ساختار ترانسفورماتور را بهتر بشناسیم
ساختار ترانسفورماتور را باتوجهبه کاربرد و خصوصیات آنها به سه دسته کوچک متوسط و بزرگ دستهبندی کرد. ساختن ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط به دلیل مسائل حفاظتی و عایقبندی و امکانات موجود، کار سادهای نیست؛ ولی ترانسفورماتورهای کوچک را میتوان بررسی و یا ساخت. برای ساختن ترانس های کوچک، اجزای آن مانند ورقه آهن، سیم و قرقره را بهسادگی میتوان تهیه نمود.
اجزای تشکیلدهنده یک ترانسفورماتور به شرح زیر است؛
هسته ترانسفورماتور
هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقههای نازک است که سطح آنها باتوجهبه قدرت ترانسفورماتورها محاسبه میشود. برای کمکردن تلفات آهنی هسته ترانسفورماتور را نمیتوان به طور یکپارچه ساخت. بلکه معمولاً آنها را از ورقههای نازک فلزی که نسبت به یکدیگر عایقاند، میسازند. این ورقهها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم (حداکثر ۴.۵ درصد) که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیاد است ساخته میشوند.
در اثر زیادشدن مقدار سیلیسیم، ورقههای دینام شکننده میشود. برای عایق کردن ورقهای ترانسفورماتور، قبلاً از یک کاغذ نازک مخصوص که در یک سمت این ورقه چسبانده میشود، استفاده میکردند؛ اما امروزه بدین منظور در هنگام ساختن و نورد این ورقهها یکلایه نازک اکسید فسفات یا سیلیکات به ضخامت ۲ تا ۲۰ میکرون بهعنوان عایق در روی آنها میمالند و با آنها روی ورقهها را میپوشانند. علاوه بر این، از لاک مخصوص نیز برای عایق کردن یک طرف ورقهها استفاده میشود. ورقههای ترانسفورماتور دارای یکلایه عایق هستند.
بنابراین، در مواقع محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقههای ترانسفورماتورها را به ضخامتهای ۰.۳۵ و ۰.۵ میلیمتر و در اندازههای استاندارد میسازند. باید دقت کرد که سطح عایق شدهٔ ورقههای ترانسفورماتور همگی در یکجهت باشند (مثلاً همه بهطرف بالا) علاوه بر این تاحدامکان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذکر است ورقهها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صداکردن آنها نیز جلوگیری شود.
سیمپیچ ترانسفورماتور
معمولاً برای سیمپیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور از هادیهای مسی با عایق (روپوش) لاکی استفاده میکنند. اینها با سطح مقطع گرد و اندازههای استاندارد وجود دارند و با قطر مشخص میشوند. در ترانسفورماتورهای پرقدرت از هادیهای مسی که بهصورت تسمه هستند استفاده میشوند و ابعاد اینگونه هادیها نیز استاندارد است.
توضیح سیمپیچی ترانسفورماتور بهاینترتیب است که سرسیم پیچها را بهوسیله روکش عایقها از سوراخهای قرقره خارج کرد، تا بدین ترتیب سیمها قطع (خصوصاً در سیمهای نازک و لایههای اول) یا زخمی نشوند. علاوه بر این بهتر است رنگ روکشها نیز متفاوت باشد تا در ترانسفورماتورهای دارای چندین سیمپیچ، را بهراحتی بتوان سر هر سیمپیچ را مشخص کرد. بعد از اتمام سیمپیچی یا تعمیر سیمپیچهای ترانسفورماتور باید آنها را با ولتاژهای نامی خودشان برای کنترل و کسب اطمینان از سالمبودن عایق بدنه و سیمپیچ اولیه، بدنه و سیمپیچ ثانویه و سیمپیچ اولیه آزمایش کرد.
قرقره ترانسفورماتور
برای حفاظ و نگهداری از سیمپیچهای ترانسفورماتور خصوصاً در ترانسفورماتورهای کوچک باید از غرغره استفاده نمود. جنس قرقره باید از مواد عایق باشد قرقره معمولاً از کاغذ عایق سخت، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیک میسازند. قرقرههایی که از جنس ترموپلاستیک هستند معمولاً یکتکه ساخته میشوند؛ ولی برای ساختن قرقرههای دیگر آنها را در چند قطعه ساخت و سپس بر روی همدگر سوار کرد. بر روی دیوارههای قرقره باید سوراخ یا شکافی ایجاد کرد تا سرسیم پیچ از آنها خارج شوند.
اندازه قرقره باید با اندازهٔ ورقههای ترانسفورماتور متناسب باشد و سیمپیچ نیز طوری بر روی آن پیچیده شود که از لبههای قرقره مقداری پایینتر قرار گیرد تا هنگام جازدن ورقههای ترانسفورماتور، لایهٔ رویی سیمپیچ صدمه نبیند. اندازه قرقرههای ترانسفورماتورها نیز استاندارد شده است؛ اما در تمام موارد، باتوجهبه نیاز، قرقره مناسب را میتوان طراحی کرد.
نکات قابلتوجه قبل از حمل ترانس های قدرت
پس از پایان مراحل ساخت و انجام موفقیتآمیز آزمایشها کارخانهای یا جابهجایی ترانسفورماتور نصب شده، از محلی به محل دیگر و قبل از بارگیری میبایست اقدامات زیر بروی ترانسفورماتور انجام گیرد. لازم به ذکر است که بهمنظور کاهش ابعاد و وزن ترانسفورماتور و نیز از نظر فنی و محدودیّت ترافیکی میبایستی تجهیزات جنبی ترانس (کنسرواتور، بوشینگ و…) باز و به طور جداگانه بستهبندی و آماده حمل گردند. اما خود ترانسفورماتور به طریق زیر حمل میگردد.
الف – حمل با روغن: ترانسفورماتورهای کوچک و ترانسفورماتورهایی که وزن و ابعاد آنها مشکلاتی را از نظر حمل ایجاد نمینمایند، معمولاً با روغن حمل میگردند. ر این حال سطح روغن بایستی حدوداً ۱۵ سانتیمتر پایینتر از درپوش اصلی (سقف) ترانسفورماتور قرار داشته باشد.
توجه:
– فاصله ۱۵ سانتیمتر فوقالذکر در مورد کلیه ترانسفورماتورها یکسان نبود و توصیه میشود به دستورالعمل کارخانه سازنده مراجعه شود.
_ لازم به ذکر است که در هنگام حمل روغن، قسمت آمتیوپارت ترانسفورماتوری بایستی کاملاً در داخل روغن قرار گیرد.
_ بهمنظور جلوگیری از نفوذ رطوبت و هوا به داخل ترانسفورماتور فضای بین روغن و سقف ترانسفورماتور با هوای خشک و یا گاز نیتروژن با فشار حدود ۲/۰ بار در هوای ۲۰c پر میکنند. لازم به ذکر است که گاز نیتروژن بایستی کاملاً خشک باشد
– در این حالت با نصب یک محفظه سیلیکاژل بسته (آببندیشده) بر روی ترانسفورماتور بهمنظور جذب رطوبت استفاده میشود ضمناً جهت جلوگیری از پاشیدن روغن به داخل سیلیکاژل در طول حمل از یک وسیله حفاظتی استفاده میشود.
ب – حمل بدون روغن: ترانسفورماتورهای بزرگ بدون روغن حمل میگردند. در این موارد پس از تخلیه روغن، ترانسفورماتور را با هوای خشک و یا با نیتروژن پر میکنند. لازم به ذکر است که در این حالت نیز در طول حمل بایستی فشار هوا یا نیتروژن به طور مرتب کنترل گردند.
نکات قابلتوجه و مهم در نصب و قبل از راهاندازی:
- کنترل ضربه نگار
- کنترل فشار هوا
- کنترل نقطه شبنم و اکسیژن
- کنترل استقرار ترانسفورماتور بر روی فونداسیون
- کنترل تجهیزات جنبی ترانسفورماتور شامل بوشینگ – سیستم خنککننده – رادیاتور – فن – پمپ – کنسرواتور – ملحقات کنسرواتور
- سیستم تنفسی
- شیراطمینان
- ترمومترها شامل ترمومتر روغن – کالیبره کردن ترمومتر – ترمومتر سیمپیچ
- تپ خنجر
- رله بوخهلتس
روغن ترانسفورماتور
روغنهای ترانسفورماتور عمدتاً ترکیبات پیچیدهای از هیدروکربنهای مشتق از نفت خام هستند و به جهت دارابودن خواص مناسب، روغنهای پایه نفت یک ترانسفورماتور مناسبتر تشخیص داده شدهاند.
خواص موردنیاز برای روغنهای ترانسفورماتور به طور خلاصه عبارتاند از:
عایقکاری الکتریکی – انتقال حرارت – قابلیت خاموشکردن قوس الکتریکی – پایداری شیمیایی – سیل کردن ترانسفورماتور و حمل مواد آلوده ناشی از کارکرد به خارج – جلوگیری از خوردگی – مواد عایقی و قسمتهای فلزی ترانسفورماتور.
در مورد سفارش خرید روغن برای ترانسفورماتورها دو مورد مهم را مدنظر قرار میدهیم
۱–کیفیت روغن ترانسفورماتور ۲- انتخاب نوع ترانسفورماتور
با درنظرگرفتن نوع روغن و درنظرگرفتن کیفیت آن، طراحی ترانسفورماتورها موردبحث قرار میگیرد بهعنوانمثال یک نمونه از آن را یادآور میشویم که باعث زایل شدن روغن ترانسفورماتور گردید.
نمونه مورد اشاره این بود که یک نوع چسبی که در داخل ترانسفورماتور بکار برده شده بود توسط روغن آن چسب حل گردید و باعث این شد که ذرات چسب داخل روغن پراکنده شود و منجر به کاهش دیالکتریک روغن گردید. مورد دیگری که یادآوری نمودند این بود که کاتالیزور مس و آهن باعث ازبینبردن روغن دانستند و همینطور اینکه چرا اصولاً کاغذ و روغن را بهعنوان عایق در ترانسفورماتورها به کار میبرند. علتی را که برای آن توضیح داده بودند به این شرح بود که یکبار کاغذ عایقی بدون آغشته روغن، مورد تست عایقی قرار دادند، مشاهده شده بود که کاغذ عایقی آغشته به روغن بسیار خاصیّت عایقی آن نسبت به کاغذ عایقی بدون روغن بوده مادهای به نام nemex که بین عایق ترانسفورماتورها مورداستفاده قرار میگیرد مورد اشاره قرار گرفت که باعث قائلشدن و ازبینرفتن روغن گردید.
دو نوع آلودگی روغن ترانسفورماتورها:
آلودگی فیزیکی – آلودگی شیمیائی
۲۰۰ تست را کلاً بر روی ترانسفورماتورها میتوان انجام داد که از میان آنها تستهای زیر دارای اهمّیت بیشتری هستند.
۱-تست اسیدیته ۲-گازهای حل شده در روغن ۳- کشش سطحی ۴-pcb (بیفنیل پلی کلرید).
مهمترین منابع آلودگی روغن عبارتاند از:
۱- مواد معلق در روغن ۲- آب ۳- اکسیداسیون روغن
بهطورکلی ۳ نوع تست بر روی روغن ترانسفورماتور انجام میگیرد که عبارتاند از:
۱- تستهای فیزیکی ۲- تستهای شیمیائی ۳- قسمتهای الکتریکی
تکنولوژی
ساخت ترانسفورماتور فشارقوی فاقد روغن در طول عمر یکصدساله ترانسفورماتورها، یک انقلاب محسوب میشود. ایده استفاده از کابل با عایق پلیمر پلیاتیلن (XLPE) بهجای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی از ذهن یک محقق ABB در سوئد به نام پرفسور “Mats lijon” تراوش کرده است.
تکنولوژی استفاده از کابل بهجای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی، نخستینبار در سال ۱۹۹۸ در یک ژنراتور فشارقوی به نام “ Power Former” ساخت ABB به کار گرفته شد. در این ژنراتور بر خلاف سابق که از هادیهای شمشی (مستطیلی) در سیمپیچی استاتور استفاده میشد، از هادیهای گرد استفاده شده است. همانطور که از معادلات ماکسول استنباط میشود، هادیهای سیلندری، توزیع میدان الکتریکی متقارنی دارند. برایناساس ژنراتوری میتوان ساخت که برق را با سطح ولتاژ شبکه تولید کند طور یکه نیاز به ترانسفورماتور افزاینده نباشد. در نتیجه این کار، تلفات الکتریکی به میزان ۳۰ در صد کاهش مییابد.
در یک کابل پلیمری فشارقوی، میدان الکتریکی در داخل کابل باقی میماند و سطح کابل دارای پتانسیل زمین است. درعینحال میدان مغناطیسی لازم برای کار ترانسفورماتور تحتتأثیر عایق کابل قرار نمیگیرد. در یک ترانسفورماتور خشک، استفاده از تکنولوژی کابل، امکانات تازهای برای بهینهکردن طراحی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، نیروهای مکانیکی و تنشهای گرمایی فراهم کرده است.
در فرایند تحقیقات و ساخت ترانسفورماتور خشک در ABB، در مرحله نخست یک ترانسفورماتور آزمایشی تکفاز با ظرفیت ۱۰ مگاولت آمپر طراحی و ساخته شد و در Ludivica در سوئد آزمایش گردید. “ Dry former” اکنون در سطح ولتاژهای از ۳۶ تا ۱۴۵ کیلوولت و ظرفیت تا ۱۵۰ مگاولت آمپر موجود است.
ویژگیهای ترانسفورماتور خشک
ترانسفورماتور خشک دارای ویژگیهای منحصربهفردی است از جمله:
۱- به روغن برای خنک شده با بهعنوان عایق الکتریکی نیاز ندارد.
۲- سازگاری این نوع ترانسفورماتور با طبیعت و محیطزیست یکی از مهمترین ویژگیهای آن است. به دلیل عدم وجود روغن، خطر آلودگی خاک و منابع آب زیر زمینی و همچنین احتراق و خطر آتشسوزی کم میشود.
۳- با حذف روغن و کنترل میدانهای الکتریکی که در نتیجه آن خطر ترانسفورماتور از نظر ایمنی افراد و محیطزیست کاهش مییابد، امکانات تازهای از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم میشود. بهاینترتیب امکانات نصب ترانسفورماتور خشک در نقاط شهری و جاهایی که از نظر زیستمحیطی حساس هستند، فراهم میشود.
۴- در ترانسفورماتور خشک بهجای بوشینگ چینی در قسمتهای انتهایی از عایق سیلیکون را بر استفاده میشود. بهاینترتیب خطر ترکخوردن چینی بوشینگ و نشت بخار روغن از بین میرود.
۵- کاهش مواد قابلاشتعال، نیاز به تجهیزات گسترده آتشنشانی کاهش میدهد؛ بنابراین از این دستگاهها در محیطهای سرپوشیده و نواحی سرپوشیده شهری نیز میتوان استفاده کرد.
۶- با حذف روغن در ترانسفورماتور خشک، نیاز به تانکهای روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن کاملاً از بین میرود؛ بنابراین کار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال کابلها و نصب تجهیزات خنککننده خواهد بود.
۷- از دیگر ویژگیهای ترانسفورماتور خشک، کاهش تلفات الکتریکی است. یکی از راههای کاهش تلفات و بهینهکردن طراحی ترانسفورماتور، نزدیککردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژی تا حد ممکن است تا از مزایای انتقال نیرو بهقدر کافی بهرهبرداری شود. با بکار گیری ترانسفورماتور خشک این امر امکانپذیر است .
۸- اگر در پست، مشکل برق پیش آید، خطری متوجه عایق ترانسفورماتور نمیشود. زیرا منبع اصلی گرما یعنی تلفات در آن تولید نمیشود. بعلاوه چون هوا واسطه خنکشدن است و هوا هم مرتب تعویض و جابهجا میشود، مشکلی از بابت خنکشدن ترانسفورماتور بروز نمیکند.
سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها TMMSTrans former Monitoring Management System
فارادی یک سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتور است.
سیستم TMMS بر اساس جمعآوری اطلاعات بحرانی بهرهبرداری ترانسفورماتور و تجزیهوتحلیل آنها عمل مینماید.
سیستم TMMS با تجزیهوتحلیل اطلاعات قادر خواهد بود که ضمن تفسیر عملکرد ترانسفورماتور عیبهای آن را تشخیص داده و اطلاعات لازم برای تصمیمگیری را در اختیار بهرهبردار قرار دهد.
اطلاعات بهرهبرداری که برای فرایند نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها موردنیاز بوده و توسط سنسورهای مخصوص جمعآوری میگردند به شرح زیر هستند.
- گازهای موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با هیدران
- آب موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با Acquaoil 300
- جریان بار ترانسفورماتور
- دمای نقاط مختلف ترانسفورماتور
- وضعیت تپ چنجر ترانسفورماتور
- سیستم خنککنندگی ترانسفورماتور
اطلاعات بهرهبرداری فوق جمعآوریشده و به همراه سایر اطلاعات موجود به طور مستمر تجزیهوتحلیل شده تا بتوانند اطلاعات زیر را درباره وضعیت بهرهبرداری ترانسفورماتور تهیه نمایند.
- شرایط عمومی و کلی ترانسفورماتور
- ظرفیت بارگیری ترانسفورماتور
- میل و شدت تولید گاز و حباب در داخل روغن ترانسفورماتور
- ملزومات نگهداری ترانسفورماتور
سیستم TMMS فارادی را میتوان برای ترانسفورماتورهای موجود بکار برد و همچنین میتوان آن را در ساختمان ترانسفورماتورهای جدید طراحی و نصب نمود.
ارتقای سیستم TMMS فارادی با افزودن سنسورهای اضافی میتواند باعث ارتقای عملکرد آن برای موارد زیر گردد.
- حداکثر نمودن ظرفیت بارگذاری ترانسفورماتور برای بهرهبرداری اقتصادی و بهینه
- تشخیص عیب و توصیه راهحل در ترانسفورماتورها
- مدیریت عمر ترانسفورماتور و افزایش آن
- تکمیل و توسعه فرایند و عملیات مدیریت ترانسفورماتورها با کمک اطلاعات اضافی تهیه شده در زمان حقیقی
- کاهش و حذف خروجی ترانسفورماتورها بهصورت برنامهریزیشده و یا ناشی از خطا
- آشکارسازی علائم اولیه پیدایش خطا در ترانسفورماتورها
- نمایش مراحل تکامل و شکلگیری شرایط پیدایش خطا
ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک
ترانسفورماتورهای مقاوم عامل K
هارمونیکهای تولید شده توسط بارهای غیرخطی میتوانند مشکلات حرارتی و گرمائی خطرناکی را در ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد ایجاد نمایند. حتی اگر توان بار خیلی کمتر از مقدار نامی آن باشد، هارمونیکها میتوانند باعث گرمای بیش از حد و صدمه دیدن ترانسفورماتورها شوند. جریانهای هارمونیکی تلفات فوکو را بهشدت افزایش میدهند. به همین دلیل سازندهها، ترانسفورماتورهای تنومندی را ساختهاند تا اینکه بتوانند تلفات اضافی ناشی از هارمونیکها را تحمل کنند. سازندهها برای رعایت استاندارد یک روش سنجش ظرفیت، بنام عامل K را ابداع کردهاند. در اساس عامل K نشاندهنده مقدار افزایش در تلفات فوکو است؛ بنابراین ترانسفورماتور عامل K میتواند باری بهاندازه ظرفیت نامی ترانسفورماتور را تغذیه نماید مشروط بر اینکه عامل K بار غیرخطی تغذیه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادیر استاندارد عامل K برابر با ۴، ۹، ۱۳، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ هستند. این نوع ترانسفورماتورها عملاً” هارمونیک را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم هستند.
ترانسفورماتور HMT Harmonic Mitigating Transformer
نوع دیگر از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای HMT هستند که از صافشدن بالای موج ولتاژ بهواسطه بریده شدن آن جلوگیری میکند. HMT طوری ساخته شده است که اعوجاج ولتاژ سیستم و اثرات حرارتی ناشی از جریانهای هارمونیک را کاهش میدهد. HMT این کار را از طریق حذف فلوها و جریانهای هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیمپیچیهای ترانس انجام میدهد. چنانچه شبکههای توزیع نیروی برق مجهز به ترانس HMT گردند میتوانند همه نوع بارهای غیرخطی (با هر درجه از غیرخطیبودن) را بدون اینکه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه نمایند. به همین دلیل در اماکنی که بارهای غیرخطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT بهصورت گسترده استفاده میشود.
مزایای ترانسفورماتور HMT :
میتوان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیکها (شامل هارمونیکهای سوم، نهم و پانزدهم) در سیمپیچی اولیه، از طریق حذف فلوی آنها در سیمپیچیهای ثانویه جلوگیری کرد.
ترانسفورماتورهای HMT با یک خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته میشوند. وقتی که هر دو مدل با هم بکار میروند میتوانند جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در قسمت جلوئی شبکه حذف کنند .
ترانسفورماتورهای HMT با دو خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در داخل سیمپیچیهای ثانویه حذف کنند .
ترانسفورماتورهای HMT با سه خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم را در داخل سیمپیچی ثانویه حذف کنند.
کاهش جریانهای هارمونیکی در سیمپیچیهای اولیه HMT باعث کاهش افت ولتاژهای هارمونیکی و اعوجاج مربوطه میشود.
کاهش تلفات توان به علت کاهش جریانهای هارمونیکی.
بهعبارتدیگر ترانس HMT باعث ایجاد اعوجاج ولتاژ خیلی کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی یا ترانسفورماتور عامل K میشود.
ویدیو زیر ساختار ترانسفورماتور را شرح میدهد: