اختبارات الأداء الحراري والميكانيكي لمحولات التوزيع: ضمان الموثوقية والمتانة
مقدمة
في المناظر المعقدة لتوزيع الكهرباء، تلعب محولات التوزيع دورًا حاسمًا. تم تكليف هذه المحولات بتخفيض الجهد من مستويات التوزيع الأولية إلى الجهد المناسب للاستخدام النهائي للمستهلكين. يعد أداءها الصحيح ضروريًا للحفاظ على شبكة كهربائية مستقرة وفعالة. يتناول هذا المقال جانبين أساسيين لتقييم محولات التوزيع: اختبار الأداء الحراري واختبار الأداء الميكانيكي، بالإضافة إلى استكشاف كيفية منع انقطاع الخدمة وإدارة التغيرات في الجهد.
اختبار الأداء الحراري لمحولات التوزيع
أهمية الفحص الحراري
تنتج محولات التوزيع حرارة أثناء التشغيل. تنتج الحرارة بشكل رئيسي بسبب خسائر اللفائف والهستيريزيس الأساسية في هذه المحولات. يمكن أن يؤدي تراكم الحرارة غير المسيطر عليه في المحولات إلى تدهور العزل، وتسرع عملية الشيخوخة للمحولات، ويعرضها لمخاطر فاشلة كارثية. لذلك، فإن الفحوصات الحرارية الدورية للمحولات هي من أهم الأولويات. تتضمن هذه الفحوصات مراقبة درجة الحرارة وكشف النقاط الساخنة في المحولات، حيث تعمل كأنظمة تحذير مبكرة. من خلال تحديد الشذوذ الحراري في المحولات بسرعة، يمكن للتقنيين الوقاية من الأعطال وضمان توصيل الطاقة دون انقطاع عبر شبكة التوزيع.
المكونات الرئيسية لاختبارات الحرارة للمحولات
عدة اختبارات تشكل أساس فحوصات الأداء الحراري لمحولات التوزيع:
اختبار ارتفاع درجة الحرارة: وهو فحص أساسي للمحولات، يقيس زيادة درجة الحرارة في اللفائف والزيت تحت الحمل المقنن. إن الانحرافات عن المعايير المحددة في المحولات تشير إلى مشكلات مثل تبريد غير فعال أو مشكلات مقاومة داخلية. تدفع هذه النتائج إلى فحص أقرب لأجزاء مثل المراوح التبريدية أو الزعانف أو مستويات المبرد.
فحص التصوير الحراري: يتم استخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء في هذه التقنية الفحصية الغير غازية. تقوم برسم خريطة لدرجات الحرارة السطحية للمحولات، مما يسلط الضوء على النقاط الساخنة المخفية، والتي قد تكون نتيجة لصلات فضفاضة أو قنوات مغلقة داخل المحولات. يسمح ذلك بإصلاحات موجهة قبل حدوث تلف في العزل.
تحليل درجة حرارة الزيت: عينات واختبارات اللزوجة ومحتوى الحمض في زيت المحول توفر رؤى حول مستويات الإجهاد الحراري التي تعرض لها المحولات. ارتفاع الحموضة في زيت المحولات يشير إلى تسخين مفرط، مما يثير فحص مصادر الحرارة والآليات التبريدية داخل المحولات.
بروتوكولات ومعايير الفحص للمحولات
تفرض معايير مثل IEEE C57.12.90 و IEC 60076 إجراء فحوصات حرارية منتظمة للمحولات. أثناء الاختبار، يقوم التقنيون بمحاكاة ظروف الحمل الكامل على المحولات مع مراقبة الواردات الحرارية بدقة. على سبيل المثال، يتطلب فحص ارتفاع درجة الحرارة في المحولات الاستقرار لمدة ساعات قبل تسجيل القراءات. توثيق كل فحص للمحولات بشكل مفصل، بما في ذلك الظروف البيئية، ومدد الاختبار، والملفات الحرارية، يسهل تحليل الاتجاهات على مر الزمن.
التردد والاستراتيجيات التكيفية لفحوصات المحولات
يعتمد تكرار الفحوصات الحرارية للمحولات على عدة عوامل مثل تباين الحمل والظروف البيئية. قد تحتاج محولات التوزيع في المناطق الحضرية ذات الأحمال المتقلبة إلى فحوصات شهرية، بينما قد تكفي تلك الموجودة في المناطق الريفية بالفحوصات الفصلية. في المناخات الحارة، يتم تقليص الفواصل بين الفحوصات الحرارية للمحولات للتصدي لتأثيرات الإجهاد الحراري. تمكن أنظمة الرصد المتقدمة الآن من إجراء فحوصات حرارية مستمرة للمحولات عبر المستشعرات المدمجة، التي ترسل البيانات الفعلية من المحولات إلى مراكز التحكم.
تجاوز تحديات الفحص في المحولات
تواجه الفحوصات الحرارية للمحولات بعض التحديات. على وجه الخصوص، قد تحدث حالات إيجابية خاطئة بسبب الارتفاعات المؤقتة للأحمال. للتخفيف من ذلك، يقوم التقنيون بربط البيانات الحرارية مع المعلمات الكهربائية، مثل تيارات الحمل. بالإضافة إلى ذلك، الوصول إلى المكونات الصعبة الوصول إليها، مثل اللفائف الداخلية للمحولات، يتطلب خبرة متخصصة. قد تتطلب بعض الفحوصات للمحولات تصريف الزيت، مما يتطلب التقيد بممارسات السلامة الدقيقة. يجب تسوية المستشعرات الحرارية بانتظام للمحافظة على نتائج الفحص الدقيقة.
دمج الفحص الحراري مع صيانة المحولات
تعمل الفحوصات الحرارية للمحولات كجسر بين جمع البيانات وأعمال الصيانة. يقدم تقرير الفحص الشامل للمحولات، الذي يحدد النقاط الساخنة والتبريد غير الفعال أو تدهور الزيت، توجيهات للتدخلات الفورية. على سبيل المثال، إذا كشف فحص التصوير الحراري عن زعنفة تبريد مسدودة في المحول، فإن التنظيف أو الاستبدال يصبح أولوية. من خلال دمج الفحوصات الحرارية في جداول الصيانة الوقائية للمحولات، يمكن للمشغلين تمديد عمر المحولات وتقليل نقاط الضعف في الشبكة.
اختبار الأداء الميكانيكي لمحولات التوزيع
أهمية الفحص الميكانيكي للمحولات
تتعرض محولات التوزيع للإجهاد الميكانيكي طوال دورة حياتها. يمكن أن تولد الأعطال الكهربائية قوى كهرومغناطيسية شديدة قد تشوه اللفائف. بالإضافة إلى ذلك، قد تسبب النشاطات الزلزالية أو التعامل الخشن أثناء النقل تلفًا للمكونات الداخلية. تعتبر الفحوصات الميكانيكية المنتظمة، بدءًا من الفحوصات البصرية وحتى الاختبارات الديناميكية للمحولات، ضرورية للكشف عن العيوب الخفية. من خلال تحديد الضعف الميكانيكي في وقت مبكر، يمكن للمشغلين حماية ضد الانهيارات المفاجئة التي قد تؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي وتعرض البنية التحتية العامة للخطر.
المكونات الأساسية لاختبارات الأداء الميكانيكي للمحولات
عدة اختبارات هي جزء لا يتجزأ من فحوصات الأداء الميكانيكي لمحولات التوزيع:
اختبار الصدمة القصيرة: يحاكي هذا الفحص ظروف العطل لتقييم قدرة المحولات على تحمل القوى الكهرومغناطيسية. يشير الانحراف في المقاومة أو تغير وضع اللفائف إلى الإجهاد الميكانيكي، مما يحفز فحص الهياكل الضاغطة والأطر الداعمة داخل المحولات.
فحص تحليل الاهتزاز: يتم استخدام المستشعرات لمراقبة الاهتزازات أثناء تشغيل المحولات. تشير الترددات غير الطبيعية إلى مشكلات مثل الأجزاء الفضفاضة، أو النواة غير المتساوية، أو المراوح التبريدية التالفة. يعتبر هذا الأسلوب الفحصي غير الغازي مفيدًا لتحديد وإصلاح المشكلات الميكانيكية قبل أن تتفاقم.
اختبار الصدمة الميكانيكية: يتم تطبيق هذا الاختبار أثناء عملية التصنيع أو بعد نقل المحولات، لقياس مرونة المحولات ضد الصدمات. تكشف اختبارات السقوط أو محاكاة الزلازل عن نقاط الضعف في المكونات مثل الخزان، أو الأذرعة، أو موصلات المحولات، مما يحفز فحص المفاصل الحاسمة.
بروتوكولات ومعايير الفحص للمحولات
تفرض معايير مثل IEEE C57.12.90 و IEC 61378 فحوصات ميكانيكية دقيقة للمحولات. أثناء الاختبار، يتبع التقنيون إجراءات دقيقة. على سبيل المثال، يتطلب اختبار القصر في المحولات حقن تيار متحكم به مع مراقبة ردود الفعل الميكانيكية للمحولات بعناية. يبني توثيق كل فحص للمحولات، بما في ذلك معلمات الاختبار، والتشوهات الملاحظة، وتوصيات الإصلاح، سجلًا تاريخيًا للتحليل المستقبلي للمحولات.
التكرار والتكيف السياقي لفحوصات المحولات
يعتمد تكرار الفحوصات الميكانيكية للمحولات على سيناريوهات الاستخدام. قد تخضع محولات التوزيع في المناطق المعرضة للزلازل لفحوصات اهتزازية ربع سنوية، بينما قد تكفي تلك الموجودة في بيئات مستقرة بالفحوصات السنوية. غالبًا ما تتلقى المحولات الجديدة فحوصات فورية بعد النقل للتحقق من سلامة تركيبها. تتيح أنظمة الرصد المتقدمة الآن إمكانية إجراء فحوصات ميكانيكية مستمرة للمحولات عبر مقياس الانفعالات المدمج والمحسّسات الاهتزازية.
تجاوز تحديات الفحص في المحولات
تأتي الفحوصات الميكانيكية للمحولات مع تعقيداتها الخاصة. يعتبر اكتشاف الأضرار الداخلية دون فك المحولات تحديًا كبيرًا. تتطلب بعض الفحوصات، مثل اختبارات الموجات فوق الصوتية للشقوق المخفية، خبرة متخصصة. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التمييز بين التآكل الطبيعي والتدهور غير الطبيعي خبرة. لمعالجة هذه التحديات، يقوم التقنيون بجمع عدة طرق فحص، مثل تحليل الاهتزاز مع الفحوصات البصرية، واستخدام البيانات التاريخية لتقييم مقارن للمحولات.
دمج الفحص الميكانيكي مع صيانة المحولات
يعمل الفحص الميكانيكي للمحولات كرابط حاسم بين التشخيص والإجراء. يقدم تقرير الفحص الشامل للمحولات، الذي يحدد مشكلات مثل البراغي الفضفاضة، أو اللفائف المشوهة، أو الدعامات التالفة، توجيهات لإصلاحات عاجلة أو استبدال المكونات. على سبيل المثال، إذا كشف فحص الاهتزاز عن نواة مائلة في المحول، فإن إعادة التوجيه وإعادة التثبيت تصبح أولوية. من خلال دمج الفحوصات الميكانيكية في جداول الصيانة الوقائية للمحولات، يمكن للمشغلين تمديد عمر المحولات وتعزيز مرونة الشبكة.
منع انقطاع الخدمة في محولات التوزيع
كيف تعمل المحولات والثانويات والمصانع
تخفض محولات التوزيع الجهد من الجهد التوزيعي أو الجهد الأساسي إلى الجهد الاستهلاكي. يتم توصيلها بالموصل الرئيسي، والفرعي، والفرعي الجانبي من خلال مصانع رئيسية أو قطع مصانع. يقوم المصانع الرئيسي بفصل محول التوزيع التابع له عن الموصل الرئيسي عند حدوث عطل في المحول أو عطل في الدائرة الثانوية ذات المقاومة المنخفضة. تقدم القطع المصانعة، والتي تكون مغلقة عادة، وسيلة مريحة لفصل محولات التوزيع الصغيرة للتفتيش والصيانة.
لا يمكن تحقيق حماية مناسبة ضد التحميل الزائد لمحول التوزيع باستخدام المصانع الرئيسية فقط. هذا بسبب الاختلاف في شكل منحنى التيار-الزمن الخاص بها ومنحنى التيار-الزمن الآمن لمحول التوزيع. إذا تم استخدام مصنع صغير بما فيه الكفاية لتقديم حماية كاملة ضد التحميل الزائد للمحول، فسوف يفقد الكثير من سعة التحميل الزائد للمحول لأن المصانع تنفجر مبكرًا. كما أن هذا النوع من المصانع الصغيرة ينفجر غالبًا بشكل غير ضروري عند حدوث تيار زائد. لذلك، يجب اختيار المصانع الرئيسية بناءً على تقديم حماية ضد القصر الكهربائي فقط، مع وجود تيار انفجار أدنى يتجاوز عادة 200٪ من التيار الكامل للمحول التابع لها.
غالبًا ما تخضع محولات التوزيع المتصلة بالموصلات الرئيسية المفتوحة للهواء لاضطرابات رعدية شديدة. يتم استخدام مضادات الرعد عادة مع هذه المحولات لتقليل انهيار العزل والفشل الناتج عن الرعد.
يتم توصيل الموصلات الثانوية لمحول التوزيع بشكل ثابت بالدوائر الثانوية الرادية، حيث يتم توصيل خدمات المستهلكين. وهذا يعني أن المحول يفتقر للحماية ضد التحميل الزائد والأعطال ذات المقاومة العالية في دوائره الثانوية. عدد قليل من محولات التوزيع يتم حرقها بسبب التحميل الزائد، وذلك بشكل أساسي لأنها غالبًا ما لا تستخدم بشكل كامل لسعتها التحميلية الزائدة. عامل آخر يساهم في عدد الأعطال القليل المرتبطة بالتحميل الزائد هو الفحوصات المتكردة للأحمال والإجراءات التصحيحية قبل حدوث التحميل الزائد الخطير. ومع ذلك، ربما يكون للأعطال ذات المقاومة العالية في دوائرها الثانوية تأثير أكبر على فشل محولات التوزيع من التحميل الزائد، خاصة في المناطق ذات الشروط السيئة للأشجار.
المصانع في الموصلات الثانوية لمحولات التوزيع ليست أكثر فعالية في منع حرق المحولات من المصانع الرئيسية، ولأسباب مماثلة. الطريقة الصحيحة للحصول على حماية مرضية لمحول التوزيع ضد التحميل الزائد والأعطال ذات المقاومة العالية هي تركيب قاطع دوائر في الموصلات الثانوية للمحول. يجب أن يكون منحنى الانفجار لهذا القاطع متناسقًا بشكل صحيح مع منحنى التيار-الزمن الآمن للمحول. يجب أيضًا تنسيق المصانع الرئيسية مع القاطع الثانوي بحيث ينفجر القاطع على أي تيار يمكن أن يمر عبره قبل أن يتلف المصانع.
الأعطال في اتصال الخدمة للمستهلك من الدائرة الثانوية إلى مفتاح الخدمة نادرة للغاية. وبالتالي، فإن استخدام مصنع ثانوي في نقطة اتصال الخدمة ليس مبررًا اقتصاديًا، باستثناء الحالات غير العادية مثل الخدمات الكبيرة من الثانويات تحت الأرض.
اعتبارات تغير الجهد
بافتراض تغير أقصى للجهد حوالي 10٪ في أي مفتاح خدمة للمستهلك، يمكن تقسيم هذا الانخفاض بين أجزاء مختلفة من النظام، عند الحمل الكامل، كما يلي:
2٪ تغير في الجهد في الموصل الرئيسي بين المحول الأول والأخير
2.5٪ تغير في الجهد في محول التوزيع
3٪ تغير في الجهد في الدائرة الثانوية
0.5٪ تغير في الجهد في اتصال خدمة المستهلك
يُعزى الـ 2٪ الأخرى إلى عدم القدرة على الحفاظ على الجهد في الجانب الرئيسي للمحول الأول بدقة.
هذه الأرقام نموذجية لنظم الأعمدة التي تزود الأحمال السكنية. ومع ذلك، يمكن أن تختلف بشكل كبير في الأنظمة تحت الأرض حيث تستخدم الدوائر الكابلية والمحولات التوزيعية الكبيرة، أو عند تزويد الأحمال الصناعية والتجارية.
يمكن تحديد الحجم الاقتصادي لمحول التوزيع والدائرة الثانوية المترابطة لأي كثافة حمل موحدة ونوع البناء، عند الأسعار السوقية المحددة، بمجرد تحديد الانخفاض الكلي المسموح به في هذين الجزأين من النظام. إذا كان المحول كبيرًا جدًا، سيكون تكلفة الدائرة الثانوية والتكلفة الكلية مرتفعة. والعكس صحيح، إذا كان المحول صغيرًا جدًا، ستكون تكلفة المحول والتكلفة الكلية عالية جدًا.
إدارة تغيير الأحمال في المحولات
كما هو الحال في أي جزء آخر من نظام التوزيع، يجب النظر والتخطيط لتغيير الأحمال أو نمو الأحمال في محولات التوزيع والدوائر الثانوية. لا يتم تركيب محولات التوزيع والدوائر الثانوية فقط لخدمة الأحمال الموجودة في وقت التركيب ولكن أيضًا لتلبية بعض الأحمال المستقبلية. ومع ذلك، فإن توفير مساحة كبيرة جدًا للنمو ليس اقتصاديًا.
عندما يصبح محول التوزيع معرضًا للخطر بسبب التحميل الزائد، يمكن استبداله بمحول أكبر حجمًا إذا سمحت سعة التيار للدائرة الثانوية والتنظيم الكلي للجهد. وإذا لم يكن كذلك، يمكن تركيب محول آخر بنفس الحجم تقريبًا بين المحول المحمول بشكل زائد والمحول المجاور. وهذا يتضمن إزالة الحمل من المحول المحمول بشكل زائد بتوصيل جزء من دائرة ثانوية وحمله المرتبط بالمحول الجديد. وهذا أيضًا يقلل من الحمل على دائرة الثانوية للمحول المحمول بشكل زائد ويحسن التنظيم الكلي للجهد. في المناطق ذات الأحمال المتساوية نسبيًا، قد يكون من الضروري تركيب محولات على جانبي المحول المحمول بشكل زائد بسرعة لضمان ظروف جهد مرضية ومنع تحميل جزء من الدائرة الثانوية بشكل زائد. يمكن أيضًا تحقيق نفس النتيجة من خلال تركيب محول جديد واحد وإعادة توطين المحول المحمول بشكل زائد بحيث يغذي مركز دائرة ثانوية مختصرة.
الربط المصرفي للمحولات لتحسين الخدمة
مع ترتيب محولات التوزيع والدوائر الثانوية كما هو الحال في التكوين الشعاعي النموذجي، يتم تزويد أي حمل واحد عبر محول واحد وفي اتجاه واحد فقط عبر الدائرة الثانوية. بسبب هذا، يمكن أن يتسبب الحمل المفاجئ، مثل عند تشغيل محرك، في خدمة المستهلك في تذبذب الضوء غير مرغوب فيه في خدمات المستهلكين الأخرى المغذية من نفس المحول. زيادة استخدام الأجهزة المحركة في المناطق السكنية تؤدي إلى عدد كبير من شكاوى تذبذب الضوء. في بعض المناطق، قد يكون تذبذب الضوء، وليس التنظيم الكلي للجهد، هو العامل الحاسم في حجم وترتيب المحولات والدوائر الثانوية.
عادةً ما يكون ربط محولات التوزيع هو أفضل وأكثر الوسائل الاقتصادية لتحسين أو القضاء على تذبذب الضوء. يعني ربط المحولات توازية العديد من المحولات على الجانب الثانوي جميعها متصلة بنفس الدائرة الرئيسية. يمكن أن تأخذ ترتيب الدائرة الثانوية في تخطيط المحولات المرتبطة多种形式的负载变化和机械应力。定期进行机械检查，从目视检查到动态测试，对于检测隐藏缺陷至关重要。通过早期识别机械弱点，操作员可以防止突然故障，这些故障可能会中断电力供应并危及依赖这些变压器的整体基础设施。
几种测试是配电变压器机械性能检查的重要组成部分： 短路冲击试验：此检查模拟故障条件以评估变压器承受电磁力的能力。变压器中的阻抗偏差或绕组位移表明机械应力，促使检查变压器内的夹紧结构和支持框架。 振动分析检查：使用传感器监测变压器运行时的振动。检测到的异常频率表明变压器中存在松动部件、错位铁芯或损坏的冷却风扇等问题。这种非侵入性检查方法有助于技术人员在问题恶化之前定位并修复机械问题。 机械冲击试验：在制造过程中或变压器运输后应用，该试验评估变压器对冲击的耐受性。跌落试验或地震模拟揭示了油箱、套管或终端连接等组件的脆弱性，触发关键接头的检查。 IEEE C57.12.90和IEC 61378等标准要求对变压器进行严格的机械检查。在测试过程中，技术人员遵循精确程序。例如，在变压器中进行短路测试需要控制电流注入，同时密切监控变压器的机械响应。详细记录每次变压器检查，包括测试参数、观察到的变形和维修建议，为未来变压器分析建立历史记录。 变压器机械检查的频率取决于使用场景。地震多发地区的配电变压器可能每季度进行一次振动检查，而稳定环境中的变压器可能每年检查一次即可。新安装的变压器通常会在运输后立即进行检查以验证其完整性。先进的监测系统现在可以通过嵌入式应变计和加速度计实现变压器的连续机械检查。 变压器的机械检查也面临复杂性。在不解体变压器的情况下检测内部损坏是一个重大障碍。某些检查，如超声波检测变压器中的隐藏裂纹，需要专业知识。此外，区分正常磨损与异常退化也需要经验。为应对这些挑战，技术人员结合多种检查方法，如振动分析与目视检查，并利用历史数据进行比较评估。 变压器的机械检查作为诊断与行动之间的关键环节。全面的变压器检查报告，标记出诸如松动螺栓、变形绕组或受损支撑等问题，指示紧急维修或更换组件。例如，如果振动检查发现变压器中铁芯错位，则重新对齐和紧固成为首要任务。通过将机械检查纳入变压器的预防性维护计划，操作员可以延长变压器的使用寿命并加强电网的韧性。 配电变压器将电压从配电或主馈线电压降至利用电压。它们通过主保险丝或熔断器与主馈线、次级馈线和分支线路连接。当变压器故障或低阻抗次级电路故障发生时，主保险丝会将其关联的配电变压器从主馈线断开。通常闭合的熔断器提供了一种方便的方法来断开小型配电变压器以进行检查和维护。 仅使用主保险丝无法实现配电变压器的满意过载保护。这是由于其电流-时间曲线形状与配电变压器的安全电流-时间曲线不同。如果使用足够小的保险丝来为变压器提供完全的过载保护，大部分有价值的变压器过载容量将因保险丝提前熔断而丧失。这种小保险丝还会经常在浪涌电流下不必要的熔断。因此，应选择主保险丝仅提供短路保护，其最小熔断电流通常超过其相关变压器满载电流的200%。 连接到架空裸线馈线的配电变压器经常受到严重的雷电干扰。为了最大限度地减少绝缘击穿和由雷电引起的变压器故障，通常会使用避雷器与这些变压器配合使用。 配电变压器的次级引线通常牢固连接到径向次级电路，从中分接消费者服务。这意味着变压器缺乏对其次级电路上过载和高阻抗故障的保护。相对较少的配电变压器因过载而烧毁，主要是因为它们通常没有充分利用其过载容量。另一个导致过载相关故障数量较少的因素是频繁的负载检查和采取纠正措施，以防止危险过载的发生。然而，其次级电路上的高阻抗故障比过载更可能导致配电变压器故障，尤其是在树木条件较差的地区。 配电变压器次级引线中的保险丝在防止变压器烧毁方面效果不大，原因类似。获得对配电变压器过载和高阻抗故障满意保护的正确方法是在变压器的次级引线中安装断路器。断路器的跳闸曲线必须与变压器的安全电流-时间曲线适当协调。主保险丝还必须与次级断路器协调，以便在任何可通过它的电流造成保险丝损坏之前，断路器能够跳闸。 从次级电路到服务开关的消费者服务连接上的故障极为罕见。因此，在次级电路的服务连接点处使用次级保险丝在经济上是不合理的，除非在特殊情况下，如来自地下次级电路
核心机械测试组件
变压器检查协议和标准
变压器检查的频率和情境适应
克服变压器检查中的挑战
将机械检查与变压器维护集成
防止配电变压器服务中断
变压器、次级电路和保险丝的工作原理
