بخش اول: تخلیه جزئی

طبق تعریف ارائه شده توسط IEC ، تخلیه جزئی یک نوع تخلیه الکتریکی متمرکز شده­‌ است که پل­‌های الکتریکی جزئی را در میان الکترودهای رسانا بوجود می­‌آورد و ممکن است مجاور هادی باشد و یا نباشد. دکتر حسین محسنی در کتاب خود تخلیه­‌جزئی را اینگونه توصیف می‌کند : ” در مواردی ممکن است شدت میدان الکتریکی در همه‌­ی طول بین آند و کاتد یک اندازه نباشد. یعنی ممکن است آند یا کاتد و یا در نقطه­‌ای بین آن­‌ها، شدت میدان زیاد باشد و شرایط تخلیه در آن قسمت­‌ها بوجود بیاید ولی در سایر قسمت­‌ها به دلیل کمی شدت میدان الکتریکی شرایط لازم برای تخلیه کامل موجود نباشد. در این حالت تخلیه جزئی در قسمتی یا جزئی از طول عایق انجام می‌­شود و شکست کامل عایق انجام نمی­‌گیرد. به این نوع تخلیه، تخلیه جزئی یا کرونا می­‌گویند.”

اهمیت تخلیه جزئی بخاطر تشخیص میزان عمر و میزان سلامتی عایق است. هر نوع حادثه تخلیه باعث تغییر شکل شیمیایی در مواد بوسیله برخورد انرژی دار یون­‌های شتاب­دار و یا الکترون­‌های با انرژی بالا می‌­گردد. بسیاری از انواع تخلیه­‌ها در یک بازه زمانی محدود، وابستگی شدیدی به نوع ولتاژ و میزان دامنه اعمالی دارند. همچنین بدیهی است که فرسایش عایقی به مواد و کیفیت تولید آن‌­ها نیز وابسته است. تخلیه جزئی در عمر عایقی، عایق­‌های از نوع ترموپلاستیک مثل پلی اتیلن تأثیر گذار هستند و می‌­توانند باعث شکست عایقی در کمتر از چند روز بر روی عایق شوند. از این‌­رو هدف نهایی بسیاری از تحقیقات در مورد تخلیه جزئی به عمر عایقی مواد خاصی معطوف می‌­گردد.

شکست عایقی می‌­تواند به چند دلیل رخ دهد. در یک عایق، الکترون اتم‌­ها و یا ملکول­‌ها، محکم مقید شده­‌اند. با اعمال یک میدان الکتریکی ملایم، برخی از الکترون­‌ها می‌­توانند از مسیرهای قبلی­شان جدا شوند و برای مدتی با اتم­‌ها یا ملکول­‌های اطراف خود برخورد داشته باشند. همچنین اگر شدت میدان افزایش پیدا کند، برخوردهای اتفاق افتاده با شدت بیشتر افزایش پیدا کرده، باعث آزاد شدن الکترون‌­های بیشتری در اطراف خود می‌­شوند و در نتیجه منجر به شکست در هم گسیخته یا اصطلاحاً شکست ذاتی می‌­شوند.

در نوع دیگری از شکست الکتریکی، یک مسیر عبوری از سطح عایق منجر به تخریب کربنیزاسیون شده که حتی تخلیه الکتریکی سطحی(خزش) را نیز می­‌تواند در پی داشته باشد. در نوع پیچیده­‌تری از خرابی عایقی، شکست فرسایشی- تدریجی اتفاق می­‌افتد که در آزمایشگاه فشار قوی با اعمال ولتاژ متناوب با فرکانس خط، این آزمایش انجام می‌­پذیرد و نتایج حاصله نبایستی از یک محدوده‌­ی مشخص تجاوز کند. با توجه به آن­چه که اشاره شد، می‌­توان چنین تصور کرد که در شکست­‌های فرسایشی، تخلیه جزئی عامل اصلی این پدیده می‌­باشد و در دراز مدت بر روی عایق تأثیر می‌­گذارد.

وجود تخلیه جزئی در داخل عایق باعث ایجاد گاز، حفره، و یا حتی حباب می­‌شود که در افزایش روند شکست فرسایشی تأثیرگذار می­‌باشد. هنگامی­‌که ولتاژ بزرگی بر عایق یک تجهیز اعمال می‌­شود، آن تجهیز شروع به تولید تخلیه جزئی می­‌کند که اثر آن در یک سطح ولتاژ مشخص قابل مشاهده می‌­باشد. به محض اینکه فرآیند تخلیه جزئی آغاز می­‌شود، سطح ولتاژ باید تا مقدار کمتر از ولتاژ بحرانی شروع تخلیه، کاهش یابد که به این دو ولتاژ، ولتاژ روشن شدن و ولتاژ خاموشی تخلیه می‌­گویند.

شکل زیر این اثر را نمایش می‌دهد. به محض شروع ولتاژ،فرکانس تخلیه جزئی افزایش پیدا می­کند و وقتی که به نقطه پیک خود رسید، فرکانس تخلیه جزئی به بیشترین مقدار خود می‌رسد. هنگامی­‌که ولتاژ خط به مقدار صفر خود می­‌رسد، تخلیه جزئی نیز خاموش می‌­شود.

تغییرات تخلیه جزئی به همراه ولتاژ آزمایشی از نوع متناوب

 تخلیه جزئی در آزمایش با ولتاژ متناوب دارای سیگنال­‌هایی است که در یک دوره تناوبی آن، این پدیده می­‌تواند چندین بار اتفاق بیفتد. در کاربردهای عملی، اگر این حالت با دامنه کافی در طول بازه زمانی مشخصی رخ دهد، به مرور زمان جرقه­‌های داخل حباب، خاصیت عایقی تجهیز را کاهش می‌دهد که در نهایت الگویی شبیه به یک درخت را در داخل عایق بوجود می­‌آورد و باعث از بین رفتن خاصیت عایقی تجهیز می‌­گردد، به این پدیده درختی شدن می­‌گویند. شکل زیر چند نمونه از این پدیده را نشان می‌دهد.

پدیده‌­ی درختی شدن در عایق

رطوبت به عنوان یکی از عوامل مخرب، نقش مهمی در کاهش عمر عایقی ترانسفورماتور دارد. عمر عایقی کاغذ متناسب با مقدار رطوبت آن است به طوریکه اگر مقدار رطوبت کاغذ 2 برابر شود، عمر آن به نصف کاهش می­‌یابد. از طرف دیگر افزایش رطوبت در نواحی با شدت میدان الکتریکی بالا موجب کاهش آستانه شروع تخلیه جزئی و افزایش شدت آن و در نهایت باعث وارد شدن خسارات جدی به ترانسفورماتور می­‌شود. به­‌طور کلی می‌­توان علل تولید رطوبت در ترانسفورماتور را به صورت زیر دسته­‌بندی نمود :

  1.  ورود مستقیم رطوبت از هوا، که منبع اصلی رطوبت در عایق ترانسفورماتور است و ممکن است طی نصب و یا تعمیر، هنگامی‌­که عایق در تماس مستقیم با هوا قرار دارد، رخ دهد.
  2.  ورود رطوبت به­‌علت آب­‌بندی ضعیف
  3.  انتقال رطوبت از طریق هواگیرها
  4.  ورود رطوبت در شکل مولکولی ناشی از اختلاف تجمع رطوبت در هوا و روغن موجود در تانک ترانسفورماتور

رطوبت پسماند در عایق کاغذ می­‌تواند منجر به تولید حباب­‌های گاز شود. این حالت یک تهدید جدی برای سلامت عایقی سیستم به شمار می‌­آید. حباب­‌های گاز واقع شده در نواحی با استرس بالا می‌­توانند منجر به شکست عایق اصلی شوند. شکل­‌گیری حباب در حالت­‌های اضافه بار ترانسفورماتور به خاطر امکان ایجاد خرابی عایقی، یک نگرانی عمده به شمار می­‌آید. تشکیل حباب­‎‌های بخار گاز به علت دارا بودن ضریب نفوذپذیری کمتر نسبت به روغن یا کاغذ، موجب می­‌شود که میدان­‌های الکتریکی در این حباب‌­ها نسبت به کاغذ شدیدتر بوده و موجب ایجاد تخلیه الکتریکی در درون این حباب­‌ها شود.

مولکول­‌های روغن انرژی آزادشده از این تخلیه­‌های الکتریکی را جذب‌کرده و به هیدروکربن­‌ها و هیدروژن تجزیه می‌­‎شوند. اگر روغن از گاز اشباع شده‌باشد، ممکن است حباب‌­های هیدروزن بیشتری تولید شود که مسیرهای تخلیه بیشتری در طول عایق ایجاد می‌­کند. بنابراین ولتاژ شکست عایق به مرور زمان کاهش می­‌یابد. همچنین تخلیه­‌های ایجادشده در حفره‌­های عایق کاغذ، ذرات کربنی رسانایی را تولید می­‌کنند. با توجه به مطالب ارائه‌شده، دلایلی را که باعث بروز تخلیه جزئی می‌­شوند را می‌­توان به سه گروه عمده تقسیم­‌بندی نمود :

  1.  مؤلفه­‌های شناور
  2.  کروناها
  3.  حباب­‌ها (فضای خالی هوا در عایق و مخصوصاً روغن معدنی ترانسفورماتورها)

همانطور که گفته‌شد نقاطی از عایق که حباب­‌های گاز در آن­جا به‌­وجود می­‌آیند، دی‌­الکتریک کوچکتری نسبت به عایق دارند و همین امر باعث بروز خاصیت خازنی در آن مناطق می‌­گردد. تخلیه جزئی می‌­تواند در حباب­‌ها هنگامی‌­که شدت میدان الکتریکی از یک مقدار مجاز فراتر می‌­رود، رخ دهد. عموماً آشکارسازی و اندازه­‌گیری تخلیه جزئی بر مبنای میزان تبادل انرژی در طول وقوع حادثه تخلیه جزئی می‌­باشد که بعضی از انواع آن عبارتند از :

  1.  جریان پالس­‌های الکتریکی
  2.  تلفات عایق
  3.  تابشی
  4.  استفاده از آزمون فراصوت (آکوستیک امیشن)
  5.  افزایش فشار و نوع گاز
  6.  فعالیت­‌های شیمیایی

در بین انواع روش­‌های آشکارسازی تخلیه جزئی، آشکار سازی با آزمون آکوستیک امیشن هم اکنون حجم بالایی از تحقیقات را به خود اختصاص داده‌­است. مزیت این روش در آشکارسازی سریع، آنلاین و مهم­‌تر از همه مکان­یابی تخلیه جزئی می‌­باشد. این آزمون تنها روشی است که می­‌تواند موقعیت تخلیه جزئی را نیز بدست آورد.

 

 

دانلود مقاله ترانسفورماتورهای قدرت 

print