اقرأ في هذا المقال
تعزى بعض الحوادث الصناعية إلى تدهور عزل الأصول الكهربائية ،كما يمكن أن يكون التسرب الحالي مؤشراً حاسماً لرصد عزل الأصول عبر التوصيل، ولإجراء مراقبة لكل مرحلة؛ فإن دقة القياس بالمليمترات لتيار التسرب محدودة بسبب ضوضاء تيار الحمل الكهربائي القوي.
تحليل مستشعر التيار التفاضلي لمراقبة العزل الكهربائي
يواجه نظام الطاقة الصناعية خطر التشغيل الآلي المنخفض والآمن المنخفض، كما يتم جلب صعوبات تقنية جديدة في موثوقية النظام مع التكامل على نطاق واسع لموارد الطاقة المتجددة والأحمال الصناعية المتنوعة، بحيث يتم الإبلاغ عن الأصول الكهربائية الصناعية، مثل المحولات والآلات الكهربائية بحوادث تتطور غالباً من تدهور العزل.
كذلك قد يكون وقت عزل الأعطال واستعادتها طويلاً جداً لتحقيق إعادة بناء النظام والشفاء الذاتي، ومن خلال الاعتماد على لوائح الصيانة وحماية الترحيل، وبالتالي، فإن مراقبة العزل عبر التوصيل للأصول الكهربائية الصناعية كان التركيز الأساسي على تقليل مخاطر الانقطاع وتحسين جودة التوريد.
كما تعمل المحولات الكهربائية كأصول أساسية تربط الشبكة والحمل بينما تلعب الآلات الكهربائية دوراً مهماً في تطبيقات الأحمال متغيرة السرعة، كما تتدهور أنظمة العزل الخاصة بهم بسبب فترة التشغيل الطويلة، ومن بين التقنيات الشائعة الحالية للأصول الكهربائية الصناعية؛ فإنه يمكن استخدام تيار التسرب كمؤشر فعال لمراقبة العزل.
كما يوضح الشكل التالي (1) الدائرة المكافئة لنظام عزل الجدار الأرضي (GW) للآلة الكهربائية، كذلك تحت إثارة جهد التشغيل، كما يتدفق تيار التسرب عبر عزل (GW) إلى الأرض، مما يزيد تدريجياً مع شيخوخة العزل، وبالنسبة لمحرك متوسط صحي؛ فإن تيار التسرب عند تردد الطاقة يصل تقليدياً إلى عشرات المللي أمبير، وهو تيار التسرب لمحول صناعي سليم يكون تقليدياً في بضعة مللي أمبير.
ولتحقيق مراقبة العزل لكل مرحلة عبر التوصيل وللأصول الكهربائية الصناعية بناءً على قياس تيار التسرب؛ فإنه يُقترح مستشعر تيار جديد بهيكل ثنائي النواة، كما يلعب اللب الداخلي دوراً مهماً في تصفية ضوضاء الحمل الحالية ويدرك اللب الخارجي قياس تيار التسرب بطريقة حساسة.
إدراج تقنية الاستشعار الدقيقة في عملية مراقبة العزل الكهربائي
تعد تقنية الاستشعار الموثوقة والدقيقة لقياس تيار التسرب بمستوى “ملي أمبير” أمراً بالغ الأهمية لمراقبة العزل عبر التوصيل المباشر للأصول الكهربائية، كما أن هناك طريقتان رئيسيتان، بناءً على قياس الوضع المشترك (CM) وقياس الوضع التفاضلي (DM) على التوالي، وفي الشكل (1-a)، بحيث يحيط مستشعر التيار الكابلات من ثلاث مراحل، كما يكون قياس (CM) مفيداً لحالة العزل الكلية للآلة.
وعلى النقيض من ذلك؛ فإن قياس (DM) يكون قادر على تقييم حالة كل مرحلة، وذلك لأن كابلات المدخل والمخرج للملف تمر عبر المستشعر الحالي معاً، وذلك كما هو موضح في الشكل (1-b)، وفي ظل هذين الوضعين؛ فإنه يتم تحديد كثافة التيار داخل المستشعر بواسطة تيار التسرب؛ وذلك لأن هذه التي تنتجها تيارات الحمل في كبلين متساوية ومعاكسة، وبالتالي يمكن تحقيق مراقبة العزل بناءً على قياس تيار التسرب في وجود ضوضاء تيار الحمل الكبير.
وفي الوقت الحاضر، هناك العديد من المنتجات لقياس التيار الصغير على سلك واحد، وهي مؤهلة جيداً لقياس تيار التسرب للعوازل ولب المحول الكهربائي، ومع ذلك قد يفشلوا في مراقبة العزل في هذا التطبيق من الشكل السابق (1)، وبسبب عدم التركيز على العديد من الآثار الحاسمة، ولسبب واحد تشمل التيارات في الكابلات تيار حمل كبير، إلى جانب تيار التسرب على مستوى الملي أمبير، كما إن المجال المغناطيسي الناجم عن تيار الحمل يخفي بشدة ذلك بسبب تيار التسرب.
النموذج التحليلي لجهاز الاستشعار ثنائي النواة
طوبولوجيا جهاز الاستشعار ثنائي النواة
يشتمل المستشعر ثنائي النواة على قلب ترشيح ونواة كشف متحدة المركز، كما ويرد توضيحها الهندسي في الشكل التالي (2)، وفي هذا القسم تم افتراض أنه تم وضع زوج من الكابلات بشكل متماثل بالنسبة لنقطة مركز النوى، بحيث يتم أخذ مسافة العزل المناسبة في الاعتبار بين كابلات المدخل والمخرج للأصل الخاضع للمراقبة، وذلك وفقاً لمتطلبات العزل.
وفي إشارة إلى الشكل (1-b)، بحيث يحتوي التيار الموصل في كابل المدخل على مكونين، وهما تيار الحمل وتيار التسرب، حيث أن تيار التوصيل في كابل المخرج يساوي تيار الحمل، كما يمكن الإشارة إلى تيار التسرب على أنه تيار (DM)، كما تم بناء النموذج التحليلي لحساب المجال المغناطيسي الناتج عن جميع التيارات الموصلة في الكابلات، بحيث يتم سرد معلومات خصائص الوسيلة والتكوين الهندسي وموضع الكابلات المستخدمة فيما يلي في الجدول التالي:
المحلول التحليلي للمجال المغناطيسي
بناءً على النوع المتوسط ؛ فإنه يمكن تقسيم النموذج التحليلي لجهاز الاستشعار ثنائي النواة إلى خمسة مجالات حل، وفي كل مجال تتكون شدة الحث المغناطيسي (MII) من المكون العرضي (Biφ) والمكون العادي (A)، كما يمكن كتابة مجموع المتجه وحجمه من خلال:
حيث أن (i = I ، II ، III ، IV ، V)، بحيث يتم توفير الاشتقاق المفصل والتعبير عن (Bi) في الملحق.
التحقق من صحة تحليل العناصر المحدودة والخاصة بمراقبة العزل الكهربائي
من أجل التحقق من صحة النموذج التحليلي المقترح لمستشعر التيار الكهربائي ثنائي النواة لقياس تيار (DM)، بحيث يتم إجراء (2D FEA في Ansys / Maxwell)، وباستخدام نفس خصائص الوسط والتكوين الهندسي وتيارات التوصيل كما هو الحال في السيناريو الثالث، كذلك توزيع المجال المغناطيسي في نموذج مستشعر (2D FE)، وموضح في الشكل التالي (4)، بحيث يقدم الشكلان (4-b) و (c) نتائج مقارنة في نواة التصفية والكشف على التوالي، وفي كل مجموعة تكون النتائج من الحل التحليلي و (2D FEA) متفق عليها للغاية.
لذلك، يمكن حل توزيع المجال المغناطيسي داخل المستشعر على الفور بناءً على النموذج التحليلي المقترح في هذا القسم، وعادة ما تكون متطلبات العزل وتيار الحمل المقنن وتيار التسرب الطبيعي للأصل المراقب محدداً، وعلى هذا الأساس يمكن للنموذج أن يفيد تصميم المستشعر بشكل كبير وكمقايضة بين البعد الهندسي ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للقياس.
وفي النهاية؛ فإن وحدة القياس المتقدمة قيد التوسع في نظام الطاقة الحديث للسماح بتغطية أوسع لرصد العزل للأصول الكهربائية الصناعية، بحيث اقترحت هذه المقالة مستشعر (DM) المتقدم مع الهيكل ثنائي النواة، والذي يتيح دقة وحساسية عالية لقياس تيار التسرب في ظل ضوضاء تيار الحمل الكهربائي القوي، كما تم تقديم نموذج تحليلي لتوزيع المجال المغناطيسي لتوضيح تأثير الترشيح للنواة الداخلية.
وبالنسبة للمثال الموضح؛ فإنه يتم تقليل ضوضاء الحمل الحالية بمقدار (10−4) مرات وزيادة (SNR) لقياس تيار (DM) بشكل كبير، وعلاوة على ذلك؛ فقد أثبتت النتائج التحليلية صحة المستشعر المقترح مع تأثير ضئيل لتقلب النظام وموضع الكبل غير المتماثل، إلى جانب ذلك تم تقديم إجراء تصميم شامل، وذلك من خلال تحديد موضع الكشف الأمثل والنهج وتوفير دائرة تكييف إشارة عالية السرعة ومنخفضة الضوضاء.
