فهم مقاييس الحرارة للضغط والمقاومة والألياف البصرية

التشغيل الموثوق به لـ محول مغمور بالزيت يعتمد أداء المحول بشكل كبير على استقرار زيت العزل الداخلي ودرجات حرارة الملفات. يُعدّ ارتفاع درجة الحرارة سببًا رئيسيًا لتسارع تلف العزل، وتدهور الأداء، وفي النهاية، الأعطال. لذلك، تُعتبر مراقبة درجة الحرارة من أهم الجوانب الأساسية والحساسة لتشغيل وصيانة المحولات. من المؤشرات الميكانيكية التقليدية إلى أنظمة الألياف الضوئية الذكية الحديثة، يُمثل تاريخ تطوير أجهزة قياس الحرارة تطورًا لتكنولوجيا مراقبة المحولات من المراقبة السلبية إلى الإنذار المبكر الفعال.

 

ستوضح هذه المقالة بشكل منهجي الأنواع الشائعة من مقاييس الحرارة المستخدمة في المحولات المغمورة بالزيت، وستقدم تحليلاً متعمقاً لمبادئ عملها وسيناريوهات تطبيقها.

 

الفصل الأول: "شجرة عائلة" موازين الحرارة - نظرة تفصيلية على ثلاثة أنواع رئيسية

استنادًا إلى مبادئ القياس وموقع التركيب، تُقسم مقاييس الحرارة الخاصة بالمحولات المغمورة بالزيت بشكل أساسي إلى الفئات الثلاث التالية. وتشكل هذه الفئات مجتمعةً شبكة مراقبة ثلاثية الأبعاد تمتد من أعلى درجة حرارة للزيت إلى النقاط الساخنة في الملفات.

 

1. مقياس حرارة يعمل بالضغط (مقياس حرارة للقراءة عن بعد)

مبدأ العمل: هذا جهاز ميكانيكي كلاسيكي يعتمد على التمدد/الانكماش الحراري ونقل ضغط السائل/الغاز. يتكون النظام من ثلاثة أجزاء:

 

مستشعر درجة الحرارة: يتم إدخاله في الزيت الموجود في الجزء العلوي من خزان المحول، وهو مملوء بوسط حساس لدرجة الحرارة (مثل السائل أو الغاز أو السائل ذي نقطة الغليان المنخفضة).

 

الأنبوب الشعري: أنبوب معدني طويل ورفيع يربط المصباح برأس المقياس، وهو مملوء بوسط ناقل للضغط.

 

رأس المقياس (المؤشر): يُثبّت على جدار خزان المحول أو خزانة التحكم، وقد يبعد أمتارًا عن المصباح. يتكون قلبه من أنبوب بوردون - وهو أنبوب معدني مرن منحني. عندما يسخن المصباح، ينتقل تغير الضغط الداخلي عبر الأنبوب الشعري إلى أنبوب بوردون، مما يؤدي إلى تشوهه. يحرك هذا التشوه مؤشرًا عبر آلية ربط، لعرض درجة الحرارة.

 

الخصائص الرئيسية:

 

ميكانيكية بحتة، لا تتطلب طاقة خارجية، تتمتع بمناعة ممتازة ضد التداخل الكهرومغناطيسي، وموثوقية عالية للغاية.

 

يمكن تركيب رأس المقياس عن بعد لقراءة محلية مريحة.

 

عادةً ما تكون مزودة بـ 1-2 من نقاط التلامس القابلة للتعديل لوظائف الإنذار بارتفاع درجة الحرارة ووظائف الفصل.

 

تكون الدقة وسرعة الاستجابة أبطأ نسبياً مقارنة بالأنواع الإلكترونية، كما أن الأنبوب الشعري عرضة للتلف الميكانيكي.

 

التطبيق النموذجي: جهاز المراقبة والإنذار الأساسي لدرجة حرارة الزيت العلوي، وهي ميزة شبه قياسية في جميع المحولات المغمورة بالزيت.

 

2. كاشف درجة الحرارة المقاوم (RTD، على سبيل المثال، PT100)

مبدأ العمل: يعتمد على خاصية تغير مقاومة الموصل بتغير درجة الحرارة. العنصر الأكثر شيوعًا في هذا النوع من أجهزة الاستشعار هو مقياس حرارة مقاوم من البلاتين، حيث يشير PT100 إلى مقاومة مقدارها 100 أوم عند درجة حرارة 0 مئوية. تتغير مقاومته بدقة وبشكل خطي مع درجة الحرارة.

 

مكونات النظام:

 

مسبار RTD البلاتيني: مثبت في بئر مقياس الحرارة في الجزء العلوي من المحول، ومغمور في الزيت.

 

جسر القياس وجهاز الإرسال: غالبًا ما يتم دمجهما في وحدة تحكم ذكية. تقوم الدوائر الدقيقة بقياس مقاومة PT100 وتحويلها إلى إشارة تيار قياسية 4-20 مللي أمبير أو إشارة رقمية.

 

الخصائص الرئيسية:

 

دقة قياس عالية، إمكانية إرسال الإشارات عبر مسافات طويلة، مقاومة جيدة للضوضاء.

 

المخرج عبارة عن إشارة كهربائية قياسية، يمكن دمجها بسهولة مع منصات الأتمتة مثل SCADA (التحكم الإشرافي واكتساب البيانات) و DCS (أنظمة التحكم الموزعة) للمراقبة المركزية عن بعد.

 

غالباً ما يتم تركيبه بجانب مقياس الحرارة من نوع الضغط، ليكون بمثابة وسيلة احتياطية أو ذات دقة أعلى للمراقبة عن بعد وتسجيل درجة حرارة الزيت.

 

التطبيق النموذجي: يستخدم للإرسال عن بعد والمراقبة الرقمية لدرجة حرارة الزيت العلوي، وهو حجر الزاوية في المحطات الفرعية الحديثة الآلية وغير المأهولة.

 

3. نظام قياس درجة حرارة لفائف الألياف الضوئية (أكثر أنظمة القياس المباشر "للنقاط الساخنة" تطوراً)

مبدأ العمل: تُعد هذه التقنية حاليًا الأكثر مباشرة وتقدمًا لمراقبة درجة حرارة اللفائف. وهي تعتمد على فيزياء محززات براغ الليفية.

 

مستشعر شبكة براغ الليفية (FBG): يتم كتابة تغير دوري في معامل الانكسار (شبكة) على جزء من ألياف بصرية خاصة باستخدام الليزر. وتتمثل خاصيته الرئيسية في انعكاس الضوء ذي طول موجي محدد (طول موجة براغ)، ويتغير هذا الطول الموجي المنعكس خطيًا مع تغيرات درجة الحرارة (أو الإجهاد) عند موضع الشبكة.

 

عملية القياس: يتم تضمين كابل ألياف بصرية مرن مزود بمستشعرات ألياف براغ متعددة مسبقًا بين طبقات العزل لملفات الجهد العالي في النقاط الأكثر سخونة المتوقعة أثناء تصنيع المحولات. يصدر النظام ضوءًا واسع النطاق، ومن خلال تحليل الطول الموجي المحدد المنعكس من كل شبكة، يمكنه الحصول بدقة وفي الوقت الفعلي على درجة الحرارة المطلقة في نقاط مختلفة داخل الملف.

 

الخصائص الرئيسية:

 

قياس مباشر لدرجة حرارة النقاط الساخنة في الملفات، وليس تقديراً غير مباشر. البيانات هي الأكثر دقة وموثوقية.

 

آمن بطبيعته: الألياف البصرية مصنوعة من السيليكا، وهي عازلة ومقاومة للجهد العالي، ومحصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي، وتعمل بثبات في المجالات الكهرومغناطيسية القوية.

 

القياس الموزع: يمكن للألياف الواحدة أن تستضيف العشرات من نقاط الاستشعار، مما يتيح الحصول على خريطة حرارية كاملة للملف.

 

عامل تمكين رئيسي لتقييم "التصنيف الديناميكي" للمحولات وتقييم عمرها الافتراضي.

 

التطبيق النموذجي: المحولات الكبيرة والحساسة (مثل محولات الجهد العالي للغاية، ومحولات التحويل)، والمحطات الفرعية الذكية التي تتطلب إدارة قدرة الحمل.

 

الفصل الثاني: توضيح المفاهيم الأساسية – درجة حرارة الزيت العلوي مقابل درجة حرارة اللفائف

هذا مفهوم أساسي ونقطة انطلاق لاختيار أنواع موازين الحرارة.

 

درجة حرارة الزيت العلوية: تقيس درجة حرارة الزيت في أعلى الخزان. وهي تعكس الحمل الحراري الكلي للمحول، ولكنها تتأثر بتأخر حراري. عند تغير الحمل، تتغير درجة حرارة الملفات بسرعة، تليها درجة حرارة الزيت. تقيس مقاييس الحرارة من نوع الضغط ومقاييس الحرارة المقاومة (RTD) هذه الدرجة.

 

درجة حرارة النقطة الساخنة في الملفات: تشير إلى أعلى درجة حرارة في المحول بأكمله، وتقع عادةً في الجزء العلوي من ملفات الجهد المنخفض. وهي أهم عامل يحدد معدل تآكل العزل وقدرة التحميل. لا تستطيع الطرق التقليدية قياسها مباشرةً، بل تعتمد على مؤشر درجة حرارة الملفات (WTI) الذي يحاكيها أو يقدرها باستخدام "درجة حرارة الزيت العلوية + تصحيح التيار". يُعد قياس الألياف الضوئية التقنية الوحيدة القادرة على قياسها مباشرةً وبدقة.