الهندسة

التفريغ الجزئي في نمو الهيكلة الكهربائية ذات التردد المنخفض

الغرض من التفريغ الجزئي في نمو الهيكلة الكهربائية ذات التردد المنخفض

 

التشجير الكهربائي هو عبارة عن أنابيب مجوفة تنمو في “عزل بوليمري” تحت ضغط عالٍ للمجال الكهربائي، حيث أن هذه الظاهرة هي أحد الأسباب الرئيسية لانهيار المواد العازلة الصلبة، وبالتالي يمكن أن تسبب عطلًا كارثياً في المعدات الكهربائية، على سبيل المثال في كابلات الطاقة المستخدمة في شبكات الطاقة، بحيث يرتبط بدء ظاهرة التحلل هذه بشكل عام بالنتوءات المعدنية أو شبه الموصلة أو الملوثات أو تجاويف التصريف أو الأشجار المائية.

 

كما تنمو الأشجار الكهربائية تحت تأثير عمليات التفريغ الجزئي (PD)، والتي تتوافق مع الانهيار العازل الموضعي في نظام العزل الكهربائي، بحيث يتغير نشاط التفريغ الجزئي أثناء التشجير الكهربائي بسبب النمو نفسه وتنوع العوامل الفيزيائية والكيميائية المشاركة في هذه الظاهرة المعقدة.

 

كما يتأثر نمو الشجرة الكهربائية بتكرار إثارة الجهد الذي يضغط على النظام، وفي الوقت الحاضر تخضع المكونات الكهربائية لشبكة الطاقة، وبالتالي الأنظمة العازلة التي تتوافق معها إلى مجموعة متنوعة من الترددات بسبب تشغيل الشبكة الكهربائية والأحمال غير الخطية أو بسبب الاختبارات اللازمة لتشغيل وصيانة المعدات.

 

وعادةً ما يتم البحث عن التشجير الكهربائي في المختبر، وذلك مع عينات اختبار تم إنشاؤها بشكل مصطنع، حيث يتم تحليل نمو الأشجار من خلال قياسات (PD) وتصوير هياكل الشجرة الكهربائية، وذلك كطريقة للحصول على فهم أفضل للظاهرة، كما تشتمل “المواد البوليمرية”، والتي تم استخدامها في تجارب التشجير الكهربائي على (XLPE و PE) وراتنج الإيبوكسي.

 

كما أظهرت التحقيقات أن السمات الرئيسية لتحليل التشجير تظل متشابهة بين هذه المواد، بحيث تمت دراسة نمو الشجرة الكهربائية بشكل أساسي من أجل التردد الصناعي، أي التيار المتردد من (50) إلى (60) هرتز، بينما تكتسب دراسة ترددات الإثارة الأخرى اهتماماً، كما أن إحدى الحالات الخاصة هي استخدام الإثارة ذات التردد المنخفض جداً (VLF)، والتي تتوافق مع جهد متناوب بترددات بين (0.01-1) هرتز.

 

لذلك يستخدم هذا النوع من الإثارة في الغالب لاختبار كابلات الطاقة، وهو موصى به في المعايير وبدرجة أقل في الآلات الكهربائية الدوارة وأحمال العزل الأخرى ذات السعة العالية، وفي هذا الصدد يعد استخدام إثارة (VLF) خياراً مثيراً للاهتمام لأن هذه الاختبارات تتطلب مصادر جهد أصغر من اختبارات التردد الصناعية ومن غير المرجح أن ينتج عنها تراكم ضار لشحنة الفضاء داخل العزل.

 

وكما هو الحال في اختبارات التيار المستمر، ومع ذلك لا توجد بيانات كافية للسماح بتفسير دقيق لقياسات (PD) في اختبار (VLF) وهناك حاجة إلى طرق جديدة لتحليل (PD) لتقييم حالة العزل تحت إثارة (VLF).

 

المنهجية المستخدمة للهيكلة الكهربائية ذات التردد المنخفض

 

يوضح الشكل التالي (1) مخطط تدفق المنهجية المتبع في هذا التحقيق، كما يتم شرح الطرق التجريبية والتحليلية في الأقسام الفرعية التالية:

 

 

الإعداد التجريبية: تتألف العينات من الترتيب التقليدي للإبرة إلى المستوى بمسافة فجوة تبلغ حوالي (2) مم بين طرف الإبرة والمستوى الأرضي، وكما هو موضح في الشكل (2-A) يتكون قطب الإبرة من إبرة تحت الجلد (Terumo)، وذلك مع حد أدنى تقريبي لنصف قطر الانحناء (3) مايكرومتر، كما تم صنع العينات من راتنجات الايبوكسي (Mepox – 1125 / L، نوع DGEBA من الراتينج الشفاف) وتم علاجه في غرفة عند (25) درجة مئوية لمدة (24) ساعة ومعالجتها بعد ذلك عند 50 درجة مئوية لمدة (15) ساعة.

 

لذلك تم إنشاء شجرة كهربائية أولية في كل عينة عن طريق تطبيق جهد (12-16) كيلو فولت (50) هرتز، حتى أصبحت الشجرة الأولية مرئية بصرياً، كما ثم تمت ملاحظتها تحت المجهر للتحقق من بدء شجرة في العينة. سهلت الطبيعة الشفافة “لراتنج الايبوكسي” المستخدم تصور الأشجار الكهربائية داخل المادة.

 

اختيار البيانات للتحليل: تم تسجيل التصريفات الجزئية خلال التجربة الكاملة لنمو الشجرة، وبالتالي تم جمع كمية كبيرة من البيانات، مما فرض قيوداً حسابية على التحليل، ومع ذلك لم يكن هذا تقييداً بسبب استخدام نوافذ أو فترات زمنية كافية لدراسة تطور المعلمات أثناء نمو الشجرة، وهكذا تم اختيار عدة فترات من التحليل من السلسلة الزمنية بأكملها باتباع منهجية مماثلة مستخدمة سابقاً.

 

كما تم اختيار كل فترة زمنية تحتوي على ما لا يقل عن (10000) حدث (PD) و (1000) و (10) ثانية على الأقل لتجارب (0.1 و 50) هرتز على التوالي، كما تم ضبط فترة التحليل الأولى على البدء بعد ثلاث دقائق من بداية الاختبار للوصول إلى نشاط (PD) أكثر استقراراً، بحيث تم ضبط الفاصل الزمني الأخير على الانتهاء قبل خمس دقائق على الأقل من الانهيار، بينما تعتمد المسافة بين الفواصل الزمنية على مدة كل اختبار.

 

تقنيات تحليل تسلسل النبض (PSA)

 

عندما يحدث التفريغ الجزئي في العوازل الصلبة أو السائلة؛ فإن الجهد المطبق خارجياً لا يرتبط فقط بالمجال الكهربائي المحلي في التجويف، والذي ينتج التفريغ. يتأثر تباين المجال الكهربائي المحلي بالظواهر الفيزيائية مثل نقل الشحنة الكهربائية إلى الجزء الأكبر والموصلية السطحية، من بين أمور أخرى، ومع ذلك ، لا يمكن قياس هذه الظواهر الفيزيائية بشكل مباشر وسهل.

 

وهكذا، تم استخدام تحليل تسلسل النبضة (PSA) للحصول على معلومات حول التغيرات في المجال الكهربائي المحلي من المتغيرات التي يمكن قياسها خارجياً، وفي هذه الطريقة يمكن تمثيل كل نبضة (PD) من خلال سعة شحنتها (qn) وقت حدوثها (tn) جهد حدوثها (un) أو مرحلة حدوث (φn) تتم معالجة هذه المعلومات حول تسلسل (PD) ورسمها، مما يؤدي إلى العديد من الأنماط التي يمكن تحليلها إما نوعياً.

 

في هذا العمل نستخدم المعلمات (un و tn) لحساب (un / tn لـ PSA)، بحيث يوضح الشكل التالي (2) إنشاء مخططات (PSA) من تسلسل نبض (PD)، كما تم اتباع نهج التحليل النوعي من خلال مقارنة مخططات (PSA) مع الأنماط النموذجية وتغييراتها مع نمو الشجرة الكهربائية.

 

 

ولحساب الأمور المطلوبة؛ فإنه يجب استيفاء الجهد المطبق الذي تم أخذ عينات منه للحصول على قيمته في اللحظة التي يتم فيها إنتاج (PDs)، وذلك باستخدام هذه القيم المحرفة، كما يتم حساب الحاصل بين فرق الجهد وفرق الوقت باستخدام:

 

 

في هذا العمل، تمت دراسة نمو الشجرة الكهربائية في عينات “راتنجات الايبوكسي”، والتي تتراوح أعمارها في (VLF) باستخدام نهجين لتحليل التسلسل (PSA و NLTSA) من نظرية النظام الديناميكي غير الخطي.

 

كما يعتبر شكل الأشجار التي تم الحصول عليها كان نوعاً فرعياً مع وجود عدد أقل من الفروع من عينات الاختبار التي يتراوح عمرها عند التردد الصناعي، بحيث أظهرت السلسلة الزمنية لسعة (PD) زيادة مطردة في الحجم مع نمو الشجرة الكهربائية، كما يمكن أن يكون هذا السلوك الملحوظ خاصية مميزة لنمو الأشجار تحت (VLF)، وذلك مقارنة بتقارير نمو الأشجار تحت التردد الصناعي.

المصدر

L. A. Dissado and C. Fothergill, Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, London, U.K:Peter Peregrinus, 1992.J. H. Lawson and W. Vahlstrom, “Investigation of treeing in 15 and 22 KV polyethylene cables removed from service”, Proc. Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenomena (CEIDP), pp. 255-265, Oct. 1972.L. A. Dissado, S. J. Dodd, J. V. Champion, P. I. Williams and J. M. Alison, “Propagation of electrical tree structures in solid polymeric insulation”, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 4, no. 3, pp. 259-279, Jun. 1997.S. J. Dodd, “A deterministic model for the growth of non-conducting electrical tree structures”, J. Phys. D Appl. Phys., vol. 36, no. 2, pp. 129-141, Jan. 2003.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى