تقييم حالة عزل المولدات على أساس قياس التفريغ الجزئي

أهمية عزل المولدات الكهربائية على أساس قياس التفريغ الجزئي:

يعد لف الجزء الثابت مكوناً رئيسياً للآلات الكهربائية الدوارة عالية الجهد (HV) في المولدات والمحركات الكبيرة، كما يمكن أن يؤدي فشل عزل “الجزء الثابت” للآلة الدوارة ذات الجهد العالي إلى أضرار كارثية للمعدات وفقدان أو خفض خرج الطاقة وانقطاع قسري طويل وتكاليف باهظة للمرفق.

كما أن فشل عدد كبير من الآلات الدوارة ذات الجهد العالي بسبب مشاكل لف الجزء الثابت، وخاصة تدهور العزل، بحيث تبقى الضغوط الكهربائية والميكانيكية والحرارية والبيئية من العوامل الرئيسية لتدهور العزل وتسريع التلف، كما تفرض هذه الضغوط، وبشكل فردي وجماعي تدهور عزل لف الجزء الثابت.

ولقد ثبت أن عزل لف الجزء الثابت هو أيضاً أحد المكونات الأكثر ضعفاً، والمستخدمة في آلة الدوران ذات الجهد العالي، كما تظهر الدراسات بأن حوالي 30-40٪ من حالات فشل الآلة الدوارة بدأت من مشاكل في عزل الجزء الثابت، وعلاوة على ذلك؛ فقد أظهر استطلاع حديث نُشر مؤخراً، أن النسبة المئوية لحالات الفشل المتعلقة بالجزء الثابت تبلغ حوالي 60-70٪ للآلات الدوارة ذات الجهد العالي.

كما يتم تحديد موثوقية الآلات الدوارة تقريباً من خلال حالة عزل لف الجزء الثابت، لذلك؛ فإن تقييم حالة عزل الجزء الثابت خطوة حيوية لغرض تقدير العمر المتبقي وموثوقية الآلة الدوارة، وكان هناك الكثير من الجهد في تحديد أسباب تدهور وفشل عزل الجزء الثابت وإيجاد طرق لتقييم حالة الجزء الثابت أنظمة العزل في العقود الماضية.

من الناحية التاريخية، تم اقتراح العديد من الطرق والمعايير التقليدية لتقييم حالة عزل “الجهد العالي” في الأدبيات، مثل قياسات مقاومة العزل (IR) ومؤشر الاستقطاب (PI)، كذلك جهد الاسترداد والجهد المنحدر للتيار المستمر، السعة (C) وعامل التبديد (tan) واختبارات (hipot AC) و (DC) واختبارات التفريغ الجزئي.

كما هو مقترح في بعض المعايير؛ فإن كل هذه الطرق التقليدية مكملة ولكنها غير كاملة، ومن ناحية أخرى  لا تزال المعلمات غير المدمرة المستخدمة لتقييم حالة عزل لف الجزء الثابت موضع خلاف، لذلك؛ فإن من الضروري العثور على المعلمات الحساسة وتطوير بعض طرق التقييم الجديدة لبيان حالة التدهور وتقييم عزل لف الجزء الثابت.

إجراءات عزل شريط الجزء الثابت في المولدات:

عندما يتم عزل قضبان النموذج الثابت من راتنجات الايبوكسي (الميكا الغنية) بسمك (3.5) مم وموصل قضبان النموذج مصنوع من الألومنيوم بطول (1200) مم، يظهر عندها هيكل شريط الجزء الثابت كما في الشكل التالي.

لدراسة المعطيات المميزة وأنظمة البناء لقضيب الجزء الثابت؛ فإنه تم استخدام قضبان النموذج الثابت لإجراء اختبار التحمل المتسارع في المختبر، وكما ذكر أعلاه؛ فإنه تم فرض العديد من الضغوط على عزل قضيب الجزء الثابت أثناء التشغيل.

ووفقاً لمعيار (IEEE Std.275)؛ فإنه تم تطبيق ضغوط حرارية وميكانيكية وضغوط بيئية بالتسلسل، وذلك بالنظر إلى عملية البناء لقضيب الجزء الثابت أثناء التشغيل الحقيقي للمولد الكبير، حيث تم اقتراح نموذج اختبار متعدد الإجهاد مشترك، وكما هو موضح في التالي؛ فإنه تم فرض ضغوط الاهتزاز الكهربائية والحرارية والميكانيكية على قضبان الجزء الثابت في وقت واحد.

أيضاً تم إجراء اختبارات تقادم التسارع على قضبان النموذج الثابت عند مستويات ضغط مختلفة لتزامن شريط النموذج، كما تم تصميم مستويات الإجهاد المختلفة على النحو التالي:

الإجهاد الكهربائي: تعتبر “شدة المجال الكهربائي” القديمة (6.5 كيلو فولت/ مم)، والجهد التقادمي حوالي 22.75 كيلو فولت.

الإجهاد الحراري: درجة حرارة التقادم 180 درجة مئوية.

الضغط الميكانيكي: تردد الاهتزاز 100 هرتز ومدى الاهتزاز 1000 ميكرومتر، وذلك من أجل قياس المعلمات غير المدمرة، حيث تم طلاء السطح العازل لنهايات عينات شريط النموذج بطلاء كربيد السيليكون لقمع الهالة لتطبيق الإجهاد الكهربائي.

قياس المعطيات الخاصة بالمولدات الكهربائية:

اختبار PD:

تم إجراء قياس (PD) بعد كل دورة، بحيث يتم استخدام بعض معطيات (PD)، وذلك لتقييم حالة عزل الجزء الثابت تحت عمليات البناء متعددة الإجهاد، كما تم إجراء اختبار جهد الانهيار (VBD) على جميع العينات طوال فترة التقادم بأكملها لتحديد (VBD) المتبقي بعد الحصول على معلمات (PD).

وبهذه الطريقة؛ فإنه يمكن الحصول على الخصائص العازلة لتدهور عزل الجدار الأرضي مع مرور الوقت من كل قياس غير تدميري. يمكن دراسة العلاقة بين المعلمات غير المدمرة و (VBD) بناءً على القياس النهائي.

اختبار التدمير (غير البناء) المتردد:

يتم إجراء تجربة مدمرة للتيار المتردد للكشف عن قدرة الجهد على تحمل قضبان الجزء الثابت، كما تم تقسيم العينات بعد كل دورة تقادم من أجل الحصول على العلاقة بين جهد الانهيار (VBD) ووقت التقادم، وتم إجراء جميع اختبارات الأعطال وفقاً لمعيار (IEC) ذات الصلة.

كما انخفض عدد العينات تدريجياً بعد كل دورة تقادم بسبب الانهيار، وانتهى التقادم المتسارع للعوامل المتعددة بعد تفكيك جميع العينات، حيث أظهرت نتائج الاختبار أن موقع الانهيار كان يقع بشكل أساسي على حافة شريط الجزء الثابت.

كذلك كانت الضغوط الكهربائية والحرارية والميكانيكية هي الأشد عند حافة الشريط أثناء التقادم المتسارع للإجهاد المتعدد، وذلك حيث كان المجال الكهربائي أيضاً هو الأعلى خلال اختبار الانهيار، لذلك؛ فإنه تم تقسيم جميع العينات تقريباً عند حوافها.

تحليل القياس والنتائج:

اكتسبت خصائص تقنيات اكتشاف (PD) موثوقية أكبر في السنوات الماضية، والتي تعتبر الآن واحدة من أكثر أدوات التشخيص فائدة للمولدات، كما بذلت جهود على مدار سنوات لربط حجم (PD) والطاقة والمعلمات الأخرى بأضرار العزل، حيث يعد فهم آليات (PD) وتدهور المواد العازلة أمراً مهماً لتحسين موثوقية التشخيص.

وفي السنوات الأخيرة، أدى تقدم أجهزة الكمبيوتر وتقنيات التعرف على الأنماط إلى أتمتة وتحسين عملية تفسير (PD)، ونتيجة للمعالجة بمساعدة الكمبيوتر؛ فإنه يمكن تفسير كميات هائلة من قياسات (PD) بكفاءة وموثوقية عالية.

كما أن طرق التعرف على الأنماط المعروفة المطبقة على تحليل (PD)، وهي “الأنظمة الخبيرة” والشبكات العصبية والمصنفات الضبابية والنماذج الكسورية والطرق الإحصائية وغيرها، بحيث تعكس مخططات الطور التي تم حلها بشكل مباشر خصائص توزيع النبضات لـ (PD).

اكتسب القياس غير التدميري موثوقية عالية، كما ويعتبر الآن أحد أكثر الأدوات المفيدة لتشخيص العزل وتقييم البناء للمولدات، ومن أجل التحقق من أعراض البناء وعوامل الارتباط مثل معلمات التشخيص الكهربائي، فإنه تم استخدام اختبار قياس التفريغ الجزئي (PD) لتقييم حالة عزل الجزء الثابت في هذا البحث.

كما تم استخدام قضبان النموذج الثابت لإجراء اختبار البناء المتسارع، بحيث تم التحقيق في خصائص أشكال توزيعات (PD) التي تم حلها بمرحلة الطور، كما تم تحليل العلاقات بين بيانات المعلمات الإحصائية لجهد الانهيار (VBD) و (PD)، وذلك بشكل منهجي باستخدام نهج المربع الجزئي (PLS).

وتشير نتائج الاختبار إلى أن توزيعات (PD) التي تم حلها في الطور تتغير بشكل ملحوظ مع مرور الوقت ويمكن استخدامها لوصف ظاهرة (PD)، والتي توفر ملفات تعريف خصائص توزيعات (PD) التي تم حلها بمرحلة معلومات حول العيوب في العزل التي تحدث فيها عمليات التفريغ الجزئي.