تاثیر فرآیند فرسودگی حرارتی بر پاسخ دی الکتریک بوشینگ ها با عایق RIP و RBP

راه اندازی اپلیکیشن خدمات غیر حضوری در توزیع برق استان تهران
آذر ۱۳, ۱۳۹۷
افزایش ۱۰ درصدی به مشترکین صنعتی یزد
آذر ۱۳, ۱۳۹۷

تاثیر فرآیند فرسودگی حرارتی بر پاسخ دی الکتریک بوشینگ ها با عایق RIP و RBP

چکیده– این مقاله پاسخ دی الکتریک عایق کاری بوشینگ و همچنین  شبیه سازی تاثیر فرآیند فرسودگی که در بلند مدت اتفاق می افتد را شرح می دهد. این آزمایش در شرایطی انجام شده است که در آن اختلاف حرارتی بالایی بین مدار جریان و کاور وجود داشته است. پاسخ دی الکتریک با روش SVM اندازه گرفته می شود. این پژوهش رابطه بین مدت فرسودگی و اثر آن  را نشان داده و چند پارامتر بدست آمده از تحلیل SVM را مورد بررسی قرار می دهد. اندازه گیری بوشینگ پس از چند سال کار عملیاتی انجام شده و مشاهده شد که با گذشت زمان ضریب K افزایش می یابد.

کلیدواژه ها:   SVM ، عیب یابی، فرسایش حرارتی

  1. مقدمه

عایق کاری بوشینگ ها در معرض فرآیندهای فرسودگی قرار می گیرند که انرژی جنبشی در آنها به شرایط کاری و زمانی بستگی دارد. بنابراین طولانی شدن مدت کار و همچنین فاکتورهای دیگر منجر به افزایش احتمال خطر و خرابی می شود.

مطالعات نشان داده اند که ۱۸ تا ۴۰ درصد خرابی های سنگین مبدل های قدرتی به دلیل خرابی بوشینگ رخ می دهند.  همچنین مشاهده شده است که افزایش در نرخ خرابی بوشینگ های جدید باعث
خرابی هایی در حوزه فناوری و مونتاژ شده است.

دلایل اصلی خرابی بوشینگ ها عبارتند از :

  • صدمه جدی در عایق کاری
  • صدمه محفظه
  • Test tap خراب یا صدمه دیده
  • باز شدن کاور بیرونی

از طرف دیگر ، ایجاد و گسترش خرابی در عایق اصلی عمدتا ناشی از فاکتورهایی است که عبارتند از:

  • تاثیر رطوبت و افزایش سریع دمای داخلی و خارجی
  • فرآیندهای فرسایش شیمیایی و حرارتی که در حین کار عملیاتی ( کار با دستگاه) رخ می دهند.
  • تنش ترمو مکانیکی پس از تولید
  • خرابی تکنولوژی در فرآیند تولید عایق کامپوزیت ( هسته)
  • اثر حباب ناشی از افزایش مهاجرت طولی رطوبت.

در نتیجه باید به اثرات موارد زیر در ساختار هسته توجه کرد:

  • لایه لایه شدن لایه های خاص کامپوزیتی و ایجاد حفره های گازی
  • بوجود آمدن ذره یونی در کربن ، مخصوصا بر روی مرز صفحه کنترل.
  • ایجاد تخلیه نسبی در درون هسته و روی سطح

معمولا چندین سال طول می کشد تا تجزیه عایق بوشینگ رخ بدهد. در حالت پیشرفته، مکانیک حرکت این فرآیند خیلی سریع تر از فاز اولیه ( شروع) است. نتایج تحقیق پژوهشگران اثبات می کنند که این اتفاق در دو تابستان پی در پی در دماهای بالا رخ داده و به تبدیل شدن فرسایش اولیه به حالت پیشرفته کمک کرده است که این مسئله عایق را در خطر جدی قرار می دهد.

داده های پژوهش سوالاتی را بوجود می آورد مانند آیا روش های عیب یابی امروزی در تشخیص وضعیت فنی بوشینگ ها دقیق هستند یا خیر. زمان بین آزمایشات در روش های قبلی با مکانیک حرکت رشد خرابی منطبق نبوده و روش های استاندارد ( اندازه گیری tg50Hz، C1- ظرفیت بین پیش جریان و نوار اندازه گیری،  C2- ظرفیت بین نوار اندازه گیری و فلنج) تنها قادرند تا در روزهای پایانی عمر عایق ، زمانی که فرآیندهای فرسایشی خیلی پیشرفت کرده اند، خطرات را شناسایی کنند. در همچین شرایطی جایگزین کردن بوشینگ ها خیلی دیر می باشد. پس لازم است تا روش های عیب یابی جدیدی طراحی شود تا بتوان رشد خرابی را در همان مراحل ابتدایی تشخیص داد، مخصوصا در لایه های اولیه عایق که به میله جریان نزدیک است. این چند لایه در برابر تاثیر فرآیندهای فرسایشی از آسیب پذیرترین لایه ها به شمار می روند.

پژوهشگران معتقدند که برای رسیدن به این مهم امکان اندازه گیری و تحلیل پاسخ دی الکتریک عایق بوشینگ ها با استفاده از روش SVM ( مقیاس ولتاژ پله) وجود دارد. از این روش در ارزیابی دستگاههای برقی فشار قوی زیاد استفاده می شود.

شکل۱٫ نمودار روش SVM

که در آن Un ولتاژ نامی ، iNM جریان محاسبه شده در زمان N ، I NC جریان محاسبه شده در زمان N و U ولتاژ اندازه گیری می باشد.

روش SVM متشکل از اندازه گیری جریان نشتی همراه با افزایش ولتاژ پله ( شکل ۱ ) می باشد. مسئله اصلی این است که پاسخ دی الکتریک سیستم عایقر کاری در شرایط خوب به میزان ولتاژ ورودی بستگی ندارد. هر چند زمانی که عایق خراب و یا فرسوده باشد ، فرآیندهای پولاریزاسیون و
هدایت پذیری با افزایش ولتاژ ورودی غیرخطی خواهند بود. با فرض اینکه پاسخ دی الکتریک عایق
ایده آل به ولتاژ اعمالی بستگی نداشته و ثابت های زمانی جریان نشتی یک مرحله برابر هستند، مقادیر جریان های iNC را می توان از معادله ۱ به صورت زیر محاسبه کرد:

۱

که در آن iNM جریان  نشتی اندازه گرفته شده و iNC جریان نشتی محاسبه شده می باشد.

پاسخ دی الکتریک یک وسیله قدیمی در مقایسه با مورد خطی محاسبه شده نتایج متفاوتی نشان می دهد. مزیت این روش ، روند کاری ساده و سریع ، راحتی در تفسیر و استفاده از منبع تغذیه ساده DC با ولتاژ خروجی ۱۰- ۱۵ kV می باشد. به علاوه استفاده از فیدر DC باعث توزیع بیشتر میدان الکتریکی در هسته بوشینگی که لایه لایه عایق بندی شده است می شود که این میزان از زمانی که از منبع تغذیه ۵۰ Hz استفاده می شود، بیشتر است. ( شکل ۲). این نشان می دهد که تنش های الکتریکی بیشتر در چند لایه اولی که در اطراف مسیر جریان وجود دارند ایجاد می شود که نسبت به ایجاد خرابی ها و فرآیند های فرسایشی بسیار آسیب پذیر هستند.

شکل۲٫ توزیع شدت میدان الکتریکی با افزایش شعاعی ضخامت عایق در یک بوشینگ کندانسور

از مقدار Ka که به عنوان ضریب جذیب درنظرگرفته می شود، برای بررسی وضعیت عایق استفاده
می شود. این ضریب را می توان به صورت معادله ۲ نشان داد:

۲

که در آن i30M جریان اندازه گرفته شده پس از ۳۰ دقیقه، i30C جریان محاسبه شده در ۳۰ دقیقه هستند.

در حالت عایق رزین گرماسخت اپوکسی ، معیار قضاوت در مورد ضریب جذب Ka به صورت زیر است:

  • K<2 : عایق در وضعیت خوبی است
  • K = 2/4 : علایم ایجاد فرسودگی در عایق
  • K = 4 /7 : عایق قادر به ادامه کار نمی باشد.

هسته بوشینگ در فناوری های RBP, RIP و RIS نیز متشکل از رزین گرماسخت می باشد. شکل آنها شبیه به دستگاههای فشار قوی می باشد. بنابراین در این مقاله فرض می شود که مقادیر ضریب Ka مشابه هستند.

  1. شی مورد تست و روش پژوهش

دو بوشینگ ترانسفورمر RIP نوع Micafil CTKF 145 KV  و RBP نوع Haefely CRPT 52 KV دستگاههایی هستند که پس از ۱۰ سال کار تست شدند ( شکل ۳). برای شبیه سازی بدترین شرایط در حین عملیات، در درون بوشینگ ها منبع های حرارتی نصب شد. دمای درون مسیر جریان
T = 130 C که بیشتر مواقع در تابستان با tg 50Hz= 0.7, 1  رخ می دهد ، بود.

شکل۳٫ تنظیمات آزمایشگاهی در الف) بوشینگ CRTP و ب) بوشینگ CTKF

تست های SVM بلا فاصله پس از جداسازی بوشینگ پس از ۱۴۰، ۳۴۰ و ۷۴۰ ساعت فرسودگی انجام شدند. از ابزار MI 3200 Metrel Theraohm  استفاده شد و در عین حال مقادیر ولتاژ مورد استفاده برای مقیاس ها به صورت ۲۰۰۰ V, 4000 V, 6000V, 8000V و  ۱۰۰۰۰V به ترتیب برای بازه های زمانی ۱۰, ۵, ۵ , ۵  و ۵  دقیقه بودند. زمان تست ترکیبی ۳۰ دقیقه بوده و پس از اتمام آن ضریب Kaمحاسبه شد.

نتایج پژوهش

شکل ۴ تاثیرات فرسودگی حرارتی را بر حسب اندازه گیری های SVM نشان می دهد که برای بوشینگ نوع CRTP 52 KV با عایق RBP می باشد. پس از ۱۰ سال کار عملیاتی ، مقدار ضریب جذب k = 1.37 بوده که بدون درنظر گرفتن فرآیندهای فرسودگی ، مقدار خوبی تلقی می شود. پس از گذشت ۳۴۰ ساعت و ۷۴۰ ساعت از فرسودگی ، جریان نشتی در ولتاژهای ۸ و ۱۰ Kv ، افزایش قابل توجهی پیدا می کند. در نتیجه مقادیر محاسبه شده برای ضریب جذب به ترتیب عبارتند از K= 3.79 و K= 4.9 که می توانند نشان دهنده فرآیند فرسودگی عایق ها در نتیجه تجزیه حرارتی باشند.

شکل ۴٫ تست SVM روی عایق بوشینگ ۵۲Kv پس از  ۱۰ سال کار عملیاتی الف) پس از ۳۴۰ ساعت فرسودگی و ب) پس از ۷۴۰ ساعت فرسودگی

از طرف دیگر، در عایق بوشینگ RIP مدل CTKF نتایج مختلفی بدست آمده است. مشاهده شده است که در طی فرسودگی حرارتی بیش از حد ۷۴۰ ساعته، مقدار هر  voltage step  ( ولتاژ پله)  جریان نشتی کاهش می یابد.

پژوهشگران معتقدند که این مسئله به علت فرآیند گفته شده و آرامش فیزیکی کامپوزیتی می باشد که قبلا با اندازه گیری پاسخ دی الکتریک در دامنه فرکانسی نیز تایید شده است.

همزمان، مشاهده شد که ضریب جذب از k=1.03  به k=1.5  افزایش جزئی داشته که نشان می دهد فرسودگی قابل توجهی در ساختار کامپوزیتی رخ نداده است.

شکل ۵٫ تست SVM روی عایق بوشینگ الف) ۱۰ سال کار و ب) پس از ۷۴۰ ساعت از فرسودگی

آزمایشات انجام شده در شرایط آزمایشگاهی نشان می دهند که استفاده از این روش تنها تفاوت اندکی با روش استاندارد SVM دارد که در آن وابستگی بین ضریب جذب Ka و میزان پوشش حرارتی عایق RIP و RBP دارد.

این وابستگی در نمونه های منتخب بوشینگ های عایق RIP مدل ۲۴۵ Kv با شماره سریال بوشینگ ۷۵ D 76تایید شده است.

شکل ۶ نتایج آزمایشگاهی تست SVM بوشینگ عایق RIP مدل CTF 245Kv با شماره سریال ۷۵ D 76 با عایق RIP را نشان می دهد که حدود ۳۰ سال از کارکرد آن می گذرد. ضریب جذب مشاهده شده
k= 8.86 بوده که عایق را در دسته فرسوده و خراب قرار می دهد. این عیب یابی با اندازه گیری فاکتور دی الکتریک تایید شده است که در tan 50 Hz = 1.8% اندازه گیری شده و به صورت قابل توجهی از مقدار مجاز برای این دسته از بوشینگ ها بیشتر است.

همین طور، شکل ۷ نتایج تست SVM را نشان می دهد که بر روی CTF  نوع  Micafi  با شماره
سریال های ۷۳ D 56979 , 73D56980, 73D56981 انجام شده است که پس از ۵ سال کار از محل کار جدا شده اند. ضریب جذب Ka بوشینگ با شماره سریالهای ۷۳D56979  و  ۷۳D56981( به ترتیب ۴,۱۷ و  ۶,۸ ) از میزان درجه فرسودگی بالا برخوردارند. در مقابل، بوشینگ با شماره سریال ۷۳D56980 علائمی از ابتدای فرآیند تخریب عایق را نشان می دهد.

شکل۶٫ نتیجه تست SVM روی بوشینگ CTF 245 KV  با شماره سریال ۷۵ D76

شکل۷٫ نتیجه تست SVM بر روی بوشینگ CTF 245 پس از ۲۵ سال کار

این نتایج همراستا با تست های پاسخ فرکانس دی الکتریک می باشند. در بوشینگ با شماره سریال ۷۳D56980 ، که در آن ضریب جذب Ka=2.34 قابل قبول است ، فرآیند آرامش واضحی که معمولا در نجزیه و تخریب پیشرفته عایق رخ می دهد ، مشاهده نشده است.

از طرف دیگر، برای بوشینگ ها با شماره سریال ۷۳D56979 و ۷۳D56981 ، پاسخ دی الکتریک در نتیجه تجزیه حرارتی رزین یا کاغذ معمولی بود. این داده ها شرایط بد عایق هسته را نشان می دهند که منجر به از کار افتادگی فوری آن شد.

شکل۸٫ تاثیر مدت فرسودگی بر مقدار ضریب جذب Ka محاسبه شده برای بوشینگ های مختلفبا عایق RBP و RIP

شکل ۸ مقادیر ضریب K بوشینگ های مختلف را نشان می دهد که به مدت فرسایش بستگی دارد. این فرض وجود دارد در مواردی که بین ۲۰ تا ۳۰ سال از کارکرد بوشینگ ها می گذرد، سالانه حدود ۱۲ روز وجود داشته که در آن دمای مطلوب  حدود ۲۸- ۳۵ C بوده است که منجر به افزایش دمای کاور ( پوشش) porcelain  تا ۵۰- ۶۰ C می شود.

با در نظرگرفتن مدل حرارتی بوشینگ ها، این مسئله نشان می دهد که nv tg50Hz ~ 0.6, 0.8% جریان اطراف عایق از دمای ۱۰۰ C بیشتر می شود. ممکن است این شرایط منجر به خراب شدن کاغذ و بعضی از رزین های دیگر( مثل فنول – فرمالدهید) در کامپوزیت های RIP و RBP  شود.

به علاوه این فرض در نظرگرفته شده است که مدت زمان همچین عایق کاری تقریبا حدود ۴-۵ ساعت خواهد بود. با فرض این شرایط، مدت زمانی که در آن فرآیندهای فرسودگی با سرعت بیشتری رخ
می دهند  مورد بررسی قرار گرفته می شود.

شکل ۸ این وابستگی ها را نشان می دهد که گواه مشاهدات آزمایشگاهی برای بوشینگ هایی که به مدت زمان زیادی در حال کردن هستند، می باشد.

بدون درنظرگرفتن نوع بوشینگ و نوع کامپوزیت،ضریب K در این عایق که در معرض فرآیندهای فرسودگی طولانی مدت قرار گرفته است،زیاد است.

  1. نتیجه گیری

در بوشینگ هایی که عایق انها جامد است اغلب این شرایط بوجود می آید : افزایش حرارت در مدت زمان کوتاه باعث رشد مشخصه های FDS می شود.این تاثیر مشهود در نتیجه تکمیل شدن سخت کاری همراه با لمینت رزین می باشد.

فرسودگی حرارتی منجر به افزایش هدایت پذیری که آن را می توان هم در روش SVM و هم در روش FDS مشاهده کرد.

تحلیل SVM ، علی رقم اینکه اندازه گیری جریانی که در ولتاژهای خیلی پایین تر استفاده می شود را معیار قرار می دهد، ولی می تواند ابزار موثری در عیب یابی عایق ها باشد.

با افزایش خرابی عایق ، فرآیند آرامش بیشتر طول می کشد. هر چند این اثر در مراحل اولیه از فرسودگی بسیار کوچک می باشد.

منبع: ۲۰۱۸ European Union

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *