نمذجة المفاتيح الكهربائية القائمة على الكشف عن الترددات

أصبحت المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS) أجزاء أساسية من محطات الطاقة الكهربائية الفرعية بسبب المزايا المرتبطة، وعلى الرغم من أن هذه الأجهزة المرنة نادراً ما تعاني من الفشل؛ إلا أن التفريغ الجزئي (PD) مسؤول عن حوالي (85٪) من حالات الانهيار المسجلة، كما تم استخدام تقنيات الترددات الفائقة (UHF) على نطاق واسع في اكتشاف وتوطين (PD) لفترة طويلة بسبب مناعتها ضد الضوضاء.

أهمية نمذجة المفاتيح الكهربائية القائمة على الكشف عن الترددات

لقد حظي تحديد ما إذا كانت المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS) تعاني من التفريغ الجزئي (PD) باهتمام كبير منذ الأيام الأولى للمساهمة في السلامة التشغيلية وموثوقية هذه الأصول الكهربائية، وتقليدياً لقد ثبت أنه يمكن قياس شحنة (PD) الظاهر فقط، وبالتالي لا يمكن الحصول على معلومات كاملة حول أحداث (PD) باستخدام تقنيات قياس (PD) التقليدية.

أيضاً تم نشر تقنيات مختلفة لتحسين اكتشاف وتوطين (PD) في حاويات (GIS)، ومن بين هذه التقنيات تم استخدام تقنيات التردد الفائق (UHF) منذ الثمانينيات حيث أظهرت قمعاً كبيراً للضوضاء وحساسية عالية، كذلك تم استخدام تقنيات الكشف عن الترددات فوق العالية (UHF) على نطاق واسع للكشف عن (PD) والتصنيف والتوطين ولعيوب (PD) المختلفة في مختلف المعدات ذات الجهد العالي.

كما تتمثل العوائق الرئيسية لهذه التقنية في المعلومات المحدودة حول الحجم الدقيق لشحنات (PD) نظراً لعدم وجود ارتباط مباشر بين قوة إشارة (RF) المستقبلة وشدة (PD) والصعوبات المرتبطة بتركيب مستشعرات (UHF) في بعض الأجهزة مثل المحولات الكهربائية و أنظمة (GIS) المبنية.

وللتغلب على مشكلة المعلومات المحدودة حول حجم شحنة (PD) تم تطوير إجراء التحقق من حساسية (CIGRE) واستخدامه لتخصيص مستشعرات (UHF) على النحو الأمثل في حاويات (GIS)، بحيث يتكون إجراء التحقق من الحساسية من خطوتين وهما الاختبار المعملي والاختبار في الموقع.

في الخطوة الأولى يتم استخدام هوائي إرسال لحقن نبضة اصطناعية مماثلة في سلوكها لنبضة (PD) الفعلية، ثم يتم الحصول على الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة باستخدام مستشعر استقبال ثان، كما يستخدم هذا التحليل للحصول على استجابة التردد الكهربائي لأجهزة الاستشعار (UHF) وتأسيس حساسية شحنة (PD)، ومن ناحية أخرى تتم الخطوة الثانية في الموقع بينما تعمل أنظمة (GIS) لضمان أن الحساسية التي تم الحصول عليها كافية لاكتشاف (PD).

معايرة أجهزة الاستشعار للمفاتيح عالية الجهد الكهربائي

تستخدم معايرة حساسية أجهزة الاستشعار (UHF) لتطبيقات (PD) خلية نبضيه بقياس “غيغا هرتز” عرضية كهرومغناطيسية (GTEM)، بحيث يتم حقن نبضة إدخال بوقت صعود قصير جداً في خلية الاختبار لإنشاء مجال كهربائي دون النانو ثانية داخل الخلية، كما يتم استخدام مستشعر (UHF) الموجود في فتحة في (GTEM) لاستقبال إشارة الانتشار.

كذلك يتم الحصول على حساسية مستشعر (UHF) عن طريق حساب استجابة التردد الخاصة به، بحيث يتضمن ذلك حساب “الارتفاع الفعال” للمستشعر (مم) من خلال قسمة جهد مجال التردد الكهربائي الذي تم الحصول عليه (mV) على نبض المجال الكهربائي المحقون (V / m).

مكونات نموذج لنظام المعلومات الجغرافية بالمفاتيح الكهربائية

يتكون أبسط نموذج لنظام المعلومات الجغرافية من غلاف خارجي وموصل داخلي مجوف وأجزاء أخرى مفصولة مثل قواطع الدائرة ومفاتيح التأريض والمحولات وهياكل (L ،T) والفواصل العازلة التي تربط مقصورات نظام المعلومات الجغرافية، بحيث تم التحقيق على نطاق واسع في تأثير أجزاء الفصل المختلفة على الموجات الكهرومغناطيسية داخل أجهزة نظم المعلومات الجغرافية وتحليلها لتحسين استخدام تقنيات الكشف عن الترددات فوق العالية (UHF).

ومع ذلك؛ فإن العمل المنجز حتى الآن يغطي فصل الأجزاء بشكل منفصل، بحيث لا يمكن تصميم نظام المعلومات الجغرافية ببساطة كدليل موجي متحد المحور لأنه يحتوي على العديد من المكونات المختلفة بما في ذلك العديد من الانحناءات وتغييرات نصف القطر، ومع ذلك تدعم أجهزة (GIS) كلاً من مكونات التردد المنخفض (الوضع المستعرض الكهرومغناطيسي (TEM)) بالإضافة إلى مكونات التردد العالي (الوضع الكهربائي المستعرض (TE)) والمغناطيسي المستعرض (TM)).

وبالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية؛ يُنظر إلى نظم المعلومات الجغرافية على أنها هياكل دليل موجي مختلفة متصلة ببعضها البعض، وفي ظل التشغيل العادي يعتبر الجزء المستقيم من نظام المعلومات الجغرافية بمثابة دليل موجي متحد المحور، ومع ذلك إذا كان مفتاح الفصل مفتوحاً؛ فلن يعد من الممكن اعتبار نظام المعلومات الجغرافية على أنه هيكل محوري.

وفي الآونة الأخيرة؛ فكر مصنعو نظم المعلومات الجغرافية في بناء مثل هذه الأجهزة بحزام معدني يغطي الفواصل العازلة، بحيث يحسن استخدام الأحزمة المعدنية من خصائص التأريض لأنظمة (GIS)، كما ويمنع الفواصل من التآكل الكيميائي بسبب التعرض للهواء، ومع ذلك لم يعد استخدام مجسات (UHF) الخارجية عملياً لأن المكونات المعدنية تحمي الموجات الكهرومغناطيسية من الانتشار خارج نظام المعلومات الجغرافية.

دمج مستعرات المفاتيح الكهربائية مع أنظمة GIS

لاحقاً تم دمج مستشعرات (UHF) المتصلة داخلياً مع أنظمة (GIS) المصنعة حديثاً، كما تتمتع هذه المستشعرات بمناعة أفضل ضد الضوضاء مقارنة بنظيراتها الخارجية، بحيث يغطي هذا البحث سلوك الموجة الكهرومغناطيسية داخل نظام معلومات جغرافي منظم على شكل (L) في إطار نماذج محاكاة مختلفة تم إنشاؤها باستخدام محلل العناصر المحدودة الكاملة ماكسويل (FE) في (COMSOL Multiphysics).

كذلك تكمن المساهمة الرئيسية في هذه الورقة في دراسة تأثير وجود أكثر من انقطاع واحد داخل (GIS) وتحليل انتشار إشارة (UHF) باستخدام الخطوة الأولى من توصيات (CIGRE)، كذلك تم تصميم مفاتيح الفصل ذات الأطوال المختلفة قبل المقطع (L) لدراسة تأثير وجود أكثر من جزء فصل واحد في وقت واحد، وعلاوة على ذلك يتم تحليل الزاوية النسبية بين مصدر (PD) وتأثير المستشعر عن طريق تدوير مستشعرات الاستقبال بمقدار (90) درجة.

كما أنه يتم تقديم النتائج باستخدام مجالات الوقت والتردد للحصول على رؤية أفضل حول كيفية تصرف موجات (EM) داخل تجاويف (GIS)، بحيث يتم الحصول على النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام مستشعر (UHF) من نوع القرص تم تصميمه واختباره باستخدام خلية اختبار (GTEM) مبسطة.

أيضاً تتضمن السيناريوهات نظام معلومات جغرافي منظم على شكل حرف (L) بدون فصل المفاتيح ونظام معلومات جغرافي منظم على شكل حرف (L) مزود بمفتاح فصل بطول (150) مم وكذلك نظام معلومات جغرافي منظم على شكل حرف (L) مزود بمفتاح فصل بطول (300) مم، ومن خلال في السيناريوهات المذكورة أعلاه؛ فإنه يتم استخدام المستشعر (1) في (tcolor) الشكل التالي.

وفي النهاية؛ فإنه تم الحصول على نتائج المجال الزمني ومجال التردد لموجات (EM) المنتشرة داخل نظام المعلومات الجغرافية باستخدام محلل عنصر محدود من (Maxwell) ومقارنتها بالبيانات التجريبية من الدراسات، بحيث تم استخدام الخطوة الأولى من توصيات (CIGRE) كوسيلة لتحليل موجات (EM) داخل أنظمة (GIS) بسبب أجزاء فصل متعددة، وبعد ذلك تم جمع الموجات الكهرومغناطيسية المشعة باستخدام باقي مجسات (UHF) واستخدمت النتائج لتحليل انتشار الموجات.