حالت های شکست اصلی برای برقگیرها

بهره برداري، نگهداري و تعميرات پست ۴۰۰ كيلوولت زنده رود به برق منطقه اي اصفهان واگذار شد
آذر ۲۶, ۱۳۹۷
بزرگترین امور برق شمال کشور تفکیک شد
آذر ۲۷, ۱۳۹۷

حالت های شکست اصلی برای برقگیرها

شکست یک برقگیر تقریباً همیشه باعث ایجاد یک اتصال کوتاه کامل در داخل محفظه می شود.

 

در اغلب موارد، خطا به علت شکست در دی الکتریکی اتفاق می افتد، به همین دلیل ساختار داخلی در نقطه ای که برقگیر نمی­تواند در برابر ولتاژ اعمال شده مانند ولتاژ معمولی سیستم و اضافه ولتاژ فرکانس توان موقت (مانند خطا در خط خارجی یا کلیدزنی) مقاومت کند ، رو به زوال می­رود.

 

دلایل گوناگونی وجود دارد که ممکن است یک برقگیر به چنین وضعیتی برسد. این مقاله، توسط متخصص قدیمی ، مایکل کامبر، در مورد حالت های معمول و رایجی است که برقگیر ها در آن دچار شکست شده­اند.

 

نفوذ رطوبتشايد شايعترين علت شکست برقگیر ناشي از ورود رطوبت به داخل آن باشد. این بدان معناست که برقگیر:   به خوبی طراحی نشده است، و یا·  به درستی تولید نشده است، و یا· توسط برخی از نیروهای خارجی آسیب دیده و منجر به ایجاد اشکال در سیستم مهر و موم کننده شده است. در حالی که علت اصلی در هر مورد ممکن است یکسان باشد، نحوه­ ی پیشرفت آن و رسیدن به نقطه­ی شکست نهایی می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد.

قطعات برقگیر فرستاده شده برای آزمایش برای ارزیابی علت شکست.در اینجا، با توجه به تماس با حیات وحش، برقگیر توسط جرقه­ ی خارجی دچار شکست شده است.

 

برای برقگیر با هسته ای توخالی که در آن فضای گاز در اطراف ستون بلوک های MOV وجود دارد (به طور معمول هوای خشک یا نیتروژن)، حتی یک نشت کوچک می تواند به علت اختلافات فشار ناشی از “پمپاژ seal” باشد. برای مثال، در طول روز، خورشید برقگیر را گرم می کند به طوری که فشار داخلی نسبت به محیط خارجی افزایش می یابد و نشت گاز به خارج از محفظه رخ می­دهد. وقتی برقگیر در شب سرد می شود، این روند به صورت معکوس، با تغییر در فشار داخلی و پایین آمدن فشار هوا (با تمام محتویات رطوبت آن) اتفاق می افتد. چنین چرخه ای می تواند در طی چند روز، ماه یا حتی سال ها تکرار شود تا رطوبت در آن به نقطه ای برسد که با کاهش یکپارچگی توانایی دی الکتریک، مشکل ساز شود.

 

در طراحی یک هسته­ ی محکم (با فضای کوچک برای نبود فضای گاز داخلی) این فرایند رخ نمی دهد. با این حال ممکن است از طریق مهر و موم نامناسب نشت گاز رخ دهد. در این حالت، رطوبت بیشتر به علت “جوشاندن”، فرایندی که در آن رطوبت به تدریج از طریق رابط های بین بلوک های MOV  و مواد در تماس با آن­ها راه خود را به داخل محفظه می یابند، وارد سیستم می­شود. شیوه ای که در آن یکپارچگی دی الکتریک به علت ورود رطوبت از بین می رود، می تواند متفاوت باشد. صرفا حضور رطوبت، در صورت تمرکز تنها در طی گاز در داخل مخزن هسته توخالی برقگیر، تاثیر قابل توجهی بر قدرت دی الکتریک ندارد. بلکه این مهم است که چگونه رطوبت با سطوح داخلی و مواد درونی تعامل می کند که ممکن است مسئله ساز شود. به عنوان مثال، اشاره شده است که شکست های مرتبط با رطوبت در برقگیر های با محفظه ی پرسلن (چینی) تمایل بیشتری برای رخ دادن در گرمای روز دارند. این امر به تراکم رطوبت انباشته شده در دیواره های داخلی پرسلن (چینی) زمانی که پس از غروب خورشید سرد می شود، مرتبط است. قدرت الکتریکی در دیواره پس از آن به طور پیوسته کاهش می یابد تا زمانی که جرقه ی داخلی انتها به انتها رخ دهد.

 

رطوبت به طور معمول بر روی بلوک های MOV یک برقگیر برقدار شده تغلیظ نمی شود، زیرا این حرارت ها به اندازه کافی گرما تولید می کنند تا درجه حرارت آن­ها کمی بالاتر از گازهای اطراف باشد. با این حال، اگر مواد مورد استفاده برای پوشش دادن بلوک های هیدروسکوپی باشد، می تواند رطوبت را جذب کند و باعث شود که خاصیت رسانایی در بعضی از بلوک ها در سطوح بیرونی خود افزایش یابد. این اساسا ولتاژ را به بلوک های دیگر منتقل می کند و منجر به رسانایی جریان های بالاتر می شود. در نهایت، پشته­ی کامل دیگر نمی تواند در برابر ولتاژ اعمال شده مقاومت کند. (توجه: از این سناریو می­توان از طریق اطمینان از اینکه تنها مواد پوششی هیدروسکوپی مانند شیشه استفاده شود اجتناب نمود.)در مورد برقگیر هایی با هسته­ی محکم و یکپارچه، رطوبت که به داخل رابط های داخلی، بخشی یا تمام برقگیر  وارد می شود، می تواند منجر به خطا و شکست دی الکتریک شود.

اضافه ولتاژ در این برقگیر که دچار شکست شده ممکن است از ولتاژ موقت یک رعد و برق

و یا کلیدزنی ناشی شده باشد، اما همچنین می تواند رطوبت عامل اصلی آن باشد.

هنگامی که اتصال کوتاه داخلی رخ دهد، جریان خطا فشار داخلی را به اندازه­ای که محفظه­ی چینی را شکست دهد، رسانده است.

شکست همچنین می تواند از نتیجه­ی جریان بیشتر از نرخ تعیین شده برای واحد باشد.

 

اضافه ولتاژ موقت (TOV)تحت شرایط عادی کارکرد، که نشان دهنده برقدار بودن برقگیر در حداکثر ولتاژ کارکرد مداوم خود، Uc است، دمای بلوک MOV فقط تا کمی بالاتر از محیط افزایش می یابد. سپس نقطه ای به دست می آید که در آن گرمای افزایشی در تعادل با گرمایی قرار می گیرد که برقگیر به هوای اطراف تخلیه می کند. این نشان دهنده حالت کار پایدار حرارتی برقگیر است که توسط نقطه سبز در منحنی ۱ شکل ۱ نشان داده شده است. در اینجا منحنی های آبی نشان دهنده تلفات توان بلوک های MOV به عنوان تابعی از درجه حرارت بلوک است و خط تیره گرمایی را نشان می دهد که می تواند در مونتاژ برقگیر تخلیه شود، همچنین به عنوان یک تابع از دمای بلوک است. اگر ولتاژ فرکانس توان در برقگیر افزایش یابد (مثلا به علت اختلال در سیستم، خطا یا کلیدزنی)، بلوک های MOV جریان بیشتری را هدایت می­کند و شروع به گرم شدن می کنند. تا زمانی که اضافه ولتاژ زیر محدودیت های بحرانی باشد، نقطه عملیاتی جدید پایدار، حتی در یک دمای کارکرد MOV بالاتر، همانطور که توسط نقطه سبز رنگ در منحنی ۲ نشان داده می شود، بدست خواهد آمد. با این حال، اگر اضافه ولتاژ دارای دامنه­ای کافی باشد، گرمای تولید شده توسط بلوک ها بیش از توان تخلیه­ی واحد باقی می­ماند. پس از آن یک وضعیت بالقوه غیر ثابت حرارتی رخ خواهد داد، همانطور که در منحنی ۳ نشان داده شده است.

منحنی های پاسخ حرارتی برای ولتاژ های مختلف اعمال شده.

 

اگر ولتاژ به حالت نرمال (یعنی MCOV) قبل از رسیدن به دمای بحرانی رسیده باشد، برقگیر از نظر حرارتی پایدار باقی خواهد ماند و در نهایت تا شرایط اولیه خود خنک خواهد شد، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. در اینجا منحنی A شرایطی را برای ولتاژ عملکرد عادی نشان می دهد (به عنوان مثال MCOV) و منحنی B شرایطی برای ولتاژ بالا است که می تواند به طور بالقوه منجر به ناپایداری حرارتی شود – حتی اگر از انجام آن اجتناب شود زیرا ولتاژ قبل از رسیدن دمای بحرانی به حالت عادی بر می گردد. از سوی دیگر، اگر اضافه ولتاژ بر فراز نقطه ای که در آن دما به دمای بحرانی بلوکMOV رسیده است، افزایش دمای بلوک ها ادامه یابد، حتی اگر ولتاژ به MCOV برسد، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است. در چنین مواردی (یعنی ناپایداری حرارتی)، بلوک ها در نهایت تبدیل به هادی می شوند تا جایی که دیگر نمیتوانند حتی MCOV را پشتیبانی کنند و اتصال کوتاه می شوند که منجر به شکست و خرابی برقگیر می شود.

ناپایداری حرارتی بالقوه به دلیل TOV اجتناب شده.TOV زود تر از زمان برای جلوگیری از ناپایداری حرارتی بالقوه خارج نمی شود.

 

پیری بلوک های MOVدر اوایل دوران برقگیر های اکسید فلزی در اواسط تا اواخر دهه ۱۹۷۰، بلوک های MOV از همه تولیدکنندگان درجه­هایی از پیری نمایش داده می شد، به طوری که از بین رفتن توان آن ها در هر ولتاژ مشخص، به آرامی، اما به طور مداوم، در طول زمان افزایش یافت. نتیجه­­ی تاثیر عملکرد برقگیر شبیه آنچه که برای TOV توصیف شده است، – یعنی پس از مدتی در سرویس، توان (گرما) تولید شده توسط بلوک ها اساسا مشابه آنچه که در نتیجه یک TOV رخ می دهد زمانی که بلوک جدید بود، می باشد. با گذشت زمان، گرما تولید شده برابر است با یک TOV بالاتر در بلوک ها و در شرایط جدیدشان. در نهایت، گرمای تولید شده به نقطه ای رسید که هیچ عملیات پایداری را نمی توان حفظ کرد، همانطور که منحنی ۳ در شکل ۱ نشان داده شده است. بلوک ها پس از آن ناپایداری حرارتی را تجربه می کنند، همانطور که TOV  در شرایط جدید به اندازه کافی بالا و پایدار می باشند. این مشخصه پیری بلوک ها به زودی شناخته شد و در استاندارد ANSI / IEEE و همچنین استانداردهای آزمایش IEC با استفاده از تست های پیری تسریع شده مورد توجه قرار گرفت. در این آزمایش، بلوک های نمونه به مدت ۱۰۰۰ ساعت تحت فشار MCOV قرار گرفتند و دمای بلوک در دمای ۱۱۵ درجه سانتیگراد نگهداری و در نظر گرفته شد که این معادل ۴۰ سال سرویس دهی در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد بود. اگر در پایان ۱۰۰۰ ساعت، میزان تخلیه توان بالاتر از شروع آزمایش بود، پارامترها برای تست ها باید برای این افزایش تنظیم شود. واضح است که برقگیر هایی که آزمایشات را با موفقیت به پایان می رسانند، حداقل ۴۰ سال خدمات دهی خوب (البته در شرایط مشخصات) خواهد داشت. با پیشرفت های عمده ی بعدی در تکنولوژی در حال پردازش، بلوک های MOV این روزها مشخصه ای را نشان می دهند که با توجه به آن، در طول ولتاژ داده شده، میزان تخلیه­ی توان واقعا کاهش می یابد. این بدان معنی است که آنها در طول خدمت رسانی به جای کم شدن، پایداری حرارتی آن افزایش می یابد و بعید است به علت پیر شدن، برقگیر دچار شکست شود.

 

ناپایداری حرارتی از وظیفه­­ی صاعقه وظیفه­ی صاعقه اشاره شده در اینجا این است که صاعقه، کلیدزنی خطوط طولانی و یا بانک های خازنی، موجب افزایش شدید جریان می شود. بعضی از این ها ممکن است دامنه های بسیار زیادی داشته باشند، اما نسبتا کوتاه مدت هستند (به عنوان مثال موج های رعد و برق)، در حالی که سایر آن ها دارای مدت زمانی بیشتر هستند اما دامنه­ی آن­ها به طور قابل ملاحظه ای کمتر می باشد (مثلا کلیدزنی). با این وجود، تمامی دارای محتوای بار ، زمانی که از طریق یک برقگیر عبور می کند، مقدار مشخصی از جذب شدن انرژی توسط بلوک ها را سبب می شود. این انرژی جذب شده باعث گرم شدن فوری آدیاباتیک  می شود. بلوک های MOV به طور خاص ظرفیت گرمایی خاصی در حدود ۳٫۳ J / cm3 / ° C دارند، به این معنی که آن ها افزایش دما را در حدود ۱۰ درجه سانتیگراد برای هر ۳۳ J / cm3 انرژی حفظ می کنند (فرض کنید این انرژی به سرعت وارد شود). اگر ورودی انرژی بیش از حد باشد، افزایش دمای بلوک ها ممکن است به گونه ای باشد که برقگیر به یک حالت ناپایداری حرارتی تحت فشار قرار برسد. به عنوان مثال، با برقگیر که با توجه به منحنی ۱ در شکل ۱ عمل می کند، دمای عملیاتی پایدار آن است که با نقطه سبز رنگ نشان داده شده است. اگر دمای بلوک ها به سرعت (به دلیل جذب انرژی) افزایش یابد، به طوری که آن را بالاتر از نقطۀ سیاه در همان منحنی نشان می دهد، پس از آن، برقگیر دگر از این رویداد بهبود نخواهد یافت و به ناپایداری حرارتی می رسد، همانطور که قبلاً برای وضعیت TOV طولانی مدت گفته شد.

 

آسیب به بلوک MOV از وظیفه­ی صاعقهیکی از نمایشات، انرژی جذب شده توسط بلوک های MOV افزایش دما، همانطور که در بالا توضیح داده شد، می باشد. با این حال، اگر انرژی در مقیاس کافی باشد و در مدت زمان نسبتا کوتاه سپرده شود، بلوک ها می توانند به طور برگشت ناپذیری آسیب ببینند. به عنوان مثال، شوک حرارتی مکانیکی باعث می شود که آن ها به دو یا چند قطعه تقسیم شوند. در موارد دیگر، بلوک های واریستوری می توانند در مناطق محلی، به طور جزئی و یا به طور کلی از طریق بدنه سوراخ شوند. در موارد دیگر، یک نوع خراب شدن از نوع سوراخ کوچک در لبه بلوک رخ می دهد که احتمالا باعث می شود که مواد از سطح خارجی آن خارج شوند. به طور معمول، هر یک از این نوع آسیب ها با تخریب یکپارچه­ی الکتریکی بلوک همراه است، که نشان دهنده عدم توانایی آن برای حفظ یک حادثه­ی مرتبط با انرژی دیگر بدون شکست الکتریکی یا کاهش ظرفیت آن برای حمایت از ولتاژ عملیاتی معمول است. هر دوی این موارد می تواند زود یا دیر منجر به شکست کامل برقگیر شود.

 

منببع: INMR  September 9, 2018

 

دیدگاهتان را بنویسید

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