تحلیل روش‌های تشخیصی برای خطا در زمین‌بندی هسته ترانسفورماتورهای توزیع ۳۵ کیلوولت

تبدیل‌کننده‌های توزیع ۳۵ کیلوولت: تجزیه و تحلیل خطا در زمین‌گذاری هسته و روش‌های تشخیص

تبدیل‌کننده‌های توزیع ۳۵ کیلوولت تجهیزات حیاتی معمول در سیستم‌های برق هستند که وظیفه انتقال انرژی الکتریکی مهم را بر عهده دارند. با این حال، در طول عملکرد بلندمدت، خطاهای زمین‌گذاری هسته به یکی از مسائل اصلی تبدیل شده‌اند که عملکرد پایدار تبدیل‌کننده‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند. خطاهای زمین‌گذاری هسته نه تنها کارایی انرژی تبدیل‌کننده‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند و هزینه‌های نگهداری سیستم را افزایش می‌دهند، بلکه ممکن است خرابی‌های الکتریکی جدی‌تری را نیز به وجود آورند.

با قدیمی شدن تجهیزات برق، فرکانس خطاهای زمین‌گذاری هسته به تدریج افزایش می‌یابد و نیاز به تشخیص و درمان بهبود یافته خطاهای تجهیزات برق در عملیات و نگهداری وجود دارد. اگرچه در حال حاضر روش‌های تشخیصی خاصی وجود دارد، اما هنوز موانع فنی مانند کارایی کشف پایین و مشکل محل‌یابی خطا وجود دارد. نیاز فوری برای کاوش و استفاده از تکنولوژی‌های تشخیص خطا دقیق‌تر و حساس‌تر برای بهبود قابلیت اطمینان عملیات تجهیزات و تضمین پایداری و امنیت سیستم برق وجود دارد.

۱ تجزیه و تحلیل دلایل و ویژگی‌های خطاهای زمین‌گذاری هسته در تبدیل‌کننده‌های توزیع ۳۵ کیلوولت

۱.۱ دلایل رایج خطاهای زمین‌گذاری هسته

در تبدیل‌کننده‌های توزیع ۳۵ کیلوولت معمولاً مواد عایق‌بندی بین لایه‌های هسته برای جداسازی استفاده می‌شود. با این حال، در طول عملکرد بلندمدت، میدان‌های الکتریکی داخلی و دما باعث تخریب تدریجی مواد عایق‌بندی می‌شوند، به ویژه در محیط‌های فشار بالا و دما بالا که عملکرد عایق‌بندی به سرعت کاهش می‌یابد. با پیشرفت تخریب، مقاومت عایق‌بندی کاهش می‌یابد و شکست عایق‌بندی در مناطق جزئی می‌تواند خطاهای زمین‌گذاری چند نقطه‌ای را تشکیل دهد.

تبدیل‌کننده‌ها در طول عملکرد بلندمدت حتماً از ارتعاشات مکانیکی تجربه می‌کنند. به ویژه در شرایط نوسانات بار قابل توجه، ارتعاشات می‌توانند باعث جابجایی نسبی هسته و اجزای ضامن هسته شوند. ضامن‌های هسته سست یا مواد عایق‌بندی خراب می‌توانند خطاهای زمین‌گذاری را القا کنند. نقص‌های تولید هسته تبدیل‌کننده نیز عامل مهمی در خطاهای زمین‌گذاری هسته هستند. در طول تولید، اگر صفحات فولاد سیلیسیوم دارای لبه‌های تیز، پوشش عایق‌بندی ناهموار یا دقت پردازش هسته کافی نباشد، می‌تواند باعث تخریب عایق‌بندی محلی شود. این نقص‌ها معمولاً در بخش‌های زمین‌گذاری تبدیل‌کننده متمرکز می‌شوند. وقتی توزیع میدان الکتریکی در هسته ناهموار است، می‌تواند باعث تخلیه جزئی شود.

۱.۲ ویژگی‌های الکتریکی و خطرات خطاهای زمین‌گذاری

ویژگی الکتریکی مستقیم خطاهای زمین‌گذاری هسته افزایش جریان زمین‌گذاری است. بعد از وقوع خطای زمین‌گذاری، جریان زمین‌گذاری معمولاً نوسانات جریان با مولفه‌های هارمونیک را نشان می‌دهد، به ویژه در نواحی فرکانس بالا بالاتر از ۵۰ هرتز. وقتی خطاها رخ می‌دهند، موج جریان زمین‌گذاری معمولاً غیرسینوسی ظاهر می‌شود و دامنه‌های بزرگ‌تری از مولفه‌های هارمونیک دارد.

ویژگی دیگر خطاهای زمین‌گذاری هسته تخلیه جزئی است. بعد از شکست مواد عایق‌بندی، میدان الکتریکی در مناطق خرابه متمرکز می‌شود و باعث تخلیه کرونا و تخلیه جزئی می‌شود. تخلیه جزئی معمولاً پالس‌های جریان با فرکانس بالا با محدوده فرکانس عموماً بین ۳-۳۰ مگاهرتز تولید می‌کند. سیگنال‌های جریان در این محدوده فرکانس می‌توانند با استفاده از تبدیل‌کننده‌های جریان فرکانس بالا (HFCT) ثبت و تحلیل شوند.

ویژگی الکتریکی دیگری که توسط خطاهای زمین‌گذاری هسته القا می‌شود اثر افزایش دما است. به دلیل تلفات گردابه‌ای در نقطه خطا، دما محلی افزایش می‌یابد. این اثر افزایش دما نه تنها مواد عایق‌بندی را مستقیماً تخریب می‌کند بلکه ممکن است گرمایش جزئی در مناطقی از هسته را نیز ایجاد کند.

۱.۳ تأثیر خطاهای زمین‌گذاری بر عملکرد تبدیل‌کننده

خطاهای زمین‌گذاری هسته باعث افزایش جریان زمین‌گذاری می‌شوند که به نوبه خود باعث تلفات اضافی در هسته تبدیل‌کننده می‌شود. تلفات هسته عمدتاً شامل تلفات گردابه‌ای و تلفات هیستریسی است. وقتی خطاهای زمین‌گذاری رخ می‌دهند، توزیع نامساوی جریان مغناطیسی در داخل تبدیل‌کننده تلفات گردابه‌ای را در مناطق خاص به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این کار نه تنها کارایی انرژی تبدیل‌کننده را کاهش می‌دهد بلکه ممکن است هزینه‌های عملیاتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد. افزایش تلفات هسته گرمایش تبدیل‌کننده را تشدید می‌کند و به طور مداوم عملکرد پایدار را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

تخلیه جزئی و اثر افزایش دما که توسط خطاهای زمین‌گذاری هسته القا می‌شوند، تخریب سریع‌تر مواد عایق‌بندی داخلی تبدیل‌کننده را تسهیل می‌کنند. در طول تخریب عایق‌بندی، مقاومت لایه‌های عایق‌بندی به تدریج کاهش می‌یابد و قابلیت عایق‌بندی الکتریکی به تدریج از کار می‌افتد. وقتی عایق‌بندی کاملاً از کار بیفتد، ممکن است خرابی‌های کوتاه مسیر محلی یا خرابی‌های کوتاه مسیر کامل‌تری را القا کند.

خطاهای زمین‌گذاری هسته نه تنها عملکرد الکتریکی را کاهش می‌دهند بلکه ترکیبات شیمیایی روغن تبدیل‌کننده را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهند. وقتی هسته زمین‌گذاری می‌شود، تخلیه جزئی و گرمایش باعث افزایش دما در داخل روغن می‌شود و تغییرات در مولفه‌های گاز حل شده در روغن، به ویژه افزایش غیرعادی محتوای متان (CH4) و اتان (C2H4) را موجب می‌شود.

۲ روش‌های تشخیصی و مقایسه فنی خطاهای زمین‌گذاری هسته

۲.۱ روش‌های تشخیصی سنتی

روش مقاومت مستقیم یکی از روش‌های تشخیصی سنتی خطاهای زمین‌گذاری هسته است که عمدتاً با اندازه‌گیری مقاومت عایق‌بندی بین هسته و زمین وجود خطا را تشخیص می‌دهد. این روش ولتاژ مستقیم را اعمال می‌کند و نسبت جریان به ولتاژ را اندازه‌گیری می‌کند تا مقاومت عایق‌بندی را محاسبه کند. در ایده‌آل، مقاومت عایق‌بندی هسته باید در مقدار بالایی باقی بماند؛ اگر مقاومت زیر آستانه خاصی بیفتد، ممکن است نشان‌دهنده خطای زمین‌گذاری باشد.

با این حال، روش مقاومت مستقیم نمی‌تواند به طور دقیق محل خطا را مشخص کند. نتایج اندازه‌گیری آن تنها می‌تواند عملکرد میانگین عایق‌بندی کل هسته را منعکس کند و نمی‌تواند مناطق خاص خرابی را تعیین کند. این روش نیز دارای تأخیری است، به ویژه زمانی که پیری عایق‌بندی هنوز تغییرات قابل توجهی در مقاومت ایجاد نکرده باشد، که تشخیص اولیه خرابی‌ها را بی‌اثر می‌کند. علاوه بر این، روش مقاومت مستقیم نمی‌تواند اطلاعاتی درباره نوع خرابی ارائه دهد و ویژگی‌های دقیق خرابی نمی‌تواند از داده‌های اندازه‌گیری به طور موثر استخراج شود.

تحلیل کروماتوگرافی روغن از تغییرات مولفه‌های گاز حل شده در روغن ترانسفورماتور برای استنتاج نوع خرابی استفاده می‌کند. این گازهای حل شده معمولاً هنگامی تولید می‌شوند که تخلیه، گرم شدن بیش از حد یا خرابی‌های الکتریکی دیگر در داخل ترانسفورماتور رخ می‌دهد. مولفه‌های گازی معمول در روغن ترانسفورماتور شامل متان (CH4)، اتیلن (C2H4)، اتان (C2H6) و غیره می‌باشند. تغییرات در غلظت گازها می‌تواند وضعیت عملیاتی ترانسفورماتور را منعکس کند. 

با مقایسه غلظت گازهای حل شده در روغن با نوع خرابی، می‌توان به طور اولیه تعیین کرد که آیا خرابی زمین‌گذاری هسته در ترانسفورماتور رخ داده است. تحلیل کروماتوگرافی روغن پاسخ نسبتاً تأخیری دارد؛ پس از وقوع خرابی، زمانی لازم است تا گازهای حل شده تجمع کنند که محدودیتی برای سرعت تشخیص خرابی ایجاد می‌کند. علاوه بر این، تحلیل کروماتوگرافی روغن نمی‌تواند محل دقیق خرابی یا ویژگی‌های خاص آن را ارائه دهد و فقط از طریق تغییرات غلظت گازها خرابی را نشان می‌دهد. برای خرابی‌های جزئی یا متناوب، تشخیص با استفاده از تحلیل کروماتوگرافی روغن ممکن است تأخیر داشته باشد و نتواند به طور سریع به وقوع خرابی واکنش نشان دهد.

۲.۲ فناوری‌های تشخیصی مدرن

فناوری تشخیص تخلیه جزئی بر اساس اصل ترانسفورماتورهای جریان با فرکانس بالا (HFCT) استوار است، که سیگنال‌های ضربه‌ای تخلیه را که از زمین‌گذاری هسته ناشی می‌شوند، ضبط و تجزیه و تحلیل می‌کند تا خرابی‌ها را تشخیص دهد. هنگامی که خرابی‌های زمین‌گذاری هسته رخ می‌دهند، تخلیه جزئی سیگنال‌های جریان با فرکانس بالا را در نقاط خرابی عایق‌بندی تولید می‌کند. این سیگنال‌های جریان معمولاً به صورت نویز یا سیگنال‌های ضربه‌ای با فرکانس بالا ظاهر می‌شوند که محدوده فرکانسی آن‌ها معمولاً بین ۳-۳۰ MHz است. 

با نصب حسگرهای جریان با فرکانس بالا در خط زمین‌گذاری ترانسفورماتور، می‌توان سیگنال‌های تخلیه جزئی را به طور زنده ضبط کرد. این فناوری می‌تواند به طور کارآمد محل‌های خرابی جزئی را تعیین کند، حساسیت بالایی دارد و می‌تواند خرابی‌ها را در مراحل اولیه تشخیص دهد. تشخیص تخلیه جزئی می‌تواند خرابی‌های جزئی ناشی از پیری عایق‌بندی یا خرابی مکانیکی را به طور موثر شناسایی کند و اطلاعات تشخیصی دقیق خرابی را ارائه دهد. با تجزیه و تحلیل سیگنال‌های تخلیه جزئی، می‌توان شدت و روند توسعه خرابی را ارزیابی کرد و اقدامات نگهداری یا پیشگیرانه متناسب را انجام داد.

فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز با استفاده از دوربین‌های مادون قرمز مناطق افزایش دما در هسته را تشخیص می‌دهد تا تعیین کند آیا خرابی زمین‌گذاری وجود دارد. پس از وقوع خرابی‌های زمین‌گذاری در ترانسفورماتور، زیان‌های جریان ویسکوز در مناطق محلی باعث افزایش دما می‌شوند، به ویژه افزایش قابل توجه دما در اطراف نقاط خرابی. فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز می‌تواند توزیع دما به طور زنده در سطح هسته را به دست آورد و از طریق تفاوت‌های دما وجود خرابی را تعیین کند. معمولاً زمانی که تفاوت دما بیش از ۱۰ درجه سانتیگراد باشد، نیاز به بررسی متمرکز آن منطقه است. مزیت این فناوری در این است که می‌تواند تغییرات دما را بدون تماس تشخیص دهد، با سرعت اندازه‌گیری بالا، مناسب برای تشخیص سریع محلی است.

روش تشخیص جریان با فرکانس بالا از کویل‌های روجوسکی برای اندازه‌گیری تغییرات جریان با فرکانس بالا در خطوط زمین‌گذاری استفاده می‌کند، معمولاً در محدوده فرکانسی ۵۰۰ kHz تا ۲ MHz. این جریان‌های با فرکانس بالا از فرآیندهای تخلیه ناشی از خرابی‌های زمین‌گذاری هسته تولید می‌شوند. با تشخیص سیگنال‌های جریان در این محدوده فرکانسی، می‌توان به طور موثر وجود خرابی را شناسایی کرد. در مقایسه با فناوری تشخیص تخلیه جزئی، تشخیص جریان با فرکانس بالا حساسیت بالاتری دارد و می‌تواند سیگنال‌های خرابی بسیار ضعیف را ضبط کند. استفاده از کویل‌های روجوسکی برای اندازه‌گیری بدون تماس نه تنها نصب را ساده می‌کند بلکه دقت اندازه‌گیری را نیز بهبود می‌بخشد. این فناوری به ویژه برای مناطقی که دسترسی مستقیم به آن‌ها دشوار است مناسب است و می‌تواند تشخیص آنلاین انجام دهد بدون آسیب رساندن به تجهیزات.

۳ بهینه‌سازی فرآیند تشخیص خرابی و تحلیل موارد

۳.۱ پیشنهادات برای فرآیند تشخیص بهینه

هنگام تشخیص خرابی‌های زمین‌گذاری هسته، مرحله اول باید با استفاده از فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز انجام شود. دوربین‌های مادون قرمز می‌توانند به سرعت نقشه‌های توزیع دما از سطح ترانسفورماتور را به دست آورند که به کارشناسان تشخیص کمک می‌کند تا مناطق احتمالی افزایش دما را شناسایی کنند. پس از شناسایی اولیه مناطق احتمالی خرابی، مرحله بعدی باید با ترکیب فناوری‌های تشخیص جریان با فرکانس بالا و تشخیص تخلیه جزئی برای تست دقیق انجام شود.

روش تشخیص جریان با فرکانس بالا با استفاده از کویل‌های روجوسکی تغییرات جریان زمین‌گذاری در محدوده فرکانسی ۵۰۰ kHz تا ۲ MHz را ضبط می‌کند که به طور موثر مناطق خرابی زمین‌گذاری هسته را شناسایی می‌کند. فناوری تشخیص تخلیه جزئی با استفاده از حسگرهای HFCT سیگنال‌های ضربه‌ای تخلیه را به طور زنده نظارت می‌کند و با تجزیه و تحلیل فرکانس و شدت تخلیه، محل‌های خرابی را بیشتر تأیید می‌کند.

پس از انجام تشخیص جریان با فرکانس بالا و تخلیه جزئی، مرحله نهایی تأیید و تحلیل شدت خرابی از طریق تحلیل کروماتوگرافی روغن است. با تشخیص گازهای حل شده در روغن ترانسفورماتور، به ویژه تغییرات غلظت متان (CH4)، اتیلن (C2H4) و گازهای دیگر، می‌توان ماهیت خرابی را بیشتر تأیید کرد. برای خرابی‌های زمین‌گذاری هسته جدی، کروماتوگرافی روغن نشان‌دهنده افزایش غیرعادی مولفه‌های گازی خواهد بود. ترکیب داده‌های کروماتوگرافی روغن با نتایج تشخیصی دیگر می‌تواند تأثیرات کلی خرابی را به طور جامع ارزیابی کند و پایه‌ای برای کارهای تعمیر و نگهداری بعدی فراهم کند.

۳.۲ تحلیل موردی نمونه

در طی عملیات در یک زیراستانیون، کارکنان نگهداری متوجه افزایش قابل توجه جریان زمین‌گذاری در یک ترانسفورماتور توزیع ۳۵ kV شدند که بسیار بیشتر از مقادیر عادی بود. داده‌های نظارتی نشان داد که جریان زمین‌گذاری به ۵ A رسیده بود، در حالی که در شرایط عادی، جریان زمین‌گذاری باید کمتر از ۱۰۰ mA باشد. چالش این بود که اگرچه جریان زمین‌گذاری به طور غیرعادی افزایش یافته بود، اما هیچ نشانه فیزیکی خرابی خارجی واضحی وجود نداشت. روش‌های تشخیصی الکتریکی سنتی مانند آزمون مقاومت مستقیم و تحلیل کروماتوگرافی روغن نتوانستند اطلاعات دقیقی درباره محل خرابی ارائه دهند.

برای حل مشکل خرابی زمین‌گذاری هسته ترانسفورماتور، کارشناسان نگهداری از چندین فناوری تشخیصی مدرن استفاده کردند. ابتدا از دوربین حرارتی FLIR T640 برای غربالگری اولیه استفاده کردند و به سرعت مناطق افزایش دما در هسته و قطعات مرتبط را شناسایی کردند. سپس از حسگرهای جریان بالافرکانس PD-Tech HFCT برای نظارت بر جریان زمین‌گذاری استفاده کردند. در نهایت از دستگاه‌های تشخیص نشت پارسیال PD-Tech برای آزمون و تحلیل سیگنال‌های نشت استفاده کردند و نقطه خرابی را شناسایی کردند. نتایج آزمون در جدول ۱ نمایش داده شده است.

جدول ۱: نتایج تشخیص مشکلات ترانسفورماتور

بر اساس نتایج آزمون با دوربین ترمال مادون قرمز، اختلاف دما در نزدیکی اجزای خنک کننده هسته به ۱۲ درجه سانتیگراد رسید که بیش از حد معمول است و احتمالاً گرم شدن در این منطقه را تأیید می‌کند. با استفاده از حسگرهای جریان با فرکانس بالا، جریان زمینی ۵ آمپر مشاهده شد که به طور قابل توجهی از مقدار عادی ۱۰۰ میلی‌آمپر بیشتر است و نشان می‌دهد که خطا در داخل ترانسفورماتور رخ داده است. بررسی بیشتر با استفاده از روش تشخیص پخش جزئی نشان داد که نوسانات قوی در سیگنال‌های جریان با فرکانس بالا در محدوده فرکانس ۴.۵-۱۸ مگاهرتز وجود دارد و شدت پخش جزئی به تدریج افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد نقطه خطا در اجزای خنک کننده هسته و خطا در حال تشدید است.

در نهایت، نقطه خطا در پد ایزولاسیون اجزای خنک کننده هسته تأیید شد. مواد ایزولاسیونی به دلیل عملکرد بلندمدت قد میل کرده و خسارت جزئی در ایزولاسیون ایجاد شده که باعث خطا در زمین شده است. اقدامات درمانی شامل جایگزینی پد ایزولاسیون بود و آزمون‌های بعدی تأیید کرد که جریان زمینی به حالت عادی برگشته و خطا رفع شده و عملکرد پایدار تجهیزات بازگشته است.

این مورد نشان می‌دهد که ترکیب فناوری تصویربرداری ترمال مادون قرمز، فناوری تشخیص پخش جزئی و فناوری تشخیص جریان با فرکانس بالا می‌تواند به طور موثری بهبود کند کارایی و دقت تشخیص خطا در زمین‌سازی هسته. در فرآیندهای عملیاتی و نگهداری، کارکنان باید به طور منظم از این فناوری‌ها برای تشخیص مشترک استفاده کنند تا اطمینان حاصل کنند که ترانسفورماتور به صورت ایمن و پایدار عمل می‌کند.

۴ نتیجه‌گیری

در تشخیص خطا در زمین‌سازی هسته، استفاده ترکیبی از چندین فناوری تشخیص مدرن می‌تواند به طور قابل توجهی دقت تعیین محل خطا و کارایی تشخیص را بهبود بخشد. از طریق اثرات همکاری تشخیص جریان با فرکانس بالا، تحلیل پخش جزئی و فناوری تصویربرداری ترمال مادون قرمز، ریسک‌های بالقوه تجهیزات می‌تواند در مراحل اولیه شناسایی شود و منبع خطا به طور دقیق شناسایی شود که منجر به کاهش زمان توقف تجهیزات و افزایش عمر مفید ترانسفورماتور می‌شود.

در آینده، با توسعه و کاربرد مداوم فناوری‌های تشخیص جدید، تشخیص و نگهداری خطا در زمین‌سازی هسته به طور کاراتر و دقیق‌تر خواهد شد و امنیت و پایداری سیستم‌های برق را حفظ خواهد کرد.