المجال الكهربائي والتحليل الحراري للكابلات المملوءة بالزيت 132 KV

ضرورة قياس المجال الكهربائي والتحليل الحراري على نهايات الكوابل

تحتوي أنظمة الكابلات على مجموعة واسعة من أوضاع التدهور المحتملة، بحيث يمكن أن تحدث الأعطال بسبب الجودة الرديئة أو التقادم للعزل أو الملحقات، كما يمكن أن يشمل التدهور المرتبط بالعزل وجود فراغات داخل الجزء الأكبر من العزل ووجود الملوثات ووجود نتوءات من شاشة أشباه الموصلات، وحتى الأبعاد غير الصحيحة للكابل.

كما يمكن أن يؤدي تشغيل نظام الكابلات في ظل ظروف غير طبيعية أيضاً إلى حدوث عطل، بحيث يمكن أن يكون هذا نتيجة لفشل حماية النظام، أو التحديد غير الصحيح للقدرة الكهربائية أو نقص الردم الحراري في خندق الكابل.

لذلك يمكن أن تتسبب كل هذه المشكلات في ارتفاع درجة حرارة الكابل بشكل مفرط ويصبح العزل هشاً ويتشقق في النهاية، ويمكن أن تتعطل الكابلات أيضاً نتيجة التلف الميكانيكي الذي يمكن أن يحدث إما أثناء التثبيت أو الصيانة أو بسبب عوامل خارجية أخرى، وذلك سبب آخر متكرر لفشل الكبل هو سوء التصنيع أو التركيب غير السليم للكابل ومكوناته.

محلقات الكوابل الكهربائية ذات النهايات المملوءة بالزيت

تعد ملحقات الكابلات، مثل “نهايات الكابلات والمفاصل”؛ بأن لها تأثير كبير على موثوقية أنظمة النقل بشكل أساسي لوقت إصلاح أطول لتوصيلات الكابلات بالمقارنة مع “الخطوط العلوية”، كما تعتبر النهايات المملوءة بالسائل ذات أهمية خاصة، والمعروفة أيضاً باسم نهايات إحكام الكابلات (CSEs)، والتي تُستخدم لتسهيل الاتصال بين الكبل والمعدات الكهربائية الأخرى.

حيث يتم إنشاؤها عن طريق تركيب مخروط ضغط على طرف كابل مُجهز، كما يتم بعد ذلك وضع طرف الكابل داخل عازل، والذي يمكن أن يكون إما مصنوعاً من البورسلين أو من مادة مركبة، بحيث يُملأ الغلاف بالزيت العازل، وعادة ما يترك حجماً صغيراً فارغاً للسماح بالتمدد.

وعلى الرغم من أن معدلات فشل (CSE) المملوءة بالسوائل مقارنةً بالملحقات الأخرى منخفضة نسبياً؛ فقد تم الإبلاغ عن حالات فشل متفجرة في الماضي، مما أدى إلى تطوير حلول لتقليل المخاطر المحتملة على الأفراد والمعدات.

كما لا تزال الأوضاع التي تؤدي إلى فشل محركات البحث الخاصة قيد التحقيق، وبشكل عام تعتبر ملحقات الكابلات، مثل (CSE)، بأنها نقاط ساخنة محتملة في دوائر الكابلات، وبالتالي من المحتمل أن تكون التأثيرات المرتبطة بدرجة الحرارة متضمنة.

كما تم التحقيق في تأثير زيادة التسخين بسبب المستويات التوافقية المتزايدة من محولات الطاقة الإلكترونية، حيث ركزت دراسات أخرى على فحص جودة الزيت المستخدم لملء (CSE)، ولقد أظهروا أن تطور الغازات من النفط يمكن أن يزيد من خطر حدوث وميض داخلي، وبالإضافة إلى ذلك؛ فقد تم افتراض أن دخول الماء بسبب الحلقات (O) المعيبة يمثل مشكلة.

ومع وجود الآلاف من محركات (CSE) المملوءة بالزيت ذات الجهد العالي في الخدمة في المملكة المتحدة وبعضها عمره عدة عقود؛ فإنه من المهم فهم كيفية تصرف محركات (CSE) في ظل ظروف التشغيل والظروف غير الطبيعية، ومع ذلك لصياغة نظرة شاملة؛ فإنه يلزم فحص المكونات والمواد داخل مبيت (CSE).

كما قد يكون هذا مشكلة نظراً لأن الأجهزة المناسبة بما في ذلك المستشعرات الداخلية عادةً ما تكون غير مثبتة مسبقاً، وعادةً ما يتم تصميم محركات البحث الخاصة كوحدات “ختم مدى الحياة”، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن أن يكون تعديل أجهزة الاستشعار مكلفاً ويستغرق وقتاً طويلاً، مما يجعل الاستبدال هو أكثر قرارات إدارة الأصول فعالية من حيث التكلفة.

كما يقدم هذا الطرح منهجية محاكاة يمكن استخدامها لفحص توزيع المجال الكهربائي والأداء الحراري لمحركات النفط المعبأة بالزيت، وذلك باستخدام محرك (CSE) المملوء بالزيت (132) كيلو فولت كمثال، بحيث يفحص الحساب الكهروستاتيكي توزيع المجال الكهربائي ويمكنه تحديد المناطق التي لوحظ فيها أعلى حجم للمجال الكهربائي.

كما يتم يفحص “الحساب الحراري” كيفية تغير درجة حرارة مكونات المحرك (CSE)، ونتيجة لخسائر “الجول الحراري” في الموصل، بحيث يتم النظر في أوضاع مختلفة لنقل الحرارة، خاصة التوصيل والإشعاع، أيضاً تسمح إضافة “ديناميكيات السوائل الحسابية” بتضمين الحمل الحراري.

ولمراعاة حركة الزيت والهواء داخل (CSE)، وبالإضافة إلى عمليات المحاكاة؛ فإنه تم إجراء قياسات المجال الكهربائي ودرجة الحرارة خارج اثنين من (CSEs)؛ فقد كان الهدف هو معرفة ما إذا كان يمكن استخدام الأجهزة الخارجية جنباً إلى جنب مع نتائج المحاكاة لتشخيص حالة (CSE) دون توقف.

منهجية المحاكاة الخاصة للكابلات المملوءة بالزيت على نطاق 132 KV

تمت إعادة بناء نموذج عالي الدقة “ثلاثي الأبعاد” لمحرك (CSE) بقوة (132) كيلو فولت في حزمة برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) باستخدام الرسومات الميكانيكية الأصلية التي يعود تاريخها إلى عام 1985م، وعلاوة على ذلك؛ فقد تم تفكيك محرك بحث مخصص سابق للخدمة و قياس الأبعاد للتحقق من دقة الهندسة.

كذلك تم دمج النموذج غالبية المكونات المكونة لـ (CSE)، بحيث شمل ذلك الموصل والعزل والغمد للكابل ومخروط الضغط وغطاء البورسلين وحلقات التدريج، بالإضافة إلى الأشرطة المتعددة (العازلة وشبه الموصلة والمعدنية) المستخدمة في إنهاء الكابل (الشكل 1)، كما تم حذف بعض المكونات الثانوية لمحرك البحث المخصص من النموذج، مثل الصواميل والمسامير ولوحات القاعدة وهياكل الدعم، وذلك لأن تأثيرها على دقة الحسابات سيكون ضئيلاً.

محاكاة المجال الكهربائي

يتم توصيل محرك (CSE) عادةً بمصدر تيار متردد (50/60) هرتز، وذلك على الرغم من أن المجال الكهربائي يتغير بمرور الوقت، إلا أن التردد منخفض نسبياً، وبالتالي يمكن التعامل مع الحقل على أنه كهرباء، وذلك من خلال الجمع بين تعريف الجهد الكهربائي في ظل ظروف ثابتة، وهي (1) مع العلاقة التأسيسية بين الإزاحة العازلة والمجال الكهربائي (2)، يمكن وصف “المجال الكهروستاتيكي” في المواد العازلة بواسطة المعادلة التالية التي تعد شكلاً آخر من أشكال قانون (Gauss).

حيث:

(E): هو المجال الكهربائي.

(V): هو الجهد الكهربائي.

(D): هو الإزاحة الكهربائية.

(P): هو متجه الاستقطاب الكهربائي.

(ε0): هو سماحية المساحة الحرة وهي كثافة الشحنة نفسها.

المحاكاة الحرارية

يعد تحديد السلوك الحراري للمحرك (CSE)، وهو أكثر تعقيداً مقارنة بتحديد توزيع المجال الكهربائي، بحيث يتكون المحرك (CSE) من كل من المواد الصلبة والسائلة التي تتصرف بشكل مختلف مع تغير درجة حرارتها، ومن ثم؛ فإنه تم استخدام واجهة انتقال الحرارة في فيزياء المواد الصلبة والسوائل في (COMSOL)  للتحليل الحراري، ونظراً لأن نقل الحرارة في المواد الصلبة يُعزى في الغالب إلى التوصيل الحراري.

حيث:

(ρ): هي الكثافة.

(Cp): هي السعة الحرارية المحددة.

(T): هي درجة الحرارة المطلقة.

(k): هي الموصلية الحرارية.

(∇T): هي التدرج الحراري.

(Q): مصدر الحرارة.