الموجات فوق الصوتية للتفريغ الجزئي في المعدات الكهربائية

تم تطوير جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية، والذي يمكنه اكتشاف إشارات الموجات فوق الصوتية للتفريغ الجزئي (PD) في المعدات الكهربائية عالية الجهد تحت ظروف درجات حرارة وضغط مختلفة، كذلك الهيكل الفريد للحساس الجديد قادر على موازنة فرق الضغط بين الجانبين.

تحليل أثر الموجات فوق الصوتية على المعدات الكهربائية

قد تتسبب عيوب العزل في معدات الطاقة عالية الجهد والتي تحدث حتماً أثناء التصنيع والنقل في تدهور أو حتى فشل العزل أثناء التشغيل، كما يحدث (PD) خلال المرحلة المبكرة من تدهور العزل الكهربائي، كذلك يتم استخدام اكتشاف (PD) كوسيلة لاكتشاف عيوب العزل في المراحل المبكرة من الخطأ، مما يتيح التخطيط في الوقت المناسب لانقطاع التيار الكهربائي وصيانة المعدات الكهربائية المعيبة ذات الجهد العالي.

أيضاً يمكن أن يمنع اكتشاف (PD) حالات التعتيم الهائلة الناتجة عن انهيار العزل الرئيسي، وفي الوقت الحاضر تُستخدم التقنيات الجديدة التالية في البحث عن (PD) في المعدات الكهربائية عالية الجهد، بالإضافة الى  تحليل الغاز المذاب (DGA)، وهي طريقة مهمة للتنبؤ بأعطال المحولات الكهربائية، أيضاً القياسات التجريبية لنشاط (PD) في المركبات النانوية (LDPE / TiO2) في الكابلات والمراقبة عبر الإنترنت لنظم المعلومات الجغرافية الرقمية القائمة على إنترنت الأشياء والتعلم الآلي.

كما أن (PD) مصحوب بإشارات فوق صوتية، وقد ثبت أن الكشف عن هذه الإشارات وسيلة فعالة لاكتشاف (PD)، ومع ذلك عند إجراء اختبار (PD) على المعدات العاملة في موقع محطة فرعية؛ فإن أجهزة الاستشعار التقليدية الكهرو ضغطية بالموجات فوق الصوتية (PZTs) المستخدمة تكون عرضة للتداخل في الموقع وتقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

كذلك يزيد الهيكل الداخلي المعقد والغلاف السميك للمعدات الكهربائية في نفس الوقت من صعوبة الكشف في الموقع بواسطة (PZT) خارجي، وبالمقارنة مع (PZT)؛ فإن مستشعر الموجات فوق الصوتية (EFPI) هو طريقة كشف غير كهربائية لقياس (PD) الذي يحتوي على عزل كهربائي جيد وتصغير وحساسية عالية.

كما يتم استخدام مستشعر (EFPI) لبناء مصفوفة مستوية لاكتشاف إشارة الموجات فوق الصوتية (PD) في الزيت، بحيث يتم وضع مستشعر (EFPI) في ملف محول ويتم تحديد موقع إشارة الموجات فوق الصوتية (PD) في ملف المحول بواسطة خوارزمية (TDOA) مع نتائج تموضع جيدة.

جهاز الاستشعار بهيكل متوازن للضغط الكهربائي العالي EFPI

يظهر نظام الكشف عن المستشعر بالموجات فوق الصوتية (EFPI) بغشاء مقترح في الشكل التالي (1)، بالإضافة الى المكونات الأساسية لمسبار المستشعر هي غشاء كوارتز وألياف بصرية أحادية الوضع وشعيرات كوارتز، بحيث تعمل شعيرات الكوارتز على إصلاح الألياف الضوئية أحادية الوضع وغشاء الكوارتز، كما ويشكل الوجه النهائي للألياف الضوئية والسطح الداخلي لحجاب الكوارتز السطحين العاكسين في تجويف (F-P).

وعندما يكتشف المستشعر إشارة فوق صوتية؛ فإن الضوء أحادي اللون المنبعث من مصدر الليزر يصطدم بتجويف (FP) على طول الألياف أحادية الطور، وذلك باستخدام مبدأ (Fresnel)، بحيث تم تحديد انعكاسية الضوء الساقط في الواجهة التي شكلها الوجه النهائي للألياف الضوئية بحوالي (3.6٪) وتدخل نسبة (96.4٪) المتبقية من الضوء الساقط إلى تجويف (FP) من خلال الواجهة ثم تدخل بعد ذلك إلى غشاء الكوارتز.

كما ينتقل معظم الضوء عبر غشاء الكوارتز وينعكس الباقي على الوجه النهائي للألياف الضوئية على السطح الداخلي لحجاب الكوارتز، بحيث يعود حوالي (3.3٪) من الضوء إلى الألياف الضوئية من خلال الواجهة المتكونة بين الهواء والوجه النهائي للألياف الضوئية، كذلك يتداخل شعاعاً الضوء المنعكس من الوجه النهائي للألياف والسطح الداخلي للحجاب الحاجز في الألياف (مما يؤدي إلى تغيير في شدة الضوء) ويخرجان أخيراً من خلال الحلقة الليفية.

كما تؤثر إشارة الموجات فوق الصوتية على الحجاب الحاجز الذي يهتز وبالتالي يتشوه، بحيث يؤدي هذا التشوه إلى تغيير طفيف في طول تجويف (FP)، كما ينعكس الضوء الذي يدخل تجويف (FP) على الألياف الموجودة على السطح الداخلي للحجاب الحاجز وتغير تغييرات الطور الناتجة طيف التداخل من ذلك الخاص بغشاء غير مشوه، بحث تتم معالجة إشارة الموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز تحويل كهروضوئي يكتشف الطيف المتداخل، بالإضافة الى شدة الضوء التي تم الحصول عليها بعد التداخل هي:

حيث أن: 

(I0): هي شدة الضوء المنبعثة من مصدر الضوء.

(R): هو معامل انعكاس السطح العاكس.

(l): هو طول التجويف بين السطحين العاكسين.

(n0): هو معامل انكسار الهواء.

(λ): هو الطول الموجي للضوء، و هو فرق الطور للضوء المتداخل.

جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية جديد من الألياف البصرية EFPI

هو جهاز ينتج عن تسلل وسيط عازل، مثل زيت المحولات وغاز (SF6) إلى تجويف (FP)، وهو فرق ضغط على جانبي الحجاب الحاجز الكوارتز، بحيث تتم موازنة هذا الضغط من خلال هيكل مستشعر (EFPI) الجديد، ومع ذلك؛ فإن الوسيط العازل في تجويف (FP)، مثل زيت المحولات، كما يغير خصائص انتشار الضوء في تجويف (FP) للمستشعر ويقلل من حساسية المستشعر.

كذلك يظهر هيكل مستشعر (EFPI) المصمم حديثاً في الشكل التالي (2)، كما يتكون هذا المستشعر من أنبوب زجاجي كوارتز وألياف أحادية الوضع وغشاء كوارتز، إضافة الى نقاط توصيل الأجزاء في الشكل ملحومة بالذوبان الساخن بواسطة ليزر ثاني أكسيد الكربون.

كذلك يتم تصنيع المستشعر الجديد عن طريق اللحام الساخن لوعاء شعري وغشاء كوارتز باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون، وبعد ذلك يتم تطبيق الغراء بطيء التجفيف على الألياف الضوئية، والتي يتم إدخالها في الأنبوب الشعري الكوارتز.

وبعد ذلك يتم تعديل المسافة بين الوجه النهائي للألياف الضوئية والسطح الداخلي للحجاب الحاجز ببطء باستخدام نظام قياس طول التجويف، كما ويتم إصلاح الألياف الضوئية وأنبوب الكوارتز الشعري، وبعد أن يتم ضبط الغراء؛ فإنه يتم استخدام الليزر في لحام الشعيرات الدقيقة بالألياف الضوئية في الأخدود الشعري.

كما يؤدي استخدام اللحام بالليزر لتصنيع مسبار المستشعر إلى تقليل التغييرات في أداء المستشعر الناتجة عن الاختلافات في معامل التمدد الحراري للمواد المختلفة، بحيث يبلغ سمك غشاء الكوارتز حوالي (50) مايكرومتر وقطره (4) مم، كما يتم وضع طلاء محلي في وسط غشاء الكوارتز.

وأخيراً يتمتع مستشعر (EFPI) بالألياف الضوئية بهيكل كوارتز نقي بأداء عزل جيد ويمكن وضعه في أعماق معدات كهربائية عالية الجهد لاكتشاف الإشارات فوق الصوتية من التفريغ الجزئي، وفي هذه الدراسة تم تحسين حساسية مستشعر (EFPI) بالألياف الضوئية بهيكل متوازن الضغط عن طريق طلاء الوجه النهائي للألياف والسطح الداخلي للغشاء المهتز، كما ويتم إجراء تجارب التحقق. يتم استخلاص الاستنتاجات التالية.

• يتمتع مستشعر (EFPI) بهيكل جديد بمزايا قدرة قوية على مقاومة التداخل وحساسية عالية وتركيب سهل وتأثير ضئيل على معدات الجهد العالي المدمجة، مما يؤدي إلى اكتشاف فعال للغاية.

• يؤدي طلاء الحجاب الحاجز الجزئي إلى زيادة قوة الضوء المنعكس من (314.775) ميغاواط إلى (1.067) ميغاواط في التجارب، وبالتالي تعويض فقدان الضوء في زيت المحولات وتحسين حساسية مستشعر الموجات فوق الصوتية الجديد (EFPI).

• التردد المركزي للمستشعر المقاس باستخدام قطب لوحة إبرة في الزيت هو (32.6) كيلو هرتز وسعة إشارة الموجات فوق الصوتية التي اكتشفها المستشعر المطلي أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمستشعر غير المطلي.