چکیده – شکست بوشینگ ترانسفورماتور باعث میشود که ترانسفورماتور قدرت بگیرد یا آسیب ببیند و عملکرد ایمن سیستم قدرت را تحتتاثیر قرار دهد. این مقاله روشی را پیشنهاد میکند که از هارمونیکهای سیستم به عنوان منبع تحریک پاسخ دیالکتریک استفاده میکند و تکنولوژی تشخیص آنلاین عایق بوشینگ ترانسفورماتور براساس ویژگیهای پاسخ دیالکتریک گذرا را مورد مطالعه قرار میدهد. طرح فنی و ساختار سیستم فنآوری مانیتورینگ آنلاین عایق بوشینگ ترانسفورماتور براساس ویژگیهای پاسخ دیالکتریک ارائه شدهاست. یک مدل محاسباتی برای سوئیچینگ زمینی و خازنی اتصال کوتاه یک ایستگاه فرعی ۳۵ کیلوولت ایجاد شد و محتوای فرکانس هارمونیک و توزیع دامنه اختلال شبکه مورد تحلیل قرار گرفت. یک مورد اندازهگیری پاسخ دیالکتریک بوشینگ شدهاست.
این تحقیق نشان میدهد که سیستم ولتاژ اضافی را در زمین مدار کوتاه، کلیدزنی خازن و غیره تولید خواهد کرد. فرکانس هارمونیک سیستم در محدوده فرکانس تست پاسخ دیالکتریک (۱ هرتز ~ ۱ هرتز)است و دامنه هارمونیک نیز بزرگ است که میتواند به عنوان منبع تحریک استفاده شود. منبع تحریک آزمایش پاسخ دیالکتریک باعث تغییر پاسخ دیالکتریک بوشینگ ترانسفورماتور میشود و به عنوان یک “پروب” عمل میکند که حالت عایق بوشینگ را منعکس میکند. باندهای فرکانس متوسط و بالا طیف دیالکتریک در حوزه فرکانس نیز به رطوبت حساس هستند که میتوانند برای تشخیص حالت عایق بوشینگ مورد استفاده قرار گیرند.
تجزیه و تحلیل آماری نشان میدهد که بیش از ۵۰ % از حوادث شبکه برق ناشی از شکست تجهیزات انتقال و تبدیل برق است و مشکل تجهیزات در درجه اول قرار دارد. در میان آنها، تجهیزات عایق کاغذ آغشته به روغن مانند ترانسفورماتورهای بزرگ برق و بوش های ولتاژ بالا بیشترین تاثیر را بر عملکرد پایدار شبکه برق دارند. بنابراین، عملکرد ایمن و پایدار بوشینگ به طور مستقیم بر پایداری کل شبکه قدرت تاثیر میگذارد و برای تشخیص و ارزیابی حالت عایقبندی آن از اهمیت زیادی برخوردار است [ ۱ – ۳ ].
در سیستم قدرت، کلیدزنی خازن، زمین اتصال کوتاه، صاعقه و غیره، میتواند باعث اختلال گذرا و اعوجاج ولتاژ سیستم شود [ ۴ – ۶ ]. هارمونیک اختلال شبکه قدرت شامل مولفههای فرکانس غنی است و تغییر پاسخ دیالکتریک بوشینگ ترانسفورماتور ناشی از آن میتواند به عنوان یک “پروب” برای انعکاس حالت عایق بوشینگ مورد استفاده قرار گیرد. براساس نرمافزار شبیهسازی گذرای الکترومغناطیسی، مدل محاسبه کلیدزنی خازن و مدار کوتاه در یک ایستگاه فرعی ۳۵ KV ایجاد شدهاست. محتوای فرکانس هارمونیک و توزیع دامنه اختلال شبکه قدرت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتهاست. اطلاعات عایقبندی بوشینگ خازنی ولتاژ بالا با استفاده از تشخیص آنلاین به دست میآید و ارزیابی دقیق وضعیت عایقبندی آن از اهمیت زیادی برای اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار ترانسفورماتور برخوردار است [ ۷ – ۱۰ ].
در شبکه قدرت، زمین زنی تکفاز، کلیدزنی خازن و عمل قطعکننده مدار، هارمونیکها را تولید میکنند که میتوانند به عنوان یک منبع ولتاژ تحریک موثر مورد استفاده قرار گیرند. باس ولتاژ بالا میتواند سیگنال هارمونیک در سیستم را به بوش ولتاژ بالا به عنوان یک منبع تحریک برای تست پاسخ دیالکتریک انتقال و بارگذاری کند.
اصل آزمایش پاسخ دیالکتریک بوشینگ در شکل ۱ نشانداده شدهاست. یک سر بوش ولتاژ بالا (۲)به باس ولتاژ بالا (۱)متصل میشود. انتهای دیگر به بدنه ترانسفورماتور (۳)متصل است و ترانسفورماتور ولتاژ (۴)در سمت خط ورودی باس ولتاژ بالا نصب شدهاست. ترانسفورماتور جریان (۶)درون صفحه انتهایی بوشینگ (۵)نصب شدهاست. ولتاژ باس و سیگنالهای جریان صفحه پایانی جمعآوریشده توسط ترانسفورماتور ولتاژ و ترانسفورماتور جریان به واحد اکتساب و پردازش داده منتقل میشوند (۷). دادههای پردازششده به تشخیص خطا و پلتفرم هشدار (۸)از طریق فیبر نوری منتقل میشوند.
سیگنال ولتاژ سیستم را می توان از بازوی ولتاژ پایین ترانسفورماتور ولتاژ بدست آورد. بازوی ولتاژ پایین ترانسفورماتور ولتاژ اصلاح میشود تا باند فرکانس اندازهگیری آن مطابق با الزامات تست پاسخ دیالکتریک باشد. سیگنال خروجی بازوی ولتاژ پایین ترانسفورماتور ولتاژ از طریق کابل دو پوشش به واحد پردازش و اکتساب داده منتقل میشود.
شکل .۱ آزمایش طرح کلی برای پاسخ گذرای دیالکتریک بوشینگ
سیگنال جریان را می توان با یک ترانسفورماتور جریان صفر بر روی سیم زمینی صفحه انتهایی بوش اندازهگیری کرد. یک سیمپیچ کمپنزاسیون درون ترانسفورماتور جریان نصب میشود، که به طور خاص برای ایجاد جریان تحریک، حذف نسبت و اختلاف زاویه اندازهگیری جریان، و بهبود دقت اندازهگیری استفاده میشود.
واحد اکتساب و پردازش داده، دامنه سیگنال ولتاژ هارمونیک بالا را تقویت میکند. سیگنال جریان سیگنال تداخل فرکانس بالا را فیلتر میکند و آن را به یک سیگنال الکتریکی یکپارچه تبدیل میکند. علاوه بر این، مقدار اتلاف دیالکتریک را تحت ولتاژ هارمونیک فرکانسهای مختلف محاسبه میکند. حلقه فیبر نوری مقدار اتلاف دیالکتریک را به تشخیص خطا و پلتفرم هشدار انتقال میدهد. برای دستیابی به دقت اندازهگیری اتلاف دیالکتریک، خطای اندازهگیری زاویه سیگنال جریان نباید کمتر از ۰.۱ درجه باشد، فرکانس نمونهبرداری کارت دریافت سیگنال جریان نباید کمتر از ۱۸۰ کیلو هرتز باشد، و فرکانس نمونهبرداری ترجیحا میتواند ۵۰۰ کیلو هرتز باشد.
تشخیص خطا و پلتفرم هشدار، مقدار اتلاف دیالکتریک را تحت فرکانسهای مختلف ولتاژ هارمونیک منتقلشده توسط اکتساب دادهها و واحد پردازش به منحنی مشخصه پاسخ دیالکتریک ترسیم میکند، منحنی مشخصه پاسخ دیالکتریک را با دادههای تاریخی غلاف و مدل سیستم پایگاهداده خبره مقایسه میکند، محتوای آب بوش عایق کاغذ روغنی را بدست میآورد، و عملکرد و وضعیت فرسودگی بوش عایق کاغذ روغنی را از طریق محتوای رطوبت تشخیص میدهد.
در مقایسه با تکنولوژی قبلی، پاسخ بوشینگ دیالکتریک عایقبندی شده در کاغذ نفتی سیستم نظارت آنلاین نیازی به تزریق سیگنال تحریک فرکانس رفت و برگشتی از بیرون ندارد. با این حال، میتواند مستقیما از سیگنال ولتاژ هارمونیک در سیستم به عنوان منبع تحریک استفاده کند که میتواند به عنوان پروب برای آزمایش پاسخ دیالکتریک بوشینگ استفاده شود. این روش مزایای یک تست ساده، ایمنی و قابلیت اطمینان و عدم قطع برق را دارد.
همان طور که در شکل نشانداده شدهاست، مدل محاسبه گذرای الکترومغناطیسی زیر ایستگاه ایجاد شدهاست. ۲. بررسی امکانسنجی هارمونیک شبکه به عنوان منبع تحریک پاسخ دیالکتریک. ترانسفورماتور ۳۵ کیلوولت از مدل ترانسفورماتور اشباع نشسته استفاده میکند، خط کابل از مدل PI در RLC، مدل خط هوایی LCC، بار از مدل Y3 در RLC استفاده میکند، و باس از مدل پارامتر متمرکز استفاده میکند. مخزن خازن کمپنزاسیون توان راکتیو یک مدل سری LC سهفاز را اتخاذ میکند. از اندوکتانس غیر خطی نوع ۹۸ برای شبیهسازی هسته ترانسفورماتور ولتاژ استفاده میشود و مدل ترانسفورماتور ولتاژ ایجاد میشود.
شکل ۲ شبیهسازی و مدل محاسبه برای الکترومغناطیسی در ایستگاه فرعی ۳۵ کیلو ولت
نتایج شبیهسازی نشان میدهد که حادثه زمینی تکفاز بلافاصله باعث فرکانس بالا یا تشدید فرکانس پایین شبکه قدرت نخواهد شد. با این حال، هنگامی که زمینه تک فازی از بین میرود، سیستم طنینانداز میشود و نوسان فرکانس بالا یا فرکانس پایین ایجاد میکند.
شکل ۳ (الف) منحنی ولتاژ سه فاز ترانسفورماتور است زمانی که خطای زمین تک فاز رخ می دهد و ناپدید می شود (ولتاژ فاز C – 1.0 در هر واحد.) در فاز B شین ۳۵ کیلوولت I (ولتاژ فاز B 1.0 – است. در هر واحد.)، و شکل ۳ (b) منحنی مشخصه دامنه فرکانس فاز B است. در شکل ۳ (الف)، فاز B در ۰٫۰۹ ثانیه (ولتاژ فاز B 1.0- در هر واحد.) و فاز B در ۰٫۱۸۱۷s (ولتاژ فاز C -1.0 در هر واحد) زمین شده است. در این زمان، سیستم دارای تشدید تقسیم فرکانس با فرکانس ۵ هرتز است، و حداکثر ولتاژ رزونانس -۱.۹۳ pu (فاز B)است. از شکل ۳ (ب) می توان دریافت که فرکانس ولتاژ هارمونیک ۵ هرتز و حداکثر دامنه ولتاژ هارمونیک ۰٫۴۷ در هر واحد است که به طور کامل فرکانس و دامنه مورد نیاز منبع تحریک برای آزمایش پاسخ دی الکتریک را برآورده می کند.
شکل ۳ ولتاژهای سه فاز ترانسفورماتور و منحنی فرکانس دامنه B فاز پس از اتصال زمین تک فاز
شکل ۴a منحنی ولتاژ سه فاز ترانسفورماتور را نشان می دهد که خطای زمین تک فاز فاز B شین ۳۵ کیلوولت I (ولتاژ فاز B برابر ۱٫۰ در هر واحد در هر واحد. رخ می دهد و ناپدید می شود (ولتاژ فاز C 0 است. و شکل ۴b منحنی مشخصه دامنه فرکانس فاز A را نشان می دهد.
شکل ۴ ولتاژهای سه فاز ترانسفورماتور و منحنی فرکانس دامنه A فاز پس از اتصال زمین تک فاز
در شکل ۴ (الف)، فاز B در ۰٫۰۹ ثانیه (ولتاژ فاز B برابر ۱ در هر واحد.)، و فاز B در ۰٫۱۷۶۷s (ولتاژ فاز C برابر ۰ است) زمین شده است. در این زمان، سیستم دارای تشدید تقسیم فرکانس با فرکانس ۵.۹ هرتز است، و حداکثر ولتاژ رزونانس -۱.۵۶ در هر واحد (فاز A)است. از شکل ۴ (ب) می توان دریافت که فرکانس ولتاژ هارمونیک ۵٫۹ هرتز و حداکثر دامنه ولتاژ هارمونیک ۰٫۳۲ در هر واحد است که فرکانس و دامنه مورد نیاز را به عنوان منبع تحریک آزمایش پاسخ دی الکتریک برآورده می کند.
زیرایستگاهها اغلب توان راکتیو را تغییر میدهند، شکل موج ولتاژ را بهینهسازی میکنند و ضریب توان را با تغییر خازنهای جبران توان راکتیو بهبود میبخشند. این مقاله شکل موج ولتاژ خروجی سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور اصلی را زمانی مطالعه میکند که یک یا دو گروه از خازنها در زمانهای مختلف در سمت باس ۱۰ KV سوئیچ میشوند و دامنه و فرکانس اضافه ولتاژ هارمونیک را در هنگام خازنهای کلیدزنی بررسی میکنند. تعیین میکند که آیا میتواند به عنوان منبع تحریک برای آزمایش پاسخ دیالکتریک مورد استفاده قرار گیرد یا خیر.
شکل ۵ (a)شکل موج ولتاژ در سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور اصلی را زمانی که باس I و II ۱۰ کیلو ولت در گروهی از بانکهای خازنی قرار داده میشوند، نشان میدهد. ولتاژ خروجی در سمت فشار قوی ترانسفورماتور اصلی – ۱٫۰ در هر واحد در هنگام راه اندازی خازن سه فاز است. شکل ۵ (b)یک منحنی مشخصه فرکانس دامنه ولتاژ فاز B است. می توان از شکل ۵ (a)مشاهده کرد که وقتی گروهی از بانکهای خازنی به ترتیب در باس I و II قرار داده میشوند، دامنه ولتاژ اضافی فاز B در سمت ولتاژ بالا بزرگترین است و به ۱.۴۴ pu میرسد که از شکل ۵ (b)قابلمشاهده است که فرکانس ولتاژ هارمونیک فاز B ۲۱۰ هرتز و دامنه ولتاژ هارمونیک ۶۱ / ۱ KV است. ولتاژ هارمونیک مطابق با الزامات منبع تحریک برای آزمایش پاسخ دیالکتریک بوشینگ میباشد.
شکل ۵٫ شکل موج سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور در هنگام تعویض دو خازن گروهی
شکل (a)۶ شکل موج ولتاژ در سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور را زمانی که باس ۱۰ KV I در گروهی از بانکهای خازنی قرار داده میشود، نشان میدهد. ولتاژ خروجی در سمت ولتاژ بالا ترانسفورماتور اصلی – ۱٫۰ در هر واحد است. در زمان راه اندازی خازن سه فاز. شکل ۶ (ب) منحنی مشخصه دامنه فرکانس ولتاژ فاز B است. مشاهده می شود که وقتی I bus در گروهی از بانک های خازن قرار می گیرد، دامنه اضافه ولتاژ فاز B در سمت ولتاژ بالا بزرگترین است که ۱٫۲۳ در هر واحد است. می توان مشاهده کرد که فرکانس ولتاژ هارمونیک فاز B برابر ۲۲۶٫۷ هرتز و دامنه ولتاژ هارمونیک ۱٫۷۱ کیلو ولت ، یعنی ۰٫۰۶ در هر واحد است.ولتاژ هارمونیک نیازهای منبع تحریک را برای آزمایش پاسخ دی الکتریک بوشینگ برآورده می کند.
شکل ۶ شکل موج سمت ولتاژ بالا ترانسفورماتور هنگام تعویض یک گروه از خازن ها
شکل ۵ – نتایج شبیهسازی نشان میدهد که در هنگام تعویض مخازن خازن، سیستم اضافه ولتاژ تولید میکند. فرکانس هارمونیک سیستم تنها به پارامترهای خازن کلید زنی مربوط میشود و دامنه هارمونیک به زمان کلید زنی خازن مربوط میشود و ظرفیت خازن افزایش مییابد. فرکانس هارمونیک سیستم کاهش مییابد. هنگامی که مخزن خازن روشن و خاموش میشود، فرکانس رزونانس سیستم در محدوده فرکانس تست (۱ هرتز ~ ۱ کیلو هرتز)پاسخ دیالکتریک بوشینگ است و دامنه هارمونیک بزرگتر از ۱ KV است، که میتواند به عنوان منبع تحریک آزمایش پاسخ دیالکتریک بوشینگ استفاده شود.
تست مشخصه پاسخ دیالکتریک خط خاموش بوشینگ سهفاز در سمت ولتاژ بالا یک ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت در این مقاله انجام شدهاست. نتایج تست FDS در شکل ۷ نشانداده شدهاست. منحنی خاکستری در شکل، منحنی پایگاهداده و منحنی قرمز، منحنی پاسخ دیالکتریک کوشینگ تست شدهاست. همان طور که توسط نقاط سیاه کوچک در شکل نشانداده شدهاست، دادههای اتلاف دیالکتریک تحت ولتاژ فرکانس توان ۵۰ هرتز شناسایی شدهاند. محتوای آب عایق کاغذ روغنی بوشینگ را می توان با مقایسه منحنی پایگاهداده به دست آورد. محتوای آب فاز A ۳.۹ %، محتوای آب فاز B ۴.۳ % و محتوای آب فاز C ۲.۸ % است.
شکل ۷ مشخصات پاسخ الکتریکی بوهکهای سهفاز ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت
این استاندارد نیازمند این است که محتوای رطوبت عایق کاغذ روغنی کمتر از ۳ % باشد. مشاهده میشود که محتوای آب پوستهای فاز A و B از استاندارد بیشتر است و محتوای آب پوستهای فاز C به مقدار استاندارد نزدیک است. در مقایسه با منحنی پاسخ دیالکتریک غلاف سهفاز، میتوان مشاهده نمود که مقدار اتلاف دیالکتریک کلی بوش سهفاز بیشتر است و مقدار آب بوش فاز C کمتر از بوش فاز A و B است. منحنی پاسخ دیالکتریک فاز B بوشینگ مشابه و بیشتر از فاز C در باند میانی و فرکانس پایین و اتلاف دیالکتریک فاز C بوشینگ بیشتر از دو فاز دیگر در باند فرکانس بالا میباشد.
منحنی طیف دیالکتریک حوزه فرکانس بدستآمده از تاثیر گذرا بر بوشینگ ترانسفورماتور ۱۱۰ KV توسط خط توپر در شکل ۸ نشانداده شدهاست و نقطه مربع مقدار اندازهگیری شده ابزار دیرانا میباشد. می توان مشاهده نمود که منحنی طیف دیالکتریک حوزه فرکانس بهدستآمده توسط پاسخ دیالکتریک گذرا، تناسب خوبی با نتایج بهدستآمده توسط دیرانا ابزار حرفهای دارد و محتوای آب پوشش، ۰.۴۷ % است که الزامات استاندارد را برآورده میسازد.
شکل ۸٫ ویژگیهای پاسخ الکتریکی بوهکهای سهفاز ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلو ولتی
هنگامی که مقدار آب عایق کاغذ روغنی زیاد باشد، مقدار یون به دلیل افزایش مقدار آب افزایش مییابد. بنابراین اتلاف رسانایی افزایش مییابد که مربوط به افزایش اتلاف باند فرکانس پایین در طیف دیالکتریک حوزه فرکانس است. به عنوان یک مولکول قطبی، علاوه بر اتلاف رسانایی، اتلاف پلاریزاسیون واهلش دوقطبی ناشی از مولکولهای آب در عایق کاغذ نفت و اتلاف پلاریزاسیون سطح مشترک ناشی از تغییر دورهای بار فضایی بین سطح مشترک کاغذ کامپوزیتی نفت و تودههای مختلف کاغذ نفت میرا نشده، مربوط به باند فرکانس متوسط و بالا طیف دیالکتریک حوزه فرکانس نیز وجود دارد. مشاهده میشود که رطوبت نه تنها بر طیف دیالکتریک باند فرکانس پایین تاثیر میگذارد بلکه بر طیف دیالکتریک کل باند تست نیز تاثیر میگذارد.
اگرچه تست آنلاین بوشینگ نقاط فرکانس کمتر و اطلاعات کمتری را در قسمت فرکانس پایین خود (۱ mهرتز – ۱ هرتز)پوشش میدهد، آنالیز نظری و تایید تجربی نشان میدهد که باند فرکانس متوسط و بالا طیف دیالکتریک دامنه فرکانس به طور مساوی به رطوبت حساس است. در مقایسه با تست فرکانس برق سنتی، آن میتواند اطلاعات رطوبت عایقبندی بیشتری را منعکس کند و دیگر یک مقدار اتلاف فرکانس توان واحد نیست. در مرحله بعدی این مقاله، نقطه فرکانس تست اتلاف دیالکتریک آنلاین به تدریج گسترش خواهد یافت و اضافه ولتاژ صاعقه به عنوان منبع تحریک پاسخ دیالکتریک به کار گرفته خواهد شد تا دادههای بیشتری را برای تشخیص حالت عایقبندی بوش فراهم آورد.
این سیستم زمانی تشدید خواهد شد که زمینه تکفاز رخ دهد و زمینه از بین میرود. فرکانس هارمونیک و دامنه سیستم به زمان پایه تکفاز و زمان ناپدید شدن پایه مربوط میشود؛ حداکثر دامنه ولتاژ هارمونیک ۰٫۴۷ در هر واحد است و فرکانس هارمونیک ۵ هرتز ~ ۶ هرتز است.
فرکانس هارمونیک سیستم تنها به پارامترهای خازن سوییچ شده مربوط میشود، نه به زمان تعویض مخزن خازن. دامنه هارمونیک مربوط به زمان کلید زنی خازن و ظرفیت خازن است. ظرفیت خازن سوییچ شده افزایش مییابد و فرکانس هارمونیک سیستم کاهش مییابد. حداکثر دامنه ولتاژ هارمونیک ۰٫۰۶ در هر واحد و فرکانس هارمونیک ۲۱۰ هرتز تا ۲۲۷ هرتز است.
تغییر ظرفیت سیستم، پایه مدار کوتاه و غیره، اضافه ولتاژ را تولید خواهد کرد. فرکانس هارمونیک سیستم در محدوده باند فرکانس آزمون پاسخ دیالکتریک بوشینگ (۱ هرتز ~ ۱ هرتز)قرار دارد و دامنه هارمونیک نیز بزرگ است. می توان از آن به عنوان یک منبع تحریک آزمایشی برای پاسخ دیالکتریک بوشینگ استفاده نمود. این منبع تحریک موجب پاسخ دیالکتریک بوشینگ ترانسفورماتور خواهد شد و میتواند به عنوان یک “پروب” برای انعکاس حالت عایق بوشینگ مورد استفاده قرار گیرد.