ورقة تقنية حول زيت المحولات: من الهندسة الجزيئية إلى إدارة الأصول

1. نظرة عامة تنفيذية: التحول الاستراتيجي في النموذج

لم يعد زيت المحولات، أو العازل الكهربائي السائل، يُنظر إليه على أنه سلعة سلبية. في عصر نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) والتكامل اللامركزي للطاقة المتجددة، أصبح زيت المحولات سائل هندسي عالي الأداء. وهو يعمل كوسيط تبريد أساسي، وحاجز عازل كهربائي، ونافذة تشخيصية. بالنسبة لمحول طاقة نموذجي بقدرة 500 ميجا فولت أمبير، يمثل الزيت 5-8% فقط من التكلفة الرأسمالية، ولكنه مسؤول عن أكثر من 40% من البيانات التشخيصية المستخدمة لمنع الأعطال الكارثية.

تقدم هذه الورقة البيضاء تحليلاً شاملاً لتقنيات زيوت المحولات، بدءاً من الكيمياء الجزيئية وصولاً إلى الاستراتيجيات الاقتصادية لدورة الحياة. للحصول على فهم أساسي للمعدات التي تحميها هذه السوائل، راجع شرح المحولات الكهربائية: الدليل التعليمي الشامل.

2. البنية الجزيئية: الهيدروكربونات وكيمياء المواد المضافة

2.1 مصفوفة الهيدروكربونات

يعود أداء الزيت المعدني إلى عملية تكريره (المعالجة الهيدروجينية أو التكرير بالمذيبات). المجموعات الثلاث الأساسية للهيدروكربونات هي:

• النفثينات (السيكلوالكانات): المعيار الصناعي بسبب انخفاض درجة انسيابها وقدرتها الممتازة على إذابة المنتجات الثانوية الناتجة عن الشيخوخة القطبية. لا تتسبب في ترسيب الشمع عند -40 درجة مئوية, ، مما يضمن الدورة الدموية في المناخات الباردة.
• البارافينات (الألكانات): مؤشر لزوجة عالي واستقرار أكسدة، ولكنه عرضة لـ “التشميع”.”
• ثورة تحويل الغاز إلى سائل (GTL): توفر الزيوت الإيزوبارافينية الناشئة المشتقة من توليف الغاز الطبيعي (GTL) بديلاً عالي النقاء وخالياً من الكبريت. تتميز زيوت GTL باستقرار أكسدة فائق وفقدان تبخر أقل مقارنة بالزيوت المعدنية التقليدية من المجموعة I/II.

2.2 دور المواد المضافة: المثبطات والمخمدات

• مثبطات الأكسدة: مواد كيميائية مثل DBPC (2,6-ثنائي-ثالثي-بوتيل-ب-كريسول) أو BHT تعمل كمضادات للأكسدة. فهي توقف سلسلة التفاعلات الحرة للأكسدة، مما قد يضاعف فترة تحفيز الزيت.
• مخمدات المعادن: مركبات مثل إيرغاميت 39 تشكل طبقة واقية مجهرية على أسطح اللف النحاسية. وهذا يمنع التأثير التحفيزي للنحاس على أكسدة الزيت ويقلل من مخاطر الكبريت المسبب للتآكل.
• مثبطات نقطة الانسياب (PPD): يستخدم بشكل خاص في الزيوت البارافينية الثقيلة لتحسين السيولة في درجات الحرارة المنخفضة عن طريق تعديل تكوين بلورات الشمع.

3. أزمة “الكبريت المسببة للتآكل”: تحليل متعمق وحاسم

منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، تعطلت العديد من المحولات عالية الجهد قبل الأوان بسبب تكوّن كبريتيد النحاس (Cu₂S) على عزل الموصل.

• الآلية: تتفاعل مركبات الكبريت غير المستقرة في الزيت مع النحاس عند درجات حرارة عالية. والنتيجة هي Cu₂S موصلة؛ فهي تنتقل إلى العازل الورقي، مما يقلل من قوة العزل الكهربائي، ويؤدي في النهاية إلى حدوث ماس كهربائي بين اللفات.
• الكشف والتخفيف: الاختبار عبر ASTM D1275B أو IEC 62535 أصبح الآن إلزامياً. إذا تم الكشف عن وجود كبريت تآكل، فإن العلاج الأساسي هو إضافة مادة مسببة للتخميل أو، في الحالات القصوى، استعادة الزيت باستخدام وسائط محددة لإزالة الكبريت. ترد إجراءات الاختبار التفصيلية في معايير ASTM الدولية.

4. المقارنة المعيارية التقنية: مقارنة المعايير الدولية

مقارنة شاملة بين السوائل العازلة عالية الأداء استنادًا إلى المعايير العالمية الحالية:

للتعمق في كيفية أداء هذه السوائل في تكوينات الأجهزة المختلفة، راجع دليلنا حول المحولات الجافة مقابل المحولات المملوءة بالزيت.

5. ما وراء النفط: تحليل الفوران وتقادم الورق

زيت المحولات هو الناقل الرئيسي لـ مركبات الفوران, ، وهي منتجات ثانوية لتحلل السليلوز (ورق عازل).

• تحليل الفورفورال (2-FAL): قياس تركيز 2-فورفورالديهايد في الزيت يوفر تقديرًا غير جراحي لـ درجة البلمرة (DP) من الورقة.
• عتبة DP: الورقة الجديدة لها DP يبلغ $\sim 1000$. عندما ينخفض DP إلى 200-250, ، تفقد الورقة قوتها الميكانيكية، ويعتبر المحول قد وصل إلى “نهاية عمره الافتراضي”، بغض النظر عن حالة الزيت.
• ميزة Ester: نظرًا لأن الإسترات الطبيعية ماصة للرطوبة، فإنها “تسحب” الرطوبة من الورق. وهذا يقلل من معدل التحلل المائي المحفز بالحمض، مما يطيل عمر الورق بمقدار 3 إلى 5 أضعاف مقارنة بأنظمة الزيوت المعدنية.

6. التشخيص المتقدم: مصفوفة “بصمة” DGA

6.1 ملامح توليد الغاز وترابط الأعطال

تؤدي العيوب المختلفة إلى تكسير جزيئات النفط عند مستويات طاقة محددة، مما ينتج عنه غازات مميزة:

• الهيدروجين (H₂): تفريغ منخفض الطاقة، تفريغ جزئي (PD)، أو “تسرب غازات” في الزيوت المثبطة.
• الميثان (CH₄) والإيثان (C₂H₆): أعطال حرارية منخفضة إلى متوسطة الحرارة (150-300 درجة مئوية).
• الإيثيلين (C₂H₄): أعطال حرارية بسبب ارتفاع درجة الحرارة (> 700 درجة مئوية)، مما يشير إلى ارتفاع درجة حرارة القلب أو سوء التوصيلات الكهربائية.
• الأسيتيلين (C₂H₂): قوس كهربائي عالي الطاقة (> 700-1000 درجة مئوية). يلزم التدخل الفوري.

التشخيص الصحيح هو جزء أساسي من أي قائمة مراجعة اختبار محولات التوزيع.

6.2 خماسيات دوفال (الأول والثاني)

في حين أن مثلث دوفال فعال، فإن خماسيات دوفال توفر رؤية أكثر تفصيلاً من خلال دمج جميع الغازات الهيدروكربونية الخمسة. يتم تحديد هذه الطرق بدقة من قبل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC).

7. الهندسة الميدانية: أخذ العينات ومعالجتها بدقة

7.1 تجنب “النتائج الإيجابية الخاطئة” في نتائج المختبر

السبب الأكثر شيوعًا لنتائج DGA غير الصحيحة هو تلوث الغلاف الجوي أثناء أخذ العينات.

1. بروتوكولات التنظيف: تصريف ما لا يقل عن 5-10 لترات من الزيت لإزالة الرواسب الراكدة من صمام أخذ العينات.
2. سلامة المحاقن: استخدام محاقن زجاجية دقيقة مزودة بصمامات ثلاثية الاتجاهات لضمان عدم احتباس أي فقاعات هواء.
3. لوجستيات النقل: يجب حماية العينات من الأشعة فوق البنفسجية (باستخدام حاويات كهرمانية اللون) لمنع “الأكسدة الضوئية”.”

7.2 المعالجة بالفراغ وإزالة الغازات

بالنسبة للأصول ذات الجهد العالي جدًا (UHV)، يجب الحفاظ على مستوى الفراغ أثناء التعبئة أقل من 1 مليبار (100 باسكال) لفترات طويلة. هذه ممارسة معتادة في تصنيع محولات عالية الأداء مغمورة بالزيت.

8. المشهد التنظيمي العالمي: السلامة والبيئة

يجب أن تمتثل إدارة الأصول الحديثة للوائح البيئية الصارمة:

• REACH و RoHS (الاتحاد الأوروبي): الامتثال فيما يتعلق بالسلامة الكيميائية للمواد المضافة.
• قابلية التحلل البيولوجي (OECD 301): يجب أن تحقق الإسترات الطبيعية تحللًا بيولوجيًا $> 60\%$ في غضون 28 يومًا.
• PCB (ثنائي الفينيل متعدد الكلور): حظر دولي صارم (اتفاقية ستوكهولم).

9. التحليل الاقتصادي: تكلفة دورة الحياة (LCC) والتكلفة الإجمالية للملكية (TCO)

في حين أن زيت الإستر الطبيعي هو تقريبًا أغلى بثلاث مرات من الزيت المعدني لكل لتر، فإن التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) غالبًا ما يفضل الإستر في تركيبات معينة:

• توفير تكاليف إطفاء الحرائق: التخلص من أنظمة “الفيضان المائي” وبرامج الحماية المكلفة.
• إطالة عمر الأصول: يتيح تقليل تقادم الورق زيادة الحمولة (الحمولة الزائدة) خلال ذروة الطلب.
• تكاليف إيقاف التشغيل: انخفاض تكاليف معالجة انسكابات الزيوت المعدنية، التي يمكن أن تصل تكلفتها إلى ما يزيد عن $200,000 لكل حادث في المناطق الحساسة.

للحصول على بدائل عالية الكفاءة تقلل من النفقات التشغيلية بشكل أكبر، استكشف منتجاتنا سلسلة محولات السبائك غير المتبلورة.

10. الاتجاهات المستقبلية: التوأم الرقمي والمراقبة في الوقت الفعلي

تتجه الصناعة نحو “المراقبة النشطة” بدلاً من “الأخذ العينات السلبي”:

• أجهزة مراقبة متعددة الغازات عبر الإنترنت: متكامل مع الذكاء الاصطناعي القائم على السحابة لحساب “مؤشر الصحة”.”
• التحميل الديناميكي (التوائم الرقمية): محاكاة في الوقت الحقيقي للحالة الحرارية للمحول.
• أجهزة استشعار غير باضعة: تطوير أجهزة استشعار الانبعاثات الصوتية (AE) وأجهزة استشعار درجة الحرارة بالألياف الضوئية.

11. الأسئلة المتكررة (FAQ)

س 1: هل يمكن خلط زيوت المحولات من ماركات مختلفة؟

ج: يمكن عمومًا خلط الزيوت من نفس النوع إذا كانت كلاهما متوافقة مع المواصفة IEC 60296. ومع ذلك، فإن خلط مكبوت و غير مقيّد يُنصح بعدم استخدام الزيوت. الخلط زيت معدني و زيت إستر يجب تجنبها ما لم تكن إجراء “إعادة تعبئة” متعمدًا.

السؤال الثاني: ماذا أفعل إذا كان الأسيتيلين (C₂H₂) في تقرير DGA؟

ج: الأسيتيلين هو غاز “إنذار أحمر”. حتى الكميات الضئيلة منه تشير إلى وجود قوس كهربائي عالي الطاقة. يجب عليك على الفور تقصير فترة أخذ العينات إلى 24-48 ساعة. إذا ارتفعت التركيزات، يجب إيقاف تشغيل الوحدة.

السؤال 3: كيف يؤثر محتوى الرطوبة في الزيت على جهد الانهيار (BDV)؟

ج: في الزيت المعدني، ينخفض BDV بشكل حاد بمجرد تجاوز الرطوبة ~ 20 جزء في المليون. في المقابل،, إسترات طبيعية يمكن أن تستوعب ما يصل إلى 200-300 جزء في المليون قبل حدوث انخفاض كبير.

السؤال 4: هل “إعادة التعبئة” استراتيجية قابلة للتطبيق بالنسبة للمحولات القديمة؟

ج: نعم، يمكن أن يطيل العمر المتبقي للعزل الورقي ويقضي على مخاطر الحريق، شريطة أن تكون الحشيات متوافقة.

السؤال 5: لماذا يعد تحليل الفوران ضروريًا إذا كنت أقوم بالفعل بتحليل DGA؟

ج: تحدد DGA الصدوع النشطة، بينما يقدر تحليل الفوران درجة البلمرة (DP), ، وهو العامل المحدد النهائي لنهاية عمر المحول.

12. الخاتمة

لم تعد الإدارة الاستراتيجية لزيت المحولات ترفًا بل ضرورة لضمان مرونة الشبكة. من اختيار زيوت أساسية GTL عالية النقاء إلى تنفيذ تشخيصات Duval Pentagon وإدارة حرارية قائمة على الإستر، فإن القرارات المتخذة على المستوى الجزيئي لها تأثير عميق على الصحة المالية والتشغيلية لشبكة الطاقة.

مرجع تقني: يتوافق هذا المستند مع IEEE C57.104،, IEC 60599 (تفسير DGA)، وأحدث CIGRE D1.01 تقارير مجموعة العمل. للحصول على تحليل جنائي متخصص، يرجى الاتصال بمختبر XBRELE الهندسي.

الورقة البيضاء الهندسية الرسمية

زيت المحولات: الهندسة الجزيئية وإدارة الأصول

إتقان أساسيات تقنية GTL، والإسترات الطبيعية، والتشخيص المتقدم لـ DGA. تم تصميم هذا الدليل لمهندسي المرافق ومديري الأصول الذين يسعون إلى تحقيق مرونة الشبكة.

**التنسيق:** مستند PDF **المؤلف:** XBRELE Engineering

تنزيل ورقة تقنية