مانیتورینگ تخلیه جزئی در ترانسفورماتورهای قدرت با آکوستیک امیشن (AE)
روش آکوستیک امیشن همانند روش الکتریکی بر روی اکتساب داده‌ها و ثبت سیگنال‌های تولیدشده از تخلیه‌جزئی تمرکز دارد. با این حال به‌جای بدست آوردن سیگنال های الکتریکی، این روش در طول مدتی که تخلیه جزئی در ترانسفورماتورهای قدرت اتفاق می‌افتد، سعی در درک نمودن سیگنال‌ها و ثبت آنها دارد. این سیگنال‌ها به دلیل عبور جریان‌های بسیار کوتاه مدت از داخل حباب به‌وجود می‌آیند. عبور جریان باعث ایجاد حرارت به صورت نوارهای باریکی می‌شود که باعث بخارشدن مواد پیرامون حباب میگردد.
این بخارها همچنین باعث ایجاد یک نوع انفجار انرژی جنبشی می‌شوند که به صورت انتشار سیگنال‌های آکوستیک امیشن در داخل مخزن و انتقال به دیواره‌ی آن نمایان میگردد. با اتصال سنسورها روی دیواره خارجی مخزن روغن، این سیگنال‌ها دریافت و مکان آن تعیین میگردد. مزیت اولیه این روش نسبت به روش‌های الکتریکی و شیمیایی، اطلاعات موقعیت و مکان تخلیه جزئی است که این روش به راحتی با قراردادن چند سنسور در اختیارمان قرار می‌دهد. چنین اطلاعاتی از موقعیت PD می‌تواند ما را در تشخیص نوع آن به همراه شدت آسیب عایقی در محل خطا کمک کند. اطلاعات موقعیت و مکان تخلیه جزئی می‌تواند به تکنسین‌ها در تعمیر نقطه آسیب عایقی به جهت اطلاعات دقیقی که در مورد مکان تخلیه جزئی در اختیارشان قرار می‌دهد کمک نماید. مزیت دیگر این آزمون، مصونیتی است که از عدم تداخل الکترومغناطیسی می‌توانیم داشته باشیم.
مزیت مصونیت از عدم تداخل الکترومغناطیسی به ما این امکان را می‌دهد که آشکارسازی تخلیه جزئی را به‌صورت آنلاین دنبال نماییم. چرا که نسبت نویز به سیگنال بهتری نسبت به پالس‌های الکتریکی در محیط‌های با نویز بالا داریم و این امر باعث می‌شود که سیگنال‌های آکوستیک امیشن کمتر اطلاعات غلط بدهند. با این حال مصونیت از عدم تداخل الکترومغناطیسی این معنی را نمی‌دهد که سیگنال‌های AE در سیستم دچار هیچ نویزی نمی‌شوند. لرزش‌های مکانیکی در هسته ترانسفورماتور منبعی برای تولید نویزهای آکوستیکی است ولی خوشبختانه محتوای فرکانسی این لرزش‌ها بقدر کافی کمتر از محتوای فرکانسی سیگنال‌های آکوستیک امیشن می باشد.
شکل 1: انتشار موج آکوستیک امیشن در مخزن ترانسفورماتور
شکل 2: انتشار موج آکوستیک ناشی از PD در ترانسفورماتور
مسئله‌ی اصلی در ترانسفورماتورهای قدرت عدم همگنی محیطی است که سیگنال ایجاد شده توسط تخلیه جزئی برای رسیدن به سنسور می‌پیماید. محیط آکوستیکی درون مخزن روغن بسیار پیچیده است که منجر به پدیده‌هایی از قبیل بازتاب موج و تفرق در مواد مختلف میگردد. بطور کلی موج دو مسیر را برای رسیدن از منبع به سنسور طی می‌نماید. مسیر مستقیم و مسیری که از طریق دیواره‌ی مخزن می‌پیماید. وقتی که موج به دیواره‌ی مخزن برخورد می‌کند، ویژگی‌های فرکانسی آن ثابت می‌ماند ولی مد انتشار و سرعت انتشار تغییر می‌کند. شکل زیر این موضوع را بیان می‌کند.
سرعت انتشار موج به محیط انتشار بستگی دارد. سرعت انتشار موج در فلز بیشتر از روغن است. بنابراین ممکن است موج از مسیر بدنه‌ی مخزن زودتر از مسیر مستقیم به سنسور برسد. اگر مبنای محاسبه‌ی مسافت بر پایه‌ی محاسبه‌ی زمان رسیدن از طریق بدنه با استفاده از سرعت انتشار در روغن باشد، سبب ایجاد خطا در محاسبه‌ی محل PD میگردد. بنابراین ضروری است که سرعت انتشار در بدنه‌ی مخزن را تخمین بزنند.
سرعت انتشار موج در روغن 20 درجه ساتنیگراد برابر با 1413m/s، در صفحات هسته 1500m/s، در مس 3570m/s و در استیل 5100m/s می‌باشد. سرعت انتشار موج در روغن وابستگی به دمای روغن و میزان رطوبت دارد.
شکل 3: رابطه‌ی بین دمای روغن و سرعت موج
روشی مناسب برای تمیز قائل شدن بین موجی که از طریق بدنه منتقل شده‌است با موجی که مسیر مستقیم درون روغن را پیموده‌است، آنالیز مود ارتعاشی موج است. در سیالات مانند روغن، تنها امواج فشاری منتشر می‌گردند در حالی که در جامدات مانند استیل انواع مختلفی از حرکت موج مشاهده میگردد. موج برشی دامنه‌ی بالاتری دارد و بدینوسیله قابل شناسایی است. در حالیکه موج فشاری سریعتر است و ممکن است زودتر به سنسور برسد.
شکل 4: موج برشی و موج فشاری
فرکانس اصلی PD با بزرگی حدود 150pC برابر با 100KHz است. معمولا کاربران از سنسورهایی با فرکانس رزونانس 60KHz یا 150 استفاده می‌کنند. برای PD های بزرگتر، فرکانس باید کاهش یابد. همچنین میراشدن فرکانس‌های بالا بیشتر از فرکانس‌های پایین است. معمولا سنسورهای 60KHz برای آزمون در کارخانه و آزمایشگاه و سنسورهای 150KHz زمانی که آزمون در سایت انجام می‌شود، مورد استفاده قرار میگیرد. در سایت فرکانس‌های مزاحم در محدوده‌ی فرکانسی 20KHz الی 60KHz وجود دارد که می‌تواند منجر به ایجاد خطا در ردیابی PD گردد به همین دلیل از سنسورهای متفاوتی نسبت به تست آزمایشگاهی استفاده می‌شود. برای اتصال سنسورها به دیواره‌ی مخزن از ژل یا گریس مخصوص معروف به کوپلنت استفاده میگردد. کوپلنت‌های با ویسکوزیته‌ی بالاتر مناسب‌تر است زیرا کوپلنت‌های با ویسکوزیته‌ی پایین نمی‌تواند امواج برشی را منتقل نماید. شکل‌های زیر محل‌های نصب و تعبیه سنسورها در انواع ترانسفورماتورها را توضیح می‌دهد.
البته این روش نیز مانند سایر روش‌ها دارای محدودیت‌هایی می‌باشد. اولین مسئله، ماهیت پیچیده‌ی انتشار موج آکوستیک امیشن است. از آنجایی که ترانسفورماتورهای قدرت شکل ناهمگنی دارند، لذا موج‌های منتشر شده بصورت کامل در یک محیط کروی سیر نمیکنند. منشاء و منبع تولید سیگنال آکوستیک امیشن متأثر از موضوع بازتاب و انعکاس در داخل مخزن و نویزپذیری در مسیرهای چندگانه‌ی انتشار و همچنین آشفتگی و پراکندگی و جذب در روغن، باعث می‌شود که دامنه‌ی سیگنال‌ها تضعیف گردد.
مطالعات موردی
مورد (1) :
در حین آزمون ولتاژ القا شده در آزمایشگاه، فعالیت PD در یک ترانس 3فاز، MVA 250، KV10,5/121/400، ساخته شده در سال 1998 توسط روش الکتریکال آنالوگ اندازه‌گیری شد. با استفاده از آزمون آکوستیک امیشن محل PD مشخص گردید که نتایج آن در شکل زیر مشخص است.
شکل 5: نمایش محل‌های PD در مخزن ترانسفورماتور
پس از دمونتاژ کردن ترانسفورماتور، یک تخلیه الکتریکی غیرعادی داخلی در فاز A ملاحظه گردید (شکل زیر). عایق بین استرس رینگ سیم‌پیچ 110KV و هسته‌ی بالایی شکسته بود.
شکل 6: تخلیه الکتریکی داخلی
مورد (2) :
نتیجه‌ی آزمون آنالیز گازی برای یک ترانس 350MVA مدل 1976، KV35/115/400 در جدول زیر آمده‌است. وجود دیاکسیدکربن نشانه‌ای از وجود PD در عایق سلولزی می‌باشد.
فعالیت ناپایدار تخلیه جزئی در طی 14ساعت داده‌برداری با آزمون آکوستیک امیشن ملاحظه شد که پس از مکان‌یابی مشخص شد که محل خطا در نزدیکی هسته‌ی خنک کننده‌ی فاز A بوده‌است (شکل زیر) و لذا تصمیم‌گیری شد که ترانس در سرویس باقی بماند.
شکل 7: نمایش محل فعالیت‌های آکوستیکی در مخزن ترانسفورماتور
گزارش آزمون گازکروماتوگرافی :
جدول میزان عناصر موجود در روغن ترانسفورماتور به شرح زیر است :
میزان عناصر موجود در روغن ترانسفورماتور
وجود عناصر مختلف و میزان آن در روغن، می‌تواند راهنمایی جهت بررسی اتفاقات و نوع عیوبات موجود در ترانسفورماتور باشد. جدول زیر این موضوع را توضیح می‌دهد (IEEE Guide C57.104).
مقایسه‌ی نوع عیب با عناصر موجود در روغن
مقایسه جداول فوق (وجود عناصر هیدروژن و استیلن)، وجود دو عیب تخلیه جزئی وجرقه زنی در روغن را پیش‌بینی می‌نماید.
