تقنيات اختبار المحولات الكهربائية – شرح علمي مفصل

مقدمة

اختبار المحولات الكهربائية هو عملية حيوية لضمان كفاءة التشغيل، الموثوقية، والأمان في نظم القوى الكهربائية. تتضمن هذه الاختبارات مجموعة من الإجراءات التشخيصية التي تُجرى على المحولات لتقييم حالتها، تحديد الأعطال المحتملة، وضمان مطابقتها للمواصفات القياسية.

أنواع اختبارات المحولات

1. اختبارات المقاومة (Winding Resistance Test)

الهدف: قياس المقاومة الكهربائية لملفات المحولات

• يُجرى هذا الاختبار باستخدام مقياس مقاومة دقيق (ميكرومتر) أو جسر ويتستون
• يتم تطبيق تيار مستمر وقياس انخفاض الجهد عبر الملفات
• الصيغة المستخدمة: R = V/I
• تكشف النتائج عن:
• وجود وصلات مفكوكة
• تلف في الموصلات
• عدم توازن بين الملفات
• يجب تصحيح القيم المقاسة لدرجة الحرارة المرجعية (عادة 20°C أو 75°C)

2. اختبار نسبة التحويل (Turns Ratio Test)

الهدف: التحقق من نسبة عدد اللفات بين الملفات الأولية والثانوية

• يتم باستخدام جهاز TTR (Turns Test Ratio)
• تطبيق جهد منخفض التردد على أحد الملفات وقياس الجهد المستحث في الملف الآخر
• النسبة النظرية: N₁/N₂ = V₁/V₂
• الانحرافات المسموح بها عادةً ±0.5% من القيمة الاسمية
• يمكن أن تشير النتائج غير الطبيعية إلى:
• قصر بين اللفات
• أخطاء في توصيل نقاط التبديل
• تلف في العزل

3. اختبارات العزل (Insulation Tests)

أ. اختبار مقاومة العزل (Megger Test)

• يستخدم مقياس ميجر (عادة 500V أو 1000V أو 2500V حسب تصنيف المحول)
• يقيس المقاومة بين:
• الملفات والأرض
• بين الملفات المختلفة
• القيم النموذجية: >1000 ميجا أوم للمحولات الجديدة
• معادلة مؤشر الاستقطاب: PI = R₁₀min/R₁min
  (يجب أن يكون بين 1.5-2.0 للمحولات الجيدة)

ب. اختبار عامل التشتت (Dielectric Dissipation Factor – Tan δ)

• يقيس فقدان العزل الكهربائي
• يتم باستخدام جسر شيرينج
• القيم النموذجية: <0.5% للمحولات الجديدة
• الزيادة في tan δ تشير إلى:
• تدهور العزل
• وجود رطوبة
• تلوث في سائل العزل

4. اختبارات الاستجابة الترددية (Frequency Response Analysis – FRA)

الهدف: الكشف عن التشوهات الميكانيكية في المحول

• تطبيق إشارة جهد صغيرة متغيرة التردد (عادة 20Hz-2MHz)
• قياس استجابة الملفات عبر نطاق الترددات
• مقارنة النتائج مع بصمة أساسية (fingerprint)
• يمكن الكشف عن:
• إزاحة أو تشوه في الملفات
• فشل في الهيكل الميكانيكي
• قصر بين اللفات

5. اختبارات تفريغ جزئي (Partial Discharge Test)

• الكشف عن التفريغات الكهربائية الصغيرة داخل العزل
• يستخدم كواشف حساسة للترددات العالية (UHF)
• يمكن إجراؤه:
• في الموقع (على-line)
• في المختبر (off-line)
• المستويات المقبولة: <10pC للمحولات الجديدة

6. اختبارات الزيت (Oil Tests)

أ. اختبار انهيار الجهد (Breakdown Voltage Test)

• قياس جهد الانهيار الكهربائي لعزل الزيت
• يستخدم خلية اختبار مع أقطاب كروية
• القيم الدنيا المقبولة: 30kV/2.5mm للمحولات العاملة

ب. اختبار المحتوى المائي (Water Content Test)

• قياس نسبة الرطوبة في الزيت (بالppm)
• الطرق:
• طريقة كارل فيشر
• مستشعرات الرطوبة
• الحد الأقصى المسموح: 20-30ppm حسب درجة الحرارة

ج. اختبار الغازات الذائبة (DGA – Dissolved Gas Analysis)

• تحليل الغازات الناتجة عن التحلل الحراري للعزل
• الطرق: كروماتوغرافيا الغاز
• الغازات الرئيسية:
• الهيدروجين (H₂)
• الميثان (CH₄)
• الإيثيلين (C₂H₄)
• الأسيتيلين (C₂H₂)
• تفسير النتائج باستخدام:
• نسب روجرز (Rogers Ratios)
• طريقة دوفيرن (Duval Triangle)

7. اختبارات الأداء تحت الحمل (Load Tests)

أ. اختبارات فقد الحمل (No-Load Loss Test)

• قياس الفقد في الدارة المغناطيسية
• يتم بتطبيق جهد مقنن على أحد الملفات مع ترك الملف الآخر مفتوحاً
• يشمل:
• فقد التخلف (Hysteresis loss)
• فقد التيارات الدوامية (Eddy current loss)

ب. اختبارات فقد الحمل (Load Loss Test)

• قياس الفقد في الدارة الكهربائية
• يتم بتطبيق تيار مقنن على أحد الملفات مع قصر الملف الآخر
• يشمل:
• فقد المقاومة (I²R)
• فقد التبعثر (Stray loss)

8. اختبارات التحمل الحراري (Thermal Tests)

أ. اختبارات ارتفاع درجة الحرارة (Temperature Rise Test)

• تحديد الزيادة في درجة حرارة المحول تحت الحمل
• الطرق:
• الطريقة المباشرة (قياس فعلي)
• الطريقة غير المباشرة (حساب من المقاومة)
• المعايير: IEC 60076-2

ب. اختبارات الدورة الحرارية (Thermal Cycling Test)

• تقييم أداء المحول تحت ظروف التحميل المتغيرة
• تكشف عن:
• مشاكل في التمدد الحراري
• فشل في الوصلات

تقنيات متقدمة في اختبار المحولات

1. التحليل الطيفي للاهتزازات (Vibration Analysis)

• مراقبة الاهتزازات الميكانيكية الناتجة عن:
• تأثير المغناطيسية
• تيارات الدوامة
• قوى لورنتز

2. التصوير الحراري (Thermography)

• استخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء للكشف عن:
• النقاط الساخنة
• توزيع الحرارة غير المتجانس

3. اختبارات الاستجابة النبضية (Impulse Response Test)

• تقييم استجابة المحول للنبضات عالية التردد
• مفيد في تشخيص:
• تلف العزل
• تشوهات الملفات

معايير الاختبار الدولية

• IEC 60076 سلسلة معايير المحولات الكهربائية
• IEEE C57.12.00 للمحولات العامة
• IEEE C57.152 دليل تفسير DGA

خاتمة

تطورت تقنيات اختبار المحولات بشكل كبير مع التقدم التكنولوجي، حيث أصبحت أكثر دقة وسرعة. تكامل التقنيات التقليدية مع الأساليب الحديثة مثل التحليل الطيفي والمراقبة المستمرة عبر أجهزة الاستشعار الذكية يوفر حماية شاملة للمحولات، يطيل عمرها التشغيلي، ويقلل من مخاطر الفشل المفاجئ في نظم القوى الكهربائية.