قياسات التفريغ الجزئي على كابلات القدرة الكهربائية

ضرورة قياسات التفريغ الجزئي على كابلات القدرة الكهربائية:

تعد مراقبة حالة معدات الجهد العالي أمراً إلزامياً، وذلك لمنع الأعطال وتقليل تكاليف الصيانة والتشغيل وأيضاً لإطالة عمر المصنع، كما أن قياس التفريغ الجزئي هو تقنية مهمة لمراقبة الحالة لتقييم “حالة العزل” لمعدات الجهد العالي مثل كابلات الطاقة والمولدات ومحولات المحركات و (ct’s pt) وما إلى ذلك.

كما أن قياس التفريغ الجزئي هو اختبار تشخيصي غير مدمر لتحديد موقع الخطأ الأولي في نظام العزل، وذلك بالمقارنة مع جميع الآلات الكهربائية الأخرى؛ فإنه يكون نظام كابلات الطاقة المبثوقة أكثر عرضة لفشل التفريغ، حيث يلخص هذا الطرح مختلف تقنيات “قياس التفريغ الجزئي” والقضايا وتقنيات معالجة الإشارات المتاحة للتخلص من التداخلات المرتبطة باستخراج إشارة (PD).

تعريف التفريغ الجزئي في الكابلات الكهربائية:

التفريغ الجزئي هو التفريغ الكهربائي نفسه، ويسمى “الموضعي”، وهو الذي يرتبط جزئياً فقط بالعزل بين الموصلات والذي يمكن أو لا يمكن أن يحدث بجوار موصل، كما أن التفريغ الجزئي هو بشكل عام نتيجة لتركيزات الإجهاد الكهربائي المحلي في العزل أو على “سطح العزل”.

تعتبر كورونا هو شكل من أشكال “التفريغ الكهربائي”، والذي يحدث في الوسط الغازي حول الموصلات التي تكون بعيدة عن المواد العازلة الصلبة أو السائلة، كما أن التفريغ الجزئي غالباً ما يكون مصحوباً بانبعاث الصوت والضوء والحرارة والتغيرات الكيميائية، حيث يقاس بوحدات الشحن المعروفة باسم (pico-Coulombs) أو الميليفولت.

حدوث إفرازات جزئية:

من المعروف جيداً أن أحد الأسباب الأكثر شيوعاً لفشل نظام العزل يحدث بسبب وجود شوائب تالفة، وعلى سبيل المثال، في حالة الكابلات المبثوقة أثناء التصنيع أو أنظمة عزل الورق المشبعة بالزيت مثل محولات الطاقة والمكثفات،؛ فإنه يتم إدخال الفراغات بشكل عام بسبب صيانة الفراغ السيئ أثناء دورة التشريب.

وعندما يتعرض نظام العزل لضغط الجهد؛ فإن نقاط الضعف هذه تؤدي إلى إجهاد موضعي زائد ويخضع لنشاط تصريف جزئي، وعلى الرغم من أن حجم هذه التصريفات عادة ما يكون صغيرا؛ إلا أنه من المعروف أنها تسبب تدهوراً تدريجياً وفي النهاية انهيار (فشل) العزل بسبب آثارها الكيميائية.

تسلسل التفريغ الجزئي في الكابلات الكهربائية:

غالباً ما يكون ثابت العزل لإدراج الفراغ غازاً أو خليطاً من الغازات، أو حتى أقل من ذلك من الموجود في “العازل الكهربائي” المحيط بحيث يكون الضغط الكهربائي في الفراغ أعلى منه في العازل، وبالتالي؛ فإنه انهيار باطل عند ضغط أقل.

وعندما يتعرض الفراغ لضغط أكبر من قيمة الانهيار (جهد الإشعال)، يحدث التفريغ بانتظام في كل نصف دورة لموجة الجهد المطبقة، كما يتم تحديد عدد عمليات التفريغ التي تحدث في كل نصف دورة بشكل أساسي من خلال الأعداد الصحيحة التي تتجاوز فيها ذروة الجهد المطبق جهد الإشعال للفراغ.

كذلك قد يحتوي عزل جميع معدات الطاقة على عدة تجاويف في مواقع مختلفة، وهذه بدورها قد تحتوي على مواقع تفريغ مختلفة، وبالتالي؛ فإنه إذا ظهرت التفريغات على راسم الذبذبات؛ فستظهر صورة معقدة، كما قد يظهر التسلسل الثابت والمتقطع وغير المنتظم للتصريفات بشكل منفصل أو متراكب، كذلك قد تحدث تصريفات السطح أيضاً في حالة وجود مكون إجهاد موازٍ لسطح العزل الكهربائي.

الفشل بسبب التفريغ الجزئي:

يؤدي التفريغ الجزئي إلى إتلاف كيميائي وميكانيكي للمواد المجاورة، كذلك انهيار العزل هو السبب الأول للأعطال الكهربائية، وفي معدات الجهد المتوسط والعالي؛ فإنه حقاً يعتبر التفريغ الجزئي أول مؤشر على انهيار العزل، كذلك معدل فشل المعدات الكهربائية بسبب التفريغ الجزئي بناءً على تقرير (IEEE).

كما ينتج التفريغ الجزئي في أنظمة كيبلات الطاقة عن عيوب مختلفة مثل الفراغات ونتوءات الدرع والملوثات والتركيب غير الصحيح للملحقات والتحكم غير المناسب في الضغط على الملحقات والعيوب التي نشأت بسبب التقادم، حيث تتوفر تقنيات القياس خارج الخط وعلى الخط لاكتشاف وقياس (PD).

تقنيات اختبار التفريغ الجزئي خارج الخط:

يتطلب الاكتشاف في وضع عدم الاتصال إلغاء تنشيط الكبل قيد الاختبار وفي بعض الحالات إزالته تماماً من نظام التوزيع، كما تتميز بميزة التحكم الدقيق في جهد الاختبار، وإذا احتاج الأمر؛ فإن يلزم رفع الفولتية فوق جهد التشغيل العادي.

كما يتطلب قياس التفريغ الجزئي للكابل المبثوق طويل الطول استخدام محولات مصدر خالية من (KVA) ذات تصنيف (KVA) عالي من أجل دفع تيارات سعوية أعلى، وللتغلب على هذه الصعوبة؛ فإنه يتم استخدام طرق بديلة مثل (VLF) (تردد منخفض جداً) و (OWTS) (مجموعة اختبار الموجة التذبذبية) و (DAC) وما إلى ذلك.

حيث يسمح مصدر التردد الكهربائي المنخفض جداً (VLF) بتنشيط الكابل عند 0.1 هرتز وبالتالي منع سحب أي تيار سعوي كبير وتقليل حجم مجموعة الاختبار، وذلك في حين أن الاختبار خارج الخط هو مورد قيم؛ فإن هذه الطريقة مكلفة بسبب متطلبات فصل الكابلات من “المحطة الفرعية”.

أما بالنسبة الى قياسات (PD) عبر الشبكة؛ فإنه يعتمد على اكتشاف التفريغ عند جهد التشغيل باستخدام أجهزة استشعار مناسبة، وذلك دون استخدام أي مصدر إضافي، وفي هذه الحالة؛ فإنه يتم إجراء الاختبار أثناء ظروف التشغيل الحقيقية وتحت درجة الحرارة النموذجية وضغوط الجهد ومستويات الاهتزاز.

كما أنه اختبار “غير إتلافي” ولا يستخدم الفولتية الزائدة التي يمكن أن تؤثر سلباً على الجهاز، بحيث يعد اختبار التفريغ الجزئي عبر الإنترنت غير مكلف نسبياً مقارنة بالاختبار غير المتصل بالإنترنت والذي يتطلب انقطاع الخدمة والإنتاج.

مشكلات قياسات PD عبر الشبكة:

مقارنة بالطرق خارج الخط ، ستكون حساسية قياسات (PD) ضعيفة للغاية بسبب التداخلات والضوضاء العالية، كما تظهر مشكلة أخرى تتعلق بقياسات (PD) عبر الشبكة عند وجود أكثر من مصدر واحد للإشارات على شكل نبضة في نظام الجهد العالي الكهربائي قيد الاختبار.

كما تستخدم أجهزة الاستشعار السعوية أو الحثية للكشف عن التفريغ الجزئي لقياس النبضات عالية التردد الناتجة عن التفريغ الجزئي، وبشكل عام تُستخدم المستشعرات السعوية للكشف عن (PD) في وضع عدم الاتصال وأجهزة الاستشعار الحثية للكشف عبر الشبكة.

كما أن أجهزة الاستشعار الحثية النموذجية هي مستشعرات التيار عالية التردد القائمة على الفريت (HFCT) توفر المستشعرات قياس النطاق العريض من 100 كيلو هرتز إلى 30 ميجا هرتز، بحيث تقترن هذه المستشعرات ذات النواة المنقسمة حثياً بالوصلة الأرضية لكل كابل طور.

الضوضاء والتدخلات التي تحدث أثناء قياس التفريغ الجزئي:

تعوق قياسات التفريغ الجزئي عبر الشبكة اضطرابات خارجية وداخلية، مما يقلل من حساسية القياسات، كما أن هناك ثلاثة أنواع شائعة من الاضطرابات وهي:

• التداخل الضيق النطاق.

• ضوضاء النطاق العريض.

• التداخل على شكل نبضة.

حيث أن إشارة النطاق العريض عشوائية بطبيعتها وأن طاقتها تنتشر بالتساوي على طول نطاق التردد بأكمله، بحيث تتركز إشارة “النطاق الضيق” في نطاق تردد ضيق وفي المجال الزمني تكون مستمرة ومتذبذبة بشدة، كما تكون الإشارة على شكل نبضة متقطعة في المجال الزمني وفي مجال التردد تكون قوتها منتشرة وتركز عادة على الترددات المنخفضة.