي تتوافق مع (Cbc)، كما هي السعة بين صنبور الاختبار (2) (tap2 = b) والصنبور (1) (tap1 = c) من الجلبة.

كما أن الكابينة هي السعة بين قضيب الجهد العالي وصنبور الاختبار (2) لجلبة متدرجة السعة، بحيث يتعلق ذلك بإعداد البطانة التجريبية بالتصميمات الحالية الفعلية لبطانات المكثف، حيث يحتوي على تصميم (IEEE / ANSI (115 كيلو فولت وما فوق) وعلى “صنبور الجهد” (الصنبور 2) وأقصى إحباط مؤرض أثناء تصميم (IEC).

القياس متعدد طبقات الاستقطاب في جلبة البطانة الداخلية

عندما يتم تطبيق مجال كهربائي متناوب على عوازل كهربائية؛ فإن الشحنات المرتبطة بذرات أو جزيئات العازل الكهربائي تعيد ترتيب نفسها في المجال الكهربائي، بحيث تُعرف هذه العملية “بالاستقطاب” وهي فعالة في الغالب في عزل المواد المكونة من مواد عازلة مختلفة، مثل (OIP) أو السليلوز.

وفي هذه العملية، يمكن أن تؤدي مادة تتكون من مراحل مختلفة ذات سماحية وموصلات مختلفة تتعرض لمجال كهربائي خارجي إلى “تراكم الشحنات” في الواجهة بين المراحل، بحيث يوضح الشكل التالي (3) الاستقطاب البيني في جلبة.

كذلك؛ فإنه يمكن تقوية الاستقطاب في العزل الكهربائي بالكامل تحت المجال الكهربائي ذي التردد الكهربائي المنخفض، بينما لن يكون استقطاب اتجاه الدوران غير كافٍ عند عمل المجال الكهربائي عالي التردد.

كما يمكن التعبير عن الإزاحة الكهربائية [D (t)] على النحو التالي:

حيث:

(ε∞): هي سماحية التردد العالي التي تمثل الاستجابة اللحظية الفعالة للاستقطاب.

[P (t) ،E (t)]: هي المجال الكهربائي كدالة للوقت، حيث يُعطى الاستقطاب [P (t)] من خلال تكامل الالتفاف التالي:

خاصية (FDS) للطبقة الرطبة في البطانة الورقية المشبعة بالزيت

الرطوبة العالية في الطبقة الخارجية

كما هو موضح في الشكل التالي (4)؛ فإن قيمة الجزء الحقيقي من السعة المعقدة للطبقات المختلفة (Ca Cbc ،Cab) عند (1) ميجاهرتز أعلى من تلك عند (10 كيلو هرتز، وذلك خاصة بالنسبة للكابينة و (Cbc/1)، حيث أن (Cac) لا يساوي (1 / Cab + 1 / Cbc)، وذلك لاستقطاب الطبقة البينية بين الطبقة (A،B،C).

يوضح الشكل التالي (5) (tan δ) لكل من (Cbc و Cab و Cac)، وهي المقاسة بترددات من (1) ميجا هرتز إلى 10 كيلو هرتز، وكم خلال من الشكل؛ فإن إجمالي (tan δ) لجميع الطبقات (Cac) أعلى من الطبقة الداخلية وأقل من الطبقة الخارجية (Cbc) والطبقات الوسطى (Cab)، كما يوضح هذا أن قيمة (tan) في الجلبة المقاسة بالطريقة التقليدية هي قيمة متوسطة لا يمكن أن تعكس مستويات الرطوبة العالية المحلية في الجلبة.

الرطوبة العالية في الطبقة الداخلية

يوضح الشكل (6) السعات (Cbc و Cab و Cac)، وذلك لجلبة بطبقة رطبة داخلية، وهي مقاسة بواسطة (FDS) بين (1) ميجا هرتز إلى (10) كيلو هرتز. سعة الطبقة الداخلية (C2) أكبر من سعة الطبقة الخارجية (Cac bc)، ومع ذلك؛ فإن السعة الإجمالية لجميع الطبقات (Cac) أقل من تلك الموجودة في الطبقة الخارجية (Cbc) والطبقة الداخلية (CAB)، وهذا يدل على أن الكاك للجلبة المقاسة بالطريقة التقليدية لها أقل قيمة.