استخدام أجهزة الاستشعار لرصد الحالات في إدارة الأصول المحولة للطاقة

تزايد أهمية رصد الأحوال في إدارة الأصول المحولة للطاقة

إن محولي الطاقة من بين أكثر الأصول تكلفة وحرجا في نظم الطاقة الكهربائية، إذ يمكن أن يتحول فشل محولات واحد إلى انقطاعات واسعة النطاق، وعمليات إصلاح باهظة التكلفة، ومخاطر كبيرة للسلامة، حيث يتم تفتيش المحولين التقليديين وتقديم الخدمات لهم على أساس جدول زمني ثابت، وكثيرا ما يكون ذلك غير كاف، وقد تعاني الأصول من تدهور مخفي بين عمليات التفتيش، مما يؤدي إلى حدوث إخفاقات غير متوقعة، وهذا الواقع يتجه إلى استمرار عملية الصيانة الدورية التي تقوم بها الصناعة.

وتوفر أجهزة الاستشعار لرصد الطوابق رؤية فورية إلى بارامترات رئيسية مثل درجة الحرارة، ومستويات الغاز المذاب، ونشاط التصريف الجزئي، والتشغيل الميكانيكي، وذلك باستخلاص بيانات عن كيفية التصرف المحول في إطار الضغط البيئي والضغط، يمكن للمرافق والمشغلين الصناعيين أن يكشفوا علامات الإنذار المبكر بالتدهور، وهذا النهج الاستباقي لا يمتد إلى حياة المحولات فحسب، بل يستوعب أيضا ميزانيات الصيانة المثلى، ويتوافق مع أهداف السلامة في أماكن العمل.

ما هو مُستشعرات مراقبة الطُعَل؟

أجهزة الاستشعار لرصد الطوابق هي أجهزة متخصصة يتم تركيبها بصورة دائمة أو شبه دائمة على محول كهربائي أو داخله، وهي تقوم باستمرار بقياس المتغيرات المادية أو الكيميائية أو الكهربائية التي ترتبط بصحة المحول، وتُنقل البيانات المجمعة إلى منصة تحليلية محلية أو قائمة على الغيوم، حيث يتم تجهيزها وتفسيرها، والهدف هو تحويل قراء الاستشعار الخام إلى نماذج قابلة للتنفيذ:

وتعمل أجهزة الاستشعار هذه على مبادئ تتراوح بين الكشف عن درجة حرارة المقاومة وتحليل الانبعاثات الصوتية، وعلى عكس أخذ عينات يدوية دورية (مثل أخذ عينة نفطية كل ستة أشهر)، توفر أجهزة الاستشعار تدفقا مستمرا للمعلومات التي تستوعب الأحداث العابرة والأخطاء البطيئة في التطور على حد سواء، ويتيح إدماج بيانات الاستشعار مع برامجيات إدارة الأصول في المؤسسة رؤية شاملة عن الأسطول المتحول تتيح إيلاء الأولوية لوحدات العمل.

وتمتد قيمة أجهزة الاستشعار لرصد الظروف إلى أبعد من المحولات نفسها، إذ يمكن لربط نواتج الاستشعار بنسخة رقمية مزدوجة - افتراضية من محركات الأصول المادية أن تحاكي السيناريوهات، مثل ظروف الحمولة الزائدة أو إخفاقات نظم التبريد، دون المخاطرة بالمعدات الحقيقية، وهذه القدرة التنبؤية تشكل حجر الزاوية في الاستراتيجيات الحديثة لإدارة الأصول، وهي تدفع إلى اعتماد تكنولوجيات الاستشعار في جميع أنحاء الصناعة.

أنواع أجهزة الاستشعار المستخدمة في أجهزة تحويل الطاقة

ويجمع نظام شامل لرصد الحالة عادة بين أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار، يستهدف كل منها نمطا محددا من أشكال الفشل، ويقل هذا النظام عن الفئات الأكثر شيوعا من أجهزة الاستشعار التي تنشر في محولات الطاقة اليوم.

أجهزة الاستشعار

فالدرجة القصوى هي أهم مؤشر على صحة المحولات، إذ أن التسخين المفرط يتسارع في النمو ويفضي إلى الفشل الكارثي، ويستخدم نوعان من أجهزة الاستشعار الحرارية عادة:

مستشعرات درجة الحرارة المتنبأة (WTI): ] هذه هي مبيدات حشرية أو سائل حراري مدمج في رياح المحولات أثناء التصنيع، وهي تقيس درجة الحرارة العالية، وهو أمر حاسم لأن تآكل الحياة يتسارع بدرجة حرارة، ومن الناحية النموذجية، يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة حرارة ٦-١٠ درجة مئوية فوق درجة الحرارة إلى النصف.
Top oil temperature sensors:] Placed in the oil near the top of the main tank, these sensors track the bulk oil temperature.
]Bottom oil temperaturesensors:] Located near the bottom of the tank, they measure the cooled oil returning from radiators. The delta between top and bottom oil temperature indicates cooling performance.

Key monitoring parameters:] Absolute temperature, rate of rise (dT/dt), and temperature differentials between stages. Alarms are set according to IEC 60076-2 or IEE C57.91 standards.

الغازات في الهواء (تحليل الغازات المعزولة)

ويعتبر تحليل الغاز المسيل أقوى أداة تشخيص للمحولين، وعندما تكون الأخطاء الداخلية - مثل التداول أو التاثير أو التسخين المفرط - تفكك النفط والورق العزل، وتفريغ الغازات السمية (مثل الهيدروجين والميثان والهوية والإيثيلين والآسيتيلين) وتقيس أجهزة الاستشعار التابعة للمؤسسة الوطنية للتأمين ضد الجوع تركيز هذه الغازات باستمرار.

Single-gas sensors:] Low-cost sensors that detect only hydrogen (a common early fault gas).
Multi-gas sensors:] Measure up to nine key gases (H2, CO, CH2, C2H2, C2H4, C2H6, O2, N2). Provide detailed diagnostic capacity and can trend gas evolution rates.
Photoacoustic spectroscopy (PAS) sensors: Use optical absorption to detect gases at very low concentrations (ppm/ppb). Highly accurate and stable.

ويمكن أيضاً للمستشعرات الحديثة التابعة لوزارة الدفاع أن تحسب النسب الرئيسية مثل روجرز، ومثلث دوفال، ونسب اللجنة الانتخابية المستقلة، وتُحدد العتبات العزلة بموجب التصنيف الدولي للكهرباء C57.104 ورقم IEC 60599، ويتيح الرصد المستمر كشف الأخطاء الأولية قبل أن تصبح خطيرة.

أجهزة الاستشعار الجزئية

والتفريغ الجزئي هو تصريف كهربائي محلي ينتقص من درجة العزل بمرور الوقت ويمكن أن يحدث نشاط PD في فراغات في إطار العزل الصلب، أو على واجهات النفط الورقي، أو على سطح الشجيرات.

Capacitive couplers:] Installed on the transformer bushing tap or via an access port. They measure the electrical PD signal and are the most common PD sensor for power transformers.
High-frequency current transformers (HFCT):] Clamp around the grounding conductor, detecting PD pulses on the neutral or tank ground.
أجهزة استشعار صوتية: ] Piezoelectric transducers mounted on the tank wall. They detect the pressure waves from PD events. Useful for locating the discharge source by triangulation between multiple sensors.
UHF sensors:] Antenna-based sensors that capture the electromagnetic wave emitted during PD. they have high sensitivity and can be installed via oil drain valves or manholes.

ki metrics:] PD magnitude (pC), phase-resolved partial discharge (PRPD) pattern, pulse count, and trend over time.

أجهزة الاستشعار عن نوعية الهواء والنفط

وتعجل المياه في زيت المحولات بزراعة الشيخوخة وتخفض قوة الديكلتري، وتقيس أجهزة الاستشعار المتنقلة الرطوبة النسبية (%RH) ودرجة الحرارة في النفط، التي يستمد منها محتوى المياه (ppm) وبالإضافة إلى ذلك، تتبع أجهزة استشعار نوعية النفط معايير مثل الحموضة (رقم المحايدة)، والمقاومة، ودلتا الدونات.

In-line moisture sensors:] Installed in the oil circulation pipe or directly in the tank. Use capacitive or resistive techniques.
Oil quality probes:] Multi-parameter probes that measure moisture, temperature, and sometimes acidity and interfacial tension.

والحفاظ على جودة النفط أمر حيوي بالنسبة لموثوقية المحولات، وقد تؤدي مستويات الرطوبة العالية إلى جانب الأكسجين والحرارة إلى تكوين الحطام، وانخفاض التبريد، وزيادة خطر الارتداد.

أجهزة الاستشعار لرصد الاشعاع

والوشاح هو نقطة الدخول للموصلات ذات الحركة العالية من خلال خزان المحول، وهي عرضة للتحلل العزلي، وغالبا ما يكون ذلك بسبب الاقتحامات الرطبة أو التصريف الجزئي.

Capacitance and tan delta (dissipation factor):] Changes in capacitance indicate insulation deterioration or moisture. Tan delta measures the dielectric losses.
Leakage current:] The resistive component of the current flowing through the bushing insulation.
voltage distribution:] In capacitive-graded bushings, monitoring the voltage at each tap can reveal grading capacitor failures.

ويستخدم مراقبو السحب المتقدمون التحليل المتناسق لفصل المكونات السقفية والمقاومة، ويتيح معالجة هذه القيم بمرور الوقت الكشف المبكر عن الأخطاء التي تصيب المتحولين، وهي سبب رئيسي لانفجارات المحولين.

أجهزة الاستشعار عن بعد

إن السلامة الميكانيكية لبؤة المحول ورياح الرياح أمر حاسم، إذ يمكن أن يشير الاهتزاز المفرط إلى عدم وجود أي تشوهات أو انحرافات في الهواء أو قضايا التطهير الأساسية، وتوضع مقاييس التسارع على جدار الصهاريج أو الإطار الأساسي، ويفصل تحليل الترددات عن إشارات الاهتزاز الطبيعية عن الارتداد الميكانيكي الشاذعائر أو أحداث التأثير.

Typical parameters:] RMS velocity,tom acceleration, and frequency spectra.

Tap Changer Monitoring Sensors

ومن بين أكثر العناصر تعرضاً للفشل نتيجة لعملها في مجال التبديل الميكانيكي والكهربائي، مقياس فرز أجهزة المراقبة المخصَّص للبرمجيات:

Motor current profile:] Deviations indicateميكانيكية wear or binding.
درجة حرارة ودرجة حرارة DGA في مقصورة متغيرات النقر (تتفصل عن الصهريج الرئيسي). ]
Contact wear:] Derived from cumulative tap change count and current.
Vibration patterns:] Distinct signatures for each tap change operation; changes indicateميكانيكي faults.

ويمكن للرصد المباشر لمغيري النوافذ أن يحول دون حدوث إخفاقات كارثية قد تؤدي إلى عدم دقة المحول بل إلى انفجار.

نظم الرصد المتكامل لحالات الطوارئ

وفي حين توفر أجهزة الاستشعار الفردية بيانات قيمة، فإن قوتها الحقيقية تنشأ عندما تدمج في نظام متكامل لرصد الحالة، ويجمع نظام الرصد الدولي بيانات من جميع أجهزة الاستشعار - التمرين، وDG، والرطوبة، والتشجير، والتشجير، والضغط، وتغيير النقر، ويجمعها إلى منصة واحدة، وتربط التحليلات المتقدمة بين الاتجاهات المزيفة المتعددة لتحسين الدقة التشخيصية والحد من الإنذارات الخاطئة.

كما أن منابر النظام المتكامل للرصد والتواصل مع نظام المنحى الخاص بالوكالة، مما يتيح للمشغلين رؤية مؤشرات صحة المحول إلى جانب القياسات الكهربائية مثل الحمولة والفولط ومعامل الطاقة، وتشمل نظماً كثيرة الآن الربط السحابي، والمقارنات على نطاق الأسطول، وتحليل الخبراء عن بعد.

فوائد رصد الأحوال الشخصية

الكشف المبكر عن الخزنة والوقاية منها

ويمكن أن يحدد الرصد المستمر الأخطاء التي تحدث أياما أو أسابيع أو حتى قبل أشهر من حدوث الفشل، فمثلا، يشير اتجاه إيثيلين وإيثان التصاعدي السريع إلى وجود بقعة ساخنة تتراوح بين 300 و700 مئوية - غالبا بسبب سوء الاتصالات الكهربائية، ويتيح الكشف المبكر الصيانة المقررة خلال فترات متدنية الطلب، ويتجنب حدوث فشل في القصف المكبّر أو تمزق في الدبابات.

عمر التحول الموسع

ومن خلال تمكين المعجبين من التدخل في الوقت المناسب، يساعد رصد الحالة على تخفيف العوامل التي تعجل بالشيخوخة: التسخين المفرط، والاعتداء بالرطوبة، والتصريف الجزئي، على سبيل المثال، إذا فشل مروحة التبريد، فإن رصد درجة الحرارة يُعَلِّم الشذوذ فورا؛ ويحوله في غضون ساعات دون ساعات من التشغيل المفرطة في الحرارة التي يمكن أن تتدهور بشكل دائم، وعلى مدى فترة الثلاثين إلى ٤٠ سنة، يمكن تأجيل هذا اليقظة إلى ٥ سنوات.

انخفاض عدد ساعات العمل غير المقررة

أما حالات انقطاع المحول غير المخطط لها فهي مكلفة للغاية - لا في الإصلاح والاستبدال فحسب، بل أيضا في الإيرادات الضائعة والمدفوعات الجزائية من رموز الشبكة، والضرر الذي يلحق بالسمعة بالمرافق، ويمكن لنظام رصد الحالة الذي يُتوقع أن تستمر فيه التحليلات المتطورة، مما يتيح للمشغلين تحديد مواعيد بديلة خلال فترات الإجازات المقررة، ووفقا لمعهد بحوث الطاقة الكهربائية، فإن الصيانة القائمة على الشروط تقلل من البرامج غير المخطط لها بنسبة 30 إلى 50 في المائة.

الوفورات في التكاليف من الصيانة المستهدفة

وبدلا من إجراء عمليات تفتيش مكلفة ومتدخلة على جميع المحولات في دورة ثابتة، يمكن للمشغلين أن يركزوا الموارد على الوحدات التي تظهر علامات على الضيق، وهذا الاستخدام الأمثل يقلل من تذبذب النفط غير الضروري، واستبداله بالحجارة، وصيانة متغيرات الصنبور، ويمكن استرداد تكلفة مجموعة حساس متواضعة (مثل درجة الحرارة، والهيدروجين، والرطوبة) لمحول التوزيع خلال سنتين إذا منع ذلك حتى من الخروج القسري.

تعزيز السلامة

ويمكن للمترجمين أن ينفجروا بقوة مدمرة، مما يحرر الزيت الساخن وشظايا الغازات السامة، ويكشف رصد الطوابق الظروف التي تسبق توليد الغاز المكبّت لهذه الأحداث، أو الضغط العالي على الدبابات، أو يُسجّل المشغلين الذين يُسرّعون في العزل إلى نزع سلاح الوحدة بأمان، ويكلف العديد من المرافق الآن إدارة الغازات العنيفة على شبكة الإنترنت، ورصد المحركات الكبيرة في المناطق المكتظة بالسكان أو الحساسة بيئياً.

الامتثال والإبلاغ

وتحتاج الهيئات التنظيمية بصورة متزايدة إلى المرافق لإثبات أن الأصول الحيوية تدار بصورة استباقية، ويوفر رصد الحالة أدلة موثقة على الاتجاهات الصحية، وإجراءات الصيانة، وتقييمات المخاطر، وهذه البيانات لا تقدر بثمن بالنسبة لعمليات مراجعة السلامة، وتقييمات التأمين، وتقييم الأصول.

تحديات التنفيذ والاعتبارات

الاستثمار المباشر

ويمكن أن تكون تكلفة أجهزة الاستشعار والتركيب والهياكل الأساسية للاتصالات والبرامجيات كبيرة، وقد يتراوح نظام الرصد الشامل لمحول ذي دفعة عالية بين ٠٠٠ ٢٠ دولار و ٠٠٠ ١٠٠ دولار، حسب جناح الاستشعار، ويجب أن تبرر المرافق هذه النفقات من خلال الوفورات المتوقعة من الفشل المتجنب وتخفيض الصيانة، وينبغي أن يُحسب تحليل التكاليف والفوائد على الأهمية البالغة للمحول، وسنه، ونتائج الفشل.

إدارة البيانات والتحليل

ويمكن للمحول الوحيد أن يولد آلاف نقاط البيانات في الساعة، وبدون التصفيف الذكي والتحليل الآلي، فإن المشغلين يخاطرون بعبء المعلومات الزائد، ويجب أن تشمل نظم إدارة البيانات الآلية التخزين، ولوحات الرواسب في الوقت الحقيقي، وتحليل الاتجاهات، ومثيرة للقلق، إذ أن خوارزميات التعلم في الآلات التي تتعلم أنماط التشغيل العادية يمكن أن تقلل من الإنذارات الكاذبة وشبهات في العوالم.

الموثوقية والاستحقاقات

ويخضع المستشعرون أنفسهم للانجراف والتلوث والفشل، إذ يمكن للمستشعر المخطئ أن يخلق سلبيات كاذبة (مخالفة خطأ حقيقي) أو إيجابية زائفة (تعريض للإنذارات غير الضرورية) ويستخدم فيها العزلة أنواعاً متعددة من أجهزة الاستشعار للتحقق من بعضها البعض (مثلاً، DGA زائد PD لأغراض التداول) - يمكن أن يخفف من هذا الخطر.

التكامل مع النظم القائمة

وتدير العديد من المرافق نظم إدارة الأصول القديمة ونظم إدارة الأصول والتجهيزات غير المصممة لقبول مجاري بيانات الاستشعار، ويمكن أن يكون إعادة الدمج معقداً ومكلفة، وتُستخدم بروتوكولات الاتصالات الموحدة مثل IEC 61850, Modbus, وDNP3 لتيسير تبادل البيانات، ولكن النظم القديمة قد تتطلب محولات للبروتوكولات أو سائقين للعرف.

مخاطر الأمن السيبرى

(ب) أن يُستخدم جهاز الاستشعار لرصد حالة الطوارئ في الشبكات المؤسسية أو الإنترنت في الكشف عن السيبر الإلكتروني، ويمكن استخدام جهاز الاستشعار المهين كنقطة دخول لهجمة نظم التشغيل الآلي تحت الاختبار، ويجب على المرافق أن تنفذ عمليات تقسيم الشبكة، والاتصالات المشفرة، والبرامجيات التي تُعد بانتظام، وأن تتبع معايير مثل نظام المعلومات الجغرافية 800-82، ورقم IEC 62443، أمر أساسي لتأمين بيئات التكنولوجيا التشغيلية.

الاتجاهات المستقبلية في رصد الأحوال

الاستخبارات الأثرية والتوائم الرقمية

أما الحدود التالية فهي تطبيق المعلومات الاستخبارية الاصطناعية على استشعار البيانات: يمكن لنماذج المعلومات الاستخبارية أن تكتشف أنماطا معقدة تفتقد النظم التقليدية القائمة على القواعد، على سبيل المثال، أنماط التحميل المترابطة مع انخفاض درجات الحرارة للتنبؤ بأشهر تردي نظام التبريد قبل ذلك.

وتدمج شركات مثل مصرف ABB وSemens معاً في برامج الرصد الخاصة بها، مما يقلل من الحاجة إلى تحليل يدوي للخبراء، كما أن بدء مثل نظامي التحليلات والتنويم فييكس يجلب أيضاً أدوات تنبؤية متخصصة إلى السوق.

حاسبة الحوسبة وتجهيز الوقت الحقيقي

ويمكن أن يكون نقل جميع بيانات الاستشعار الخام إلى سحابة مركزية كثيفة النطاق الترددي، وأن يُحدث التحلي بالبطء، كما أن بيانات التجهيز الحاسوبي للدرجات المحلية في إطار التحليل والاستجابة الفوريين للخضوع، مثلاً، يمكن لجهاز تحديد الهوية أن يكشف عن ارتفاع سريع في معدلات الجرعة وأن يُحدث تلقائياً إنذاراً أو حتى يُحدث تخفيضاً جزئياً في الحمل دون انتظار معالجة السحابة، وهذا أمر ذو قيمة خاصة بالنسبة للتبعيات البحرية البعيدة أو البعيدة ذات الصلة المحدودة.

شبكة الإنترنت للأشياء (IoT)

ويمكِّن النموذج الإيو تي المرافق من رؤية صحة جميع المحولات عبر منطقة بأكملها على لوحة واحدة، ويمكن للمستشعرات اللاسلكية المنخفضة التكلفة (مثلاً باستخدام لورواوان أو شركة إن بي إيوت) أن تجعل من الممكن اقتصادياً رصد حتى محولات التوزيع الأصغر التي تم تجاهلها سابقاً، ويمكن للمحللين على مستوى الأسطول أن يحددوا القضايا المنهجية - مثل خطأ الاستبدال الذي يرتب الأولوية على ذلك.

تقلص درجة الاستشعار المتقدمة والقوة الذاتية

وتتقلص عبوة أجهزة الاستشعار في الوقت الذي يتحسن فيه الأداء، فعلى سبيل المثال، أصبحت أجهزة استشعار الغاز التي تستخدمها وزارة الطاقة، حساسة بما فيه الكفاية بالنسبة للمؤسسة الألمانية للتعاون التقني في جزء من حجم وتكلفة المحللين التقليديين، وتبرز أجهزة الاستشعار ذات الطاقة التي تجني الطاقة من حقل المحولات أو حرارة النفايات، وتزيل الحاجة إلى استبدال البطاريات أو تشغيل الكابلات، وستخفض هذه الابتكارات من الحواجز أمام رصد عدد أكبر من المحولات.

التطوير التنظيمي والتوحيد القياسي

وتقوم هيئات المعايير الدولية بتحديث المبادئ التوجيهية لرصد الحالة بصورة نشطة، ويجري تنقيح التصنيف الدولي للكهرباء )٦٠٠٧٦-٢٢( )محولو القوى - الباب ٢٢: محول الطاقة وتركيب المفاعلات( والمرفق الأوروبي للكهرباء )E762( بحيث يشمل توصيات بشأن تكامل الاستشعار وشكل البيانات، مما سيعجل باعتماده بتوفير متطلبات تقنية واضحة ومعايير للأداء.

خاتمة

وقد انتقلت أجهزة الاستشعار لرصد الحالات من تكنولوجيا الكيمياء إلى أداة رئيسية لإدارة الأصول لمحولي الطاقة، وذلك بتوفير رؤية مستمرة إلى درجة الحرارة، والغازات المفككة، والتصريف الجزئي، والرطوبة، والوضع الميكانيكي، وتتيح هذه أجهزة الاستشعار الكشف المبكر عن الأخطاء، وطول حياة الأصول، وتخفيض الوقت المخفض، وتحسين السلامة، وفي حين أن التحديات مثل التكلفة الأولية، وإدارة البيانات، وأمن الفضاء الإلكتروني لا تزال قائمة، فإن الفوائد تتحول إلى حد بعيد.

ونظراً إلى التقدم التكنولوجي في مجال الاستشعار، وانخفاض التكاليف، ونضج التحليلات التي تقودها الوكالة الدولية للطاقة، فإن حالة الأعمال المتعلقة برصد الأوضاع لن تعزز إلا، فالأسواق والمشغلين الصناعيين الذين يستثمرون اليوم في استراتيجية رصد شاملة سيكونون في وضع أفضل لإدارة أساطيل المحولات من خلال الانتقال إلى الطاقة، وهذا يعني دمج توليد الطاقة المتجددة المتغير، ومعالجة زيادة التحميل من شحن المركبات الكهربائية، أو توسيع نطاق بقاء الأصول القديمة.

For further reading: EPRI report on transformer condition monitoring; ]CIGRE WG A2.44 point of view on online condition monitoring; IEC 60076 series for power transformers;