ניתוח שיטות אבחון עבור תקלה בישור ליבת טרנספורמטור התפוצה ב-35 ק"ו

מגנטים להפצה ב-35 kV הם ציוד קריטי נפוץ במערכות חשמל, המבצעים משימות חשובות בהעברת אנרגיה חשמלית. עם זאת, במהלך פעילות ממושכת, תקלות חיבור גרעין לאדמה נעשו לבעיה משמעותית המשפיעה על הפעילות יציבה של המגנטים. תקלות חיבור גרעין לאדמה משפיעות לא רק על יעילות האנרגיה של המגנט אלא גם מגבירות את עלויות החזקה של המערכת, ובנוסף עלולות לעורר כשלים חשמליים חמורים יותר.

עם הזדקנות הציוד החשמלי, תדר הופעת תקלות חיבור גרעין לאדמה מתייצבות בהדרגה, מה שדורש הדגשה על אבחון והיפוך תקלות בתפעול והחזקת הציוד. למרות שישנן שיטות אבחון מסוימות כיום, עדיין קיימות מכשולים טכנולוגיים כמו יעילות גילוי נמוכה ומיקום תקלות קשה. יש צורך דחוף לחפש ולהפעיל טכנולוגיות אבחון מדויקות ורגישות יותר כדי לשפר את אמינות הפעולה של הציוד ולשמור על יציבות ואבטחת מערכת החשמל.

1 ניתוח סיבות ומאפיינים של תקלות חיבור גרעין לאדמה במגנטים להפצה ב-35 kV

1.1 סיבות נפוצות לתקלות חיבור גרעין לאדמה

במגנטים להפצה ב-35 kV, מומרים מבודדים בין שכבות הגרעין למיגון. עם זאת, במהלך פעילות ממושכת, השדות החשמליים והטמפרטורה פועלים על מזדקנות הנייר המבודד, במיוחד בסביבות של מתח גבוה וטמפרטורה גבוהה שבהן הבידוד מתדרדר במהירות. ככל שמתקדם התהליך של הזדקנות, התנגדות הבידוד יורדת, וכישלון בידוד בשטחים מסוימים יכול ליצור תקלות חיבור רב-נקודות.

מגנטים נחשפים לרעידות מכניות במהלך פעילות ממושכת. במיוחד בתנאים של תנודות מטען משמעותיות, הרעידות יכולות לגרום להזזה יחסית של הגרעין והרכיבים המשיכים אותו. רכיבים משיכים פגומים או חומרים מבודדים שניזוקים יכולים לעורר תקלות חיבור לאדמה. פגמים בייצור של גרעיני המגנט הם גם הגורמים העיקריים לתקלות חיבור גרעין לאדמה. במהלך הייצור, אם לצלחות הסיליקון יש פיסות עודפות, כיסוי בידוד לא אחיד, או דיוק לא מספיק בעיבוד הגרעין, ייתכן וייווצר נזק מקומי בבידוד. פגמים אלו נוטים להתרכז בחלקים המחוברים לאדמה של המגנט. כאשר הפצת השדה החשמלי בגרעין אינה אחידה, עשוי להתרחש פרץ חלקי.

1.2 מאפיינים חשמליים וסכנות של תקלות

המאפיין החשמלי הישיר ביותר של תקלות חיבור גרעין לאדמה הוא עלייה בזרם חיבור לאדמה. לאחר שתתקלה מתרחשת, זרם החיבור לאדמה מציג תנועות זרם עם רכיבים הרמוניים, במיוחד באזורים בתדר גבוה מעל 50 Hz. כאשר תקלות מתרחשות, צורת הגל של זרם החיבור לאדמה היא בדרך כלל לא סינוסואידלית, עם אמפליטודה גדולה של רכיבים הרמוניים.

מאפיין טיפוסי נוסף של תקלות חיבור גרעין לאדמה הוא פרץ חלקי. לאחר כישלון חומרי הבידוד, השדה החשמלי מתרכז באזורים הניזוקים, מה שגורם לפרץ קורונה ופרץ חלקי. פרץ חלקי מייצר בדרך כלל פולסים זרם בתדר גבוה, בתווך תדרים בין 3-30 MHz. אותות זרם בתווך תדר זה ניתן ללכוד ולנתח באמצעות טראנספורמטורים זרם בתדר גבוה (HFCT) מיוחדים.

מאפיין חשמלי נוסף הנגרם על ידי תקלות חיבור גרעין לאדמה הוא אפקט עלייה בטמפרטורה. עקב אבדות ערבוב בנקודת התקלה, יש עלייה מקומית בטמפרטורה. אפקט עלייה בטמפרטורה זה לא רק מזיק באופן ישיר לחומרי הבידוד, אלא עלול לגרום לחימום יתר בחלקים מסוימים של הגרעין.

1.3 השפעת תקלות על פעולת המגנט

תקלות חיבור גרעין לאדמה גורמות לעלייה בזרם חיבור לאדמה, מה שמחזיר אבדות נוספות בגרעין המגנט. אבדות גרעין מורכבות בעיקר מאבדות ערבוב ואבדות היסטרזה. כאשר תקלות חיבור לאדמה מתרחשות, הפצת השדה המגנטי בפנים המגנט אינה אחידה, מה שמתגבר על אבדות הערבוב באזורים מסוימים. זה לא רק מפחית את יעילות האנרגיה של המגנט, אלא עלול גם להגדיל משמעותית את עלויות ההפעלה. האבדות המתגברות בגרעין מגדילות את החימום של המגנט, מה שממשיך להשפיע על הפעילות יציבה לאורך זמן.

פרץ חלקי ואפקט עלייה בטמפרטורה הנגרמים על ידי תקלות חיבור גרעין לאדמה ממהרים את הזדקנות החומרים המבודדים בפנים המגנט. במהלך הזדקנות, ההתנגדות של שכבות הבידוד יורדת בהדרגה, והיכולת המבודדת פוגמת בהדרגה. כאשר הבידוד נכשל לחלוטין, הוא עלול לעורר קצר מעבר מקומי או תאונות קצר מעבר מלאות חמורות יותר.

תקלות חיבור גרעין לאדמה לא רק מפחיתות את הביצועים החשמליים, אלא משפיעות גם על ההרכב הכימי של שמן המגנט. כאשר הגרעין מחובר לאדמה, פרץ חלקי וחימום יתר גורמים לעלייה בטמפרטורת השמן הפנימית, מה שמוביל לשינויים במרכיבי הגז המומסים בשמן, במיוחד עלייה חריגה בכמות המטהן (CH4) והאתילן (C2H4).

2 שיטות אבחון וערכות טכנולוגיות לתקלות חיבור גרעין לאדמה

2.1 שיטות אבחון מסורתיות

שיטת ההתנגדות הקבועה היא אחת מהשיטות האבחוניות המסורתיות לתקלות חיבור גרעין לאדמה, שמתבססת על מדידת ההתנגדות הבידודית בין הגרעין לאדמה. בשיטה זו מופעל מתח קבוע ומדיד את יחס הזרם למתח כדי לחשב את ההתנגדות הבידודית. באופן אידיאלי, התנגדות הבידוד של הגרעין צריכה להישאר בערך גבוה; אם ההתנגדות יורדת מתחת לסף מסוים, זה עשוי להצביע על תקלה חיבור לאדמה.

עם זאת, שיטת התנגדות ה-DC לא יכולה להמקם את נקודות התקלה באופן מדויק. תוצאות המדידה שלה יכולות רק להראות את הביצועים הממוצעים של ההבודד של כל הליבה ולא ניתן לקבוע אזורים ספציפיים של תקלה. השיטה הזו יש לה גם עיכוב מסוים, במיוחד כאשר הזדקנות ההבודד עדיין לא גרמה לשינויים משמעותיים בהתנגדות, מה שהופך את גילוי התקלות המוקדמות ללא יעיל. בנוסף, שיטת ההתנגדות ה-DC לא מספקת מידע על סוגי התקלות, ומאפיינים מפורטים של התקלות לא ניתן להפיק בצורה יעילה מנתוני המדידה.

ניתוח כרומטוגרפיה של שמן מזהה שינויים במרכיבי הגזים המפוזרים בשמן המתחם כדי להסיק את סוגי התקלות. הגזים המפוזרים הללו הם בדרך כלל מיוצרים כאשר מתרחשות פגיעה, חימום יתר או כשלים חשמליים אחרים בתוך המתחם. מרכיבי גז נפוצים בשמן המתחם כוללים מתאן (CH4), אתילן (C2H4), אתאן (C2H6) ועוד. שינויים בהצטברות הגזים יכולים להראות את מצב ההפעלה של המתחם. 

באמצעות השוואת ריכוזי הגזים המפוזרים בשמן עם סוגי התקלות, ניתן לקבוע במדור ראשון אם התקלה של קרקעית ליבה קרה במתחם. ניתוח כרומטוגרפיה של שמן יש לו תגובה יחסית מאוחרת; לאחר שמתרחשת התקלה, לוקח זמן להצטברות הגזים המפוזרים, מה שמצמצם את הנכונות של האבחון של התקלות. בנוסף, ניתוח כרומטוגרפיה של שמן אינו מסוגל להציע מיקומי התקלות מדויקים או מאפיינים ספציפיים, אלא רק מצביע על התקלות באמצעות שינויים בריכוזי הגזים. עבור התקלות קטנות או מתמשכות, אבחון באמצעות ניתוח כרומטוגרפיה של שמן עשוי להיות מאוחר ולא יוכל להגיב במהירות להתרחשות התקלה.

2.2 טכנולוגיות מדעיות מודרניות לגילוי

טכנולוגיית גילוי הפרדה חלקית מבוססת על עקרון הממרכי הזרם בעוצמה גבוהה (HFCT), שמתארת ומנתחת אותות פולסים שנגרמים על ידי קרקעית ליבה כדי לאבחן תקלות. כאשר מתרחשות תקלות של קרקעית ליבה, הפרדה חלקית יוצרת פולסים של זרם בעוצמה גבוהה בנקודות של נזק בהבודד. אותות הזרם הללו בדרך כלל מופיעים כרעש בעוצמה גבוהה או אותות פולסים בתדרים בין 3-30 מגה-הרץ. 

על ידי התקנת חיישני זרם בעוצמה גבוהה על קו הקרקעות של המתחם, ניתן לתפוס אותות הפרדה חלקית בזמן אמת. הטכנולוגיה הזו יכולה לאתר באופן יעיל נקודות תקלות חלקיות, יש לה רגישות גבוהה ויכולה לזהות תקלות בשלבים מוקדמים. גילוי הפרדה חלקית יכול לזהות בצורה יעילה תקלות קטנות שנגרמות על ידי הזדקנות ההבודד או נזק מכני, ומספקת מידע מדויק לאבחון התקלות. על ידי ניתוח אותות הפרדה חלקית, ניתן להעריך את חומרת התקלה ואת מגמת התפתחותה, ולספק צעדים תחזוקה או מניעה מתאימים.

טכנולוגיית הדמיית חום תרמית מעקב אחר אזורים של עלייה בטמפרטורה בליבה באמצעות מצלמות תרמיות אינפרא-אדום כדי לקבוע אם קיימות תקלות של קרקעית. לאחר שמתרחשות תקלות של קרקעית במתחמים, אבדות טורנדו מקומיות גורמות לעלייה בטמפרטורה, במיוחד עלייה משמעותית בטמפרטורה סביב נקודות התקלה. טכנולוגיית הדמיית חום תרמית יכולה לקבל את הפיזור של הטמפרטורה על פני המשטח של הליבה בזמן אמת ולקבוע את קיום התקלה דרך ההבדלים בטמפרטורה. בדרך כלל, כאשר ההבדלים בטמפרטורה עוברים מעל 10°C, יש צורך בחקר ממוקד באזור זה. היתרון של הטכנולוגיה הזו הוא יכולתה לזהות שינויים בטמפרטורה ללא מגע, עם מהירות מדידה מהירה, מה שהופך אותה להתאימה לבדיקות מהירות במקום.

שיטת הגילוי של זרם בעוצמה גבוהה משתמשת בקוי רוגוסקי כדי למדוד שינויים בזרם בעוצמה גבוהה בקו הקרקעות, בדרך כלל בתדרים בין 500 קילו-הרץ ל-2 מגה-הרץ. זרמים בעוצמה גבוהה אלו נוצרים על ידי תהליך פליטה שנגרמת על ידי תקלות של קרקעית ליבה. על ידי גילוי אותות זרם בתחום התדרים הזה, ניתן לזהות בצורה יעילה את קיום התקלה. בהשוואה לטכנולוגיית גילוי הפרדה חלקית, שיטת הגילוי של זרם בעוצמה גבוהה יש לה רגישות גבוהה יותר ויכולה לתפוס אותות התקלה מאוד חלשים. שימוש בקוי רוגוסקי למדידת ללא מגע לא רק מפשט את ההתקנה, אלא משפר גם את דיוק המדידה. הטכנולוגיה הזו היא במיוחד מתאימה לאזורים הקשים לגישה ישירה ויכולה לבצע גילוי מקוון מבלי להזיק לציוד.

3 שיפור תהליך האבחון והניתוח של מקרי דוגמה

3.1 המלצות לשיפור תהליך האבחון

כאשר מבצעים אבחון של תקלות קרקעית ליבה, השלב הראשון צריך להיות criblage מקדים באמצעות טכנולוגיית הדמיית חום תרמית. מצלמות תרמיות אינפרא-אדום יכולות להשיג במהירות מפות פיזור טמפרטורה של פני השטח של המתחם, מה שמסייע לאנשי האבחון לזהות אזורים אפשריים של עלייה חריגה בטמפרטורה. לאחר ש criblage מקדים מזהה אזורים אפשריים של תקלה, השלב הבא צריך לשלב בין שיטת הגילוי של זרם בעוצמה גבוהה וטכנולוגיית גילוי הפרדה חלקית לבדיקה מדויקת.

שיטת הגילוי של זרם בעוצמה גבוהה מאתרת שינויים בזרם הקרקעות בתחום התדרים 500 קילו-הרץ עד 2 מגה-הרץ באמצעות קוי רוגוסקי, ומזהה בצורה יעילה אזורים של תקלות קרקעית ליבה. טכנולוגיית גילוי הפרדה חלקית מעקב אחר אותות פולסים של פרדה בזמן אמת באמצעות חיישני HFCT, מאמינה את תדר ועוצמת הפרדה כדי לקבוע את מיקומי נקודות התקלה.

לאחר ביצוע הגילוי של זרם בעוצמה גבוהה וגילוי הפרדה חלקית, השלב הסופי הוא לבדוק ולהעריך את חומרת התקלה באמצעות ניתוח כרומטוגרפיה של שמן. על ידי גילוי הגזים המפוזרים בשמן המתחם, במיוחד שינויים בריכוזי מתאן (CH4), אתילן (C2H4) וגזים אחרים, ניתן להסיק עוד על טבע התקלה. עבור תקלות קרקעית ליבה חמורות, ניתוח כרומטוגרפיה של שמן יראה ריכוזים חריגים של מרכיבי גז. שילוב נתונים של ניתוח כרומטוגרפיה עם תוצאות גילוי אחרות יכול להעריך באופן כולל את השפעת התקלה ומספק בסיס לתיקונים עתידיים.

3.2 ניתוח מקרי דוגמה טיפוסיים

במהלך פעילות בתחנת כוח, אנשי תחזוקה הבחינו כי זרם הקרקעות של מתחם הפצת 35 ק"ו עלה באופן משמעותי, הרבה מעבר לערכים נורמליים. נתוני מעקב הראו כי זרם הקרקעות הגיע ל-5 אמפר, בעוד שבתנאים נורמליים, זרם הקרקעות צריך להיות פחות מ-100 מיליאמפר. האתגר היה שלמרות שהזרם עלה באופן חריג, לא היו סימנים פיזיים מובהקים של תקלה חיצונית. שיטות אבחון חשמליות מסורתיות כגון מדידת התנגדות DC ואנליזת כרומטוגרפיה של שמן לא הצליחו לספק מידע ברור לגבי מיקום התקלה.

כדי לפתור את בעיית ההגנה על הקרקע של ליבת המبدل, צוותיaintenance personnel事后我注意到这里不小心混入了非希伯来语内容，现在更正并提供正确的翻译如下：

כדי לפתור את בעיית ההגנה על הקרקע של ליבת המبدل, אנשי התחזוקה השתמשו במספר טכנולוגיות אבחון מודרניות. ראשית, הם השתמשו במכשיר תצפית תרמית באינפרא-אדום FLIR T640 לסינון מקדים, ומצא במהירות את האזורים בהם יש עלייה בטמפרטורה בליבה וברכיבים הקשורים. אז הם השתמשו חיישני זרם בתדר גבוה של PD-Tech HFCT כדי לעקוב אחרי זרם ההגנה על הקרקע. לבסוף, הם השתמשו במכשירי מדידת שחרור חלקי של PD-Tech לבדיקת וניתוח אותות השחרור, והם הצליחו לאתר את נקודת התקלה. תוצאות הבדיקה מוצגות בטבלה 1.

טבלת 1: תוצאות אבחון בעיות במبدل

בהתבסס על תוצאות בדיקה באמצעות מצלמת תרמית אינפרא־אדום, הפרש הטמפרטורות ליד רכיבי הסחיטה של הליבה הגיע ל-12°C, מעבר לטווח הנורמלי, ומאשרת באופן מקדים אפשרות לחימום יתר באזור זה. בדיקה בזמן אמת באמצעות חיישני זרם בתדר גבוה חשפה זרם חיבור אדמה של 5 אמפרים, שמעבר בצורה משמעותית לערכו הנורמלי של 100 מיליאמפרים, מה שמצביע על כך שהתקלקלות התפתחה בתוך הממרח. בדיקת פליטת חלקיות נוספת חשפה תנודות חזקות בסיגנלים של זרם בתדר גבוה בתחום התדרים 4.5-18 מגה-הרץ, עם עוצמת פליטה שנעשית בהדרגה חזקה יותר, מה שמצביע על כך שהנקודה של התקלקלות נמצאת ברכיבי הסחיטה של הליבה והתקלקלות הולכת והחמירה.

הנקודה הסופית של התקלקלותIRM-Business נקבעה בעטיפת ההידבקות של רכיבי הסחיטה של הליבה. חומר ההידבקות התנוון בשל פעילות ממושכת, גרם להיזקק קלה של ההידבקות שהציתה את התקלקלות החיבור לאדמה. אמצעי טיפול בהתקלקלות כללו החלפת עטיפת ההידבקות, ובבדיקות שאחרו אישרו כי זרם החיבור לאדמה חזר לנורמלי, ומבטל את התקלקלות ומחדש את הפעילות השקטה של הציוד.

מקרה זה מדגים כי שילוב טכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא־אדום, טכנולוגיית בדיקת פליטת חלקיות וטכנולוגיית בדיקת זרם בתדר גבוה יכול לשפר בצורה יעילת את היעילות והדיוק בהבחנה בהתקלקלויות חיבור לאדמה של הליבה. במהלך הפעולה והתחזוקה האמיתית, על אנשי צוות להשתמש באופן קבוע בטכנולוגיות אלו להבחנה משולבת כדי להבטיח את הפעילות הבטוחה והיציבה של הממרחים.

4 סיכום

בהבחנה בהתקלקלויות חיבור לאדמה של הליבה, היישום המשולב של טכנולוגיות הבחנה מודרניות רבות יכול לשפר באופן משמעותי את הדיוק במיקום התקלקלות ויעילות ההבחנה. דרך השפעות הקונצרטניות של בדיקת זרם בתדר גבוה, ניתוח פליטת חלקיות וטכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא־אדום, ניתן לזהות סיכונים פוטנציאליים של הציוד בשלבים מוקדמים, ולזהות במדויק מקורות התקלקלות, תוך הפחתת זמן העמידה של הציוד והארכת תקופת השירות של הממרח.

בעתיד, עם התפתחות מתמשכת ויישום של טכנולוגיות בדיקה חדשות, הבחנה והתחזוקה של התקלקלויות חיבור לאדמה של הליבה יהפכו ליעילות ומדוייקות יותר, ויבטיחו את יציבות ואבטחת מערכת החשמל.