التفريغ الجزئي لألواح الضغط مع مستشعرات المجال المغناطيسي

قد يتسبب تدهور العزل في التشغيل غير الفعال والخطأ للمحولات الكهربائية، بحيث تبدأ حالات فشل العزل في المحولات في الغالب بحدث التفريغ الجزئي (PD)، ولأسباب تتعلق بالتشغيل والتكلفة لضمان أفضل أداء ووظائف للمحولات؛ فإن الاكتشاف المبكر لأحداث (PD) له أهمية كبيرة.

تحليل التفريغ الجزئي لألواح الضغط مع مستشعرات المجال المغناطيسي

تعتبر الموثوقية التشغيلية هي جانب مهم من جوانب إدارة نظام الطاقة الحديثة، كما تعتمد موثوقية النظام بشكل كبير على فشل المكونات، كما تعتبر مشاكل العزل الناتجة عن التشغيل تحت الجهد العالي سبباً رئيسيًا للأضرار المادية وفشل النظام، كما يمكن أن تساعد المراقبة في الوقت الفعلي في الكشف المبكر عن هذه المشكلات، وبالتالي تحسين موثوقية النظام وتقليل تكاليف التشغيل.

وفي هذا السياق؛ فإن تحديد التفريغ الجزئي (PD) في مواد العزل له أهمية كبيرة. من أجل موثوقية النظام وخفض التكلفة، وعلى وجه الخصوص؛ فإنه يجب فحص ونمذجة (PD) من عملية انهيار الزيت المعدني وعوازل الضغط المستخدمة في المحولات، كما يمكن أن تتسبب الضغوط الكهربائية والحرارية والظروف البيئية القاسية في تدهور الخواص العازلة لعوازل لوح الضغط والزيوت المعدنية.

كذلك تجدر الإشارة إلى أن (PD) لا يعني الانهيار الكهربائي الكلي في نظام العزل الكهربائي، ومع ذلك وخلال (PD) تزداد الشحنات الكهربائية تدريجياً بسبب تدهور خصائص العزل للمواد، كما  يؤدي هذا في النهاية إلى تفريغ كهربائي كامل مما يجعل المادة العازلة موصلة للكهرباء، وبالتالي قد يؤدي إلى فشل النظام الكهربائي بالكامل.

طرق فحص التفريغ الجزئي لألواح الضغط ضمن المجال المغناطيسي

استخدم الباحثون تكوين إلكترود على مستوى الإبرة لفحص هذا التأثير في واجهات ضغط الزيت المعدني تحت مستويات جهد مختلفة باستخدام نظام (Omicron MPD600 PD)، كما وتم الإبلاغ عن الارتباط بين الاستقطاب البيني والكهرباء الساكنة، كذلك قاموا بتطبيق جهد كهربائي بين (30) كيلو فولت و (40) كيلو فولت على عازل لوح مضغوط مشبع بالزيت للتحقق من هذا التأثير.

أيضاً تم الإبلاغ عن رطوبة العازل بنسبة (3٪، بحيث استخدم الباحثون مصطلح “تشكيل الشجرة” للإفرازات الجزئية التي تحدث على الجزء الأكبر من العازل الصلب وتتبع التفريغ الجزئي على السطح، وتوصلوا أيضاً إلى أنه قد تحدث عمليات تفريغ كهربائية كبيرة في العازل دون حدوث عطل.

كذلك قد تكون التصريفات السطحية من الزيت المعدني وواجهة لوحة الضغط مؤشراً على وجود أعطال خطيرة، كذلك يحدث التلف في زيت المحولات نتيجة الضغوط الكهربائية والحرارية والميكانيكية والمشاكل الهيكلية التي يتعرض لها المحول خلال حياته التشغيلية، أيضاً قد تحدث انخفاضات كبيرة في أداء العزل لزيت المحولات المتقادمة.

كما تم التحقيق في الأخطاء الكارثية في دراسة جهد ثابت (30) كيلو فولت مطبق على عازل من الورق المقوى المشبع بالزيت، بحيث حصل الباحثون على بيانات على محور وقت تحميل (PD) كل (10) دقائق، بحيث تم استنتاج أن تكوين البقع البيضاء كان مجرد آلية أولية في العملية حتى التفريغ الكامل ضمن نطاق ظاهرة (PD) ولم يؤثر على قيم (PD) بشكل كبير.

مجسات الفراغ للكشف عن المجالات المغناطيسي

تستخدم مستشعرات تأثير الفراغ للكشف عن المجالات المغناطيسية، حيث أن معظم مستشعرات تأثير هول الحديثة تعتمد على السيليكون، كما يتيح ذلك دمج المستشعر بسهولة مع إلكترونيات التكييف، وهو أمر مطلوب لكل من الإثارة والتضخيم، ومع ذلك؛ فإن السيليكون يحد من حساسية المستشعر بسبب انخفاض حركة الجزء الحامل.

وبالمقارنة تعتمد مستشعرات المجال المغناطيسي (QWHE) على (GaAs) حيث ان لديهم قدرة تنقل أعلى مقارنة بالسيليكون الذي يجعلهم أكثر حساسية. يتم تحقيق ذلك من خلال تكوين قناة البئر الكمي (QW)، وهي طبقة رقيقة من شبه موصل ضيق ذو فجوة نطاق محصورة بين مادتين أكبر فجوة النطاق، كذلك المستشعرات المستخدمة في هذه الدراسة هي نموذج (P2A) تم تصنيعه بواسطة (Advanced Hall) وتم تطويرها بواسطة (Solid Source Molecular Beam Epitaxy) في نظام (VG V90H).

كما تبلغ حساسية مجسات المجال المغناطيسي حوالي (QWHE 1 μT) عند التيار المستمر و (<10 nT)، وذلك عند الترددات الأعلى، بحيث يتشابه رقم الضوضاء لمستشعرات (QWHE) مع مستشعرات (GMR) و (AMR) ولكن بخطية فائقة ونطاق ديناميكي أفضل بكثير يتجاوز (180) ديسيبل، مما يجعل هذه المستشعرات مرشحاً جيداً لتحليل (PD).

تكوين الاختبار الخاص بفحص مستشعرات المجال المغناطيسي

الغرض الرئيسي من هذه الدراسة هو مقارنة جهازي استشعار تأثير هول للكشف عن وتحليل (PD) المغناطيسي، ومن أجل مقارنة حساسية هذين المستشعرين المختلفين أثناء (PD) في عازل الضغط؛ فقد تم استخدام إعداد تجربة الجهد العالي، كما تحتوي ظاهرة التفريغ الجزئي في محول القدرة على الكشف والقياس والتصنيف والتوطين.

كذلك يتكون الإعداد التجريبي من جهاز عالي الجهد، بحيث يظهر الرسم التخطيطي لإعداد الاختبار في الشكل التالي (2)، وفي هذا الشكل تكون المسافات التي تنتمي إلى حجرة الاختبار في نطاق المليميتر.

وللحصول على جهد قابل للتعديل بين (0-220) فولت؛ فإنه يتم تغذية “فارياك” بقوة قصوى تبلغ (5) كيلو فولت أمبير بمدخل تيار متردد (220 فولت/ 50) هرتز، وذلك من أجل الحصول على جهد عالي، بحيث يتم استخدام محول جهد له نسبة دوران (220 فولت/ 40) كيلو فولت مع معدل قدرة (1.5) كيلو فولت أمبير، كما يتم توفير الجانب الأساسي أو لفات الجهد المنخفض للمحول من إخراج المتغير، بحيث سمح لنا هذا التكوين بالحصول على جهد عالي قابل للتعديل في اللفات الثانوية للمحول وفقاً لنسبة الدوران.

ومن أجل حماية النظام من التيار والجهد العالي؛ فإنه يتم استخدام المقاوم الواقي (1 MΩ) للتوصيل بعد لفات الجهد العالي ، كما يتم توصيل المقاوم بقطب كهربائي باستخدام كابل محوري مشترك. تم استخدام تكوين قطب كهربائي مستوي في هذه الدراسة، حيث أن القطب الكهربائي للقضيب مصنوع من النحاس بقطر (9) ملم وطول (140) ملم، كذلك نقطة طرف القطب الكهربي بسمك (0.5) مم.

كما يحتوي قطب الأرض على هيكل لوحة مستوية بأبعاد (150 × 170 × 3) مم، وهذا القطب مصنوع أيضاً من النحاس، حيث أن الحجرة التي تحتوي على الزيت المعدني ولوح الضغط مصنوع من مادة زجاج شبكي، كذلك أبعاد الغرفة وسماكة جدارها (300 × 180 × 220) مم و (10) مم على التوالي، بحيث تم الحرص على منع أي تسرب من غرفة الاختبار.

وفي النهاية يعد وجود التفريغ الجزئي هو العامل الأكثر أهمية الذي يعطي أدلة حول أداء وكفاءة تشغيل المحولات، خاصةً إذا استغرقت هذه التفريغ وقتاً طويلاً، بحيث يمكن أن يتعرض عازل الزيت بين اللفات تماماً للانهيار الكهربائي، وفي هذه الدراسة تمت مراقبة التصريفات الجزئية التي تحدث في زيت المحولات المعدني بنجاح باستخدام مستشعر (QWHE) عالي الحساسية.