تأثير الماء على ديمومة عزل محولات القدرة الكهربائية

ضرورة توضيح آثار الماء على عزل محولات القدرة الكهربائية:

يتكون موضوع العزل من عناصر من الورق وألواح الضغط التي توفر الاستقرار الميكانيكي للعزل، كما أن المكون الرئيسي للورق ولوح الضغط هو السليلوز، حيث يتكون من جزيئات الجلوكوز التي ترتبط وتشكل سلسلة، كما يبلغ متوسط عدد جزيئات الجلوكوز في سلسلة السليلوز (والتي تسمى أيضاً “درجة البلمرة” أو “DP” باختصار)، وذلك بدرجة 1200 للورق الجديد.

كما تمنح هذه السلاسل الكبيرة الورق القوة الميكانيكية التي يتطلبها لإصلاح اللفات، وحتى في الظروف القاسية مثل حدوث دائرة كهربائية قصيرة، ولسوء الحظ؛ فإنه يمكن تقسيم هذه السلاسل بواسطة جزيئات الماء مما يقلل من القوة الميكانيكية التي يمكنها تحملها، حيث توجد دائماً كمية صغيرة من الرطوبة في ورق محول الطاقة، وحتى لو تم تجفيفه تماماً في درجات الحرارة المرتفعة.

كما تقسم جزيئات الماء سلاسل السليلوز، مما يتسبب في أطوال سلاسل أقصر وكمنتج ثانوي المزيد من الماء، لذلك؛ فإن العملية تحفز التسريع الذاتي التي تقلل بشكل متزايد من الاستقرار الميكانيكي لعزل المحولات، كما أن سرعة هذه العملية تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة ولكن أيضاً على محتوى الرطوبة، وعلى الرغم من أنه من غير المحتمل أن يتم الوصول إلى درجات الحرارة المرتفعة المعروضة في الرسم البياني من خلال متوسط درجة حرارة المحول، إلا أنه يجب مراعاة النقاط الساخنة المحلية.

وعندما يكون متوسط طول سلسلة السليلوز في الورق 200 أو أقل؛ فعادةً ما يتم أخذها في الاعتبار عند نهاية عمرها الافتراضي لأن القوة الميكانيكية عندئذٍ تقل بشكل كبير بحيث لا يمكنها تحمل الضغوط العالية.

ونظراً لأن التلف تنتج المزيد من جزيئات الماء؛ فإن محتوى الماء في محول الطاقة يعد مؤشراً جيداً للغاية لعمر عزل المحولات، كذلك لا يسمح فقط بتقييم العمر المتبقي، ولكن أيضاً الصيانة الصحيحة حسب الحالة، لذلك قد يتم تجفيف محول طاقة رطب بشكل معتدل مما يقلل من محتوى الماء وبالتالي يبطئ التلف، خاصةً إذا كان محول الطاقة رطباً جداً؛ فعادةً ما يكون الورق في حالة قديمة جداً ولن يساعد التجفيف لأنه لا يمكن أن يؤدي إلى تقادم الورق.

لذلك في محول الطاقة المملوء بالزيت المعدني، تكون كمية الزيت أكبر بحوالي 10 مرات من كمية عزل السليلوز، ومع ذلك ونظراً لأن الماء بالكاد قابل للذوبان في الزيت؛ فإن الغالبية العظمى (> 99 ٪) من الماء تقع في عزل السليلوز وليس في الزيت.

كما أن عينات الزيت من محولات الطاقة تحتوي على الماء فقط في نطاق جزء في المليون (أجزاء في المليون) بينما نطاق الماء في السليلوز عادة ما يكون في حدود 0.3٪ إلى 6٪. يعتمد محتوى الماء في الزيت بشكل كبير على درجة الحرارة وحالة الزيت والشوائب.

حيث تؤدي الأخطاء الصغيرة في أخذ العينات والتعامل معها إلى انحرافات عالية في النتيجة النهائية، كما يوفر محتوى الماء في السليلوز قيمة أكثر موثوقية لتقييم الحالة، حيث يتأثر بالكاد بهذه المعلمات، لسوء الحظ، يعد أخذ عينات من السليلوز لتحليل الرطوبة مهمة صعبة للغاية حيث لا يمكن الوصول بسهولة إلى العزل الصلب لمحول الطاقة.

تحديد الرطوبة عن طريق تحليل استجابة التردد العازل:

طريقة بسيطة وموثوقة لتحديد كمية الرطوبة في محول الطاقة هي تحليل استجابة التردد الكهربائي العازل (DFR)، وعندما تمتص مادة ما الماء؛ فإنها تغير خصائصها العازلة، مثل الموصلية والقدرة وفقد العازل، بحيث يستخدم هذا المبدأ، على سبيل المثال في مستشعرات الرطوبة، حيث يُظهر السليلوز أيضاً مثل هذا التبعية لقيم العزل الكهربائي في محتويات مائية مختلفة.

مبدأ القياس الخاص بتحليل استجابة التردد العازل:

في تحليل الرطوبة العازلة لمحولات الطاقة، يتم استخدام عزل المحول الرئيسي بالكامل كمستشعر للرطوبة، وهو جهاز القياس متصل بالبطانات ويحدد خصائص العزل الكهربائي، كما أن الاتصال بسيط للغاية، كما هو الحال في قياس عامل الطاقة العادي / tan (d).

أيضاً يجب قياس عازل واحد فقط. عادة، بحيث يتم استخدام العزل الرئيسي من الجهد الكهربائي العالي إلى جانب الجهد المنخفض (CHL) لأنه يحتوي على معظم السليلوز، وللقياسات التناظرية إلى عامل القدرة/ tan (d)، كما يتم استخدام حارس لتجاوز التأثيرات غير المرغوب، وذلك كما هو مبين بالشكل السابق.

ونظراً لأن الرطوبة تؤثر على الخصائص العازلة للسليلوز، خاصة عند الترددات المنخفضة جداً؛ فإنه يتم إجراء القياس وصولاً إلى منطقة (Hz)، وكما يوضح الشكل التالي بأن الخسائر العازلة لأربعة محولات طاقة في نطاق تردد من منطقة (Hz) حتى حوالي مائة هرتز.

لذلك؛ فإن كل منحنى له شكل مميز يتضمن “حدبة” أكثر أو أقل وضوحاً عند الترددات المنخفضة، كما تتأثر المنطقة الواقعة أسفل “الحدبة”، وذلك على بعد حوالي 1 – عقدين من ذروة “الحدبة”، وبشدة بالمياه في العزل الورقي، كذلك تحديد منطقة التردد هذه أمر ضروري.

تقييم النتائج:

يعتبر تقييم المنحنيات عملية معقدة حيث تؤثر العديد من المعلمات على خصائص العزل الكهربائي، ومع ذلك؛ فإن برامج القياس الحديثة، والتي تتضمن قاعدة بيانات لخصائص العزل الكهربائي لألواح الضغط في محتويات المياه ودرجات الحرارة المختلفة، حيث تساعد المستخدمين على أتمتة هذه العملية.

كما أن مبدأ التقييم هو محاكاة عزل المحولات باستخدام قاعدة البيانات ونمذجة الحواجز والفواصل مع ما يسمى بالنموذج (XY)، وبهذه الطريقة؛ فإنه لا يلزم وجود “بصمة” أو قياس سابق ويمكن محاكاة جميع أنواع المحولات وأيضاً الأصول المعزولة بورق الزيت الأخرى، كما في الشكل التالي يتم تكييف معطيات منحنى المحاكاة حتى يتناسب المنحنى المحاكي مع المنحنى المقاس.

طرق تقليل وقت قياسات DFR:

طريقة قياس (FDS) التقليدية:

تقليدياً، يتم قياس المعلمات العازلة في مجال التردد من خلال تطبيق ترددات مختلفة وقياس الاستجابة، كما تسمى هذه التقنية “التحليل الطيفي” لمجال التردد (FDS) وهي قابلة للتطبيق على جميع الترددات من منطقة (Hz) إلى منطقة (GHz) وما فوقها.

كما من السهل جداً التعامل معها، ولكنها تستغرق وقتاً طويلاً لقياس الترددات المنخفضة حيث تستغرق مدة الموجات الجيبية، على سبيل المثال (10 Hz)، أي حوالي 27 ساعة، وذلك دون مراعاة جميع الترددات الأخرى التي يجب قياسها أيضاً.

طريقة قياس (PDC) التقليدية:

هناك طريقة أخرى لقياس خصائص العزل الكهربائي وهي تطبيق خطوة الجهد على الأصل الذي تم اختباره وقياس تيار الاستقطاب الناتج لبعض الوقت، بحيث يمكن نقل هذه المعلومات المعتمدة على الوقت إلى خصائص عازلة تعتمد على التردد.

كما يطلق عليه قياس تيار إزالة الاستقطاب (PDC) حيث أنه لم يتم قياس ومقارنة الاستقطاب فحسب؛ بل أيضاً تيار إزالة الاستقطاب، كما تتطلب الخوارزميات الحديثة فقط تيار الاستقطاب الذي يخفض وقت القياس إلى النصف، وذلك باستخدام (PDC) بدلاً من (FDS)، بحيث يمكن تقليل وقت القياس بشكل كبير حيث يوفر قياس (PDC) واحد المعلومات لجميع الترددات التي يجب قياسها.