تقييم خصائص الرنين البيني لمختلف محولات القدرة الكهربائية

أهمية تقييم خصائص الرنين البيني لمختلف محولات القدرة الكهربائية

الرنين ظاهرة مألوفة جداً في الدوائر الكهربائية تحدث عندما يكون تردد شكل الموجة الواردة مشابهاً للتردد الطبيعي للدائرة الكهربائية، وعندما يحدث الرنين، قد يظهر الجهد الزائد المفرط، كما يلعب المحول الكهربائي، وهو الجهاز الرئيسي في شبكة المرافق، دوراً مهماً للغاية لأن فشل المحول يمكن أن يتسبب في انقطاع التيار الكهربائي بشكل خطير.

كما يمكن أن يكون سبب فشل المحولات عدة ظواهر، مثل الجهد الزائد المؤقت، كذلك قد يكون سبب الجهد الزائد المؤقت هو عملية التحويل وظاهرة البرق، كما يمكن أن يتبع آخر نظام بجهد دفع عالي يشكل خطورة على المحول، حيث يمكن تصنيف وضع الفشل لأعطال المحولات إلى عازل كهربائي وحراري وفيزيائي وكيميائي وميكانيكي، بحيث تبلغ حالات فشل المحولات الناتجة عن مشكلة عازلة مرتبطة بجهد كهربائي (37٪)، كما ويهيمن على موقع الفشل في اللف (43٪) وبالتالي؛ فإن فشل المحولات الكهربائية يهيمن عليه الوضع العازل الناتج عن ضغط الجهد على اللفات.

تؤدي هيمنة فشل المحولات التي أشار إليها “عزل الانهيار”، وهو مصدر قلق حقيقي للبحث، وذلك أثناء التشغيل، حيث عانت محولات الطاقة من أنواع مختلفة من الضغوط، كما أن الجهد الكهربائي الزائد هو أخطر إجهاد حدث على الأرجح، وعادة؛ فإن الجهد الكهربائي الزائد والمفرط الذي تعاني منه المحولات هو الجهد الدافع نفسه.

ومع ذلك؛ فإن الجهد النبضي سيعاني من التشوه والتذبذب أثناء السفر في الشبكة. على الرغم من حماية المحولات بواسطة موانع أو حماية من زيادة التيار، إلا أن الجهد الزائد المفرط الذي يحدث في الشبكة لا يزال له تأثير كبير على لف المحولات، خاصة على عزل اللف. هناك تقارير مختلفة عن أعطال المحولات نتيجة للجهد الزائد أثناء التشغيل.

وكل ذلك على الرغم من عدم وجود مؤشر على وجود عيوب أو أعطال أثناء الاختبار وأيضاً محمية بواسطة مانعات التوقيف، وفي ظل هذه الظروف؛ فإن أحد العوامل التي يُشتبه في أنها سبب فشل المحولات هو تأثير الرنين على المحول الكهربائي.

أيضاً تم إجراء العديد من الدراسات للتحقيق في تأثير تصميم المحولات على “ظواهر الرنين”، وذلك بناءً على التقارير، بحيث يعد الرنين فوق الجهد ظاهرة فريدة لكل محول والشبكة المتصلة به، كما لا يمكن استخدام خصائص المحولات الحالية في المحولات الأخرى، إما بسبب التصميم والمواد المستخدمة والبيئة التي تم تركيب المحول فيها.

وعلى الرغم من إجراء العديد من الدراسات حول هذه الظاهرة، إلا أنه لا يوجد معيار ومرجع حالي فيما يتعلق بكيفية تجنب هذه الظاهرة، وما هي الحماية التي يجب تثبيتها لمنع تلف المعدات بسبب هذه الظاهرة.

كذلك لا تزال خصائص الرنين كتأثير تصميم المحولات مثل تصميم اللف والتصميم الأساسي والمواد والزيت وغيرها بحاجة إلى الدراسة، كذلك تعتبر خصائص الرنين للمحولات الحالية مهمة أيضاً لتوفير البيانات الأولية كدليل، كما قد تكون هذه البيانات الأولية مهمة لمصمم المحولات ومهندس المحولات لتقليل تلف المعدات الناجم عن هذه الظواهر.

تفسير حصول ظاهرة الرنين الكهربائي في المحولات

تظهر ظاهرة الرنين عندما يتأثر النظام بالإثارة الدورية بتردد مماثل لتكرار “التذبذب الطبيعي”، وخاصةً إذا كان لمصدر الإثارة نفس التردد مثل “التردد الطبيعي” للنظام؛ فإن استجابة النظام لهذه الإثارة يمكن أن تكون عالية جداً، كما يحدث الرنين الكهربي في دائرة عندما تكون “المفاعلة السعوية” مساوية للمفاعلة الحثية عند التردد الطبيعي، بحيث يعتمد على المكثف (C) والحث (L).

يمثل الشكل التالي (1) مثال لدائرة الرنين مع (L1 1 mH)، (L2 50 mH)، (C1 1 μF)، (C2 0.02 μF)، حيث أن كلتا الدائرتين لها تردد طبيعي متساوٍ، كما ويمثل الشكل التالي (2) مدى الاستجابة الزمنية التي تحاكي تأثير الرنين.

وفي الشبكة الحقيقية، يحدث الرنين عندما يأتي التردد المحدد لشكل الموجة الواردة إلى الدائرة بتردد طبيعي متساوٍ كما هو موضح في الشكل التالي (3)، كما وتظهر استجابة التردد لهذه الحالة في الشكل التالي (4) وتحدث هذه الحالة المماثلة عندما يأتي شكل الموجة الواردة إلى لف المحولات الداخلية، لذلك سيحدث الرنين عندما يكون تردد شكل الموجة الوارد مساوياً للتردد الطبيعي لملف المحولات.

طرق إدارة التحكم بخصائص رنين محولات القدرة

تم إجراء العديد من الأبحاث لمعرفة خصائص الرنين كأثر لتصميم اللف، وعلى عكس الدراسات السابقة التي تستخدم بشكل عام شكل موجة مستطيلة كشكل موجة مدخلة؛ فقد أجريت هذه الدراسة باستخدام شكل “موجة جيبية” بنطاق تردد يصل إلى (2) ميجا هرتز، بحيث يتم اختيار شكل “الموجة الجيبية” هذا لأن الهدف من هذا البحث هو الحصول على خصائص التردد الشاملة.

حيث أن التجربة التي تم إجراؤها في هذه الدراسة باستخدام اثنين من الرسوم المُصغرة المختلفة من محولات التوزيع (20) كيلو فولت، حيث أن الأول كان عبارة عن محول توزيع بقدرة (10) كيلو فولت أمبير مع ملف من نوع الطبقة، أما الثاني عبارة عن محولات توزيع بقدرة (10) كيلو فولت أمبير مع ثلاثة أنواع مختلفة من نوع القرص الملفوف على لف عالي الجهد.

أيضاً تستخدم المرحلة (A) ملفاً من نوع القرص المستمر وتستخدم المرحلة (B) ملفاً من نوع قرص الدرع والمرحلة (C) تستخدم ملفاً من نوع قرص الإغلاق، حيث أن تصميم المحول الذي تم تطبيقه في هذا البحث هو تصميم محول خاص بدون زيت وبدون تطبيق البطانات ونقطة سحب إضافية كل 25٪ من إجمالي المنعطفات.

أيضاً تم تحديد نقاط القياس لكلا المحولين في الموضع (A) (25٪ من الملف الكامل)، (B) (50٪ من اللف الكامل)، (C) (75٪ من اللف الكامل)، (D) (100٪ أو الملف الكامل)، كذلك لكلاهما حيث إن هناك لف منخفض الجهد ولف الجهد العالي، حيث يوضح الشكل التالي (5) صورة كائن الاختبار ويظهر الشكل (6) تصميم اللف الرئيسي.

وبالنسبة للمحول مع ملف قرص واقي؛ فإنه يحتوي على مادة عزل خاصة إضافية بين المنعطفات في نفس القرص، وذلك على عكس الملفات الأخرى، لذلك؛ فإن لف قرص الإغلاق ليس له مسافة بين القرص وبالتالي؛ فإنه من المتوقع أن تكون السعة التسلسلية لقرص الإغلاق ولف قرص الدرع أعلى من لف القرص المستمر.

ولتحليل خصائص التردد للملف؛ فقد تم استخدام تقنية (SFRA) الحالية، كما أنها تتصف بنطاق الإعداد التجريبي باستخدام معدات (SFRA) كما هو موضح في الشكل التالي (7)، وأثناء التجربة تم توصيل الملف الآخر غير المختبَر والمحطة المحايدة بالأرض، وهذه سوف تقضي على تأثير اللفات الأخرى غير المختبرة، حيث سيتم استخدام خصائص (SFRA) لتحليل خصائص الرنين للمحول، بما في ذلك خصائص الرنين البيني.