تحليل طرق التشخيص لأعطال التأريض في محولات التوزيع بجهد 35 كيلوفولت

محولات التوزيع ذات الجهد 35 كيلو فولت: تحليل أعطال التأريض الأساسية وطرق التشخيص

تعتبر محولات التوزيع ذات الجهد 35 كيلو فولت معدات حيوية شائعة في أنظمة الطاقة، حيث تقوم بنقل مهمات مهمة للطاقة الكهربائية. ومع ذلك، خلال فترة التشغيل الطويلة، أصبحت أعطال التأريض الأساسية مشكلة رئيسية تؤثر على تشغيل المحولات بشكل مستقر. لا تؤثر أعطال التأريض الأساسية فقط على كفاءة استخدام الطاقة للمحولات وتزيد من تكاليف صيانة النظام، بل قد تثير أيضاً أخطاء كهربائية أكثر خطورة.

مع تقدم عمر المعدات الكهربائية، يزداد معدل حدوث أعطال التأريض الأساسية تدريجياً، مما يتطلب تعزيز التشخيص والعلاج للأعطال في تشغيل ومaintenance الأجهزة الكهربائية. رغم وجود بعض طرق التشخيص حالياً، لا تزال هناك عقبات تقنية مثل كفاءة الكشف المنخفضة وصعوبة تحديد موقع العطل. هناك حاجة ماسة لاستكشاف وتطبيق تقنيات تشخيص أعطال أكثر دقة وحساسية لتحسين موثوقية تشغيل المعدات وضمان استقرار وأمن نظام الطاقة.

1 تحليل أسباب وخصائص أعطال التأريض الأساسية في محولات التوزيع ذات الجهد 35 كيلو فولت

1.1 الأسباب الشائعة لأعطال التأريض الأساسية

في محولات التوزيع ذات الجهد 35 كيلو فولت، يتم عادة استخدام مواد عازلة بين صفائح النواة للعزل. ومع ذلك، خلال فترة التشغيل الطويلة، تتسبب المجالات الكهربائية الداخلية والحرارة في تقادم تدريجي للمواد العازلة، خاصة تحت ظروف الجهد العالي والحرارة العالية حيث تنخفض قدرة العزل بسرعة. مع تقدم التقادم، تنخفض مقاومة العزل ويتم تشكيل أعطال تأريض متعددة النقاط بسبب فشل العزل في مناطق جزئية.

لا يمكن تجنب تعرض المحولات للاهتزاز الميكانيكي أثناء التشغيل الطويل. خاصة تحت ظروف التذبذب الكبير في الحمل، يمكن أن يؤدي الاهتزاز إلى نزوح نسبي للنواة ومكونات الضبط. يمكن أن يؤدي تخفيف ضمادات النواة أو تلف المواد العازلة إلى تنشيط أعطال التأريض. تعتبر عيوب تصنيع نواة المحول أيضاً من الأسباب الهامة لأعطال التأريض الأساسية. أثناء التصنيع، إذا كانت صفائح السيليكون الفولاذي تحتوي على حواف حادة أو طلاء عازل غير متساوٍ أو دقة معالجة النواة غير كافية، فقد يحدث تلف جزئي في العزل. غالبًا ما تكون هذه العيوب متركزة في أجزاء التأريض للمحول. عندما يكون توزيع المجال الكهربائي في النواة غير متساوٍ، يمكن أن يحدث تفريغ جزئي.

1.2 الخصائص الكهربائية والأضرار الناجمة عن الأعطال

الخاصية الكهربائية الأكثر مباشرة لأعطال التأريض الأساسية هي زيادة تيار التأريض. بعد حدوث عطل التأريض، يظهر التيار عادة بتذبذبات تحتوي على مكونات توافقي، خاصة في المناطق عالية التردد أعلى من 50 هرتز. عند حدوث الأعطال، غالبًا ما يبدو شكل موجة تيار التأريض غير موجي مع سعة أكبر لمكونات التوافقي.

تعتبر التفريغ الجزئي خاصية أخرى نموذجية لأعطال التأريض الأساسية. بعد فشل المادة العازلة، يتركز المجال الكهربائي في المناطق التالفة، مما يسبب ظاهرة التفريغ الكروي والتفريغ الجزئي. غالبًا ما ينتج التفريغ الجزئي نبضات تيار عالية التردد بمدى تردد عام بين 3-30 ميجا هرتز. يمكن التقاط وإجراء تحليل لرسائل التيار في هذا النطاق الترددي باستخدام محولات التيار عالية التردد (HFCT) المتخصصة.

أحد الخصائص الكهربائية الأخرى التي تسببها أعطال التأريض الأساسية هو تأثير ارتفاع درجة الحرارة. بسبب خسائر الدوامات في نقطة العطل، ترتفع درجة الحرارة المحلية. هذا التأثير لارتفاع درجة الحرارة ليس فقط يضر بالمواد العازلة بشكل مباشر ولكن قد يسبب أيضاً ارتفاع حرارة في مناطق جزئية من النواة.

1.3 تأثير الأعطال على تشغيل المحول

تؤدي أعطال التأريض الأساسية إلى زيادة تيار التأريض، مما يؤدي بدوره إلى خسائر إضافية في نواة المحول. تتكون الخسائر الأساسية بشكل أساسي من خسائر الدوامات وخسائر الهيستيريزيس. عند حدوث أعطال التأريض، يتسبب توزيع المجال المغناطيسي غير المتساوي داخل المحول في زيادة كبيرة لخسائر الدوامات في مناطق معينة. هذا لا يقلل فقط من كفاءة استخدام الطاقة للمحول ولكنه قد يزيد أيضاً بشكل كبير من تكاليف التشغيل. تفاقم الخسائر الأساسية من ارتفاع درجة حرارة المحول، مما يؤثر بشكل أكبر على تشغيله المستقر طويل الأمد.

تسريع التفريغ الجزئي وتاثير ارتفاع درجة الحرارة الناجم عن أعطال التأريض الأساسية عملية تقادم المواد العازلة الداخلية في المحولات. أثناء تقادم العزل، تنخفض مقاومة طبقات العزل تدريجياً وتتدهور قدرة العزل الكهربائي بشكل تدريجي. عندما يفشل العزل تماماً، قد يسبب ذلك قصر دائرى محلي أو حوادث قصر دائرى كاملة أكثر خطورة.

لا تؤدي أعطال التأريض الأساسية فقط إلى انخفاض الأداء الكهربائي ولكنها تؤثر أيضًا على التركيب الكيميائي لزيت المحول. عندما تتأرض النواة، يتسبب التفريغ الجزئي وارتفاع الحرارة في زيادة درجة حرارة الزيت الداخلي، مما يؤدي إلى تغيير مكونات الغاز المذابة في الزيت، وخاصة زيادة غير طبيعية في محتوى الميثان (CH4) والإثيلين (C2H4).

2 طرق التشخيص والمقارنة التقنية لأعطال التأريض الأساسية

2.1 الطرق التقليدية للتشخيص

تعتبر طريقة مقاومة التيار المباشر واحدة من الطرق التقليدية لتشخيص أعطال التأريض الأساسية، حيث يتم الحكم على وجود العطل من خلال قياس مقاومة العزل بين النواة والأرض. يتم تطبيق هذه الطريقة عبر تطبيق جهد تيار مباشر وقياس نسبة التيار إلى الجهد لحساب مقاومة العزل. من الناحية المثالية، يجب أن تظل مقاومة العزل للنواة عالية القيمة؛ إذا انخفضت المقاومة إلى أقل من عتبة معينة، فقد يشير ذلك إلى وجود عطل تأريض.

ومع ذلك، لا يمكن لطريقة المقاومة المباشرة تحديد بدقة موقع نقاط العطل. فنتائج القياس بهذه الطريقة تعكس فقط الأداء العازل المتوسط للنواة بأكملها ولا يمكنها تحديد المناطق المعيبة بشكل محدد. كما أن لهذه الطريقة تأخيرًا معينًا، خاصة عندما لا تسبب الشيخوخة العازلة تغيرات مقاومة كبيرة بعد، مما يجعل الكشف المبكر عن العطل غير فعال. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن لطريقة المقاومة المباشرة تقديم معلومات حول أنواع العطل، ولا يمكن استخراج خصائص العطل التفصيلية بفعالية من بيانات القياس.

يكتشف التحليل الكروماتوغرافي للزيت التغيرات في مكونات الغازات المنحلة في زيت المحول لاستنتاج أنواع العطل. وعادة ما تنتج هذه الغازات المنحلة عند حدوث تفريغ أو ارتفاع درجة الحرارة أو أي فشل كهربائي آخر داخل المحول. وتتضمن الغازات الشائعة الموجودة في زيت المحول الميثان (CH4) والإثيلين (C2H4) والإثان (C2H6) وغيرها. ويمكن أن تعكس تغيرات تركيزات الغاز حالة تشغيل المحول.

من خلال مقارنة تركيزات الغازات المنحلة في الزيت بأنواع العطل، يمكن تحديد بشكل مبدئي ما إذا كان هناك عطل تأريض في النواة. ومع ذلك، فإن الاستجابة للتحليل الكروماتوغرافي للزيت تكون نسبيًا بطيئة؛ حيث يستغرق الأمر وقتًا لتراكم الغازات المنحلة بعد حدوث العطل، مما يحد من فعالية التشخيص الفوري للعطل. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن للتحليل الكروماتوغرافي للزيت توفير مواقع دقيقة للعطل أو خصائص محددة، بل يشير فقط إلى وجود العطل من خلال تغيرات تركيزات الغاز. وقد يكون التشخيص باستخدام التحليل الكروماتوغرافي للزيت متأخرًا بالنسبة للعطل الصغيرة أو المتقطعة وغير قادر على الاستجابة بسرعة لحدوث العطل.

2.2 تقنيات الكشف الحديثة بالأجهزة

تعتمد تقنية الكشف عن التفريغ الجزئي على مبدأ محولات التيار ذات التردد العالي (HFCT)، حيث يتم التقاط وتحليل إشارات نبضات التفريغ الناجمة عن تأريض النواة لتشخيص العطل. عند حدوث عطل تأريض في النواة، يتولد نبضات تيار عالية التردد في نقاط التلف العازل. وتظهر هذه الإشارات عادةً كضوضاء عالية التردد أو إشارات نبضية ذات نطاق تردد بين 3-30 ميجاهرتز.

من خلال تركيب أجهزة استشعار التيار عالية التردد على خط تأريض المحول، يمكن التقاط إشارات التفريغ الجزئي في الوقت الحقيقي. يمكن لهذه التقنية تحديد بدقة مواقع العطل الجزئية، ولديها حساسية عالية وقادرة على اكتشاف العطل في مراحل مبكرة. يمكن للكشف عن التفريغ الجزئي تحديد العيوب الصغيرة الناجمة عن الشيخوخة العازلة أو التلف الميكانيكي، مما يوفر معلومات تشخيصية دقيقة للعطل. من خلال تحليل إشارات التفريغ الجزئي، يمكن تقييم شدة العطل واتجاه تطورها، مما يسمح باتخاذ إجراءات صيانة أو وقائية مناسبة.

تعتمد تقنية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء على استخدام كاميرات التصوير الحراري للكشف عن المناطق المحلية التي تشهد ارتفاعًا في درجة الحرارة في النواة لتحديد ما إذا كانت هناك عيوب تأريض. بعد حدوث عيوب تأريض في المحولات، تتسبب الخسائر الدوامية في المناطق المحلية في زيادة درجة الحرارة، خاصة حول نقاط العطل. يمكن لتقنية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء الحصول على توزيع درجات الحرارة في الوقت الحقيقي على سطح النواة وتحديد وجود العطل من خلال الاختلافات في درجة الحرارة. عادةً ما يحتاج التركيز على المنطقة عند تجاوز فرق درجات الحرارة 10 درجات مئوية. يكمن ميزة هذه التقنية في قدرتها على الكشف عن التغيرات الحرارية دون اتصال وبسرعة قياس عالية، مما يجعلها مناسبة للاكتشاف السريع في الموقع.

تستخدم طريقة الكشف عن التيار العالي التردد ملفات روجوفسكي لقياس التغيرات في التيار العالي التردد في خطوط التأريض، عادةً في نطاق تردد 500 كيلوهرتز إلى 2 ميجاهرتز. ويتم إنتاج هذه التيارات عالية التردد بواسطة عمليات التفريغ الناجمة عن عيوب تأريض النواة. من خلال كشف إشارات التيار في هذا النطاق الترددي، يمكن تحديد وجود العطل بشكل فعال. مقارنة بتقنية الكشف عن التفريغ الجزئي، تتميز طريقة الكشف عن التيار العالي التردد بحساسية أعلى ويمكنها التقاط إشارات عيوب ضعيفة جدًا. باستخدام ملفات روجوفسكي للقياس بدون اتصال، يتم تبسيط التثبيت وتحسين دقة القياس. تناسب هذه التقنية بشكل خاص المناطق التي يصعب الوصول إليها مباشرة ويمكنها إجراء الاختبار عبر الإنترنت دون إلحاق ضرر بالمعدات.

3 تحسين عملية التشخيص والتحليل الحالة

3.1 توصيات لتحسين عملية التشخيص

عند تشخيص عيوب تأريض النواة، يجب أن يكون الخطوة الأولى هي الفحص الأولي باستخدام تقنية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء. يمكن لكاميرات التصوير الحراري الحصول بسرعة على خرائط توزيع درجات الحرارة على سطح المحول، مما يساعد الفنيين على تحديد المناطق المحتملة التي تشهد ارتفاعًا غير طبيعي في درجة الحرارة. بمجرد تحديد المناطق المحتملة للعطل من خلال الفحص الأولي، يجب الجمع بين تقنيتي الكشف عن التيار العالي التردد وكشف التفريغ الجزئي لإجراء اختبارات دقيقة.

تقوم طريقة الكشف عن التيار العالي التردد باستخدام ملفات روجوفسكي باستشعار التغييرات في التيار الأرضي في نطاق التردد 500 كيلوهرتز إلى 2 ميجاهرتز، مما يساعد في تحديد مناطق عيوب تأريض النواة بشكل فعال. تقوم تقنية الكشف عن التفريغ الجزئي برصد إشارات النبضات الكهربائية في الوقت الحقيقي باستخدام أجهزة الاستشعار HFCT، وتحليل تردد وشدة التفريغ لتأكيد مواقع النقاط المعيبة بشكل أكثر دقة.

بعد إجراء الكشف عن التيار العالي التردد والتفريغ الجزئي، يجب أن تكون الخطوة النهائية هي التحقق من شدة العطل وتحليلها من خلال التحليل الكروماتوغرافي للزيت. من خلال الكشف عن الغازات المنحلة في زيت المحول، وخاصة تغيرات تركيزات الميثان (CH4) والإثيلين (C2H4) وغيرها من الغازات، يمكن تأكيد طبيعة العطل. بالنسبة للعطل الجذرية الشديدة، ستظهر نتائج التحليل الكروماتوغرافي للزيت زيادة غير طبيعية في مكونات الغاز. يمكن الجمع بين بيانات التحليل الكروماتوغرافي للزيت ونتائج الاختبار الأخرى لتقييم شامل لتأثير العطل وتقديم أساس لعمليات الإصلاح اللاحقة.

3.2 تحليل حالة نموذجية

خلال التشغيل في محطة كهربائية، لاحظ الفنيون زيادة كبيرة في التيار الأرضي لمحول توزيع بقوة 35 كيلوفولت، مما يتجاوز بكثير القيم الطبيعية. أظهرت بيانات الرصد أن التيار الأرضي وصل إلى 5 أمبير، بينما يجب أن يكون التيار الأرضي أقل من 100 ميلي أمبير تحت الظروف الطبيعية. وكانت المشكلة أن التيار الأرضي قد ارتفع بشكل غير طبيعي، ولكن لم تكن هناك أي مؤشرات واضحة على عطل مادي خارجي. فشلت الطرق التقليدية للكشف الكهربائي مثل اختبار المقاومة المباشرة والتحليل الكروماتوغرافي للزيت في تقديم معلومات واضحة حول موقع العطل.

لحل مشكلة تأريض قلب المحول، استخدم الفنيون عدة تقنيات تشخيصية حديثة. أولاً، استخدموا كاميرا FLIR T640 للتصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء للفحص الأولي، مما سمح لهم بتحديد المناطق التي شهدت ارتفاعاً في درجة الحرارة في القلب والمكونات ذات الصلة. ثم استخدموا أجهزة استشعار التيار عالية التردد PD-Tech HFCT لمراقبة تيار التأريض. وأخيراً، استخدموا أجهزة كشف الإصدارات الجزئية PD-Tech لاختبار وتحليل إشارات الإصدار والتعرف على نقطة العطل. ويظهر النتائج في الجدول 1.

جدول 1 نتائج الكشف عن مشكلات المحول

بناءً على نتائج فحص الكاميرا الحرارية بالأشعة تحت الحمراء، بلغ فرق درجة الحرارة بالقرب من مكونات التثبيت الأساسية 12 درجة مئوية، مما يتجاوز النطاق الطبيعي، مما يؤكد بشكل أولي احتمال حدوث زيادة في درجة الحرارة في هذه المنطقة. كشف الفحص الفعلي باستخدام أجهزة استشعار التيار ذات التردد العالي عن تيار تأريض بقيمة 5 أمبير، وهو ما يتجاوز القيمة الطبيعية البالغة 100 ميلي أمبير بكثير، مما يشير إلى أن عطلًا قد تطور داخل المحول. أظهرت عملية الكشف عن الإفراز الجزئي تقلبات قوية في إشارات التيار ذات التردد العالي في نطاق التردد بين 4.5-18 ميجاهيرتز، مع زيادة تدريجية في شدة الإفراز، مما يشير إلى أن نقطة العطل تقع في مجمع التثبيت الأساسي وأن العطل يتزايد.

تم التأكيد النهائي على أن نقطة العطل كانت في الوسادة العازلة لمكون التثبيت الأساسي. لقد تقادمت المادة العازلة بسبب التشغيل لفترات طويلة، مما أدى إلى حدوث تلف طفيف في العزل وتسبب في حدوث عطل التأريض. تضمنت إجراءات معالجة العطل استبدال الوسادة العازلة، وتأكيد الاختبارات اللاحقة أن التيار التأريضي عاد إلى وضعه الطبيعي، مما أدى إلى القضاء على العطل واستعادة تشغيل الجهاز بشكل مستقر.

تعكس هذه الحالة أنه يمكن للcombination of infrared thermal imaging technology, partial discharge detection technology, and high-frequency current detection technology can effectively improve the efficiency and accuracy of core grounding fault diagnosis. In actual operation and maintenance processes, personnel should regularly use these technologies for joint diagnosis to ensure the safe and stable operation of transformers.

4 خاتمة

في تشخيص أعطال التأريض الأساسية، يمكن للتطبيق المشترك للتكنولوجيات التشخيصية الحديثة المتعددة أن يحسن بشكل كبير دقة تحديد موقع العطل وكفاءة التشخيص. من خلال الآثار المترابطة للكشف عن التيار ذو التردد العالي والتحليل الجزئي للإفراز والتكنولوجيا الحرارية بالأشعة تحت الحمراء، يمكن اكتشاف مخاطر المعدات في مراحلها الأولى، وتحديد مصادر الأعطال بدقة، مما يقلل من وقت تعطل المعدات ويمد عمر الخدمة للمحولات.

في المستقبل، مع الاستمرار في تطوير وتطبيق تقنيات الكشف الجديدة، ستصبح تشخيص وإصلاح أعطال التأريض الأساسية أكثر كفاءة ودقة، مما يحافظ على استقرار وأمان أنظمة الطاقة.