التوصيف الهيكلي لفجوات المجال والتنبؤ بجهد الانهيار الكهربائي

ترتبط قوة عزل الهواء ارتباطاً وثيقاً بتوزيع المجال الكهروستاتيكي لتكوين الفجوة، ولتحقيق توقع العزل على أساس محاكاة المجال الكهربائي (EF)، يتميز الهيكل المكاني بمجموعة ميزات تتضمن (38) معلمة محددة على خط مستقيم بين أقطاب المجال الكهربائي.

الغاية من اللجوء الى التوصيف الهيكلي لفجوات المجال الكهربائي

الهواء هو العازل الأكثر استخداماً في أنظمة الطاقة الكهربائية، كما وتعد قوته ذات أهمية حيوية لتصميم العزل للعديد من المعدات الكهربائية، ودائماً ما تم التحقق من الفولتية المقاومة للفجوات المعزولة بالهواء، وذلك مع هياكل الأقطاب الكهربائية المختلفة وفواصل الفجوات من خلال التجارب، ونظراً لأن نظرية التفريغ لا تزال غير مثالية بعد، بحيث يجب التحقق من موثوقية هيكل العزل عن طريق اختبارات التفريغ على نطاق واسع.

ومن أجل توفير التوجيه النظري والمنهجية لتصميم العزل الكهربائي؛ فإنه من الضروري التنبؤ بجهد انهيار فجوة الهواء بدقة، وهناك نظريات تصريف الغاز الكلاسيكية بما في ذلك “نظرية تاونسند” و”نظرية ستريمير”، وهي مفيدة لشرح ظاهرة تصريف الهواء نظرياً، وهي تحتوي تفسيراتهم لعملية التفريغ على بعض الاختلافات، وهي قابلة للتطبيق في حالات مختلفة، ولكن الأرضية المشتركة هي أن انهيار فجوة الهواء ناتج عن خارج حدود المجال الكهربائي (EF) المطبق على عازل الهواء.

كما تم استخدام بعض معايير بدء الدفق، مثل معيار الشحنة الكهربائية الحرجة ومعيار شدة مجال البداية، وذلك لحساب جهود تفكيك فجوة الهواء، وعادةً ما تأخذ هذه المعايير في الاعتبار توزيع (EF) وكثافة المجال بالقرب من القطب الكهربائي عالي الجهد (HV)، كما وتأخذ رقم شحنة الفضاء الحرج أو شدة المجال الحرجة كمعيار للحكم على بداية غاسل أو انهيار الفجوة.

ومع ذلك، أجريت الدراسات ذات الصلة على أنظمة القطب الكهربائي محددة، وبعض المعلمات الفيزيائية الرئيسية تنطبق على حالات محدودة، بحيث لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت هذه المعايير مناسبة لترتيبات الفجوات المختلفة، لذلك من المتوقع طرح بعض الأساليب الجديدة لحل هذه المشكلة.

آلية تفريغ الهواء ذات المسار العشوائي باستخدام الحاكمات

تعتبر عملية تفريغ الهواء معقدة للغاية بحيث يصعب وصفها ببعض المعادلات الحاكمة الحتمية، خاصة بالنسبة للفجوات الهوائية ذات التباعد الكبير، وعادة ما تكون عملية التفريغ ذات مسار عشوائي، ولهذا السبب يُعتبر تفريغ الفجوة مشكلة ارتباط رمادية، في حين أن العوامل المؤثرة الخارجية وفولت الانهيار هما على التوالي المدخلات والمخرجات، كما ويُنظر إلى العملية الفيزيائية أثناء التفريغ على أنها صندوق رمادي.

لذلك؛ فإن المشاكل الرئيسية التي تحتاج إلى حل للتنبؤ بجهد انهيار فجوة الهواء هي كيفية تحديد العوامل المؤثرة وكيفية وصف العلاقات الرمادية بين هذه العوامل وقوة الفجوة الهوائية، بحيث تشمل العوامل المؤثرة على قوة فجوة الهواء شكل الجهد المطبق والقطبية وتكوين الفجوة والظروف الجوية.

وعندما يتم تقديم فجوة هوائية إلى جهد ثابت، على سبيل المثال جهد التيار المتردد لتردد الطاقة وتحت بيئة جوية ثابتة؛ فإن العامل الحاسم هو بنية الفجوة، والتي يمكن تحديد معلماتها بواسطة بعض ميزات المجال الكهروستاتيكي، ومن ناحية أخرى؛ فإن بعض خوارزميات الذكاء الاصطناعي مفيدة لوصف العلاقات بين العوامل المؤثرة وفولت الانهيار.

على سبيل المثال، تم بالفعل استخدام الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) وآلة ناقلات الدعم (SVM)  والمنطق الضبابي، وذلك من قبل بعض الباحثين للتنبؤ بقوة العزل الخارجي، بحيث تتحقق هذه الإنجازات مبدئياً من جدوى التنبؤ بعزل الهواء بواسطة بعض الخوارزميات الرياضية، لكن العديد من الموضوعات المثيرة للاهتمام لا تزال تستحق الدراسة بالتفصيل.

تعيين ميزة المجال الكهربائي على أقصر مسار بين القطبين

في الدراسات السابقة تم تحديد الميزات المستخدمة للتوصيف الهيكلي لفجوات الهواء في المنطقة الحسابية بأكملها وقناة التفريغ الافتراضية، وذلك على سطح القطب الكهربائي العالي وعلى طول أقصر مسار تفريغ، بحيث تم تقسيم المناطق المكانية إلى أربع فئات حسب الحجم والمساحة والخط. لكن الميزات تنتمي إلى أنواع الحجم والمساحة ليس من السهل استخراجها لتكوينات الفجوة ذات الأقطاب الكهربائية غير النمطية أو المعقدة.

وهنا في هذا البحث؛ فإنه يتم استخراج مجموعة ميزات جديدة فقط على مسار بين قطب كهربائي، وبالتالي لتعيين توزيع (EF) ثلاثي الأبعاد إلى خط مستقيم أحادي البعد، بحيث يتم أخذ فجوة المجال ككائن بحث، كما ويتم أيضاً محاكاة توزيع المجال الكهروستاتيكي بواسطة طريقة العناصر المحدودة (FEM) لتعريف ميزة (EF) واستخراجها.

حساب المجال الالكتروستاتيكي

تكون فجوة المجال ذات هيكل متماثل المحور، وبالتالي يمكن استخدام نموذج المحور ثنائي الأبعاد لمحاكاة (EF)، بحيث تم تطبيق وحدة الجهد (U = 1) كيلو فولت على كرة الجهد العالي، كما وتم تطبيق الكرة الأرضية على احتمال صفري.

لذلك تم وضع حد قاطع عند طبقة الهواء الخارجية، بحيث يظهر نموذج محاكاة ونتائج حساب (EF) لفجوة كروية مع (D = 10 cm) و (d = 3 cm) في الشكل التالي (1)، كذلك (D) هو قطر الكرة و (d) هو تباعد الفجوة، بحيث يظهر الحد الأقصى لشدة (EF Emax) عند طرف كرة الجهد العالي.

تم استخراج قيم قوة (EF) على بعض نقاط أخذ العينات متساوية البعد على طول المسار بين القطب الكهربائي، وذلك لرسم منحنى توزيع (EF)، كما بأخذ فجوات الكرة (3) سم مع (D = 6.25) و (10، 15) سم كأمثلة، بحيث تظهر منحنيات (E -d) في الشكل التالي (2)، وهي منحنيات على شكل حرف (U)، بحيث تظهر قيمتان قصوى على جانبي مسار القطب البيني.

ميزات (EF) للتوصيف الهيكلي

يمكن تقسيم مجموعة الميزات المستخدمة في التوصيف الهيكلي للفجوات الكروية إلى (6) مجموعات، بما في ذلك كثافة (EF-E)، وتدرج (EF) على سبيل المثال و (EF) مربع (E2) و (EF) بشكل متكامل مع (V) وطول المسار (L) وعدم تجانس (EF)، بحيث يوضح الشكل التالي (3) المخططات الخاصة لمنحنيات (E -d) و (Eg -d) و (E2 -d).

تقدم هذه الدراسة مجموعة ميزات مستخدمة للتوصيف الهيكلي لفجوة المجال، كما وتقترح العديد من النماذج للتعلم الآلي، والتي تعتمد على (SVC) المحسن (PSO) للتنبؤ بجهد الانهيار، كما تعد مجموعة ميزات (EF) المستخرجة على طول مسار القطب البيني للفجوة الكروية فعالة لتوصيف توزيع المجال الالكتروستاتيكي.

ويعد الاختيار المعقول لعينة التدريب المحددة من حيث معامل (EF) غير المنتظم مفيداً لضمان أداء التعميم لنموذج (SVC) المحسن في حالة العينات الصغيرة، بحيث يتنبأ نموذج (SVC)، والذي تم تدريبه بواسطة (11) عينة تدريب تم اختيارها عشوائياً بجهد انهيار (260) فجوة كروية، بينما يكون (MAPE) في حدود (2.0٪) مقارنة بالقيم القياسية (IEC 60052).

بالإضافة الى أن هذه الدراسة تقدم بديلاً لاكتساب قوة عزل الهواء بدلاً من الحساب النظري بناءً على الآلية الفيزيائية والتركيب التجريبي وفقًا للنتائج التجريبية، وهو أمر مفيد لتوجيه تصميم العزل للمعدات الكهربائية في المستقبل.