تحلیل روش‌های تشخیصی برای خطاهای زمین‌گیری هسته در ترانسفورماتورهای توزیع ۳۵ کیلوولت

ترانسفورماتورهای توزیع ۳۵ کیلوولت: تحلیل و روش‌های تشخیصی خطا در زمین‌کشی هسته

ترانسفورماتورهای 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، خطا در زمین‌کشی هسته به یکی از مشکلات اصلی تبدیل شده است که عملکرد پایدار ترانسفورماتورها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. خطا در زمین‌کشی هسته نه تنها بر کارایی انرژی ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد و هزینه‌های نگهداری سیستم را افزایش می‌دهد، بلکه ممکن است خرابی‌های الکتریکی جدی‌تری را نیز برانگیزد.

با قدیمی شدن تجهیزات برق، شمار خطاهای زمین‌کشی هسته به تدریج افزایش می‌یابد و نیازمند تشخیص و درمان قوی‌تر در عملکرد و نگهداری تجهیزات برق می‌شود. اگرچه در حال حاضر روش‌های تشخیصی خاصی وجود دارند، اما هنوز موانع فنی مانند کارایی پایین تشخیص و دشواری در محل‌یابی خطا وجود دارد. نیاز فوری به کشف و کاربرد فناوری‌های تشخیصی دقیق‌تر و حساس‌تر برای بهبود قابلیت اطمینان عملکرد تجهیزات و تضمین پایداری و امنیت سیستم برق وجود دارد.

۱. تحلیل دلایل و ویژگی‌های خطا در زمین‌کشی هسته ترانسفورماتورهای توزیع ۳۵ کیلوولت

۱.۱ دلایل معمول خطا در زمین‌کشی هسته

در ترانسفورماتورهای توزیع ۳۵ کیلوولت، معمولاً مواد عایق بین لایه‌های هسته برای جدا سازی استفاده می‌شود. با این حال، در طول عملکرد بلندمدت، میدان‌های الکتریکی داخلی و دما باعث سن کردن تدریجی مواد عایق می‌شوند، به ویژه در محیط‌های ولتاژ بالا و دمای بالا که در آن عملکرد عایق به سرعت کاهش می‌یابد. با پیشرفت سن کردن، مقاومت عایق کاهش می‌یابد و خرابی عایق در مناطق جزئی می‌تواند خطاهای زمین‌کشی چند نقطه‌ای را ایجاد کند.

ترانسفورماتورها در طول عملکرد بلندمدت به طور غیرقابل اجتنابی با لرزش مکانیکی مواجه می‌شوند. به ویژه در شرایط نوسانات بار قابل توجه، لرزش می‌تواند باعث جابجایی نسبی هسته و قطعات ضامن هسته شود. قطعات ضامن هسته که آزاد شده‌اند یا مواد عایق که خراب شده‌اند می‌توانند خطاهای زمین‌کشی را برانگیزن. نقص‌های تولید هسته ترانسفورماتور نیز دلایل مهمی برای خطاهای زمین‌کشی هسته هستند. در طول تولید، اگر صفحات فولاد سیلیسیوم دارای لبه‌های تیز، پوشش عایق ناهموار یا دقت پردازش هسته کافی نباشد، می‌تواند باعث خرابی عایق محلی شود. این نقص‌ها معمولاً در بخش‌های زمین‌کشی ترانسفورماتور متمرکز می‌شوند. وقتی توزیع میدان الکتریکی در هسته ناهموار است، می‌تواند باعث خروجی جزئی شود.

۱.۲ ویژگی‌های الکتریکی و خطرات خطا

ویژگی الکتریکی مستقیم خطاهای زمین‌کشی هسته افزایش جریان زمین است. پس از وقوع خطا در زمین‌کشی، جریان زمین معمولاً نوسانات جریان با مولفه‌های هارمونیک را نشان می‌دهد، به ویژه در مناطق بالا از ۵۰ هرتز. وقتی خطا رخ می‌دهد، موج جریان زمین معمولاً غیرسینوسی ظاهر می‌شود و دارای دامنه‌های بزرگتر از مولفه‌های هارمونیک است.

ویژگی دیگر معمول خطاهای زمین‌کشی هسته خروجی جزئی است. پس از خرابی مواد عایق، میدان الکتریکی در مناطق خراب شده تمرکز می‌یابد و باعث خروجی کرونایی و خروجی جزئی می‌شود. خروجی جزئی معمولاً پالس‌های جریان با باند فرکانس عموماً بین ۳-۳۰ مگاهرتز تولید می‌کند. سیگنال‌های جریان در این باند فرکانس می‌توانند با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان با فرکانس بالا (HFCT) ثبت و تحلیل شوند.

ویژگی الکتریکی دیگری که توسط خطاهای زمین‌کشی هسته القاء می‌شود، اثر افزایش دما است. به دلیل تلفات گردابه‌ای در نقطه خطا، دمای محلی افزایش می‌یابد. این اثر افزایش دما نه تنها مواد عایق را به طور مستقیم خراب می‌کند، بلکه ممکن است گرم شدن موضعی در بخش‌هایی از هسته را نیز برانگیزد.

۱.۳ تأثیر خطاها بر عملکرد ترانسفورماتور

خطاهای زمین‌کشی هسته باعث افزایش جریان زمین می‌شوند که به نوبه خود باعث تلفات اضافی در هسته ترانسفورماتور می‌شود. تلفات هسته عمدتاً شامل تلفات گردابه‌ای و تلفات هیسترزیس است. وقتی خطاهای زمین‌کشی رخ می‌دهند، توزیع ناهموار فلوکس مغناطیسی در داخل ترانسفورماتور تلفات گردابه‌ای را در مناطق خاص به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این نه تنها کارایی انرژی ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد بلکه ممکن است هزینه‌های عملیاتی را نیز به طور قابل توجهی افزایش دهد. افزایش تلفات هسته گرم شدن ترانسفورماتور را تشدید می‌کند و به طور مداوم عملکرد پایدار بلندمدت را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

خروجی جزئی و اثر افزایش دما که توسط خطاهای زمین‌کشی هسته القاء می‌شود، موجب تسریع در سن کردن مواد عایق داخلی ترانسفورماتور می‌شود. در طول سن کردن عایق، مقاومت لایه‌های عایق به تدریج کاهش می‌یابد و قابلیت عایق‌بندی الکتریکی به تدریج از کار می‌افتد. وقتی عایق کاملاً خراب شود، ممکن است خروجی کوتاه محلی یا حوادث کوتاه کامل‌تر و جدی‌تری را برانگیزد.

خطاهای زمین‌کشی هسته نه تنها باعث کاهش عملکرد الکتریکی می‌شوند بلکه تأثیراتی بر ترکیبات شیمیایی روغن ترانسفورماتور نیز دارند. وقتی هسته زمین می‌شود، خروجی جزئی و گرم شدن باعث افزایش دما در داخل روغن می‌شود و موجب تغییرات در مولفه‌های گاز حل شده در روغن، به ویژه افزایش غیرعادی محتوای متان (CH4) و اتان (C2H4) می‌شود.

۲. روش‌های تشخیصی و مقایسه فنی خطاهای زمین‌کشی هسته

۲.۱ روش‌های تشخیصی سنتی

روش مقاومت DC یکی از روش‌های تشخیصی سنتی برای خطاهای زمین‌کشی هسته است که عمدتاً با اندازه‌گیری مقاومت عایق بین هسته و زمین وجود خطا را تعیین می‌کند. این روش ولتاژ DC را اعمال می‌کند و نسبت جریان به ولتاژ را اندازه‌گیری می‌کند تا مقاومت عایق را محاسبه کند. در شرایط مطلوب، مقاومت عایق هسته باید در مقدار بالایی باقی بماند؛ اگر مقاومت زیر یک حد معین بیفتد، ممکن است نشان‌دهنده یک خطا در زمین‌کشی باشد.

با این حال، روش مقاومت مستقیم نمی‌تواند به طور دقیق محل خطا را مشخص کند. نتایج اندازه‌گیری آن فقط می‌تواند عملکرد عایق‌بندی میانگین هسته را منعکس کند و نمی‌تواند مناطق خاص خرابی را تعیین کند. این روش همچنین دارای تأخیری است، به ویژه وقتی که پیری عایق‌بندی هنوز باعث تغییرات قابل توجه در مقاومت نشده است، که تشخیص زودهنگام خطا را بی‌اثر می‌کند. علاوه بر این، روش مقاومت مستقیم نمی‌تواند اطلاعاتی درباره نوع خطا ارائه دهد و ویژگی‌های دقیق خطا نمی‌تواند به طور موثری از داده‌های اندازه‌گیری استخراج شود.

تحلیل کروماتوگرافی روغن با تشخیص تغییرات در اجزای گاز حل شده در روغن ترانسفورماتور، نوع خطا را استنتاج می‌کند. این گاز‌های حل شده معمولاً در صورت بروز تخلیه، گرم شدن بیش از حد یا خرابی‌های الکتریکی داخل ترانسفورماتور ایجاد می‌شوند. اجزای گازی معمول در روغن ترانسفورماتور شامل متان (CH4)، اتان (C2H6) و اتیلن (C2H4) هستند. تغییرات در غلظت گازها می‌تواند وضعیت عملکردی ترانسفورماتور را منعکس کند. 

با مقایسه غلظت گاز‌های حل شده در روغن با نوع خطا، می‌توان به طور اولیه تشخیص داد که آیا خطا در زمین‌گذاری هسته در ترانسفورماتور رخ داده است. تحلیل کروماتوگرافی روغن پاسخ نسبتاً دیرهنگامی دارد؛ پس از بروز خطا، زمانی لازم است تا گاز‌های حل شده جمع شوند، که محدودیت‌هایی در زمان‌بندی تشخیص خطا ایجاد می‌کند. علاوه بر این، تحلیل کروماتوگرافی روغن نمی‌تواند محل دقیق خطا یا ویژگی‌های خاص آن را ارائه دهد، بلکه تنها از طریق تغییرات غلظت گاز خطا را نشان می‌دهد. برای خطاها کوچک یا متناوب، تشخیص با تحلیل کروماتوگرافی روغن ممکن است دیرهنگام باشد و قادر به واکنش سریع به بروز خطا نباشد.

۲.۲ فناوری‌های جدید تشخیص با دستگاه‌های مدرن

فناوری تشخیص تخلیه جزئی بر اساس اصل ترانسفورماتور‌های جریان با فرکانس بالا (HFCT) است، که سیگنال‌های ضربه‌ای تخلیه ناشی از زمین‌گذاری هسته را ضبط و تحلیل می‌کند تا خطا را تشخیص دهد. وقتی خطا در زمین‌گذاری هسته رخ می‌دهد، تخلیه جزئی سیگنال‌های جریان با فرکانس بالا در نقاط خرابی عایق ایجاد می‌کند. این سیگنال‌های جریان معمولاً به صورت سیگنال‌های نویز یا ضربه با فرکانس‌های معمولاً بین ۳-۳۰ MHz ظاهر می‌شوند. 

با نصب حسگرهای جریان با فرکانس بالا در خط زمین ترانسفورماتور، می‌توان سیگنال‌های تخلیه جزئی را به طور زنده ضبط کرد. این فناوری می‌تواند به طور کارآمد محل‌های خطا را مشخص کند، حساسیت بالایی دارد و می‌تواند خطاها را در مراحل اولیه تشخیص دهد. تشخیص تخلیه جزئی می‌تواند خطاها کوچک ناشی از پیری عایق یا خسارت مکانیکی را به طور موثر شناسایی کند و اطلاعات تشخیص خطا دقیقی ارائه دهد. با تحلیل سیگنال‌های تخلیه جزئی، می‌توان شدت و روند توسعه خطا را ارزیابی کرد و اقدامات نگهداری یا پیشگیرانه متناسب را انجام داد.

فناوری تصویربرداری حرارتی با اشعه فروسرخ با استفاده از دوربین‌های حرارتی اشعه فروسرخ مناطق افزایش دما در هسته را تشخیص می‌دهد تا وجود خطا در زمین‌گذاری مشخص شود. پس از بروز خطا در زمین‌گذاری ترانسفورماتور، تلفات گردابه‌ای در مناطق محلی باعث افزایش دما می‌شود، به ویژه افزایش قابل توجه دما در اطراف نقطه خطا. فناوری تصویربرداری حرارتی با اشعه فروسرخ می‌تواند توزیع دما به طور زنده روی سطح هسته را به دست آورد و از طریق تفاوت‌های دما وجود خطا را مشخص کند. معمولاً وقتی تفاوت دما بیش از ۱۰ درجه سانتیگراد است، 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 سریع و مناسب برای تشخیص سریع در محل است.

روش تشخیص جریان با فرکانس بالا با استفاده از کویل‌های راگوسکی جهت اندازه‌گیری تغییرات جریان با فرکانس بالا در خطوط زمین، معمولاً در محدوده فرکانس ۵۰۰ kHz تا ۲ MHz است. این جریان‌های با فرکانس بالا توسط فرآیندهای تخلیه ناشی از خطا در زمین‌گذاری هسته ایجاد می‌شوند. با تشخیص سیگنال‌های جریان در این محدوده فرکانس، می‌توان وجود خطا را به طور موثر شناسایی کرد. در مقایسه با فناوری تشخیص تخلیه جزئی، تشخیص جریان با فرکانس بالا حساسیت بالاتری دارد و می‌تواند سیگنال‌های خطا بسیار ضعیف را ضبط کند. با استفاده از کویل‌های راگوسکی برای اندازه‌گیری بدون تماس، نه تنها نصب ساده‌تر می‌شود بلکه دقت اندازه‌گیری نیز افزایش می‌یابد. 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 خطا و تحلیل موارد

۳.۱ پیشنهادات برای فرآیند تشخیص بهینه

در هنگام تشخیص خطا در زمین‌گذاری هسته، مرحله اول باید با استفاده از فناوری تصویربرداری حرارتی با اشعه فروسرخ انجام شود. دوربین‌های حرارتی با اشعه فروسرخ می‌توانند به سرعت نقشه‌های توزیع دما روی سطح ترانسفورماتور را به دست آورند و به کارشناسان تشخیص کمک کنند تا مناطق احتمالی افزایش دما را شناسایی کنند. پس از شناسایی اولیه مناطق احتمالی خطا، 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 راگوسکی تغییرات جریان زمین را در محدوده فرکانس ۵۰۰ kHz تا ۲ MHz ضبط می‌کند و به طور موثر مناطق خطا در 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 تحلیل فرکانس و شدت تخلیه، موقعیت‌های دقیق نقاط خطا را تأیید می‌کند.

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

۳.۲ تحلیل مورد نمونه

در طی عملیات در یک زیرстан، کارکنان نگهداری مشاهده کردند که جریان زمین در یک ترانسفورماتور توزیع ۳۵ kV به طور قابل توجهی افزایش یافته است و بسیار بیشتر از مقادیر عادی است. داده‌های نظارتی نشان داد که جریان زمین به ۵ A رسیده است، در حالی که در شرایط عادی، جریان زمین باید کمتر از ۱۰۰ mA باشد. چالش این بود که با وجود افزایش غیرعادی جریان زمین، هیچ نشانه خرابی فیزیکی خارجی واضحی وجود نداشت. روش‌های تشخیصی الکتریکی سنتی مانند تست مقاومت مستقیم و تحلیل کروماتوگرافی روغن نتوانستند اطلاعات دقیقی درباره محل خطا 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 تخلیه بخشی PD-Tech برای آزمایش و تحلیل سیگنال‌های تخلیه و شناسایی نقطه خرابی استفاده کردند. نتایج آزمون در جدول ۱ نمایش داده شده است.

جدول ۱: نتایج تشخیص مشکلات ترانسفورماتور

بر اساس نتایج تشخیص داده شده توسط دوربین حرارتی، اختلاف دما در نزدیکی قطعات بستن هسته به ۱۲ درجه سانتیگراد رسید که فراتر از محدوده عادی است و وجود گرمایش احتمالی در این منطقه را تأیید می‌کند. تشخیص زنده با استفاده از سنسورهای جریان با فرکانس بالا نشان داد که جریان زمینی ۵ آمپر بود که به طور قابل توجهی فراتر از مقدار عادی ۱۰۰ میلی‌آمپر قرار داشت و این نشان می‌دهد که خرابی در داخل ترانسفورماتور رخ داده است. تشخیص بیشتر با استفاده از روش تخلیه بخشی نشان داد که نوسانات قوی در سیگنال‌های جریان با فرکانس بالا در محدوده ۴٫۵ تا ۱۸ مگاهرتز وجود دارد و شدت تخلیه به تدریج افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد نقطه خرابی در مجموعه بستن هسته قرار دارد و خرابی در حال تشدید است.

نقطه خرابی نهایی در پد ایزولاسیون قطعات بستن هسته تأیید شد. مواد ایزولاسیونی به دلیل عملکرد بلندمدت قد میل کرده بودند و آسیب جزئی به ایزولاسیون رخ داده بود که باعث خرابی زمینی شده بود. اقدامات درمانی شامل تعویض پد ایزولاسیون بود و آزمایش‌های بعدی تأیید کرد که جریان زمینی به حالت عادی برگشته و خرابی رفع شده و عملکرد پایدار تجهیزات بازگشته است.

این مورد نشان می‌دهد که ترکیب تکنولوژی تصویربرداری حرارتی تحت‌قرمز، تکنولوژی تشخیص تخلیه بخشی و تکنولوژی تشخیص جریان با فرکانس بالا می‌تواند به طور موثری بهبود کند کارایی و دقت تشخیص خرابی زمینی هسته. در فرآیندهای عملیاتی و نگهداری، کارکنان باید به طور منظم از این تکنولوژی‌ها برای تشخیص مشترک استفاده کنند تا اطمینان حاصل کنند که ترانسفورماتور به صورت ایمن و پایدار کار می‌کند.

۴ نتیجه‌گیری

در تشخیص خرابی‌های زمینی هسته، کاربرد ترکیبی چندین تکنولوژی تشخیصی مدرن می‌تواند به طور قابل توجهی دقت موقعیت‌یابی خرابی و کارایی تشخیص را افزایش دهد. از طریق تأثیرات همکاری تشخیص جریان با فرکانس بالا، تحلیل تخلیه بخشی و تکنولوژی تصویربرداری حرارتی تحت‌قرمز، می‌توان ریسک‌های تجهیزات را در مراحل اولیه شناسایی کرد و منابع خرابی را به طور دقیق شناسایی کرد، کاهش زمان توقف تجهیزات و افزایش طول عمر ترانسفورماتور.

در آینده، با توسعه و کاربرد مداوم تکنولوژی‌های تشخیصی جدید، تشخیص و نگهداری خرابی‌های زمینی هسته به طور موثرتر و دقیق‌تر خواهد شد و امنیت و پایداری سیستم‌های برق را حفظ خواهد کرد.