Simultaneous distributed acoustic and temperature sensing for early detection and localization of tracking phenomena in polymeric insulators
تقدم هذه الورقة إطار عمل مبتكر للاستشعار بالألياف الضوئية الموزعة يقوم بمراقبة البصمات الصوتية والحرارية في آن واحد لتمكين الكشف المبكر، والتتبع المستمر، والتحديد الدقيق لمواقع تدهور التتبع السطحي في العوازل البوليمرية تحت ظروف الجهد العالي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تمتد خطوط الطاقة ذات الجهد العالي عبر المناظر الطبيعية، حاملةً الكهرباء عبر مسافات شاسعة. وللحفاظ على تدفق هذه الطاقة بأمان، تُدعم الخطوط بعوازل، غالباً ما تُصنع من مواد بوليمر متينة تقاوم العوامل الجوية والتلوث. ومع ذلك، بمرور الوقت، يمكن أن تبدأ هذه العوازل في الفشل. فعندما يتراكم الغبار والرطوبة على أسطحها، يمكن للشرارات الكهربائية الصغيرة أن تقفز عبر المادة. وهذه الشرارات ليست مجرد ومضات غير ضارة؛ فهي تولد حرارة وتنشئ مسارات كربونية تنهش العازل ببطء. وإذا تُرِك هذا الأمر دون معالجة، فإن هذه العملية، المعروفة باسم "التتبع" (tracking)، يمكن أن تؤدي إلى انهيار كامل، مما يسبب انقطاعاً في التيار الكهربائي أو حتى حرائق. لقد كان التحدي الذي يواجه المهندسين دائماً هو كيفية رصد هذا الضرر الزاحف البطيء قبل أن يصبح كارثياً. تعتمد الطرق التقليدية غالباً على فحص نقاط محددة أو البحث عن علامات مرئية، لكن هذه الأساليب تواجه صعوبة في مراقبة طول خط الطاقة بالكامل بشكل مستمر أو في رؤية المشكلة وهي تتطور في مراحلها الأولى والأكثر هدوءاً.
لقد طور باحثون في المعهد الهندي للتكنولوجيا بمدريد طريقة جديدة لمراقبة هذه العوازل، باستخدام خيط واحد من ألياف زجاجية قياسية ليعمل كأذن وحرارة حساسة ومستمرة على طول المعدات بالكامل. وبدلاً من تركيب عشرات المستشعرات المنفصلة، قاموا بلف ليف ضوئي قياسي حول إعداد الاختبار واستخدموه للاستماع إلى الأصوات الخافتة للشرارات الكهربائية والشعور بالارتفاع الطفيف في درجة الحرارة الناتج عن الضرر. يسمح هذا النهج برؤية مكان بدء المشكلة وكيفية نموها بدقة، محولاً الليف نفسه إلى خط طويل وغير منقطع من المستشعرات الافتراضية. ومن خلال الاستماع والتحسس في آن واحد، تمكن الفريق من رصد أولى علامات الخطر قبل وقت طويل من تعرض العازل لخطر الفشل.
في تجاربهم، أخضع الفريق عينات من عوازل البوليمر لاختبار صارم يحاكي سنوات من التآكل والتهالك في غض انفجار من الساعات. طبقوا جهداً كهربائياً عالياً وجعلوا محلولاً موصلاً مالحاً يتدفق فوق السطح لتشجيع تكوين الشرارات الكهربائية. وبينما بدأ العازل في التدهور، سجل نظام الألياف الضوئية كل شيء. فقد رصد اللحظة التي ظهرت فيها أول شرارة صغيرة، والوقفة القصيرة عندما تشكلت بقع جافة على السطح، والتطور النهائي لنقاط القوس الساطعة التي أشارت إلى ضرر جسيم. سجل النظام 1,750 من أحداث التفريغ هذه، متتبعاً الرحلة بأكملها من شرارة واحدة إلى مسار كربوني دائم لم يعد قادراً على حجز الكهرباء.
ما جعل هذا الكشف ممكناً هو القدرة على سماع الصوت المحدد للشرارات وسط ضجيج الخلفية في المختبر. فقد أحدثت التفريات الكهربائية بصمة صوتية مميزة، وهي صوت حاد ومرتفع التردد يتركز حول 14.8 كيلوهرتز. واستخدم الباحثون تقنية خاصة لمعالجة الإشارات لتصفية الضجيج منخفض التردد الناتج عن البيئة المحيطة، مما جعل هذه الأصوات الحادة والعابرة تبرز بوضوح. سمح هذا بتحديد مكان وزمان حدوث الشرارة بدقة. وقد أكدوا دقة استماعهم من خلال مقارنة الإشارات الصوتية مع قياسات التيار الكهربائي المتدفق عبر العازل. وقد تطابق التوقيت تماماً: ففي كل مرة حدث فيها ارتفاع مفاجئ في التيار الكهربائي، سمع الليف نبضة صوتية مقابلة. علاوة على ذلك، من خلال تغيير المسافة بين الشرارة والليف، أثبتوا أن الصوت انتقل عبر الهواء ليصل إلى المستشعر، مما أكد أن النظام كان يستمع حقاً إلى التفريغ وليس مجرد التقاط اهتزازات عشوائية.
بينما عمل المستشعر الصوتي كمستمع سريع، يرصد الشرارات الفورية، عمل جزء ثانٍ من النظام كميزان حرارة بطيء وثابت. قاس هذا الجزء من الليف درجة الحرارة على طول امتداده، راصداً الارتفاع التدريجي في الحرارة الذي يحدث عندما تستمر الشرارات في بقعة واحدة. ووجد الباحثون أن المناطق التي كان فيها النشاط الصوتي أكثر كثافة هي ذات النقاط التي بدأت فيها درجة الحرارة في الارتفاع. وفرت هذه الرؤية المزدوجة صورة كاملة: أظهرت البيانات الصوتية الطبيعة السريعة والعنيفة للتفريغ الكهربائي، بينما كشفت بيانات درجة الحرارة عن الضرر التراكمي البطيء الذي يؤدي إلى الفشل الدائم. ومعاً، قدما رؤية شاملة لصحة العازل لم يكن لأي من الطريقتين بمفرده أن يقدمها.
توضح الدراسة أن هذا النهج المدمج يمكنه تحديد مواقع مشكلات متعددة على طول ليف واحد والتمييز بين مراحل الضرر المختلفة. وخلافاً للطرق القديمة التي قد تخبر المهندس فقط بوجود مشكلة ما في مكان ما على الخط، يمكن لهذا النظام تحديد الموقع الدقيق للعطل. كما أنه محصن ضد التداخل الكهرومغناطيسي الذي غالباً ما يربك المستشعرات الإلكترية التقليدية، مما يجعله مثالياً للبيئة الصاخبة لمحطات الطاقة ذات الجهد العالي. وقد اختبر الباحثون ذلك على ليف يمتد لمسافة طويلة، مما أثبت أن التكنولوجيا يمكن أن تتوسع لمراقبة مسافات شاسعة دون الحاجة إلى تثبيت شبكات استشعار مخصصة جديدة. ومن خلال استخدام نفس نوع الألياف الموجود بالفعل في العديد من خطوط الطاقة لأغراض الاتصالات، توفر هذه الطة وسيلة عملية وغير جراحية للحفاظ على سلامة الشبكة. وتشير النتائج إلى أنه من خلال الاستماع إلى أصوات و"الشعور" بحرارة العوازل، يمكن للمرافق اكتشاف التدهور مبكراً، مما يسمح بإجراء الصيانة قبل وقوع الفشل، وضمان تدفق أكثر موثوقية للكهرباء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.