مکان‌یابی دقیق تخلیه جزئی در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور قدرت با استفاده از آرایه حسگر صوتی فیبر نوری
کلمات کلیدی: تخلیه جزئی (PD)، ترانسفورماتور قدرت، مکان‌یابی PD، حسگر صوتی فیبر نوری، حسگر Fabry–Pérot (F-P) برون‌ذات (EFPI)، انتشار موج صوتی، شبیه‌سازی اجزاء محدود (FEM)، تشخیص آنلاین.
مقدمه
قابلیت اطمینان سیستم‌های توزیع و تحویل برق در مقیاس بزرگ، به شدت به سلامت تجهیزات کلیدی مانند ترانسفورماتورهای قدرت وابسته است.
تخلیه جزئی (PD) به عنوان شاخص اصلی خرابی عایق شناخته می‌شود و برای سیستم‌ها بسیار مهم است، زیرا می‌تواند منجر به آسیب‌های جدی، خرابی عایق و در نهایت حوادث فاجعه‌باری مانند خرابی‌های آبشاری در سیستم شود.
بنابراین، تشخیص و مکان‌یابی آنلاین PD در ترانسفورماتورهای قدرت، اطلاعات حیاتی در مورد ویژگی‌های تخریب تجهیزات و حتی تخمین عمر باقیمانده آن‌ها را فراهم می‌کند. این دانش به اپراتورها امکان می‌دهد تا نگهداری پیش‌بینی‌شده و دقیق را برنامه‌ریزی کنند و حتی به تولیدکنندگان در بازطراحی محصولاتشان کمک می‌کند.
با این وجود، پیدا کردن روش‌های دقیق و قابل اعتماد برای مکان‌یابی آنلاین PD، به ویژه در مواردی که تخلیه‌ها در داخل سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور رخ می‌دهند، هنوز هم از چالش‌های بزرگ به شمار می‌رود. این مقاله یک سیستم تشخیص صوتی نوین را معرفی می‌کند که از آرایه حسگرهای صوتی فیبر نوری با ساختار جدید بهره می‌برد.
هدف از این طراحی، غلبه بر محدودیت‌ها و چالش‌های روش‌های مرسوم در مکان‌یابی و اندازه‌گیری صوت است.
چالش‌های موجود در مکان‌یابی تخلیه جزئی در سیم‌پیچ‌ها
روش‌های معمول مکان‌یابی PD، مثل استفاده از فرکانس فوق‌العاده بالا (UHF) و روش‌های صوتی، که به صورت جداگانه توسط آنتن‌ها و آرایه‌های حسگر پیزوالکتریک اجرا می‌شوند، دارای برخی محدودیت‌ها هستند.
از جمله این محدودیت‌ها، مشکل در نصب و قرارگیری آسان است و این روش‌ها به راحتی تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در محیط قرار می‌گیرند. هنگامی که این آرایه‌ها روی محفظه خارجی ترانسفورماتور نصب می‌شوند یا حتی در داخل مخزن اما خارج از سیم‌پیچ‌ها قرار می‌گیرند، نمی‌توان انتظار مکان‌یابی دقیق برای PDهای داخل سیم‌پیچ‌ها را داشت.
سیگنال‌های PD، چه الکتریکی و چه غیرالکتریکی، که از داخل سیم‌پیچ‌ها منشأ می‌گیرند، در حین انتشار خود قبل از رسیدن به آرایه‌های خارج از سیم‌پیچ‌ها، دچار محافظت، بازتاب و تحریف می‌شوند.
علاوه بر این، تضعیف و بازتاب در طول انتشار سیگنال و همچنین EMI در محل، عوامل اصلی موثر بر خطاهای بزرگ مکان‌یابی هستند.
سیستم مکان‌یابی تخلیه جزئی صوتی مبتنی بر فیبر نوری
برای غلبه بر کاستی‌های روش‌های متداول، آرایه حسگر پیشنهادی باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:
- ایمنی بالا در برابر EMI در محل
- حساسیت کافی
- اندازه فشرده
- سطح عایق‌دهی بسیار بالا
علاوه بر این، حسگرها باید در شرایط خلاء زنده بمانند و در دماها یا فشارهای مختلف کار کنند.
مخصوصاً، حسگرهای جاسازی شده باید در طول فرآیند ساخت ترانسفورماتور قدرت، چندین فرآیند در خلاء مانند حذف رطوبت و پر کردن روغن عایق را تحمل کنند.
در این مطالعه، یک حسگر صوتی فیبر نوری Fabry-Pérot (F-P) با ساختار نوین برای تحقق این الزامات توسعه یافته است.
طراحی و عملکرد حسگر صوتی فیبر نوری Fabry-Pérot
سیستم تشخیص PD شامل یک سر حسگر، منبع لیزر، سیرکولاتور فیبر نوری و فوتودتکتور است که توسط فیبر تک‌مد به هم متصل شده‌اند. سر حسگر از فیبر نوری، لوله سیلیس و دیافراگم سیلیس تشکیل شده و یک حفره F-P بین دیافراگم و فیبر قرار دارد.
اصول کار حسگر صوتی فیبر نوری F-P
نور از منبع لیزر از طریق سیرکولاتور پخش می‌شود و به سر حسگر می‌رسد. در انتهای فیبر، نور ابتدا به دلیل رابط شیشه-هوا بازتاب می‌شود. بخش باقیمانده نور در هوای داخل حفره F-P حرکت می‌کند و بازتاب دوم را روی سطح داخلی دیافراگم دارد. سپس دو بازتاب در طول همان فیبر به عقب برمی‌گردند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. شدت نور پس از تداخل، تابعی از طول حفره است. با جذب انرژی صوتی، دیافراگم سیلیس تغییر شکل می‌دهد و این تغییر شکل در تغییر شدت نور در انتهای فوتودتکتور منعکس می‌شود. با دمولاسیون شدت نور دریافتی، اطلاعات تغییر طول حفره یا به عبارت دیگر، اطلاعات تغییر شکل دیافراگم، به دست می‌آید.
برای حل مشکلات مربوط به شرایط خلاء و تغییرات دما/فشار در ترانسفورماتور، یک ساختار جدید حسگر F-P فیبر نوری پیشنهاد شده است که کاملاً از سیلیس ساخته شده است. با کمک جوش لیزری برای تمام اتصالات بین قطعات، یک ساختار تمام سیلیس به دست می‌آید.
یک لایه نازک آلومینیوم با ضخامت ۱۰۰ نانومتر روی مرکز دیافراگم سیلیس رسوب داده شده تا حساسیت آن بهبود یابد. علاوه بر این، از طریق حفر لیزری، دو سوراخ تهویه در بالا و پایین غلاف سیلیس ایجاد شده است تا حفره F-P با محیط خارجی حسگر در ارتباط باشد. این ویژگی باعث می‌شود فشار در هر دو طرف دیافراگم متعادل بماند و حسگر بتواند در فشارهای مختلف، حتی در خلاء، کار کند.
با تنظیم دقیق ضخامت و قطر دیافراگم و همچنین طول حفره، حسگر می‌تواند حساسیت اوج خود را در فرکانس مرکزی حدود ۲۰ کیلوهرتز داشته باشد که معمولاً فرکانس سیگنال صوتی PD در روغن عایق است.
