تشخیص وضعیت عایق ترانسفورماتور با روش PDC | تحلیل علمی جریان‌های قطبش و دی‌قطبش در عایق‌های کاغذ-روغن
مقدمه‌ای بر عایق‌های ترانسفورماتور و اهمیت تشخیص دقیق وضعیت آن‌ها
در تجهیزات فشارقوی و به‌ویژه ترانسفورماتورهای قدرت، سیستم عایقی یکی از مهم‌ترین اجزا از لحاظ عملکرد، ایمنی و طول عمر محسوب می‌شود. بخش عمده‌ای از این عایق‌ها ترکیبی از کاغذ (پرس‌بورد یا کرافت) و روغن معدنی هستند. به دلیل شرایط کاری سخت و طولانی‌مدت، این عایق‌ها به‌مرور دچار تخریب، پیری و افزایش میزان رطوبت می‌شوند که مستقیماً بر خواص دی‌الکتریک آن‌ها تأثیر می‌گذارد. از این رو، استفاده از روش‌های تشخیصی غیرمخرب و دقیق، برای ارزیابی سلامت عایق ضروری است.
یکی از روش‌های نوین و بسیار دقیق در حوزه تشخیص عایق ترانسفورماتور، استفاده از جریان‌های قطبش و دی‌قطبش (Polarization and Depolarization Currents – PDC) است. این روش با بهره‌گیری از تحلیل پاسخ زمانی سیستم عایقی، امکان تخمین میزان رطوبت، شدت پیری، وضعیت هندسی عایق و تأثیر دما و ولتاژ را فراهم می‌کند.
ساختار و اصول فیزیکی روش PDC در ترانسفورماتورها
تعریف جریان‌های قطبش و دی‌قطبش
در روش PDC، پس از اعمال یک ولتاژ DC ثابت به ساختار عایق، جریان‌هایی مشاهده می‌شود که منشأ آن‌ها رفتار دی‌الکتریک مواد است. به‌طور خاص:
-
جریان قطبش (I<sub>pol</sub>): جریانی که هنگام اعمال ولتاژ در سیستم عایقی برقرار می‌شود.
-
جریان دی‌قطبش (I<sub>dep</sub>): پس از قطع ولتاژ و اتصال کوتاه دو سر عایق، این جریان در خلاف جهت جریان اولیه اندازه‌گیری می‌شود.
این جریان‌ها تحت تأثیر فرآیندهای مختلفی از جمله قطبش‌های یونی، بین‌سطحی، فضایی و رسانش یون‌ها در محیط دی‌الکتریک هستند. تحلیل دقیق این جریان‌ها می‌تواند شاخص‌هایی برای میزان رطوبت، تخریب ساختاری و پیرشدگی عایق فراهم کند.
تأثیر رطوبت در عایق کاغذ-روغن و تحلیل آن با روش PDC
نقش رطوبت در تخریب عایق
رطوبت یکی از مهم‌ترین عوامل تخریب سلولز در ساختار کاغذ و پرس‌بورد است. با افزایش رطوبت، فرآیند دپلیمریزاسیون سلولز شدت می‌گیرد و خواص دی‌الکتریک آن به‌شدت کاهش می‌یابد.
پاسخ PDC به رطوبت
در آزمایش‌ها مشاهده شده است:
-
افزایش رطوبت باعث افزایش دامنه جریان‌های قطبش و دی‌قطبش می‌شود؛
-
جریان‌های دی‌قطبش در رطوبت بالا سریع‌تر کاهش می‌یابند؛
-
مقدار نهایی جریان‌ها به مقاومت حجمی عایق وابسته است و مستقیماً با رطوبت مرتبط است؛
-
تفاوت بین I<sub>pol</sub> و I<sub>dep</sub> می‌تواند برای تخمین مقاومت پرس‌بورد و به تبع آن رطوبت استفاده شود.
فرمولی تقریبی برای محاسبه مقاومت به‌صورت زیر پیشنهاد شده است:
تأثیر دما در پاسخ دی‌الکتریک و اهمیت جبران دمایی
اهمیت اندازه‌گیری دقیق دما
دمای کاری ترانسفورماتورها معمولاً در بازه 30 تا 80 درجه سلسیوس است. تغییرات دما منجر به افزایش شدید رسانایی روغن و سلولز می‌شود. بنابراین:
-
با افزایش دما، جریان‌ها سریع‌تر به مقدار نهایی می‌رسند؛
-
تفکیک اثر دما از رطوبت بدون اندازه‌گیری دقیق دما ممکن نیست؛
-
تحلیل PDC باید همراه با جبران دمایی دقیق باشد تا خطا در تخمین رطوبت و پیری رخ ندهد.
تفاوت عملکردی پرس‌بورد و کاغذ در آزمون‌های دی‌الکتریک
در شرایط مشابه از نظر رطوبت و دما:
-
پاسخ دی‌الکتریک کاغذ و پرس‌بورد از نظر مقدار نهایی مشابه است؛
-
اما شکل منحنی در زمان‌های میانی تفاوت دارد که ناشی از قطبش‌های بین‌سطحی قوی‌تر در پرس‌بورد است؛
-
این نکته در مدل‌سازی نرم‌افزاری پاسخ‌ها باید لحاظ گردد.
تحلیل اثر پیری (Aging) بر خواص دی‌الکتریک
محصولات تخریب روغن و تأثیر آن بر رسانایی
در فرآیند پیری روغن، ترکیباتی مانند اسیدهای کربوکسیلیک ایجاد می‌شوند که باعث افزایش رسانایی عایق می‌گردند. معادله تفکیک یون‌ها به‌صورت زیر است:
-
این یون‌ها باعث افزایش رسانایی حجمی در روغن و کاغذ می‌شوند؛
-
در نمونه‌های پیرشده، جریان‌های PDC بالاتر و سریع‌ترند؛
-
حتی در رطوبت یکسان، نمونه‌های پیر شده پاسخ متفاوتی نشان می‌دهند.
مدل‌سازی پاسخ دی‌الکتریک: خطی یا غیرخطی؟
مدل‌های سنتی (Debye)
مدل‌های خطی R-C به سبک دی‌بای فرض می‌کنند که رسانایی و قطبش تابع خطی ولتاژ هستند. اما در ساختارهای چندلایه مانند روغن-کاغذ این فرض همیشه صادق نیست.
مشاهده پاسخ غیرخطی
-
در نمونه‌های دارای داکت روغن، پاسخ غیرخطی و وابسته به شدت میدان مشاهده شده است؛
-
این رفتار بیشتر در میدان‌های >10 V/mm رخ می‌دهد؛
-
مدل‌سازی باید از دید سیستم غیرخطی با رفتار وابسته به زمان و شدت میدان باشد.
تأثیر هندسه عایق و وجود داکت روغن
تغییرات هندسی مانند اضافه شدن موانع روغن باعث:
اندازه‌گیری رسانایی روغن و پویایی آن در زمان
-
رسانایی روغن تابعی از زمان، میدان، دما و محصولات پیری است؛
-
در روغن خشک، رسانایی ابتدا بالا بوده و با گذشت زمان کاهش می‌یابد (تشکیل ابر بار فضایی)؛
-
در روغن پیر و مرطوب، رسانایی بالا و پایدار است.
به‌طور کلی بهترین بازه زمانی برای اندازه‌گیری:
1 ثانیه <t<20 ثانیه
و میدان الکتریکی مطلوب کمتر از 5 V/mm است.
کاربرد عملی در پایش وضعیت ترانسفورماتورها (Condition Monitoring)
-
با مقایسه منحنی‌های I<sub>dep</sub> از ترانسفورماتور با نمونه‌های آزمایشگاهی، می‌توان درصد رطوبت را تخمین زد؛
-
این روش در کنار روش‌های FDS، SFRA، و TDC مکمل بسیار مؤثری در پایش وضعیت است؛
-
نرم‌افزارهای تحلیل داده با تکیه بر پایگاه داده تجربی، قابلیت ارزیابی سریع و دقیق در محل را فراهم می‌سازند.
نتیجه‌گیری نهایی و پیشنهادات تخصصی
جریان‌های ریلکسیشن (PDC) ابزار بسیار دقیق، غیرمخرب و علمی برای تشخیص رطوبت، پیری و نقص ساختاری در سیستم‌های عایق کاغذ-روغن ترانسفورماتورها هستند.
تحلیل دقیق این جریان‌ها نیازمند:
-
اندازه‌گیری دمای دقیق و جبران آن؛
-
شناخت کامل از خواص روغن و محصولات پیری؛
-
بررسی هندسه داخلی عایق و نوع ماده سلولزی؛
-
استفاده از مدل‌های پیشرفته غیرخطی در نرم‌افزارهای تحلیل داده؛
است.
استفاده همزمان از داده‌های تجربی و مدل‌سازی ریاضی در یک پلتفرم نرم‌افزاری، آینده پایش سلامت ترانسفورماتورها را شکل خواهد داد.
