آزمون پاسخ فرکانسی دی‌الکتریک (FDS) در ترانسفورماتورهای قدرت

مقدمه:

ترانسفورماتورهای قدرت، به عنوان اجزای حیاتی در سامانه‌های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، نقش بنیادینی در پایداری و بهره‌برداری بهینه از شبکه‌های قدرت ایفا می‌نمایند. هرگونه نقص یا تخریب در این تجهیزات، می‌تواند منجر به پیامدهای اقتصادی سنگین، قطعی‌های گسترده و حتی حوادث جانی گردد. لذا، پایش مستمر وضعیت سلامت ترانسفورماتورها و تشخیص زودهنگام عیوب، از اهمیتی فوق‌العاده برخوردار است. در میان روش‌های متنوع آزمون و ارزیابی ترانسفورماتورها، “آزمون پاسخ فرکانسی دی‌الکتریک” (Frequency Domain Spectroscopy – FDS)، به عنوان یک تکنیک غیرمخرب و پیشرفته، در دهه‌های اخیر مورد توجه فزاینده‌ای قرار گرفته است. این مقاله به تبیین جامع اصول عملکرد، مزایا، کاربردها و روش تفسیر نتایج تست FDS ترانسفورماتور قدرت می‌پردازد.

اهمیت آزمون FDS: چالش سیستم عایقی در ترانسفورماتورها

سیستم عایقی ترانسفورماتورهای قدرت، غالباً از ترکیبی از کاغذ سلولزی (عایق جامد) و روغن معدنی (عایق مایع) تشکیل شده است. این سیستم، مسئول جداسازی الکتریکی سیم‌پیچ‌ها از یکدیگر و از هسته ترانسفورماتور بوده و نقش کلیدی در تحمل ولتاژهای بالا و حفظ یکپارچگی الکتریکی ایفا می‌کند. با گذشت زمان و تحت تأثیر تنش‌های مختلفی نظیر حرارت، رطوبت، میدان‌های الکتریکی و عوامل شیمیایی، سیستم عایقی دچار فرسودگی (aging) و تخریب (degradation) می‌گردد. این فرسودگی، می‌تواند منجر به کاهش مقاومت عایقی، افزایش تلفات دی‌الکتریک و در نهایت، بروز پدیده شکست عایقی و خرابی ترانسفورماتور شود.

روش‌های سنتی پایش عایق، نظیر اندازه‌گیری ضریب تلفات دی‌الکتریک (Dissipation Factor) یا تانژانت دلتا (Tan δ) در فرکانس شبکه (۵۰ یا ۶۰ هرتز)، اطلاعات محدودی در مورد وضعیت کلی سیستم عایقی ارائه می‌دهند. این روش‌ها، غالباً به تغییرات جزئی در سیستم عایقی که ممکن است نشان‌دهنده آغاز فرآیند فرسودگی باشند، حساسیت کافی ندارند. در مقابل، آزمون FDS با تحلیل پاسخ دی‌الکتریک در یک بازه گسترده فرکانسی، می‌تواند اطلاعات کامل‌تر و دقیق‌تری درباره وضعیت رطوبت محبوس در کاغذ، تخریب شیمیایی آن و آلودگی‌های احتمالی روغن فراهم کند.

مبانی نظری آزمون FDS: رویکرد طیف‌سنجی در حوزه فرکانس

آزمون FDS مبتنی بر اندازه‌گیری امپدانس مختلط (Z∗(ω)) یا ادمیتانس مختلط (Y∗(ω)) سیستم عایقی در یک محدوده فرکانسی گسترده، معمولاً از چند میکروهرتز تا چند کیلوهرتز، می‌باشد. در این آزمون، یک ولتاژ سینوسی با دامنه ثابت و فرکانس متغیر ($\omega$) به سیستم عایقی اعمال شده و جریان عبوری از آن اندازه‌گیری می‌گردد. با استفاده از این دو کمیت (ولتاژ و جریان)، می‌توان امپدانس مختلط سیستم را در هر فرکانس محاسبه نمود:

Z∗(ω)=I(ω)/U(ω)​

که در آن، $U(\omega )$ ولتاژ مختلط و $I(\omega )$ جریان مختلط در فرکانس $\omega$ می‌باشند. پاسخ دی‌الکتریک یک ماده عایقی، که به صورت امپدانس مختلط یا ادمیتانس مختلط بیان می‌شود، شامل دو جزء حقیقی و موهومی است. جزء حقیقی در پاسخ دی‌الکتریک نشان‌دهنده مقاومت و تلفات انرژی در عایق است. در مقابل، جزء موهومی به ظرفیت خازنی و ذخیره‌سازی انرژی در عایق مرتبط می‌شود. این پاسخ دی‌الکتریک به شدت تحت تأثیر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ماده عایقی قرار دارد. به ویژه، میزان رطوبت، دما و درجه پلیمریزاسیون کاغذ سلولزی نقش مهمی در تغییر این خواص ایفا می‌کنند.

مکانیزم تشخیص عیوب توسط FDS:

1. اثر رطوبت: آب دارای ثابت دی‌الکتریک بالا و هدایت‌پذیری الکتریکی قابل توجهی است. حضور حتی مقادیر اندک رطوبت در ساختار کاغذ عایق، می‌تواند به شدت بر پاسخ فرکانسی آن تأثیر بگذارد. در فرکانس‌های پایین، به ویژه زیر ۱ هرتز، رطوبت نقش مهمی در افزایش تلفات دی‌الکتریک ایفا می‌کند. این افزایش به دلیل قطبی بودن مولکول‌های آب است، که در این فرکانس‌ها تمایل دارند با میدان الکتریکی هم‌سو شده و انرژی را به صورت حرارت تلف کنند.
   با افزایش فرکانس، این اثر قطبی شدن کاهش می‌یابد. الگوی پاسخ FDS به طور خاص تغییرات ناشی از رطوبت را نشان می‌دهد. با استفاده از مدل‌سازی‌های مناسب، مانند مدل‌های Debye یا Havriliak-Negami، می‌توان میزان رطوبت محبوس در کاغذ عایق را به طور تقریبی و با دقت قابل قبول برآورد کرد.

2. تخریب کاغذ (Depolymerization): با گذشت زمان و تحت تأثیر تنش‌های حرارتی و الکتریکی، زنجیره‌های سلولزی کاغذ عایق شکسته شده (depolymerization) و محصولات جانبی نظیر اسیدها، فورفورال‌ها و گازها تولید می‌شوند. این تغییرات شیمیایی نیز بر خواص دی‌الکتریک کاغذ تأثیر می‌گذارند. تخریب کاغذ، منجر به افزایش هدایت الکتریکی و تلفات دی‌الکتریک در فرکانس‌های پایین و متوسط می‌گردد. آزمون FDS با شناسایی این تغییرات در پاسخ فرکانسی، قادر به ارزیابی درجه تخریب کاغذ (که معمولاً با درجه پلیمریزاسیون (DP) مرتبط است) می‌باشد.

3. آلودگی روغن: آلودگی‌های موجود در روغن، نظیر ذرات جامد، محصولات تخریب روغن (مانند لجن) و رطوبت محلول در روغن، نیز می‌توانند بر پاسخ FDS تأثیرگذار باشند. این آلودگی‌ها معمولاً باعث افزایش تلفات دی‌الکتریک در فرکانس‌های بالاتر (نسبت به اثر رطوبت در کاغذ) می‌شوند. آزمون FDS می‌تواند اطلاعاتی در مورد وضعیت کلی روغن و آلودگی‌های موجود در آن ارائه دهد.

مزایای برجسته آزمون FDS در ترانسفورماتورهای قدرت:

• تشخیص زودهنگام عیوب پنهان: FDS قادر است تغییرات جزئی و ابتدایی در سیستم عایقی را که نشان‌دهنده شروع فرسودگی و تخریب هستند، حتی قبل از اینکه به یک معضل جدی تبدیل شوند، شناسایی نماید.
• تخمین دقیق رطوبت کاغذ: این آزمون می‌تواند میزان رطوبت محبوس در کاغذ عایق را با دقت بالایی تخمین بزند. این اطلاعات برای تصمیم‌گیری در مورد لزوم عملیات خشک کردن ترانسفورماتور (Dry-out) بسیار حائز اهمیت است.
• ارزیابی درجه تخریب کاغذ: FDS قادر است درجه تخریب شیمیایی کاغذ عایق را ارزیابی کند، که این اطلاعات به پیش‌بینی عمر باقی‌مانده ترانسفورماتور (Remaining Useful Life) کمک شایانی می‌نماید.
• ماهیت غیرمخرب: آزمون FDS یک روش کاملاً غیرمخرب است و هیچ‌گونه آسیبی به ترانسفورماتور وارد نمی‌کند.
• کاهش ریسک شکست عایقی: با شناسایی زودهنگام مشکلات عایقی، می‌توان اقدامات پیشگیرانه لازم را برای جلوگیری از خرابی‌های ناگهانی و پرهزینه انجام داد.
• بهینه‌سازی برنامه‌های نگهداری و تعمیرات (M&R): نتایج جامع آزمون FDS، به مهندسان و مدیران کمک می‌کند تا برنامه‌های M&R را بهینه کرده و تخصیص منابع را به شکلی مؤثرتر انجام دهند.
• قابلیت اطمینان بالا: این آزمون به دلیل حساسیت بالا و توانایی مدل‌سازی دقیق رفتار دی‌الکتریک، از قابلیت اطمینان تحلیلی بالایی برخوردار است.

کاربردهای آزمون FDS در ارزیابی ترانسفورماتورها:

• کنترل کیفیت در مرحله ساخت و تولید: برای اطمینان از کیفیت عایق‌بندی ترانسفورماتورهای تازه تولید شده قبل از خروج از کارخانه.
• پایش وضعیت (Condition Monitoring) ترانسفورماتورهای در سرویس: برای ارزیابی مستمر سلامت عایق و ردیابی روند تغییرات آن در طول عمر عملیاتی ترانسفورماتور.
• ارزیابی پس از تعمیرات اساسی (Overhaul): برای اطمینان از بازیابی کیفیت عایق پس از انجام تعمیرات عمده یا بازسازی.
• تعیین زمان بهینه برای خشک کردن ترانسفورماتور: بر اساس میزان رطوبت تخمین‌زده شده در کاغذ عایق.
• پیش‌بینی عمر باقی‌مانده و برنامه‌ریزی تعویض: با ارزیابی درجه تخریب کاغذ عایق و تلفیق با سایر داده‌های تشخیصی.
• تشخیص آلودگی‌های روغن: شناسایی برخی آلاینده‌ها و محصولات تخریب در روغن.

پروتکل انجام آزمون FDS:

برای انجام آزمون FDS، ابتدا باید ترانسفورماتور از شبکه برق جدا شود. سپس، تمام انرژی ذخیره شده در آن تخلیه گردد. این کار جهت تضمین ایمنی پرسنل و تجهیزات ضروری است. سپس، دستگاه آزمون FDS (که معمولاً شامل یک منبع ولتاژ متغیر فرکانس و واحد اندازه‌گیری جریان و فاز است) به پایانه‌های ترانسفورماتور متصل می‌شود. اتصالات معمولاً بین سیم‌پیچ‌ها (مثلاً بین سیم‌پیچ فشار قوی و سیم‌پیچ فشار ضعیف)، بین سیم‌پیچ‌ها و زمین، یا بین سیم‌پیچ‌ها و تانک ترانسفورماتور صورت می‌گیرد. دستگاه به طور خودکار ولتاژهای سینوسی با فرکانس‌های مختلف را در محدوده تعیین شده اعمال کرده و جریان‌های عبوری و اختلاف فاز را اندازه‌گیری می‌کند. این داده‌ها ابتدا توسط نرم‌افزار مربوطه پردازش می‌شوند. سپس منحنی‌های پاسخ فرکانسی دی‌الکتریک، شامل تانژانت دلتا، ظرفیت خازنی و مقاومت عایقی، در محدوده فرکانسی مورد نظر رسم و تحلیل می‌شوند.

تفسیر نتایج آزمون FDS:

تفسیر نتایج FDS نیازمند دانش عمیق در زمینه فیزیک دی‌الکتریک، شیمی پلیمرها و تجربه عملیاتی است. با این حال، اصول کلی برای تفسیر عبارتند از:

• تحلیل منحنی تانژانت دلتا ($\tan \delta$) در تابع فرکانس:
  • افزایش در فرکانس‌های پایین (mHz range): نشان‌دهنده حضور رطوبت در کاغذ عایق است. هرچه شیب افزایش $\tan \delta$ در فرکانس‌های بسیار پایین بیشتر باشد، میزان رطوبت بالاتر است. این پدیده به پدیده هدایت یونی در رطوبت مربوط می‌شود.
  • افزایش در فرکانس‌های متوسط (Hz range): می‌تواند نشانه‌ای از تخریب کاغذ، وجود محصولات تخریب روغن (مانند فورفورال‌ها) یا آلودگی‌های یونی در روغن باشد.
  • افزایش در فرکانس‌های بالا (kHz range): غالباً به آلودگی‌های روغن یا وجود ذرات رسانا در آن مربوط می‌شود.
• تحلیل منحنی ظرفیت خازنی (Capacitance) در تابع فرکانس:
  • ظرفیت خازنی یک سیستم عایقی ایده‌آل مستقل از فرکانس است. هرگونه تغییر در ظرفیت خازنی با فرکانس (به خصوص افزایش در فرکانس‌های پایین)، می‌تواند نشان‌دهنده قطبش‌های دی‌الکتریک ناشی از رطوبت یا سایر آلودگی‌ها باشد.
• مدل‌سازی و تخمین رطوبت: نرم‌افزارهای تحلیلی پیشرفته با استفاده از مدل‌های مرجع (مانند مدل‌های دو لایه‌ای کاغذ-روغن یا مدل‌های مبتنی بر اصول فیزیکی) و الگوریتم‌های بهینه‌سازی، قادر به تخمین دقیق درصد رطوبت موجود در کاغذ عایق (اغلب به صورت درصد جرمی) و همچنین هدایت‌پذیری روغن می‌باشند.
• مقایسه با داده های قبلی: مقایسه نتایج آزمون FDS جاری با داده‌های قبلی ترانسفورماتور، روند تغییرات عایق و فرسودگی را نشان می‌دهد. این تحلیل کمک می‌کند وضعیت کلی عایق در گذشته و حال درک شود و روند فرسودگی مشخص گردد.
• مقایسه با ترانسفورماتورهای مشابه: مقایسه نتایج با ترانسفورماتورهای مشابه در شرایط عملیاتی یکسان می‌تواند به شناسایی ترانسفورماتورهایی با وضعیت نامطلوب کمک کند.
• ارزیابی بر اساس استانداردها و دستورالعمل‌ها: تفسیر نتایج باید با توجه به استانداردها و رهنمودهای بین‌المللی (مانند IEC 60076-18) صورت پذیرد.

چالش‌ها و محدودیت‌های آزمون FDS:

• حساسیت به دما: نتایج FDS به شدت به دمای سیستم عایقی ترانسفورماتور وابسته است. لذا، اندازه‌گیری و ثبت دقیق دما در طول آزمون بسیار حیاتی است. برای مقایسه نتایج آزمون‌ها در دماهای مختلف، نیاز به اعمال ضرایب تصحیح دما با استفاده از الگوریتم‌های مناسب وجود دارد.
• پیچیدگی مدل‌سازی: تفسیر نتایج FDS نیاز به دانشی عمیق در رفتار دی‌الکتریک مواد عایقی دارد که برای پرسنل بدون آموزش تخصصی، مشکل است.
• هزینه تجهیزات: دستگاه‌های آزمون FDS نسبتاً گران‌قیمت هستند، اما با توجه به اطلاعات ارزشمند و قابلیت پیش‌بینی‌کننده آن‌ها، این هزینه در بلندمدت قابل توجیه است.
• مدت زمان آزمون: آزمون FDS نسبت به آزمون‌های سنتی، مخصوصاً در فرکانس‌های پایین، ممکن است زمان بیشتری ببرد.
• نیاز به آموزش تخصصی: پرسنل انجام‌دهنده و تحلیل‌کننده نتایج باید آموزش‌های تخصصی لازم را دیده باشند.

نتیجه‌گیری:

آزمون پاسخ فرکانسی دی‌الکتریک (FDS) به عنوان یک ابزار قدرتمند و دقیق، تحولی اساسی در پایش سلامت سیستم عایقی ترانسفورماتورهای قدرت ایجاد نموده است. این تکنیک اطلاعات جامع درباره رطوبت، تخریب شیمیایی و آلودگی روغن کاغذ ارائه می‌دهد تا مهندسین تصمیم‌گیری بهتر داشته باشند.
آزمون FDS به زودی استاندارد در ارزیابی وضعیت ترانسفورماتورهای قدرت و حفظ پایداری شبکه‌های برق می‌شود.
سرمایه‌گذاری در آموزش و تجهیزات آزمون FDS، تضمین‌کننده تداوم تامین انرژی و حفاظت صنعت برق است.