تحليل وتدارك أخطاء العزل في محولات الطاقة

المحولات الكهربائية الأكثر استخدامًا: المحولات المغمورة بالزيت والمحولات الجافة ذات الراتنج

تعتبر المحولات المغمورة بالزيت والمحولات الجافة ذات الراتنج من أكثر أنواع المحولات الكهربائية استخدامًا اليوم. نظام العزل في المحول، المكون من مواد عازلة متنوعة، أساسي لعمله الصحيح. يتحدد عمر خدمة المحول بشكل أساسي بعمر المواد العازلة (زيت وورق أو راتنج).

في الواقع، تنتج معظم حالات فشل المحولات عن تلف نظام العزل. تظهر الإحصائيات أن حالات الفشل المتعلقة بالعزل تمثل أكثر من 85% من جميع حوادث المحولات. يمكن للمحولات التي يتم صيانتها بشكل صحيح مع الاهتمام بإدارة العزل أن تحقق أعمار خدمة طويلة جدًا. لذا، فإن حماية التشغيل الطبيعي للمحولات وتعزيز الصيانة المناسبة لنظام العزل يمكن أن يضمنا إلى حد كبير عمرًا أطول للمحولات، حيث تعد الصيانة الوقائية والتوقعية مفتاحًا لتحسين طول العمر والأمان في التزويد بالطاقة.

1. حالات فشل العزل الورقي الصلب

في المحولات المغمورة بالزيت، تعتبر المواد العازلة الرئيسية هي الزيت العازل والمواد العازلة الصلبة بما فيها الورق العازل واللوحات الضاغطة والكتل الخشبية. يشير تقدم عمر العزل في المحولات إلى تحلل هذه المواد بسبب العوامل البيئية مما يؤدي إلى انخفاض أو فقدان قوة العزل.

يعتبر العزل الورقي الصلب أحد المكونات الأساسية لنظام العزل في المحولات المغمورة بالزيت، بما في ذلك الورق العازل والألواح والأقراص واللفائف والأشرطة الملتفة. المكون الرئيسي له هو السليلوز بمفردة كيميائية (C6H10O5)n، حيث يمثل n درجة البلمرة (DP). يكون DP للورق الجديد حوالي 1300 ويقل إلى حوالي 250 عندما تنخفض القوة الميكانيكية بأكثر من النصف. 

عندما يكون عمر الورق العازل شديدًا بـ DP يتراوح بين 150-200، يصل المادة إلى نهاية حياتها. مع تقدم عمر الورق العازل، ينخفض DP والقوة الشد تدريجيًا بينما يتم إنتاج الماء وCO و CO2 والفروفورال (الفوران الألدهيد). يعتبر الغالبية العظمى من منتجات الشيخوخة هذه ضارة بالمعدات الكهربائية، مما يقلل من جهد الانهيار ومعدل المقاومة الحجمية للورق العازل بينما يزيد من فقدان الديايكتريك ويقلل من القوة الشد وقد يسبب تآكل المكونات المعدنية. 

يظهر العزل الصلب خصائص الشيخوخة غير القابلة للعكس، حيث تكون تدهور القوة الميكانيكية والكهربائية غير قابلة للتعافي. نظرًا لأن عمر المحول يعتمد بشكل أساسي على عمر المواد العازلة، يجب أن تمتلك مواد العزل الصلبة في المحولات المغمورة بالزيت خصائص عزل كهربائي ممتازة وخواص ميكانيكية جيدة مع تدهور بطيء في الأداء على مدى سنوات من التشغيل - مما يشير إلى خصائص الشيخوخة الجيدة.

1.1 خصائص مواد الألياف الورقية

تعتبر مواد الألياف الورقية العازلة أهم مكون عازل في المحولات المغمورة بالزيت. الألياف الورقية هي المكون الأساسي للأنسجة الصلبة النباتية. على عكس الموصلات المعدنية الغنية بالإلكترونات الحرة، لا تحتوي المواد العازلة تقريبًا على أي إلكترونات حرة، ومعظم التيار التوصيلي يأتي من التوصيل الأيوني. يتكون السليلوز من الكربون والهيدروجين والأكسجين. بسبب مجموعات الهيدروكسيل في تركيبه الجزيئي، فإن السليلوز لديه القدرة على تكوين الماء، مما يعطي الألياف الورقية خصائص امتصاص الرطوبة. 

بالإضافة إلى ذلك، يمكن اعتبار هذه المجموعات الهيدروكسيل مراكز محاطة بجزيئات قطبية مختلفة (مثل الأحماض والماء)، مرتبطة بروابط هيدروجينية، مما يجعل الألياف عرضة للتلف. غالبًا ما تحتوي الألياف الورقية أيضًا على نسبة حوالي 7% من الشوائب، بما في ذلك الرطوبة. بسبب الطبيعة الكولويدية للألياف، لا يمكن إزالة هذه الرطوبة تمامًا، مما يؤثر على أداء الألياف الورقية.

الألياف القطبية تميل إلى امتصاص الرطوبة (الماء هو وسيط قطبي قوي). عندما تامتص الألياف الورقية الماء، يضعف التفاعل بين مجموعات الهيدروكسيل، مما يؤدي إلى تدهور سريع في القوة الميكانيكية تحت ظروف بنية الألياف غير المستقرة. لذلك، تخضع مكونات العزل الورقي عادةً لتجفيف أو تجفيف بالفراغ قبل استخدامها وتغمسها بالزيت أو الوارنيش العازل.

الهدف من التغمس هو الحفاظ على رطوبة الألياف، مما يضمن عزلًا أعلى واستقرارًا كيميائيًا أكبر مع تحسين القوة الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، يعمل تغليف الورق بالوارنيش على تقليل امتصاص الرطوبة ومنع أكسدة المادة وملء الفراغات لتقليل الفقاعات التي قد تؤثر على أداء العزل وتسبب الانبعاث الجزئي والانهيار الكهربائي. ومع ذلك، يعتقد البعض أن التغمس بالوارنيش ثم الغمر بالزيت قد يؤدي إلى ذوبان بعض الوارنيش تدريجيًا في الزيت، مما يؤثر على أداء الزيت، مما يتطلب الانتباه الدقيق لهذه التطبيقات من الطلاء.

بالطبع، تختلف تأثيرات وخصائص مواد الألياف المختلفة في التركيب وكفاءة نفس الألياف من نوع مختلف. على سبيل المثال، تحتوي القطن على أعلى محتوى ألياف، بينما يعتبر القنب الأقوى في الألياف، وتعطي بعض ألواح الضغط العازلة المستوردة ذات المعالجة الأفضل أداءً أفضل بكثير مقارنة ببعض ألواح الورق المحلية. تستخدم معظم مواد العزل في المحولات أشكال مختلفة من الورق (مثل الشريط الورقي وألواح الضغط والمكونات الورقية المضغوطة) للعزل.

لذلك، يعد اختيار مواد الألياف الورقية العازلة عالية الجودة أمرًا حاسمًا أثناء تصنيع المحولات والصيانة. توفر الألياف الورقية مزايا خاصة تشمل العملياتية والتكلفة المنخفضة والمعالجة السهلة والتشكيل البسيط والعلاج عند درجات حرارة معتدلة والوزن الخفيف والقوة المعتدلة وسهولة امتصاص المواد المغمسة (مثل الوارنيش العازل وزيت المحول).

1.2 القوة الميكانيكية لمادة العزل الورقي

عند اختيار مواد العزل الورقي للمحولات المغمورة بالزيت، تعتبر العوامل الأكثر أهمية بعد تركيب الألياف والكثافة والنفاذية والتساوي هي متطلبات القوة الميكانيكية مثل القوة الشد والقوة الثقبية والقوة المسحوقة والمتانة:

• القوة الشد: القوة القصوى التي يمكن للألياف الورقية تحملها تحت الحمل الشد دون الانكسار.

• القوة الثقبية: قياس قدرة الألياف الورقية على تحمل الضغط دون الانكسار.

• القوة المسحوقة: القوة اللازمة لتمزيق الألياف الورقية يجب أن تتوافق مع المعايير ذات الصلة.

• الصلابة: يجب أن تلبي قوة الورق عند طيه أو لوح الضغط عند ثنيه المتطلبات المقابلة.

يمكن تقييم أداء العزل الصلب عن طريق أخذ عينات لقياس درجة التكثيف للورق أو لوح الضغط، أو باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء لقياس محتوى الفورفوريال في الزيت. 

يساعد ذلك في تحليل ما إذا كانت أعطال المحول الداخلية تنطوي على العزل الصلب أو إذا كان التسخين الزائد بدرجة حرارة منخفضة يسبب الشيخوخة المحلية لعزل ملفات التفاف، أو لتحديد درجة الشيخوخة للعزل الصلب. بالنسبة لمادة العزل الليفية للورق أثناء التشغيل والصيانة، يجب الانتباه إلى السيطرة على الحمل المحدد للمحول، وضمان تدفق الهواء الجيد والتبريد في البيئة التشغيلية، ومنع زيادة درجة حرارة المحول بشكل كبير ونقص الزيت في الخزان. كما يجب اتخاذ إجراءات لمنع تلوث الزيت وتدهوره الذي قد يسرع الشيخوخة الليفية ويؤدي إلى تدهور أداء العزل للمحول ومدة الخدمة والتشغيل الآمن.

1.3 تدهور مواد الألياف الورقية

يشمل هذا جوانب ثلاثة أساسية:

• تجفيف الألياف: يؤدي الحرارة الزائدة إلى فصل الرطوبة من المواد الأليافية مما يسرع تجفيف الألياف. يمكن أن يؤدي الورق الهش والمتساقط إلى فشل العزل والحوادث الكهربائية تحت الاهتزاز الميكانيكي والضغط الكهربائي الديناميكي والتأثيرات الموجية التشغيلية.

• انخفاض القوة الميكانيكية للألياف: تنخفض القوة الميكانيكية للألياف مع مرور الوقت بسبب التسخين المستمر. عندما يتسبب تسخين المحول في طرد الرطوبة من مواد العزل مرة أخرى، قد تزداد قيمة مقاومة العزل، ولكن ستنخفض القوة الميكانيكية بشكل كبير، مما يجعل الورق العازل غير قادر على تحمل القوى الميكانيكية الناتجة عن تيارات القصر أو الأحمال الصدمة.

• انكماش المواد الأليافية: بعد التجفيف، تتمدد المواد الأليافية وتقل قوة الضغط، مما قد يؤدي إلى حركة نقل. قد يؤدي هذا إلى انزياح ملفات التفاف المحول والاحتكاك تحت الاهتزاز الكهرومغناطيسي أو الجهد النبضي، مما يضر بالعزل.

2. أعطال العزل الزيتي السائل

اخترع العالم الأمريكي تومسون المحول المنغمس بالزيت في عام 1887 وقامت شركة جنرال إليكتريك وغيرها بترويجه لتطبيقات المحولات الكهربائية في عام 1892. العزل السائل المشار إليه هنا هو عزل زيت المحول.

2.1 خصائص المحولات المنغمة بالزيت:

① تحسين كبير في قوة العزل الكهربائي، وتقصير المسافة العازلة، وتقليل حجم المعدات؛ ② تحسين كبير في نقل الحرارة والتبريد الفعال، وزيادة كثافة التيار المسموح به في الموصلات، وتقليل وزن المعدات. يتم نقل الحرارة من محور المحول خلال الدورة الحرارية لزيت المحول إلى غلاف المحول ومبرد للتبريد، مما يحسن التبريد الفعال؛ ③ الغمر بالزيت والختم يقللان من الأكسدة لمكونات وأجزاء داخلية معينة، مما يمدد العمر الخدمة.

2.2 خصائص زيت المحول

يجب أن يمتلك زيت المحول العملي استقرارًا وخصائص عزل وكفاءة حرارية ممتازة. تشمل الخصائص الرئيسية قوة العزل (tan δ)، اللزوجة، نقطة الصب، وقيمة الحمض. الزيت العازل المكرر من النفط هو مزيج من الهيدروكربونات المختلفة والراتنجات والأحماض وغيرها من الشوائب التي لا تتمتع بخصائص مستقرة تمامًا. تحت تأثير الحرارة والحقل الكهربائي والتأثير الضوئي، يتأكسد الزيت باستمرار. في الظروف الطبيعية، يمضي عملية الأكسدة ببطء؛ مع الصيانة المناسبة، يمكن للزيت أن يحافظ على الجودة المطلوبة دون الشيخوخة لمدة تصل إلى 20 عامًا. ومع ذلك، فإن المعادن والشوائب والغازات المختلطة في الزيت تسرع عملية الأكسدة وتؤدي إلى تدهور جودة الزيت وتغميق اللون وتضييق الشفافية وزيادة محتوى الرطوبة وقيمة الحمض ومحتوى الرماد، مما يؤدي إلى تدهور خصائص الزيت.

2.3 أسباب تدهور زيت المحول

يمكن تقسيم تدهور زيت المحول إلى مراحل التلوث والتدهور بناءً على شدتها.

التلوث يشير إلى خلط الرطوبة والشوائب في الزيت - هذه ليست منتجات الأكسدة. يعاني الزيت الملوث من تدهور أداء العزل وتقليل قوة المجال الكهربائي الانهيار وزيادة زاوية فقدان العازل.

التدهور ناتج عن أكسدة الزيت. هذه الأكسدة لا تشير فقط إلى أكسدة الهيدروكربون في الزيت النقي، بل تتضمن الشوائب في الزيت التي تسريع عملية الأكسدة، خاصة جزيئات المعادن مثل النحاس والحديد والألومنيوم.

الأكسجين ينشأ من الهواء داخل المحول. حتى في المحولات المشددة تمامًا، يوجد حوالي 0.25% من الأكسجين. الأكسجين له قابلية ذوبان عالية، وبالتالي يشغل نسبة عالية من الغازات المذابة في الزيت.

خلال أكسدة زيت المحول، تعمل الرطوبة كمحفز والحرارة كمسرع لتنتج الزيوت الرواسب. يؤثر هذا بشكل رئيسي من خلال: جزيئات الرواسب الكبيرة تحت تأثير المجال الكهربائي؛ ترسب الشوائب يتركز في المناطق ذات المجال الكهربائي الأقوى، ليشكل "جسور" موصلة عبر عزل المحول؛ ترسب غير متساوي يشكل شرائط طويلة قد تتماشى مع خطوط المجال الكهربائي، مما يعيق التبريد ويسرع الشيخوخة لمادة العزل ويسبب تقليل مقاومة العزل وتقليل مستوى العزل.

2.4 عملية تدهور زيت المحول

خلال تدهور الزيت، تشمل المنتجات الثانوية الأساسية بيروكسيدات وأحماض وألكوهولات وكيتونات ورواسب.

في مرحلة التدهور المبكرة: ينتج الزيت بيروكسيدات تتفاعل مع مواد الألياف العازلة لتكوين السليلوز المؤكسد، مما يقلل من القوة الميكانيكية للألياف العازلة ويسبب التجفيف والانكماش العازل. الأحماض المنتجة هي أحماض دهنية لزجة. رغم أنها أقل تآكلًا من الأحماض المعدنية، فإن معدل نموها وتأثيرها على المواد العازلة العضوية كبير.

مرحلة التدهور اللاحقة: يحدث تكوين الرواسب عندما يآكل الأحماض النحاس والحديد والورنيش العازل وغيرها من المواد، متفاعلة لتكوين راسب - مادة موصلة متبلورة سميكة مشابهة للأسفلت. يذوب بشكل معتدل في الزيت ويتشكل بسرعة تحت تأثير المجال الكهربائي، ملتصقاً بالمواد العازلة أو حواف خزان المحول، مستقرًا على أنابيب الزيت وأجنحة المبرد، مما يزيد من درجة حرارة تشغيل المحول ويخفض قوة العزل.

يتكون عملية أكسدة الزيت من شرطين رئيسيين للتفاعل: أولاً، قيمة حمضية عالية جدًا في المحول، مما يجعل الزيت حمضيًا؛ ثانياً، تحول الأكاسيد المنحلة في الزيت إلى مركبات غير قابلة للذوبان في الزيت، مما يؤدي تدريجياً إلى تدهور جودة زيت المحول.

2.5 تحليل وتقييم وصيانة زيت المحول

① تدهور زيت العزل: تتغير كل من الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مما يؤدي إلى تدهور الأداء الكهربائي. يمكن تحديد وجود هذا النوع من العيوب عن طريق اختبار قيمة الحموضة للزيت والتوتر السطحي وتكتل الرواسب وقيمة الحمض القابلة للذوبان في الماء. قد يتمكن علاج التجدد للزيت من إزالة منتجات التدهور، رغم أن العملية قد تزيل أيضًا مضادات الأكسدة الطبيعية.

② تلوث زيت العزل بالماء: الماء مادة قطبية قوية تتأين وتتحلل بسهولة تحت المجالات الكهربائية، مما يزيد من التيار الموصل في زيت العزل. حتى الرطوبة الدقيقة تزيد بشكل كبير من فقدان العزل في زيت العزل. يمكن تحديد هذا النوع من العيوب عن طريق اختبار محتوى الرطوبة في الزيت. عادة ما يتم إزالة الرطوبة بواسطة فلاترة الزيت تحت الضغط والسحب الفراغي.

③ تلوث زيت العزل بالبكتيريا: خلال تركيب المحول الرئيسي أو رفع القلب، قد يحمل الحشرات على المكونات العازلة أو بقايا عرق الإنسان البكتيريا، مما يؤدي إلى تلوث زيت العزل؛ أو قد يكون الزيت نفسه مصابًا بالكائنات الحية الدقيقة. تعمل المحولات الرئيسية عادة في بيئات تتراوح درجة الحرارة فيها بين 40-80 درجة مئوية، وهي بيئات مواتية للغاية لنمو وإكثار الكائنات الحية الدقيقة. بما أن المعادن والبروتينات الموجودة في الكائنات الحية الدقيقة وما تفرزه لها خصائص عزل أقل بكثير من زيت العزل، فإنها تزيد من فقدان العزل في الزيت. هذا العيب صعب التعامل معه عبر العلاج بالدوام المستمر في الموقع، حيث تبقى بعض الكائنات الحية الدقيقة دائمًا على العزل الصلب. بعد العلاج، قد يستعيد العزل في المحول مؤقتًا، ولكن البيئة التشغيلية تساعد على نمو الكائنات الحية الدقيقة مرة أخرى، مما يؤدي إلى تدهور العزل تدريجيًا على مر السنين.

④ ديسولفانس المواد القطبية في الزيت من الورنيش العازل البوليستر: تحت تأثير المجال الكهربائي، تخضع المواد القطبية لاسترخاء ثنائي القطب، مما يستهلك طاقة أثناء عمليات الاستقطاب المتكررة، مما يزيد من فقدان العزل في الزيت. رغم أن الورنيش العازل يخضع للتصلب قبل مغادرة المصنع، إلا أنه قد يظل غير مكتمل. بعد فترة من التشغيل، يبدأ الورنيش غير المكتمل في الذوبان تدريجياً في الزيت، مما يؤدي تدريجياً إلى تدهور الأداء العازل. يرتبط وقت حدوث هذا العيب بكمال معالجة الورنيش؛ يمكن أن تحقق واحد أو اثنين من المعالجات بالإعلان عن فعالية معينة.

⑤ تلوث الزيت بالماء والشوائب فقط: هذا النوع من التلوث لا يغير خصائص الزيت الأساسية. يمكن إزالة الرطوبة عن طريق التجفيف؛ يمكن إزالة الشوائب عن طريق الفلترة؛ يمكن إزالة الهواء في الزيت عن طريق السحب الفراغي.

⑥ خلط زيت عازل من مصادر مختلفة: يجب أن تتوافق خصائص الزيت مع المواصفات ذات الصلة؛ يجب أن تكون كثافة الزيت ودرجة التجمد واللزوجة ونقطة الاشتعال متشابهة؛ ويجب أن تفي استقرار الزيت المختلط بالمتطلبات. بالنسبة للزيت المختلط المتهالك، يتطلب الأمر استخدام طرق التجدد الكيميائي لفصل منتجات التدهور واستعادة الخصائص.

3. عزل محولات الراتنج الجافة والخصائص

تُستخدم المحولات الجافة (وهي تشير هنا إلى المحولات العازلة بالراتنج الإبوكسي) بشكل أساسي في المواقع ذات المتطلبات العالية للسلامة من الحرائق، مثل المباني الشاهقة والمطارات ومراكز تخزين النفط.

3.1 أنواع العزل بالراتنج

يمكن تصنيف المحولات العازلة بالراتنج الإبوكسي إلى ثلاثة أنواع بناءً على خصائص عملية التصنيع: نوع الصب بالفراغ لمزيج الراتنج الإبوكسي والرمل الكوارتز، ونوع الصب بالفرق الضغطي الفراغي للمعزز بالالياف الزجاجية بدون قاعدة، ونوع التغليف بالالياف الزجاجية بدون قاعدة والغمس.

① عزل الصب بالفراغ لمزيج الراتنج الإبوكسي والرمل الكوارتز: تستخدم هذه المحولات الرمل الكوارتز كمادة ملء للراتنج الإبوكسي. يتم وضع ملفات ملفوفة ومعالجة بورنيش العزل في قوالب الصب وصبها بالفراغ بمزيج من الراتنج الإبوكسي والرمل الكوارتز. بسبب تحديات عملية الصب في تحقيق متطلبات الجودة - مثل الفقاعات المتبقية وعدم التجانس المحلي للمزيج واحتمالية تشقق التوتر الحراري المحلي - فإن هذه المحولات العازلة غير مناسبة للبيئات الرطبة والساخنة والأماكن ذات التحميل المتغير بشكل كبير.

② عزل الصب بالفرق الضغطي الفراغي للمعزز بالالياف الزجاجية بدون قاعدة: يستخدم هذا النوع من الألياف الزجاجية القصيرة أو قماش الألياف الزجاجية كعزل خارجي بين طبقات التلفيف. عادة ما تكون سماكة العزل الخارجي الذي يتم التغليف به رقيقة تتراوح بين 1-3 مم. بعد خلط المادة الصب مع الراتنج الإبوكسي بنسبة مناسبة، يتم إزالة الفقاعات الهوائية تحت ضغط فراغ عالٍ قبل الصب. بما أن سماكة العزل التغليفية رقيقة، يمكن أن تشكل نقاط تفريغ جزئي بسهولة إذا كانت عملية التغليف سيئة. لذلك، يجب أن يكون خلط مادة الصب كاملًا وأن يكون إزالة الهواء بالفراغ شاملًا وأن يتم السيطرة على اللزوجة المنخفضة وسرعة الصب لضمان غمر عالي الجودة للحزم التلفيفية أثناء الصب.

③ عزل التغليف بالالياف الزجاجية بدون قاعدة: تقوم هذه المحولات بإكمال معالجة العزل الطبقي وغمر التلفيف في نفس الوقت أثناء التلفيف. لا تتطلب هذه العملية قوالب تشكيل التلفيف اللازمة في عمليتي الغمر السابقتين، ولكنها تتطلب راتنجًا ذا لزوجة منخفضة يجب ألا يحتفظ بفقاعات دقيقة أثناء التلفيف والغمر.

3.2 خصائص العزل والصيانة لمحولات الراتنج

مستوى العزل لمحولات الراتنج ليس مختلفًا بشكل كبير عن محولات الزيت المغمورة؛ تكمن الاختلافات الرئيسية في الارتفاع الحراري وقياسات التفريغ الجزئي.

① خصائص ارتفاع درجة الحرارة: تمتلك محولات الراتنج مستويات أعلى من متوسط ارتفاع درجة الحرارة مقارنة بمحولات الغمر بالزيت، مما يتطلب مواد عازلة ذات درجة حرارة مقاومة أعلى. ومع ذلك، فإن متوسط ارتفاع درجة الحرارة لا يعكس درجة حرارة النقطة الأشد سخونة في الملفات. عند اختيار درجة حرارة مقاومة المادة العازلة بناءً فقط على متوسط ارتفاع درجة الحرارة، أو اختيارها بشكل غير صحيح، أو تشغيل محولات الراتنج تحت ظروف الحمل الزائد لفترات طويلة، سيتم تأثير ذلك على عمر الخدمة للمحول.

نظرًا لأن درجة الحرارة المقاسة للمحول غالبًا ما لا تعكس درجة حرارة النقطة الأشد سخونة، يجب استخدام متر حرارة الأشعة تحت الحمراء للتحقق من النقاط الأكثر سخونة في محولات الراتنج أثناء التشغيل بأقصى حمل متاح. ويجب ضبط اتجاه وموضع المروحة لتبريد لضبط ارتفاع درجة الحرارة المحلية وضمان تشغيل المحول بأمان.

② خصائص التفريغ الجزئي: تتعلق كمية التفريغ الجزئي في محولات الراتنج بتوزيع المجال الكهربائي، وتساوي خليط الراتنج، وما إذا كان هناك فقاعات متبقية أو تشققات في الراتنج. يؤثر مستوى التفريغ الجزئي على أداء جودة وعمر الخدمة لمحولات الراتنج. لذا، فإن قياس وتقبل مستويات التفريغ الجزئي يعتبر تقييم شامل للعملية الإنتاجية والجودة. يجب إجراء قياسات التفريغ الجزئي خلال تسليم محولات الراتنج وإصلاحاتها الكبرى، واستخدام التغيرات في التفريغ الجزئي لتقييم الجودة والاستقرار في الأداء.

مع زيادة انتشار محولات النوع الجاف، عند اختيار المحولات، يجب فهم الهيكلية العملية للإنتاج، وتصميم العزل، وتكوين العزل بشكل شامل. يجب اختيار المنتجات من الشركات المصنعة التي تمتلك عمليات إنتاج كاملة، وأنظمة ضمان جودة صارمة، وإدارة إنتاج دقيقة، والأداء التقني الموثوق به لضمان جودة المحولات وعمرها الحراري، وبالتالي تحسين التشغيل الآمن وموثوقية تزويد الطاقة.

4. العوامل الرئيسية المؤثرة في فشل عزل المحولات

تشمل العوامل الرئيسية المؤثرة في أداء عزل المحولات: درجة الحرارة، الرطوبة، طرق حماية الزيت، وأثر الجهد الزائد.

4.1 تأثيرات درجة الحرارة

تستخدم المحولات الكهربائية عزل الزيت والورق مع علاقات توازن مختلفة بين محتوى الرطوبة في الزيت والورق عند درجات حرارة مختلفة. بشكل عام، عندما ترتفع درجة الحرارة، تنتقل الرطوبة من الورق إلى الزيت؛ والعكس صحيح، حيث يمتص الورق الرطوبة من الزيت. لذا، تكون محتوى الماء الدقيق في زيت عزل المحول أكبر عند درجات الحرارة الأعلى؛ والعكس صحيح، يكون محتوى الماء الدقيق أقل.

تؤدي درجات الحرارة المختلفة إلى درجات متفاوتة من فتح حلقة السليلوز وكسر السلاسل وانتاج الغازات المرافقة. عند درجة حرارة معينة، تتبقى معدلات إنتاج CO وCO2 ثابتة، مما يعني أن محتوى CO وCO2 في الزيت يزداد بشكل خطي مع الزمن. مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة، غالباً ما تزداد معدلات إنتاج CO وCO2 بشكل أسي. لذا، فإن محتوى CO وCO2 في الزيت يتعلق مباشرة بالتقدم الحراري للورق العازل ويمكن أن يكون معيارًا لتحديد الشذوذ في طبقات الورق في المحولات المغلقة.

يعتمد عمر المحول على درجة تقدم العمر الحراري للعزل، والتي بدورها تعتمد على درجة الحرارة التشغيلية. على سبيل المثال، يكون متوسط ارتفاع درجة حرارة ملفات محول غمر بالزيت تحت الحمل المقنن 65 درجة مئوية وأعلى نقطة ساخنة 78 درجة مئوية. مع متوسط درجة حرارة البيئة 20 درجة مئوية، تصل درجة حرارة النقطة الأشد سخونة إلى 98 درجة مئوية، مما يسمح بتشغيل لمدة 20-30 سنة. إذا تم تشغيل المحول بحمل زائد مع زيادة درجة الحرارة، سيقل عمر الخدمة بالتناسب.

تؤكد اللجنة الدولية للإلكتروتقنية (IEC) أنه بالنسبة لمحولات العزل من الفئة A تعمل بين 80-140 درجة مئوية، لكل زيادة بمقدار 6 درجات مئوية في درجة الحرارة، يتم مضاعفة معدل تخفيض عمر الخدمة الفعال للعزل - وهو ما يعرف بقاعدة الـ 6 درجات، مما يشير إلى قيود حرارية أكثر صرامة من القاعدة السابقة المقبولة البالغة 8 درجات.

4.2 تأثيرات الرطوبة

يسرع وجود الرطوبة في تحلل السليلوز. لذا، فإن إنتاج CO وCO2 يتعلق بمحتوى الرطوبة في المواد السليلوزية. عند رطوبة ثابتة، ينتج محتوى رطوبة أعلى المزيد من CO2؛ والعكس صحيح، ينتج محتوى رطوبة أقل المزيد من CO.

تعتبر الرطوبة الدقيقة الموجودة في زيت العزل عاملاً مهمًا يؤثر على خصائص العزل. الرطوبة الدقيقة في زيت العزل تضر بشكل كبير بالخصائص الكهربائية والفزيائية والكيميائية للمedium العازل. يمكن للرطوبة أن تقلل من الجهد الشراري في زيت العزل، وترفع من معامل الخسارة الدييكتريكية (tan δ)، وتسريع تقدم العمر الحراري لزيت العزل، وتدهور أداء العزل. تعرض المعدات للرطوبة ليس فقط يقلل من موثوقية التشغيل وعمر الخدمة للمعدات الكهربائية، بل يمكن أيضًا أن يسبب تلف المعدات وحتى يعرض السلامة الشخصية للخطر.

4.3 تأثيرات طرق حماية الزيت

الأكسجين الموجود في زيت المحول يسرع ردود الفعل التحللية للعزل، ويرتبط محتوى الأكسجين بطرق حماية الزيت. بالإضافة إلى ذلك، تسبب الطرق المختلفة لحماية الزيت حالات ذوبان وانتشار مختلفة لـ CO وCO2 في الزيت. على سبيل المثال، يتميز CO بقابلية ذوبان منخفضة، مما يجعله ينتشر بسهولة إلى الفضاء فوق سطح الزيت في المحولات المفتوحة، مما يحد من نسبة حجم CO إلى ما لا يزيد عن 300×10-6. في المحولات المغلقة، نظرًا لعزل سطح الزيت عن الهواء، لا يتطاير CO وCO2 بسهولة، مما يؤدي إلى مستويات أعلى.

4.4 تأثيرات الجهد الزائد

① تأثيرات الجهد الزائد العابر: تنتج المحولات ثلاثية الأطوار عند التشغيل الطبيعي جهدًا بين الطور والأرض بنسبة 58% من الجهد بين الأطوار. ومع ذلك، خلال أعطال الأطوار الواحدة، يزداد الجهد الأساسي للعزل بنسبة 30% في الأنظمة الأرضية المركزية وبنسبة 73% في الأنظمة غير الأرضية المركزية، مما قد يسبب تلف العزل.

② تأثيرات الجهد الزائد الناتج عن الصواعق: تتميز الجهود الزائدة الناتجة عن الصواعق بموجات أمامية حادة تسبب توزيعًا غير متكافئ للجهد عبر العزل الطولي (بين الأطواق، بين الطبقات، بين الأقراص)، مما قد يترك آثار تفريغ على العزل ويضر بالعزل الصلب.

③ تأثيرات الجهد الزائد عند التبديل: تتميز موجات الجهد الزائد عند التبديل بواجهات موجية نسبياً تدريجية، مما يؤدي إلى توزيع جهد تقريباً خطي. عند انتقال موجات الجهد الزائد من ملف لفائف إلى آخر، يكون الجهد تقريباً متناسباً مع نسبة الألفاف بين الملفين، مما يمكن أن يسبب تدهور وتلف في العزل الرئيسي أو العزل بين الطوريات.

4.5 التأثيرات الكهروديناميكية للقصور الذاتي

قد تتسبب القوى الكهروديناميكية أثناء القصر الخارجي في تشوه ملفات المحول وازاحة الأسلاك، مما يغير المسافات العازلة الأصلية، ويؤدي إلى تسخين العزل، وتسريع الشيخوخة أو التلف مما يؤدي إلى الومضات والشرارات وأعطال القصر الذاتي.

5. الخلاصة

في المجمل، فإن فهم أداء عزل محولات الطاقة وتطبيق التشغيل والصيانة المناسبة يؤثر مباشرة على سلامة المحول وعمره الإفتراضي ومعتمدية التزويد بالطاقة. كمعدات رئيسية حيوية في أنظمة الطاقة، يجب على الفنيين والمسؤولين عن تشغيل وصيانة محولات الطاقة أن يفهموا ويتقنوا بنية العزل للمحول، خصائص المواد، جودة العملية، طرق الصيانة والتكنولوجيات العلمية لتشخيص الأعطال. فقط من خلال إدارة تشغيل محسنة ومناسبة يمكن ضمان كفاءة المحول، عمره الإفتراضي ومعتمدية التزويد بالطاقة.