در اين مقاله قصد داريم تا حدودي در مورد ترانسفورماتور صحبت كنيم و همچنين پيرامون سيستمهاي مانيتورينگ On-Line ترانسفورماتور كنيم.
ترانسفورماتور وسيله اي است كه انرژي الكتريكي را در يك سيستم جريان متناوب از يك مدار به مدار ديگر انتقال مي دهد و مي تواند ولتاژ زياد و بلعكس تبديل نمايد . ترانسفورماتور امروز يكي از وسايل لازم و حياتي در سيستم هاي الكتريكي و همچنين سيستم هاي تبديل انرژي مي باشد و از دو بخش اصلي زير تشكيل مي گردد : 1- هسته كه از ورقه هاي نازك فولادي ساخته مي شود . 2- دو يا چند سيم پيچ كه در ترانسفورماتور هاي معمولي با هم رابطه مغناطيسي و در اتوترانسفورماتورها ديگر رابطه الكتريكي و مغناطيسي دارند . آن بخش از سيم پيچ كه از مدار الكتريكي انرژي مي گيرد سيم پيچ اوليه بخش ديگر كه از آن انرژي گرفته مي شود سيم پيچ ثانويه ناميده مي شود . سيم پيچ متصل به مدار با ولتاژ زياد به سيم پيچ فشار قوي (H.W.) و سيم پيچي كه به مدار با ولتاژ كم اتصال مي يابد به سيم پيچ فشار ضعيف (L.V) معروف است . ترانسفورماتورهاي كه ولتاژ سيم پيچ ثانويه از ولتاژ اوليه آن كمتر باشد ترانسفورماتور كاهنده و آنكه ولتاژ ثانويه اش از ولتاژ اوليه بيشتر باشد ترانسفورماتور افزاينده ناميده مي شود . اگر يكي از دو سيم پيچ ترانسفورماتور مثلاً اوليه را به منبع ولتاژ متناوب وصل كنيم فوران (فلوي ) متناوبي توليد خواهد شد كه دامنه اش نسبت مستقيم با ولتاژ دو سر سيم پيچ اوليه و شماره دورهاي اوليه دارد . فوران توليد شده ي سيم پيچ ثانويه را نيز دور يمزند و ولتاژي در آن القاء مي نمايد كه مقدار آن به شماره دوره هاي سيم پيچ ثانويه بستگي دارد . واضح است كه ترانسفورماتور ها فقط با وجود فوران هاي متقابل كه هر دو سيم پيچ را دور مي زنند كار مي كنند . لازم به تذكر است كه اين فوران ها (فلوها) از مواد فرو مغناطيسي (پرمابيليته) زياد به مراتب بهتر از ساير موارد عبور مينمايند و از اينروست كه هسته ترانسفورماتورها از آهن (فورمغناطيس ) مي باشد .
براي جلوگيري از اثر تخريبي هوا و بهبود شرايط خنك شدن ترانسفورماتورهاي با قدرت زياد ، معمولاً هسته و سيم پيچ هاي آنها را در مخزن پر از روغن قرار مي دهند كه اين نوع ترانسفورماتور را روغني مي نامند و آنهايي كه توسط هوا خنك مي شوند به ترانسفورماتورهاي خشك معروفند. انواع كاربري ترانسفورماتورها 1- ترانسفورماتورهاي قدرت براي انتقال و توزيع انرژي الكتريسيته 2- ترانسفورماتورهاي قدرت كه براي مقاصد خاص مثل كوره ها 3-يكسو كننده ها و واحدهاي جوشكاري بكار مي روند . 4-ترانسفورماتورهايي كه براي تنظيم ولتاژ در شبكه هاي توزيع بكار مي روند . 5-اتوترانسفورماتورها جهت تبديل ولتاژ با نسبت كم و راه اندازي موتورهاي القايي 6-ترانسفورماتورهاي وسايل اندازه گيري قسمتهاي مختلف ترانسفورماتور اگر چه اصول كار تمام ترانسفورماتورهاي ولتاژ يكسان است ولي در ترانسفورماتورهاي بزرگ به علت ولتاژ بالا و عبور جريان زياد آنها ، هسته و سيم پيچ ها به شدت گرم مي شوند و امكان بروز خسارت و از كار افتادن ترانسفورماتور وجود دارد ، از اين گونه ترانسفورماتورها با وسايل ايمني مجهز مي گردند و ساختمان آنها پيچيده تر از ترانسفورماتورهاي خشك با قدرت كم مي باشد . با بررسي ساختمان ترانسفورماتورهاي روغني با قدرت زياد ديگر احتياجي به تشريح ترانسفورماتورهاي كوچي نمي باشد . قسمتهاي مختلف اين ترانسفورماتور عبارتند از : هسته - سيم پيچ ها (بوبين ها) - مخزن روغن - بوشينگ - پاك و لوله انفجار - تاپ چنچر - ترمومترها - رله بو خهلتس – درجه نماي روغن – تابلوهاي مشخصات – چرخها – شيرهاي مختلف رواشها – لوله هاي ارتباط – ترانسفورماتورهاي جريان – جعبه كنترل (فرمان پنكه ها ، ترموستات ، پمپ ورگولاتور) – سيستم خنك كننده (رادياتورها – پنكه ها و غيره) الف – هسته هسته هاي ترانسفورماتورها بايد تا حد امكان داراي قابليت نفوذ مغناطيسي خوب و قابليت هدايت الكتريكي بد باشد . هسته هاي ترانسها از ورقهاي نورد شده ي ديناموبلش يا فريت به ضخامت 35/0 تا 50/0 ميليمتر ساخته مي شوند .
هسته ها به خاطر كاهش تلفات فوكو و هيستر زيس به صورت مورق ساخته مي شوند كه اين ورقه ها نسبت به هم عايق مي باشند . اين خاصيت توسط يك لايه ي نازك از رزين يا مواد عايقي ديگر تأمين مي گردد . هسته هاي ترانسها بسته به قدرت آنها ساخته و طراحي مي گردد . كه شامل دو نوع مي باشد ، هسته هاي شكافدار (EI) و هسته هاي نواري . كاربرد هسته هاي شكافدار بيشتر از هسته هاي نواري مي باشد . و اين به اين علت است كه اين هستها به راحتي در كنار هم قرار گرفته و سيم پيچ ها بر روي آنها نصب مي شوند . ب – سيم پيچها سيم پيچ ترانسها اغلب از جنس مس يا آلومينيم انتخاب مي شود سيم پيچهاي ترانسهاي كوچك را معمولاً روي قرقره مي پيچند جنس قرقره ها اغلب از ترموپلاست است . در اصل بيشترين درصد اشكالات ترانسها در اين قسمت نقش اصلي را ايفا مي كند . سيم پيچها در كل به دو صورت هستند . نواري ، كه غير قابل تعمير مي باشند يا به صورت طبقه طبقه مي باشند كه به آنها ديسكي هم گفته مي شود و قابل تعمير هستند . سيم هاي به كار برده شده در ترانسها ، بسته به قدرت آنها تغيير مي كنند مثلاً در قدرتهاي پايين و متوسط از سيم هاي با سطح مقطع كوچك و گرد استفاده مي شود . در ترانس هايي با قدرت بالااز شمشهايي با سطح مقطع مربعي و يا نواري استفاده مي شود . نحوه ي قرار گرفتن سيم پيچ ها معمولاً در ترانسها قدرت ، ابتدا سيم پيچ ثانويه يا فشار ضعيف پيچيده مي شود و سپس سيم پيچ اوليه يا فشار قوي پيچيده مي شود . اين كار به خاطر اين است كه در صورت اتصالي ، سيم پيچ فشار قوي از هسته و اتصال به بدنه دور بماند و همچنين از بالا رفتن شدت ميدان ميان سيم پيچ اوليه و هسته جلوگيري شود . نحوه ي اتصال سيم پيچ ها در ترانسهاي سه فاز بسته به شريط بارگيري ترانس ، اتصال سيم پيچ ها را تعيين مي كنند . انواع اتصالات به شرح زير مي باشند : 1- اتصال ستاره – ستاره (Y-y) 2- اتصال ستاره – مثلث(Y-d) 3- اتصال مثلث – ستاره (D-y) 4- اتصال مثلث – مثلث (D-d) 5- ستاره – زيكزاك (Y-z) در ميان اتصالات بالا فقط از يكي از آنها نمي توان در سيستم توزيع استفاده كرد . و آن هم اتصال ستاره – ستاره مي باشد .
در اين اتصال ، در صورتي كه ترانس به صورت نا متقارن زير بار رود ترانس مي سوزد . علت اين امر اين است كه ، هنگامي كه از يك فاز به يك ترانس ستاره – ستاره جريان بيشتري كشيده شود در هسته شار بيشتري توليد مي شود و هسته فوراً اشباع مي شود و باعث گرم كردن بيش از حد مي شود. از سوي ديگر هم برگشت اين جريان از دو بازوي ديگر اين ترانس مي باشد و بر بازوهاي ديگر هم تأثير مي گذارد . در چنين مواردي سع مي شود در اوليه از اتصال مثلث استفاده شود . و در مواردي كه استفاده از اتصال مثلث غير ممكن باشد از اتصال زيكزاك در ثانويه ي آن ترانس استفاده مي شود تا بر روي دو بازوي ترانس در صورت نامتقارن بودن توزيع شود . تپ چنجر در بعضي از مواقع به علت طول زياد شبكه ي توضيع و انتقال در انتهاي خط با افت ولتاژي مواجه مي شويم كه بايد اين افت بر طرف شود تا مصرف كننده بتواند بدون هيچ مشكلي از ولتاژ شبكه استفاده كند . در چنين مواقعي از تغييرات نسبت دور در ترانسها استفاده مي شود . همان طور كه از رابطه اساسي ترانس ها برآورد مي شود (NI/N2=V1/V2) هنگامي كه تعداد دور اوليه افزايش يابد ولتاژ خروجي كاهش و با كم كردن تعداد دور اوليه ولتاژ خروجي افزايش مي يابد . تپ چنجر كه بر روي اوليه ي ترانسها مي باشد ، در واقع تعداد دور اوليه را هنگام پايين بودن ولتاژ شبكه كم مي كند و بلعكس .
معمولاً تپچنجرها داراي پنج رنج مي باشند كه از 1 تا 5 مدرج مي باشد . عمل تاپ چنجر در حقيقت افزايش يا كاهش شماره دوره هاي مؤثر سيم پيچ ترانسفورماتور مي باشد و استفاده از تپ چنجر (يارگولاتورولتاژ) در ترانسفورماتور هاي با قدرت زياد مي باشد . تاپ چنجرها امروزه با طرح هاي مختلف در حال كارند و معمولترين آنها شامل راكتورها يا مقاومتهاي محدود كننده جريان مي باشند . تغيير ولتاژ توسط تپ چنجر و جريان حاصله در مدار و قوس هاي الكتريكي آن امكان سوختن شديد و از بين رفتن كنتاكتها را بوجود مي آورد و وجود قوسها ي الكتريكي و حرارت حاصل از آن خود دليل مجزا نمودن تاپ سلكتور و كنتاكتورها در تانك روغن جداگانه اي قرار مي گيرند و بدين ترتيب بدون اينكه كنتاكتها صدمه ببينند قوس الكتريكي نيز از بين مي رود . ضمناً بدون باز كردن ترانسفورماتور كنتاكتها مي توانند بازرسي شوند و روغن فاسد شده در اثر قوسهاي الكتريكي به آساني تعويض شود . سوئيچ و كنتاكتور ها توسط چرخ دنده و با موتور الكتريكي عمل مي نمايند . تانك روغن تانك روغن مخزن روغني است كه هسته و سيم پيچ هاي ترانسفورماتور در آن قرار مي گيرند ترانسفورماتورهاي روغن تا KVA40 ممكن است فقط داراي تانك با ديواره هاي صاف و بدنه و وسائل خنك كننده اضافي باشند . براي ترانسفورماتورهاي بزرگتر سطح صاف براي از بين بردن حرارت كافي نبوده و بايد بطور مصنوعي افزايش يا بايد در آنها وسائل خنك كننده اضافي تعبيه گردد . در ترانسفورماتورهاي تا 1600 KVA سطح تانك توسط لوله هايي كه از خارج به بدنه تانك جوش مي خورند افزايش مي يابد . ترانسفورماتور هاي از 1000 تا 10000 KVA با تانك ساده از رادياتورهايي كه با اتصالات فلانج به تانك جوش مي خورد استفاده مي نمايند در قدرت هاي بالاتر از 10000KVA خنك كردن با روغن بطور طبيعي كافي نبود و بايد از جريان هوا و روغن با فشار استفاده شود . يك تانك شامل يك ديواره ، كف و قاب به بالاي ديواره جوش داده مي شود و شامل نوار فولادي است كه حاوي سوراخ هايي به فواصل مساوي مي باشند . يك پوشش (كاور) از ورق فولادي به قاپ پيچ مي شود . ضمناً در روي تانك محل هايي براي حمل و نصب ترانسفورماتور در نظر گرفته مي شود . مخزن روغن مخزن روغن در حقيقت يك طبل فولادي است كه بطور افقي روي تانك نصب مي شود و توسط يك لوله به آن ارتباط مي يابد اين مخزن طور ساخته مي شود كه بتوان كف آن را جهت تميز نمودن و رنگ زدن جدا نمود . باك ها با والو روغن و رطوبت گير مجهز مي شوند تا بتوان رطوبت هوايي را كه در مخزن به علت كم شدن روغن وجود دارد بر طرف نمود . هوا از طريق يك ماده جذب كننده رطوبت بنام سيليكاژل (Silicagel) عبور مي كند و در حالت خشك وارد مخزن مي شود . والو روغن گرد و خاك را از هوا دور (جدا) مي نمايد و مواد جذب كننده را از اثرات رطوبت موجود در محط محافظت مي نميد . در يك محفظه سيليكاژل ، هوا ابتدا از يك توري عبور كرده و سپس پس از عبور روغن به منظور گرفتن گرد و غبار و رطوبت به سيليكاژل رسيده و پس از رطوبت گيري كامل به بك ترانسفورماتور هدايت مي شود . بدنه بدنه ي ترانسها از فولاد مي باشد و در بعضي مواقع از استيل است . بر روي بدنه ي ترانسها راديوتاورهايي جهت تهويه و خنك شدن هر چه سريعتر ترانس تعبيه شده است . بر روي بدنه ، شير تخليه ي روغن ، تانك روغن ، مقرهاي فشار ضعيف و فشاتر قوي قرار مي گيرند . تابلو مشخصات ترانسفورماتور اين تابلو (يا پلاك) كه بر روي ترانسفورماتور نصب مي شود معمولاً داراي مشخصات زير است : نوع ترانسفورماتور – شماره سريال ترانسفروماتور – سال مونتاژ – تعداد فازها – گروه ترانسفورماتور – فركانس – نوع خنك كردن – قدرت اسمي – وزن كل – وزن روغن – و دياگرام سيم پيچي . سيستمهاي خنك كننده ي ترانسها ترانسها را مي توان از نظر سيستم خنك كنندگي به چند گروه تقسيم كرد . ترانسهايي كه با جريان هوا خنك مي شوند و ترانسهايي كه با روغن خنك مي شوند و يا تركيبي از هر دو انتخاب سيستم خنك كننده ، بسته به قدرت ترانس و محل استفاده از آن مي باشد . مثلاً در محل هايي كه بلاجبار ترانس بايد در سالن يا محل كار باشد از ترانسهايي با سمغ ريختگي استفاده مي شود . اين انتخاب به اين علت است كه چون امكان آتش سوزي در كارگاه يا محل كار وجود دارد از ترانس با سيستم روغني استفاده نمي شود . در ترانس هاي توزيع معمولاً از سيستم خنك كنندگي روغن استفاده مي شود . معمولاً بر روي پلاك ترانس ها ، نوع سيستم خنك كنندگي آنها نوشته مي شود . كه نمونه اي از آنها در زير نوشته شده اند : روغن طبيعي و هواي طبيعي (ONAN ) روغن با گردش توسط پمپ و هواي طبيعي ( OFAN) روغن طبيعي و پنكه هاي خنك كننده ) ( ONAF) تلفات ترانسفورماتور باعث گرم شدن ترانسفورماتور مي شود و اگر حرارت ايجاد شده بخارج هدايت نشود بار دهي ترانسفورماتور كم شده و چه بسا باعث سوختن ترانسفورماتور مي شود . براي خنك كردن ترانسفورماتور بر حسب نوع ترانسفورماتور ( ترانسفورماتور خشك و ترانسفورماتور روغني ) طرق مختلفي موجود است كه عبارتند از : 1- ترانسفورماتور خشك : ترانسفورماتور خشك با قدرت زياد بندرت ساخته مي شود زيرا اين ترانسفورماتورها از نظر استقامت الكتريكي و ديناميكي خيلي ضعيف تر از ترانسفورماتورهاي روغني مي باشند . ترانسفورماتور هاي خشك معمولاً با قدرت 300 كيلو ولت آمپر و ولتاژ ماكسيموم KkVA10 ساخته مي شوند . زيرا در ولتاژ هاي زياد فاصله پيچك ها از يكديگر و از قسمت هائي كه مربوط به مدار جريان نيستند خيلي زياد مي شود بطوري كه براي ترانسفورماتورهاي بيش از K VA10 نيز ترانسفورماتورهاي روغني با صرفه تر است. در امريكا ترانسفورماتورهاي خشك تا ولتاژ KV15 و قدرت 6000 كيلو ولت آمپر نيز ساخته شده است . در ترانسفورماتور هاي خشك با قدرت كم معمولاً وسيله اضافي براي خشك كردن ترانسفورماتور بكار برده نمي شود بلكه همان خنك شدن طبيعي در اثر تماس مداوم و عادي هوا با سطوح ترانسفورماتور كافي است .
اين نوع ترانسفورماتور را كه خود به خود خنك مي شود با TS نشان مي دهند . ترانسفورماتور هايي با قدرت بيشتر كمك فنتيلاتور ( باد زن ) مخصوص خنك مي كنند . اين ترانسفورماتورها با علامت TF مشخص مي شوند . در اين طريق خنك كردن حركت وسير كولاسيون هوا به وسيله فنتيلاتور زياد و سريع شده در نتيجه هدايت حرارت بخارج سريع تر عملي مي گردد . ترانسفور ماتور هاي خشك بايد حتي الامكان بطور دائمي به ولتاژ وصل باشد و از شبكه برق قطع نگردند زيرا قطع شدن آن باعث خنك شدن عرق كردن و مرطوب شدن ترانسفورماتور مي گردد . 2- ترانسفورماتور روغني در اين ترانسفورماتور ها روغن واسطه انتقال حرارت از هسته و سيم پيچ ترانسفورماتور به هواي خارج مي باشد . طرق مختلف خنك كردن ترانسفورماتور هاي روغني به شرح زير است : الف – خشك كردن طبيعي : (OS) 1 اين نوع خنك كردن عملاً بدون هيچ واسطه اي انجام مي گيرد و در حقيقت برداشت حرارت در اثر تشعشع ، هدايت و انتقال حرارت بطور عادي و طبيعي انجام مي شود و ساده ترين و ارزانترين روش خنك كردن ترانسفورماتور است زيرا ترانسفورماتور احتياج به هيچ گونه مراقبت و نگهداري ندارد . لذا در صورتي كه تلفات ترانسفورماتور تا حدودي باشد كه بتوان از اين نوع خنك كردن استفاده كرد حتماً روش ديگري براي خنك كردن ترانسفورماتو ر به كار برده نمي شود …. در ترانسفورماتور هاي كوچك تا قدرت 30 كيلو ولت آمپر كافي است كه سطح جدار خارجي منبع روغن صاف باشد و در قدرت هاي بيشتر تا 6000 كيلو ولت آمپر براي بزرگ كردن سطح تماس منبع روغن با هوا منبع روغن را پرده دار و يا موجي درست مي كنند و در قدرت هاي بيشتر تا حدود 20000 كيلو آمپر منبع روغن داراي لوله هاي خنك كننده مجزا مي باشد .
در پيوست ترانسفورماتور با منع پرده اي و ترانسفورماتور با لوله هاي خنك كننده را نشان داده ام . چنانچه ديده مي شود منبع ترانسفورماتور داراي لوله هائي است كه به داخل ترانسفورماتور راه ندارند . روغن گرم از بالاي ترانمسفورماتور وارد اين لوله ها شده پس از خنك شدن مجدداً در زير ترانسفورماتور راه مي يابد و در آنجا مجدداً گرم شده و در سطح روغن بالا مي رود . اين لوله ها ضريب خنك كنندگي روغن را زياد مي كند و به اين جهت سبب مي شود كه حجم روغن اين ترانسفور ماتور ها قدري كمتر از ترانسفورماتور پرده اي مشابه خود باشد . لوله ها متناسب با قدرت ترانسفورماتور در 2 يا 5 رديف در اطراف منبع ترانسفورماتور نصب مي شود . عمل خنك كردن بطور طبيعي را مي توان با جريان انداختن سريع روغن توسط پمپ مخوصي تسريع نمود . در بعضي از ترانسفورماتور ها كه داراي تلافات بيشتر مي باشند از رادياتور مخصوص استفاده مي شود و در صورتيكه ترانسفورماتور خيلي بزرگ باشد بخاطر جلوگيري از مشكلات حمل و نقل رادياتور ها را طوري مي سازند كه در موقع حمل و نقل از ترانسفورماتور جدا شده و در محل مجدداً نصب شود . اين گونه ترانسفورماتور ها در محل ارتباط بين مخزن و رادياتور داراي فنتيل مخصوصي مي باشند كه خارج شدن روغن ترانسفورماتور جلوگيري مي كند . ب- خنك كردن غير طبيعي ترانسفورماتور هاي خيلي بزرگ و يا ترانسفورماتورهايي كه در اطاق سرپوشيده و كوچك نصب مي شوند ( پست ترانسفورماتور محصور ) بايد مصنوعي خنك شوند تا عمل خنك شدن تسريع يابد و از باردهي ترانسفورماتور كاسته نگردد . خنك كردن مصنوعي بيشتر به كمك آب ( OW) و يا به كمك جريان انداختن سريع هوا ( فنتيلاتور ) ( OF) انجام مي شود . خنك كردن ترانسفورماتور به كمك آب دو طريق است : 1) خنك كردن روغن ترانسفورماتور در داخل منبع آب 2) خنك كردن روغن ترانسفورماتور در خارج از منبع در طريقه اول لوله هاي اب سرد از داخل منبع ترانسفوماتور در كنار ديواره هاي منبع و يا سقف منبع عبور داده مي شود و جريان آب سرد باعث خنك كردن روغن مي گردد . در اين طريق نشت كردن احتمالي اب باعث خراب شدن ترانسفورماتور مي شود . در طريقه دوم روغن گرم از ترانسفورماتور خارج شده و به كمك اب خنك شده مجدداً به داخل ترانسفورماتور تزريق مي شود . چنانچه ديده مي شود روغن از بالاي ترانسفورماتور توسط پمپ روغن خارج شده پس از خنك شدن در كولر ابي مجدداً از زير ترانسفورماتور وارد منبع روغن مي شود . در ترانسفورماتور هايي با قدرت زياد از كولر مخصوصي استفاده مي شود . رد اين كولر آب و روغن در خلاف جهت يكديگر جريان دارند و عمل خنك كردن روغن بطور قابل ملاحظه اي تسريع مي گردد . در صورتيكه ترانسفورماتور هائي كه در فضاي آزاد نصب مي شوند در روي بدنه خود داراي فنيلاتور هاي هوا مي باشند .
ترانسفورماتورهاي برق
.jpg)
ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصيات آنها ميتوان به سه دسته کوچک، متوسط و بزرگ دستهبندي کرد. ساختمان ترانسفورماتورهاي بزرگ و متوسط بهدليل مسائل حفاظتي و عايقبندي و امکانات موجود، نسبت به انواع کوچک آن پيچيدهتر است.
اهميت ترانسفورماتورها در صنعت برق و شبکههاي صنعتي، برکسي پوشيده نيست. امروزه يکي از ملزومات اساسي در انتقال و توزيع الکتريکي در جهان ترانسفورماتورها، ميباشند.
ترانسفورماتورها در اندازهها و توانهاي مختلفي جهت تغيير سطح ولتاژ الکتريکي بهمنظور کاهش تلفات ولتاژ در فرآيند انتقال و توزيع انرژي الکتريکي بهکار ميروند.
در صنعت سيمان، بهعنوان يکي از مصرف کنندههاي بزرگ برق و استفاده از سطوح ولتاژ مختلف در آن، استفاده از ترانسفور ماتورها يکي از ارکان اجتنابناپذير ميباشد.
در اين قسمت به اختصار ترانسفورماتورها، ساختمان آنها، تعميرات و نگهداري آنها مورد بررسي قرار گرفته است.
اصول کار ترانسفورماتورها
اصول کار ترانسفورماتور مبتني بر تاثير القاي متقابل دو يا چند مدار ساکن نسبت به همديگر است.فلوي مغناطيسي متناوب ايجاد شده توسط سيم پيچي اوليه که از داخل حلقه هاي سيم پيچي ثانويه عبور مي کند باعث به وجود آمدن جريان در سيم پيچي ثانويه مي شود.اين عمل را القاي متقابل مي گويند.مانند شکل زير.
.jpg)
انواع ترانسفورماتور
ترانسفورماتورها به چند گروه اصلي زير تقسيم مي شوند.
1- ترانسفورماتورهاي قدرت براي انتقال و توزيع انرژي الکتريسيته
2- ترانسفورماتورهاي اندازه گيري براي اتصال دادن وسايل اندازه گيري
3- ترانسفورماتور قدرت براي مقاصد خاص مثل ترانسفورماتورهاي کوره ها يا واحدهاي جوشکاري
4- تنظيم کننده هاي القايي براي تنظيم ولتاژ در شبکه هاي توزيع
5- اتو ترانسفورماتورها براي تبديل در حدود کم براي راه انداختن موتورهاي جريان متناوب
6- ترانسفورماتورهاي آزمايشي براي انجام آزمايشهاي با ولتاژ زياد
تلفات ترانسفورماتورها
به طور کلي توان در ترانسفورماتورها به دو صورت تلف مي شود.
الف – تلفات مسي يا اهمي
به علت وجود مقاومت اهمي در سيم پيچ ها در اثر عبور جريان الکتريکي مقداري از توان به صورت حرارت در سيم پيچ ها از بين مي رود.
ب - تلفات هسته آهني
توان در هسته به سه صورت تلف مي شود که عبارتند از:
1- تلفات فراري يا پراکندگي: مقداري از فلوي مغناطيسي بدون آنکه در داخل هسته و در سيم پيچ ثانويه مفيد واقع شود به بيرون از هسته نشت کرده و پراکنده مي شود و باعث کاهش توان مي گردد.
2- تلفات فوکو : در اثر تغييرات فلوي مغناطيسي در هسته ، جرياني به نام جريان فوکو در هسته ايجاد مي شود که بر طبق قانون لنز با جريان به وجود آورنده خود مخالفت مي کند و باعث کاهش آن مي شود.بنابراين با کاهش جريان ، توان ترانسفورماتور افت پيدا مي کند.جريان فوکو يک جريان گردابي است و باعث گرم شدن هسته نيز مي شود.براي کاهش جريان فوکو، هسته را ار ورقه هايي که نسبت به همديگر عايق هستند مي سازند.
3- تلفات هيسترزيس : تلفات هيسترزيس تلفاتي است که در اثر کاهش و افزايش حوزه مغناطيسي در هسته به وجود مي آيد. به اين ترتيب که ، جريان درلحظه اي که مثبت است حوزه مغناطيسي در يک جهت معين در هسته به وجود مي آيد و وقتي که جهت جريان عوض شد ، جهت حوزه مغناطيسي نيز عوض مي شود.در نتيجه عوض شدن جهت حوزه مقداري از حوزه که در قسمت مثبت هسته باقي مانده بود ، بايد حذف شود و جهت تغيير کند.اين مقدار باقي مانده را پس ماند مغناطيسي مي گويند.حذف پس ماند مغناطيسي و عوض شدن جهت آن و ادامه اين عمل باعث تلفات هيسترزيس مي شود.به زبان ساده وقتي جريان تغيير جهت مي دهد مولکول هاي هسته نيز تغيير جهت مي دهند و در اين تغيير جهت مولکول ها بين آنها اصطکاک به وجود آمده و باعث گرم شدن هسته مي شود.اين عمل موجب تلفات هيسترزيس مي گردد
ساختمان ترانسفور ماتور
ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصيات آنها ميتوان به سه دسته کوچک، متوسط و بزرگ دستهبندي کرد. ساختمان ترانسفورماتورهاي بزرگ و متوسط بهدليل مسائل فاظتي و عايقبندي و امکانات موجود، نسبت به انواع کوچک آن پيچيدهتر است. اجزاء تشکيل دهنده يک ترانسفورماتور به شرح زير است:
هسته ترانسفورماتور
هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقههاي نازکي است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفور ماتورها محاسبه ميشود. براي کم کردن تلفات آهني هسته ترانسفور ماتور را نميتوان بهطور يکپارچه ساخت. بلکه معمولاً آنها را از ورقههاي نازک فلزي که نسبت به يکديگر عايق هستند، ميسازند اين ورقهها از آهن بدون پسماند با آلياژي از سيليسيم (حداکثر 4.5 درصد) که داراي قابليت هدايت الکتريکي و قابليت هدايت مغناطيسي زيادي است ساخته ميشوند . زياد بودن مقدار سيليسيم، باعث شکننده شدن ورقها ميشود. براي عايق کردن ورقهاي ترانسفورماتور، در گذشته از يک کاغذ نازک مخصوص که در يک سمت اين ورقه چسبانده ميشد، استفاده ميکردند، اما امروز در هنگام ساختن و نورد اين ورقه?ا يک لايه نازک اکسيد فسفات يا سيليکات به ضخامت 2 تا 20 ميکرون بهعنوان عايق بر روي آنها ماليده ميشود، که باعث پوشاندن روي ورقهها ميگردد. علاوه بر اين، از لاک مخصوصي نيز براي عايق کردن يک طرف ورقهها استفاده ميشود. تمامي ورقههاي ترانسفور ماتور داراي يک لايه عايق هستند. در هنگام محاسبه سطح مقطع هسته بايد سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقههاي ترانسفور ماتورها را به ضخامتهاي 0.35 و 0.5 ميليمتر و در اندازههاي استاندارد ميسازند. بايد دقت کرد که سطح عايق شده? ورقههاي ترانسفور ماتور همگي در يک جهت باشند (مثلاً همه به طرف بالا) علاوه بر اين تا حد امکان نبايد در داخل قرقره فضاي خالي باقي بماند. لازم به ذکر است ورقهها با فشار داخل قرقره جاي بگيرند تا از ارتعاش و صدا کردن آنها نيز جلوگيري شود.
مزايا هسته ترانس آهن :
• 1- فراواني
• 2- پايين بودن قيمت
• 3- عمر زياد
• 4- فرم دهي آسان
معايب هسته ترانس آهن :
• 1- خاصيت القايي کم
• 2- ضد آب نبودن
• 3- وزن زياد
• 4- توليد نويز بالا
سيم پيچ ترانسفور ماتور
معمولاً براي سيمپيچ اوليه و ثانويه ترانسفور ماتور از هاديهاي مسي با عايق (روپوش) لاکي استفاده ميکنند، که با سطح مقطع گرد و اندازههاي استاندارد وجود دارند و با قطر آنها مشخص ميشوند. در ترانسفور ماتورهاي پرقدرت از هاديهاي مسي که بهصورت تسمه هستند استفاده ميشوند و ابعاد اين گونه هاديها نيز استاندارد است.
سيم پيچي ترانسفور ماتور به اين ترتيب است که سر سيمپيچها را بهوسيله روکش عايقها از سوراخهاي قرقره خارج ميکنند، تا بدين ترتيب سيمها، قطع (خصوصاً در سيمهاي نازک و لايههاي اول) يا زخمي نشوند، علاوه بر اين بهتر است رنگ روکشها نيز متفاوت باشد تا در ترانسفور ماتورهاي داراي چندين سيم پيچ، بهراحت بتوان سر هم سيمپيچ را مشخص کرد. بعد از اتمام سيمپيچي يا تعمير سيمپيچها ترانسفور ماتور بايد آنها را با ولتاژهاي نامي خودشان براي کنترل و کسب اطمينان از سالم بودن عايق بدنه و سيمپيچهاي اوليه و ثانويه آزمايش کرد.
محاسبه نيروهاي جريان اتصال كوتاه در سيم پيچ ترانسفورماتور
محاسبه نيروهاي اتصال كوتاه وارد برسيم پيچهاي ترانسفورماتورها همواره از مسائل مورد توجه مهندسين طراح ترانسفورماتور بوده است . امروزه با افزايش سطح اتصال كوتاه شبكه‌ها و همچنين نياز به استفاده از ترانسفورماتورهائي با قدرت بالاتر، اين مسئله اهميت بيشتري يافته است . جهت محاسبه نيروي وارد بر سيمپيچهاي ترانسفورماتور ابتدا مي‌بايستي چگالي شار مغناطيسي در پنجره ترانسفورماتور بر روي سيمپيچ محاسبه گرديده و سپس با انتگرال گيري حاصلضرب اين مقدار در بردار جريان، بردار نيرو در هر نقطه محاسبه گردد. همانگونه كه اشاره رفت محاسبه چگالي شار مغناطيسي قدم اوليه جهت محاسبه نيرو ميباشد . در اين مقاله جهت محاسبه چگالي شار مغناطيسي ابتدا پتانسيل مغناطيسي برداري محاسبه گرديده و سپس با استفاده از آن، چگالي شار مغناطيسي بدست آمده است . محاسبه پتانسيل مغناطيسي برداري با استفاده از دو روش حل معادلات ماكسول با كمك توابع تغييريافته بسل و حل معاملات ماكسول از طريق روش اجزا محدود صورت پذيرفته است و مقايسه‌اي مابين اين دو روش به عمل آمده است . البته از آنجا كه اين مسئله خاص داراي تفارنهاي چندي است ، ابتدا معادلات ساده شده پتانسيل مغناطيسي برداري محاسبه گرديده و سپس با استفاده از اين معادلات كه حال ديگر در فضاي دو بعدي مطرح ميباشند، جهت دو روش فوق الذكر استفاده بعمل آمده است . با محاسبه پتانسيل مغناطيسي برداري، چگالي شار مغناطيسي در هر نقطه از پنجره ترانسفورماتور و نهايتا نيروي وارد بر هر نقطه محاسبه گرديده است .
گروه برداري اتصالات
اصولاً در ترانسفورماتورها بين ولتاژ اوليه و ثانويه ، اختلاف فازي حاصل مي شود که مقدار آن ، بستگي به طريقه اتصال بين سيم پيچ هاي مختلف داخل ترانسفورماتور دارد . پس ابتدا بايد نحوه اتصالات سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه را مشخص نمود .
براي مشخص نمودن اتصالات سيم پيچ هاي ترانسفورماتور از حروف اختصاري استفاده مي شود . به اين ترتيب که اتصال ستاره با Y ، اتصال مثلث با D و اتصال زيگزاگ را با Z نشان مي دهند . در ضمن اگر اتصال مورد نظر در طرف فشار قوي باشد ، با حروف بزرگ و اگر در طرف فشار ضعيف باشد ، با حروف کوچک نمايش مي دهند ؛ مثلاً اتصال ستاره – ستاره با Yy و يا اتصال مثلث – زيگزاگ با Dz مشخص مي شود ( لازم به ذکر است که حروف معرف اتصال طرف ولتاژ بالا يا فشار قوي ، در ابتدا ، و حروف معرف اتصال طرف ولتاژ پايين ، بعد از آن قرار مي گيرد ) . حال اگر در طرف ستاره يا زيگزاگ ، مرکز ستاره يا زيگزاگ ، زمين شده باشد ، متناسب با اينکه اتصال مربوطه در طرف ولتاژ بالا يا پايين باشد ، به ترتيب از حروف N يا n استفاده مي شود ؛ مثلاً Yzn يعني اتصال ستاره – زيگزاگ که مرکز زيگزاگ ، زمين شده است و اتصال ستاره در طرف ولتاژ بالا ، و زيگزاگ در طرف ولتاژ پايين است .
بعلاوه در ترانسفورماتورها ، هر فاز اوليه با فاز مشابه اش در ثانويه ، اختلاف فاز مشخصي دارد که جزء خصوصيات آن ترانسفورماتور به شمار مي آيد ؛ مثلاً ممکن است اين زاويه 0، 30 ، 150 ، 180 و ... باشد . براي آنکه زاوي? مذکور ، اختلاف فاز را براي هر ترانسفورماتور مشخص نمايند به صورت مضربي از عدد 30 تبديل مي کنند و مضرب مشخص شده را در جلوي حروف معرف اتصالات طرفين ترانسفورماتور مي آورند . مثلاً مشخصه YNd11 بيانگر اتصال اوليه ستاره با مرکز ستاره زمين شده و ثانويه ، مثلث است که اختلاف زاويه بين اوليه و ثانويه برابر 330 مي باشد . به اين عدد گروه ترانسفورماتور مي گويند .
به طور کلي مطابق استاندارد IEC76-4 ، نوع اتصالات ترانسفورماتورها مي تواند مطابق يکي از اعداد 11،10،8،7،6،5،4،2،1،0 باشد . اصولاً اتصالات ترانسفورماتورها به چهار دست? مجزا تقسيم مي شوند که عبارتند از :
1. دست? يک : به ترانسفورماتورهايي گفته مي شود که داراي گروه 0،4 يا 8 هستند .
2. دست? دوم : به ترانسفورماتورهايي گفته مي شود که داراي گروه 2،6 يا 10 هستند .
3. دست? سوم : به ترانسفورماتورهايي گفته مي شود که داراي گروه 1 يا 5 هستند .
4. دست? چهارم : به ترانسفورماتورهايي گفته مي شود که داراي گروه 7 يا 11 هستند .
اما دو موضوع مهم در گروه و اتصال ترانسفورماتورها ، تعيين گروه آنها با توجه به نوع اتصال ، و يا يافتن نوع اتصال سيم پيچ ها با توجه به دانستن گروه ترانسفورماتور مي باشد .
الف ) تعيين گروه ترانسفورماتور با توجه به معلوم بودن اتصالات سيم پيچ ها
اين موضوع را با شرح يک مثال بيان مي کنيم . فرض کنيد که اتصالات سيم پيچ هاي ترانسفورماتور ، به صورت ستاره – مثلث و مطابق با شکل زير باشد . ابتدا بر روي اين اتصالات ، سرهاي ورودي و خروجي سيم پيچ ها با U,V,W (براي سيم پيچ اوليه) و u,v,w (براي سيم پيچ ثانويه) مشخص مي شوند . سپس بردار نيروي محرکه تمام سيم پيچ ها را از انتهاي هر فاز به سمت ابتداي هر فاز رسم مي نماييم . لازم به ذکر است که سر سيم پيچ ها به معناي ابتداي فاز خواهد بود و طبعاً سر ديگر سيم پيچ ها به معناي انتهاي فاز مي باشد
.jpg)
براي يافتن گروه ترانسفورماتور ، دو دايره متحدالمرکز با قطرهاي متفاوت رسم مي کنيم و ساعت هاي 1 تا 12 را بر روي آن مشخص مي سازيم . ابتدا بر روي دايره بزرگتر ، بردارهاي ولتاژ سيم پيچ هاي اوليه رسم مي شود . در اينجا با توجه به اتصال اوليه به صورت ستاره ، بردارهاي OU ، OV و OW بر روي ساعت هاي 12 (يا صفر) ، 4 و 8 رسم مي گردد . توجه شود که بين سرهاي خروجي ، 4 ساعت يا 120 درجه اختلاف فاز مي باشد . سپس نوبت به ترسيم بردارهاي ولتاژ سيم پيچ هاي ثانويه مي رسد . با توجه به اتصال مثلث سيم پيچ هاي ثانويه ، بايد بردار ولتاژ vu در راستاي بردار ولتاژ OU اوليه ، بردار ولتاژ wv ثانويه هم راستا با بردار ولتاژ OV اوليه ، و بردار ولتاژ uw ثانويه در راستاي بردار ولتاژ OW اوليه رسم گردد . البته بردارهاي هم راستا بايد به گونه اي رسم شوند که اولاً بين سرهاي خروجي ، معادل 4 ساعت اختلاف فاز داشته باشد ، و ثانياً توالي فاز uvw (در جهت عقربه هاي ساعت) در ثانويه رعايت شود . حال با توجه به موقعيت ولتاژ u ثانويه که بر روي عدد 1 قرار گرفته است ، در مي يابيم که گروه اين نوع اتصال ، معادل 1 مي باشد . به عبارت ديگر ، بين ولتاژ اوليه و ثانويه ، 30 درجه اختلاف فاز وجود دارد .
ب) تعيين اتصال سيم پيچ هاي ترانسفورماتور با توجه به معلوم بودن گروه آن
مشابه قسمت قبل ، اين موضوع را با مثالي بيان مي کنيم . فرض کنيد که مي خواهيم اتصال ترانسفورماتور Yd11 را رسم نماييم . در شکل زير نحوه يافتن اتصالات يک ترانسفورماتور Yd11 نشان داده شده است
.jpg)
در اين روش بر روي نمودار دايره اي ، و با توجه به اتصال سيم پيچ اوليه ، بردارهاي ولتاژ OU ، OV و OW رسم مي شود . سپس با توجه به گروه 11 ترانسفورماتور ، بردارهاي uv ، vw و wu (با در نظر گرفتن اين نکته که سر u روي عدد 11 ، سر v روي عدد 3 ، و سر w بر روي عدد 7 قرار گيرد) رسم مي شود . پس از رسم نمودار دايره اي ، سيم پيچ اوليه و اتصالات آن رسم مي شود و بر روي آن ، بردارهاي ولتاژ مشخص مي گردد . حال با توجه به مطالب گفته شده ، کافي است که سرهاي خروجي را در ثانويه ترانسفورماتور تعيين نماييم . انتخاب سرهاي خروجي بايد به گونه اي صورت گيرد تا بردارهاي ولتاژ سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه با بردارهاي ولتاژ اوليه و ثانويه بر روي نمودار ، يکسان باشد . در نهايت بايد سرهاي همنام u ، v و w ثانويه به هم متصل گردند تا اتصال مثلث کامل گردد که اين روند در شکل نشان داده شده است .
قرقره ترانسفور ماتور
براي حفاظت و نگهداري از سيم پيچهاي ترانسفورماتور خصوصاً در ترانسفورماتورهاي کوچک بايد از قرقره استفاده نمود. جنس قرقره بايد از مواد عايق باشد. قرقره معمولاً از کاغذ عايق سخت، فيبرهاي استخواني يا مواد ترموپلاستيک ميسازند. قرهقرههائي که از جنس ترموپلاستيک هستند، معمولاً يک تکه ساخته ميشوند ولي براي ساختن قرقرههاي ديگر آنها را در چند قطعه تهيه و سپس بر روي همديگر سوار ميکنند. بر روي ديوارههاي قرقره بايد سوراخ يا شکافي ايجاد کرد تا سر سيمپيچ از آنها خارج شود.
اندازه قرقره بايد با اندازه? ورقههاي ترانسفورماتور متناسب باشد و سيمپيچ نيز طوري بر روي آن پيچيده شود، که از لبههاي قرقره مقداري پائينتر قرار گيرد تا هنگام جا زدن ورقههاي ترانسفور ماتور، لايه? روئي سيم پيچ صدمه نبيند. اندازه قرقرههاي ترانسفور ماتورها نيز استاندارد هستند، اما در تمام موارد، با توجه به نياز، قرقره مناسب را ميتوان طراحي کرد.
نکات قابل توجه قبل از حمل ترانسهاي قدرت
پس از پايان مراحل ساخت و انجام موفقيتآميز آزمايشات کارخانهاي، قبل از جابهجائي ترانسفورماتور، از محلي به محل ديگر و قبل از بارگيري بايد اقدامات زير به روي ترانسفور ماتور انجام گيرد، بهمنظور کاهش ابعاد و وزن ترانسفورماتور و نيز از نظر فني و محدوديّتهاي ترافيکي، بايد تجهيزات جنبي ترانسفورماتور ?کنسرواتور(منبع انبساط)، بوشينگها و...? باز و بهطور جداگانه بستهبندي و آماده حمل گردند. اما خود ترانسفورماتور به طريق زير حمل ميگردد.
? حمل با روغن: ترانسفورماتورهاي کوچک و ترانسفورماتورهائي که وزن و ابعاد آنها مشکلاتي را از نظر حمل ايجاد نمينمايند، معمولاً با روغن حمل ميگردند. در اين حال سطح روغن بايد حدوداً 15 سانتيمتر پايينتر از درپوش اصلي (سقف) ترانسفورماتور قرار داشته باشد.
توجه:
فاصله 15 سانتيمتري فوقالذکر در مورد کليه ترانسفورماتورها يکسان نبوده و توصيه ميشود و به دستورالعمل کارخانه سازنده مراجعه شود.
لازم به ذکر است که در هنگام حمل روغن، قسمت فعال (Active Part) ترانسفورماتور بايد کاملاً در داخل روغن قرار گيرد.
بهمنظور جلوگيري از نفوذ رطوبت و هوا به داخل ترانسفورماتور، فضاي بين روغن و سقف ترانسفورماتور را با هواي خشک و يا گاز نيتروژن با فشار حدود 2/0 بار در هواي 20 درجه پر ميکنند. لازم به ذکراست که گاز نيتروژن بايد کاملاً خشک باشد، در اين حالت با نصب يک محفظه سيليکاژل بسته (آببندي شده) بر روي ترانسفورماتور عمل جذب رطوبت انجام ميشود. ضمناً جهت جلوگيري از پاشيدن روغن به داخل سيليکاژل در طول حمل از يک وسيله حفاظتي استفاده ميشود.
? حمل بدون روغن: ترانسفورماتورهاي بزرگ بدون روغن حمل ميگردند. در اين موارد پس از تخليه روغن، ترانسفورماتور را با هواي خشک (داراي رطوبت کمتر از ppmv 25 و نقطه ميعان کمتر از 60 ـ درجه سانتيگراد) يا با نيتروژن (با درجه خلوص 9.99%) پر ميکنند. لازم به ذکر است که در اين حالت نيز در طول حمل بايد فشار هوا يا نيتروژن بهطور مرتب کنترل گردد.
نکات قابل توجه و مهم در نصب و قبل از راهاندازي:
1- کنترل ضربهنگار
2- کنترل فشار هوا
3- کنترل نقطه شبنم و اکسيژن
4- کنترل استقرار ترانسفورماتور بر روي فوندانسيون
5-کنترل تجهيزات جنبي ترانسفورماتور شامل بوشينگ، سيستم خنک کننده، رادياتور، فن، پمپ، کنسرواتور و ملحقات آن
6- سيستم تنفسي
7- شير اطمينان
8- ترمومترها شامل ترمومتر روغن (کاليبره کردن ترمومتر) و ترمومتر سيم پيچ
9- تپ چنجر
10- رلهبو خهلتس
روغن ترانسفور ماتور
روغنهاي ترانسفور ماتور عمدتاً ترکيبات پيچيدهاي از هيدروکربنهاي مشتق از نفت خام ميباشند و به جهت دارا بودن خواص مورد نياز، اين نوع روغنها جهت ترانسفورماتورها مناسبتر تشخيص داده شدهاند.
خواص مورد نياز براي روغنهاي ترانسفور ماتور بهطور خلاصه عبارتند از:
? عايق کاري الکتريکي
? انتقال حرارت
? قابليت خاموش کردن قوسالکتريکي
? پايداري شيميائي
? سيل کردن ترانسفورماتور
? جلوگيري از خوردگي
? در مورد سفارش خريد روغن براي ترانسفورماتورها دو مورد مهم را مدنظر قرار ميدهيم.
? انتخاب نوع روغن ترانسفورماتور
نوع روغن و کيفيت آن، براساس طراحي ترانسفورماتورها ميباشد. بهعنوان مثال در يکي از بررسيها نوعي چسب که در داخل ترانسفورماتور بهکار برده شده بود توسط روغن ترانس حل گرديد و باعث شد که ذرات چسب داخل روغن پراکنده شود و منجر به کاهش ديالکتريک روغن گردد. مورد ديگري که مورد آزمايش قرار گرفت، اين بود که کاتاليزور مس و آهن باعث از بين بردن روغن تشخيص داده شده است. بنابراين نوع ترانسفورماتور و مواد به کار رفته در آن درتعيين نوع و کيفيت روغن آن تأثير زيادي دارد.
آلودگي روغن ترانفسورماتورها:
بهطور کلي دو نوع آلودگي اصلي در روغن ترانسفور ماتورها عبارتند از:
1- مواد معلق در روغن
2- آب
3- اکسيداسيون روغن
پس از شناسائي مؤلفههاي روغن با آزمايشهاي مختلف، تصميم به تصفيه يت تعويض روغن اتخاذ ميگردد.
بهطور کلي 3 نوع آزمايش کلي بر روي روغن ترانسفورماتور انجام ميگيرد که عبارتند از:
1- آزمونهاي فيزيکي
2- آزمونهاي شيميائي
3- آزمونهاي قسمتهاي الکتريکي
برخي از آزمايشهائي که بايد روي روغن ترانسفورماتورها، انجام گيرد در زير آمده است.
1- تست اسيديته
2- تست گازهاي حل شده در روغن
3- تست کشش سطحي
4- تست بيفنيل پلي کلريد (pcb)
تست ولتاژ شکست:
روغن ترانسفورماتورها معمولاً بايد داراي ضريب شکست بيشتر از 50 کيلو ولت باشند، که با انجام آزمايش ولتاژ شکست، نسبت به اندازهگيري آن اقدام ميگردد. اگر اين شاخص تا حد مشخصي کمتر از 50 کيلو ولت باشد ميتوان با تصفيه روغن موجود آن را اصلاح کرد، در غير اين صورت بايد نسبت به تعويض روغن اقدام نمود.
آناليز گاز کروماتورگرافي:
با توجه به اينکه مولکولهاي روغن از ترکيبات هيدروکربن ساخته شدهاند، حرارت يا شکست الکتريکي ميتواند باعث شکست مولکولهاي روغن و توليد گازهاي قابل اشتعالي مثل متان، اتيلن، اتان و ساير گازها شود، که در دراز مدت انفجار ترانسفورماتور را در پي خواهد داشت. تحليل گاز کروماتوگرافي به اندازهگيري ميزان گازهاي توليد شده در روغن ترانسفورماتور و آناليز آنها ميپردازد.
تکنولوژي ساخت
ساخت ترانسفورماتورهاي فشار قوي فاقد روغن، در طول عمر يکصد ساله ترانسفور ماتورها، يک انقلاب محسوب ميشود. ايده استفاده از کابل با عايق پليمر پلياتيلن، بهجاي هاديهاي مسي داراي عايق کاغذي از ذهن يک محقق سوئدي به نام پرفسور ?Mats lijon? تراوش کرده است.
تکنولوژي استفاده از کابل بهجاي هاديهادي مسي داراي عايق کاغذي، نخستين بار در سال 1998 در يک ژنراتور فشار قوي بهنام ?Power Former? بهکار گرفته شد. در اين ژنراتور بر خلاف سابق که از هاديهاي شمشي (مستطيلي) در سيمپيچي استاتور استفاده ميشد، از هاديهاي گرد استفاده شده است. همانطور که از معادلات ماکسول استنباط ميشود، هاديهاي سيلندري، توزيع ميدانالکتريکي متقارني دارند. بر اين اساس ژنراتوري ميتوان ساخت که برق را با سطح ولتاژ شبکه توليد کند بهطوري که نياز به ترانسفورماتور افزاينده نباشد. در نتيجه اين کار، تلفات الکتريکي به ميزان 30 درصد کاهش مييابد.
در يک کابل پليمري فشار قوي، ميدان الکتريکي در داخل کابل باقي ميماند و سطح کابل داراي پتانسيل زمين ميباشد. در عين حال ميدان مغناطيسي لازم براي کار ترانسفورماتور تحت تأثير عايق کابل قرار نميگيرد. در يک ترانسفورماتور خشک، با استفاده از تکنولوژي کابل، امکانات تازهاي براي بهينه کردن طراحي ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي، نيروهاي مکانيکي و تنشهاي گرمائي فراهم کرده است.
در فرآيند تحقيقات و ساخت ترانسفورماتور خشک، در مرحله نخست يک ترانسفورماتور آزمايشي تک فاز با ظرفيت 10 مگا ولتآمپر (Dry former)، طراحي، ساخته و آزمايش گرديد.
?Dry former? اکنون در سطح ولتاژهاي از 36 تا 145 کيلوولت و ظرفيت تا 150 مگاولت آمپر وجود دارد.
ويژگيهاي ترانسفورماتورهاي خشک
با پيشرفت تکنولوژي امکان ساخت ترانسفورماتورهاي خشک با بازدهي بالا فراهم شده است.
ترانسفورماتور خشک داراي ويژگيهاي منحصر به فردي است از جمله:
1- به روغن براي خنک شدن، يا بهعنوان عايق الکتريکي نياز ندارد. سازگاري اين نوع ترانسفورماتور با طبيعت و محيط زيست يکي از مهمترين ويژگيهاي مهم آن است. بهدليل عدم وجود روغن، خطر آلودگي خاک و منابع آب زيرزميني و همچنين احتراق و خطر آتشسوزي کم ميشود.
با حذف روغن و کنترل ميدانهاي الکتريکي که در نتيجه آن خطر ترانسفورماتور از نظر ايمني افراد و محيط زيست کاهش يافته است. امکانات تازهاي را از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم کرده است. به اين ترتيب امکان نصب ترانسفورماتور خشک در نقاط شهري و جاهائي که از نظر زيست محيطي حساس هستند، وجود دارد.
2- در ترانسفورماتور خشک بهجاي بوشينگ چيني در قسمتهاي انتهائي از عايق سيليکن را بر (Silicon rubber) استفاده ميشود. به اين ترتيب خطر ترک خوردن چيني بوشينگ و نشت بخار روغن از بين ميرود.
3- کاهش مواد قابل اشتعال، نياز به تجهيزات گسترده آتشنشاني را کاهش ميدهد. بنابراين از اين دستگاهها در محيطهاي سرپوشيده و نواحي سرپوشيده شهري نيز ميتوان استفاده کرد.
4- با حذف روغن در ترانسفورماتور خشک، نياز به تانکهاي روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن کاملاً از بين ميرود. بنابراين کار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال کابلها و نصب تجهيزات خنک کننده خواهد بود.
5- از ديگر ويژگيهاي ترانسفورماتور خشک، کاهش تلفات الکتريکي است. يکي از راههاي کاهش تلفات و بهينه کردن طراحي ترانسفورماتور، نزديک کردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژي تا حد ممکن است تا از مزاياي انتقال نيرو به قدر کافي بهرهبرداري شود. با بهکارگيري ترانسفورماتور خشک اين امر امکانپذير است.
6- اگر در پست، مشکل برق پيش آيد، خطري متوجه عايق ترانسفور ماتور نميشود. زيرا منبع اصلي گرما يعني تلفات در آن توليد نميشود. بهعلاوه چون هوا واسطه خنک شدن است و هوا هم مرتب تعويض و جابهجا ميشود، مشکلي از بابت خنک شدن ترانسفورماتور بروز نميکند.
سيستم نمايش و مديريت ترانسفورماتورها (TMMS)
سيستم TMMS (Transformer Monitoring Management System) فارادي يک سيستم نمايش و مديريت ترانسفورماتور است.
سيستم TMMS براساس جمعآوري اطلاعات بحراني بهرهبرداري ترانسفورماتور و تجزيه و تحليل آنها عمل مينمايد.
سيستم TMMS با تجزيه و تحليل اطلاعات قادر خواهد بود که ضمن تفسير عملکرد ترانسفورماتور عيبهاي آن را تشخيص داده و اطلاعات لازم براي تصميمگيري را در اختيار بهرهبردار قرار دهد.
اطلاعات بهرهبرداري که براي فرآيند نمايش و مديريت ترانسفورماتورها مورد نياز بوده و توسط سنسورهاي مخصوص جمعآوري ميگردند به شرح زير ميباشند.
گازهاي موجود در روغن ترانسفورماتورهمراه با ئيدران
? آب موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با Acquaoil 300
? جريان بار ترانسفورماتور
? دماي نقاط مختلف ترانسفورماتور
? وضعيت تپ جنچر ترانسفورماتور
? سيستم خنک کنندگي ترانسفورماتور
اطلاعات بهرهبرداري فوق جمعآوري شده و بههمراه ساير اطلاعات موجود بهطور مستمر تجزيه و تحليل شده تا بتوانند اطلاعات زير را درباره وضعيت بهرهبرداري ترانسفورماتور تهيه نمايند.
? شرايط عمومي و کلي ترانسفورماتور
? ظرفيت بارگيري ترانسفورماتور
? ميل و شدت توليد گاز و جباب در داخل روغن ترانسفورماتور
? ملزومات نگهداري ترانسفورماتور
سيستم TMMS فارادي را ميتوان براي ترانسفورماتورهاي موجود بهکار برد و همچنين ميتوان آن را در ساختمان ترانسفورماتورهاي جديد طراحي و نصب نمود.
ارتقاء سيستم TMMS فارادي با افزودن سنسورهاي اضافي ميتوانيد باعث ارتقاء عملکرد آن براي مواد زير گرديد.
? حداکثر نمودن ظرفيت بارگذاري ترانسفورماتور براي بهرهبرداري اقتصادي و بهينه
? تشخيص عيب و توصيه راه حل در ترانسفورماتورها
? مديريت عمر ترانسفورماتور و افزايش آن
? تکميل و توسعه فرايند و عملياتي مديريت ترانسفورماتورها با کمک اطلاعات اضافي تهيه شده در زمان حقيقي
? کاهش و حذف خروجي ترانسفورماتورها بهصورت برنامهريزي شده و يا ناشي از خطا
? آشکارسازي علائم اوليه پيدايش خطا در ترانسفورماتورها
? نمايش مراحل تکامل و شکلگيري شرايط پيدايش خطا
ترانسفورماتورها سازگار با هارمونيک ترانسفورماتورهاي عامل K
هارمونيکهاي توليد شده توسط بارهاي غير خطي ميتوانند مشکلات حرارتي و گرمائي خطرناکي را در ترانسفورماتورهاي توزيع استاندارد ايجاد نمايند. حتي اگر توان بار خيلي کمتر از مقدار نامي آن باشد، هارمونيکها ميتوانند باعث گرماي بيش از حد و صدمه ديدن ترانسفورماتورها شوند. جريانهاي هارمونيکي تلفات فوکو را به شدت افزايش ميدهند. بههمين دليل سازندهها، ترانسفورماتورهاي تنومندي را ساختهاند تا اينکه بتوانند تلفات اضافي ناشي از هارمونيکها را تحمل کنند. سازندهها براي رعايت استاندارد يک روش سنجش ظرفيت، بهنام عامل K را ابداع کردهاند. عامل K نشان دهنده مقدار افزايش در تلفات فوکو است. بنابراين ترانسفورماتور عامل K ميتواند باري به اندازه ظرفيت نامي ترانسفورماتور را تغذيه نمايد مشروط بر اينکه عامل K بار غير خطي تغذيه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادير استاندارد عامل K برابر با 4، 9، 13، 20، 30، 40، 50 ميباشند. اين نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونيک را از بين نبرده تنها نسبت به آن مقاوم ميباشند.
ترانسفورماتور (HMT (Harmonic Mitigating Transformer نوع ديگري از ترانسفورماتورهاي سازگار با هارمونيک ترانسفورماتورهاي HMT هستند که از صاف شدن بالاي موج ولتاژ بهواسطه بريده شدن آن جلوگيري ميکند HMT، طوري ساخته شده است که اعو جاج ولتاژ سيستم و اثرات حرارتي ناشي از جريانهاي هارمونيک را کاهش ميدهد. HMT اين کار از طريق حذف فلوها و جريانهاي هارمونيکي ايجاد شده توسط بار در سيم پيچيهاي ترانسفورماتور انجام ميدهد.
چنانچه شبکههاي توزيع نيروي برق مجهز به ترانسفورماتورهاي HMT گردند ميتوانند همه نوع بارهاي غير خطي (با هر درجه از غير خطي بودن) را بدون اينکه پيامدهاي منفي داشته باشند، تغذيه نمايند. به همين دليل در اماکني که بارهاي غير خطي زياد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT به صورت گسترده استفاده ميشود.
مزاياي ترانسفورماتور HMT
? ميتوان از عبور جريان مؤلفه صفر هارمونيکها (شامل هارمونيکهاي سوم، نهم و پانزدهم) در سيم پيچ اوليه، از طريق حذف فلوي آنها در سيم پيچيهاي ثانويه جلوگيري کرد.
?ترانسفورماتورهاي HMT با يک خروجي در دو مدل با شيفت فازي متفاوت ساخته ميشوند. وقتي که هر دو مدل با هم بهکار ميروند، ميتوانند جريانهاي هارمونيک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در قسمت جلوئي شبکه حذف کنند.
? ترانسفورماتورهاي HMT با دو خروجي ميتوانند مؤلفه متعادل جريانهاي هارمونيک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در داخل سيم پيچيهاي ثانويه حذف کنند.
? ترانسفورماتورهاي HMT با سه خروجي ميتوانند مؤلفه متعادل جريانهاي هارمونيک پنجم، هفتم، يازدهم و سيزدهم را در داخل سيم پيچي ثانويه حذف کنند.
? کاهش جريانهاي هارمونيکي در سيمپيچيهاي اوليه HMT باعث کاهش افت ولتاژهاي هارمونيکي و اعو جاج مربوطه ميشود.
کاهش تلفات توان بهعلت کاهش جريانهاي هارمونيکي بهعبارت ديگر ترانسفورماتور HMT باعث ايجاد اعو جاج ولتاژ خيلي کمتري در مقايسه با ترانسفورماتورهاي معمولي يا ترانسفورماتور عامل K ميشود.
ساختار ميكروسكوپي ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار هسته ترانسفورماتور در مراحل مختلف توليد توسط اچانت‌هاي مختلف
ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار با بافت و ساختار ويژه، در ترانسفورماتورها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. فرآيند توليد ورقهاي فولاد الكتريكي از مراحل مختلفي تشكيل ميشود و از آنجا كه عدم دقت در انجام هر مرحله ميتواند منجر به توليد ورق با كيفيت نامناسب گردد، لذا كنترل دقيق هر مرحله حايز اهميت خاص ميباشد. يكي از بهترين روشها براي كنترل كيفيت در هر مرحله انجام آزمايشهاي ساده متالوگرافي به منظور مشخص نمودن ساختار ميباشد.
ترانسفورماتورهاي ابررساناي دماي بالا(HTS)
توجه جدي به ترانسفورماتورهاي ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهاي دماي پايين LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn)از اوايل دهه 1960 آغاز شد . مطالعاتي که در آن زمان بر روي اين ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان دهنده آن بود که جهت بهره برداري موثر از اين ترانسفور ماتورها ، بايد آنها را در دماي 4.2 K نگه داشت که فراهم کردن چنين شرايطي ضمن پيچيدگيهاي فني ، از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه نبود . به همين دليل تحقيقات و پژوهشها بسوي کشف موادي با قابليت ابررسانايي در دماهاي بالاتر ، معطوف گرديد .
کشف ابررساناهاي دماي بالا يا HTS 1 در سال 1986 به طور قابل ملاحظه اي چشم انداز استفاده از ابررساناها را در سيستم قدرت الکتريکي تغيير داد ، زيرا دماي بحراني Tc در اين ابررساناها به طور چشمگيري افزايش يافته بود . تلفات پايين و قابليت حمل جريان بالا در هاديهاي HTS سبب مي شود تا تجهيزات الکتريکي داراي بازده کاري بهتر و توان بالاتر ساخته شوند . علاوه بر آن تجهيزات ساخته شده با مواد HTS از نظر سازگاري محيط زيستي نيز مقبوليت بيشتري دارند که از آن جمله ميتوان از ترانسفورماتورهاي HTS که در آنها روغن بکار نرفته است، اشاره شود. همچنين پتانسيل و کشش بازار جهاني براي ترانسفورماتورهاي ابررسانا بيش از 1 ميليارد دلار مي باشد. علي رغم مزاياي ذکر شده کماکان موانع جدي براي توسعه کاربرد HTS در صنعت برق وجود دارد که مهمترين آنها ابتدا سيستم خنک کنندگي و دوم نرخ کارکرد به هزينه هادي HTS مي باشد.به عبارتي، جهت توسعه کاربرد هاديهاي HTS ، لازمست که هزينه اين هاديها ، حتي الامکان کم شود . اين هاديها جهت مصارف گوناگون ميتوانند بکارروند مثل : کابلهاي قدرت ، ترانسفورماتورها ، موتورها و محدودکننده هاي جريان خطا (SCFCL).در زير به بررسي کاربرد HTS در ترانسفورماتور خواهيم پرداخت.
ترانسفورماتورهاي HTS
ترانسفورماتورها يكي از مهمترين عناصر شبكه هاي انتقال و توزيع هستند . در ترانسفورماتورها انرژي الكتريكي در مس سيم پيچها ، آهن هسته ، تانك ترانس و سازه هاي نگهدارنده به صورت حرارت تلف مي شود . حتي در زمانيكه ترانسفورماتور بدون بار است ، در هسته تلفات بي باري(NL) بوجود مي آيد. اخيراً با جايگزيني فلزات بي شكل و غير بلوري (Amorphous) به جاي آهن سيليكوني در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع با قدرت نامي كوچكتر از KVA 100 ، تلفات بي باري باز هم كاهش يافته است . اين كار هنوز در مورد ترانسفورماتورهاي بزرگ با قدرت نامي بزرگتر از KVA 500 انجام نشده است .
اگر چه براي هر ترانسفورماتور ، 1 درصد توان نامي آن به عنوان توان تلفاتي در نظر گرفته مي شود ، اما بايد توجه داشت كه آزادسازي بخش كوچكي از اين تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئي كلاني را به همراه خواهد داشت . در ترانسفورماتورهاي قدرت معمول ، تقريباً 80 درصد از كل تلفات ، مربوط به تلفات بارداري ترانسفورماتور است كه از اين 80% ، سهم تلفات اهمي سيم پيچها 80% بوده و 20% ديگر مربوط به تلفات ناشي از جريانهاي فوكو و شارهاي پراكنده است . لذا تلاشهاي زيادي جهت كاهش تلفات بارداري صورت ميگيرد.در ابررساناها به علت عدم وجود مقاومت اهمي در برابر جريان ، تلفات اهمي برابر با صفر است . لذا با استفاده از ابررسانا در ترانسفورماتورها ، تلفات کل ترانسفورماتور ، کاهش قابل ملاحظه اي خواهد يافت .
تلاشهايي که جهت توسعه ترانسفورماتورهاي ابررسانا انجام ميگردد، صرفاً به خاطر مسايل اقتصادي و کاهش هزينه کل نيست . يکي ديگر از دلايل طرح اين مبحث آنست که در مراکز پرتراکم شهري ، رشد مصرف 2 درصدي ساليانه به معني نياز به افزايش سيستمهاي موجود است . از طرفي بسياري از پستهاي توزيع به صورت سرپوشيده (Indoor) بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند . در اين نوع پستها همانند ديگر پستهاي توزيع از ترانسهاي روغني استفاده مي شود که استفاده از روغن ، مشکلات و خطرات زيست محيطي و ايمني مربوط به خود را دارد . در حاليکه در ترانسفورماتورهاي ابررسانا ، ماده خنک کننده نيتروژن است که خطري براي افراد و موجودات زنده نداشته ، به علاوه خطر آتش سوزي نيز وجود ندارد .به همين لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهاي ابررسانا، به هيچ عنوان قابل مقايسه با روغنهاي قابل اشتعال و مواد شيميايي همچون PCB نيست .
همانطور که ذکر شد ،توجه جدي به ترانسفورماتورهاي ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهاي دماي پايين LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn) از اوايل دهه 1960 آغاز شد .اما مطالعاتي که در آن زمان بر روي اين ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان داد که جهت بهره برداري از اين ترانسفورماتورها بايد آنها را در دماي 4.2 Kنگه داشت که انجام چنين کاري اقتصادي نيست .
پروژه هاي ترانسفورماتورهاي HTS در جهان
پس از کشف مواد HTS در سال 1986 ، تحقيقات جهت امکان عملي ساخت ترانسفورماتورهاي HTS شروع شد . تحقيقات در سال 1994 نشان داد در صورت استفاده از ترانسفورماتورهاي HTS در محدوده قدرت تا MVA 500 ، ميزان صرفه جويي در هزينه ، 70% و کاهش وزن آنها 40% نسبت به ترانسفورماتورهاي معمولي خواهد بود .
در ژاپن به دليل تراکم بالاي جمعيت ، يکي از فوايد اساسي ترانسفورماتورهاي HTS ، کاهش قابل ملاحظه وزن و حجم آنهاست . همانطوريکه کابلهاي HTS قابليت انتقال بيشتر توان را از طريق کانالهاي موجود دارا هستند ، ترانسفورماتورهاي HTS نيز ميتوانند در فضاي موجود ، قدرت بيشتري نسبت به ترانسفورماتورهاي معمولي تأمين کنند . به همين دليل در ژاپن کوچک شدن فضاي اشغال شده و وزن ترانسفورماتورها به عنوان مهمترين مزيت اين نوع ترانسفورماتورها مطرح است
در اروپا ، علاقه به استفاده از ترانسفورماتورهاي کوچک HTS در قطارهاي سريع السير ، رشد روز افزوني يافته است . پتانسيل و کشش بازار جهاني براي ترانسفورماتورهاي ابررسانا بيش از 1 ميليارد دلار مي باشد .
مقايسه فني بين ترانسفورماتورهاي معمولي و HTS
براي درک بهتر ترانسفورماتور HTS ، در اين قسمت آنرا با يک ترانسفورماتور روغني مقايسه مي کنيم .بر اين اساس ، يک ترانس معمولي روغني MVA 100 ، سه فاز ، Hz 50 و kV 22/66 طراحي شد .پارامترهاي طراحي ترانس روغني معمولي در جدول (1) آورده شده است. يک ترانسفورماتور HTS نيز براساس مقادير مشابه و درصد امپدانس 5/7% مانند ترانسفورماتور روغني معمولي طراحي شده است . سيم پيچ فشار قوي 5 لايه دارد و هر لايه 98 دور دارد .در حاليکه سيم پيچ فشار ضعيف شامل سه لايه 163 دوري است . استحکام مکانيکي سيم پيچهاي HTS بايد به اندازه سيم پيچهاي ترانسفورماتور روغني باشد.براي اين اين منظور از نوارهاي استيل با اندازه هاي برابر نوار HTS استفاده شد . پارامترهاي طراحي ترانسفورماتور HTS در جدول(1) زير آورده شده است .
جدول (1).مشخصات ترانسفورماتورهاي مورد مطالعه
ترانس روغني معمولي | ترانس HTS | |
پارامترها | پارامترها | مشخصات |
Core-Type سه فاز | Core-Type سه فاز | نوع سازه |
MVA 100 | MVA 100 | ظرفيت |
kV 22/ 66 | kV 22/ 66 | ولتاژ (ثانويه / اوليه ) |
A 1515/ 505 | A 1515/ 505 | جريان (ثانويه / اوليه ) |
5/7% | 5/7% | درصد امپدانس |
V135 | V135 | ولتاژ يک دور |
T73/1 | T73/1 | چگالي شار در هسته |
مس | نوار Bi-2223/Ag | هادي |
163 / 489 | 163 / 489 | تعداد دورها |
M 443 / M1653 | M 30150 / M 34021 | طول سيم |
روغن | نيتروژن مايع | سيستم خنک کنندگي سيم پيچ |
--------------------- | T 27/0 | ميدان فاصله هوايي |
روغن | ------------------ | سيستم خنک کنندگي هسته |
با توجه به پارامترهاي بالا ، ترانسفورماتور روغني و ترانسفورماتور HTS در جدول (1) مقايسه شده اند . چگالي شار در هسته داراي مقدار T 73/1 براي هر دو ترانس است . اندازه پنجره هسته در ترانسفورماتور HTS حدود 15% کوچکتر از يک ترانس معمولي است . وزن هسته ترانسفورماتور HTS حدود 15% سبک تر از يک ترانس معمولي است . بازده ترانسفورماتور HTS 91/99 % است که حدود 3/0% بزرگتر از يک ترانسفورماتور معمولي است .
جدول(2) . مقايسه ترانسفورماتورهاي مورد مطالعه
ترانسفورماتور HTS | ترانسفورماتور روغني معمولي | |
mm 20 * 1950 | mm 550 * 2600 | ابعاد پنجره(W*H) |
T73/1 | T73/1 | چگالي شار در هسته آهني |
V135 | V135 | ولتاژ يک دور |
5/7% | 5/7% | IX% |
t 5/32 | t 0/37 | وزن هسته |
KW90 | KW380 | تلفات |
91/99% | 62/99% | بازده |
نتيجتا ورود مواد HTS چشم اندازهاي زيادي براي کاربردهاي عملي ابررسانا باز کرده است . کلافهاي ابررسانا براي ترانسفورماتورهاي قدرت و ترانسفورماتورهاي انتقال صرفه جويي هاي عمده اي در انرژي را ايجاد مي کند و هزينه هايي را که در مدت طول عمر براي توليد کنندگان برق يا شرکتهاي راه آهن به وجود مي آيد، کاهش مي دهد . ساير مزاياي چشمگير ترانسفورماتورهاي ابررسانا عبارتند از :
1- اضافه بارها را بدون کاهش طول عمري که بوسيله آسيب هاي حرارتي ايجاد مي شود ، سپري مي کنند.
2- خطرات آتش سوزي و زيست محيطي به جهت حذف روغن عايق کننده کاهش مي يابد.
3-وزن ترانسفورماتورها کاهش مي يابدو ابعاد آنها فشرده تر مي شود.
آمار نشان مي دهد که ترانسفورماتورهاي HTs به عنوان نسل جديدي از ترانسفورماتورها در آينده نقش اساسي اي را در صنعت برق ايفاء خواهند کرد . لذا شناخت، بررسي و ساخت اين نوع ترانسفورماتورها در کشور امري ضروري و اجتناب ناپذير به نظر مي رسد .
معرفي سيستم مانيتورينگ On-Line ترانسفورماتور
عملکرد ترانسفورماتور در سطوح مختلف نقش کليدي و موثري در حفظ پايداري و ارتقاي قابليت اطمينان شبکه قدرت دارد، اما عوامل متعددي از قبيل بهرهبرداري غلط، عدم انجام سرويس و تعميرات به موقع که ناشي از عدم دسترسي به اطلاعات جامع درخصوص ترانسفورماتور است، موجب به وجود آمدن شرايط بحراني براي آن ميشود. اين شرايط بحراني علاوه بر اينکه منجر به کاهش طول عمر ترانسفورماتورها (پيري زودرس) و يا تحميل هزينه‌هاي تعميرات و تعويض قطعات آن ميشود، بعضاً موجب از مدار خارج شدن ترانسفوماتورها و به دنبال آن محدوديت در انتقال قدرت در شبکه ميشود. با توجه به اهميت ترانسفورماتور، در سالهاي اخير کنترل بهينه آن در دنيا مورد توجه قرار داشته است و براي رسيدن به اين هدف سيستمهاي مانيتورينگ On-Line ترانسفورماتور که بر پايه استخراج پارامترهاي ترانسفورماتور و پردازش و آناليز آنها عمل ميکنند طراحي و ساخته شدهاند. هرچند دستگاه‌هاي متداول حفاظتي ترانسفورماتور شامل انواع رله‌ها، ترمومتر، برقگير و … براي تشخيص و حفاظت از خطا در شبکه استفاده ميشوند، اما به دليل اهميت موضوع، امروزه مراقبت از ترانسفورماتور دامنه وسيع‌تري پيدا کرده و شامل انواع روش‌هاي حفاظتي و نگهداري بازدارنده و تشخيص عيوب قريب‌الوقوع شده است. در حقيقت بسياري از بهره‌برداران علاقمند هستند که از وضعيت داخل ترانسفورماتورهاي قدرت باخبر شوند. به اين ترتيب علاوه بر جلوگيري از وارد آمدن خسارات جدي به ترانسفورماتور، با اطلاع‌رساني به موقع ميتوان موجب تداوم انتقال انرژي الکتريکي شد. به طور کلي ميتوان به مزاياي زير درخصوص بکارگيري از سيستم مانيتورينگ On-Line اشاره کرد:
- افزايش قابليت اطمينان به ترانسفورماتور با حداقل‌سازي قطعي‌هاي ناخواسته
- کاهش ضرر ناشي از انرژي توزيع نشده و يا پرداخت خسارت به مشترکان
- امکان اعمال تعميرات براساس شرايط واقعي و نيز کاهش هزينه‌هاي ناشي از خطاهاي غير منتظره و در نتيجه کاهش هزينه‌هاي تعمير و نگهداري
- بهرهبرداري از ظرفيت ترانس
- افزايش طول عمر بهرهبرداري از ترانس که موجب به تعويق انداختن سرمايه‌گذاري براي جايگزيني ترانسفورماتور يا بهينه‌سازي آن ميشود.
معماري کلي سيستم مانيتورينگ On-line ترانسفورماتور طراحي شده در پژوهشگاه نيرو در سيستم مانيتورينگ On-line ترانسفورماتور، اطلاعات از بخش‌هاي مختلف ترانس به صورت سيگنال‌هاي آنالوگ و از تابلوهاي کنترل ترانس و کنترل تپ چنجر و … به صورت سيگنال‌هاي آنالوگ و ديجيتال جمعآوري ميشود. اطلاعات جمعآوري شده از اين بخش‌ها وارد تابلويي به نام Junction-Box ميشود. اين تابلو که در محوطه بيروني پست قرار ميگيرد،
از يک‌سري ترمينال جهت دستهبندي اطلاعات تشکيل شده است. سپس اطلاعات دستهبندي شده از طريق کابلهاي پررشته به صورت گروه‌هاي ورودي ديجيتال، ورودي آنالوگ و خروجي ديجيتال به اتاق کنترل ارسال ميشود. در اتاق کنترل اطلاعات به کارت‌هاي ديجيتال و آنالوگ سيستم کنترل وارد شده و توسط CPU پردازش‌هاي لازم بر روي آنها انجام ميشود. جهت دسترسي به يک‌سري امکانات ديگر نظير مشاهده On-Line، ذخيره‌سازي و آناليز، اطلاعات به يک کامپيوتر صنعتي ارسال ميشود.
قابليت‌هاي سيستمهاي مانيتورينگ On-Line ترانسفورماتور
در ادامه، به معرفي قابليت‌ها و امکانات سيستم مانيتورينگ On-line ترانسفورماتور که در پست 230 کيلوولت کن بر روي ترانسفورماتور T4 اجرا شده، مي‌پردازيم.
- اندازهگيري دماهاي بالا و پايين روغن: دماي روغن يکي از پارامترهاي مهم ترانسفورماتور است که به عنوان مبناي کنترل ورود و خروج فن‌ها و صدور فرامين آلارم و تريپ حرارتي درنظر گرفته ميشود. در سيستمهاي قديمي اين دما فقط در قسمت بالاي روغن اندازهگيري ميشد، اما در سيستم مانيتورينگ On-Line به منظور افزايش دقت درمحاسبات، دما در دو قسمت مختلف ترانسفورماتور يکي در قسمت بالاي روغن و ديگري در قسمت پايين، اندازهگيري و نمايش داده ميشود. در اين سيستم دماي روغن علاوه بر موارد ذکر شده، پارامتر اساسي در محاسبه دماي نقطه داغ سيمپيچ نيز است.
- محاسبه دماي نقطه داغ سيمپيچ: از ديگر دماهاي با اهميت در ترانسفورماتورها، دماي نقطه داغ سيمپيچ است که مشابه دماي روغن پارامتر کنترل کننده سيستم خنک کننده و صدور فرامين آلارم و تريپ حرارتي است. از سوي ديگر از آنجايي که استرسهاي حرارتي يکي از مهمترين عوامل زوال عايقي ترانسفورماتورها است و داغ‌ترين نقطه سيمپيچ ترانسفورماتور محتمل‌ترين مکان براي شکست عايقي است، بنابراين مهمترين عامل محدودکننده بارگذاري ترانسفورماتور است و تعيين دقيق آن سبب ميشود ارزيابي بهتري از قابليت بارگذاري، عمر از دست رفته و عمر باقيمانده ترانسفورماتور امکانپذير شود. سه روش اصلي به شرح زير براي تعيين دماي نقطه داغ وجود دارد: - اندازهگيري مستقيم (حسگر فيبر نوري)
- شبيه‌سازي دماي نقطه داغ
- محاسبه با استفاده از مدل‌هاي حرارتي استاندارد
روش اندازهگيري مستقيم با استفاده از فيبر نوري دقيق‌ترين روش موجود است. اما به علت هزينه بالا و قابليت اطمينان نسبتاً پايين و حساسيت و شکنندگي، حسگرهاي فيبر نوري هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است و بيشتر در تحقيقات آزمايشگاهي به کار ميرود. نکته ديگري که درباره اين حسگرها بايد گفت اين است که نصب آنها تنها در هنگام ساخت يا تعميرات ترانسفورماتور امکانپذير است.
در ترانسفورماتورهاي موجود، اين دما از طريق قرار دادن يک ترمومتر دمايي و به روش شبيه‌سازي بدست مي‌آيد. مشکل اين نوع تجهيزات اين است که صحت دماي اندازهگيري شده و نقاط تنظيم به دقت دماسنج و همچنين توانايي تکنسين بستگي دارد. دقت اين ترمومترها که توسط پستهاي حرارتي در کارخانه کاليبره ميشود معمولاً حدود 2 تا 3 درجه سانتيگراد است و با گذشت زمان ممکن است به 5 تا 10 درجه سانتيگراد هم تغيير يابد که در اين زمان بايد مجدداً کاليبره شود.
به دلايل ذکر شده در سيستم مانيتورينگ On-line ترانسفورماتور، به جاي روش شبيه‌سازي، دماي سيم پيچ از طريق يک‌سري محاسبات طبق استاندارد IEC که متناسب با شرايط مختلف خنک‌کنندگي ترانسفورماتور است، به دست مي‌آيد.
اندازهگيري و نمايش ولتاژ و بار و توان: ولتاژ و جريان و توان ترانسفورماتور در بخش‌هاي HV، LV اندازهگيري و در سيستم مانيتورينگ نمايش داده ميشود. علاوه بر آن به کمک اين مقادير توان راکتيو و ضريب توان محاسبه ميشود.
محاسبه پيري حرارتي عايق ترانسفورماتور: در سيستم مانيتورينگ On-line ترانسفورماتور، پيري حرارتي عايق ترانسفورماتور بر پايه دماي نقطه داغ سيم پيچ محاسبه ميشود.
آشکارسازي گازهاي محلول: يکي از خطاها و اشکالات موجود در ترانسفورماتور توليد گازهاي مضر محلول در روغن در اثر عواملي از جمله تخليه جزئي، حرارت ناشي از افزايش بارگيري و .. است. در حال حاضر براي شناسايي اين اشکالات، از روغن ترانسفورماتور به صورت دورهاي نمونه‌برداري و در آزمايشگاه آناليز ميشود. از آنجائي که برنامه نمونه‌گيري و آناليز روغن در دوره‌هاي زماني معين انجام ميشود ممکن است بعضي از خطاها آشکار نشود و يا اينکه بر طبق اين برنامه ثابت دورهاي، انجام تست پس از به وجود آمدن يک شرايط بحراني براي ترانسفورماتور انجام شود. در سيستم مانيتورينگ On-Line با قراردادن يک دستگاه آشکارساز گاز در روغن ميتوان مقدار گاز را به طور پيوسته اندازهگيري و نمايش داد و در صورت بروز خطا توسط اين دستگاه آلارم مناسب توليد کرد. علاوه بر اينکه به کمک اين دستگاه ميتوان خطاها را در زمان توليد آشکار کرد، خطاهاي در حال پيشرفت در ترانسفورماتور نيز از طريق نرخ تغييرات گازهاي توليد شده مشخص ميشود و از اين راه ميتوان از بوجود آمدن خطرات جدي بر روي ترانسفورماتور جلوگيري کرد.
اندازهگيري رطوبت در روغن: رطوبت به عنوان يکي از عوامل مخرب، نقش مهمي در کاهش عمر عايقي ترانسفورماتور دارد. عمر حرارتي کاغذ متناسب با مقدار رطوبت آن است به طوري که اگر مقدار رطوبت کاغذ دو برابر شود عمر آن به نصف کاهش مييابد. از طرف ديگر افزايش رطوبت در نواحي با شدت ميدان الکتريکي بالا موجب کاهش آستانه شروع تخليه جزئي و افزايش شدت آن شده و در نهايت موجب وارد شدن خسارات جدي به ترانسفورماتور ميشود. در ترانسفورماتورها معمولاً مقداري رطوبت در طي فرآيند خشک کردن باقي ميماند که به مرور زمان اين مقدار در اثر رطوبت هوا و تجزيه روغن و مواد سلولزي بيشتر ميشود. در حال حاضر روغن ترانسفورماتور به صورت دورهاي نمونه‌برداري و در صورت لزوم به کمک دستگاه oiltreatment تصفيه ميشود. از آنجائي که اين نمونه‌برداري به صورت دورهاي است ممکن است در زمان مناسب انجام نشود و خسارات جدي به سيستم عايقي ترانسفورماتور وارد شود. در سيستم مانيتورينگ On-Line با توجه به اهميت رطوبت، دستگاهي براي اندازهگيري آن قرار داده ميشود که به طور مداوم مقدار رطوبت روغن را اندازهگيري ميکند. در اين سيستم در صورت افزايش رطوبت با توليد آلارم، بهرهبردار جهت انجام تست دورهاي مطلع ميشود.
کنترل سيستم خنک‌کنندگي: سيستم خنک‌کنندگي ترانسفورماتور يکي از مهمترين بخش‌هاي آن است که کنترل آن بايد از طريق سيستم مانيتورينگ ترانسفورماتور به صورت بهينه انجام شود. هدف از اين کنترل قراردادن ترانسفورماتور در دماي نسبتاً ثابتي است. براي رسيدن به اين هدف در تعيين دماي ترانسفورماتور بايد دقت کافي اعمال شود. در اين سيستم دماي بالاي روغن توسط سنسور حرارتي با دقت بالا اندازهگيري و دماي نقطه داغ سيم پيچ با توجه به بار و دماي محيط محاسبه ميشود. با استفاده از اين مقادير پيش فرض براي کنترل سيستم خنک‌کننده، فرامين کنترلي مناسب براي راهاندازي سيستم از طريق PLC به مدارات فرمان ارسال ميشود.
پيش‌بيني زمان سرويس تجهيزات سيستم خنک‌کننده: تعميرات و سرويس به موقع تجهيزات خنک‌کننده ترانسفورماتور نقش به سزائي در عملکرد صحيح اين سيستم دارد. در حال حاضر سرويس تجهيزات به صورت دورهاي انجام ميشود. ولي از طريق سيستم مانيتورينگ ترانسفورماتور با اندازهگيري مدت زمان روشن بودن هر يک از فن‌ها زمان مورد نياز براي سرويس اين تجهيزات برحسب شرايط و نياز واقعي مشخص ميشود.
اندازهگيري دماي روغن تپ‌چنجر: تپ‌چنجر يکي از بخش‌هاي مهم و اساسي ترانسفورماتور است که سلامت آن تاثير مستقيمي در عملکرد ترانسفورماتور دارد. طي نتايج بررسي‌هاي به عمل آمده از تحقيقات آماري براي شناسايي خطاهاي ترانسفورماتور مشخص شده که بخش عظيمي از اين خطاها مربوط به بخش تپ‌چنجر آن است. يکي از مشکلات تپ‌چنجر کثيفي کنتاکت‌ها و ايجاد گرماي اضافي در روغن است که اين افزايش گرما باعث کربنيزه‌شدن روغن و ايجاد آلودگي بيشتر شده که در نهايت کاهش قدرت عايقي روغن را به همراه دارد. به همين دليل يکي از روش‌هاي شناسايي خطا در تپ‌چنجر اندازهگيري دما به صورت پيوسته است. از آنجايي که تانک تپ‌چنجر به صورت مکانيکي به تانک اصلي کوپل شده است، بنابراين اختلاف بين دماي تپ‌چنجر و تانک اصلي ميتواند به عنوان معياري براي شناسايي خطاهاي آن باشد.
نمايش Tap-Position ترانسفورماتور: يکي از پارامترهاي قابل اندازهگيري ترانسفورماتور مقدار تپ آن ميباشد. علاوه بر نمايش اين مقدار در سيستم مانيتورينگ از آن در محاسبات نيز استفاده ميشود.
پيش‌بيني زمان سرويس قطعات تپ‌چنجر: سلامت تپ‌چنجر نقش کليدي در صحت عملکرد ترانسفورماتور دارد. قطعات تپ‌چنجر در هنگام عملکرد ناشي از تغيير تپ و يا در اثر خوردگي ناشي از جريان فرسوده شده و نياز به سرويس و يا تعويض دارند. اين سرويس بايد در زمان مناسبي انجام شود، تا عملکرد ترانسفورماتور تحت تاثير خرابي تپ‌چنجر قرار نگيرد. در سيستم مانيتورينگ به کمک ثبت تعداد عملکردهاي انجام شده و انجام محاسبات مي توان زمان سرويس و يا تعويض قطعات را پيش‌بيني کرد.
تعيين عملکرد رله‌هاي حفاظتي: به منظور ارزيابي صحيح‌تر از وضعيت ترانسفورماتور سيگنال‌هاي حفاظتي ترانسفورماتور از تابلوهاي موجود پست استخراج و در سيستم ثبت ميشود.
محاسبه ظرفيت اضافه بار: در شرايط کارکرد نرمال شبکه، بارگيري از ترانسفورماتور بايد در محدوده بار نامي آن انجام شود، اما در شرايط بحراني شبکه، شرايطي به وجود مي‌آيد که پذيرش اضافه بارگيري از ترانسفورماتور اجتناب‌پذير است. از آنجائي که بارگيري بيشتر از مقدار نامي موجب افزايش دما و متعاقب آن افزايش پيري ترانسفورماتور و در درازمدت موجب وارد شدن خسارات جدي به آن ميشود بنابراين قبول اين اضافه بارگيري بايد در زمان محدود و با توجه به شرايط دمايي واقعي انجام شود به طوري که عمر ترانسفورماتور تحت تاثير آن قرار نگيرد. تحقق اين امر بدون وجود يک سيستم مانيتورينگ On-Line ترانسفورماتور که به طور پيوسته مقادير دما و بارگيري را ثبت ميکند، غير عملي است. در سيستم مانيتورينگ On-Line به اين منظور براي ترانسفورماتور قابليتي با عنوان محاسبه ظرفيت اضافه بار که بر پايه اندازه دماي محيط، دماي روغن و دماي نقطه داغ سيمپيچ عمل ميکند در نظر گرفته ميشود. در گذشته جهت بارگيري از ترانسفورماتورها از جداول ثابت و تقريبي استفاده ميشد که موجب افزايش خطرات ناشي از اعمال آن ميشد. ولي امروزه ميتوان از قابليت‌هاي سيستم مانيتورينگ On-line ترانسفورماتور براي تشخيص حدود مجاز بارگيري استفاده کرد. براي اين منظور برنامه‌اي با عنوان بارگيري از ترانسفورماتور تهيه شده و به کمک اين برنامه که براساس شرايط واقعي ترانسفورماتور در شروع بارگيري عمل ميکند مشخص ميشود ترانسفورماتور بار را تا چه مدت زماني ميتواند تحمل کند تا به شرايط بحراني نرسد و يا به کمک اين برنامه مشخص ميشود که در يک بازه زماني معين تا چه باري ميتوان به ترانسفورماتور اعمال کرد.
گفتني است با اندازهگيري و تحليل اين اطلاعات به طور کلي ميتوان به اهدافي نظير زير دست يافت:
- تعيين وضعيت Active part
- کنترل سيستم خنک‌کنندگي
- تعيين وضعيت تپ‌چنجر
علاوه بر قابليت‌هاي ارايه شده برحسب تقاضا قابليت‌هاي زير و يا هر امکان قابل اجراي ديگري که مورد نياز باشد ميتواند در سيستم اضافه شود:
- تعيين خطاهاي مکانيکي تپ‌چنجر
- مانيتورينگ بوشينگ
- تعيين وضعيت مدار سيستم خنک‌کننده
- اندازهگيري سطح روغن
ويژگيهاي سيستم مانيتورنيگ On-line ترانسفورماتور
به طور کلي ميتوان به ويژگيهاي زير درخصوص سيستم طراحي شده اشاره کرد:
- اندازهگيري پيوسته مقادير
- ثبت مقادير اندازهگيري شده و توانايي تهيه گزارش از آنها
- توانايي انجام عمليات محاسباتي دقيق و پيشرفته
- امکان تنظيم آستانه‌هاي مورد نياز براي آلارم و تريپ
- قابليت توسعه‌هاي آتي در نرم‌افزار و سخت‌افزار
- قابليت انعطاف در تعيين معماري سيستم
- سازگاري با شرايط آب و هوايي مناطق گرم و مرطوب
نمونه اجرا شده: يک نمونه از سيستم مانيتورينگ ترانسفورماتور با مشخصات ذکر شده پس از گذراندن موفقيتآميز تست‌هايي نظير ESD و EFT و نيز تست‌هاي عملکردي بر روي يکي از ترانسفورماتورهاي 230 کيلوولت پست کن در برق منطقه‌اي تهران نصب شده است.
موارد کاربرد: از آنجايي که بروز خطا در ترانسفورماتورها و عدم شناسايي به موقع آنها بعضاً باعث خروج ترانسفورماتورها از شبکه قدرت و يا کاهش عمر عايقي آنها و در نهايت وارد شدن خسارات اقتصادي و کاهش قابليت اطمينان ميشود از اين رو استفاده از سيستمهاي مانيتورينگ On-Line به منظور پيشگيري و يا تشخيص به موقع عيوب، در ترانسفورماتورهاي مهم شبکه قدرت و صنايعي نظير فولاد بسيار مثمرثمر خواهد بود.
منابع:
دانش ما www.daneshema.com
http://dbase.irandoc.ac.ir
مقالات تازه هاي صنعت برق ، شماره 5
http://bikalak.wordpress.com
http://forum.patoghu.com
http://www.tafda.org
worldpower.blogfa.com/خ