الموائع العازلة المستخدمة لنظام عزل المحولات الكهربائية

اكتسبت الموائع العازلة القائمة على شعبية واسعة للتطبيقات في أجهزة الجهد العالي، كما خضعت الإسترات الاصطناعية والطبيعية للبحث لعقود في مقابل الزيوت المعدنية العازلة حول العالم، وعلى الرغم من أن العديد من الباحثين يفضلون استخدام سوائل “الإستر”؛ إلا أن المرافق لا تزال غير مؤكدة ولا يزال تطبيق هذه البدائل يمثل تحدياً.

تحليل الموائع العازلة المستخدمة لنظام عزل المحولات الكهربائية

تعتبر المحولات من أهم المعدات في شبكة الطاقة الكهربائية، كما أن أداءها له تأثير ملحوظ على موثوقية شبكة الطاقة، بحيث تعمل المحولات في درجات حرارة متغيرة وظروف تحميل، ومن المتوقع أن تعمل بنجاح طوال العمر النظري المصمم ويلعب عزل الزيت أو الورق دوراً حيوياً في تحديد أداء المحولات وعمرها، كذلك نظام العزل في المحولات عبارة عن وسيط عازل مركب يتكون من الزيت والورق، كما من المتوقع أن يكون الزيت العازل بمثابة عازل ومبرد وحاجز واقي للقلب الحديدي، ووسيط تشخيصي للمحول!

كما تتوفر مجموعة كبيرة من المواد العازلة السائلة بشكل طبيعي أو مُصنَّع كيميائياً، ثم يتم معالجتها مسبقاَ للتطبيق في تقنية عزل المحولات الكهربائية، بحيث تصنف المواد العازلة السائلة إلى مركبات كيميائية عضوية وغير عضوية، لذلك قد تكون المركبات العضوية عبارة عن زيوت طبيعية أو زراعية مثل زيوت فول الصويا وزيوت جوز الهند وما إلى ذلك، وهي عبارة عن أحماض دهنية يتم إنتاجها في البذور والزهور.

وهذه الزيوت الزراعية هي مركبات استر، ويشار إليها عموماً باسم الإسترات الطبيعية. يتم تطوير المركبات غير العضوية أو تصنيعها كيميائياً، كما وتشمل هذه الزيوت المعدنية وزيوت السيليكون والسوائل الاصطناعية والسوائل النانوية والسوائل العازلة المختلطة، كذلك الزيوت العازلة المعدنية عبارة عن هيدروكربونات مشتقة من البترول الخام بينما زيوت السيليكون عبارة عن مركبات اصطناعية خالية من الهالوجين وهي منتجات البلمرة.

وبالنسبة الى السوائل الاصطناعية؛ فهي بدائل مكونة كيميائياً للهيدروكربونات مثل مركبات ثنائي الفينول متعدد الكلور (PCBs) والإسترات الاصطناعية، وحتى الآن ؛ فقد مرت الأبحاث الخاصة بالزيوت العازلة للمحولات بعدة مراحل حرجة وتم الإبلاغ عن أوجه القصور والمزايا لمختلف السوائل العازلة، كذلك تم نشر تقرير مفصل عن التقدم المحرز في زيوت العزل على مدى (50) عاماً في عام (2013)م.

تطور زيوت المحولات الكهربائية العازلة

على مر السنين، تم استخدام أنواع مختلفة من السوائل العازلة في المحولات لتلبية احتياجات الصناعة العادية واحترام اللوائح البيئية، كما تم تلخيص تطور العوازل السائلة من بداية تقنية المحولات إلى الحالة الحالية.

ومنذ بداية المحولات المملوءة بالزيت، كما تم اعتماد الزيوت المعدنية العازلة (مشتقات البترول الخام) لأغراض العزل والتبريد، بحيث يتم استخراج الزيوت المعدنية من زيوت خام، وحتى عام (1925)م تم استخدام زيوت عازلة معدنية أساسها “البارافين”، بحيث تم استبدالها بالزيوت ذات الأساس “النافثين” بسبب ارتفاع نقطة الانسكاب للزيوت التي أساسها البارافين، وعلى الرغم من استخدام الزيوت المعدنية في الغالب؛ إلا أن مقاومتها المنخفضة للحريق تسببت في مشاكل ودفعت الصناعة للبحث عن بديل.

المركبات الكيميائية التي تستخدم في عوازل المحولات الكهربائية

في عام (1930)م؛ وجد أن ثنائي الفينيل متعدد الكلور يتمتع بمقاومة عالية للنار وخصائص عازلة أفضل من الزيوت المعدنية، وحتى الستينيات كان ثنائي الفينيل متعدد الكلور يستخدم كمحول سائل عازل، ومع ذلك أثيرت القضايا البيئية وفي السبعينيات؛ فقد بدأ الجمهور في معارضة استخدامها، حيث أدت الاكتشافات الجديدة إلى ادعاءات بأن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور كانت ملوثات بيئية عضوية شديدة السمية.

كما ثم تم الكشف عن أن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لها خصائص انبعاث خطرة في ظروف احتراق معينة، في عام (1978)م، حظرت اللجان التنظيمية استخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور بسبب سميتها، كما زاد هذا من رغبة الصناعة في الحصول على سوائل عازلة صديقة للبيئة، وفي الثمانينيات بدأت الصناعة في البحث عن سوائل عازلة بديلة جديدة، وعلاوة على ذلك في عام (2009)م ، بحيث تم ترميد المعدات التي تحتوي على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أعلى من القيمة المحددة في بعض أجزاء أوروبا.

وفي الوقت نفسه، وجد أن الهيدروكربونات ذات درجة الحرارة العالية (HTH) تتمتع بأداء حراري جيد ولكن لزوجتها العالية تتطلب تغييرات كبيرة في تصميم نظام التبريد، مما قلل من اهتمام الصناعة، وفي عام (1970)م تحديداً تم إدخال زيوت السيليكون لتحل محل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وذلك نظراً لأدائها الحراري الجيد وعدم السمية، ولكن تكلفتها المرتفعة محدودة الاستخدام لبعض تطبيقات المحولات الخاصة.

الحاجة إلى سوائل عازلة بديلة للمحولات الكهربائية

تقليدياً يتم التبريد والعزل لتقنية المحولات بواسطة الزيت المعدني الناتج عن النفط الخام، وبالنظر إلى أزمة النفط المستقبلية المتوقعة؛ فإن تكلفة النفط الخام آخذة في الازدياد، وبالتالي فإن توافر مخزون النفط الخام سيكون موضع تساؤل، وعلى الرغم من أن الخصائص العازلة للزيوت المعدنية مقبولة على نطاق واسع؛ فإن الطلب على مستويات العزل العالية يتطلب أداء عازلًا أعلى، وخاصة مقاومة الانهيار العازل.

كما تبلغ القيمة النموذجية لجهد الانهيار للزيت المعدني الطازج حوالي (50) كيلو فولت (وفقاً للمصنعين)، بحيث يتزايد الطلب على مستويات الجهد العالي يومياً، وفي النهاية يصبح من الصعب بالنسبة للوسيط العازل توفير عزل فعال والتعامل مع درجات الحرارة المرتفعة، أيضاً في حالة الانحناء أو الدائرة القصيرة، كذلك يجب أن يتحمل الزيت العازل ارتفاع درجات الحرارة، بحيث يخلق هذا الوضع الخاص حاجة إلى نقاط وميض عالية ونقاط حريق في الزيوت العازلة.

كما تتراوح القيمة النموذجية لنقطة الوميض للزيت المعدني الجديد من (180) درجة مئوية إلى (220) درجة مئوية وفقاً للمصنعين، لذلك لا ينبغي السماح لأنظمة عزل المحولات بالتفاعل مع الرطوبة والهواء البيئي، لكن الرطوبة أمر لا مفر منه بالنسبة للمحولات المختومة، بحيث يتم إنشاء الرطوبة بواسطة ورق السليلوز العازل، وبالنسبة للوحدات غير المختومة؛ فإنه ينبعث من السليلوز ويدخل أيضاً من البيئة الخارجية من خلال تكوين جهاز التنفس.

وبالنهاية؛ فإن معدل التحلل المائي أعلى في الزيوت المعدنية منه في سوائل الإستر، مما يؤدي إلى توليد الأحماض ومركبات الفورانيك وثاني أكسيد الكربون في الزيت، وبالمثل؛ فإن دخول الأكسجين يعمل مع الغازات المحررة من ورق العزل بسبب درجة الحرارة ويسرع الأكسدة، بحيث تتضمن الأكسدة توليد الأحماض والماء في الزيت.

كما تعمل هذه المياه على تسريع عملية التحلل المائي وإعاقة بلمرة أوراق السليلوز، كذلك تميل شدة الأكسدة والتحلل المائي في الزيوت المعدنية إلى زيادة الحمأة والحث على حدوث أعطال كارثية وتقادم مبكر للمحولات إذا لم يتم الحفاظ على الزيت بشكل صحيح عن طريق استصلاحه عند الحاجة، لذا إذا انسكب الزيت أو تم التخلص منه في المسطحات المائية؛ فإن كيمياء الزيوت المعدنية تؤثر على البيئة بشكل دائم أكثر من السوائل القابلة للتحلل.