ارتفاع حرارة المحول هو مقدار تجاوز حرارة أحد مكوناته لدرجة مرجعية، عادةً حرارة الهواء المحيط أو وسيط التبريد. وهو فرق لا قراءة منفردة. وينطبق المفهوم على حرارة الزيت العلوية والملفات والنقطة الساخنة، ولكل منها ارتفاعها الحراري الخاص.
ينشأ الالتباس لأن مصطلحي «درجة الحرارة» و«ارتفاع درجة الحرارة» يُستخدمان كثيرًا بالتبادل. فالملف الذي تبلغ حرارته 80°C في يوم بارد وآخر تبلغ حرارته 80°C في يوم حار لهما درجة الحرارة المطلقة نفسها، لكن ارتفاع الحرارة مختلف.
ما ارتفاع حرارة المحول؟
في أبسط صورة، يساوي ارتفاع الحرارة درجة حرارة المكوّن مطروحاً منها درجة الحرارة المرجعية:
ارتفاع الحرارة = درجة حرارة المكوّن − درجة الحرارة المرجعية
قد يكون المكوّن هو الزيت العلوي أو الملفات أو موضعًا محددًا داخلها. والمرجع عادةً هو حرارة الجو المحيط أو وسيط التبريد، وفق التعريف المستخدم. ويتوقف المرجع المنطبق على تصميم المحول وترتيب التبريد والمواصفة أو المعيار المستخدم.
توضح درجة الحرارة المطلقة مدى سخونة موقع ما، بينما يوضح ارتفاع الحرارة مقدار الزيادة الناتجة عن تشغيل المحول نفسه بدلاً من الظروف المحيطة. ولكل منهما فائدة، لكنهما يجيبان عن سؤالين مختلفين. وترتبط درجة الحرارة المطلقة ارتباطاً وثيقاً بالإجهاد الحراري على العزل، بينما يساعد ارتفاع الحرارة على مقارنة الأداء الحراري في ظروف محيطة مختلفة.
يمكن وصف ارتفاع الحرارة لكل جزء من المحوّل على حدة: الزيت العلوي والملفات والنقطة الساخنة ومناطق الهيكل أو الخزان.
لماذا ترتفع حرارة المحوّل؟
المحوّلات عالية الكفاءة لكنها ليست بلا فواقد. فالطاقة المفقودة أثناء التشغيل تظهر على شكل حرارة تنتقل إلى الزيت أو الهواء أو وسيط تبريد آخر. وينشأ ارتفاع الحرارة من التوازن بين توليد الحرارة وإزالتها.
فواقد الملفات
يولد تيار الحمل المار في الملفات فواقد مقاومية. وبوجه عام، يزيد ارتفاع التيار فواقد الملفات والحرارة المتولدة في الموصلات. وهذا أحد الأسباب الرئيسية لارتفاع حرارة الملفات مع زيادة الحمل.
العلاقة ليست فورية. فللملفات والزيت والعزل كتلة حرارية؛ لذلك تستجيب درجات الحرارة لتغير الحمل بمرور الوقت لا فورًا. ويستجيب الزيت عادةً أبطأ من موصلات الملفات.
خسائر القلب والخسائر الشاردة
ينتج القلب فواقد ما دام المحول موصولًا بالطاقة، وبدرجة كبيرة لا تعتمد على الحمل. أما الفواقد الشاردة فتنشأ من فيض التسرب في الأجزاء الإنشائية كجدران الخزان وهياكل التثبيت والمكونات المعدنية الأخرى، وتسهم أيضًا في التسخين الموضعي. ويضيف كلا النوعين إلى الحالة الحرارية العامة، مع اختلاف التفاصيل بحسب التصميم.
ظروف التبريد
يجب طرح الحرارة من المحول للحفاظ على استقرار درجات الحرارة. وقد يشمل ذلك، بحسب التصميم، دوران الزيت الطبيعي أو تدفقه القسري والمشعات والمراوح أو المضخات والهواء المحيط. وعندما تقل فعالية طرح الحرارة، تؤدي الخسائر نفسها إلى ارتفاع حراري أكبر. وقد يحدث ذلك بسبب ارتفاع الحرارة المحيطة أو تقييد تدفق الهواء أو تغيير ترتيب التبريد.
لذلك يُفهم ارتفاع الحرارة على أفضل وجه بوصفه نتيجة مشتركة للحمل والخسائر والتبريد، لا خاصية ثابتة للمحول.
الحرارة المحيطة والزيت العلوي والملفات والنقطة الساخنة
ترتبط درجات الحرارة هذه، لكنها ليست قابلة للاستبدال. ويلخص الجدول التالي علاقتها بارتفاع الحرارة.
| درجة الحرارة | ما الذي يمثله؟ | علاقته بارتفاع الحرارة | سبب الأهمية |
|---|---|---|---|
| درجة الحرارة المحيطة | حرارة الهواء أو الوسط المحيط | تُستخدم عادةً مرجعًا لحساب ارتفاع الحرارة | تحدد خط الأساس الذي ترتفع عنه حرارة المحوّل |
| درجة حرارة الزيت العلوية | حرارة الزيت في المنطقة العليا من الخزان | ارتفاع حرارة الزيت العلوي هو الفرق بين حرارته ودرجة الحرارة المرجعية | تعكس الحالة الحرارية العامة للزيت، لا الحرارة عند كل موضع من الملفات |
| حرارة الملفات | حرارة الملف، وغالبًا ما تكون قيمة تقديرية أو متوسطة | يكون ارتفاع حرارة الملفات عادةً أكبر من ارتفاع حرارة الزيت تحت الحمل | تعكس تسخين الموصلات والعزل المجاور |
| حرارة النقطة الساخنة في الملفات | أعلى درجة حرارة داخل الملف | يمكن التعبير عن حرارة النقطة الساخنة كقيمة مطلقة أو كارتفاع فوق درجة مرجعية | تمثل الموضع الأشد إجهادًا حراريًا في الملف |
| قياس مباشر لحرارة الملفات بالألياف الضوئية | الحرارة الفعلية عند طرف استشعار المسبار | يمكن استخدامه لحساب الارتفاع عند ذلك الموضع عند توفر درجة حرارة مرجعية | يعطي بيانات مقاسة من موقع مادي مختار |
ينبغي تذكر ثلاثة فروق. فحرارة الزيت العلوي ليست حرارة الملفات، لأن الملفات تعمل عادةً بدرجة أعلى من الزيت المحيط بها. ومتوسط حرارة الملفات ليس حرارة النقطة الساخنة، لأن المتوسط يجمع المناطق الأبرد والأسخن. أما قراءة المسبار المباشر فهي الحرارة الفعلية عند طرف الاستشعار، وقد لا تكون أعلى نقطة في الملف.
ارتفاع حرارة المحوّل مقارنةً بحرارة النقطة الساخنة
يصف ارتفاع الحرارة مقدار تجاوز درجة الحرارة لمرجع معين. أما حرارة النقطة الساخنة فتصف درجة الحرارة في موضع محلي محدد من الملف، عادةً الموضع الأعلى حرارة. وهما مفهومان مختلفان رغم ورودهما معاً في كثير من الأحيان.
يمكن التعبير عن حرارة النقطة الساخنة كدرجة مطلقة، كما يمكن تحليلها بوصفها ارتفاعًا فوق مرجع. وقد يُقصد بعبارة «ارتفاع الحرارة» متوسط ارتفاع حرارة الملفات أو الزيت أو النقطة الساخنة، لذا ينبغي توضيح المقصود. ويتناول مقالنا عن مصدر التسخين الموضعي في الملفات النقاط الساخنة في المحوّلات.
كيف يُقاس ارتفاع حرارة المحول؟
لا يقاس ارتفاع الحرارة بجهاز واحد. بل يُحدد بدمج درجة مرجعية مع درجات حرارة مكوّن واحد أو أكثر، يمكن قياس كل منها أو تقديرها بطريقة مختلفة. وللاطلاع على نظرة أوسع لأساليب المراقبة خلال عمر المحوّل، راجع صفحتنا عن مراقبة حرارة المحوّلات.
قياس الحرارة المحيطة / المرجعية
بما أن ارتفاع الحرارة فرق بين قيمتين، فيلزم معرفة درجة الحرارة المرجعية. وتقاس الحرارة المحيطة عادةً بحساس خارج المحوّل في موضع يمثل هواء التبريد. ويؤثر اختيار المرجع ومكان قياسه في النتيجة، لذلك ينبغي تعريفهما باتساق، خاصةً عند مقارنة النتائج بمرور الوقت أو بين وحدات مختلفة.
قياس حرارة الزيت العلوي
تُقاس حرارة الزيت العلوي في المنطقة العليا من الخزان حيث يتجمع الزيت الساخن. وهو قياس متاح على نطاق واسع ويقدم مؤشراً مفيداً للحالة الحرارية العامة للزيت. ويعطي طرح درجة الحرارة المرجعية ارتفاع حرارة الزيت العلوي، لكنه لا يصف حرارة مواضع الملفات الفردية.
تقدير حرارة الملفات
تُحسب حرارة الملفات عادةً. إذ يجمع مؤشر حرارة الملفات (WTI) أو النموذج الحراري غالبًا حرارة الزيت العلوي المقاسة مع إشارة تتناسب مع تيار الحمل، ثم يطبق معلمات النموذج لتقدير حرارة الملفات. ويوفر WTI والنموذج الحراري قيمة محسوبة أو محاكاة استنادًا إلى مدخلات مقاسة وافتراضات النموذج. وهما طريقتان راسختان ومفيدتان للمراقبة والحماية. ولمزيد من التفاصيل عن هاتين الطريقتين، راجع كيفية قياس حرارة ملفات المحوّل.
قياس مباشر لحرارة الملفات
يستخدم القياس المباشر مسبارًا مركّبًا عند موضع مختار من الملفات. وتمثل القيمة المقاسة الحرارة الفعلية عند تلك النقطة المادية، لا تقديرًا محسوبًا. ومع مسبار ألياف ضوئية يعتمد على التألق، ينقل الليف الإشارة من داخل المحول إلى جهاز يحولها إلى قراءة حرارية. وباستخدام درجة حرارة مرجعية، يمكن التعبير عن النتيجة كارتفاع حرارة عند ذلك الموضع. ويتناول قسم لاحق هذا الموضوع بمزيد من التفاصيل.
ما اختبار ارتفاع حرارة المحول؟
اختبار ارتفاع حرارة المحول، الذي يسمى أحياناً اختبار التسخين، اختبار مضبوط لمراقبة تسخين المحول تحت أحمال وظروف اختبار محددة. ويُجرى عادةً قبل إدخال المحول إلى الخدمة، ضمن التحقق من التصميم أو اختبارات المصنع.
الغرض هو رصد السلوك الحراري للزيت والملفات وتقييم استجابتهما لظروف الاختبار ومقارنة النتائج المقاسة بقيم التصميم أو المتطلبات المحددة. ويعطي الاختبار لقطة تحت ظروف مضبوطة؛ فهو يبين أداء المحوّل في هذا الإعداد، لا أحماله وتبريده على مدى سنوات الخدمة.
تحدد المعايير المنطبقة ومواصفات المشروع تفاصيل اختبار ارتفاع الحرارة، بما فيها ظروف الاختبار ومدته وطريقة تقييم النتائج. وينبغي الرجوع إلى تلك الوثائق مباشرةً بدلاً من الاعتماد على أوصاف عامة.
اختبار ارتفاع الحرارة مقارنةً بالمراقبة المستمرة
يتعلق اختبار ارتفاع الحرارة والمراقبة المستمرة بالحرارة، لكنهما يجيبان عن سؤالين مختلفين.
| الجانب | اختبار ارتفاع الحرارة | مراقبة الحرارة أثناء التشغيل |
|---|---|---|
| الغرض | التحقق من الأداء الحراري وفق التصميم أو المتطلبات المحددة | مراقبة سلوك الحرارة أثناء التشغيل الفعلي |
| وقت التنفيذ | عادةً في المصنع أو أثناء اختبارات محددة | باستمرار أو دوريًا خلال عمر الخدمة |
| ظروف التشغيل | ظروف اختبار مضبوطة ومحددة | ظروف الحمل والتبريد والجو الفعلية |
| مدة البيانات | يقتصر على فترة الاختبار | اتجاهات طويلة الأمد على مدى أيام وفصول وسنوات |
| معلومات الحرارة المعتادة | سلوك حرارة الزيت والملفات تحت ظروف الاختبار | اتجاهات الحرارة مع تغير الحمل والتبريد |
| أثناء الخدمة | مرجع للتحقق من التصميم | الوعي التشغيلي ومقارنة الاتجاهات والتحقق من النموذج الحراري |
لا يعادل الاختبار في المصنع أو في ظروف مضبوطة التشغيل طويل الأمد في الظروف الفعلية. وتوضح المراقبة المباشرة تغير الحرارة مع الحمل والتبريد في الموقع، لكنها لا تحل محل اختبار ارتفاع الحرارة في المصنع، كما أن الاختبار لا يحل محل المراقبة.
كيف يُحسب ارتفاع حرارة المحول؟
في أبسط صورة، الحساب هو عملية طرح:
ارتفاع الحرارة = درجة حرارة المكوّن − درجة الحرارة المرجعية
كمثال حسابي بحت، إذا كانت حرارة الجو 25°C وحرارة أحد المكونات المقاسة 75°C، فإن ارتفاع الحرارة هو 75 − 25 = 50°C. يوضح هذا المثال العملية الحسابية فقط؛ ولا يمثل حدًا مسموحًا أو قيمة نموذجية أو تصنيفًا للمحول.
يتطلب حساب حرارة الملفات أو النقطة الساخنة من بيانات التشغيل خطوات أكثر. فقد يعتمد على تيار الحمل وحرارة الزيت والثوابت الزمنية الحرارية والفرق بين حرارة الملفات والزيت وظروف التبريد. وتعتمد هذه الحسابات عادةً على نموذج حراري ودليل تحميل مثل IEC 60076-7 أو IEEE C57.91 وبيانات تصميم المحول. وتخص المعلمات التصميم المحدد، وينبغي أخذها من المصنّع أو الدليل المنطبق لا من افتراضات عامة.
ما المقصود بتصنيف ارتفاع حرارة المحول؟
يشير تصنيف ارتفاع حرارة المحوّل إلى الارتفاع الذي صُمم المحوّل لتحمله وفق نظام العزل وترتيب التبريد. ويرتبط بمتطلبات التصميم ونظام العزل وطريقة التبريد والمواصفات ذات الصلة. وتستخدم التصاميم والمعايير المختلفة حدودًا أو شروطًا مرجعية محددة مختلفة، لذلك لا توجد قيمة واحدة تنطبق على جميع المحوّلات.
لمعرفة تصنيف وحدة بعينها، راجع لوحة بيانات المحول ووثائق المصنّع ومواصفات المشروع والمعيار المنطبق. ولا ينبغي تطبيق قيمة تخص نوع محول معين على نوع آخر قبل التأكد من تطابق الظروف المرجعية والمتطلبات.
القياس المباشر لحرارة الملفات بالألياف الضوئية
تعتمد تقنية INNO على قياس الحرارة النقطي بالألياف الضوئية القائم على الفلورة. يُركب المسبار بحيث يكون طرف الاستشعار عند موضع مختار من الملف. وينقل الليف الإشارة إلى خارج المحول، ثم يقرأ جهاز متوافق درجة الحرارة.
A حساس حرارة الملفات بالألياف الضوئية وتوفر خصائص متعددة ملائمة لقياس حرارة الملفات:
- قياس مباشر لحرارة نقطة عند طرف الاستشعار
- عزل كهربائي لمسار الاستشعار البصري
- مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي
- قياس متعدد النقاط باستخدام مجسّات متعددة
لأن المجس يعرض الحرارة الفعلية عند موضع مختار، يمكن استخدامه للتحقق من ناتج النموذج الحراري أو مقارنة الحرارة مع تغير الحمل أو حساب ارتفاع الحرارة عند تلك النقطة عند تسجيل درجة مرجعية. وعندما يكون هدف القياس منطقة النقطة الساخنة، مراقبة النقاط الساخنة مباشرةً يمكنه قياس الحرارة عند مواضع الملفات المتوقع تعرضها لإجهاد حراري.
عند الحاجة إلى تسجيل عدة مواضع على المدى الطويل، يمكن توصيل عدة مجسّات بـ نظام مراقبة حرارة المحول الزيتي، الذي يسجل القنوات معاً ويتتبع اتجاهاتها بمرور الوقت.
يجب التخطيط للقياس النقطي
يقيس كل مسبار موضعًا ماديًا واحدًا مختارًا. ويلزم استخدام مجسّات عدة إذا تطلب الأمر قياسًا مباشرًا في مواقع متعددة. ولا يراقب المسبار الملف بأكمله، كما لا يقيس الليف بين طرف الاستشعار والجهاز الحرارة على امتداده. ولا تشكل مجسّات نقطية عدة نظام قياس موزع، ولا يحدد النظام تلقائيًا نقطة ساخنة مجهولة.
لذلك يجب تحديد مواضع المجسّات مسبقًا استنادًا إلى:
- تصميم المحوّل
- التحليل الحراري
- معلومات اختبار المصنع
- مواقع معروفة أو متوقعة ذات أهمية حرارية
- هدف القياس
لهذا السبب، يُخطط عادةً لمجسّات الملفات المباشرة أثناء التصميم والتصنيع. ويكون الوصول إلى داخل المحوّل القائم محدودًا عادةً، لذا لا يمكن افتراض إمكان إضافة مجسّات داخلية لاحقًا.
علاقة ارتفاع الحرارة بتقادم المحوّل
تزيد حرارة التشغيل المرتفعة، وخصوصًا الحرارة المستمرة عند نقطة ساخنة محلية، الإجهاد الحراري على عزل الملفات. وارتفاع الحرارة طريقة لوصف الظروف الحرارية للمحول، لأنه يبين مقدار تسخينه لذاته فوق الوسط المحيط. لكن تفسير ذلك من حيث عمر العزل يتطلب عوامل أخرى إلى جانب الحرارة؛ فالرطوبة وحالة الزيت وتاريخ الحمل وعوامل أخرى تؤثر أيضًا. يتناول مقالنا عن ذلك تقادم المحول يتناول هذه العلاقة بالتفصيل.
متى ينبغي مراجعة ارتفاع حرارة المحول؟
تجدر مراجعة ارتفاع الحرارة في مراحل محددة من عمر المحول. ولا تدل ملاحظة واحدة في القائمة التالية وحدها على وجود عطل؛ لكنها سبب لفحص البيانات بمزيد من التفصيل.
- حمل أعلى من المعتاد: يؤدي التحميل الثقيل المستمر أو المتكرر إلى تغيير توليد الحرارة ودرجتها.
- تغيرات التبريد: قد تؤدي تعديلات التبريد أو صيانته أو تغيير طريقة تشغيله إلى إزاحة درجة الحرارة عند حمل معين.
- حرارة أعلى عند حمل مماثل: إذا ارتفعت الحرارة مع حمل وحرارة محيطة متقاربين، فمن المفيد التحقيق في السبب.
- اختلافات بين الأطوار أو الملفات: قد تشير درجات الحرارة غير المتساوية في ملفات متشابهة إلى اختلاف الحمل أو التبريد أو القياس.
- اختبار ارتفاع الحرارة في المصنع: للتحقق من الأداء الحراري مقارنةً بالتصميم والمواصفات.
- التشغيل الأولي: لوضع خط أساس للسلوك الحراري أثناء الخدمة.
- التحقق من النموذج الحراري: لمقارنة درجات حرارة الملفات المحسوبة بالقيم المقاسة.
- المراقبة طويلة الأمد: لتتبع الاتجاهات الموسمية والمرتبطة بالحمل بمرور الوقت.
أي قياس للحرارة يوضح ماذا؟
تجيب القياسات المختلفة عن أسئلة مختلفة. ولا يمثل الجدول ترتيبًا للأفضلية، كما لا يتفوق صف واحد في كل الحالات.
| القياس | مناسب لـ | مباشر أم غير مباشر | القيد الرئيسي |
|---|---|---|---|
| درجة الحرارة المحيطة | توفير القيمة المرجعية لحساب ارتفاع الحرارة | قياس مباشر للوسط المحيط | يعتمد على موضع المستشعر ومدى تمثيله للبيئة |
| درجة حرارة الزيت العلوية | الحالة الحرارية العامة للزيت وارتفاع حرارته | مباشر للزيت وغير مباشر للملفات | لا يمثل مواضع الملفات الفردية |
| WTI | حرارة ملفات تقديرية للتشغيل والحماية | غير مباشر | يعتمد على المدخلات المقاسة وافتراضات النموذج |
| نموذج حراري | حساب حرارة الملفات والنقطة الساخنة من بيانات الحمل والزيت | غير مباشر | يعتمد على بيانات التصميم والمعلمات |
| 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 الفعلية في مواضع مختارة متعددة | مباشر | يغطي المواضع التي رُكّبت فيها المجسّات فقط |
الخلاصة
يصف ارتفاع حرارة المحوّل مقدار تسخين أحد مكوناته فوق درجة مرجعية. وينشأ عن تفاعل الحمل والفواقد والتبريد، ويظهر بصورة مختلفة في الزيت والملفات وعند النقطة الساخنة. وترتبط حرارة الزيت العلوي ومتوسط حرارة الملفات وحرارة النقطة الساخنة بعضها ببعض لكنها قيم متميزة، ويمكن التعبير عن كل منها كقيمة مطلقة أو كارتفاع فوق المرجع.
يمكن للمجسات المباشرة بالألياف الضوئية توفير قيم فعلية للحرارة عند مواضع مختارة من الملفات، ما يفيد في مقارنة البيانات المقاسة بالقيم المحسوبة وتتبع الاتجاهات في ظروف التشغيل الفعلية. ومع ذلك، يظل تفسير أي ارتفاع حراري مرتبطاً بتصميم المحول وترتيب التبريد وظروف الحمل والمواصفات المنطبقة.
إذا تطلب مشروع المحوّل قياس حرارة الملفات أو النقطة الساخنة مباشرةً، يمكن لـ INNO مراجعة مواضع المجسّات ومسار الألياف ومتطلبات قنوات المراقبة.