جدول (۴‑۲). مشخصات نمونه کابل اندازه گیری شده از تست عملی [۳۸] ۷۹
جدول (۴‑۳). ضریب تلفات عایق کابل از شبیه سازی پیشنهادی ۸۰
جدول (۴‑۴). شرایط تست شبیه سازی ۸۲
جدول (۴‑۵). مقادیر عناصر مدل مداری نمونه ۱ ۸۳
جدول (۴‑۶). مقادیر عناصر مدل مداری نمونه ۲ ۸۴
جدول (۴‑۷). شرایط شبیه سازی ۸۶
جدول (۴‑۸). اعتبار سنجی مدل پیشنهادی ۸۹
فصل اول
مقدمه
در این فصل، مسائل زیر بررسی شده است:
مقدمهای بر لزوم بررسی پدیده های عایقی
تاریخچه بررسی پدیده درخت رطوبتی
اهداف پروژه
ساختار پایان نامه
مقدمه ای بر لزوم بررسی پدیده های عایقی
توسعه شهرها، افزایش جمعیت و همچنین تأسیس وگسترش مراکز صنعتی همگی سبب افزایش تقاضای بار الکتریکی هستند. افزایش بار الکتریکی درخواستی ملزم به استفاده از سطوح ولتاژ بالا جهت کاهش تلفات انتقال است. از آنجایی که افزایش ولتاژ خطوط انتقال نیاز به حریم وسیعتری نسبت به خطوط با ولتاژ پایین دارند و همچنین به دلیل افزایش روزافزون ارزش اقتصادی زمین، امروزه ترجیحاً سعی می شود تا از شبکه های کابلی فشارقوی زیرزمینی به جای خطوط انتقال هوایی استفاده شود. ضمناً از آنجایی که خطوط هوایی از تجهیزات آسیب پذیر در حین جنگ میباشند، استفاده از کابلهای فشار قوی پدافند غیرعامل[۱] محسوب می شود و از این آسیبپذیری میکاهد.
در شبکه برق ایران هماکنون جهت گسترش شبکه در سطوح توزیع، فوق توزیع و انتقال، ترجیحاً از شبکه های کابلی استفاده می شود. به عنوان مثال، در شبکه برق منطقهای تهران از کابلهای XLPE با سطح ولتاژ ۲۰ تا ۲۳۰ کیلوولت استفاده شده است و مطالعاتی جهت استفاده از کابلها در سطوح بالاتر ولتاژ نیز انجام می شود[۲]. بدین ترتیب، کابلهای فشارقوی نقش بسیار حساسی در شبکه های برق ایفا می کنند و حفاظت آنها از اهمیت ویژهای برخوردار است، زیرا هر مشکلی در آنها که سبب قطع آنها و بروز خطا شود، صدمات اقتصادی (و شاید سیاسی) وسیعی به شبکه وارد می کند.
عایقهای الکتریکی، مواد جامد، مایع و یا گازی هستند که به صورت گسترده در تمامی تجهیزات یک شبکه قدرت، از جمله ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خطوط انتقال، موتورها و … به منظور جداسازی الکتریکی به کار میروند. از این رو خرابی و یا نقص عایقهای تجهیزات می تواند سبب اختلال و ایجاد مشکلات اساسی برای شبکه قدرت شود. بنابراین بررسی علل خرابی و یا عوامل ایجاد نقص در عایق تجهیزات از اهمیت ویژهای برخوردار است زیرا میتوان با بررسی آنها روشهای ساخت و یا روشهای نگهداری و تعمیرات را بهبود بخشید[۱].
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
کابلهای الکتریکی از جمله مهمترین تجهیزات الکتریکی هستند که در آنها از عایقهای جامد استفاده شده است. عایقهای جامد به دلایل مختلف، از جمله روشهای ساخت، پیری، شرایط محیطی و… دچار تنزل در مشخصات عایقی میشوند. تنزل عایقی در عایق کابلها می تواند مشکلات زیادی از جمله افزایش جریان نشتی و ایجاد تخلیههای جزئی در عایق کابل به وجود آورد و در شرایط بحرانی می تواند سبب شکست عایقی و ایجاد خطا شود. بنابراین باید عوامل ایجاد تنزل عایقی در عایق کابلها به خوبی بررسی شوند تا بتوان عملیات پیشگیرانه و یا در صورت لزوم عملیات اصلاحی برای این کابلها صورت بگیرد[۱].
علی رغم اینکه در دهه ۷۰ میلادی شکست های عایقی بصورت درخت در عایق پلی اتیلن کابل های فشار متوسط رخ می داد و باعث شکست سرویس کاری می شد، شناسایی شده ولی تاکنون روش مناسبی که بتواند این پدیده را به درستی مدلسازی کند وجود ندارد. برای شناخت بهتر این پدیده آزمایش هایی در این زمینه انجام شد، نتایج نشان می دهد که ظاهراین نوع شکست شبیه درخت الکتریکی است که معمولا از سر دو الکترود رشد کرده است و باعث تنزل سطح عایقی کابل تحت تنش الکتریکی شده است. همین مساله باعث شد تا تحقیقاتی گسترده ای در زمینه شناخت بیشتر این پدیده انجام شود. نتایج آزمایش هایی که با بهره گرفتن از الکترود سوزنی انجام گرفته، نشان داده است که احتمالا افزایش میدان محلی و پیری عایق باعث شروع و رشد درخت در مقیاس زمانی ساعتی، ماهیانه و یا سالیانه می شود[۲].
جزئیات آزمایش های میکروسکوپی نیز حاکی از آن است که رشد این درختان درعایق حاوی رطوبت تحت میدان الکتریکی بالا نسبت به درختان الکتریکی متفاوتند. بر این اساس این نوع درخت، درخت رطوبتی نامیده شد. شکل ظاهری آنها شامل رشته ای از ریز حفره ها (۱ الی ۵ میکرومتر در قطر) که از الکترولیت پرشده و ممکن است در سطح داخلی مقداری مواد شیمیائی ترکیب شده داشته باشد. در اینجا رسانائی مستقیمی بین حفره ها وجود ندارد [۲].
درخت رطوبتی بر اثر پیری کابل ها و یا صدمه دیدن درهنگام نصب و قرارگرفتن در معرض رطوبت بوجود می آید و می تواند با نفوذ درسراسر ضخامت عایق کابل بدون اینکه شکست لحظه ای ایجاد کند رشد کرده و باعث تلفات وکاهش سطح عایقی گردد و در نهایت منجر به شکست زودهنگام کابل شود . مهمترین تاثیر مخربش اینست که خواص عایقی و نیز توزیع میدان الکتریکی در اطرافش را تغییر می دهد[۳].
بطور نسبی درخت رطوبتی برای رشد خود به ۷۰ الی ۸۰ درصد رطوبت نیاز دارند و به آب آزاد نیازی ندارند. با رشد وگسترش درخت رطوبتی درکابل ، این درخت تبدیل به درخت الکتریکی شده و درنهایت باعث شکست کابل می گردد به همین دلیل آشکارسازی درخت رطوبتی مهم است[۳].
درخت رطوبتی نیز مانند درخت الکتریکی، به شکل درخت گره-پاپیونی و درخت روزنه ای رشد می کنند. گاهی اوقات درخت رطوبتی می توانند با پل زدن کامل بین عایق بدون استفاده از الکترود، شکست نهائی عایق را ایجاد کنند. البته معمولا این درخت الکتریکی است که باعث شکست نهائی می شوند ولی در اغلب کابل ها تنزل عایقی با درخت رطوبتی داخلی شروع می شود[۲].
شروع، رشد و گسترش درخت رطوبتی به عوامل مختلفی از جمله : شدت میدان الکتریکی، تنش مکانیکی، نوع و غلظت یونی در رطوبت، طول درخت، ساختار تشکیل دهنده پلیمر و سایر افزودنی ها بستگی دارد. همچنین رطوبت با گذردهی نسبی بالا باعث ناهمواری و افزایش محلی میدان الکتریکی درهمسایگی حفره ها می شود[۲].
بررسی ها نشان می دهد تغییر درخت رطوبتی به درخت الکتریکی باعث پایان عمر کابل شده و در یک مدت کوتاه ممکن است باعث فعال شدن تخلیه جزئی شود. همین امر مانع استفاده از اندازه گیری تخلیه جزئی (PD[3]) در آشکار سازی درخت رطوبتی می شود[۴].
تاریخچه شناخت پدیده درخت رطوبتی
در اوایل دهه ۲۰ میلادی پدیده درخت رطوبتی درکابل های کاغذ روغنی شناخته شد [۵] ولی دیگر این کابل ها در صنعت برق دیگر استفاده نمی شود، لذا کشف پدیده درخت رطوبتی درکابلهای PE و XLPE مربوط به دهه ۷۰ میلادی است[۱]. مطالعات مکانیزم شروع و رشد این پدیده از سال ۷۷ میلادی آغاز شد [۳] و موارد مطرح شده تاکنون عبارتند از : جلوگیری از رشد دائمی درختان رطوبتی[۶] ، تاثیر شرایط محیط بر روی این پدیده[۷] ، نقش یون ها و مواد تشکیل دهنده[۸]، [۹] و جریان گذرا[۱۰] را می توان نام برد .
نخستین مدل سازی درخت رطوبتی در سال ۸۹ میلادی با بررسی مدل شبیه سازی شده با نتایج تجربی انجام شد[۱۰] ، در سال ۹۳ میلادی محققان توانستند بصورت کامپیوتری درخت رطوبتی را مدل کنند[۱۱]. مطالعات آشکارسازی این پدیده از سال ۹۵ میلادی با روش اندازه گیری جریان گذرا آغاز شد[۱۰] و تاکنون روش های مختلفی برای آشکار سازی ارائه شده است.
اهداف پروژه
هدف از این پایان نامه، بررسی پدیده درخت رطوبتی و عوامل ایجاد و رشد آن در عایق کابلها و همچنین بررسی روشهای مدلسازی و آشکارسازی درخت رطوبتی و تاثیر آن در خرابی و تنزل عایقی کابل ها است. از آنجایی که به منظور بررسی روش آشکارسازی میبایست مدلی از درخت رطوبتی موجود باشد، در ابتدا مدلهای موجود از درخت رطوبتی بررسی و جمعآوری شدند که در قالب سه مدل آزمایشگاهی، میدانی و مداری میباشند. ضمن این بررسی، کمبود یک مدل مداری انعطافپذیر و دقیق و با قابلیت توجیهپذیری فیزیکی که بتوان الگوریتمهای مختلف آشکارسازی و تشخیص را روی آن اعمال کرد کاملاً محسوس بود. بدین منظور در این پروژه پس از بررسی و ارائه روشهای آشکارسازی و تشخیص، مدل مداری جدیدی پیشنهاد و اعتبارسنجی شده است. در ادامه سیر پروژه، مدل پیشنهادی بر اساس نمونه واقعی کابل شبیهسازی و نتایج آن با نتایج مدل مداری پیشنهادی مقایسه و بررسی شدند. بنابراین به صورت خلاصه اهداف نائل آمده درانتهای پروژه به صورت زیر میباشند:
بررسی درخت رطوبتی، عوامل ایجاد آن در عایق کابل و عوامل موثر بر رشد آن
بررسی مدلهای موجود برای درخت رطوبتی در عایق کابل
بررسی روشهای آشکارسازی و تشخیص درخت رطوبتی
ارائه مدل مداری برای پدیده درخت رطوبتی
اعتبارسنجی مدل مداری پیشنهادی
ساختار پایان نامه
در این پایان نامه در فصل دوم، در ابتدا پدیده های عایقی که سبب کاهش سطح عایقی در عایقهای جامد می شوند معرفی شده اند و در ادامه، عوامل ایجاد و نحوه رشد درخت رطوبتی در عایق کابلها به صورت خاص مورد بررسی قرار گرفته است. فصل سوم به بررسی مدل های موجود آزمایشگاهی ، میدانی و مداری درخت رطوبتی مبتنی بر روشهای آشکارسازی درخت رطوبتی در عایق کابل بررسی میشوند. درفصل چهارم، مدل پیشنهادی بر اساس ساختار فیزیکی درخت رطوبتی معرفی کرده و کارائی مدل در آشکار سازی درخت رطوبتی بررسی می شود. درفصل آخر، جمع بندی وپیشنهادت ارائه شده و در پایان، مراجع ذکر شده است.
فصل دوم
پدیده های عایقی در عایق های جامد
در این فصل، مسائل زیر بررسی شده است:
انواع پدیده های عایقی در عایق های جامد
علل وقوع درخت طوبتی در عایق کابل ها
پارامترهای موثربر وقوع و رشد درخت رطوبتی
مشکلات ناشی از وجود درخت رطوبتی درعایق کابل ها
روش های جلوگیری وقوع درخت رطوبتی در عایق کابل ها
پدیده های عایقی در عایق های جامد
به دلیل استفاده گسترده از عایقهای مختلف الکتریکی در سیستمهای قدرت، بررسی عوامل ایجاد نقص و یا خرابی در عایقها از اهمیت ویژهای در مباحث مهندسی فشارقوی برخوردار است.
در این بخش، عوامل تنزل در خواص عایقی، بویژه در عایقهای جامد بررسی شده اند و سپس به صورت خاص پدیده اصلی تنزل عایقی در عایقهای جامد به نام درخت رطوبتی و نحوه به وجود آمدن و رشد و عوامل تاثیرگذار بر رشد آن تشریح گردیده است.
حفره[۴]
حفرهها از جمله شایعترین نقصهای عایقهای جامد هستند که عموما به دلیل روشها و مراحل ساخت در تنه عایق پدید میآیند و فضایی پر از گاز در تنه عایق ایجاد می کنند که گذردهی آن از گذردهی عایق اطراف پائین تر بوده و سبب افزایش میدان به صورت محلی در عایق می شود و عایق در ناحیه حفره به صورت محلی تخلیه خواهد داشت که به آن تخلیه جزئی میگویند[۱].
وقتی که گاز درون حفره با شکست مواجه می شود، سطوح مقابل عایق به صورت لحظهای کاتد و آند میشوند. برخی از الکترونها که با آند برخورد می کنند، آنقدر پرانرژیاند که میتوانند موجب شکست پیوند شیمیایی سطح عایق شوند. همچنین بمباران کاتد با یونهای مثبت ممکن است با افزایش دمای سطحی و ایجاد عدم پایداری حرارتی محلی سبب خرابی عایق شود[۱].
حفرهها که عموماً وجودشان در عایق کابل اجتناب ناپذیر است، از دیگر عواملی هستند که سبب افزایش محلی میدان الکتریکی میشوند. از آنجایی که درون این حفرهها معمولاً مملو از گازهایی است که ضریب گذردهی پایینتری نسبت به عایق اطراف خود دارند، ولتاژ زیادی روی این حفرهها اعمال می شود که همین امر سبب بالا رفتن میدان الکتریکی درون حفره می شود. حال چنانچه این میدان از آستانه قابل تحمل عایق بیشتر باشد، می تواند سبب ایجاد تخلیههای جزئی در حفره شود و در مرور زمان، شاخههایی در اطراف حفره پدید می آید که شکل هیپربولیکی خواهند داشت و این فرایند می تواند تا شکست کامل عایق کابل پیش رود [۱۲].
شیار[۵]
شیار، شکل گیری یک مسیر هادی دائمی در سطح عایق است. عموما مسیر هادی نتیجه تنزل عایق است. شیار معمولا در عایقهایی که از ترکیبات کربن هستند ایجاد می شود. از طرفی در محیطهای صنعتی، عایقها با آلودگی و گرد و غبار موجود در فضا آلوده میشوند یا در کنار دریا نمک روی سطح عایق را میپوشاند که موجب آسیب رسانی به عایق میشوند و تبخیر آنها سبب خرابی عایق می شود. در این صورت وقتی ولتاژ زیادی روی شیارهای مرطوب میافتد، جرقه زده می شود و گرمای جرقه سبب کربونیزاسیون عایق می شود و سبب شکل گیری شکافهای کربنی دائمی در سطح عایق می شود[۱].
درخت الکتریکی[۶]
درختهای الکتریکی شامل مجموعههایی از کانالهای متقاطع یا مسیرهای تخلیه با قطرهای در محدوده کمتر از یک میکرون تا دهها میکرون هستند. عمل تخلیه به طور ناگهانی در یک طرف حفره متمرکز می شود و سبب ایجاد چالههای عمیقی در سطح حفره میشوند. چالهها به صورت طولی در امتداد محور تخلیه رشد می کنند و انتهای این چالهها به صورت سوزنی می شود که این امر سبب افزایش میدان در نوک این چالهها می شود که چنانچه از استقامت عایق بیشتر باشد سبب تبخیر عایق در چند نانوثانیه و در حجم کوچکی از عایق می شود. این پدیده در طول زمان ساختاری از شکافها را درون عایق به وجود میآورد. نام درخت الکتریکی نیز از ساختار شاخهای بودن این پدیده می آید. شکل (۲‑۱) ، درختی الکتریکی را که از نوک سوزنی در رزین پلیاستر رشد کرده نشان میدهد[۱].
شکل (۲‑۱). درخت الکتریکی[۱].
