8 تدابير رئيسية لتقليل التفريغ الجزئي في المحولات الكهربائية

متطلبات متزايدة لأنظمة تبريد المحولات الكهربائية ووظيفة المبردات

مع التطور السريع للشبكات الكهربائية وزِيادة جهد النقل، أصبحت الشبكات الكهربائية والمستخدمون يطالبون بموثوقية عزل أعلى للمحولات الكهربائية الكبيرة. بما أن اختبار التفريغ الجزئي غير مدمّر للعزل وعالي الحساسية، يمكنه اكتشاف العيوب الداخلية في عزل المحول أو العيوب الخطيرة التي تنشأ أثناء النقل والتثبيت بكفاءة عالية، لذا حصل اختبار التفريغ الجزئي على الموقع بشكل واسع. وقد تم إدراجه كاختبار تشغيلي إلزامي للمحولات ذات الجهد المقنن 72.5 كيلو فولت وما فوق.

1. التفريغ الجزئي ومبادئه

التفريغ الجزئي، المعروف أيضًا بالتايون الألكتروستاتيكي، يشير إلى تدفق الشحنات الألكتروستاتيكية. تحت جهد معين، تبدأ الشحنات الألكتروستاتيكية بالتايون في مواقع العزل الأضعف ضمن المناطق ذات المجال الكهربائي الأقوى، دون أن تسبب انهيار العزل الكامل. هذا الظاهرة من تدفق الشحنات الألكتروستاتيكية تُسمى التفريغ الجزئي. التفريغ الجزئي الذي يحدث بالقرب من الموصلات المحيطة بالغاز يُسمى الهالة الكهربائية.

التفريغ الجزئي هو تفريغ كهربائي يحدث في مواقع محلية داخل العزل الداخلي للمحولات. نظرًا لأن التفريغ محلي ولديه طاقة منخفضة، فإنه لا يسبب مباشرة انهيار العزل الداخلي الكامل.

بالنسبة لاختبار التفريغ الجزئي للمحولات، بدأت الصين في تطبيق المتطلبات فقط للمحولات ذات الجهد المقنن 220 كيلو فولت وما فوق. لاحقًا، قررت المعايير الدولية الجديدة (IEC) أن يتم قياس التفريغ الجزئي عندما يكون الجهد التشغيلي الأقصى Um ≥ 126 كيلو فولت. كما تحدد المعايير الوطنية أنه يجب إجراء قياس التفريغ الجزئي للمحولات ذات الجهد التشغيلي الأقصى Um ≥ 72.5 كيلو فولت والسعة المقننة P ≥ 10,000 كيلو فولت أمبير، إلا إذا تم الاتفاق على خلاف ذلك.

يتبع طريقة اختبار التفريغ الجزئي أحكام GB1094.3-2003، مع تحديد الحد الأقصى عند 500 بيكومول. ومع ذلك، في العقود الفعلية، غالبًا ما يطلب العملاء حدودًا ≤300 بيكومول أو ≤100 بيكومول. تتطلب هذه الاتفاقيات التقنية من الشركات المصنعة للمحولات الحفاظ على معايير تقنية أعلى للمنتجات.

2. مخاطر التفريغ الجزئي

شدة مخاطر التفريغ الجزئي مرتبطة بأسبابه وموقعه وأيضًا مستويات جهد بدء وانتهاء التفريغ. كلما كان جهد بدء وانتهاء التفريغ أعلى، كانت المخاطر أقل، والعكس صحيح. من حيث خصائص التفريغ، يعتبر التفريغ المؤثر على العزل الصلب الأكثر خطورة على المحولات، مما يؤدي إلى تقليل قوة العزل أو حتى تلفه.

3. أسباب التفريغ الجزئي

تشمل العوامل التي تسبب التفريغ الجزئي عدم اعتبارات التصميم الكافية، ولكن معظمها ينشأ من عملية التصنيع:

• الأطراف الحادة والنتوءات على المكونات التي تشوه المجال الكهربائي وتقلل من جهد بدء التفريغ;

• الجسيمات الأجنبية والغبار التي تسبب تركيز المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى تفريغ الهالة الكهربائية أو التفريغ الانهياري تحت المجالات الكهربائية الخارجية;

• الرطوبة أو فقاعات الغاز. نظرًا لانخفاض الثابت الكهربائي للماء والغاز، يحدث التفريغ أولاً تحت تأثير المجال الكهربائي;

• الاتصال السيئ لأجزاء الهيكل المعدنية المعلقة الذي يشكل تركيز المجال أو يسبب تفريغ الشرارة.

4. الإجراءات لتقليل التفريغ الجزئي

4.1 السيطرة على الغبار

من بين العوامل التي تسبب التفريغ الجزئي، تعتبر الجسيمات والأجسام الغريبة والغبار محفزات مهمة للغاية. تظهر نتائج الاختبارات أن الجسيمات المعدنية الأكبر من 1.5 ميكرومتر يمكن أن تنتج كميات تفريغ تتجاوز بكثير 500 بيكومول تحت تأثير المجال الكهربائي. سواء كان الغبار معدنيًا أو غير معدني، فإنه يخلق مجالات كهربائية مركزة، مما يقلل من جهد بدء التفريغ وجهد الانهيار للعزل.

لذلك، من الضروري الحفاظ على بيئة نظيفة وجسم محول نظيف أثناء تصنيع المحولات، ويجب تنفيذ سيطرة صارمة على الغبار. يجب إنشاء ورش عمل مقاومة للغبار بناءً على درجة التأثر المحتملة للمنتجات بالغبار أثناء التصنيع. على سبيل المثال، أثناء تقويم الأسلاك ولفها، وتصنيع الألواح العازلة، وتركيب الألواح، وكدس اللب، وتصنيع مكونات العزل، وتركيب اللب، وإكمال اللب، يجب عدم السماح بأي أجسام غريبة أو غبار بالبقاء أو الدخول.

4.2 معالجة مركزية لمكونات العزل

تعتبر مكونات العزل عرضة بشكل خاص للتلوث بالغبار المعدني، حيث أن مرة واحدة يلتصق الغبار المعدني بمكونات العزل، فمن الصعب جداً إزالته تمامًا. لذلك، من الضروري معالجة مركزية في ورشة عمل العزل، مع منطقة معالجة ميكانيكية مخصصة منفصلة عن المناطق الأخرى المنتجة للغبار.

4.3 السيطرة الصارمة على حواف صفائح السيليكون

تتكون طبقات لب المحول بواسطة عمليات القطع الطولي والعرضي، مما يؤدي بالضرورة إلى ظهور حواف مختلفة الدرجات. هذه الحواف لا تسبب فقط قصر دوائر بين الطبقات، مما يشكل تيارات دوامية داخلية تزيد من الخسائر الفارغة، ولكنها تزيد أيضًا من سماكة اللب بينما تقلل من عدد الطبقات الفعلي. وأكثر من ذلك، أثناء تركيب اللب أو خلال التشغيل تحت الاهتزاز، قد تسقط الحواف على جسم اللب، مما يسبب التفريغ. وحتى الحواف التي تسقط إلى قاع الخزان قد تتجمع تحت تأثير المجال الكهربائي، مما يسبب تفريغاً على الجهد الأرضي. لذا، يجب تقليل حواف طبقات اللب قدر الإمكان. بالنسبة للمنتجات 110 كيلو فولت، يجب ألا تتجاوز حواف طبقات اللب 0.03 ملم؛ وبالنسبة للمنتجات 220 كيلو فولت، يجب ألا تتجاوز 0.02 ملم.

4.4 المحطات المضغوطة برد لأسلاك الرصاص

استخدام الأطراف المضغوطة بالبارد للأسلاك هو إجراء فعال لتقليل كميات التفريغ الجزئي. تنتج عملية لحام الفوسفور البرونزي العديد من جسيمات الرذاذ التي تتناثر بسهولة على جسم اللب ومكونات العزل. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب منطقة الحدود بين اللحام عزلًا بواسطة حبل الأسbestos المبلل بالماء، مما يدخل الرطوبة إلى العزل. إذا لم يتم إزالة الرطوبة بشكل كامل بعد لف العزل، فسوف يزيد من كمية التفريغ الجزئي للمحول.

4.5 تقريب حواف المكونات

تخدم عملية تقريب حواف المكونات هدفين: 1) تحسين توزيع المجال الكهربائي وزيادة الجهد الابتدائي للتفريغ. لذلك، يجب أن تخضع جميع المكونات الهيكلية المعدنية في اللب مثل الأقفال والصفائح المسحوبة والأقدام والدعامات وألواح الضغط والحافة الخارجية وجدران ارتفاعات الأكمام والألواح الواقيه للمغناطيسية على جدران الخزان الداخلي لعملية تقريب الحواف. 2) منع الاحتكاك الذي ينتج شظايا الحديد. على سبيل المثال، يجب تقريب أجزاء الاتصال بين ثقوب رفع الأقفال والأوتاد أو الخطاطيف.

4.6 بيئة المنتج وإنهاء اللب أثناء التجميع النهائي

بعد التجفيف تحت الفراغ لللب، يجب إجراء إنهاء اللب قبل تركيب الخزان. تتطلب المنتجات الأكبر والأكثر تعقيدًا وقتًا أطول لإنهاء اللب. بما أن الضغط على اللب وشد المقابس يتم مع تعرض اللب للهواء، فقد يحدث امتصاص الرطوبة والتلوث بالغبار خلال هذه الفترة. لذلك، يجب أن يتم إنهاء اللب في منطقة خالية من الغبار. إذا تجاوز وقت الإنهاء (أو وقت التعرض للهواء) 8 ساعات، فيجب إجراء عملية التجفيف مرة أخرى. 

بعد إنهاء اللب، يتم تركيب الجزء العلوي من الخزان ثم سحب الفراغ وإضافة الزيت. نظرًا لأن العزل في اللب يستوعب الرطوبة خلال مرحلة الإنهاء، فمن الضروري إجراء معالجة لإزالة الرطوبة، والتي يتم تحقيقها عن طريق سحب الفراغ للمنتج. إن هذا هو إجراء مهم لضمان قوة العزل للمنتجات ذات الجهد العالي. يتم تحديد مستوى الفراغ بناءً على رطوبة اللب والبيئة ومعايير محتوى الرطوبة، بينما يتم تحديد مدة الفراغ بناءً على وقت الخروج من الفرن ودرجة الحرارة البيئية والرطوبة.

4.7 ملء الزيت تحت الفراغ

هدف ملء الزيت تحت الفراغ هو القضاء على المناطق غير المنظمة في هيكل العزل للمحول من خلال سحب الفراغ، وإخراج الهواء تمامًا، ثم ملء الزيت المحول تحت ظروف الفراغ لضمان غمر اللب تمامًا. بعد ملء الزيت، يجب أن يظل المحول ثابتًا لمدة لا تقل عن 72 ساعة قبل الاختبار، حيث تعتمد درجة غمر المواد العازلة على سمك المادة العازلة ودرجة حرارة الزيت ومدة الغمر. يقلل الغمر الجيد من احتمالية التفريغ، مما يجعل الوقت الكافي للوقوف ضروريًا.

4.8 ختم الخزان والمكونات

تؤثر جودة الهياكل الختمية مباشرة على تسرب المحول. إذا كانت هناك نقاط تسرب، فإن الرطوبة ستتسرب بالضرورة إلى داخل المحول، مما يؤدي إلى امتصاص زيت المحول والمكونات العازلة الأخرى للرطوبة - وهذا هو أحد العوامل المؤدية إلى التفريغ الجزئي. لذلك، يجب ضمان الأداء الختمي المناسب.