چکیده:

کاغذ آغشته شده به رزین (RIP) به طور فزاینده­ای در بوشینگ­های ترانسفورماتور اخیراً مورد استفاده قرار می گیرد. قابلیت اطمینان کلی ترانسفورماتور فشار قوی تا حد زیادی به عملکرد صدای بوشینگ بستگی دارد. عایق RIP نسبتاً یک نهاد جدید در زمینه بوشینگ­هایی با ولتاژ بالا است. از این رو ، تخمین طول عمر بوشینگ با روش­های تخریبی یا غیر تخریبی، امری ضروری است. این مقاله نتیجه­ی یک مطالعه­ی برآورد طول عمر بوشینگ RIP را بر اساس نظارت بر تخلیه جزئی گزارش می­کند. مدل تنش پله­ای ، مفهوم آسیب انتزاعی ارائه شده توسط Miner ، برای تجزیه و تحلیل تخریب عایق الکتریکی گسترش یافته است. داده های تخلیه جزئی برای یک دوره طولانی ۴۸۰ روزه تحت تنش پله­ای، اندازه گیری شده و برای این تجزیه و تحلیل از آن استفاده می­شود.

کلمات کلیدی – بوشینگ­های فشار قوی، عایق کاغذی آغشته شده به رزین، تخمین طول عمر، روش های غیر مخرب ، داده های تخلیه جزئی

مقدمه

اخیراً، کلاس جدیدی از مواد عایق به نام کاغذ آغشته شده به رزین (RIP) به عنوان عایق اصلی در بوشینگ­های ترانسفورماتور ولتاژ بالا استفاده شده است. در ساختار RIP ، که یک سیستم کاملاً جامد است، فاز روغن کاملاً از بین می­رود. فناوری RIP تمام مزایای اساسی کاغذ آغشته شده به روغن (OIP) را حفظ می کند و در عین حال تقریباً عاری از همه­ی اشکالات موجود در کاغذ آغشته شده به روغن است. سیستم های کاغذ رزینی بسیار قابل اعتماد هستند و به عنوان مثال در بوشینگ های ترانسفورماتور فشار متوسط ​​و فشار قوی، به عنوان دی الکتریک مورد استفاده قرار می­گیرد و موجب تشکیل یک بوشینگ مرغوب می­شود. با این وجود، به عنوان یک نهاد نسبتاً جدید در زمینه بوشینگ­های فشار قوی ، باید رفتار طولانی مدت عایق در بوشینگ های RIP مورد آزمایش قرار گیرد. از این رو ، مطالعات برآورد طول عمر بر روی این بوشینگ ها انجام می­شود تا مدت زمان عمر آن مشخص شود. تعداد زیادی از ادبیات برای تخمین عمر عایق تحت فشارهای الکتریکی ، حرارتی ، مکانیکی و ترکیبی از آن­ها موجود است [۱] – [۱۰]. افزایش دما در بوشینگ­­های RIP در شرایط عملیاتی عادی با توجه به گزینه های محدود برای خنک کننده­ی مؤثر، یک پارامتر دشوار برای کنترل به شمار می­آید. با توجه به این نظر ، نویسنده قبلاً از توازن گرما و معادلات پیوستگی برای ارزیابی بارگیری مجاز بوشینگ­های RIP براساس حداکثر ولتاژ حرارتی گزارش داده است [۱۱]. بدیهی است، آزمایش های تخریبی روی تجهیزات کامل انجام نمی شود. با این حال نمونه های تخریب شده می­توانند در معرض تنش­های مناسب ، به تنهایی یا به صورت ترکیبی (هم افزایی) قرار بگیرند تا تغییرات مادی را با توجه به چندین خاصیت آن­ها مطالعه کنند. مدل تنش حرارتی مبتنی بر قانون توان معکوس برای تخمین عمر عایق RIP نیز قبلاً [۱۲] در این خط گزارش شده است. داده های ناشی از توزیع زمانی خرابی برای این تحلیل در نظر گرفته شد. بیشتر اوقات، در مهندسی عایق ، داده های مربوط به آزمایش غیر مخرب باید در نظر گرفته شود. داده تخلیه جزئی که یک روش غیر مخرب برای ارزیابی می­باشد، پیشنهاد خوبی برای این منظور است. تخلیه های جزئی از مدت ها قبل به عنوان یک ابزار تشخیصی برای شناسایی نقایص داخلی تجهیزات برقی مورد استفاده قرار می گرفت. با این حال ، اندازه­گیری داده های PD برای تجزیه و تحلیل برآورد طول زندگی یک فرایند بسیار طولانی است. از این رو ، ممکن است پیشنهاد شود که این نقاط داده ها پس از اندازه گیری ها، برای یک دوره­ی طولانی قابل توجه با استفاده از مدل های سری زمانی گسترش یابد [۱۳].

با فرض اینکه اندازه نمونه داده ها به اندازه کافی بزرگ است ، لازم است که بررسی کنید که آیا بین آزمایش های تخریبی و آزمایش­های غیر مخرب تعادلی وجود دارد یا خیر. آزمایش تشخیصی و نظارت بر وضعیت (DTCM)، وضعیت تجهیزات نیروگاهی را که تحت فشارهای عادی کار می کنند، نشان می­دهد. مشاهدات مقادیر اندازه گیری شده از خصوصیات یا پارامترها در یک دوره زمانی تصادفی است. اگر به طریقی تغییر در خصوصیات غیر مخرب از نقطه نظر خصوصیات تخریبی بیان شود، با انجام اندازه­گیری های تشخیصی می توان یک «معیار نقطه انتهایی» را تهیه کرد که به موجب آن می­توان عمر اسمی تجهیزات را بدست آورد. پیش بینی شده نویسنده برای بدست آوردن اطلاعاتی در مورد وضعیت عایق ، قانون Miner را در نظر می­گیرد و عمر آن با استفاده از قانون توان معكوس محاسبه می­شود.

دادخ­های تخلیه­ی جزئی

داده های تخلیه جزئی از مدت ها قبل به عنوان یک ابزار تشخیصی برای شناسایی نقایص داخلی تجهیزات مورد استفاده قرار گرفته است. استفاده از این پارامتر از مزیت ویژه ای برخوردار است، زیرا می توان آن را در پایانه های تجهیزات حس کرد. هنگامی که اندازه گیری ها با دقت انجام شود و اطمینان از تجزیه و تحلیل کارآمد داده ها ، توسط یک شخص آگاه تأیید شود، مقادیر PD به عنوان یک ابزار تشخیصی معقول در نظارت بر وضعیت عایق الکتریکی در تجهیزات قدرت به شمار می آید. تشخیص PD از اهمیت ویژه ای در عایق “نوع خشک” برخوردار است، به این دلیل که بیشترین حالت عدم موفقیت این نوع عایق به دلیل تخلیه داخلی به سبب نقص های گاز مورد استفاده به عنوان عایق است که اغلب در بدنه­ی چنین عایق هایی محصور شده است. علاوه بر این ، به عنوان یک اندازه­گیر ترمینال ، روشی غیر تهاجمی برای پیگیری و تشخیص شروع خرابی و انتشار آن ولو به آرامی است.

در تشخیص میزان تخریب عایق به کمک PD ، تحت تنش الکتریکی با مدت طولانی ، یک روش کاربرد ولتاژ غیر مرسوم به نام روش تنش پله ای کلاسیک اتخاذ می شود. در این روش ، ولتاژ در مراحل از پیش تعیین شده به مدت زمان از پیش تعیین شده اعمال می شود. بزرگی گام ولتاژ بر اساس قانون Miner با دقت محاسبه می شود. به طور معمول ، گام ولتاژی چند برابر ولتاژ کار عادی است. این روش شناخته شده است که در صورت وجود، مکان های معیوب را تشخیص دهد، از این رو در شرایط عملیاتی عادی که تنها اشکال پیری الکتریکی عایق است، امکان تعیین مکان معیوب را فراهم می­کند. در هر جزء و به خصوص در انتهای هر بلوک تنش ، میزان PD اندازه گیری می شود. با استفاده از معیارهای مناسب برای پایان طول عمر، می­توان تخمین احتمالی از طول عمر عایق را با استفاده از این پارامتر استنباط کرد.

به منظور انجام اندازه گیری PD با تنش پله­ای شتاب زده ، از ده واحد نمونه اولیه یکسان از بوشینگ­های RIP استفاده شد. در نمونه های اولیه از رسانای لوله‌ای مرکزی مسی به قطر ۴۵ میلی متر استفاده شده است که در اطراف آن کاغذ کرپ با ضخامت ۵۰ میلی متر قرار داده شده­است. نمودار شماتیک بوشینگ­های نمونه اولیه در شکل ۱ نشان داده شده است.

نمونه اولیه دارای رسانای حامل جریان به قطر ۴۵ میلی متر است. بوشینگ با کاغذ کرپ (تخلخل کم، چگالی متوسط)، عایق اصلی است و ضخامت عایق هنگام آغشته سازی حدود ۱۰ میلی متر است. فویل های آلومینیومی (در این حالت دوم) در فواصل شعاعی محاسبه شده قرار می گیرند (اولین فویل در ۲/۱ میلی متر از هادی و فویل دوم در فاصله­ی ۴/۲ میلی متری از اولین فویل)، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.

فویل آلومینیومی اول به هادی مرکزی وصل می شود و شیر اندازه گیری به فویل دوم وصل می­شود. از این رو، ضخامت مؤثر عایق فقط ۴/۲ میلی متر است. عکس بوشینگ نمونه اولیه در شکل ۲ نشان داده شده­است. مشخصات معمول (کامپوزیت) عایق با کاغذ آغشته شده به رزین در جدول یک آورده شده است.

جدول ۱ : خصوصیت رایج عایق­های RIP

تخمین طول عمر بر اساس نظارت PD

مدل تنش پله­ای ، مفهوم آسیب انتزاعی ارائه شده توسط Miner [15] ، در اینجا برای تجزیه و تحلیل تخریب عایق الکتریکی ارائه شده است. داده­ های تخلیه جزئی برای مدت طولانی (۴۸۰ روز) تحت تنش و فشار پله، اندازه‌گیری شده و برای این تحلیل از آن استفاده شده است. نمودار پراکندگی داده های PD اندازه گیری شده در شکل ۳ نشان داده شده است.

مدل نمونه از یک بوشینگ RIP 1500 آمپر ۸ کیلوولت

1. رسانای حامل جریان، ۲٫ الکترود اول (فویل آلومینیومی – پتانسیل بالا)، ۳٫ الکترود اندازه­گیری (فویل آلومینیومی)، ۴٫ شیر اندازه گیری، ۵٫ عایق اصلی (کاغذ کرپ رزینی)، ۶٫ الکترود سرکوب کرونا (آلومینیومی)

با توجه به Miner ، آسیب D ، تحت عنوان یک عملکرد مشترک از زمان و تنش شناخته شد.

این روش آزمایش شامل استفاده از مقادیر مساوی تنش الکتریکی ، در تعدادی از نمونه های اسمی یکسان عایق مورد نظر ، در مدت زمان برابر، و در یک مرحله افزایش است. اندازه­ی تنش و مدت زمان لزوماً یکسان نیستند، با این حال ، طرح های آزمایشی به طور کلی برای راحتی اجرا ، با استفاده از بلوک هایی با زمان و تنش برابر همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است ، طراحی شده­اند.

شکل ۵ نمای سطح سه بعدی از مدت زمان پیری عایق را نشان می دهد. PD با فشار الکتریکی. در نمودار دو بعدی نشان داده شده در شکل ۴ ، تنش الکتریکی متغیر پنهان است. بنابراین به نظر می رسید تدوین نقشه های سه بعدی برای به تصویر کشیدن خلاصه و پویایی زوال ضروری است. دیاگرام ها به این واقعیت اشاره دارند که رفتار تخریب و زوال عایق در واقع همانطور که در مقیاس پدیدارشناختی پیش بینی شده بود، است.

عکس یک نمونه از مدل بوشینگ RIP 1500 آمپر ۸ کیلوولت

رسم شکل داده ­های PD

شکل PD با فروفیل تنش – زمان برای آزمایش تنش گام به گام

نمای سه بعدی از سطح رگرسیون برای داده­ی PD

و i تنش الکتریکی مداوم و فشارهای پله ای در هر بلوک و و  به ترتیب زمان شکست در این دو شرایط می باشد. با توجه به مشخصات تنش ، برآورد شده تنش مداوم معادل، داده شده باشد.

با مراجعه به شکل ۴ ، متغیر پنهان ، گام تنش ، فقط برای نشان دادن پروفیل است و با مقیاس­های موجود در نقشه مطابقت نمی­کند. طبق قانون Miner ، خسارت در شکست Dc، به هر روشی که تنش اعمال شود باید یکسان باشد ، به گونه ای که:

که در آن n ضریب استقامت است.

تنش عملیاتی معمولی برای بوشینگ RIP ، طبق مشخصات تولیدی ، در همسایگی ۳ کیلوولت بر میلی متر و حداکثر مقدار مجاز ۵/۴ کیلوولت بر میلی متر است [۱۴] ، [۱۶]. نمونه ها در هر بلوک تنش ۵۰ ساعته در بیشتر از ۵/۴ کیلوولت بر میلی متر به تعادل می رسند. پیشرفت PD در یک سیستم از نوع خشک مانند بوشینگ RIP، ضریب استقامت به صورت درجه دوم (نمایی ۷۵/۳) در نظر گرفته می­شود. مقدار اولیه PD در بوشینگ RIP حدود ۶pC  است. با توجه به عوامل ذکر شده در بالا و تنش حدوداً ۶ برابر میزان طبیعی ، در صورت عبور مقدار PD از ۸۰۰pC  ، عایق به نظر می رسد که شکست خورده باشد.

با استفاده از معیارهای پایان ط.ل عمر به عنوان ظهور PD در ۸۰۰pC  ، می­توان تخمین احتمالی از طول عمر عایق را به دست آورد. با مراجعه به شکل ۴ ، (۲) می­توان چنین نوشته شود:

بنابراین:

با استفاده از قانون توان معکوس:

لذا:

نتیجه­ گیری

پیش بینی طول عمر احتمالی بوشینگ RIP بر اساس آزمایش تشخیصی انجام شده است. صحت این روش ممکن است قابل بحث باشد، با این حال ، این نتیجه در مقایسه با نتایج به دست آمده از روش مخرب، کاملاً مفید است. اندازه گیری داده های PD به صورت روزانه برای مدت طولانی ۴۸۰ روز کاری دشوار است. اما ، نظارت بر PD در مدت زمان معقول طولانی، علاوه بر یک روش ممکن برای تخمین عمر عایق، اطلاعات بسیار مهمی در مورد پویایی تخریب در اختیار ما قرار می­دهد. استفاده از توابع وزنی مناسب برای چندین خاصیت تشخیصی و سایر ویژگی­ها، ممکن است به مقدار دقیق تر “ملاک نقطه انتهایی” منتج شود که به موجب آن بتوان عمر نامی تجهیزات را با درجه اطمینان بیشتری پیش بینی نمود. این موضوع نیاز به بررسی بیشتر دارد.