بلاگ
روش نوین برای تعیین محل و درجه آسیب ایزولاسیون در کابلها
این مقاله توسط ناهید مفیدزاده و گولگاز اسماعیلووا از دانشگاه دولتی نفت و صنعت آذربایجان، دانشکده برق، دپارتمان «الکتروانرژی» در باکو، آذربایجان منتشر شده است.
ORCID: 0000-0003-4063-2128, 0000-0003-0063-2020
چکیده
در این تحقیق، یک روش نوآورانه برای شناسایی محل و شدت آسیب ایزولاسیون در کابلها توسعه یافته است. این روش مبتنی بر تعریف یک مدار الکتریکی خاص میباشد. در این طرح، یک سر کابل به کمک یک مقاومت کوچک به یک منبع ولتاژ پالس متصل میشود، در حالی که سر دیگر آن از طریق مقاومتی که برابر با امپدانس موجی آن است به زمین متصل میگردد. با اندازهگیری ولتاژها در هر دو انتهای کابل، میتوان منحنیهایی ترسیم کرد که بسته به نسبت ولتاژها در انتها و ابتدای کابل، فاصله بین محل آسیب و نقطه آغازین کابل را در مقادیر مختلف آسیب ایزولاسیون مشخص مینماید. با توسل به این منحنیهای وابسته، اندازهگیری α=f(x/l)، محل و شدت آسیب ایزولاسیون در کابلها به دقت تعیین خواهد شد.
مقدمه
با توجه به افزایش نیاز به قابلیت اعتماد خطوط کابلی، به ویژه ایزولاسیون آنها، اهمیت پیدا کردن محل آسیب و همچنین رفع آن در خطوط زیرزمینی بیش از پیش احساس میشود، زیرا در این راستا هزینه و زمان زیادی صرف میگردد.
علل بروز نقصها در کابلها بسیار متنوع است. این نقصها عموماً در نقاط ضعیف ایزولاسیون کابل ظاهر میشوند و به شکل مواد هوایی رخ میدهند که در آن فرآیندهای خطرناکی مانند یونیزاسیون و تخلیههای جزئی رخ میدهد. شناسایی محل و شدت آسیب در یک خط کابل، یک وظیفه حیاتی است که تأیید آن به واسطه تحقیقات متعدد انجام شده توسط دانشمندان از کشورهای مختلف حاصل شده است.
آزمایشات پیشگیرانه همیشه نمیتوانند ماهیت نقص را به درستی شناسایی کنند و در برخی موارد قادر به شناسایی هیچ آسیبی نخواهند بود. این آزمایشها فقط در صورتی میتوانند وجود نقص را شناسایی کنند که سطح ایزولاسیون کابلها به میزان ۸۰ تا ۹۰ درصد کاهش یافته باشد. در هنگام بروز حوادث، کابلها معمولاً آسیبهای ثانویهای را متحمل میشوند که خود به دو دسته شکست و اتصالات کوتاه تقسیم میشوند.
برای شناسایی فاصله بین انتهای کابل و محل آسیب در صورت شکست یا اتصالات کوتاه بین فازها، روش تحقیق پالس بهطور فراوانی مورد استفاده قرار میگیرد.
تحلیل و هدف کار
این مقاله یک روش جدید را معرفی میکند که به عنوان روش پالس برای تعیین محل و شدت آسیب کابل شناخته میشود. در این روش، شناسایی محل و درجه آسیب ایزولاسیون، همچنین شناسایی محل شکست سیم فاز تحت تأثیر پالس بر روی کابل، مدنظر قرار میگیرد. برای اجرای این فرآیند، ولتاژ پالس به ورودی کابل اعمال میشود. این ولتاژ میتواند بهعنوان موج استاندارد پالس ۱.۲/۵۰ میکروثانیه با دامنهای کوچک و از طریق یک مقاومت بسیار کوچک به کار برود، بهگونهای که ورودی کابل دارای ولتاژ ثابت برابر با ولتاژ اعمال شده نباشد و امکان اندازهگیری جریان در آن قسمت برقرار گردد. همچنین، انتهای کابل باید از طریق یک مقاومت به زمین متصل شود تا امکان اندازهگیری جریان و ولتاژ در این بخش از کابل فراهم گردد. به منظور جلوگیری از تأثیر موج بازتابی در انتهای کابل، مقادیر این مقاومت باید با امپدانس مشخصه کابل برابر باشد؛ در غیر این صورت، دو نقطه در کابل (نقطه آسیب ایزولاسیون و انتهای کابل) وجود خواهد داشت که در آنها بازتاب و انکسار موج رخ میدهد و پیچیدگی در روند موج در کابل آسیبدیده ایجاد میشود.
طرح پیشنهادی در شکل ۱ نمایش داده شده است.
شکل ۱. طرح طراحی
در این مطالعه، کابلی با ایزولاسیون کاغذی و اشباع چسبناک با مقطع ۱۲۰ میلیمتر مربع و ولتاژ نامی ۳۵ کیلوولت مورد بررسی قرار گرفته است. طول این کابل ۱۰۰۰ متر در نظر گرفته شده است. این روش میتواند به کابلهای فلزی از انواع مختلف تسری یابد.
در محاسبات، کابل بهعنوان یک مدار معادل سنتی به شکل یک زنجیره شامل ۳۰ عنصر نمایش داده شده است.
آسیب به ایزولاسیون و شکستهای سیم فاز به طور جداگانه در ۱۵ نقطه در فواصل ۰.۰۶۷∙n از ابتدای کابل که n شمارههای این ۱۵ نقطه هستند، بررسی شده است. عدد ۰.۰۶۷ نسبت طول بین دو بخش مجاور را نشان میدهد. تعیین درجه آسیب ایزولاسیون برای حالات آسیب ایزولاسیون ۳۰، ۵۰، ۶۰، ۷۰، ۸۰، ۹۰، ۹۵ و ۱۰۰ درصد انجام گردیده است.
نتایج و بحث
محاسبات با بهرهگیری از زبان الگوریتمی OrCAD-۱۷ صورت گرفتهاند. نتایج محاسبات به منظور شناسایی محل و درجه آسیب ایزولاسیون در جدول ۱ و در شکلهای ۲ تا ۵ ارائه شدهاند.
جدول ۱. مقادیر ولتاژ در ابتدا و انتهای کابل در مقاطع مختلف آسیب به ایزولاسیون
همانطور که در جدول ۱ مشاهده میشود، بدون توجه به میزان آسیب ایزولاسیون و محل آن در کابل، تغییر اندکی در مقادیر ولتاژ در بازه (۰–۰٫۴)l کابل رخ میدهد و در بازه (۰٫۴–۱٫۰)l، ولتاژ ثابت میماند. تخریب ایزولاسیون تنها بر ولتاژ ابتدای کابل اثر میگذارد و آن هم فقط برای اختلالاتی که بسیار نزدیک به ابتدای کابل باشند.
از سوی دیگر، ولتاژ انتهای کابل برای هر میزان آسیب در یک محدوده بسیار باریک در طول کابل تغییر میکند. اما با افزایش درجه آسیب از ۸۰٪ به بالا، این ولتاژ کاهش مییابد (جدول ۱).
تعمیم نتایج بهدستآمده
برای تعمیم نتایج، وابستگی نسبت ولتاژ انتهای کابل به ولتاژ ابتدای آن (α = Uк / Unom) به فاصله نقطه آسیب از ابتدای کابل بررسی شده است؛ یعنی وابستگی α = f(x/l). این وابستگی برای همه درجات آسیب ایزولاسیون در نظر گرفتهشده (بهجز آسیب ۱۰۰٪) در شکل ۲ نشان داده شده است.
شکل ۲. وابستگی نسبت تنشها در انتها و ابتدای کابل به فاصله اختلال از ابتدای کابل.
در شکست ۱۰۰٪ ایزولاسیون، بخش باقیمانده کابل میان انتها و نقطه آسیب بهعنوان یک اتصال کوتاه در نظر گرفته میشود، بنابراین جریان و ولتاژ در آن قسمت به صفر میرسد.
در شکل ۲، منحنیهای ۱، ۲، ۳، ۴، ۵، ۶ و ۷ به ترتیب به درجات آسیب ۳۰، ۵۰، ۶۰، ۷۰، ۸۰، ۹۰ و ۹۵ درصد اشاره دارند.
بهعنوان نمونه، شکل ۳ منحنی ولتاژ در ابتدا و انتهای کابل را با درجه آسیب ایزولاسیون ۹۰٪ در وسط کابل نشان میدهد.
بر اساس شکل ۲، اگر خواص عایق کابل به کمتر از ۸۰٪ کاهش یابد (منحنیهای ۱، ۴ و ۷)، میتوان درجه آسیب ایزولاسیون و محل آن را در کابل تعیین کرد. در درجات پایینتر آسیب، منحنیهای مربوطه بسیار به یکدیگر نزدیکاند و تشخیص درجه یا محل آسیب غیرممکن میشود.
همانطور که از شکل ۲ برمیآید، تعیین درجه آسیب ایزولاسیون و موقعیت آن در کابل تنها زمانی ممکن است که خواص عایق کمتر از ۸۰٪ افت کرده باشد (منحنیهای ۱، ۴ و ۷). در درجات ضعیفتر آسیب، منحنیها چنان به هم نزدیکاند که نه میتوان درجه آسیب را تشخیص داد و نه محل آن را.
شکل ۳. منحنیهای ولتاژ در ابتدا و انتهای کابل در صورت آسیب ۹۰٪ ایزولاسیون در وسط کابل.
درجه آسیب ایزولاسیون و محل آن در کابل بر اساس مقدار α تعیین میشود. مقادیر جریانها در کابل مشابه مقادیر ولتاژهاست. بر این اساس، نسبت جریانها در ابتدا و انتهای کابل نیز محاسبه میشود و وابستگی این نسبت به فاصله نقطه اختلال از ابتدای کابل برای درجات مختلف آسیب ترسیم میگردد؛ یعنی وابستگی β = İnom/İk مشابه وابستگی α = Uk/Unom است. این وابستگی در شکل ۴ نشان داده شده است.
همانند وابستگی α = f₁(x/l)، وابستگی β = f₂(x/l) نیز نشان میدهد که نزدیکی بیش از حد منحنیهای مربوط به درجات پایینتر آسیب (تا ۸۰٪) امکان تشخیص درجه و محل آسیب را نمیدهد. تفاوت جزئی میان این منحنیها تنها در بخش ابتدایی کابل در بازه (۰–۰٫۱۵)l دیده میشود و در بقیه طول کابل تقریباً کاملاً همپوشانی دارند.
همپوشانی منحنیهای مربوط به درجات آسیب کمتر از ۸۰٪ در شکلهای ۲ و ۴، امکان جایگزینی آنها با یک منحنی واحد را فراهم میکند. بنابراین میتوان همه اختلالات زیر ۸۰٪ را بهعنوان اختلال ۸۰٪ در نظر گرفت و محل آنها را با استفاده از منحنی آسیب ۸۰٪ پیدا کرد.
شکل منحنیهای وابستگی α = f₁(x/l) و β = f₂(x/l) در شکلهای ۲ و ۴ نشان میدهد که برای تعیین درجه آسیب ایزولاسیون و محل آن، استفاده از منحنیهای شکل ۲ (مرتبط با ولتاژها) آسانتر است.
همانطور که دیده میشود، در شکل ۴ منحنی مربوط به آسیب ۱۰۰٪ ایزولاسیون وجود ندارد. چنانکه پیشتر اشاره شد، در آسیب ۱۰۰٪، جریان و ولتاژ در انتهای کابل صفر است. بنابراین برای این حالت، وابستگی نسبت جریان در ابتدای کابل (که متناظر با اتصال کوتاه در نقاط میانی است) به جریان در انتهای کابل (در غیاب اتصال کوتاه) بر اساس فاصله نقطه اختلال از ابتدای کابل در نظر گرفته میشود. این وابستگی در شکل ۵ ارائه شده است.
شکل ۴. وابستگی نسبت جریانها در ابتدا و انتهای کابل به فاصله اختلال از ابتدای کابل.
در این حالت، با دور شدن نقطه آسیب ایزولاسیون از ابتدای کابل، جریان در ابتدای کابل بهطور یکنواخت کاهش مییابد، زیرا فاصله و به تبع آن مقاومت افزایش مییابد.
بر اساس شکل ۵، محل شکست ۱۰۰٪ ایزولاسیون در کابل به راحتی قابل شناسایی است.
برای تعیین محل شکستگی سیم فازها درون کابل، محاسبات مرتبطی انجام شد که در آنها شکستگی سیم در ۱۵ نقطه مختلف کابل هنگام اعمال شوک بر آن در نظر گرفته شد و ولتاژ ابتدای کابل اندازهگیری گردید.
شکل ۵. وابستگی نسبت جریان در انتهای کابل به جریان در غیاب آسیب به فاصله اختلال از ابتدای کابل.
نتایج
بر اساس محاسبات انجام شده، وابستگی نسبتهای ولتاژ در ابتدای کابل به قطع شدن سیم فاز و همچنین در غیاب این قطع، بر روی فاصله شکست سیم در کابل ترسیم شده است. این وابستگی به وضوح در شکل ۶ قابل مشاهده است.
همانطور که در شکل ۶ نمایان است، با افزایش فاصله نقطه شکست سیم فاز از ابتدای کابل، ولتاژ در ابتدای کابل به طور پیوسته کاهش مییابد. این منحنی همچنین تعیین موقعیت دقیق شکست سیم فاز را تسهیل مینماید.
بررسی ولتاژ در شروع کابل
شکل ۶. وابستگی نسبت ولتاژ در ابتدای کابل به شکست سیم در فواصل مختلف از ابتدای کابل و ولتاژ در غیاب این شکست بر روی فاصله شکست سیم در کابل
نتیجهگیریها
- یک روش نوآورانه برای شناسایی محل و درجه آسیب ایزولاسیون، همچنین تعیین محل شکست سیم فاز در کابلها توسعه یافته است.
- برای این منظور، یک مدار الکتریکی انتخاب شده است که از طریق آن میتوان محل و درجه آسیب ایزولاسیون و همچنین محل شکست سیم فاز را شناسایی کرد.
- با توجه به آسیبهای ایزولاسیون با درجات متفاوت در نقاط مختلف کابل، منحنیهایی بر اساس نسبت ولتاژها در انتها و ابتدای کابل بر روی فاصله بین نقطه آسیب و ابتدای کابل ترسیم شده است که با درجات گوناگون آسیب ایزولاسیون – α = f(x/l) – به مشخص کردن محل و درجه آسیب ایزولاسیون کابل کمک میکند.
این مطالعه امکان تعیین محل شکست سیم فاز کابل را از طریق وابستگی نسبت ولتاژ در ابتدای کابل فراهم کرده است، به طوری که در شرایطی که سیم در نقاط مختلف شکسته شده و در غیاب شکست نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
مراجع
- Florkowska B., Florkowski M., Zydroń P., Pomiary i analiza wyładowań niezupełnych w układach izolacyjnych wysokiego napięcia przy narażeniach eksploatacyjnych, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, 4, 241-244.
- Florkowski M., Forkowska B., Rybak A., Zydron P., Migration effects at conductor / XLPE interface subjected to partial discharges at different electrical stresses, IEEE Trans. on Diel. and Electr. Insul., 2015, 22, 456 – 462
- A. Shimada, M. Sugimoto, H. Kudoh, K. Tamura, and T. Seguchi, “Degradation distribution in insulation materials of cables by accelerated thermal and radiation ageing,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 20, pp. 2107, 2013.
- A. Shimada, M. Sugimoto, H. Kudoh, K. Tamura, and T. Seguchi, “Degradation mechanisms of silicone rubber (SiR) by accelerated ageing for cables of nuclear power plant,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 21, pp.16, 2014.
- T. Seguchi, K. Tamura, H. Kudoh, A. Shimada, and M. Sugimoto, “Degradation of cable insulation material by accelerated thermal radiation combined ageing,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 22, pp. 3197, 2015.
- Stepanov, V.M. Diagnostics of the technical condition of power cable lines with a voltage of 35-500 kV / V.M. Stepanov, P.A. Borisov // News of TulGU. Technical science. Issue 6. – Part 1. -pp.66-71, 2011.
- Gotman V.I. Short circuits and unbalanced modes. Study, for universities. M: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2013. – 240 p.
- Lebedev, G.M. Improving the efficiency of operation of 6-10 kV cable lines in power supply systems based on non-destructive diagnostics. / G.M. Lebedev // Moscow Energy Institute. – M., p. 408, 2007.
نویسندگان: Mufidzada Nahid1, İsmayilova Gulgaz2، ۲ دانشگاه نفت و صنعت آذربایجان، دانشکده برق، دپارتمان «الکتروانرژی»، باکو، آذربایجان، ۱ استادیار، (gulgaz77@mail.ru)
شناسه مأخذ & ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷, R. ۹۹ NR ۱۰/۲۰۲۳. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۳.۱۰.۱۸
منتشر شده توسط PQBlog
مهندس برق
بیشتر پستها را مشاهده کنید
پرسشهای متداول
چگونه میتوان محل آسیب ایزولاسیون در کابلها را شناسایی کرد؟
با استفاده از یک مدار الکتریکی و اندازهگیری ولتاژها در نقاط مختلف کابل میتوان محل آسیب را تعیین کرد.
آیا میتوان از این روش برای همه نوع کابلها استفاده کرد؟
بله، این روش میتواند برای کابلهای فلزی از همه نوع اعمال شود.
چه عواملی باعث آسیب ایزولاسیون در کابلها میشوند؟
عوامل مختلفی همچون وجود مواد هوایی در ایزولاسیون و تخلیههای جزئی به آسیب ایزولاسیون منجر میشوند.
درجه آسیب ایزولاسیون چگونه تعیین میشود؟
درجه آسیب ایزولاسیون با توجه به اندازهگیری ولتاژها و تحلیل منحنیهای بهدستآمده مشخص میشود.
منبع: powerquality.blog
