يتسارع تقادم المحول عندما يؤدي الإجهاد الحراري المستمر إلى تدهور نظام العزل. فالورق السلولوزي والزيت اللذان يعزلان الملفات ويدعمانها يتدهوران تدريجياً، ويتأثر معدل التدهور بدرجة الحرارة التي يتعرض لها العزل بشدة. وتكتسب حرارة النقطة الساخنة في الملفات أهمية خاصة، لأن منطقة صغيرة أعلى حرارة من بقية الملف قد تقادم عزلها أسرع مما يوحي به متوسط حرارة المحول.
الشيخوخة أو التقادم (Ageing / Aging) ليس مجرد عدد السنوات التي قضتها الوحدة في الخدمة. فقد يختلف العمر المتبقي للعزل كثيراً بين محولين متساويين عمراً بحسب أحمالهما وتبريدهما وصيانتهما. وتعد حرارة الملفات وسجلها الحراري من أكثر المعلومات فائدة لفهم هذا الاختلاف.
ما تقادم المحوّل؟
تقادم المحول هو التدهور الفيزيائي والكيميائي التدريجي لنظام العزل بمرور الوقت. وفي محول قدرة زيتي نموذجي، تشمل المواد الأساسية السليلوز (الورق واللوح المضغوط) والزيت العازل. ويشكّلان معًا نظام عزل الزيت والورق الذي يفصل الملفات كهربائيًا ويدعمها ميكانيكيًا.
يمثل السليلوز موضع الاهتمام الرئيسي في تقادم عزل محولات القدرة. ويمكن ترشيح الزيت أو معالجته أو استبداله خلال عمر المحول، لكن لا يمكن عملياً استبدال الورق الملفوف حول الموصلات من دون إعادة بناء الملف. ومع تدهور الورق، يفقد قوته الميكانيكية؛ وهذا الفقد سبب رئيسي في أن حالة العزل تحدد غالباً الحد العملي لعمر المحول.
من المفيد التمييز بين العمر الزمني وحالة العزل. فقد لا يظهر على محول عمل لسنوات طويلة عند درجات حرارة معتدلة مع تبريد فعال ورطوبة منخفضة سوى تدهور بسيط في العزل. بينما قد تكون حالة وحدة أخرى مماثلة عمراً مختلفة كثيراً بعد أحمال مرتفعة متكررة أو تبريد مقيد أو تسرب رطوبة. العمر نقطة بداية للتقييم وليس مقياساً للحالة.
الإجهاد الحراري هو العامل الذي يستطيع المهندسون رصده وإدارته مباشرةً أثناء التشغيل أكثر من غيره. ولهذا تحظى حرارة الملفات وحرارة النقاط الساخنة باهتمام كبير عند تناول تقادم محوّلات الطاقة.
لماذا تسرّع الحرارة تقادم المحوّل؟
تتسارع التفاعلات الكيميائية التي تحلل السليلوز مع ارتفاع الحرارة. فارتفاع حرارة العزل يسرّع تدهور البنية الجزيئية للسليلوز، ما يؤدي بدوره إلى فقدان أسرع للمتانة الميكانيكية وقصر عمر العزل. والعلاقة غير خطية؛ إذ يكون أثر الزيادة الحرارية نفسها أكبر عند درجات الحرارة الأعلى.
قد تصادف قواعد تقريبية بسيطة تفيد بأن عمر العزل ينخفض إلى النصف مع كل زيادة ثابتة في درجات الحرارة. وتعتمد هذه القواعد على النموذج المرجعي ونوع العزل والظروف المفترضة، لذا لا ينبغي اعتبارها حقائق عامة. وتصف أدلة التحميل مثل IEC 60076-7 وIEEE C57.91 النماذج الحرارية وحسابات التقادم للمحولات المغمورة بالزيت. وينبغي أن يستند أي حساب كمي للعمر إلى المعيار والنموذج والمعلمات المنطبقة على المحول المعني.
الحمل والفواقد
تنشأ الحرارة في المحول من الخسائر. فيولد تيار الحمل خسائر في الملفات، وتؤدي زيادة التيار إلى رفع الخسائر والحرارة المتولدة، فترتفع حرارة الملفات فوق حرارة الزيت المحيط.
لكن الحمل ليس العامل الوحيد المؤثر في السلوك الحراري. فدرجة الحرارة المحيطة وفواقد التيارات الشاردة في الأجزاء الإنشائية وحالة الزيت وأداء نظام التبريد تؤثر أيضًا في مقدار الحرارة المغادرة للملفات وفي حرارة العزل النهائية.
أداء التبريد
يحدد التبريد مدى كفاءة نقل الحرارة بعيدًا عن الملفات والقلب. وقد يشمل ذلك، وفق تصميم المحوّل، دوران الزيت الطبيعي أو تدفقه القسري أو المشعات أو المراوح أو المضخات. وعندما يتراجع التبريد، مثل انسداد تدفق الهواء أو اتساخ المشعات أو تعطل مروحة، قد ترتفع الحرارة بوضوح عند الحمل نفسه.
لذلك قد يتعرض محولان يحملان الحمل نفسه لدرجتي حرارة مختلفتين في العزل. وهذا أحد أسباب عدم كفاية سجل الحمل وحده لوصف التقادم الحراري، وأهمية بيانات الحرارة في إضافة معلومات لا توفرها قياسات التيار.
حرارة الملفات والنقطة الساخنة فيها وحرارة الزيت العلوي
غالباً ما تختلط هذه المصطلحات الثلاثة، رغم أنها تصف أموراً مختلفة. تُقاس حرارة الزيت العلوي في الجزء العلوي من الزيت. وتشير حرارة الملفات عادةً إلى حرارة موصلات الملفات أو العزل المحيط بها. أما حرارة النقطة الساخنة فهي أعلى درجة حرارة داخل الملف، وهي عموماً القيمة الأهم لتقادم العزل.
| معلمة الحرارة | ما الذي يمثله؟ | كيفية الحصول عليها | أهميتها للتقادم |
|---|---|---|---|
| درجة حرارة الزيت العلوية | حرارة الزيت في الجزء العلوي من الخزان | تُقاس مباشرةً عادةً بمسبار أو مستشعر في منطقة الزيت العلوية | توفر خط أساس لحرارة الزيت تُضاف إليه زيادة حرارة الملفات، لكنها لا تمثل كل مواضع الملفات |
| حرارة الملفات | الحرارة العامة للملفات، وغالبًا ما تكون قيمة تقديرية | تُحسب عادةً من حرارة الزيت العلوي وتيار الحمل باستخدام مؤشر حرارة الملفات (WTI) أو نموذج حراري | تشير إلى الإجهاد الحراري على عزل الملفات استناداً إلى قيم محسوبة أو محاكاة |
| حرارة النقطة الساخنة في الملفات | أعلى درجة حرارة داخل الملف | تُحسب بنموذج حراري أو تُقاس مباشرةً عند تركيب مجس في الموضع المعني | تمثل الجزء الأشد تعرضاً للإجهاد الحراري من العزل، ولذلك تؤثر بقوة في معدل التقادم الموضعي |
| قياس مباشر لحرارة الملفات بالألياف الضوئية | حرارة النقطة الفعلية عند موضع طرف استشعار المجس | يقيسها مسبار ألياف ضوئية مركب في موضع مختار من الملف | توفر بيانات حرارة مقاسة في ذلك الموضع يمكن مقارنتها بالقيم المحسوبة |
لا تمثل حرارة الزيت العلوي كل موضع من الملف، لأن حرارة الملفات قد تتجاوز كثيراً حرارة الزيت أعلى الخزان، ويتغير هذا الفرق مع الحمل. وتوفر مؤشرات WTI والنماذج الحرارية معلومات محسوبة أو محاكاة عن حرارة الملفات، بينما توفر المجسات المباشرة بيانات حرارة من مواقع مادية مختارة. ويجيب النهجان عن سؤالين مترابطين لكن مختلفين.
للاطلاع على نهج أوسع للمراقبة، راجع نظرة عامة على مراقبة حرارة المحوّلات.
لماذا تهم النقاط الساخنة في عمر عزل المحول؟
لا يتقادم العزل بالتساوي. فمعدل التقادم يتبع الحرارة الموضعية، ولذلك تسهم المنطقة الأعلى حرارة في الملف غالبًا بأكبر قدر في فقدان عمر العزل. وهذا يجعل حرارة النقطة الساخنة في الملف أهم للتقادم من متوسط يخلط بين المناطق الحارة والباردة.
في هذا السياق، تعني النقطة الساخنة أعلى موضع حرارة داخل الملف، لا بقعة دافئة على سطح الخزان. وقد يتركز الإجهاد الحراري الموضعي في مواضع معينة بسبب تولد الحرارة وتدفق الزيت حول الموصلات. وتُشرح الأسباب بمزيد من التفصيل في مقالتنا عن ما أسباب النقاط الساخنة في المحوّلات؟لذا تقتصر النقطة هنا على الصلة بالتقادم: فقد تصل منطقة صغيرة تظل أسخن من غيرها إلى مرحلة متقدمة جداً من تدهور الورق مقارنةً ببقية الملف.
ولهذا أثر عملي: إذا قلّل التقدير أو القياس حرارة النقطة الساخنة المحلية، فقد يقل تقدير الإجهاد الحراري الواقع على العزل أيضًا. وعندما يلزم معرفة حرارة النقطة الساخنة لا مجرد حسابها، مراقبة النقاط الساخنة مباشرةً يوفر القياس في مواضع مختارة من الملفات بيانات فعلية للمقارنة.
كيف يتقادم ورق عزل المحول؟
ينصب تقادم عزل المحول أساساً على تقادم السليلوز. ويتكون السليلوز من سلاسل بوليمرية طويلة، ويؤدي التحلل الحراري تدريجياً إلى تكسيرها إلى سلاسل أقصر. ومع قصر السلاسل، يصبح الورق أضعف وأكثر هشاشة، فتقل قدرته على تحمل الإجهادات الميكانيكية أثناء الخدمة، مثل تلك التي تحدث في حالات القصر الكهربائي.
ينتج تقادم ورق عزل المحول من عدة عمليات متزامنة:
- التدهور الحراري: تحلل الحرارة المرتفعة سلاسل السليلوز مباشرةً، وهذا هو جوهر التقادم الحراري للمحوّل.
- الرطوبة: تسرّع المياه في الورق التدهور، كما تنطلق هي نفسها ناتجًا ثانويًا للعملية؛ لذلك قد يغذي التقادم نفسه.
- الأكسجين والأكسدة: يعزز الأكسجين في الزيت أكسدة الزيت والورق، منتجاً أحماضاً ونواتج أخرى تزيد من تدهور العزل.
يعمل نظام الزيت والورق كوحدة واحدة. فالزيت المتدهور قد يحمل أحماضًا ورطوبة تؤثر في الورق، كما تنتقل نواتج تحلل الورق إلى الزيت. ولهذا تُقيّم حالة الزيت والورق معًا عند فحص حالة المحوّل.
درجة البلمرة (DP) مؤشر لوصف حالة السليلوز، إذ تعكس متوسط طول سلاسله. وتُقدّر عادةً من عينات الورق أو تُستنتج من مؤشرات مرتبطة. ويتطلب تفسير قيمة DP معايير مرجعية من معيار أو إرشادات معترف بها، وينبغي تقييمها مع معلومات الحالة الأخرى لا استخدامها منفردةً للحكم على المحوّل.
الحرارة مهمة، لكنها ليست عامل التقادم الوحيد
تؤثر الحرارة بقوة في معدل تقادم العزل، لكنها تعمل بالتوازي مع عوامل أخرى. واعتبارها الصورة الكاملة يعطي تقييمًا ناقصًا لتقادم المحوّل.
| العامل | العلاقة بالتقادم |
|---|---|
| درجة الحرارة | تسرّع حرارة العزل الأعلى التحلل الكيميائي للسليلوز والزيت. |
| الرطوبة | تسرّع الرطوبة في الورق والزيت التدهور وقد تخفض قوة العزل الكهربائي. |
| الأكسجين | تعزز أكسدة الزيت والورق وتكوّن نواتج حمضية. |
| حالة الزيت | قد يحمل الزيت الملوث أو المؤكسد رطوبة وأحماضًا تؤثر في الورق. |
| تاريخ الأحمال | يحدد مستوى الأحمال السابقة ومدتها مقدار الإجهاد الحراري المتراكم. |
| أداء التبريد | يغير مقدار الحرارة المسحوبة، وبالتالي درجة الحرارة التي يبلغها المحوّل عند حمل معين. |
| حالة العزل | قد يستجيب العزل المتدهور مسبقًا بصورة مختلفة لمزيد من الإجهاد الحراري والميكانيكي. |
تتفاعل هذه العوامل. فمثلًا تجعل الرطوبة درجة حرارة معينة أشد ضررًا، بينما تميل الحرارة الأعلى إلى نقل الرطوبة من الورق إلى الزيت. لذلك تكون بيانات الحرارة أنفع عند قراءتها إلى جانب العوامل الأخرى في الجدول.
كيف يُراقب تقادم المحول؟
لا يستطيع مستشعر واحد قياس تقادم المحول بالكامل. فالتقادم حصيلة تراكم تأثيرات عديدة على مدى سنوات، لذا يعتمد تقييمه على عدة أنواع من المعلومات:
- سجل درجات الحرارة، بما فيها حرارة الزيت العلوي والملفات
- حرارة النقطة الساخنة في الملفات، محسوبة أو مقاسة
- مؤشرات حالة الزيت
- تحليل الغازات الذائبة (DGA)
- الرطوبة في الزيت والعزل
- تحليل الفوران
- اختبارات حالة العزل
- سجل التشغيل والأحمال
تسهم مراقبة الحرارة بجزء من الصورة: مقدار الإجهاد الحراري الذي تعرض له العزل وكيف يتغير مع الحمل وظروف التبريد. أما الطرق الأخرى في القائمة فتصف حالة الزيت والورق الناتجة. ويمنح استخدامها معاً أساساً أكثر توازناً لتقييم الحالة من استخدام أي طريقة منفردة.
القياس المباشر لحرارة الملفات والتقادم الحراري
غالبًا ما تُقدّر حرارة الملفات بدلًا من قياسها. وتستخدم الطرق الشائعة حرارة الزيت العلوي أو تيار الحمل أو نموذجًا حراريًا أو مؤشر WTI لحسابها. وهذه الطرق واسعة الاستخدام وتقدم معلومات مفيدة، لكن الناتج قيمة محسوبة تستند إلى افتراضات النموذج. ولمقارنة الطرق، راجع مقالنا عن كيفية قياس حرارة ملفات المحوّل.
يختلف القياس النقطي المباشر عن ذلك. إذ يركب المسبار بحيث يكون طرف الاستشعار عند موضع مختار من الملف، ويعطي القياس درجة الحرارة الفعلية في تلك النقطة. وفي مسبار الألياف الضوئية القائم على الفلورة، تُستخلص الحرارة من سلوك فلورة المادة عند طرف الاستشعار، وينقل الليف الإشارة إلى خارج المحول.
في تطبيقات الملفات، يمكن استخدام حساس حرارة الملفات بالألياف الضوئية يوفر خصائص متعددة تلائم هذه البيئة:
- قياس مباشر للحرارة عند موقع مختار
- عزل كهربائي لمسار الاستشعار البصري
- مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي
- تهيئات متعددة النقاط تستخدم عدة مجسّات مستقلة
عندما تتطلب عدة مواضع من الملفات بيانات حرارية طويلة الأمد، يمكن توصيل مجسّات متعددة بـ نظام مراقبة حرارة المحول الزيتي، الذي يسجل القنوات معًا ويتابع تغيرها مع الحمل وظروف التبريد.
لا تقيس هذه المستشعرات تقادم العزل. بل توفر بيانات فعلية عن حرارة الملفات والنقاط الساخنة عند مواقع الاستشعار المختارة، إلى جانب اتجاهات الحرارة مع تغير الحمل والتبريد. وتشكل هذه البيانات مدخلاً لتقييم الإجهاد الحراري وفهم الظروف التي يتقادم فيها المحول.
مهم: لا يحدد القياس النقطي كل النقاط الساخنة تلقائيًا
يقيس مسبار الحرارة بالألياف الضوئية القائم على الفلورة الموقع المادي الذي رُكب فيه طرف الاستشعار. وهو ليس مستشعراً موزعاً، كما أن الليف بين طرف الاستشعار والجهاز لا يقيس الحرارة على امتداده. يقيس المسبار الواحد موضعاً محدداً واحداً.
يمكن للمجسّات بالألياف الضوئية قياس الحرارة مباشرةً في مواضع مختارة أو محددة مسبقًا من الملفات، بما فيها المواضع المتوقع أن تكون حرجة حراريًا. لكنها لا تكتشف نقطة ساخنة مجهولة تلقائيًا. وإذا لزم القياس المباشر في مواضع عدة، فيلزم استخدام عدة مجسّات.
لذلك ينبغي مراعاة موضع المستشعر أثناء تصميم المحول وتصنيعه واختباره في المصنع، أو خلال مراجعة هندسية لمواضع القياس المتاحة. ولا يمكن عمومًا إضافة مجسّات داخلية للملفات بعد بدء تشغيل المحول الزيتي.
المحوّلات الجديدة مقارنةً بالمحوّلات القائمة
تختلف الخيارات العملية بين المحول الجديد والمحول الموجود في الخدمة.
المحوّلات الجديدة: يمكن التخطيط لمجسّات القياس المباشر للملفات قبل التجميع النهائي عندما يسمح تصميم المحوّل. ويمكن الاتفاق مع المصمم على مواضعها وتوجيهها وتثبيتها أثناء التصنيع والتحقق منها أثناء اختبارات المصنع.
المحوّلات القائمة: يكون الوصول إلى الملفات الداخلية محدودًا عادةً، ولا يمكن افتراض إمكان إضافة مجسّات داخلية لاحقًا. وقد يعتمد تقييم الحرارة أكثر على الأجهزة الموجودة وقياس الزيت العلوي ومؤشر WTI والقياسات الخارجية ونقاط الرصد المتاحة أصلًا.
ما بيانات الحرارة المفيدة لتقييم تقادم المحول؟
تجيب مصادر البيانات المختلفة عن أسئلة مختلفة. والجدول أدناه ليس ترتيبًا للأفضلية، لأن كل بند يساهم بمعلومة مختلفة في تقييم التقادم.
| القياس / المؤشر | ما الذي توضحه؟ | مباشر أم غير مباشر | القيد الرئيسي |
|---|---|---|---|
| درجة حرارة الزيت العلوية | حرارة الزيت في الجزء العلوي من الخزان | قياس مباشر للزيت وغير مباشر للملفات | لا يمثل درجات الحرارة الموضعية للملفات |
| WTI / نموذج حراري | حرارة ملفات محسوبة أو محاكاة | غير مباشر | تعتمد على افتراضات النموذج ومعايرته |
| مسبار ألياف ضوئية مباشر للملف | الحرارة الفعلية عند موضع واحد مختار من الملف | مباشر | يقيس نقطة واحدة فقط، ويجب التخطيط لموضعها |
| مجسّات متعددة للملفات | درجات الحرارة في عدة مواضع مختارة | مباشر | يغطي المواضع التي رُكّبت فيها المجسّات فقط |
| سجل الحمل | مدى تحميل المحوّل على مر الزمن | مؤشر غير مباشر على الإجهاد الحراري | لا يعكس حالة التبريد أو الحرارة الموضعية |
| مؤشرات تحليل الغازات الذائبة (DGA) / حالة الزيت | الغازات وخصائص الزيت التي تعكس التدهور أو الأعطال | غير مباشر | يوضح الحالة الناتجة لا درجة الحرارة التي تسببت فيها |
| تقييم الفوران أو العزل | مؤشرات مرتبطة بتدهور الورق | غير مباشر | يعتمد التفسير على تاريخ الزيت والمعايير المرجعية |
الخلاصة
يتأثر تقادم المحوّل بشدة بالظروف الحرارية التي يتعرض لها نظام العزل، ويكون الأثر أكبر عند أعلى درجات الحرارة. وتوفر حرارة النقطة الساخنة في الملفات معلومات لا تمثلها حرارة الزيت المتوسطة وحدها بالكامل، ولذلك تحظى بأهمية كبيرة عند مناقشة العمر الحراري للمحوّل.
يوفر القياس النقطي المباشر بيانات فعلية للحرارة عند مواقع مادية مختارة، ويمكن مقارنتها بالقيم المحسوبة من WTI أو نموذج حراري. لكنه لا يقيس التقادم نفسه. وينبغي النظر في بيانات الحرارة مع معلومات الرطوبة وحالة الزيت وسجل الأحمال وغيرها من بيانات حالة المحول.
إذا كان قياس حرارة الملفات أو النقطة الساخنة جزءاً من مشروع مراقبة محول، يمكن لـINNO المساعدة في مراجعة مواقع القياس وتهيئة المجسات وقنوات المراقبة المطلوبة.