آزمون تانژانت دلتا برای عایق کابل برق

آزمون تانژانت دلتا که تست زاویۀ تلف و یا ضریب تلفات نیز نامیده میشود، آزمونیست که از طریق آن میتوان کیفیت عایق کابل های برق را تعیین کرد. دلیل انجام این آزمون، پیش بینی متوسط عمر باقیماندۀ کابل و تعیین زمان تعمیر یا تعویض کابل است. افزون بر این، با آزمون Tan δ میتوان تعیین کرد که چه آزمونهای دیگری ممکن است برای مشخص کردن متوسط عمر عایق لازم و مفید باشند.

رفتار تانژانت دلتا چگونه است؟

اگر عایق کابل عاری از هر گونه عیب و ناخالصی مانند: درخت آبی، درخت الکتریکی، رطوبت، حبابهای هوا و غیره باشد، کابل از نظر خاصیت خازنی، به یک خازن کامل و ایده آل نزدیکتر است. در این حالت، مشابه خازنی میشود که از دو صفحۀ موازی تشکیل شده است که این دو صفحه نیز با یک عایق از یکدیگر جدا شده اند.

در یک خازن کامل و ایده آل، ولتاژ و جریان به اندازۀ 90 درجه اختلاف فاز دارند و جریان عبوری از عایق، یک جریان خازنیست. اگر درون عایق ناخالصی و آلودگی، مانند ناخالصیهایی که در بالا گفتیم، وجود داشته باشد، مقاومت عایقی کاهش پیدا میکند. در نتیجه جریان مقاومتی عبوری از عایق افزایش مییابد. در این صورت کابل دیگر یک خازن ایده آل نخواهد بود و جریان و ولتاژ نیز اختلاف فاز °90 نخواهند داشت.

مقدار کاهش زاویه نشان دهندۀ سطح و مقدار ناخالصی موجود در عایق است که منجر به کاهش کیفیت و کاهش قابلیت اطمینان عایق میگردد. به همین دلیل باید تانژانت دلتا اندازه گیری و تحلیل شود.

شکل زیر، مدار معادل الکتریکی یک کابل برق را نمایش میدهد. در دیاگرام برداری، تانژانت زاویۀ δ باید اندازه گیری شود. این زاویه سطح مقاومت عایق را نشان میدهد. با اندازه گیری نسبت I_R/I_C میتوان کیفیت عایقی کابل را تعیین کرد. در یک کابل ایده آل، این زاویه نزدیک به صفر است. افزایش زاویه نشانگر افزایش جریان مقاومتی عبوری از عایق است که به مفهوم وجود ناخالصی در داخل عایق میباشد.

درخت آبی چیست؟

درختهای آبی متشکل از درختهای کوچکتری هستند که آنها نیز در اثر ترک خوردگیهای ناشی از رطوبت در عایق ایجاد میگردند. این ترک خوردگیها به صورت درخت در عایق ظاهر میشوند.

این پدیده در کهنگی مواد عایقی مانند پلی اتیلن کراسلینک، پلی اتیلن و EPR، از پدیده های رایج هستند. درختهای آبی که در اثر حفره های رطوبت شکل گرفته اند، هنگامی که در میدان الکتریکی قرار میگیرند، سرانجام باعث شروع تخلیۀ جزئی (PD) در عایق میشوند.

تخلیۀ جزئی نیز منجر به تشکیل درخت الکتریکی میگردد. رشد و گسترش درخت الکتریکی و متمرکز شدن آن در یک نقطه، منجر به شکست عایقی میشود. آزمون Tan δ اندازۀ صدمات ناشی از درخت آبی را در کابل نشان میدهد.

برای اندازه گیری تانژانت دلتا چه تجهیزاتی لازم است؟

دستگاه اندازه گیری tg δ شامل یک تقسیم کنندۀ فشار قوی است که توسط یک فیبر نوری به واحد اندازه گیری متصل میشود. تقسیم کنندۀ فشار قوی، ولتاژ و جریان ورودی به کابل را اندازه گیری کرده و این اطلاعات را به واحد کنترل کننده ها میفرستد. کنترل کننده نیز موجهای ولتاژ و جریان را تحلیل و پس از آن Tangent Delta را محاسبه میکند؛ سپس نتایج را بر روی صفحۀ نمایش رایانه نشان میدهد و آنها را ذخیره میکند.

یک منبع ولتاژ نیز مورد نیاز است تا بتوان با آن کابل را انرژی دار کرد. این منبع ولتاژ باید از نوع AC با فرکانس بسیار پایین (VLF) باشد. شکل زیر، یک منبع ولتاژ متناوب 40 کیلوولت با فرکانس بسیار پایین را نشان میدهد. این دستگاه توانایی آزمایش کابلهای با ظرفیت خازنی 1.1 میکروفاراد در فرکانس 0.1 هرتز تا 5.5 میکروفاراد در فرکانس 0.02 هرتز را دارد. برای طولهای بسیار بلند لازم است مدلهایی از این دستگاه انتخاب شوند که دارای فرکانس 0.01 هرتز باشند.

آزمون Tan δ چگونه انجام میشود؟

کابلهای مورد آزمایش بایستی ابتدا قطع انرژی و تخلیۀ الکتریکی گردند و هر دو انتهای کابل عایق شود. برای آنکه کنترل کننده ها تانژانت دلتا را اندازه گیری کنند، باید با استفاده از یک دستگاه آزمون ولتاژ بالا با فرکانس بسیار پایین، ولتاژ آزمون در چند مرحله به کابل اعمال شود و در هر مرحله افزایش یابد.

برای مثال، در مرحلۀ اول ولتاژ آزمون تا 1U₀ افزایش مییابد. اگر اعداد اندازه گیری شدۀ Tan δ خوب بودنِ عایق را نشان دهند، این بار ولتاژ تست را تا 1.5 الی 2 برابر U₀ افزایش میدهیم. اعداد مربوط به Tan δ که در ولتاژهای بالاتر اندازه گیری شده اند، با نتایج به دست آمده در ولتاژهای پایینتر مقایسه و تحلیل میشوند.

علل استفاده از منبع ولتاژ VLF در آزمون

علت نخست این است که برای آزمایش کابل با فرکانس 50 هرتز، به یک منبع با قدرت خیلی بالا نیاز خواهد بود که عملی نیست. برای آزمایش کابل با طول چند کیلومتر، منبع ولتاژ تست با فرکانس 50 هرتز، تقریباً غیر ممکن است. قدرت در یک دستگاه با فرکانس 0.1 هرتز، 500 برابر کمتر از یک دستگاه با فرکانس 50 هرتز است.

علت دوم این که قدر مطلق اعداد تانژانت دلتا با کاهش فرکانس، افزایش پیدا میکنند. در نتیجه، اندازه گیری ساده تر میشود. همانگونه که معادلۀ زیر نشان میدهد، هر قدر فرکانس پایینتر باشد، Tan δ (بر حسب رادیان) بیشتر میشود:

Tan δ = I_R/I_C = 1/2πfCR

چگونه نتایج تست تحلیل میشوند؟

هنگامی که داشتن استاندارد و یا معیارها و همچنین نتایج آزمونهای قبلی میتوانند مفید باشند، که مانند بسیاری از روشهای آزمونهای تشخیص، در مسیر اهداف مورد نظر باشند. نتایج بسیاری از آزمونها، اطلاعات ارزشمندی در رابطه با عایق ارائه میدهند. گفتنیست که بیشترین تستهای تانژانت دلتا بر اساس مقایسه صورت میگیرد.

اگر کابلی دارای عایق ایده آل باشد، با افزایش ولتاژ، ضریب تلفات (Tan δ) به مقدار کمی تغییر میکند. در چنین کابلی، تغییرات خازن و تلفات در ولتاژهای اعمال شده از 1 تا 10 کیلوولت، مشابه خواهند بود. اگر کابلی در عایقش دارای درخت آبی باشد، در ماهیت خازنی یا مقاومتی شدن عایق تغییراتی ایجاد خواهد شد. به این ترتیب، در ولتاژهای بالاتر، اعداد ضریب تلفات نیز بالاتر خواهد رفت.

در این شرایط، منحنی تغییرات ضریب تلفات نسبت به تغییرات ولتاژ، به جای آنکه به صورت خطی باشد، غیر خطی خواهد شد. شکل زیر، خطی و غیر خطی بودن تغییرات ضریب تلفات را در دو کابل نو و کارکرده (قدیمی) نمایش میدهد:

در منحنی بالا میتوان دید که کابل قدیمی و کارکرده، دارای آسیب شدید به علت درخت آبیست؛ چرا که با افزایش ولتاژ ، زاویۀ اتلاف نیز افزایش پیدا کرده است و این موضوع خود نشان از عبور یک جریان مقاومتی بالا از عایق دارد.

نتایج آزمایش کابلهای قدیمی را میتوان با کابلهای جدید که مورد آزمون قرار میگیرند، مقایسه کرد. این مقایسه از آن جهت لازم و مفید است که میتوان تعیین کرد آیا این کابلها با توجه به تغییرات تانژانت دلتا، نیاز به تعویض فوری دارند یا میتوانند برای مدت نسبتاً طولانی هنوز مورد بهره برداری قرار گیرند و سپس تعویض شوند.

انواع زیادی از کابلهای مشابه ممکن است تست و نتایج آنها با هم مقایسه شده باشند. مقدار متوسط تانژانت دلتای محاسبه شده، میتواند به عنوان معیار قابل قبول در آزمونهای بعدی و در آینده استفاده شود.

تعیین کیفیت عایق کابل

این درست است که استانداردهای زیادی در رابطه با اعداد تانژانت دلتا وجود ندارد؛ ولی بسیاری از آزمونها بر اساس مقایسه انجام میشوند. مثلاً در رابطه با تخلیۀ جزئی، اگر مقادیر قابل پذیرش وجود نداشته باشند و یا شرایط نصب تغییر کند، از روش مقایسه ای استفاده میشود. اتصالات و پیوندها میتوانند سطح تخلیۀ جزئی را بالا ببرند و شکست عایقی را تسریع بخشند.

اولین نکته ای که باید به خاطر داشت این است که هدف از آزمون چیست و آیا میتوان با استفاده از روشهای تست تخلیۀ جزئی و Tan δ، درجۀ کیفیت کابلها را مشخص کرد؟ آزمون های مقایسه ای نشان خواهند داد که کابلهای مورد نظر نسبت به کابلهای دیگر وضعیت بهتر یا بدتری دارند و یا بیش از حد کار کرده اند و بهره بردار اجازه دارد بر اساس دستورالعملهای داخلی خودشان و وضعیت کابلها، تصمیم به تعویض آنها بگیرد.

در واقع، فقط با استفاده از این آزمایشها میتوان درجۀ کیفیت کابلها را برای تعویض معین کرد. به طور کلی، قبل از آنکه کابل برق به شرایط بحرانی برسد، میتوان مشخص کرد که زمان استفاده از آنها به پایان رسیده است.

واقعیت این است که آزمون Tan δ، تست دقیق و جامعی نیست. در اینجا فقط سعی بر این است کابلهایی که بیشترین مشکل را در سیستم ایجاد میکنند، مشخص شوند. نتایج آزمونهای تانژانت دلتا به همراه اطلاعات مربوط به سوابق کابل و نیز بعضی داده های به دست آمده در تستهای دیگر مثل تخلیۀ جزئی، میتوانند در ارائۀ راهنماییهای مربوط به تحلیل کیفیت کابل، کمک کنند.

آیا شکست عایقی در حین آزمون تانژانت دلتا، محتمل است؟

چون ولتاژ آزمون ممکن است تا 2U₀ برسد، امکان این که شکست عایقی رخ دهد، وجود دارد؛ اما میتوان از این رخداد جلوگیری کرد. Tan delta را در چند سطح ولتاژ تا 1U₀ اندازه گیری و منحنی اعداد حاصل را نسبت به ولتاژ ارزیابی میکنیم. اگر شکل منحنی خطی باشد، میتوان آزمون را ادامه داد؛ اما اگر منحنی غیر خطی باشد و با بالا رفتن ولتاژ، زاویۀ تلفات با شیب تندی افزایش یابد، با مقایسۀ نتایج میتوان تعیین کرد که عایق کابل قدرت دارای کیفیت خوبی نیست و در این شرایط، احتمال شکست عایقی در ادامۀ تست وجود دارد.

باید به خاطر داشت که هدف از این آزمونها، کمک به سازماندهی و اولویت بندی برای جایگزین کردن کابلهای برق است. ضمناً باید به این نکته توجه کنیم که مدت زمان اعمال ولتاژ در آزمون Tan δ، پنج تا ده دقیقه است و در نتیجه، کابل برای مدت زمان زیاد تحت تنش قرار نمیگیرد که منجر به شکست عایقی شود. این در حالیست که در تست ولتاژ بالا که تا 3U₀ برای مدت 30 دقیقه اعمال میگردد، شکست رخ خواهد داد.

آزمون بین هادی و شیلد هم مرکز

هنگامی که اندازه گیری زاویۀ تلف بین رسانای کابل و شیلد هم مرکز انجام میشود، شیلد باید کاملاً سالم و بدون عیب باشد. بنابراین، توصیه میگردد که قبل از انجام آزمون، صحت و بی عیب بودن شیلد بررسی شود.

به هر حال، تست تانژانت دلتا به چند دلیل بسیار ارزشمند است و باید انجام شود. اگر فواصل میان سیمهای هم مرکز شیلد زیاد شود، نتایج آزمون Tan Delta و تخلیۀ جزئی، معنی دار نخواهند بود.

آیا تست Tanδ همان آزمون Cosφ است؟

اگرچه آزمون tan δ اساساً مانند تست ضریب توان، همان ارزیابی کیفی را ارائه میدهد؛ ولی به طور قطعی نمیتوان گفت که این دو آزمون یکسان هستند. برای ضریب توان، کسینوس زاویۀ بین ولتاژ و جریان اندازه گیری میشود و برای ضریب تلفات، تانژانت متمم زاویه. در کنار این، تانژانت زاویه بر حسب رادیان است، در صورتی که کسینوس زاویه بر حسب درجه میباشد.

برای زوایای بسیار کوچک، مقدار ضریب تلفات، معادل ضریب توان خواهد بود. هر قدر زاویه بزرگتر شود، بالطبع، ضریب تلفات نیز افزایش خواهد یافت و ضریب توان کاهش مییابد؛ در نتیجه مقادیر در این حالت یکسان نخواهند بود.

---

مأخذ: مهندس شمس، بهرام، مترجم، «مطالبی در مورد tan δ»، نشریۀ داخلی صنعت سیم و کابل، شمارۀ شصت و یکم، زمستان 1394.