خصائص توزيع المجال الكهربائي في زيت محولات القدرة

التركيز على توزيع المجال الكهربائي في زيت محولات القدرة

يعتبر المحول أحد الأجهزة الأساسية لتحويل “الطاقة الكهربائية” ونقلها في نظام الطاقة، بحيث تم اعتماد زيت المحولات والذي يتميز بمزايا أداء عزل الآبار وخصائص العزل الكهربائي، وذلك كعوازل عزل رئيسية للمحول، وفي الوقت الحالي وفيما يتعلق بتصميم العزل؛ فإنه يتم استخدام برنامج المحاكاة التجارية بشكل شائع لحساب وتحليل المجال الكهربائي لهيكل العزل.

وبناءً على مبدأ تقسيم الجهد السعوي ومن ثم يتم أخذ هامش أمان معقول كضمان إضافي، حيث أفادت بعض الدراسات المعينة أنه يمكن أن يؤدي إلى تراكم “شحنة الواجهة” أو الترحيل تحت تطبيقات الجهد الكهربائي، مما قد يكون له تأثير غير مهم على المجال الكهربائي، كذلك يبرز التحديات التي تواجه فعالية تصميم العزل.

كما يشير إلى أن طرق المحاكاة الحالية لها قيود معينة لتلبية متطلبات تصميم عزل المحولات، وأن فعاليتها لا ترقى إلى مستوى التحقق من القياس الفعلي، بحيث يعد تطبيق الجهد النبضي أحد ظروف تشغيل المحولات الكهربائية وقد تم الإبلاغ عن عدد من الحالات حول أن العديد من المحولات قد عانت من تلف العزل بسبب صاعقة أثناء التشغيل الميداني أو الاختبار الروتيني قبل التسليم.

وبالتالي؛ فإنه من الضروري جداً إجراء القياس الفعلي لخصائص المجال الكهربائي في زيت المحولات تحت الجهد النبضي واستكشاف عملية حركة الشحنة الفضائية والكشف عن قوانينها الديناميكية في زيت المحولات.

لذلك أجرى العلماء والمختصين بالفعل عدداً معيناً من الدراسات فيما يتعلق بخصائص المجال الكهربائي وشحنة الفضاء في المواد العازلة السائلة، وبالنسبة لمقاربات القياس الكهربائية في المواد العازلة السائلة فقد تم إثبات طريقة كير الكهرو بصرية، وذلك كواحدة من أكثر طرق قياس عدم التلامس فعالية.

كذلك من خلال تصوير أنماط التداخل الكهروضوئي تحت الجهد النبضي، بحيث تم الحصول على خصائص توزيع المجال الكهربائي في السوائل عالية الثبات (Kerr) مثل “النيتروبنزين” والمياه النقية وكربونات البروبيلين في تركيبات وتركيبات الأقطاب الكهربائية المختلفة.

مبدأ قياس المجال الكهربائي الخاص بزيت محولات القدرة

تحت تأثير المجال الكهربائي؛ فإنه يُظهر زيت المحولات تأثير الانكسار، كما يحدث فرق الطور (θ) بين مكون شدة الضوء المتعامد على اتجاه “المجال الكهربائي” ومكون شدة الضوء الموازي لاتجاه المجال الكهربائي، بحيث يتناسب فرق الطور هذا مع ثابت كير للوسط السائل وطول منطقة المجال الكهربائي ومربع شدة المجال الكهربائي، وبالنظر إلى المسار البصري المحدد؛ فإن “شدة ضوء الخرج” وشدة ضوء الإدخال تحمل مثل هذه العلاقة مع المجال الكهربائي المطبق (E) كما يلي:

وفي المعادلة السابقة، يشير (I) إلى شدة ضوء الإدخال، كما ويمثل (Io) شدة ضوء الخرج، ويمثل (Em) شدة المجال الكهربائي عندما تصل شدة الضوء إلى قيمة الذروة الأولى، والتي ترتبط فقط بثابت (Kerr B) للزيت و الطول (L) لمنطقة المجال الكهربائي المقاسة، وذلك كما هو موضح في المعادلة التالية:

ووفقاً للحالة الفعلية لجهاز القياس، تم اختيار (L) كـ (1m) و (B) كـ (2.3 × 1015m / V2)، ثم (Em) كان (14.74 كيلو فولت / مم)، وبدمج المعادلتين (1) و (2)؛ فإنه يمكن حساب شدة المجال الكهربائي المطبق.

عندما تتغير شدة الضوء مع المجال الكهربائي، وخاصة عندما تتجاوز قوة المجال الكهربائي المطبق (Em)، لذلك ستظهر شدة الضوء قيم ذروة مرتين في كل من مرحلة مقدمة الموجة ومرحلة ذيل الموجة أثناء تطبيق الجهد النبضي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي:

ولتسهيل الوصف؛ فإنه يُشار إلى سعة الجهد المطبق المقابلة لشدة ذروة الضوء في مرحلة مقدمة الموجة على أنها (Uh) ويُشار إلى الوقت المقابل عندما تظهر قيمة ذروة شدة الضوء على أنها (Ph)، بحيث يتم تمييز سعة الجهد المطبق المقابل لشدة ذروة الضوء في مرحلة ذيل الموجة على أنها (Ut)، كما ويتم تمييز الوقت المقابل على أنه (Pt)، وفي حالة عدم وجود شحنة فضائية في الزيت؛ فإنه يجب أن يتساوى (Uh) و (UT).

وتم تصميم المنصة التجريبية المعتمدة وكان الحد الأدنى لحساسية المنصة (3.5 كيلو فولت / مم)، وكان الحد الأقصى للانحراف (3.6٪)، ونموذج الاختبار المطبق في هذا البحث هو أيضاً نفس النموذج المستخدم، والذي يتكون من قطبين لوحيين متوازيين بمسافة (d) تبلغ (5 مم).

كما هو مبين في الشكل التالي، وبالنسبة للقطب الكهربائي، كان الطول (L) (1) متر، وكان العرض (W) يساوي (80) مم، وكان تساوي السطح أقل من (0.1) مم، ودرجة سطح التشطيب (1.6) مايكرومتر، بحيث تقع نقطة سقوط شعاع الليزر أحادي الموجة في منتصف القطبين.

وبين الأقطاب تمت ملئها بزيت محول، والذي تم ترشيحه للنقاء وتجفيفه وإفراغه من الغاز لمدة 48 ساعة تحت ظروف فراغ 85 درجة مئوية، وتم تسجيل محتوى الرطوبة في الزيت المعالج على أنه (7.98-8.27) (ميكرو لتر / لتر)، والذي يلبي متطلبات المعايير ذات الصلة.

وكما هو مبين في الشكل التالي، تم اعتماد وقوع الليزر أحادي النقطة لقياس المجال الكهربائي، ونتيجة لذلك؛ فإن المجال الكهربائي في موضع القياس هو المجال المشترك الناتج عن كل من المجال الكهربائي الدافع المطبق وشحنات الفضاء في الزيت.

يمكن أن تكون جميع الشحنات في الزيت معادلة لشحنات السطح على مستوى (XZ)، حيث يوجد شعاع الضوء، والذي قد يشكل الاختلاف في سرعة حركة ناقلات الشحنة على طول الاتجاه (Y) توزيعاً غير منتظم للشحنات بينما يظهر المستوى (XZ) توزيعاً موحداً للشحنات.

لذلك؛ فإنه يمكن النظر إلى توزيع الشحنة في فجوة الزيت بين الأقطاب الكهربائية على أنه العديد من طبقات الشحن، كما ويعتمد القطبية الكلية لكل طبقة شحنة على مقارنة عدد الشحنات الموجبة والسالبة.

لذلك إذا كان المجال الكهربائي المقاس أصغر من مجال النبضة المطبق؛ فإن الشحنات على المستوى ستكون مكافئة لشحنات موجبة، وعلى العكس من ذلك، ستكون الشحنات على المستوى معادلة “للشحنة السالبة”، وذلك باستخدام نظرية “تدفق غاوس”، لذلك يمكن الحصول على كثافة الشحنة المكافئة في سطح غاوس على النحو التالي.

في المعادلة السابقة، تشير (Q) إلى الكمية الإجمالية للشحنات الكهربائية في سطح (Gaussian)، كما وتمثل (S) مساحة السطح (Gaussian) و (εr) تشير إلى “السماحية النسبية” للوسط العازل، و (ε0 = 8.85 × 10−12F / m)، والتي تمثل سماحية الفراغ.

بالنظر إلى أن قطر شعاع الليزر (1 مم) أصغر بكثير من عرض القطب (80 مم)؛ فإنه يمكن اعتبار مستوى سقوط الليزر الموازي للأقطاب الكهربائية (مستوى XZ) على أنه سطح لا نهائي مشحون بالتساوي بالقرب من قياس الموقف.

أيضاً يتم تمييز كثافة شحنة السطح على أنها (σ) وتولد المجالات الكهربائية (EQ)، كما هو موضح في الشكل السابق، بحيث يتم أخذ السطح الأسطواني المغلق ثنائي الاتجاه كسطح “غاوسي” ويمكن الحصول على المعادلة (4) من تناظر النموذج، وبعد ذلك؛ فإنه يمكن الحصول على كثافة الشحنة المكافئة لطبقة الشحن بالمعادلة (5).