النموذج الحراري الديناميكي لمحولات القدرة

التصور الهندسي للنموذج الحراري الديناميكي لمحولات القدرة

يتطلب تقدير صحة المحولات مراقبة حرارية لعزل اللف عن طريق تتبع الأنشطة الأولية، كما أن هذه العيوب الأولية في المحولات ترتفع تدريجياً مع مرور الوقت وإذا لم يتم اتخاذ الإجراءات اللازمة، بحيث يمكن أن تسبب إخفاقات كارثية، حيث أن التفريغ الجزئي (PD) هو أحد أكثر الأنشطة الأولية التي تمت مواجهتها في محولات الطاقة والتي تشير إلى نمو بعض النشاط غير المستقر داخل خزان المحولات.

لذلك؛ فإن (PD) هو السبب الجذري في تدهور القوة الكهربائية والميكانيكية لعزل لف المحولات، لذلك؛ فإنه يجب تخفيفها في المراحل الأولية، أيضاً يترافق نشاط (PD) في الغالب مع أحداث حرارية مثل إنشاء نقاط ساخنة محلية، كما يتم توزيع الفراغات التي يحدث فيها نشاط (PD) بشكل عشوائي ومن الصعب تحديد موقعها الفعلي، وبالتالي فإن درجة حرارة الزيت العلوية هي أفضل مؤشر لأي نشاط (PD) داخل لف المحول.

كما تم توثيق أن أقصى درجة حرارة للزيت يمكن أن تصل إلى حوالي (100) درجة مئوية إلى (110) درجة مئوية، وبالمثل تعتمد درجة حرارة “النقطة الساخنة” (HST) على حجم نشاط (PD) وإعادة حدوثه أثناء تطبيق الجهد المستمر، وهي عامل حاسم يؤدي إلى تدهور عزل اللف.

بالعادة يكون مطلوب تقدير دقيق لملف (HST) المتعرج لتقييم صحة محول الطاقة، كما أنه أحد العوامل المحددة الحاسمة لتحميل المحولات، وبالتالي فهو يزيد من أهمية تحديد (HST) في كل لحظة من تشغيل المحول مع حالة الحمل الحقيقية ودرجة الحرارة المحيطة، كما أن هناك طريقتان ممكنتان لتحديد (HST)، أحدها يستخدم مستشعرات درجة حرارة الألياف الضوئية الموضوعة في النقطة الساخنة المقصودة للملفات.

وعادة ما يتم وضع المستشعرات الحرارية المتصلة بنهاية الألياف الضوئية بين الموصل المعزول والمباعد ويتم إرسال إشارات الألياف الضوئية خارج الخزان، ومع ذلك؛ فإنه يصعب أحياناً تبرير غرامة التكلفة بسبب تركيب المستشعر.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه ليس من العملي تكييف هذه التقنية في وحدات محولات مجمعة بالفعل، كذلك من الصعوبات الأخرى التي تواجه تقنية القياس المباشر تحديد موقع النقطة الفعالة بدقة ونشر المستشعر الأمثل، أما الطريقة الثانية وهي طريقة إحصائية يتم تحديدها من خلال حساب درجة الحرارة الداخلية للمحول (HST) هي مهمة معقدة وصعبة للغاية.

تطوير النموذج الحراري الديناميكي لمحولات القدرة

تم تطوير نموذج العزل الحراري لمحول التوزيع المغمور بالزيت [ 10KVA, 1100/400V, 50 Hz] في (MATLAB Simulink)، والذي يستخدم درجة حرارة النقطة الساخنة من النموذج الحراري الديناميكي للمحول ومن ثم مقارنته بنموذج “التوجيه الحراري” (IEEE).

كما أن هناك خاصيتان عامتان مهمتان “لزيت المحولات” هما السعة الحرارية والتوصيل الحراري، بحيث يتم إصلاح هذه الخصائص لحجم معين من الزيت، وبالتالي يمكن استخدامها كسعة حرارية ومقاومة حرارية، وذلك وفقاً “للقوانين الكهربائية” لتحديد المقاومة والسعة.

كما أن العلاقة الحرارية المقابلة هي:

نموذج الزيت العلوي

تعتمد نمذجة “الزيت العلوي” على أساسيات “نموذج الزيت والهواء”، وذلك كما يوضح الشكل التالي (1)، كما أن النموذج الحراري المكافئ الكهربائي لزيت المحولات العلوي، أي بين الزيت العلوي للمحول ودرجة الحرارة المحيطة المحيطة بخزان فولاذي للمحول.

تعتبر جميع خسائر المحولات هي مصادر حالية تضخ الحرارة في النظام، كما تظهر السعة الحرارية كسعة مجمعة وتظهر المقاومة الحرارية كمصطلح غير خطي. المعادلة التفاضلية التي تمثل نموذج الزيت العلوي هي:

نموذج درجة حرارة نقطة ساخنة متعرجة

تعتبر النقاط الساخنة هي مناطق محلية ذات درجة حرارة عالية مركزة في مجموعة لف المحولات والتي قد تكون نتيجة لنشاط (PD) التراكمي، كما تعتمد نمذجة النقاط الساخنة على المبدأ الأساسي لنموذج اللف إلى الزيت الذي يشكل دائرة (RC) مع مصدر تيار يمثل تدفق الحرارة ومصدر جهد يمثل درجة الحرارة كما هو موضح في الشكل السابق (1)، مثل نموذج الزيت العلوي.

كما تم تطبيق نموذج النقطة الساخنة أيضاً، وذلك كدائرة (RC) بسيطة لتحليل درجة حرارة النقطة الساخنة (θhs)، والتي تظهر خسائر لف المحولات كمصدر حالي يضخ الحرارة في النظام في موقع النقطة الساخنة، بحيث تظهر السعة الحرارية للزيت كسعة مجمعة وتظهر المقاومة الحرارية للعزل كمصطلح غير خطي، هنا الأس الذي يحدد “اللاخطية” سيكون (m)، أي المبرد هو الزيت.

وأخيراً، ومن خلال هذا الطرح؛ فقد تم تقديم نموذج “حراري ديناميكي” مختلف لمحولات الطاقة، بحيث يتم تنفيذ التحقق التجريبي في الوقت الحقيقي، كما تم تطوير النموذج الحراري للتنبؤ بالنقطة الساخنة ودرجة حرارة الزيت العليا لمحولات الطاقة في (Simulink MATLAB)، وذلك على عكس النماذج التي تم الإبلاغ عنها مسبقاً، بحيث يأخذ النموذج المقترح في الاعتبار تأثير الحمل المتفاوت ودرجات الحرارة المحيطة.