1. نظرة عامة

بحكم التعريف وفي الممارسة العملية، يُعدّ «نهاية عمر» الجهاز تلك اللحظة التي يُستبعد فيها المعدّات عن الخدمة وتصبح غير صالحة للاستخدام. وفي الحالة الاعتيادية والأكثر شيوعًا، تُتخذ هذه الخطوة كإجراء احترازي متعمّد من قبل المشغّل أو المالك، استنادًا أساسًا إلى تقدّم المعدّات في العمر (حالتها) و/أو اعتبارات اقتصادية ومخاطرية. وفي حالات نادرة، يعود التقادم إلى عطل كارثي يجعل المعدّات غير قابلة للإصلاح، أو أن تكلفة الإصلاح تفوق الحدود المعقولة، مع الأخذ في الاعتبار الحالة الفعلية (الشيخوخة) للمعدّات.

هناك عدم يقين في مفهوم «التشغيل الآمن» للمحوّلات الكهربائية: فالانتقال من حالة «آمن» إلى «لا يزال آمنًا»، ثم إلى «على الأرجح لا يزال آمنًا»، ثم إلى «على الأرجح لم يعد آمنًا»، وأخيرًا إلى «معرض للخطر»، يُعد عملية دقيقة وطويلة تمتد لعقود، ولا يمكن بأي حال من الأحوال تحديدها بدقة من خلال القياس أو المراقبة. وفي الواقع، فإن ما يهم قطاع المحولات هو المرحلة النهائية من عمر المحول، أي قبل أن يصبح خطرًا على السلامة. كما تبرز معضلة ثانية تتعلق بنهج «لا يزال آمنًا/معرض للخطر»: فاعتمادًا على درجة أهمية المحول (مثل محولات رفع الجهد الخاصة بالمولدات في محطات الطاقة الاستراتيجية مقارنةً بمحولات محطات التحويل الاحتياطية في الشبكة، ومخاطر التغذية)، يُعدّل أصحاب المحولات معايير نهاية العمر التشغيلي لديهم، وهو أمر يُعد بطبيعة الحال آليةً طبيعية لإدارة المخاطر. ثالثًا، إن قرارات التشغيل الآمن أو الخطر، بالإضافة إلى الاعتبارات المالية، ستعتمد أيضًا على حجم الضرر البيئي الذي قد ينجم عن عطل محتمل، مثل تسرب الزيت أو مخاطر الحرائق وغيرها.

في هذه الدراسة، يُشير مصطلح «نهاية العمر» إلى حالة الشيخوخة التي يمر بها المحول، وبشكل أدق، إلى الفترة الزمنية التي قد يتعذّر خلالها استمرار التشغيل الآمن للمحول بسبب تدهور العزل الصلب، مما يجعل فشله الفيزيائي واردًا في أي لحظة. ولا يتناول هذا التقرير حالة الزيت بحدّ ذاته؛ إذ إن الزيت، إلى جانب الشيخوخة المستمرة والتي لا رجعة فيها للورق، يمكن استبداله أو إعادة تدويره أثناء الاستخدام. وعلى وجه الخصوص، تهدف هذه الدراسة إلى دراسة حالة العزل الصلب في محولات الطاقة المبردة بالزيت المعدني عند ما يُسمّى بـ«نهاية العمر»، وتحديد الثغرات المعرفية ذات الصلة.

من الناحية التقنية، يزداد الوضع تعقيدًا باستمرار: فمن المُسلَّم به عمومًا أن الضغط المباشر الرئيسي على العزل الصلب للمحول — والذي يحدد عمره ويشكّل حدًّا له ويُقصِّر مدة خدمته — هو الإجهاد الكهربائي العابر (نتيجة صاعقة أو نبضة جهد ناتجة عن التشغيل) أو الإجهاد الميكانيكي قصير الأمد الناجم عن حدث قصر كهربائي في الشبكة أو تيار طفرة يؤدي إلى مرور تيار كبير في الملفات. وبحسب حدوث هذا الإجهاد وطبيعته، ولا سيما تردده وشدته، قد يُقصَّر عمر المحول أو يُمدَّد؛ إذ يمكن للمحول أن يستمر في العمل لسنوات عديدة، وقد يحدث أيضًا انهيار مفاجئ. بالإضافة إلى ذلك، من المعروف أن شيخوخة العزل السليلوزي تعتمد على العديد من العوامل، مثل التصميم (نظام التمدد، نظام التثبيت)، والمواد (الأسلاك النحاسية المطلية بالمينا، الورق المعالج حراريًا، اللوح الضاغط/اللوح الخشبي، مانع تأكسد الزيت، وغيرها)، ومعالجة المحول (التجفيف، ضغط اللفائف)، ودرجة الحرارة المحيطة، وتاريخ الحمل ونمطه، وسياسة التشغيل (التبريد)، والصيانة، وكذلك الزمن. وعلى الرغم من إمكانية تقدير حالة الشيخوخة المستمرة باستخدام أجهزة المراقبة وعينات الزيت الدورية، فإنه لا يزال من غير الممكن فهم حالة العزل الصلب بدقة. ومع ذلك، حتى لو أمكن تحديد حالة الجزء الأكثر تدهورًا من العزل — وهو الورق — بدقة من خلال درجة بلمرة السليلوز (DP) (بحد أدنى)، يبقى السؤال حول مدى مقاومة الملفات المتقدمة في الشيخوخة للجهود الزائدة ولقوى القصر الكهربائي التي تحدث في الشبكة ذات الصلة.

هناك بعض المعايير الهامة والحاسمة التي تلعب دورًا رئيسيًا في أداء محول كهربائي متقادم، وينبغي أخذها بعين الاعتبار:

• مقاومة القوة الميكانيكية للورق أمام الضغوط المركبة وكذلك إجهادات الشد والقص والتمزق – التي تضعف بفعل التقادم

• ضغط تثبيت اللفات الثابت، الذي يعتمد في المقام الأول على تصميم المحول، وشدة إحكام محاذاة بين اللفات والجدار الفاصل، ودقة عملية تجميع اللفات وإجراءات تثبيتها، لكنه يعتمد أساسًا على عملية الشيخوخة نفسها (تحلل السليلوز، الرطوبة).

• محتوى الماء في السليلوز - يؤثر على الخواص العازلة والمتانة

• ترسب الحمأة – يضعف مقاومة التسرب الكهربائي على السطح ويؤثر على أداء التبريد بسبب الانسداد

خلاصة القول، من الواضح أنه في التطبيق العملي، قد يختلف التعريف الفيزيائي لمرحلة نهاية العمر (عدم كفاية مقاومة الإجهاد للعازل الباقي) اختلافًا كبيرًا عن نهج صاحب المنشأة، الذي يرتكز دائمًا على «إدارة المخاطر/تجنب عدم اليقين»؛ والأدهى من ذلك أن صاحب المحول لا يستطيع اتخاذ القرارات إلا استنادًا إلى فهم غير دقيق لحالة العازل الصلب.

يعرض هذا التقرير بالتفصيل القضايا المتعلقة بالمعايير الفيزيائية عند نهاية العمر التشغيلي، ويناقش الارتباط غير المعروف بين سجلات الشيخوخة وحالة العزل الصلب المتقادم، كما يكشف عن فجوات المعرفة ذات الصلة ويصفها. وتظهر حالات عدم اليقين فيما يتعلق ببيانات الرصد، والتحديات المرتبطة بدرجات الحرارة أثناء أخذ عينات الزيوت، وما يرتبط بذلك من تحديد محتوى المياه والأحماض والفوران (وخاصة 2‑فولفورال)، واعتماد حدوث تحسينات حرارية في الورق، وكذلك الخسائر الناجمة عن استبدال الزيت و/أو معالجة الزيت. واستنادًا إلى الإجابات الواردة من 44 شركة كهربائية على الاستبيان، يمكننا إدراك ممارسات تقييم نهاية العمر التشغيلي المتبعة حول العالم اليوم. ومع الإشارة إلى الخصائص الفيزيائية والافتراضات المتعلقة بالتشغيل الآمن لعزل السليلوز المتقدم في العمر، يُوصى بإجراء دراسات لمعالجة الأسئلة التي يطرحها أصحاب المحولات بشأن كيفية التعامل مع المحولات المتقادمة من منظور عملي يراعي «نهاية العمر التشغيلي».

2. وظيفة العزل الصلب

تُعزل معظم محولات الطاقة بمزيج من العزل السائل (أساسًا الزيت المعدني) والعزل الصلب (أساسًا المواد السليلوزية مثل الورق والكرتون والخشب وغيرها).

بسبب تكلفتها المنخفضة وأدائها الجيد، تُعدّ المواد السليلوزية إلى حد بعيد أكثر المواد العازلة الصلبة استخدامًا بالاشتراك مع السوائل العازلة في محولات الطاقة المبردة بالنفط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تكييفها لتلبية المتطلبات الخاصة بمحولات الطاقة المغمورة بالنفط، مثل عمليات القطع واللف والطحن والثني والصنفرة والتشكيل واللصق والتجميع، بما في ذلك الأوتاد والوسائد والأنابيب الورقية والحلقات الكهروستاتيكية والمنافذ والأنابيب العازلة ولف الموصلات وأنظمة خروج الأسلاك والمنتجات المصفحة، كما هو موضح في الجدول 1 من CIGRE TB 323.

للعزل الصلب وظائف متعددة. (1) وسط عازل: عند تشغيل المحول، يلعب دور الوسط العازل، مما ي隔离 مكونات المحول التي تعمل تحت جهود كهربائية مختلفة. وإذا كان مصنوعًا من السليلوز النقي، فإنه يتمتع بخصائص كهربائية ممتازة (خواص عازلة جيدة في المجال الكهربائي) وبخواص اشباع بالزيت. (2) خصائص ميكانيكية ومسافات فاصلة: بشكل أساسي، تواجه المواد الصلبة داخل المحول قيودًا ميكانيكية متعددة الأشكال (مثل الضغط، الشد، قوى القصر الدائري، الانحناء، التمزق، وغيرها). ووفقًا لمتطلبات التصميم، ينبغي أن يكون المادة قادرة على تحمل هذه الإجهادات، وأن تضمن خصائصها الميكانيكية استقرارًا مرضيًا أثناء الاستخدام. اذكر بعض المميزات

- قادر على تحمل التثبيت الميكانيكي في ظروف النقل والاستخدام العادي

- يتحمل قوى القصر الدائري (القوى المحورية والرادية)

- التحكم في شكل وحجم قناة الزيت المعرضة للإجهاد الكهربائي

-حافظ على تثبيت قنوات التبريد والملفات في مكانها

-الحفاظ على قوة الشد والاستطالة والتمزق والضغط الكافية أثناء تقادم العزل

- حافظ على مسافة العزل

- دعم الأسلاك والمعدات المساعدة

– ينقل الحرارة من الموصل إلى المبرد.

3. شيخوخة عزل المحول

3.1 عملية الشيخوخة "الكلاسيكية"

يمكن أن يؤدي الإجهاد الحراري، بوجود الأكسجين (وهو مادة ذائبة موجودة دائمًا في الزيت) ووجود محفزات النحاس، إلى تدهور العزل السائل والصلب للمحول، ومن ثم إلى تكوّن منتجات ثانوية.

حاليًا، يُعنى فريق CIGREWG A2.64 بدراسة تأثيرات التقادم الناجمة عن عملية التجفيف في محطات المحولات.

3.1.1 عمر الزيت

آلية تدهور الزيت معقدة للغاية. وبوجه عام، يتفاعل الأكسجين مع بعض الهيدروكربونات عبر تفاعل جذري حر، وهو آلية تفاعل متسلسل تُنتج بيروكسيدات هيدروجينية. وتُعدّ البيروكسيدات الهيدروجينية غير مستقرة، فتتحلل بسرعة لتكوّن الكيتونات والماء. ويمكن أن تُؤكسد الكيتونات بدورها لتتحول إلى أحماض كربوكسيلية، أو تُقسَّم لتشكّل ألديهيدات. كما يؤدي وجود مجموعات الهيدروكسيل إلى تكوين الكحولات والفينولات. أما النواتج النهائية لأكسدة الزيوت العازلة فهي الأحماض والماء وأكاسيد الكربون، بالإضافة إلى تكاثف عطري متعدد الحلقات على شكل حمأة زيتية.

تتمثل المحفزات الرئيسية لأكسدة زيت العزل في درجة الحرارة والأكسجين تحت تأثير محفزات النحاس، بينما يمكن أن تؤدي الرطوبة الزائدة إلى إضعاف وظيفة زيوت العزل وخصائصها العازلة.

تشمل نواتج التحلل الثانوية للمواد العازلة السائلة (وعادةً ما تكون زيتًا معدنيًا) الرطوبة، والجسيمات، والغازات، والأحماض الكربوكسيلية، ومركبات قطبية أخرى (مثل الكحولات والإسترات والكيتونات والحمأة والرواسب). أما نواتج التحلل الثانوية لورق العزل فتشمل الرطوبة، والغازات (أكاسيد الكربون)، والفورانات، والسكريات (الجلوكوز L).

تأثير الرطوبة

تُعد الرطوبة شديدة الخطورة في المحولات الكهربائية، إذ إنها قد تؤدي إلى حدوث تفريغ جزئي، وتكوّن فقاعات عند زيادة الحمل، وتقليل جهد الانهيار، بالإضافة إلى تسريع شيخوخة العوازل الصلبة. تُعتبر العوازل الليفية المخزن الرئيسي للرطوبة في المحولات. يعتمد توزيع درجات الحرارة داخل المحول اعتمادًا كبيرًا على الحمل ودرجة حرارة البيئة وآلية التبريد، بينما يذوّب الزيت المعدني جزءًا من الرطوبة. ولا يستطيع الزيت المعدني إذابة سوى كمية قليلة من الماء نظرًا لاختلاف قابليته للذوبان، في حين أن الإسترات الطبيعية والإسترات الصناعية تذوّب كميات أكبر من الماء.

آثار الأكسجين

على غرار الرطوبة، يحتوي زيت المحولات دائمًا على كمية صغيرة من الأكسجين المذاب فيه. ويتفاعل مزيج درجة الحرارة والرطوبة والأكسجين مع الأجزاء المعدنية للمحول، مثل الحديد والفولاذ في القلب والخزان، والنحاس والألومنيوم في الملفات، والفضة في مبدل التصحيح، وغيرها، مما يعزز أكسدة الهيدروكربونات الموجودة في الزيت.

ينتج عن عملية الأكسدة هذه أحماض عضوية ومنتجات ثانوية قطبية أخرى، بالإضافة إلى الرواسب والحمأة. غير أنّه لوحظ أنّ الأحماض الأكثر خطورة هي تلك ذات الوزن الجزيئي المنخفض، إذ يُمتصّ هذا النوع من الأحماض بسهولة بواسطة الورق، في حين لا يُمتصّ الأحماض ذات الوزن الجزيئي المرتفع. كما أنّ المركبات القطبية قد تُضعف الخصائص الكهربائية لزيت العزل، مثل معامل التسريب العازل (tan δ) والتوتر السطحي البيني (IFT). وقد تؤدي الرواسب والحمأة إلى إعاقة تبريد القلب والملفات.

3.1.2 شيخوخة الورق

كان بيتر بورتون أول من وصف وجود الفيورانات في المحولات التي أُصيبت بالفشل نتيجة ارتفاع درجة الحرارة عام 1982. وفي وقت مبكر من عام 1985، اكتشف شروف وستانِت علاقة لوغاريتمية بين محتوى الفورفورال ودرجة تحلل الورق (DP). وفي الوقت الراهن، يُعدّ نموذج تشيندونغ وستيبينز هو النموذج التفسيري الأكثر انتشارًا للعلاقة بين محتوى الفيوران وكثافة الورق.

من المهم ملاحظة أن كلا الطريقتين يعتمدان على تقييم إحصائي للمحولات الكهربائية العاملة، مع قياس تركيزات [2FAL] بوحدة جزء في المليون (ppm):

   

القيد الرئيسي لهذه النماذج الإحصائية هو أنها لا تأخذ في الاعتبار الكمية الفعلية من الورق التي تتعرض للتدهور في أي لحظة، وبالتالي لا تأخذ في الاعتبار كمية الفورفورال التي يتم تحليلها.

لتجاوز هذا القيد، تم تطوير نموذج مختلف ضمن فريق CIGRE TF 15.01.03. يعتمد هذا الأسلوب، الذي يُعرف أيضًا بنموذج دي بابلو، على ملاحظة أنه عند درجات حرارة تصل إلى 140–150ºC، يبلغ مردود تفاعل الورق إلى الفورفورال نحو 30% (0.3 جزيء من الفورفورال و0.7 جزيء من منتجات ثانوية أخرى، أبرزها L‑غلوكوز، لكل كسر في سلسلة السليلوز). والصيغة الرئيسية (3) للنموذج هي:

داخل ذلك

دي بي ₀

هو أولي

دي بي

，

دي بي _ت

لأي لحظة في عملية الشيخوخة

دي بي

،

g _ورقة

"بالنسبة لجودة اللف وورق التوصيل،"

162

هو الوزن الجزيئي لوحدات الغلوكوز،

96

هو الوزن الجزيئي للفورفورال،

10⁶

لـ

g

يصل

ميكروغرام

معامل التصحيح لـ،

0.3

بالنسبة لعائد التفاعل،

1.2

إنه تصحيح لامتصاص الفورفوال في العوازل الصلبة.

ومع ذلك، لا يمكن استخدام تحليل الفوران إلا كمؤشر نوعي لمعدل تدهور الورق العازل، وليس كمؤشر كمي. وقد يؤدي الصيغة المذكورة أعلاه إلى تقدير غير صحيح أو غير دقيق لدرجة البوليمر (DP) نظرًا للقيود التالية:

• لا يُعرف المقدار الفعلي للورق العازل المتدهور خلال فترة زمنية محددة؛

• الجهل بالخصائص الحرارية للمحولات؛

• تأثير المعالجة بالزيت على تركيز الفورفوال؛

• الورق المُعدَّل بالحرارة لا ينتج كمية كافية من 2FAL؛

• تأثير حالة زيت العزل (المحتوى المائي والحموضة) على إنتاج وذوبان الفورانات في الزيت؛

• نظرًا للتقسيم بواسطة السليلوز (فوري)، فإن قياس الفوران يرتبط بدرجة الحرارة.

يمكن تحسين الدقة من خلال إدخال توزيع درجة الحرارة في الطبقة العازلة، ونموذج الشيخوخة، ومنحنى الشيخوخة، والتي تأخذ بعين الاعتبار محتوى الرطوبة في الورق، مما يؤدي إلى تعديل معدل تدهور الورق العازل وقابلية ذوبان نواتج الشيخوخة (الملصقات) في الزيت.

3.2 تأثيرات الشيخوخة الأخرى التي تؤثر على مدة الحياة

3.2.1 الصدمة الميكانيكية والاهتزاز أثناء النقل والتشغيل (حدث ماس كهربائي)

بما أن سوق المحولات أصبح اليوم سوقًا عالميًا، فإن المحولات غالبًا ما تتعرض للصدمات الميكانيكية والاهتزازات أثناء عمليات النقل الطويلة. وقد تشمل وسائل النقل الطرق البرية أو السكك الحديدية أو النقل البحري، وفي كثير من الحالات يُعتمد مزيج من هذه الوسائل. ويمكن أن تنجم الأضرار التي تلحق بالمحول أثناء النقل عن الصدمات المفاجئة أو الاهتزازات أو الحركات البطيئة المتكررة مثل الرجّات والميلان. ومن أبرز المشكلات الناجمة عن هذه الظروف حركة الملفات والموصلات والمكوّنات العازلة ورقائق القلب، وهو ما قد يؤدي إلى فشل مبكر للمحول خلال فترة خدمته. وبالمثل، قد يتعرّض المحول خلال فترة تشغيله لعديد من تيارات القصر الكبيرة والصغيرة، مما قد يؤدي تراكميًا إلى فشل الملفات، لا سيما إذا لم يأخذ تصميم المحول في الاعتبار بشكل كافٍ هذه الاحتمالات.

3.2.2 أوجه القصور والمشكلات المتعلقة بالتركيب في الموقع

خلال مرحلة التركيب والتشغيل في الموقع، تواجه المحولات مخاطر كبيرة وتستلزم إدارةً ورقابةً دقيقةً لكامل العملية. يتعيّن اتخاذ تدابير للحدّ من خطر التلف المادي الناجم عن أعمال البناء أو التلوث الناتج عن الظروف البيئية. بالنسبة للمحولات الكبيرة التي يتم تجميعها وتشحيمها في الموقع، ينبغي تقليل فترة تعرض نظام العزل للظروف الجوية إلى أدنى حدٍّ ممكن، وذلك لتقليل كمية الرطوبة الممتصة وللحدّ من خطر تلوث العزل بالجسيمات. ومن بين المهام الرئيسية التي قد تؤثر سلبًا على العزل الصلب أثناء تشغيل المحول، عملية التفريغ والترشيح بالزيت. ويُعدّ التفريغ قبل حقن الزيت جزءًا حاسمًا من هذه العملية، وكما سيُشار لاحقًا، فإنه بمجرد توصيل التيار الكهربائي إلى المحول، يطلق العزل الصلب الرطوبة والأكسجين المتبقيين إلى الزيت. وعند بدء الاستخدام، تتوفر طرق متعددة لإزالة الرطوبة الزائدة، غير أنّ عملية انتقال الرطوبة من الورق إلى زيت العزل بطيئة جدًا؛ ولذلك يستغرق إزالة الرطوبة وقتًا طويلًا مع ارتفاع درجات الحرارة، مما يؤدي إلى تقليص عمر العزل الصلب.

3.2.3 البرق وصدمة التشغيل (-s)

قد تتأثر ملفات المحولات أثناء التشغيل بمجموعة متنوعة من الجهد العالي، مثل صواعق البرق، والصدمات التشغيلية، وأعطال الخطوط، وغيرها. وتوجد وثائق كثيرة تُظهر أن هذه الظروف قد تؤدي إلى تعطل المحول. وعادةً ما يحدث الضرر في العزل بين اللفات، لكنه قد ينشأ أيضًا في أي مكان ضمن عزل الملف. وكثيرًا ما تستخدم المحولات الحديثة أجهزة مانعة للتوترات العابرة الخارجية لحماية المعدات من الأضرار المحتملة. ومع ذلك، وعلى الرغم من وجود هذه الأجهزة الخارجية، فقد تتعطل المحولات أحيانًا بسبب ظواهر الرنين الداخلية.

3.2.4 التراكب التوافقي والتكراري للإجهاد عالي التردد (الخلايا الكهروضوئية، معدات توليد الطاقة من الرياح، المعدات الصناعية)

خلال فترة خدمتها، قد تتعرض المحولات الكهربائية لأنواع متعددة من التداخل الكهرومغناطيسي. وتعتمد كمية هذه الاضطرابات وشدتها على موقع المحول ضمن الشبكة وعلى استقرار الشبكة نفسها. وبوجه عام، تعمل الشبكات الصناعية التي تضم أفران القوس الكهربائي، وأحمال المحركات الكهربائية، ومعدات الحالة الصلبة، والإلكترونيات في ظروف أكثر صعوبة مقارنةً بشبكات التوزيع العامة، وإن كان هذا الوضع يشهد تغيّراً سريعاً بسبب ازدياد القدرة المولدة بشكل موزَّع في الشبكات العامة. ونظراً لارتفاع خسائر التيارات الدوامية في الملفات والمكوّنات المعدنية، فإن القيم المرتفعة جداً للتوليدات التوافقية قد تؤدي إلى إتلاف عزل المحول. كما أن تأثير «التوليدات التوافقية فائقة التردد» الناتجة عن محطات الطاقة المتجددة على عملية الشيخوخة لا يزال غير مفهوم تماماً. ومن شأن ذلك أن يرفع درجات حرارة النقاط الساخنة إلى ما يتجاوز الحدود التصميمية، مما يسرّع من شيخوخة العزل. لذلك، ينبغي أخذ اتجاهات التوليدات التوافقية ونمو الغازات بعين الاعتبار لتحديد العلاقة بين التوليدات التوافقية في الشبكة وشيخوخة عزل المحول، وذلك بالاستناد إلى تحليل الغازات الذائبة (DGA) وبيانات الشبكة.

3.2.5 التحميل الزائد المؤقت (س)

يمكن أن تؤثر الأحمال التي تتجاوز القدرة المحددة على اللوحة (التصميم) تأثيرًا كبيرًا على المحول، وكلما ازداد تيار الحمل ازداد التدفق الشاردي، مما يؤدي إلى زيادة الفقد وارتفاع درجات الحرارة في الموصلات والمكوّنات الميكانيكية. وتؤدي الحرارة الإضافية الناتجة إلى تسريع عملية شيخوخة العزل المعني. ومن المخاطر الأخرى المرتبطة بارتفاع درجات الحرارة ظاهرة «تكوّن البثور»، والتي تظهر عادةً على سطح العزل السليلوزي وقد تؤدي إلى انخفاض مقاومة العزل الكهربائية لنظام العزل. وترتفع احتمالية حدوث هذه الظاهرة بشكل أكبر عند درجات حرارة تتجاوز 140°C، إلا أنه إذا كان محتوى الرطوبة في نظام العزل مرتفعًا، فقد تحدث هذه الظاهرة عند درجات حرارة أقل.

4. اعتبارات بشأن عمر الخدمة وإخراج المحول من الخدمة

يُعتبر المحول الكهربائي قد بلغ نهاية عمره الافتراضي عندما يعجز عن أداء وظيفته على النحو المتوقع، أو عندما يُستبعد من الخدمة لفترة طويلة. ويمكن تقسيم نهاية عمر المحول إلى ثلاثة أنواع: نهاية العمر التقنية، ونهاية العمر الاقتصادية، ونهاية العمر الاستراتيجية. وتُعد الأسباب الاقتصادية أو الاستراتيجية أكثر العوامل شيوعًا التي تؤدي إلى تعطل المحولات. وتشمل الأسباب الاقتصادية ارتفاع معدلات التآكل، وارتفاع تكاليف الصيانة، وتكاليف التأمين، بالإضافة إلى ميزانيات إعادة الاستثمار. كما تعد التغيرات في الطلب على الطاقة، وتغيّر مستويات الجهد، أو تقادم المكوّنات الأساسية من الأسباب التي تدفع المحولات إلى بلوغ نهاية عمرها التشغيلي الاستراتيجي. أما العوامل التقنية المرتبطة بدورة حياة المحول فتُقسَّم إلى تلك التي تؤثر في الهيكل الخارجي، والبوشينغ، وجهاز تغيير التصنيف، ومعدات التبريد. ويتعيّن تحديد مستوى مخاطرة لكل مكوّن، بحيث لا يُسمح للمحول بالعمل إذا تجاوز هذا المستوى.

يمكن تقسيم العمليات التي قد تؤدي إلى بلوغ العزل الصلب للمحول حدّه التقني إلى:

• قوة التيار القصير

• جهود زائدة متنوعة

•الحمل الزائد

• ارتفاع مفرط في الحرارة داخل الجهاز

• تدهور الورق العازل والأجزاء العازلة الأخرى

• صورة شاملة لنظام العزل بأكمله (السائل، الصلب – ورق العزل، الكرتون، الخشب)
 

ينبغي تحديد حدود دنيا وقصوى مقبولة لكل معلمة. غير أن هذه المعلمات ليست مستقلة عن بعضها البعض، وقد لا يُعتبر المحول قد بلغ نهاية عمره التشغيلي (EoL) بمجرد بلوغ إحدى هذه المعلمات حدّها الأقصى أو الأدنى (الشكل 1). فعلى سبيل المثال، إذا كان المحول يعمل في شبكة خالية من القصر الكهربائي، وكانت الأحمال منخفضة ومستقرة، فإن الورق المتآكل بشدة يمكن أن يستمر في أداء وظيفته.

الشكل 1 نظرة عامة على المعايير التي تؤثر في العمر الافتراضي للمحول

على سبيل المثال، يجب أخذ التقدّم الطبيعي في شيخوخة الجسم والورق بعين الاعتبار، سواء أثناء التشغيل العادي أو خلال حدث يُحدث إجهادًا ناتجًا عن قصر الدائرة، إذ تتغيّر الخواص الميكانيكية للورق الذي يغطي الموصل مع مرور الوقت إلى درجة لا تعود فيها مقاومة الشدّ والاستطالة لدى الورق كافية لتحمل الإجهادات المؤثرة على الملفات. وإذا أصبح الورق هشًا جدًا بحيث يتفتت عند تطبيق إجهاد ميكانيكي، فقد يؤدي ذلك في النهاية إلى حدوث قصر دائرة في المنطقة المتأثرة بالإجهاد.

هناك جانب آخر يتمثل في التغيرات الأبعادية لورق العزل خلال عملية الشيخوخة الطبيعية. توجد سيناريوهان محتملان: الأول ينجم عن التشوه اللدن للمادة العازلة أو عن تراخي الهيكل الداعم الميكانيكي، مما يؤدي إلى انخفاض الإجهاد. أما السيناريو الآخر فيتمثل في ارتفاع الإجهاد نتيجة تمدد الورق بسبب: (أ) الرطوبة الناتجة عن الورق و/أو منظومة العزل بأكملها أثناء تفاعل الشيخوخة، أو (ب) تسرب المياه عبر حشوة مسربة أو نظام تمدد. وتُمتص الرطوبة بشكل رئيسي بواسطة عازل السليلوز. لذلك، واعتمادًا على تصميم هيكل التثبيت للجسم، قد تؤدي التغيرات في أبعاد ورق العزل إلى انخفاض أو زيادة قوة التثبيت. على سبيل المثال، يمكن أن يسبب هذا التغير مشكلات عند حدوث إجهادات نتيجة القصر الكهربائي أو غيرها من الحركات الميكانيكية داخل المحول. كما يُعد ضغط التثبيت المتبقي معيارًا ميكانيكيًا مهمًا آخر لتحديد نهاية العمر التشغيلي. وقد تنشأ أو تتأثر نهاية العمر التشغيلي التقنية للمحول أيضًا بعمليات النقل، والإصلاحات، والقصور الكهربائي التاريخي، أو غيرها من الحركات الشاقة.

لا يوجد تعريف صارم وواضح ومقبول على نطاق واسع لعمر الخدمة أو القيم الدنيا المقبولة للمعايير الخاصة بعزل المحولات الصلب. ومع ذلك، يُشار غالبًا إلى معيار نهاية العمر بالنسبة للمواد السليلوزية، أي عندما تبلغ مقاومة الشد 300–200 كغ/مم² أو أقل، حيث تكون مقاومة الشد أدنى بكثير من تلك الخاصة بالورق الجديد. أما قيمة درجة التبلمر (DP) في المواد الجديدة فتبلغ عادةً نحو 1200–1000. غير أن تطبيق هذا المعيار لا يزال غير واضح؛ إذ إن مدى ملاءمته للمناطق التي تتعرض لأقصى الإجهادات الميكانيكية و/أو الكهربائية، وللمناطق الأكثر حرارة، أو للنقاط الساخنة داخل الملفات، ما زال قيد النقاش.

ساعد الإصدار السابق من إرشادات التحميل الصادرة عن اللجنة الكهروتقنية الدولية (2005) (انظر الشكل 2، المُعاد إنتاجه في الجدول 3) الشركات المصنّعة ومالكي الأصول على تقدير تأثير مدة التشغيل عند درجة حرارة بؤرة حرارية معينة على مقاومة الشد والمتانة الديناميكية للورق. يورد الجدول نقطتي نهاية مختلفتين لمقاومة الشد: الأولى تمثل انخفاضًا بنسبة 50% في مقاومة الشد، والثانية تمثل انخفاضًا بنسبة 75% في مقاومة الشد، أو متانة ديناميكية قدرها 200. ومن الضروري ملاحظة أن هذه النتائج تم الحصول عليها في ظروف مثالية، أي باستخدام عيّنات جافة جدًا وخالية من الأكسجين، وكذلك أوراق خضعت لمعالجة حرارية. كما يجدر التنويه إلى أن «مدة العمر» المقدّمة ينبغي اعتبارها مجرد رقم مرجعي، إذ إن هذه الأرقام تفترض أن المحول يعمل تحت حمولة كاملة طوال فترة تشغيله، وهو ما نادرًا ما يحدث في الواقع. ومن المهم التأكيد على أنه في دليل التحميل هذا الصادر عن اللجنة الكهروتقنية الدولية، لا توجد إشارة إلى نموذج التدهور الذي استُخدم لتحديد المتانة الديناميكية، ولا إلى كيفية تحديد أهمية هذا الرقم.

ملاحظة: يتناول المعيار IEC 60076-7 (2018) المنقّح تدهور الورق مع أخذ الأكسجين والماء في الاعتبار، بالإضافة إلى نماذج التدهور والمعايير المستخدمة. غير أن محتوى الماء يُفترض ثابتاً، وهو ما لا يتطابق مع رطوبة السليلوز أثناء تشغيل المحول، كما أنه لم يُوضَّح بجلاء في الملحق ما إذا كان ذلك يشير إلى الماء الساخن أم إلى متوسط محتوى الماء.

 

الشكل 2: يعتمد العمر الخدمي لعازل الألياف على مقاومة الشد وعدد الوحدات المتكررة (DP)

لقد استُخدمت طريقة قياس عدد مجموعات البوليمر (DP) منذ زمن طويل في صناعة معالجة اللب والورق، كما تُطبَّق في صناعة المحولات الكهربائية لتحديد حالة السليلوز. وتتطلب هذه الطريقة عدداً قليلاً من العينات؛ وفي بعض الحالات، يمكن أخذ العينات من داخل المحول دون إلحاق الضرر به، إلا أنه لا يُمكن أخذ العينات من المناطق الساخنة. وترتبط مقاومة الشد ارتباطاً وثيقاً بـ DP، ولا سيما بالنسبة للدرجات الأعلى من الورق القابل للتحلل؛ انظر الشكل 3 في CIGRE TB 738.

تظهر العلاقة الارتباطية بين عدد انكسارات السلاسل ومقاومة الشد لجزيئات السليلوز علاقةً أقوى، كما هو موضح في المعادلة (4)، حيث يرتبط عدد انكسارات السلاسل ارتباطًا خطيًا بانخفاض مقاومة الشد.

      

دي بي ₀

يشير إلى ورقة جديدة،

دي بي _ت

يشير إلى حالة الورق العازل وقت إجراء الاختبار. عند استخدام عدد الروابط المكسورة، عندما

دي بي _ت

= 200

، الورق الهش يتوافق مع η

= 5

. ومع ذلك، فقد لوحظ وتم الإبلاغ عنه مرارًا في الأدبيات أن المحولات تشهد شيخوخةً حادةً في العزل (

DP < 150

) لاستمرار التشغيل دون مشاكل: في هذه الحالة، لم يتحلل الورق ولم يتساقط.
 

الشكل 3 الارتباط بين قوة الشد وقيمة DP أثناء التقادم في المراحل a وb وc، مقتبس من TB 738

      

هناك طريقة أخرى تتمثل في أخذ عينة لإجراء اختبار مقاومة الشد، وهو ما يتطلب شرائط ورقية مسطحة وطويلة وواسعة متعددة الطبقات، وهي غير متوفرة في كلٍّ من ملف المحول والمحول نفسه، إلا إذا قام المُصنِّع بوضع بعض هذه الشرائط داخل المحول لاستخدامها لاحقًا. بالإضافة إلى ذلك، ولأن فتح خزان المحول لأخذ العينات يعد عملاً معقدًا ودقيقًا ينطوي على خطر التلوث، فإن قلة قليلة جدًا هي التي تقوم بذلك.

      

بغض النظر عن الطريقة المستخدمة، من الضروري الإبلاغ عن النتائج التي تُعتمد لتقييم حالة المحول، وفي نهاية المطاف لتقييم فترات التشغيل المستقبلية. وعند التنبؤ بالمستقبل، تفرض مختلف المعاملات مستويات متفاوتة من عدم اليقين. ومن هذا المنطلق، فإن الإشارة فقط إلى متوسط قيمة معامل التوصيل الكهربائي (DP) للملف تكتسي قيمة محدودة، إذ قد توجد أجزاء في البنية ذات قيمة منخفضة جدًا لمعامل التوصيل الكهربائي، مما قد يؤدي إلى ضعف الاستقرار الميكانيكي أو العازل.

      

تُستخدم مؤشرات التقادم مثل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والفورانات والكحولات (مثل الميثانول والإيثانول) لتحديد المواد السليلوزية ذات درجات الحرارة العالية أو المُفرطة في السخونة، إلا أن هذه المؤشرات تُعتمد في الغالب فقط للعلامة التشخيصية ولتشخيص حالات التشغيل غير الطبيعية. ويمكن لعلامة واحدة أن تشير إلى انتهاء عمر عازل سليلوزي معين، ولا يوجد مستوى موحَّد مقبول على نطاق عالم المحولات. ومع ذلك، تُظهر البيانات المتاحة للمستخدمين المحددين أن هذه العلامات ترتبط بنتائج اختبارات أخرى تُجرى على الأوراق في المحولات التي خرجت من الخدمة، والتي تُستخدم لتحديد معايير نهاية العمر التشغيلي لدى مستخدمي المحولات.
 

5. تحليل استبيان المحوّل

5.2 البنود الفرعية لمشاركة الاستبيان

       

تلقّى الاستطلاع ما مجموعه 48 ردًا من 44 شركة كهرباء معتمدة في 19 دولة. وتشمل هذه الدول أستراليا (3)، كندا (2)، الصين (2)، فرنسا (3)، ألمانيا (3)، إيطاليا (1)، اليابان (4)، الأردن (1)، ماليزيا (1)، موريشيوس (1)، ناميبيا (1)، البرتغال (7)، جنوب أفريقيا (3)، إسبانيا (2)، السويد (4)، سويسرا (2)، تايلاند (2)، الإمارات العربية المتحدة (1)، والمملكة المتحدة (5).

5.3 ملخص نتائج الاستطلاع

1) أكثر من 93% (أي الغالبية العظمى) من المرافق التي شملها الاستطلاع تستخدم نتائج اختبار عينات الزيت لتحديد نهاية عمر الخدمة للمحولات. وبناءً على ذلك، يمكن الاستنتاج أن اختبار عينات الزيت يشكّل الأساس في اتخاذ قرارات تحديد نهاية عمر الخدمة للمحولات لدى معظم المرافق.

2) كانت الاختبارات الثلاثة الأكثر أهمية لعينات الزيت في اتخاذ قرارات نهاية عمر المحول هي تحليل الغازات الذائبة (DGA) بنسبة 95%، وتحليل نسبة الماء والحموضة (2FAL) بنسبة 84%، وجودة الزيت بنسبة 82%.

ملاحظة: تشمل جودة الزيت الرطوبة (كمية الماء الموجودة في الزيت)، والحموضة، وفقدان العازلية الكهربائية (DDF)، والتوتر السطحي البيني (IFT).

3) من حيث اختبار عينات الزيت، فإن الطرق الثلاث الأكثر شيوعًا لتحديد نهاية عمر المحولات هي: DGA+2FAL (80%)، و2FAL+الزيت (70%)، وDGA+2FAL+الزيت (68%). ومن الجدير بالذكر أن أكثر من 34% من المرافق التي شملها الاستطلاع قد بدأت باستخدام الميثانول/الإيثانول كمؤشر إضافي للشيخوخة في اتخاذ قرارات تحديد نهاية عمر المحولات.

4) تم أخذ عينات من الزيوت الثلاثة الأكثر استخدامًا في اختبار DGA عند سنة واحدة (55%)، وستة أشهر (16%)، وعند فترات أخرى (11%).

5) تُعدّ الترددات الثلاثة الأكثر شيوعًا لأخذ عينات الزيت في اختبار 2FAL هي: سنة واحدة (39%)، وسنتان (14%)، وخمس سنوات أو غيرها (13%).

6) في اختبار جودة الزيت، تُعدّ الترددات الثلاثة الأكثر شيوعًا لجمع عينات الزيت هي: سنة واحدة (45%)، سنتان (11%)، وخمس سنوات أو غيرها (7%).

7) تتمثل التسلسلات الثلاثة الأكثر شيوعًا (من الأهم إلى الأقل أهمية) في اتخاذ قرارات نهاية عمر المحول في الآتي: الزيت، والمحطّات، ومبادل التعرّجات، والخزان، والمكوّنات الأخرى (22%); الزيت، ومبادلات التعرّجات، والمحطّات، والخزان، والمكوّنات الأخرى (14%); الزيت، والخزان، ومبادلات التعرّجات، والمحطّات، والمكوّنات الأخرى (8%).

8) في قرارات نهاية عمر المحول، تتمثل الطريقة الأكثر شيوعًا لتقييم الحد الأدنى لدرجة التحلل الكهربائي للعازل الصلب في حساب درجة التحلل الكهربائي (77%) استنادًا إلى مركب ثنائي الفينيل متعدد الكلور في الزيت، بالإضافة إلى طرق أخرى مثل الفحص بعد الوفاة، والنمذجة، وإدخال عينات من السليلوز داخل الخزان، وفحوصات تقييم الحالة الكهربائية. ومن الجدير بالذكر أن أكثر من 62.5% من المرافق التي شملها الاستطلاع تستخدم فحوصات تقييم الحالة الكهربائية كأسلوب مكمل لاتخاذ قرارات نهاية عمر المحول.

9) لا تتأثر قرارات نهاية عمر المحول بشكل كبير بسعة المحول (ميجافولت أمبير). ترى غالبية المرافق التي شملها الاستطلاع (أكثر من 56%) أن سعة المحول ليست ذات أهمية أو لا تُعدّ مسألة ذات أولوية، بينما يعتقد نحو 44% فقط من المرافق المستطلعة أن كلما زادت سعة المحول، ازدادت أهميته.

10) تتأثر قرارات نهاية عمر المحولات بشكل كبير بالدرجة الحرجة، إذ يرى غالبية المرافق التي شملها الاستطلاع (أكثر من 77%) أن المحولات الأكثر حرجًا ينبغي إخراجها من الخدمة أولاً.

11) ترى غالبية المرافق التي شملها الاستطلاع (أكثر من 58%) أن قرارات إيقاف التشغيل لديها تستند إلى «علم دقيق»، إلا أنه من الواضح عدم وجود مبادئ توجيهية صارمة يمكن اتباعها؛ فإما أنه لا توجد سياسة مكتوبة بشأن قرارات إيقاف تشغيل المحولات (46%) أو أنه لا توجد إجابات أو معلومات (12.5%). كما أن أقل من النصف (42%) من المرافق المستطلعة لديها سياسة مكتوبة لاتخاذ قرارات نهاية عمر المحول.

12) في الوقت الراهن، يرى أقل من نصف المرافق التي شملها الاستطلاع (42%) أنهم يعمدون إلى استبدال المحولات القديمة في الوقت المناسب؛ كما يعتقد نحو نصف هذه المرافق أنهم يُقَلِّعون محولات قديمة ويعرّضونها للمخاطر إما مبكراً جداً (23%) أو متأخراً جداً (27%); وشهد نحو ثلث المرافق المستطلعة (31%) حالات فشل كارثية أو حوادث شبه وقوعية مرتبطة بقرارات نهاية عمر المحول.

5.4 ملاحظات ختامية

      

تظل طريقة تحليل الغازات الذائبة (DGA) الأسلوب الأكثر قيمة وفعالية للكشف عن الأعطال المتنوعة في المحولات، كما تساعد على تحديد الوقت المناسب لإخراج المحول من الخدمة بغرض الإصلاح أو الاستبدال. وفي الوقت الراهن، لا يوجد حدّ عالمي موحَّد لمستوى غازات التحلل الذائبة يُعتمد لتحديد انتهاء عمر المحول؛ غير أن معظم الخبراء يميلون إلى اعتبار مستوى 150–250 ميغاباسكال/مليون جزء من المليون هو الحدّ المقبول لتحديد انتهاء عمر المحول. وفي الوقت الحالي، لا تتبع قرارات تحديد نهاية عمر المحول إرشادات صارمة، ولا توجد معايير محددة يمكن الالتزام بها. ومن منظور شركات المرافق، تبرز حاجة ملحّة إلى وضع إرشادات دقيقة تساعد على تحديد نهاية عمر المحولات بشكل أفضل، بما يسهم في تحسين عملية اتخاذ القرارات المتعلقة بنهاية عمر هذه الأجهزة.

6. دراسة حالة لتقييم حالة العزل عند انتهاء العمر التشغيلي للمحول

      

يمكن تقييم حالة العزل في المحول من خلال تحليل DP. إن عزل السليلوز عند انتهاء عمره الافتراضي لا يرتبط مباشرةً بعمر الخدمة للمحول، بل يعتمد بشكل أكبر على تأثيرات الإجهادات المختلفة وعوامل التصميم. ومن المهم ملاحظة أن انتهاء عمر السليلوز لا يؤدي فورًا إلى حدوث عطل؛ غير أن انخفاض مقاومة السليلوز الميكانيكية يعني أنه إذا تبيّن أن السليلوز قد بلغ أو أوشك على بلوغ نهاية عمره الافتراضي، فإن خطر حدوث عطل في الملف يكون أعلى من المعتاد.

      

سيركّز هذا القسم على ثلاثة أمثلة لمحولات كهربائية ذات عزل سلولي يقارب أو يتجاوز عمرها التشغيلي، وسيقارن بين قيمة التدهور المقدّرة وقيمة التدهور المقاسة.

6.1 الحالة الأولى - المحول 1 - 410/21 كيلوفولت، 725 ميغا فولت أمبير، ثلاثي الأطوار، من النوع ذو القلب، مبرد بنظام OFAF - عطل بعد حدوث قصر كهربائي في ملف الجهد العالي

      

كان عمر المحول 13 عامًا فقط عندما تعطل بسبب ماس كهربائي في ملف الجهد العالي للطور A. يُعتقد أن ذلك يعود إلى عيب تصميمي يتعلق بتبريد الملفات. وفي الفترة بين عامي 2006 و2008، أظهرت تحليلات DGA وجود شذوذات حرارية وتركيزات مرتفعة من الميثان والإيثيلين. كما أظهرت تحليلات 2FAL المستخدمة لتقدير DP، خلال الفترة بين عامي 2007 و2008، تدهورًا ملحوظًا في الورق العازل (الجدول 1).

الجدول 1: قيم 2FAL المقاسة وتقدير DP (باستخدام خوارزميتي تشيندونغ ودي بابلو)

ومع ذلك، فإن قيمة DP تقترب من نهاية عمرها الافتراضي، وهي أدنى بكثير مما يُتوقع أن يكون عليه الحال لمحول كهربائي يستخدم لمدة 13 عامًا فقط.

تُعدّ مشكلة التبريد عيبًا تصميميًا يُعتقد أنه يُسرّع شيخوخة عازل المحول. ومن المرجّح أن يؤدي ذلك إلى تدمير العازل السليلوزي، مما قد ينجم عنه تعطل مبكر للمحول.

الشكل 4 مواقع الأعطال ومواقع العينات لتحليل DP

الجدول 2 تحليل DP للفائف ذات الجهد العالي

الجدول 3 تحليل DP للفائف ذات الجهد المنخفض

ملاحظة: الطبقة الداخلية هي طبقة الورق الملامسة للموصل، بينما الطبقة الخارجية هي طبقة الورق الأبعد عن الموصل والأقرب إلى الزيت.

6.2 الحالة الثانية - المحول الثاني - 235/15 كيلوفولت، 360 ميغا فولت أمبير، ثلاثي الأطوار، من نوع القلب الحديدي، مبرد OFAF - لا توجد أعطال، لكنه توقف عن العمل بسبب الشيخوخة

       

بدأ المحول، الذي أُنتج عام 1982، يعاني من ارتفاع درجة الحرارة في عام 1995، وتم إيقاف تشغيله عام 1999 بسبب عطل كهربائي ناجم عن ماس كهربائي في جانب الجهد المنخفض، مما أدى إلى إنذار مرحل الغاز. وخلال عمليات الإصلاح في المصنع، أُعيد تجميع القلب وصُنعت لفّات جديدة للجهد المنخفض، وقد بقيت هذه اللفّات سليمة دون أي ضرر. ومن عام 2002 حتى عام 2007، استُخدم الجهاز كاحتياطي قبل إعادة دخوله الخدمة. وفي الفترة بين عامي 2007 و2008، كشف تحليل الغازات الذائبة في زيت المحول (DGA) عن زيادة في مستويات الميثان والإيثان والإيثيلين. ويُعتقد أن هذه السمة في تحليل الغازات الذائبة تتوافق مع وجود خللٍ مرتبط بارتفاع درجة الحرارة داخل المحول. كما يشير الارتفاع الملحوظ في مستويات أول أكسيد الكربون إلى تدهور العزل السلوليوزي. وكما هو مبيّن في الجدول الرابع، فقد ازدادت قيم 2FAL المقاسة أيضاً خلال هذه الفترة. ويُرجَّح أن تكون الأنسجة السلولوزية قد تعرضت للتدهور نتيجة للاختلالات الحرارية. وقد تجاوزت عينة عام 2008 بالفعل العمر التشغيلي المتوقع. ونظراً لارتفاع مخاطر حدوث عطل، تقرّر إيقاف تشغيل المحول.

الجدول 4: قيمة 2FAL المقاسة وقيمة DP المقدرة (باستخدام خوارزميتي تشيندونغ ودي بابلو)

     

خلال عملية فحص المصنع، تبيّن أن القلب قد تعرض لارتفاع مفرط في درجة الحرارة وظهرت مناطق ساخنة على الدرع المغناطيسي (الشكل 5). وكشف الفحص عن عيب في تصميم نظام التبريد، أدى إلى عدم كفاية التبريد بين قناة الزيت والملفات. ونظرًا لارتفاع خطر حدوث عطل، تقرّر تفكيك المحول وإجراء تحليل DP لعزل الورق في ملفات الجهد العالي (الجدول 5).

الشكل 5: ارتفاع درجة حرارة ملف الجهد العالي والدرع المغناطيسي

الجدول 5 تحليل المقاومة الموزونة للملف عالي الجهد

       

تبين أن ثلاثًا من العيّنات المذكورة أعلاه تمتلك قيمًا لدرجة التبلمر (DP) تقل عن 200، بينما كانت قيم DP للعيّنات المتبقية قريبة من 200. وتراوحت قيمة DP بين الحد الأدنى 171 والحد الأقصى 262. وتتوافق هذه النتائج مع القيم المقدّرة لدرجة التبلمر الخاصة بـ 2FAL. وكإجراء تصحيحي، وبناءً على نتائج الحسابات الحرارية، تم تركيب حاجز دليل لتوفير تبريد للمشعل، مما أدى إلى تغيير نوع التبريد من OFAF إلى ODAF. كما تم تحديث الملفات وإدخال نظام التبريد ODAF.

6.3 الحالة الثالثة - المحول الثالث - 132/33 كيلوفولت، 45 ميغا فولت أمبير، ثلاثي الأطوار، من النوع ذو القلب الحديدي، مبرد بنظام OFAF - لا توجد أعطال، لكن تم إيقافه بسبب الاستبدال المخطط له

       

صُنع المحول نحو عام 1960، ومن المقرر استبداله في عام 2017. وفي تحليل عيّنات الزيت التاريخية المتاحة، لم تُرصد أي مؤشرات على نشاط حراري أو نشاط ناتج عن التفريغ. يبيّن الجدول 6 أدناه قيمتي 2FAL، حيث تُظهر القيم الأعلى والأخيرة ضمن السجل التاريخي المتاح. وتُستخدم هذه القيم لحساب قيم DP المقدّرة وفق خوارزميتي تشيندونغ ودي بابلو، اللتين تُعتبران معقولتين لتقدير عمر المحولات.

خلال عملية تقييم نهاية العمر الافتراضي، تبيّن أن المحول يعاني من تجمع كبير للزيت، مما يشير إلى تسرب زيت مستمر على مدى فترة طويلة (الشكل 6). ووفقاً للتحقيق، فقد كان المحول يُعاد تزويده بالزيت باستمرار.
 

الشكل 6: أثناء الفحص الميداني، تبيّن أن خزان الزيت الرئيسي يتسرب منه زيت على مساحة واسعة وعلى مدى فترة زمنية طويلة.

      

تُعَدّ العوازل الورقية لجميع ملفات الأطوار الثلاثة معرضة باستمرار للارتفاع المفرط في درجة الحرارة، ما يجعلها هشة (الشكل 7). ومع ذلك، لا يزال الموصل مغطّى بالكامل بمادة عازلة. جُمِعَت ستٌ وثلاثون عينة من الورق لإجراء تحليل DP أثناء تفكيك المحول، وتُبيَّن النتائج في الجدول 7.
 

الشكل 7 أمثلة على عزل مفرط التسخين للفائف الجهد العالي والجهد المنخفض وفائف التصحيح

الجدول 7: تحليل المقاومة الموزونة لكل ملف

      

كانت نتائج تحليل DP المقاسة جميعها أقل من 200، إذ بلغ أدنى قيمة 87 وأعلى قيمة 189. غير أن كلا القيمتين أدنى بكثير من قيم DP المقدرة المستمدة من تحليل 2FAL. يبرز ذلك أحد محدوديات استخدام خوارزمية تقدير DP، إذ يُعتقد أن الفرق بين قيمة DP المقدرة وقيمة DP الفعلية يعود إلى امتلاء خزان الوقود الرئيسي بالكامل نتيجة تسرب نفطي طويل الأمد. وقد تم تخفيف زيت الخزان الرئيسي بسبب عملية «التعبئة» المستمرة للزيت «الجديد» في هذا الخزان، الأمر الذي يؤدي بدوره إلى تشويه قيمة 2FAL الخاصة بزيت الخزان الرئيسي.

     

تُظهر الحالات الثلاث المبلغ عنها بعد الوفاة:

- قد تتفاوت قيم DP بشكل كبير بين الطبقة الداخلية والأكثر خارجية في الموقع المحدد للموصل.

- إن تقدير الـDP المستمد من قياس 2FAL وفق صيغة موحدة لا يتطابق دائمًا مع القياس الفعلي. ففي بعض الحالات، تتطابق النتائج بشكل جيد، بينما في حالات أخرى، يُلاحظ انحرافها الكبير عن القياسات الفعلية.

- يمكن العثور على قيم DP منخفضة تصل إلى 100 في المحولات التي لا تزال قيد التشغيل.

7. تقييم/تحديد فجوات المعرفة وفجوات الأدوات في مرحلة نهاية العمر بدقة

     

عند تقييم نهاية العمر التشغيلي لمحولات الطاقة المبردة بالنفط من منظور تقني، يُعدّ حالة العزل السليلوزي أمراً حاسماً وفاصلاً.

7.1 المعايير والشروط التي تحدد نهاية العمر الافتراضي (EoL) لتقنية عزل المحولات.

      

تلخيصًا لمحتويات الفصول السابقة، هناك أربعة معايير رئيسية وظروفها الخاصة، والتي قد تكون مستقلة عن بعضها البعض أو تُجمع معًا لتحديد أو التسبب في توقف المحول عن العمل:

1) حالة الشيخوخة في قيمة DP، وخاصة العازل المصنوع من السليلوز: إذا كان مستوى الشيخوخة مرتفعًا، فهذا يعني أن قيمة DP منخفضة جدًا، وأن وظيفة العزل في الورق العازل لم تعد مضمونة، ويتعين إيقاف تشغيل المحول. وهناك سيناريوان رئيسيان: (أ) يصبح الورق هشًا مع مرور الوقت، وفي النهاية يبدأ بالتساقط (التقشير)، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة العزل الكهربائي، كما يحدث عند انتقال التيار من لفة إلى أخرى. (ب) نتيجةً للشيخوخة، تنخفض المتانة الميكانيكية للورق إلى درجة لا تعود فيها قادرة على تحمل القوى والإجهادات الناتجة عن تيارات القصر أو حتى الاهتزازات أثناء التشغيل.

2) قوة التثبيت للفائف الملف: تتغير قوة التثبيت الساكنة لفائف المحول، وتشمل الأسباب الرئيسية ما يلي: التشوه اللدائني تحت جهد كهربائي ثابت، والتغير الديناميكي في الرطوبة وما يترتب عليه من تأثير تمدد/انكماش، وتغير درجة الحرارة، والتغير المرن وتحلل السليلوز مع مرور الزمن، بالإضافة إلى حدوث تيار عطل عبر الفاصل. وعندما تقل مقاومة المحول للقصور القصير عن الإجهاد الذي قد ينجم عن قصر الدائرة في النظام، ينبغي إيقاف تشغيل المحول، إلا إذا كانت تدابير إعادة التثبيت الكبيرة ممكنة ومنطقية اقتصاديًا.

3) الرطوبة في نظام العزل: إذا تجاوزت نسبة الرطوبة مستوىً معينًا، فستنخفض مقاومة العزل الكهربائي، ولن يعود الجهاز قادراً على العمل بأمان. إذ إن بضعَ مئاتٍ من الأجزاءِ المئوية من الرطوبة كفيلةٌ بتقليل مقاومة الانهيار الكهربائي ومقاومة الزحف السطحي بشكلٍ كبير. بالإضافة إلى ذلك، يزداد خطر تشكّل الفقاعات بعد تعرض الجهاز للرطوبة بصورةٍ ملحوظة. وبناءً على الوضع، فإذا تعذّر إجراء التجفيف في الموقع، أو اعتُبر ذلك مخاطرةً كبيرةً لأنّه سيؤدي إلى انخفاض ضغط التثبيت، أو كان التجفيف غير مجديٍ اقتصاديًا، فإن المحول يكون قد بلغ نهاية عمره التشغيلي، ويُسمح له بالعمل رغم حالة العزل الصلب بعد التجفيف.

4) تكوّن الحمأة: في حالات نادرة، قد يؤدي تراكم الحمأة إلى تدهور أداء التبريد لتيار الزيت إلى درجة تؤدي إلى ارتفاع حرارة ملفات المحول دون أن يُلاحظ ذلك. وفي هذه الحالة، ينبغي إيقاف تشغيل المحول إذا تعذرت إزالة الانسدادات في دائرة التبريد والملفات عن طريق إزالة الحمأة، أو إذا كانت تكلفة إزالتها مرتفعة للغاية.

 

7.2 القضايا المتعلقة بتحديد وتقييم معايير وظروف نهاية العمر

1) حالة التقادم في العازل الورقي، وخاصة العازل المصنوع من السليلوز. وبما أن الخزان يجب فتحه، فإنه ليس من العملي أخذ عينة ورقية من المحول في الموقع. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن الوصول إلى الأوراق التي تحتوي على بقع ساخنة على أي حال، ولذلك لا يمكن قياس قيمة التقادم الحراري مباشرةً. أما الطرق غير المباشرة (مثل استخدام مؤشرات التقادم مثل مركبات الفوران، والكحولات، وأكاسيد الكربون الذائبة في الزيت)، فإن لها قيودها ولا تتمتع بالدقة الكافية؛ فهي تتأثر بالرطوبة والحموضة، كما أنها مرتبطة بالتغيرات الحرارية. كما أن نسبة كتلة الزيت إلى الورق، وتوزيع درجات الحرارة داخل العازل (الذي يختلف باختلاف حمل المحول)، وفقدان علامات التقادم في الزيت (بسبب التبخر، أو التحول إلى مواد أخرى، أو معالجة الزيت)، وعدم وجود نموذج أكثر دقة يأخذ في الاعتبار تأثير محتوى الماء في تقدير التقادم، كل ذلك يحدّ من التطبيق الدقيق للعلاقة بين الزيت والعازل. إن قيمة التقادم في المحول ليست قيمة واحدة، بل نطاق يتراوح بين الأجزاء العاملة ("مشهد التقادم")، وهو ما يعود أساسًا إلى تدرجات درجات الحرارة غير المنتظمة وتوزيعات الرطوبة. وحتى مع معرفة قيمة التقادم الدقيقة والمثالية، فإن العلاقة بين التقادم والتقشير الورقي، وكذلك العلاقة بين التقادم والقوة الميكانيكية "الحقيقية والمطلوبة"، تظل غير معروفة عمليًا. وهذه الأخيرة هي مزيج من خصائص مثل الشد، والتمزق، والانفجار، والضغط، والاحتكاك، والاهتزاز، إضافةً إلى عوائق تصميمية. كما أن طريقة محاكاة التقادم عبر استقراء بيانات المراقبة لها أيضًا قيودها: أولًا، محتوى الماء وتوزيعه عند بدء التشغيل عند الصفر غير معروفين. وإضافةً إلى ذلك، تعتمد المحاكاة الحرارية اعتمادًا كبيرًا على حسابات البقع الساخنة وعلى التموضع الصحيح، والتركيب، وسلامة عمل أجهزة الاستشعار بالألياف الضوئية داخل الملفات.

2) قوة التثبيت في الملفات. تُصمَّم محولات الطاقة الحديثة وتُزوَّد بأنظمة تثبيت ذات هندسة ثابتة لا تتغير تقريبًا في جميع الحالات. ينجم عن ذلك عيب يتمثل في تغيّر الضغط داخل الملفات المثبتة عند تعرضها للرطوبة أو تقلبات درجات الحرارة أو مع مرور الزمن نتيجة تحلل السليلوز. بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد حاليًا في السوق أي نظام لمراقبة قوة التثبيت في محولات الطاقة العاملة بالزيت بشكلٍ مباشر ومستمر، مما يعني أن حالة التثبيت تبقى مجهولة طوال فترة التشغيل. كما أن تحديد حالة التثبيت من خلال قياسات الضوضاء أو الاهتزازات ليس علمًا دقيقًا وقد يؤدي إلى نتائج مضللة، إذ إن الإشارة في المناطق الأكثر حساسية قد تُخفى أو تُطمس. ومن المهم ملاحظة أنه حتى لو أمكن قياس قوة التثبيت الساكنة لجميع ملفات محول جديد، فإن حالة التثبيت عند نهاية عمر المحول تظل غير معروفة؛ إذ إنها تعتمد، إضافةً إلى خصوصيات الشبكة وعدد وشدة حالات القصر المحتملة، وبشكل كبير على تصميم المحول نفسه (الموصلات، بنية الملفات، وهيكل التثبيت) وعلى عمليات الصيانة.

3) الرطوبة في نظام العزل. بينما يمكن قياس الرطوبة في الزيت بدقة مقبولة، فإن الأمر ليس كذلك بالنسبة لمحتوى الرطوبة في العوازل الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، لا يُعد توزيع الرطوبة داخل الجسم متجانسًا، إذ يعتمد توزيع الرطوبة (الصلبة/السائلة) على تدرج درجة الحرارة الناجم عن التغيرات في درجة الحرارة، ودرجة الحرارة المحيطة، والحمل، فضلًا عن حالة تقادم العازل. وتتمثل عيوب قياس محتوى الرطوبة في العوازل الصلبة أساسًا في انخفاض الدقة من حيث القيم المطلقة وموقع العازل داخل الجهاز.

4) تشكّل الحمأة النفطية. ونظرًا لاستحالة تحديد ما إذا كانت هناك حمأة داخل المحول، وكذلك تحديد موقعها الدقيق وحجم التراكم، يصبح من الصعب عمليًا على مشغّل المحول اتخاذ قرار بشأن ضرورة التدخل.

8. الملخص والاستنتاج

      

مع اقتراب نهاية العمر التشغيلي للمحول، يتأثر سلامة تشغيله في المقام الأول بشيخوخة السليلوز (انخفاض درجة التبلمر)، كما يتأثر بتغيرات قوة التثبيت الثابتة للملفات (انخفاضها)، وبوجود رطوبة زائدة في نظام العزل، وبحصول ترسبات محتملة:

    

• يؤدي تقادم السليلوز إلى انخفاض المقاومة الميكانيكية للورق، وهو أمر ضروري لوظيفته العازلة، لا سيما في حال حدوث ماس كهربائي، حيث تؤثر القوى الديناميكية المرتبطة بذلك على اللفات.

    

• قد يؤدي انخفاض قوة تثبيت اللفات إلى التأثير سلباً على مقاومة الدائرة القصيرة الميكانيكية؛ فبالمقارنة مع أداء الدائرة القصيرة في التصميم، فإن اللفات غير المشدودة بما يكفي لا تستطيع تحمل سوى جزء صغير من التيار.

    

• ارتفاع محتوى الرطوبة (الذي يتجاوز 3% محليًا) يُقلّل من مقاومة العزل الكهربائي، لا سيما عند واجهة الزيت والكرتون.

    

• تؤدي الترسبات الطينية إلى انسداد ممرات زيت التبريد، مما يقلل من تدفق الزيت، وقد يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة الملفات.

      

حتى مع تركيب مستشعر لدرجة الحرارة في الملفات، قد يصعب اكتشاف انسداد تدفق الزيت الناجم عن الترسبات اللزجة؛ غير أن هذا السبب نادرًا ما يكون وراء نهاية العمر التشغيلي للمحول. وعلى العكس من ذلك، يُعدّ وجود الماء داخل خزان المحول خطرًا معروفًا ومصدر قلق دائم. ورغم أنه لا يزال من غير الممكن حاليًا تحديد محتوى الرطوبة وتوزيعها داخل جسم المحول بدقة، فإن التقدير غير المباشر عبر أخذ عينات الزيت أو باستخدام مستشعرات رطوبة الزيت يُعدّ دقيقًا بما يكفي، ولا سيما عند استخدام تقدير ضغط بخار الماء النسبي («نشاط الرطوبة»)، الذي يمكنه الإشارة إلى مشكلات وشيكة نتيجة انخفاض مقاومة العزل الكهربائي بسبب الرطوبة.

     

الأمر الأكثر إشكالية هو تحديد وضبط التثبيت الثابت للملفات: ففي الوقت الراهن، لا يوجد نظام تجاري لمراقبة مقاومة الزيت يمكن استخدامه لرصد تغيرات القوة على مدى عقود؛ إذ يجري حالياً اختبار نماذج أولية.

      

أظهرت الدراسات الاستقصائية لمالكي المحولات أن عملية شيخوخة السليلوز تُعدّ مصدر قلق رئيسي يتعلق بعمر الخدمة. ويقوم معظم موظفي التشغيل والصيانة بتقييم درجة شيخوخة العزل بشكل غير مباشر من خلال أخذ عينات من زيت المحول مرة واحدة كل عام أو كل عامين؛ إذ تُستخدم منحنيات الارتباط الخاصة بالمؤشرات، ولا سيما مركبات الفوران، لتقدير مدى شيخوخة الورق. وإلى جانب جدلية منحنى الارتباط نفسه، فإن كون المؤشر يعبّر عن سلامة الورق المُشَخَّر يتطلب توخي الحذر؛ ففي حال وجود مناطق صغيرة نسبيًا من الشيخوخة المفرطة (مثل تلك الناجمة عن ارتفاع موضعي في الحرارة)، قد تُخفى هذه المناطق الشائخة أحيانًا، مما يجعلها غير قابلة للتعرّف. ومع ذلك، هناك أيضًا تقارير تشير إلى انخفاض القيم المطلقة لمؤشرات الشيخوخة (مشتقات ميثانول الفوران) في الزيت، بينما تُسجل تركيزات أعلى بكثير، ما يدل على وجود عيب محلي محدود هندسيًا يشمل ورق العزل. وقد لوحظ مرارًا وتكرارًا أن المحولات القديمة جدًا قد تتمتع بهامش كبير وقد تكون قادرة على الصمود أمام اختبار الزمن وفي ظروف قاسية أكثر من المحولات المصممة حديثًا. وفي مثل هذه الحالات، قد يكون قرار استبدال المحول سابقًا لأوانه.

      

مزيد من التوضيح لحدّ معيار نهاية العمر التشغيلي البالغ 200، الذي يُشار إليه ويُستخدم بشكل متكرر:

    

• تتناقص القوة الميكانيكية للورق، ولا سيما الورق المقوى، تدريجياً؛ وهذا يعني أنه، لأسباب فيزيائية، لا يوجد «حد واضح لدرجة التفكك»، باستثناء أن حد التشغيل يرتبط بتصميم النظام وظروف التشغيل (سعة الأحداث واحتمال/تواتر حالات القصر الكهربائي).

    

• المحولات ذات العزل المتدهور بشدة، طالما أن قدرتها المتبقية على تحمل التيار القصير الدائرة غير معروفة، تكون عمليًا غير آمنة للاستخدام.

      

تتمثل الطرق الرئيسية لتقدير عمر المحول الكهربائي بدقة وموثوقية في:

    

• نظام مراقبة التثبيت يسجل عملية تثبيت اللفات طوال فترة خدمتها.

   

• طريقة لتحديد حالة الشيخوخة لمواد العزل المصنوعة من السليلوز بدقة.

     

• إن معرفة بالضبط أي ورقة تتمتع بأدنى قيمة لدرجة التفكيك (DP) وأين تقع في المحول تعد أكثر دلالةً وفائدةً من الأرقام المُبلغ عنها حالياً والتي تمثل نوعاً من المتوسط لأدنى قيمة لدرجة التفكيك.

    

• صلة التصميم والمواد في الكرتون المصفح والعمر (DP) بالمقاومة الميكانيكية لضغوط القصر، ولا سيما بنوع الورق وكثافته وغلافه من الورق العازل.

    

• تأثير إجهاد التشغيل الذي يتعرض له المحول (وخاصة موجات الجهد الزائد وتاريخ حدوث القصر الكهربائي) على مقاومة التيار القصير في المستقبل.

   

• فهم العلاقة الارتباطية بين قوة التثبيت المتبقية، وحالة تقادم العزل السليلوزي (DP)، ومقاومة التحمل لل短路.

    

•إرشادات وتوصيات بشأن حدود التشغيل العامة وحدود التشغيل التصميمية (قوة التثبيت، فرق الضغط) لاستخدامها من قبل موظفي صيانة وتشغيل المحولات في تقييم وإدارة مخاطر المحولات.