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].

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].