پایان نامه آشنایی با تخلیه جزیی و آشکار سازی pd و مکان یابی آن در سه ویژگی

چکیده:

تخلیه جزیی[1] نوعی تخلیه الکتریکی ناقص است که بخاطر افزایش شدت میدان الکتریکی فراتر از میزان تحمیلی عایقی در یک ناحیه محدود از ساختار عایقی و به دلیل وجود ناخالصی یا عدم یکنواختی عایق صورت می پذیرد. در وسایل و ادوات فشار قوی ترانسفورماتورهای قدرت، وقوع این پدیده باعث کم شدن عمر عایقی ترانش و در نهایت شکست الکتریکی در تجهیز می گردد. آنچه ذکر شد بخشی از پاسخ به این سوال است که چرا آشکار سازی تخلیه جزیی[2] را در سیستم های قدرت انجام می دهیم.

در واقع این امر برای مانیتورینگ میزان سلامتی تجهیز انجام می شود و اگر این پدیده آشکار سازی نشود و در پی آن رفع مشکل صورت نپذیرد، در نتیجه دامنه و فرکانس PD تا جایی افزایش پیدا کند که در نهایت منجر به خرابی در ترانس قدرت می شود. در برخی مواقع شدت این خرابی تا حدی است که باعث وارد شدن آسیب به تجهیزات خارجی، آتش گرفتن و یا کم شدن بازدهی آن و همچنین قطع بی برنامه و طولانی مدت برق و انتقال توان در شبکه قدرت می شود.

 قابلیت آشکار سازی PD به صورت آنلاین یکی از نیازهای ضروری هر کمپانی است که از ترانس قدرت استفاده می نماید تا در مرحله نخست سلامتی و ایمنی پرسنل خود را ارتفاع بخشد و در مراحل بعدی نیز استفاده می نماید تا در مورد کاهش تلفات توان و سرویس دهی بهتر قدم برداشته باشد.

پدید PD در انواع سیگنال های فیزیکی قابل مشاهدات و شامل پاس های الکتریکی و آکوستیکی می شود. این پدیده معمولا توسط مجموعه ایی از تکنیک های اندازه گیری خارجی آشکار سازی می شود. این تکنیک ها شامل استفاده از سوق دهی الکتریکی و مبدل پیزو الکتریک (PZT) بر مبنای آشکار سازی آکوستیکی می باشند. بسیاری از سیستم های مدرن در حال حاضر ترکیبی از دو آشکار سازی رایج را استفاده می کنند چرا که آشکار سازی الکتریکی روش قدیمی و تکنولوژی تثبیت شده را دارا بوده و همچنین آشکار سازی آکوستیکی مزیت نصب سنسور در خارج از مخزن ترانس را دارا می باشد. این روش بدون اینکه مشکلی را برای ترانس ایجاد کند می تواند آشکار سازی تخلیه جزیی را انجام دهد.

البته اگر بتوان سنسورهای آکوستیکی را در داخل ترانس نصب نمود نه تنها مزیت آشکار سازی بهتری را بخاطر افزایش دامنه سیگنال آکوستیک خواهیم داشت بلکه مزیت عدم تداخل و حذف مسیرهای چند گانه پیش روی سیگنال آکوستیک را نیز بدان اضافه خواهیم نمود. در این صورت مکان یابی PD نیز در زمان کوتاه تر و با دقت بیشتری همراه خواهد بود.

در این پایان نامه سنسور نیز آکوستیک نوری را معرفی می کنیم که می تواند منشاء PD را با قابلیت قرار گیری در داخل مخزن ترانس آشکار سازی می نماید. این سنسور ویژه می تواند ناملایمات محیطی داخل ترانس را بدون ایجاد و خدشه در عملکرد خود تحمل نموده و به صورت آنلاین در ترانس وظیفه دریافت سیگنال آکوستیک را انجام دهند همچنین این پایان نامه به معرفی آزمایشات و عملیاتی که به جهت معتبر سازی سیستم آشکار سازی و مکان یابی PD توسط سنسورهای فیبر نوری می پردازد. البته لازم بذکر است که آزمایشات عمل تصویر شده در این رساله از مرجع [7] فصل اول برداشته شده است.

مهمتر از همه در این رساله به معرفی سیستم مکان یابی PD با در نظر گیری و ملاحظات تاخیر زمانی دریافت سیگنال آکوستیک (TDOA) می پردازیم. این سیستم که توسط سنسورهای آکوستیک فیبر نوری مورد آزمایش تجربی قرار گرفته شده قادر به شناسایی مکان PD و مانیتور آن در فضای سه بعدی با دقت اندازه گیری  را در راستای هر محور می باشد.

مقدمه:

تخلیه جزئی چیست؟ در ابتدا اجازه دهید از تعریفی که استاندارد بین المللی[3]  در این رابطه ارائه کرده استفاده کنیم: تخلیه جزیی[4] (PD)، یک نوع تخلیه الکتریکی متمرکز شده ایی است که فقط پل های الکتریکی جزئی را در میان الکترودهای رسانا به وجود می آورد و ممکن است مجاور های باشد و یا نباشد.

در ادامه تعریف تخلیه جزیی قصه داریم تعریفی را که دکتر حسین محسنی استاد بر جسته دانشگاه تهران [2] ارائه نموده اند را معرفی کنیم، تعریف ایشان بدین شرح می باشد:

در موارد ی ممکن است شدت میدان الکتریکی در همه طول بین آندوکاتریک اندازه نباشد. یعنی ممکن است آندیاکاتد و یا نقطه ایی بین آنها، شدت میدان زیاد باشد و شرایط تخلیه در آن قسمت ها به وجود بیاید ولی در سایر قسمت ها به دلیل کمی شدت میدان الکتریکی شرایط لازم برای تخلیه کامل موجود نباشد. در این حالت تخلیه در قسمتی یا جزیی از طول عایق انجام می شود و شکست کامل عایق انجام نمی گیرد، به این نوع تخلیه، تخلیه جزیی یا کرونا می گویند.

در نهایت تعریف سوم که تعریف آفرنیز می باشد  از دکترهای حسینی استاد راهنمای نگارنده نقل قول می گردد:

تخلیه جزیی نوعی تخلیه الکتریکی ناقص است که بخاطر افزایش شدت میدان الکتریکی فراتر از میزان تحملی عایق در یک ناحیه محدود از ساختار عایقی و بدلیل وجود ناخالصی و یا عدم یکنواختی عایق صورت می پذیرد.

هر سه تعریفی که در بالا ارائه شد همگی در کل در بر گیرنده نکاتی هستند که به تشریح آنها می پردازیم.

نکته اول: تخلیه جزئی عموماً نتیجه تمرکز تنش الکتریکی در یک نقطه خاص از عایق، در داخل و یا روی سطح آن است. معمولا چنین تخلیه هایی به شکل پالس هایی در طول بازه زمانی کمتر از یک میکرو ثانیه ظاهر می شوند. در اکثر مواقع شکل تخلیه موجود  در دی الکتریک های گازی با اصطلاح به صورت تخلیه های بدون پالسی صورت می پذیرد. این نوع تخلیه به صورت معمولی، با روش های اندازه گیری معرفی شده در استاندارد IEC آشکار سازی نمی شود.

نکته دوم: کرونا شکلی از تخلیه جزئی است که در محیط های گازی پیرامون ها دیها اتفاق می افتد و در وقوع آنها در محیط های عایقی جامد و مایع بعید می باشد. پدیده کرونا را نبایستی بعنوان واژه عمومی برای این نوع تخلیه مورد استفاده قرار داد. برای توضیح بیشتر لازم است که تعریفی از این نوع پدیده داشته باشیم:

تخلیه های جزئی (PDS) ، تخلیه های الکتریکی متمرکز شده در داخل هر نوع سیستم عایق هستند که در هر تجهیز و یا دستگاه الکتریکی این پدیده رخ می دهد در کل PD ها در قسمتی از مواد دی الکتریک مورد استفاده در تجهیز محدود می شوند و فقط پل های رسانای جزیی از جریان را در بین الکترودهایی که ولتاژ به آنها اعمال شده را تشکیل می دهند. با این حال عایق می تواند شامل مواد جامد، مایع یا مواد گازی و یا ترکیبی از آنها باشد. واژه تخلیه جزئی شامل گروه گسترده ایی از پدیده های تخلیه می باشد:

1 ) تخلیه های الکتریکی داخلی در حباب های و یا حفره های بین دی الکتریک های جامد و یا مایع؛

2 ) تخلیه سطحی ظاهر شده در مرزهای مواد عایقی مختلف؛

3 ) تخلیه های از نوع کرونا که در دی الکتریک های گازی و در حضور میدانهای ناهمگن اتفاق می افتد.

4 ) بر خورد پیوسته تخلیه های موجود در دی الکتریک های جامد که کانالهای تخلیه را به وجود می آورند.

(پدیده درختی شدن، پدیده ترنیگ یا واتر ترینگ)

اهمیت تخلیه جزئی بخاطر تشخیص میزان عمر عایق و میزان سلامتی عایق است.

هر نوع حادثه تخلیه باعث تغییر شکل شیمیایی در مواد به وسیله برخورد انرژی دار یون های شتاب دار و یا الکترونهای با انرژی بالا می گردد. بسیاری از انواع تخلیه ها که در بالا به آنها اشاره شد در یک بازه زمانی محدود وابستگی شدید به نوع ولتاژ اعمالی و دامنه ولتاژ اعمالی دارند. همچنین بدیهی است که فرسایش عایقی به مواد مورد استفاده کیفیت تولید آن نیز وابسته است. تخلیه های از نوع کرونا در هوا هیچ دخالتی روی عمر متوسط خطوط هوای ندارند، اما PD ها  در عمر عایقی دی الکتریک های از نوع ترموپلاستیک[5] مثل PE تاثیر گذار هستند و می توانند باعث شکست عایقی در کمتر از چند روز بر روی عایق گردند. از این رو هدف نهایی بسیاری از تحقیقات بر روی تخلیه جزئی به عمر عایقی مواد مشخصی معطوف می گردد.

عموماً آشکار سازی و اندازه گیری تخلیه جزیی بر مبنای میزان تبادل انرژی در طول وقوع حادثه تخلیه جزئی می باشد که در زیر به تشریح آن می پردازیم:

1 ) جریان پالس های الکتریکی (بجزء چند استثناء مثل تخلیه های تابشی)

2 ) تلفات دی الکتریک؛

3 ) تابشی (نور)؛

4 ) گسیل سیگنال های آکوستیک (صوت)؛

5 ) افزایش فشار و نوع گاز؛

6 ) فعالیت های شیمیایی؛

[1]  . partial discharge (PD)

[2]  . partial discharge detection.

[3]  . International Electro technical commission.

[4]  . Partial discharge.

[5]  . ارتجاع پذیر به هنگام حضور در مقابل حرارت