כיצד למדוד טמפרטורה בשנאים? היתרונות של שימוש בסיבים אופטיים ניאון למדידת פיתולים

שיטת מדידת טמפרטורת שנאי
ישנם שלושה סוגים של שיטות מדידה מקוונות עבור טמפרטורת סלילה של שנאי, כלומר שיטת מדידה ישירה, שיטת חישוב עקיפה, ושיטת מדידת סימולציה תרמית.

שיטת מדידה ישירה

שיטת המדידה הישירה כוללת בדרך כלל הטמעת אלמנטים למדידת טמפרטורה במהלך הייצור, ומספר נקודות ההטבעה עומד ביחס ישר לדיוק המדידה. לדוגמה, הצבת חיישני טמפרטורה של סיבים אופטיים ליד הפיתול או בעוגת החוט המתפתלת יכולה לקבל ישירות את טמפרטורת הנקודה החמה של פיתול השנאי. הסיבה לכך היא שהאות המתקבל על ידי חיישן הטמפרטורה של הסיבים האופטיים אינו מושפע בקלות מהשדה האלקטרומגנטי בתוך השנאי, והתוצאות הנמדדות מדויקות יותר. אבל לשיטה זו יש גם חסרונות, מִצַד אֶחָד, הוא קשה לתחזוקה ועלויות גבוהות במיוחד; מצד שני, הטבעת חיישנים בתוך הפיתול דורשת דרישות עיצוב גבוהות של מבנה בידוד, מה שיכול להשפיע בקלות על הפעולה הרגילה של השנאי. יֶתֶר עַל כֵּן, בשל חוסר הוודאות במיקום הנקודה החמה המתפתלת, המיקום שבו החיישן קבור לא בהכרח הוא המקום החם ביותר, וייתכן שתוצאת המדידה אינה טמפרטורת הנקודה החמה של הפיתול.
עבור שנאים מהסוג היבש ושנאים טבולים בשמן, מתח הבדיקה הוא בדרך כלל 500V עד 5kV (יש לבחור את המתח הספציפי בהתאם לרמת המתח המדורג של השנאי). שיטת הבדיקה זהה, אבל סביבת הבדיקה צריכה להיות שונה. בדיקת שנאים מסוג יבש צריכה להתבצע בסביבה יבשה. שיטות בדיקת עליית הטמפרטורה כוללות שיטת עומס ישיר, שיטת עומס הדדי, שיטת זרם מחזורי, שיטה נוכחית ברצף אפס, שיטת קצר חשמלי, וכו. ביניהם, שיטת הקצר דורשת את מתח הבדיקה הנמוך ביותר ואת קיבולת ההספק הקטן ביותר. עבור שנאים טבולים בשמן, התקן הלאומי קובע ששיטת הקצר היא השיטה הסטנדרטית לבדיקת עליית טמפרטורה.

שיטת חישוב עקיפה

שיטת החישוב העקיפה מבוססת על קביעת מודל תרמי למבנה הבידוד של שנאים, בשילוב עם ניסיון בייצור ותקנים IEC345/GB1564, לגזור נוסחה לחישוב עליית הטמפרטורה של נקודות חמות. היתרונות שלו הם חסכון, פַּשְׁטוּת, ומעשיות חזקה; החיסרון הוא שהחישובים מורכבים, רבים מהם מבוססים על ניסיון ובעלי אוניברסליות חלשה. הם בדרך כלל לא ישימים באתרי שנאים, ומבני בידוד שונים יכולים להוביל לסטיות מסוימות בתוצאות.
שיטת מדידה של סימולציה תרמית
שיטת סימולציה תרמית היא התקנת מכשירי מדידת טמפרטורת סימולציה תרמית (כגון מחווני טמפרטורה מתפתלים, וכו.) בשנאים להמרת טמפרטורת הפיתול. היתרון בשיטה זו הוא שהיא חסכונית ויכולה להפעיל ישירות את מערכת הקירור; החיסרון הוא דיוק לקוי ויש הפרש זמן מסוים במדידת הטמפרטורה.

העיקרון של מדידת טמפרטורת סלילה עם סיב אופטי ניאון

מערכת מדידת הטמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטית היא טכנולוגיה המנצלת עירור של חומרים פלואורסצנטיים בתוך הסיב האופטי כדי להשיג מדידת טמפרטורה. כאשר מקור אור העירור נופל על סיב אופטי המכיל חומר ניאון, החומר הפלורסנטי יתרגש ויפלוט אורך גל מסוים של אות ניאון, והזוהר שלו פרופורציונלי לטמפרטורה. על ידי זיהוי השינויים בזוהר לאחר של אות פלורסנט זה, ניתן לחשב את הטמפרטורה במיקום הסיב האופטי. ספציפית, על ידי ציפוי קצה הסיב האופטי בחומר פלואורסצנטי ומדידת זמן ההתפרקות של אנרגיית הקרינה, ניתן לקבל את ערך הטמפרטורה של הנקודה הנמדדת על ידי ניצול מתאם טמפרטורת זמן הזוהר הפנימי של החומר הפלורסנטי. ניתן לחשב את הטמפרטורה של הפיתול גם על ידי ניטור משך חיי הקרינה. זמן אמת, למרחקים ארוכים, וניתן להשיג ניטור טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה באמצעות שידור סיבים אופטיים מתאימים, מקורות אור עירור, ועיבוד נתונים.

היתרונות של שימוש בסיבים אופטיים ניאון למדידת טמפרטורת סלילה

דיוק גבוה
חיישני טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים בעלי דיוק מדידת טמפרטורה גבוה ויכולים להשיג ניטור מדויק של טמפרטורת פיתול שנאי. חיישן הטמפרטורה של סיבים אופטיים באמצעות אפקט הקרינה מתאים לטווח טמפרטורות של -50 אֶל 200 °C, עם דיוק של בערך ± 1 °C. זה יכול לנטר את שינויי הטמפרטורה של פיתולי שנאי בזמן אמת ולספק תוצאות מדידה מדויקות, כדי לתפוס בזמן את השינויים העדינים בטמפרטורת הפיתול ולעזור לשפוט במדויק את מצב הפעולה של שנאים.

יכולת אנטי-הפרעות חזקה
בשל הבידוד החשמלי המעולה של סיבים אופטיים, מערכת מדידת טמפרטורת סיבים ניאון אינה מושפעת מהשדה האלקטרומגנטי הפנימי של שנאים ויכולה לפעול ביציבות בסביבות הפעלה של שנאי מתח גבוה ושדה מגנטי חזק.. תכונה זו הופכת את תוצאות המדידה לאמינות יותר, מפחית שגיאות מדידה הנגרמות מהפרעות, ומבטיח את הדיוק והיעילות של נתוני ניטור טמפרטורה. זה חשוב במיוחד עבור ציוד כגון שנאים, בעלי מבנים פנימיים מורכבים ויוצרים כמות גדולה של הפרעות מיקרוגל והפרעות אלקטרומגנטיות במהלך הפעולה.

תגובה מהירה

חיישני סיבים אופטיים בעלי מהירות תגובה מהירה ויכולים לזהות מיד תנאים חריגים בטמפרטורת פיתול שנאי. ברגע שיש עלייה או תנודה חריגה בטמפרטורה המתפתלת, ה חיישן טמפרטורה של סיבים אופטיים ניאון יכול ללכוד במהירות את אות שינוי הטמפרטורה ולספק משוב בזמן למערכת הניטור, כך שאנשי התפעול והתחזוקה יוכלו לנקוט באמצעים בזמן כדי להתמודד עם זה, להימנע מתקלות בציוד, ולהבטיח את הפעולה הבטוחה והיציבה של השנאי.

אבטחה גבוהה
חיישן הסיבים האופטיים ב- מערכת מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים עצמו אינו מייצר גורמים מסוכנים כגון ניצוצות חשמליים, ובעל מאפייני בטיחות אינהרנטיים. שימוש בסביבה בציוד במתח גבוה כגון שנאים יכול למנוע תאונות בטיחות הנגרמות על ידי גורמי חיישנים ולשפר את הבטיחות והאמינות של פעולת הציוד. יחד עם זאת, ההתנגדות שלו לטמפרטורה גבוהה מתאימה גם לסביבת הטמפרטורה הגבוהה במהלך פעולת השנאי, להבטיח שהוא עדיין יכול לעבוד כרגיל ולמדוד טמפרטורה במדויק בתנאי טמפרטורה גבוהים.

גמיש וקל להתקנה

לסיבים אופטיים יש מאפיינים של גמישות וגודל קטן, אשר ניתן לסדר בנוחות על פיתולי שנאי. זה לא תופס יותר מדי מקום, קל להתקנה, ויכול להתאים בצורה גמישה את מיקום החיישנים בהתאם לצרכים כדי לנטר טוב יותר את הטמפרטורה במיקומים שונים של הפיתול. סיבים אופטיים פנימיים יכולים להיות מסודרים על סלילים מתפתלים, ליבות ברזל, משטחי שמן, וחלקים אחרים בהתאם לדרישות התכנון. הם מחוברים לסיבים אופטיים חיצוניים דרך חודרים על אוגנים, והאות האופטי מועבר למארח מדידת הטמפרטורה דרך הסיב האופטי כדי לנתח את הטמפרטורה בנקודת המדידה.

עלות תחזוקה נמוכה

בהשוואה לכמה שיטות מדידת טמפרטורה מסורתיות, עלות התחזוקה של מערכות מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים נמוכה יותר. בשל יכולתו החזקה נגד הפרעות ויציבות גבוהה, זה מפחית את עומס העבודה ואת העלות הנגרמים על ידי תיקון תקלות וכיול תכוף. והרכיבים במערכת, כגון חיישני סיבים אופטיים, בעלי חיי שירות ארוכים יותר, הפחתה נוספת של עלויות התחזוקה של פעולה ארוכת טווח ועוזרת בשיפור היעילות הכלכלית של פעולת השנאים.

ניתוח השוואתי של טכנולוגיות מדידת טמפרטורת שנאי

השוואה בין שיטת מדידה ישירה לשיטת חישוב עקיפה

שיטת מדידה ישירה
יתרונות: אם רכיבי מדידת טמפרטורה (כגון חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים) ניתן להטמיע במדויק, ניתן להשיג ישירות את טמפרטורת הסלילה, ותוצאות המדידה מדויקות ואינטואיטיביות יחסית. לדוגמה, הצבת חיישני טמפרטורה של סיבים אופטיים ליד הפיתול או בסליל המתפתל של שנאי יכולה לקבל ישירות את טמפרטורת הנקודה החמה של פיתול השנאי. בשל התכונה נגד הפרעות של סיבים, התוצאות הנמדדות מדויקות יותר.
חסרונות: אלמנטים למדידת טמפרטורה צריכים להיות מוטבעים במהלך הייצור, ומספר נקודות ההטמעה משפיע על הדיוק. תהליך ההטמעה מורכב ודורש תכנון מבנה בידוד גבוה, מה שיכול להשפיע בקלות על הפעולה הרגילה של שנאים. ומיקומו של הנקודה החמה המתפתלת אינו ברור, מה שעלול לגרום לתוצאות מדידה שאינן טמפרטורת הנקודה החמה האמיתית, והתחזוקה קשה ויקרה. לדוגמה, בעת הטמנת חיישנים בפיתולי שנאי, יש לקחת בחשבון גורמים שונים כמו מיקום ההתקנה של החיישנים ותיאום הבידוד עם הפיתולים. ברגע שמתעוררות בעיות, תחזוקה קשה ויקרה.

שיטת חישוב עקיפה
יתרונות: אין צורך להטביע רכיבים מורכבים למדידת טמפרטורה בתוך השנאי, פשוט וחסכוני יחסית. על ידי הגדרת מודל תרמי ושילוב ניסיון בייצור ותקנים רלוונטיים כדי להפיק נוסחה לחישוב עליית הטמפרטורה של נקודות חמות, יש לו פרקטיות מסוימת עבור כמה הערכות ראשוניות והערכות פשוטות של תנאי פעולת השנאים. לדוגמה, בכמה שנאים קטנים או במצבים שבהם דיוק הטמפרטורה אינו גבוה במיוחד, ניתן להשיג במהירות את הטווח המשוער של טמפרטורת הפיתול באמצעות שיטות חישוב עקיפות.
חסרונות: חישובים מורכבים, חישובים רבים מסתמכים על ניסיון, אוניברסליות חלשה, ומבני בידוד שונים יכולים לגרום לסטיות בתוצאות. יֶתֶר עַל כֵּן, ביישום בפועל של שנאים באתר, הם עשויים להיות מושפעים מגורמים שונים, מה שמקשה להבטיח דיוק ובדרך כלל לא מסוגל לשקף במדויק שינויים בזמן אמת בטמפרטורת הפיתול.

השוואה בין שיטת מדידה ישירה לשיטת מדידה בסימולציה תרמית

שיטת מדידה ישירה

יתרונות: שיטת המדידה הישירה מאפשרת באופן תיאורטי קירוב קרוב יותר של טמפרטורת הסלילה בפועל, במיוחד בעת שימוש ברכיבים מתקדמים למדידת טמפרטורה כגון סיבים אופטיים, מה שמביא לדיוק מדידה גבוה יותר. לדוגמה, חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים יכולים לחוש ישירות את הטמפרטורה סביב הפיתול, הימנעות מהצטברות של שגיאות הנגרמות על ידי מדידות עקיפות.

חסרונות: בנוסף לקשיים בקבורה ועלויות אחזקה גבוהות שהוזכרו לעיל, נקודות המדידה של שיטת המדידה הישירה מוגבלות, מה שמקשה על שיקוף מלא של התפלגות הטמפרטורה של כל הפיתול. בשל המבנה המורכב של פיתולי שנאי, קשה להטמיע חיישנים בכל הנקודות החמות האפשריות.

שיטת מדידה של סימולציה תרמית

יתרונות: ההתקנה של מכשירי מדידת טמפרטורה בשיטת סימולציה תרמית פשוטה יחסית, והעלות הכלכלית נמוכה יחסית. וזה יכול להיות קשור ישירות למערכת הקירור. כאשר הטמפרטורה מגיעה לערך מסוים, ניתן להפעיל ישירות את מערכת הקירור כדי לספק הגנה מסוימת לשנאי. לדוגמה, בכמה שנאים רגילים שקועים בשמן, מכשירי מדידת טמפרטורת הדמיה תרמית יכולים להמיר את טמפרטורת הסלילה על סמך טמפרטורת השמן ותנאים אחרים, ולאחר מכן לשלוט על ההפעלה של מערכת הקירור.
חסרונות: דיוק גרוע, יש הבדל זמן מסוים בטמפרטורה הנמדדת, והוא לא יכול לשקף במדויק את שינויי הטמפרטורה האמיתיים של הפיתול בזמן אמת. בשל העובדה שהטמפרטורה מתקבלת באמצעות המרה בסימולציה, ייתכנו סטיות משמעותיות מטמפרטורת הסלילה בפועל, במיוחד במצבים בהם עומס השנאי משתנה בתדירות גבוהה או תנאי ההפעלה מורכבים.
השוואה בין מדידת טמפרטורת סיבים אופטיים פלואורסצנטית לבין שיטות מדידה ישירות אחרות

מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים

יתרונות: בנוסף לשיטת המדידה הישירה שיכולה לקבל ישירות טמפרטורה, למדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטית יש גם מאפיינים של דיוק ורגישות גבוהים, אשר יכול להשיג ניטור מדויק של הטמפרטורה. יחד עם זאת, יש לו את היתרונות של יכולת אנטי-הפרעות חזקה ועלות תחזוקה נמוכה. לדוגמה, דיוק המדידה שלו הוא בערך ± 1 °C, והוא עדיין יכול למדוד במדויק בסביבות אלקטרומגנטיות מורכבות. בשל המאפיינים של סיבים אופטיים, התחזוקה שלו פשוטה יחסית ועלות התפעול לטווח ארוך נמוכה.
חסרונות: למרות שסיבים אופטיים קטנים וגמישים, הם עדיין דורשים טכניקות ותהליכים מסוימים להטמעה בפיתולי שנאי. הטבעה לא נכונה עלולה להשפיע על תוצאות המדידה. ועלות הציוד של מערכת מדידת טמפרטורת הסיבים הפלורסנטיים עשויה להיות גבוהה יחסית, כולל עלויות הרכש וההתקנה של רכיבים כגון סיבים ניאון ומארח דמודולציה.
שיטות מדידה ישירות אחרות (כמו צמדים תרמיים מסורתיים, וכו.)
יתרונות: שיטות מדידה ישירה מסורתיות כגון צמדים תרמיים בוגרות יחסית ויש להן יישומים מסוימים במדידות טמפרטורת שנאי פשוטות שאינן דורשות דיוק גבוה במיוחד. לדוגמה, בכמה שנאים תעשייתיים קטנים, ניתן פשוט להתקין צמדים תרמיים על המשטח המתפתל למדידת טמפרטורה.
חסרונות: צמדים תרמיים וחיישנים אחרים רגישים להפרעות אלקטרומגנטיות, וכתוצאה מכך שגיאות מדידה משמעותיות בסביבות אלקטרומגנטיות גבוהות כגון שנאים. יֶתֶר עַל כֵּן, הדיוק שלו נמוך יחסית, ומהירות התגובה עשויה להיות איטית, אשר אינו יכול לעמוד בדרישות המדידה עבור דיוק גבוה ותגובה מהירה של טמפרטורת פיתול שנאי.

דוגמאות יישום של שיטות מדידת טמפרטורה שונות בשנאים

דוגמאות יישום של שיטת מדידה ישירה

בכמה שנאי כוח גדולים, על מנת לנטר במדויק את טמפרטורת הפיתול, שיטת המדידה הישירה של מיקום חיישני טמפרטורה בסיב אופטי בעוגת חוט מתפתל מאומצת. לדוגמה, בשנאי כוח טבולים בשמן של 110kV ומעלה, בשל חשיבות השנאי והדרישות הגבוהות לאמינות תפעולית, יש צורך לתפוס במדויק את מצב הטמפרטורה של הפיתול. על ידי הטבעה מדויקת של חיישן הטמפרטורה של הסיבים האופטיים בסליל המתפתל במהלך הייצור, ניתן לקבל מידע על טמפרטורה בזמן אמת של הפיתול. צוות התפעול יכול להתאים את העומס של השנאי בזמן על בסיס נתוני טמפרטורה אלה כדי למנוע בעיות כגון הזדקנות בידוד הנגרמת על ידי התחממות יתר בפיתול. בינתיים, ניתן לחבר את נתוני הטמפרטורה הללו למערכת הניטור לניטור ובקרה מרחוק. ברגע שהטמפרטורה עולה על הסף שנקבע (כגון מגבלת האזעקה לטמפרטורת סלילה בדרך כלל בין 90 ℃ ו 95 °C), ניתן להנפיק אות אזעקה בזמן כדי להודיע ​​לצוות התפעול והתחזוקה לנקוט באמצעים מתאימים, כמו הגדלת עוצמת ההפעלה של ציוד הקירור או הפחתת העומס על השנאי.

דוגמאות יישום של שיטת חישוב עקיפה

בכמה שנאי הפצה קטנים, בשל גודלם הקטן, תנאי הפעלה פשוטים יחסית, ודרישות דיוק נמוכות למדידת טמפרטורה, לעתים נעשה שימוש בשיטות חישוב עקיפות כדי להעריך את טמפרטורת הפיתול. לדוגמה, בכמה שנאי הפצה של 10kV באזורים כפריים, עליית טמפרטורת הנקודה החמה של הפיתול מחושבת באמצעות נוסחאות אמפיריות המבוססות על פרמטרים כגון הקיבולת המדורגת, זרם עומס, טמפרטורת הסביבה, ומבנה בידוד של השנאי. שיטה זו יכולה לספק הערכה גסה של טמפרטורת הפעולה של שנאים ללא צורך בציוד למדידת טמפרטורה מורכבת. עם זאת, לשיטה זו יש מגבלות מסוימות. לדוגמה, בתנאי עבודה מיוחדים כמו טמפרטורות גבוהות בקיץ ועלייה פתאומית בעומס השנאים, לתוצאות המחושבות עשויות להיות סטיות משמעותיות מהטמפרטורה בפועל. לכן, אנשי תפעול ותחזוקה צריכים לשלב ניסיון ושיטות ניטור אחרות (כגון ניטור טמפרטורת פני השמן) לשפוט באופן מקיף את מצב הפעולה של השנאי.

דוגמאות יישום של שיטת מדידה של סימולציה תרמית

בכמה שנאים טבולים בשמן רגיל, מכשירי מדידת טמפרטורת הדמיה תרמית (כגון מחווני טמפרטורה מתפתלים) משמשים להמרת טמפרטורת הפיתול. לדוגמה, בחלק מהמפעלים הקטנים והבינוניים’ שנאי כוח, מכשירי מדידת טמפרטורת סימולציה תרמית מחשבים את טמפרטורת הפיתול על סמך פרמטרים כגון טמפרטורת פני השמן וזרם עומס השנאי בהתאם ליחס המרה מסוים. שיטה זו חסכונית ופרקטית, וניתן לקשר אותו עם מערכת הקירור. כאשר טמפרטורת הפיתול המחושבת מגיעה לערך מסוים (כגון מסביב 70 °C, אשר עשוי להשתנות בין שנאים שונים), ניתן להפעיל ציוד קירור כגון מאווררי קירור או משאבות שמן לקירור השנאים. עם זאת, בשל דיוק נמוך יחסית, ייתכן שהוא לא יתאים במצבים מסוימים שבהם נדרש דיוק בטמפרטורה גבוהה. יש צורך שאנשי תחזוקה יבדקו ותחזקו באופן קבוע את השנאי כדי להבטיח את פעולתו הבטוחה.

דוגמאות יישום למדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטית

במקומות מסוימים בהם אמינות פעולת השנאים גבוהה ביותר, כגון שנאי כוח במרכזי נתונים גדולים או שנאי תחנות משנה חשובות, ניאון מערכות מדידת טמפרטורה בסיבים אופטיים היו בשימוש נרחב. ניקח לדוגמא את השנאי השקוע בשמן 10000kVA במרכז נתונים גדול, סיבים אופטיים פנימיים מסודרים בפיתול, ליבת ברזל, משטח שמן וחלקים אחרים למדידת טמפרטורה באמצעות עקרון הזוהר של סיבים אופטיים ניאון. הסיב האופטי הפנימי מחובר לסיב האופטי החיצוני דרך מחבר על האוגן, והאות האופטי מועבר למארח מדידת הטמפרטורה כדי לנתח את הטמפרטורה בנקודת המדידה. מערכת מדידת הטמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטית יכולה לנטר את הטמפרטורה של חלקים שונים של השנאי בזמן אמת ובדיוק גבוה, עם דיוק של ± 1 °C. כאשר הטמפרטורה המתפתלת מראה מגמת עלייה חריגה (כגון עלייה מהירה מטמפרטורת הפעולה הרגילה של 80 °C), מערכת הניטור יכולה לזהות במהירות ולהוציא אות אזעקה. בינתיים, הודות ליכולת האנטי-הפרעות החזקה של מערכת מדידת הטמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים, הוא יכול לפעול ביציבות בסביבה האלקטרומגנטית המורכבת של שנאים, הפחתת אזעקות שווא הנגרמות מהפרעות אלקטרומגנטיות. בנוסף, עלות התחזוקה הנמוכה שלו מאפשרת לו גם להפחית את עלויות התפעול והתחזוקה, לשפר את הכלכלה והבטיחות של פעולת שנאי במהלך פעולה ארוכת טווח.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין