بخشی از مقاله
چکیده
کابل هاي قدرت یکی از تجهیزات مهم در سیستم هاي انتقال و توزیع انرژي الکتریکی محسوب می شوند. بطوریکه بروز هر گونه خطا در این تجهیزات، به طور مستقیم، سبب کاهش قابلیت اطمینان و افزایش هزینه هاي نگهداري شبکه می شود. لذا براي کابل هاي قدرت، تکنیک هاي نگهداري پیشگیرانه و روش هاي تشخیصی جدید بسیاري در طول سالیان اخیر توسعه یافته است. بر این اساس، آنالیز پاسخ فرکانسی می تواند به عنوان یکی از روش هاي مناسب در تشخیص هرگونه تغییر در ساختار فیزیکی کابل مورد استفاده قرار گیرد.
این مقاله بر کاربرد آنالیز پاسخ فرکانسی به عنوان روشی جدید در تست هاي تشخیصی غیرمخرب براي کابل هاي قدرت متمرکز شده است. تست هاي عملی روي کابل هاي قدرت توسط دستگاه آنالیز پاسخ فرکانسی در دو حالت سالم و معیوب انجام گرفته است. تمامی عیوب به صورت عمدي در بدنه کابل ها ایجاد شده و سپس، نتایج آنالیز پاسخ فرکانسی مورد بحث و مقایسه قرار گرفته است. شایان ذکر است که نتایج حاصل از آزمایشات نشان می دهند که روش آنالیز پاسخ فرکانسی می تواند بعنوان یک روش تشخیصی جدید و قابل کاربرد در امر نگهداري و تشخیص عیب کابل هاي قدرت بکار گرفته شود.
-1 مقدمه
با توجه به اهمیت روزافزون کابل هاي قدرت در سیستم هاي الکتریکی، این تجهیزات گرانقیمت از جهات مختلف مورد توجه ویژة محققین قرار گرفته اند. تحقیقات فراوانی در زمینه هاي طراحی، کاربرد و حفاظت کابل هاي قدرت بر اساس جوانب مختلف کاربردشان از مرحله ساخت تا مرحله بهره برداري صورت گرفته است. یکی از مباحث مهم در عملکرد کابل هاي قدرت مونیتورینگ آنهاست. امروزه، با توجه به این نکته مهم که کابل هاي قدرت براي استفاده در سطوح ولتاژي مختلف، طراحی و ساخته می شوند و نیز اهمیت فوق العاده اي که در انتقال قابل اعتماد انرژي الکتریکی دارند، همچنین، گسترش فن آوري هاي مرتبط با رایانه و استفاده از آنها در سیستم هاي مونیتورینگ، روش هاي جدیدي توسط محققین براي مونیتورینگ کابل هاي قدرت معرفی شده اند.
کابل هاي قدرت نصب شده، به علت کاربري مداوم طی سالیان متمادي دچار تخریب عایقی شده اند. خرابی کابل هاي قدرت الکتریکی سبب بروز وقفه هاي طولانی مدت، تعمیرات یا تعویض هاي هزینه بر و نیز کاهش سود دهی می شود. معمولا خرابی در بخشی از عایق کابل رخ می دهد. این پدیده با بروز یک عیب کوچک مانند یک حفرة ریز آغاز می گردد. سپس، این حفرة کوچک گسترش یافته و مسیر جریانی به نام درخت می سازد. بروز پدیدة تخلیه جزیی در درخت، بطور مداوم آن را گسترده تر می کند و سرانجام، موجب ازکارافتادگی و شکست کامل کابل می گردد. بنابراین، تشخیص عیب در مراحل اولیه بروز آن، اهمیت بسیاري دارد.
تشخیص خطا و یافتن محل دقیق آن، سبب تسهیل در امر تعمیر سریع کابل، افزایش دسترسی به شبکه و کاهش هزینه هاي بهره برداري آن خواهد شد 1]و .[2 مهم ترین اهداف مونیتورینگ وضعیت کابل هاي قدرت را میتوان به صورت ذیل فهرست نمود 3]و :[4 - 1 - افزایش قابلیت اطمینان کابل هاي قدرت از طریق تشخیص سریع خطا - 2 - افزایش طول عمر کابل هاي قدرت در سیستمهاي الکتریکی ناشی از بهره برداري مناسب آن ها از طریق مونیتورینگ وضعیت کابل و پیش بینی عیوب احتمالی - 3 - کاهش هزینه هاي بهره برداري از کابل ها و نیز تجهیزات و سیستم هاي وابسته به آن ها - 4 - افزایش نظارت اتوماتیک و بهره برداري/مدیریت تجهیزات از آنجاییکه، پارامترهاي الکتریکی کابل هاي قدرت - مانند ثابت دي الکتریک و هدایت الکتریکی - ، به علت پدیدة اثر پوستی در هادي ها و نیز پدیدة استراحت - Relaxation - دي الکتریک، وابستگی شدیدي به فرکانس دارند. بنابراین، مدل دقیقی از کابل هاي قدرت براي آنالیز رفتارشان مورد نیاز است.
چندین مدل مداري وابسته به فرکانسی در نرم افزارهاي MATLAB/SIMULINK، SIMPLORER و ATP-EMTP جهت مطالعه رفتار کابل هاي قدرت در شرایط مختلف وجود دارد. مهمترین مدل مداري براي آنالیز کابل هاي قدرت در حوزة فرکانس، مدل شبکه نردبانی R-L می باشد. در این مدل، اثرات پوستی و مجاورت فرکانس بالا براي مطالعه رفتار کابل در نظر گرفته شده است. در شکل هاي - 1 - و - 2 - ، یک کابل قدرت فشار قوي عایق شده با XLPE به همراه شبکه نردبانی آن نشان داده شده اند.
اما این گونه مدل سازي، اشکالات فراوانی نیز به همراه دارد، از جمله اینکه شبکه هاي نردبانی بهنگام تحلیل، جابه جایی فاز ناصحیح بوجود می آورند. همچنین، با وجود اینکه افزایش طبقات در مدل کابل سبب شبیه سازي دقیق تر آن می شود، اما زمان بیشتري را براي اجراي محاسبات می طلبد. بعلاوه وجود نقص در کابل، اثرات متقابل بین هادي ها و نیز اثرات مجاورت، سبب افزایش اختلالات در مدل پیچیده R-L می گردد. لذا، این اثرات سبب ایجاد مشکلات و خطاي قابل توجهی در امر مدلسازي دقیق کابل می شود .[12-5] در نتیجه، بهترین روش براي آنالیز رفتار و تشخیص خطا در کابل هاي قدرت، تست هاي دوره اي و اندازه گیري هاي عملی می باشند.
با توجه به آنکه مواد مختلفی مانند مس، آلومینیوم، PVC، XLPE و غیره، در ساخت کابل هاي قدرت استفاده می شوند، پدیده هاي غیر معمول مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی، گرمایی و مغناطیسی بر کیفیت بهره برداري آن اثر گذار می باشند و گاهی، سبب بروز خطاهاي متفاوت و مختلفی در کابل می شوند. بنابراین امروزه، نیاز به یک سیستم مونیتورینگ جامع جهت تشخیص جداگانه خطاهاي مختلف کابل بشدت احساس می شود. بعلاوه، تشخیص هر خطا وابسته به ماهیت آن بوده، به همین دلیل روش هاي مختلفی براي آشکارسازي انواع خطاها توسعه یافته است که با ترکیب این روش ها می توان به یک سیستم جامع تشخیص خطا دست یافت. مهمترین روش ها در آشکار سازي عیوب کابل هاي قدرت عبارتند از:
- 1 اندازه گیري و آنالیز تخلیه جزیی
- 2 اندازه گیري گرمایی
- 3 آنالیز پاسخ دي الکتریک
- 4 اندازه گیري ضریب اتلاف دي الکتریک
- 5 تست HVDC
اطمینان از عملکرد بی نقص کابل هاي قدرت، از مسائل مهم مورد توجه مدیران و متخصصین صنعت برق می باشد. اگر چه تست هاي تشخیصی Offline مانند ضریب اتلاف دي الکتریک - DDF - ، اندازه گیري تخلیه جزیی - PDM - و تست HVDC براي کابل هاي عایق شده با کاغذ پیشرفت هاي خوبی داشته است اما تست هاي تشخیصی براي کابل هاي XLPE دشوارتر بوده و در مراحل ابتدایی توسعه می باشند.
لذا امروزه، توسعه روش هاي مونیتورینگ وضعیت کابل هاي قدرت، که قابلیت استفاده براي هر دو نوع کابل با عایق کاغذي و XLPE را دارا باشند، ضروري بنظر می رسد. بنابراین در این مقاله، از آنالیز پاسخ فرکانسی براي درك بهتر رفتارهاي وابسته به فرکانس کابل هاي قدرت استفاده شده و استفاده از اندازه گیري پاسخ فرکانسی به عنوان روشی جدید براي تشخیص خطا معرفی شده است. این روش یک نوآوري در تست هاي تشخیصی کابل هاي قدرت براي تعیین خطاي آن ها بشمار می آید.
-2 تشریح ویژگیهاي کابل هاي قدرت عایق شده با XLPE در دهه 70 عمدتا از پلی اتیلن ترمو- پلاستیک و در دهه 80 از پلی اتلین اتصال صلیبی هموپلیمر XLPE- - - Hemopolymer به عنوان عایق در کابل هاي قدرت استفاده می شد. در حالیکه، از سال هاي آغازین دهه 90 تاکنون، بسیاري از سازندگان ترجیح داده اند تا از XLPE-Copolymer که از ترکیب XLPE هموپلیمر 98-95 - درصد - با یک کوپلیمر 2-5 - درصد - همچون اتیلن-بوتیل اکریلات- کوپلیمر - EBC - یا اتیلن-اتیل اکریلات-کوپلیمر - EEC - استفاده کنند. فرمول شیمیایی این ترکیبات در شکل - 3 - نشان داده شده است. این کوپلیمرها با گروه هاي قطبی خود، توانایی محصور کردن مولکول هاي آب و جلوگیري از تجمع آن ها را دارند. البته بخاطر وجود گروههاي قطبی، خاصیت دي الکتریک آن ها نیز بهبود یافته است.
