تأثير ثقب السقيفة على الأداء الكهربائي للعازل المركب

الأداء الكهربائي وعلاقته بمشاكل ثقب سقيفة العازل

منذ الثمانينيات، تم استخدام عازل مركب مطاط السيليكون على نطاق واسع في نظام نقل الجهد العالي لوزنه الخفيف وقوته الميكانيكية العالية وسهولة تركيبه، وذلك على الرغم من أن أداء وميض العازل المركب تحت ظروف الجليد أقل قليلاً من أداء عوازل البورسلين أو الزجاج التقليدي، إلا أن وميض التلوث الخاص به أفضل بكثير من الأخير في المناطق شديدة التلوث تحت ظروف رطبة.

وفي ثلاثة خطوط نقل التيار المتردد عالية الجهد (UHV)، والتي تم تشغيلها في الصين في عام 2016م؛ فقد كانت نسبة العوازل المركبة تتكون من حوالي 60٪ من جميع عوازل الخطوط، وفي خطوط النقل الكهربائية الستة (UHV DC) التي تم إنشاؤها مؤخراً؛ فقد كانت هذه النسبة تصل إلى 85 ٪، وبنهاية عام 2016م تحديداً؛ فإنه تم استخدام حوالي 800 مليون عازل مركب في نظام نقل التيار المتردد والتيار المستمر بجهد اسمي مقدّر من 110 كيلو فولت إلى 1100 كيلو فولت.

وعلى الرغم من إحراز تقدم كبير في تكنولوجيا العازل المركب، لا تزال هناك العديد من المشكلات التي يجب حلها، ونظراً لأنها تعمل بشكل طبيعي في الهواء الطلق؛ فإنه يمكن أن تتدهور خصائصها الميكانيكية والكهربائية لتعرضها لظروف بيئية معاكسة مثل قوة المجال الكهربائي المرتفعة ودرجة الحرارة المرتفعة والتلوث الشديد.

مرافق الاختبار والعينات والإجراءات الخاصة بالعوازل المركبة

مرافق الاختبار المتعلقة بالعوازل المركبة

تم إجراء خمسة أنواع من التجارب وهي اختبار النبضات الصاعقة والتلوث والأمطار الملوثة والوميض الجاف والرطب لدراسة الأداء الكهربائي للعوازل المركبة التي أحدثت ثقوباً في حظائرها، كما أن الغرض من اختبار نبضات البرق هو التأكد من أن خطوط النقل تتحمل الجهد الزائد البرق الذي قد يحدث في الخدمة.

كما تم اختبار نوع عازل مركب بجهد (110) كيلو فولت، وتم إجراء الاختبار في الهواء الطلق في المختبر الهندسي الوطني لتكنولوجيا هندسة الجهد الفائق، وذلك على ارتفاع 2100 متر، كما تم الإعداد التجريبي ودائرة الاختبار المكافئة له موضحة في الشكل التالي.

لذلك؛ فإن أقصى جهد شحن هو (200) كيلو فولت لكل مرحلة وبطاقة قصوى تبلغ 20 كيلو جول، ومع وجود (36) مرحلة، يحتوي مولد الجهد النبضي على جهد شحن إجمالي يصل إلى (7.2) ميجا فولت وطاقة شحن إجمالية تصل إلى (720) كيلو جول.

كما يمكن أن يولد نبضة صاعقة قياسية (1.2 / 50 μs) ونبضة تحويل قياسية (250/2500 ميكرو ثانية) ونبضة تبديل بوقت أمامي يبلغ (2000) ميكرو ثانية أو حتى أطول، بحيث بلغت نسبة عدم اليقين في القياس 2.5٪ لقيمة جهد الاختبار (قيمة الذروة)، والتي تتوافق مع معيار (IEC 60060) و (IEEE St).

كما تم إجراء اختبارات التلوث والمطر الملوث للعوازل المركبة ذات الفولتية المقدرة (500) كيلو فولت في غرفة الضباب في المختبر الهندسي الوطني لتكنولوجيا هندسة الجهد الفائق، وفي غرفة الضباب موضحة في الشكل التالي، حيث أنها واحدة من أعلى العروض في العالم التي تسمح باختبار التلوث حتى (800) كيلو فولت تيار متردد و (1000) كيلو فولت تيار مستمر.

حيث أن أبعادها [26 م (عرض)] × [26 م (طول)] × [30 م (ارتفاع)]، وفي هذه الاختبارات؛ فقد تم توفير الطاقة بواسطة محول اختبار (4800) كيلو فولت أمبير / (800) كيلو فولت والذي يفي بالمتطلبات الموصى بها، وبالنسبة لاختبارات التلوث؛ فإنه تم توليد الضباب البخاري بمعدل إدخال (0.05 ± 0.01 كجم / (h⋅m3)) بواسطة المرجل.

بالرجوع إلى حجم الغرفة (20،280) متر مكعب؛ فإنه يجب أن يكون معدل البخار الناتج على الأقل يساوي (1014) كجم / ساعة، وذلك لتحقيق كثافة الضباب المطلوبة، بحيث تم تصميم المرجل بقدرة (1500) كجم / ساعة، وذلك لإجراء اختبارات تلوث المطر، كما تم تركيب (13) مجموعة من الفوهات على حامل كما هو موضح الجزء الثاني للشكل.

عينات الاختبار المتعلقة بالعوازل المركبة

تم اختبار ثلاثة أنواع من العوازل المركبة، وهي (FXBW-35/70) و (FXBW4-110 / 70-A) و FXBW4-500) 240-C)، وفي هذه الدراسة؛ فقد تم تصنيفها على أنها النوع (A) والنوع (B) والنوع (C)، حيث يتم توضيح ملفات تعريف هذه العوازل في الشكل التالي:

إجراءات الاختبار المتعلقة بالعوازل المركبة

لضمان الأداء المطلوب للعازل المركب، والذي يهدف إلى تجنب حدوث عطل غير مرغوب فيه للعازل؛ فقد تم إجراء العديد من اختبارات وميض الضوء في مواقع مختلفة، وفي اختبارات الدافع البرق والتلوث والأمطار الملوثة، تم اعتماد طريقة (down) للحصول على (50٪) من جهد الوميض (U50٪)، وبخطوة (ΔU) بنسبة (5٪) من جهد الفلاش الأخير (أو جهد الفلاش المتوقع في المحاولة الأولى).

وفي كل اختبار؛ فإنه يتم تحديد الجهد التالي من خلال نتيجة الاختبار الأخيرة، خاصةً إذا صمد آخر جهد تجريبي؛ فسيتم زيادة الجهد التجريبي التالي بمقدار (ΔU)، وخلاف ذلك؛ فإنه يتم تقليله وفقاً لتلك الإجراءات، حيث يُظهر الجهد التجريبي الأول نتيجة اختبار مختلفة عن النتيجة الأخيرة (من الصمود إلى الفلاش أو العكس)، كما ويتم تعريف الاختبارات التالية على أنها اختبارات صالحة لكل عينة، بحيث يتم إجراء ما لا يقل عن (10) اختبارات صالحة.

وبعد ذلك؛ فإنه يمكن حساب (U50٪) والانحراف المعياري النسبي (RSD) من خلال:

كما تم استخدام طريقة الارتفاع المستمر في اختبار الوميض الجاف واختبار الوميض الرطب، وذلك نظراً لميزتها في الحصول على عدد كبير من نتائج الاختبار في وقت قصير نسبياً، وباستخدام هذه الطريقة؛ فإنه يتم زيادة الجهد المطبق أولاً بمعدل مرتفع إلى (75٪) من جهد الفلاش المقدر (Ue).

وبعد ذلك؛ فإنه يتم تغيير معدل زيادة الجهد إلى حين يحدث وميض، بعد ذلك يتم حساب جهد وميض الضوء (Ur) عن طريق حساب متوسط قيم جميع الاختبارات الصالحة، والتي تشبه المعادلة (1)، ونظراً لأن جهد الفلاش مرتبط بالظروف الجوية مثل ضغط الهواء؛ فإنه يتم تصحيح الجهد المقاس (U) إلى جهد وميض الضوء عند مستوى سطح البحر عن طريق:

حيث:

(U): هو جهد الفلاش عند ضغط هواء منخفض (ارتفاع عال).

(U0): هو جهد وميض عند الضغط القياسي عند مستوى سطح البحر (101.3 كيلو باسكال).

(m): هو ثابت يميز تأثير ضغط الهواء على جهد وميض الضوء وهو (0.58) لـ اختبار نبضات الإضاءة و (0.54) لاختبار وميض التيار المتردد.

وفي اختبار النبضات الصاعقة؛ فقد تم إجراء عوازل مركبة نظيفة من النوع (B) بموجة نبضة قياسية (IEC)، بحيث تبلغ (1.2 / 50) ميكرو ثانية.

وفي اختبار التلوث؛ فإنه تم تنظيف العازل أولاً بعناية للتأكد من إزالة جميع آثار الأوساخ والشحوم، وبعد ذلك تم تلويث سطح العازل صناعياً باستخدام طريقة الطبقة الصلبة، ولمحاكاة التلوث؛ فإنه تم استخدام كلوريد الصوديوم (NaCl) لتمثيل المادة القابلة للذوبان بينما تم اختيار الكاولين لتمثيل المكون غير القابل للذوبان.

كذلك تمت إضافة خليط كلوريد الصوديوم والكاولين الموزون إلى ماء منزوع الأيونات ثم تم تغطيته بشكل موحد على سطح العازل بطريقة اللصق، وعادةً ما تُستخدم كثافة رواسب الملح المكافئة (ESDD) لتوصيف درجة التلوث، حيث تم إجراء ثلاثة أنواع من (ESDDs) بمقدار (0.05 مجم / سم 2) و (0.10 مجم / سم 2) و (0.15 مجم / سم 2) في اختبار التلوث.