ترانس فور ماتور ها

ترانسفورماتور

در این مقاله قصد داریم تا حدودی در مورد ترانسفورماتور صحبت کنیم و همچنین پیرامون سیستم‌های مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور کنیم.
ترانسفورماتور وسیله ای است که انرژی الکتریکی را در یک سیستم جریان متناوب از یک مدار به مدار دیگر انتقال می دهد و می تواند ولتاژ زیاد و بلعکس تبدیل نماید . ترانسفورماتور امروز یکی از وسایل لازم و حیاتی در سیستم های الکتریکی و همچنین سیستم های تبدیل انرژی می باشد و از دو بخش اصلی زیر تشکیل می گردد : 1- هسته که از ورقه های نازک فولادی ساخته می شود . 2- دو یا چند سیم پیچ که در ترانسفورماتور های معمولی با هم رابطه مغناطیسی و در اتوترانسفورماتورها دیگر رابطه الکتریکی و مغناطیسی دارند . آن بخش از سیم پیچ که از مدار الکتریکی انرژی می گیرد سیم پیچ اولیه بخش دیگر که از آن انرژی گرفته می شود سیم پیچ ثانویه نامیده می شود . سیم پیچ متصل به مدار با ولتاژ زیاد به سیم پیچ فشار قوی (H.W.) و سیم پیچی که به مدار با ولتاژ کم اتصال می یابد به سیم پیچ فشار ضعیف (L.V) معروف است . ترانسفورماتورهای که ولتاژ سیم پیچ ثانویه از ولتاژ اولیه آن کمتر باشد ترانسفورماتور کاهنده و آنکه ولتاژ ثانویه اش از ولتاژ اولیه بیشتر باشد ترانسفورماتور افزاینده نامیده می شود . اگر یکی از دو سیم پیچ ترانسفورماتور مثلاً اولیه را به منبع ولتاژ متناوب وصل کنیم فوران (فلوی ) متناوبی تولید خواهد شد که دامنه اش نسبت مستقیم با ولتاژ دو سر سیم پیچ اولیه و شماره دورهای اولیه دارد . فوران تولید شده ی سیم پیچ ثانویه را نیز دور یمزند و ولتاژی در آن القاء می نماید که مقدار آن به شماره دوره های سیم پیچ ثانویه بستگی دارد . واضح است که ترانسفورماتور ها فقط با وجود فوران های متقابل که هر دو سیم پیچ را دور می زنند کار می کنند . لازم به تذکر است که این فوران ها (فلوها) از مواد فرو مغناطیسی (پرمابیلیته) زیاد به مراتب بهتر از سایر موارد عبور مینمایند و از اینروست که هسته ترانسفورماتورها از آهن (فورمغناطیس ) می باشد .
برای جلوگیری از اثر تخریبی هوا و بهبود شرایط خنک شدن ترانسفورماتورهای با قدرت زیاد ، معمولاً هسته و سیم پیچ های آنها را در مخزن پر از روغن قرار می دهند که این نوع ترانسفورماتور را روغنی می نامند و آنهایی که توسط هوا خنک می شوند به ترانسفورماتورهای خشک معروفند. انواع کاربری ترانسفورماتورها 1- ترانسفورماتورهای قدرت برای انتقال و توزیع انرژی الکتریسیته 2- ترانسفورماتورهای قدرت که برای مقاصد خاص مثل کوره ها 3-یکسو کننده ها و واحدهای جوشکاری بکار می روند . 4-ترانسفورماتورهایی که برای تنظیم ولتاژ در شبکه های توزیع بکار می روند . 5-اتوترانسفورماتورها جهت تبدیل ولتاژ با نسبت کم و راه اندازی موتورهای القایی 6-ترانسفورماتورهای وسایل اندازه گیری قسمتهای مختلف ترانسفورماتور اگر چه اصول کار تمام ترانسفورماتورهای ولتاژ یکسان است ولی در ترانسفورماتورهای بزرگ به علت ولتاژ بالا و عبور جریان زیاد آنها ، هسته و سیم پیچ ها به شدت گرم می شوند و امکان بروز خسارت و از کار افتادن ترانسفورماتور وجود دارد ، از این گونه ترانسفورماتورها با وسایل ایمنی مجهز می گردند و ساختمان آنها پیچیده تر از ترانسفورماتورهای خشک با قدرت کم می باشد . با بررسی ساختمان ترانسفورماتورهای روغنی با قدرت زیاد دیگر احتیاجی به تشریح ترانسفورماتورهای کوچی نمی باشد . قسمتهای مختلف این ترانسفورماتور عبارتند از : هسته - سیم پیچ ها (بوبین ها) - مخزن روغن - بوشینگ - پاک و لوله انفجار - تاپ چنچر - ترمومترها - رله بو خهلتس – درجه نمای روغن – تابلوهای مشخصات – چرخها – شیرهای مختلف رواشها – لوله های ارتباط – ترانسفورماتورهای جریان – جعبه کنترل (فرمان پنکه ها ، ترموستات ، پمپ ورگولاتور) – سیستم خنک کننده (رادیاتورها – پنکه ها و غیره) الف – هسته هسته های ترانسفورماتورها باید تا حد امکان دارای قابلیت نفوذ مغناطیسی خوب و قابلیت هدایت الکتریکی بد باشد . هسته های ترانسها از ورقهای نورد شده ی دیناموبلش یا فریت به ضخامت 35/0 تا 50/0 میلیمتر ساخته می شوند .
هسته ها به خاطر کاهش تلفات فوکو و هیستر زیس به صورت مورق ساخته می شوند که این ورقه ها نسبت به هم عایق می باشند . این خاصیت توسط یک لایه ی نازک از رزین یا مواد عایقی دیگر تأمین می گردد . هسته های ترانسها بسته به قدرت آنها ساخته و طراحی می گردد . که شامل دو نوع می باشد ، هسته های شکافدار (EI) و هسته های نواری . کاربرد هسته های شکافدار بیشتر از هسته های نواری می باشد . و این به این علت است که این هستها به راحتی در کنار هم قرار گرفته و سیم پیچ ها بر روی آنها نصب می شوند . ب – سیم پیچها سیم پیچ ترانسها اغلب از جنس مس یا آلومینیم انتخاب می شود سیم پیچهای ترانسهای کوچک را معمولاً روی قرقره می پیچند جنس قرقره ها اغلب از ترموپلاست است . در اصل بیشترین درصد اشکالات ترانسها در این قسمت نقش اصلی را ایفا می کند . سیم پیچها در کل به دو صورت هستند . نواری ، که غیر قابل تعمیر می باشند یا به صورت طبقه طبقه می باشند که به آنها دیسکی هم گفته می شود و قابل تعمیر هستند . سیم های به کار برده شده در ترانسها ، بسته به قدرت آنها تغییر می کنند مثلاً در قدرتهای پایین و متوسط از سیم های با سطح مقطع کوچک و گرد استفاده می شود . در ترانس هایی با قدرت بالااز شمشهایی با سطح مقطع مربعی و یا نواری استفاده می شود . نحوه ی قرار گرفتن سیم پیچ ها معمولاً در ترانسها قدرت ، ابتدا سیم پیچ ثانویه یا فشار ضعیف پیچیده می شود و سپس سیم پیچ اولیه یا فشار قوی پیچیده می شود . این کار به خاطر این است که در صورت اتصالی ، سیم پیچ فشار قوی از هسته و اتصال به بدنه دور بماند و همچنین از بالا رفتن شدت میدان میان سیم پیچ اولیه و هسته جلوگیری شود . نحوه ی اتصال سیم پیچ ها در ترانسهای سه فاز بسته به شریط بارگیری ترانس ، اتصال سیم پیچ ها را تعیین می کنند . انواع اتصالات به شرح زیر می 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 – زیکزاک (Y-z) در میان اتصالات بالا فقط از یکی از آنها نمی توان در سیستم توزیع استفاده کرد . و آن هم اتصال ستاره – ستاره می باشد .
در این اتصال ، در صورتی که ترانس به صورت نا متقارن زیر بار رود ترانس می سوزد . علت این امر این است که ، هنگامی که از یک فاز به یک ترانس ستاره – ستاره جریان بیشتری کشیده شود در هسته شار بیشتری تولید می شود و هسته فوراً اشباع می شود و باعث گرم کردن بیش از حد می شود. از سوی دیگر هم برگشت این جریان از دو بازوی دیگر این ترانس می باشد و بر بازوهای دیگر هم تأثیر می گذارد . در چنین مواردی سع می شود در اولیه از اتصال مثلث استفاده شود . و در مواردی که استفاده از اتصال مثلث غیر ممکن باشد از اتصال زیکزاک در ثانویه ی آن ترانس استفاده می شود تا بر روی دو بازوی ترانس در صورت نامتقارن بودن توزیع شود . تپ چنجر در بعضی از مواقع به علت طول زیاد شبکه ی توضیع و انتقال در انتهای خط با افت ولتاژی مواجه می شویم که باید این افت بر طرف شود تا مصرف کننده بتواند بدون هیچ مشکلی از ولتاژ شبکه استفاده کند . در چنین مواقعی از تغییرات نسبت دور در ترانسها استفاده می شود . همان طور که از رابطه اساسی ترانس ها برآورد می شود (NI/N2=V1/V2) هنگامی که تعداد دور اولیه افزایش یابد ولتاژ خروجی کاهش و با کم کردن تعداد دور اولیه ولتاژ خروجی افزایش می یابد . تپ چنجر که بر روی اولیه ی ترانسها می باشد ، در واقع تعداد دور اولیه را هنگام پایین بودن ولتاژ شبکه کم می کند و بلعکس .
معمولاً تپچنجرها دارای پنج رنج می باشند که از 1 تا 5 مدرج می باشد . عمل تاپ چنجر در حقیقت افزایش یا کاهش شماره دوره های مؤثر سیم پیچ ترانسفورماتور می باشد و استفاده از تپ چنجر (یارگولاتورولتاژ) در ترانسفورماتور های با قدرت زیاد می باشد . تاپ چنجرها امروزه با طرح های مختلف در حال کارند و معمولترین آنها شامل راکتورها یا مقاومتهای محدود کننده جریان می باشند . تغییر ولتاژ توسط تپ چنجر و جریان حاصله در مدار و قوس های الکتریکی آن امکان سوختن شدید و از بین رفتن کنتاکتها را بوجود می آورد و وجود قوسها ی الکتریکی و حرارت حاصل از آن خود دلیل مجزا نمودن تاپ سلکتور و کنتاکتورها در تانک روغن جداگانه ای قرار می گیرند و بدین ترتیب بدون اینکه کنتاکتها صدمه ببینند قوس الکتریکی نیز از بین می رود . ضمناً بدون باز کردن ترانسفورماتور کنتاکتها می توانند بازرسی شوند و روغن فاسد شده در اثر قوسهای الکتریکی به آسانی تعویض شود . سوئیچ و کنتاکتور ها توسط چرخ دنده و با موتور الکتریکی عمل می نمایند . تانک روغن تانک روغن مخزن روغنی است که هسته و سیم پیچ های ترانسفورماتور در آن قرار می گیرند ترانسفورماتورهای روغن تا KVA40 ممکن است فقط دارای تانک با دیواره های صاف و بدنه و وسائل خنک کننده اضافی باشند . برای ترانسفورماتورهای بزرگتر سطح صاف برای از بین بردن حرارت کافی نبوده و باید بطور مصنوعی افزایش یا باید در آنها وسائل خنک کننده اضافی تعبیه گردد . در ترانسفورماتورهای تا 1600 KVA سطح تانک توسط لوله هایی که از خارج به بدنه تانک جوش می خورند افزایش می یابد . ترانسفورماتور های از 1000 تا 10000 KVA با تانک ساده از رادیاتورهایی که با اتصالات فلانج به تانک جوش می خورد استفاده می نمایند در قدرت های بالاتر از 10000KVA خنک کردن با روغن بطور طبیعی کافی نبود و باید از جریان هوا و روغن با فشار استفاده شود . یک تانک شامل یک دیواره ، کف و قاب به بالای دیواره جوش داده می شود و شامل نوار فولادی است که حاوی سوراخ هایی به فواصل مساوی می باشند . یک پوشش (کاور) از ورق فولادی به قاپ پیچ می شود . ضمناً در روی تانک محل هایی برای حمل و نصب ترانسفورماتور در نظر گرفته می شود . مخزن روغن مخزن روغن در حقیقت یک طبل فولادی است که بطور افقی روی تانک نصب می شود و توسط یک لوله به آن ارتباط می یابد این مخزن طور ساخته می شود که بتوان کف آن را جهت تمیز نمودن و رنگ زدن جدا نمود . باک ها با والو روغن و رطوبت گیر مجهز می شوند تا بتوان رطوبت هوایی را که در مخزن به علت کم شدن روغن وجود دارد بر طرف نمود . هوا از طریق یک ماده جذب کننده رطوبت بنام سیلیکاژل (Silicagel) عبور می کند و در حالت خشک وارد مخزن می شود . والو روغن گرد و خاک را از هوا دور (جدا) می نماید و مواد جذب کننده را از اثرات رطوبت موجود در محط محافظت می نمید . در یک محفظه سیلیکاژل ، هوا ابتدا از یک توری عبور کرده و سپس پس از عبور روغن به منظور گرفتن گرد و غبار و رطوبت به سیلیکاژل رسیده و پس از رطوبت گیری کامل به بک ترانسفورماتور هدایت می شود . بدنه بدنه ی ترانسها از فولاد می باشد و در بعضی مواقع از استیل است . بر روی بدنه ی ترانسها رادیوتاورهایی جهت تهویه و خنک شدن هر چه سریعتر ترانس تعبیه شده است . بر روی بدنه ، شیر تخلیه ی روغن ، تانک روغن ، مقرهای فشار ضعیف و فشاتر قوی قرار می گیرند . تابلو مشخصات ترانسفورماتور این تابلو (یا پلاک) که بر روی ترانسفورماتور نصب می شود معمولاً دارای مشخصات زیر است : نوع ترانسفورماتور – شماره سریال ترانسفروماتور – سال مونتاژ – تعداد فازها – گروه ترانسفورماتور – فرکانس – نوع خنک کردن – قدرت اسمی – وزن کل – وزن روغن – و دیاگرام سیم پیچی . سیستمهای خنک کننده ی ترانسها ترانسها را می توان از نظر سیستم خنک کنندگی به چند گروه تقسیم کرد . ترانسهایی که با جریان هوا خنک می شوند و ترانسهایی که با روغن خنک می شوند و یا ترکیبی از هر دو انتخاب سیستم خنک کننده ، بسته به قدرت ترانس و محل استفاده از آن می باشد . مثلاً در محل هایی که بلاجبار ترانس باید در سالن یا محل کار باشد از ترانسهایی با سمغ ریختگی استفاده می شود . این انتخاب به این علت است که چون امکان آتش سوزی در کارگاه یا محل کار وجود دارد از ترانس با سیستم روغنی استفاده نمی شود . در ترانس های توزیع معمولاً از سیستم خنک کنندگی روغن استفاده می شود . معمولاً بر روی پلاک ترانس ها ، نوع سیستم خنک کنندگی آنها نوشته می شود . که نمونه ای از آنها در زیر نوشته شده اند : روغن طبیعی و هوای طبیعی (ONAN ) روغن با گردش توسط پمپ و هوای طبیعی ( OFAN) روغن طبیعی و پنکه های خنک کننده ) ( ONAF) تلفات ترانسفورماتور باعث گرم شدن ترانسفورماتور می شود و اگر حرارت ایجاد شده بخارج هدایت نشود بار دهی ترانسفورماتور کم شده و چه بسا باعث سوختن ترانسفورماتور می شود . برای خنک کردن ترانسفورماتور بر حسب نوع ترانسفورماتور ( ترانسفورماتور خشک و ترانسفورماتور روغنی ) طرق مختلفی موجود است که عبارتند از : 1- ترانسفورماتور خشک : ترانسفورماتور خشک با قدرت زیاد بندرت ساخته می شود زیرا این ترانسفورماتورها از نظر استقامت الکتریکی و دینامیکی خیلی ضعیف تر از ترانسفورماتورهای روغنی می باشند . ترانسفورماتور های خشک معمولاً با قدرت 300 کیلو ولت آمپر و ولتاژ ماکسیموم KkVA10 ساخته می شوند . زیرا در ولتاژ های زیاد فاصله پیچک ها از یکدیگر و از قسمت هائی که مربوط به مدار جریان نیستند خیلی زیاد می شود بطوری که برای ترانسفورماتورهای بیش از K VA10 نیز ترانسفورماتورهای روغنی با صرفه تر است. در امریکا ترانسفورماتورهای خشک تا ولتاژ KV15 و قدرت 6000 کیلو ولت آمپر نیز ساخته شده است . در ترانسفورماتور های خشک با قدرت کم معمولاً وسیله اضافی برای خشک کردن ترانسفورماتور بکار برده نمی شود بلکه همان خنک شدن طبیعی در اثر تماس مداوم و عادی هوا با سطوح ترانسفورماتور کافی است .
این نوع ترانسفورماتور را که خود به خود خنک می شود با TS نشان می دهند . ترانسفورماتور هایی با قدرت بیشتر کمک فنتیلاتور ( باد زن ) مخصوص خنک می کنند . این ترانسفورماتورها با علامت TF مشخص می شوند . در این طریق خنک کردن حرکت وسیر کولاسیون هوا به وسیله فنتیلاتور زیاد و سریع شده در نتیجه هدایت حرارت بخارج سریع تر عملی می گردد . ترانسفور ماتور های خشک باید حتی الامکان بطور دائمی به ولتاژ وصل باشد و از شبکه برق قطع نگردند زیرا قطع شدن آن باعث خنک شدن عرق کردن و مرطوب شدن ترانسفورماتور می گردد . 2- ترانسفورماتور روغنی در این ترانسفورماتور ها روغن واسطه انتقال حرارت از هسته و سیم پیچ ترانسفورماتور به هوای خارج می باشد . طرق مختلف خنک کردن ترانسفورماتور های روغنی به شرح زیر است : الف – خشک کردن طبیعی : (OS) 1 این نوع خنک کردن عملاً بدون هیچ واسطه ای انجام می گیرد و در حقیقت برداشت حرارت در اثر تشعشع ، هدایت و انتقال حرارت بطور عادی و طبیعی انجام می شود و ساده ترین و ارزانترین روش خنک کردن ترانسفورماتور است زیرا ترانسفورماتور احتیاج به هیچ گونه مراقبت و نگهداری ندارد . لذا در صورتی که تلفات ترانسفورماتور تا حدودی باشد که بتوان از این نوع خنک کردن استفاده کرد حتماً روش دیگری برای خنک کردن ترانسفورماتو ر به کار برده نمی شود …. در ترانسفورماتور های کوچک تا قدرت 30 کیلو ولت آمپر کافی است که سطح جدار خارجی منبع روغن صاف باشد و در قدرت های بیشتر تا 6000 کیلو ولت آمپر برای بزرگ کردن سطح تماس منبع روغن با هوا منبع روغن را پرده دار و یا موجی درست می کنند و در قدرت های بیشتر تا حدود 20000 کیلو آمپر منبع روغن دارای لوله های خنک کننده مجزا می باشد .
در پیوست ترانسفورماتور با منع پرده ای و ترانسفورماتور با لوله های خنک کننده را نشان داده ام . چنانچه دیده می شود منبع ترانسفورماتور دارای لوله هائی است که به داخل ترانسفورماتور راه ندارند . روغن گرم از بالای ترانمسفورماتور وارد این لوله ها شده پس از خنک شدن مجدداً در زیر ترانسفورماتور راه می یابد و در آنجا مجدداً گرم شده و در سطح روغن بالا می رود . این لوله ها ضریب خنک کنندگی روغن را زیاد می کند و به این جهت سبب می شود که حجم روغن این ترانسفور ماتور ها قدری کمتر از ترانسفورماتور پرده ای مشابه خود باشد . لوله ها متناسب با قدرت ترانسفورماتور در 2 یا 5 ردیف در اطراف منبع ترانسفورماتور نصب می شود . عمل خنک کردن بطور طبیعی را می توان با جریان انداختن سریع روغن توسط پمپ مخوصی تسریع نمود . در بعضی از ترانسفورماتور ها که دارای تلافات بیشتر می باشند از رادیاتور مخصوص استفاده می شود و در صورتیکه ترانسفورماتور خیلی بزرگ باشد بخاطر جلوگیری از مشکلات حمل و نقل رادیاتور ها را طوری می سازند که در موقع حمل و نقل از ترانسفورماتور جدا شده و در محل مجدداً نصب شود . این گونه ترانسفورماتور ها در محل ارتباط بین مخزن و رادیاتور دارای فنتیل مخصوصی می باشند که خارج شدن روغن ترانسفورماتور جلوگیری می کند . ب- خنک کردن غیر طبیعی ترانسفورماتور های خیلی بزرگ و یا ترانسفورماتورهایی که در اطاق سرپوشیده و کوچک نصب می شوند ( پست ترانسفورماتور محصور ) باید مصنوعی خنک شوند تا عمل خنک شدن تسریع یابد و از باردهی ترانسفورماتور کاسته نگردد . خنک کردن مصنوعی بیشتر به کمک آب ( OW) و یا به کمک جریان انداختن سریع هوا ( فنتیلاتور ) ( OF) انجام می شود . خنک کردن ترانسفورماتور به کمک آب دو طریق است : 1) خنک کردن روغن ترانسفورماتور در داخل منبع آب 2) خنک کردن روغن ترانسفورماتور در خارج از منبع در طریقه اول لوله های اب سرد از داخل منبع ترانسفوماتور در کنار دیواره های منبع و یا سقف منبع عبور داده می شود و جریان آب سرد باعث خنک کردن روغن می گردد . در این طریق نشت کردن احتمالی اب باعث خراب شدن ترانسفورماتور می شود . در طریقه دوم روغن گرم از ترانسفورماتور خارج شده و به کمک اب خنک شده مجدداً به داخل ترانسفورماتور تزریق می شود . چنانچه دیده می شود روغن از بالای ترانسفورماتور توسط پمپ روغن خارج شده پس از خنک شدن در کولر ابی مجدداً از زیر ترانسفورماتور وارد منبع روغن می شود . در ترانسفورماتور هایی با قدرت زیاد از کولر مخصوصی استفاده می شود . رد این کولر آب و روغن در خلاف جهت یکدیگر جریان دارند و عمل خنک کردن روغن بطور قابل ملاحظه ای تسریع می گردد . در صورتیکه ترانسفورماتور هائی که در فضای آزاد نصب می شوند در روی بدنه خود دارای فنیلاتور های هوا می باشند .

ترانسفورماتورهای برق

ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصیات آنها میتوان به سه دسته کوچک، متوسط و بزرگ دستهبندی کرد. ساختمان ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط بهدلیل مسائل حفاظتی و عایقبندی و امکانات موجود، نسبت به انواع کوچک آن پیچیدهتر است.
اهمیت ترانسفورماتورها در صنعت برق و شبکههای صنعتی، برکسی پوشیده نیست. امروزه یکی از ملزومات اساسی در انتقال و توزیع الکتریکی در جهان ترانسفورماتورها، میباشند.
ترانسفورماتورها در اندازهها و توانهای مختلفی جهت تغییر سطح ولتاژ الکتریکی بهمنظور کاهش تلفات ولتاژ در فرآیند انتقال و توزیع انرژی الکتریکی بهکار میروند.
در صنعت سیمان، بهعنوان یکی از مصرف کنندههای بزرگ برق و استفاده از سطوح ولتاژ مختلف در آن، استفاده از ترانسفور ماتورها یکی از ارکان اجتنابناپذیر میباشد.
در این قسمت به اختصار ترانسفورماتورها، ساختمان آنها، تعمیرات و نگهداری آنها مورد بررسی قرار گرفته است.

اصول کار ترانسفورماتورها

اصول کار ترانسفورماتور مبتنی بر تاثیر القای متقابل دو یا چند مدار ساکن نسبت به همدیگر است.فلوی مغناطیسی متناوب ایجاد شده توسط سیم پیچی اولیه که از داخل حلقه های سیم پیچی ثانویه عبور می کند باعث به وجود آمدن جریان در سیم پیچی ثانویه می شود.این عمل را القای متقابل می گویند.مانند شکل زیر.

 

انواع ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها به چند گروه اصلی زیر تقسیم می شوند.
1- ترانسفورماتورهای قدرت برای انتقال و توزیع انرژی الکتریسیته
2- ترانسفورماتورهای اندازه گیری برای اتصال دادن وسایل اندازه گیری
3- ترانسفورماتور قدرت برای مقاصد خاص مثل ترانسفورماتورهای کوره ها یا واحدهای جوشکاری
4- تنظیم کننده های القایی برای تنظیم ولتاژ در شبکه های توزیع
5- اتو ترانسفورماتورها برای تبدیل در حدود کم برای راه انداختن موتورهای جریان متناوب
6- ترانسفورماتورهای آزمایشی برای انجام آزمایشهای با ولتاژ زیاد

تلفات ترانسفورماتورها

به طور کلی توان در ترانسفورماتورها به دو صورت تلف می شود.
الف – تلفات مسی یا اهمی
به علت وجود مقاومت اهمی در سیم پیچ ها در اثر عبور جریان الکتریکی مقداری از توان به صورت حرارت در سیم پیچ ها از بین می رود.
ب - تلفات هسته آهنی
توان در هسته به سه صورت تلف می شود که عبارتند از:
1- تلفات فراری یا پراکندگی: مقداری از فلوی مغناطیسی بدون آنکه در داخل هسته و در سیم پیچ ثانویه مفید واقع شود به بیرون از هسته نشت کرده و پراکنده می شود و باعث کاهش توان می گردد.
2- تلفات فوکو : در اثر تغییرات فلوی مغناطیسی در هسته ، جریانی به نام جریان فوکو در هسته ایجاد می شود که بر طبق قانون لنز با جریان به وجود آورنده خود مخالفت می کند و باعث کاهش آن می شود.بنابراین با کاهش جریان ، توان ترانسفورماتور افت پیدا می کند.جریان فوکو یک جریان گردابی است و باعث گرم شدن هسته نیز می شود.برای کاهش جریان فوکو، هسته را ار ورقه هایی که نسبت به همدیگر عایق هستند می سازند.
3- تلفات هیسترزیس : تلفات هیسترزیس تلفاتی است که در اثر کاهش و افزایش حوزه مغناطیسی در هسته به وجود می آید. به این ترتیب که ، جریان درلحظه ای که مثبت است حوزه مغناطیسی در یک جهت معین در هسته به وجود می آید و وقتی که جهت جریان عوض شد ، جهت حوزه مغناطیسی نیز عوض می شود.در نتیجه عوض شدن جهت حوزه مقداری از حوزه که در قسمت مثبت هسته باقی مانده بود ، باید حذف شود و جهت تغییر کند.این مقدار باقی مانده را پس ماند مغناطیسی می گویند.حذف پس ماند مغناطیسی و عوض شدن جهت آن و ادامه این عمل باعث تلفات هیسترزیس می شود.به زبان ساده وقتی جریان تغییر جهت می دهد مولکول های هسته نیز تغییر جهت می دهند و در این تغییر جهت مولکول ها بین آنها اصطکاک به وجود آمده و باعث گرم شدن هسته می شود.این عمل موجب تلفات هیسترزیس می گردد

ساختمان ترانسفور ماتور

ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصیات آنها میتوان به سه دسته کوچک، متوسط و بزرگ دستهبندی کرد. ساختمان ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط بهدلیل مسائل فاظتی و عایقبندی و امکانات موجود، نسبت به انواع کوچک آن پیچیدهتر است. اجزاء تشکیل دهنده یک ترانسفورماتور به شرح زیر است:

هسته ترانسفورماتور

هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقههای نازکی است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفور ماتورها محاسبه میشود. برای کم کردن تلفات آهنی هسته ترانسفور ماتور را نمیتوان بهطور یکپارچه ساخت. بلکه معمولاً آنها را از ورقههای نازک فلزی که نسبت به یکدیگر عایق هستند، میسازند این ورقهها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم (حداکثر ۴.۵ درصد) که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیادی است ساخته میشوند . زیاد بودن مقدار سیلیسیم، باعث شکننده شدن ورقها میشود. برای عایق کردن ورقهای ترانسفورماتور، در گذشته از یک کاغذ نازک مخصوص که در یک سمت این ورقه چسبانده میشد، استفاده میکردند، اما امروز در هنگام ساختن و نورد این ورقهەا یک لایه نازک اکسید فسفات یا سیلیکات به ضخامت ۲ تا ۲۰ میکرون بهعنوان عایق بر روی آنها مالیده میشود، که باعث پوشاندن روی ورقهها میگردد. علاوه بر این، از لاک مخصوصی نیز برای عایق کردن یک طرف ورقهها استفاده میشود. تمامی ورقههای ترانسفور ماتور دارای یک لایه عایق هستند. در هنگام محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقههای ترانسفور ماتورها را به ضخامتهای ۰.۳۵ و ۰.۵ میلیمتر و در اندازههای استاندارد میسازند. باید دقت کرد که سطح عایق شدهٔ ورقههای ترانسفور ماتور همگی در یک جهت باشند (مثلاً همه به طرف بالا) علاوه بر این تا حد امکان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذکر است ورقهها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صدا کردن آنها نیز جلوگیری شود.

مزایا هسته ترانس آهن :

• 1- فراوانی
• 2- پایین بودن قیمت
• 3- عمر زیاد
• 4- فرم دهی آسان

معایب هسته ترانس آهن :

• 1- خاصیت القایی کم
• 2- ضد آب نبودن
• 3- وزن زیاد
• 4- تولید نویز بالا

سیم پیچ ترانسفور ماتور

معمولاً برای سیمپیچ اولیه و ثانویه ترانسفور ماتور از هادیهای مسی با عایق (روپوش) لاکی استفاده میکنند، که با سطح مقطع گرد و اندازههای استاندارد وجود دارند و با قطر آنها مشخص میشوند. در ترانسفور ماتورهای پرقدرت از هادیهای مسی که بهصورت تسمه هستند استفاده میشوند و ابعاد این گونه هادیها نیز استاندارد است.
سیم پیچی ترانسفور ماتور به این ترتیب است که سر سیمپیچها را بهوسیله روکش عایقها از سوراخهای قرقره خارج میکنند، 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 ترانسفور ماتورهای دارای چندین سیم پیچ، بهراحت بتوان سر هم سیمپیچ را مشخص کرد. بعد از اتمام سیمپیچی یا تعمیر سیمپیچها ترانسفور ماتور باید آنها را با ولتاژهای نامی خودشان برای کنترل و کسب اطمینان از سالم بودن عایق بدنه و سیمپیچهای اولیه و ثانویه آزمایش کرد.

محاسبه نیروهای جریان اتصال کوتاه در سیم پیچ ترانسفورماتور

محاسبه نیروهای اتصال کوتاه وارد برسیم پیچهای ترانسفورماتورها همواره از مسائل مورد توجه مهندسین طراح ترانسفورماتور بوده است . امروزه با افزایش سطح اتصال کوتاه شبکه‌ها و همچنین نیاز به استفاده از ترانسفورماتورهائی با قدرت بالاتر، این مسئله اهمیت بیشتری یافته است . جهت محاسبه نیروی وارد بر سیم‌پیچهای ترانسفورماتور ابتدا می‌بایستی چگالی شار مغناطیسی در پنجره ترانسفورماتور بر روی سیم‌پیچ محاسبه گردیده و سپس با انتگرال گیری حاصلضرب این مقدار در بردار جریان، بردار نیرو در هر نقطه محاسبه گردد. همانگونه که اشاره رفت محاسبه چگالی شار مغناطیسی قدم اولیه جهت محاسبه نیرو می‌باشد . در این مقاله جهت محاسبه چگالی شار مغناطیسی ابتدا پتانسیل مغناطیسی برداری محاسبه گردیده و سپس با استفاده از آن، چگالی شار مغناطیسی بدست آمده است . محاسبه پتانسیل مغناطیسی برداری با استفاده از دو روش حل معادلات ماکسول با کمک توابع تغییریافته بسل و حل معاملات ماکسول از طریق روش اجزا محدود صورت پذیرفته است و مقایسه‌ای مابین این دو روش به عمل آمده است . البته از آنجا که این مسئله خاص دارای تفارنهای چندی است ، ابتدا معادلات ساده شده پتانسیل مغناطیسی برداری محاسبه گردیده و سپس با استفاده از این معادلات که حال دیگر در فضای دو بعدی مطرح می‌باشند، جهت دو روش فوق الذکر استفاده بعمل آمده است . با محاسبه پتانسیل مغناطیسی برداری، چگالی شار مغناطیسی در هر نقطه از پنجره ترانسفورماتور و نهایتا نیروی وارد بر هر نقطه محاسبه گردیده است .

گروه برداری اتصالات

اصولاً در ترانسفورماتورها بین ولتاژ اولیه و ثانویه ، اختلاف فازی حاصل می شود که مقدار آن ، بستگی به طریقه اتصال بین سیم پیچ های مختلف داخل ترانسفورماتور دارد . پس ابتدا باید نحوه اتصالات سیم پیچ های اولیه و ثانویه را مشخص نمود .
برای مشخص نمودن اتصالات سیم پیچ های ترانسفورماتور از حروف اختصاری استفاده می شود . به این ترتیب که اتصال ستاره با Y ، اتصال مثلث با D و اتصال زیگزاگ را با Z نشان می دهند . در ضمن اگر اتصال مورد نظر در طرف فشار قوی باشد ، با حروف بزرگ و اگر در طرف فشار ضعیف باشد ، با حروف کوچک نمایش می دهند ؛ مثلاً اتصال ستاره – ستاره با Yy و یا اتصال مثلث – زیگزاگ با Dz مشخص می شود ( لازم به ذکر است که حروف معرف اتصال طرف ولتاژ بالا یا فشار قوی ، در ابتدا ، و حروف معرف اتصال طرف ولتاژ پایین ، بعد از آن قرار می گیرد ) . حال اگر در طرف ستاره یا زیگزاگ ، مرکز ستاره یا زیگزاگ ، زمین شده باشد ، متناسب با اینکه اتصال مربوطه در طرف ولتاژ بالا یا پایین باشد ، به ترتیب از حروف N یا n استفاده می شود ؛ مثلاً Yzn یعنی اتصال ستاره – زیگزاگ که مرکز زیگزاگ ، زمین شده است و اتصال ستاره در طرف ولتاژ بالا ، و زیگزاگ در طرف ولتاژ پایین است .
بعلاوه در ترانسفورماتورها ، هر فاز اولیه با فاز مشابه اش در ثانویه ، اختلاف فاز مشخصی دارد که جزء خصوصیات آن ترانسفورماتور به شمار می آید ؛ مثلاً ممکن است این زاویه 0، 30 ، 150 ، 180 و ... باشد . برای آنکه زاویۀ مذکور ، اختلاف فاز را برای هر ترانسفورماتور مشخص نمایند به صورت مضربی از عدد 30 تبدیل می کنند و مضرب مشخص شده را در جلوی حروف معرف اتصالات طرفین ترانسفورماتور می آورند . مثلاً مشخصه YNd11 بیانگر اتصال اولیه ستاره با مرکز ستاره زمین شده و ثانویه ، مثلث است که اختلاف زاویه بین اولیه و ثانویه برابر 330 می باشد . به این عدد گروه ترانسفورماتور می گویند .
به طور کلی مطابق استاندارد IEC76-4 ، نوع اتصالات ترانسفورماتورها می تواند مطابق یکی از اعداد 11،10،8،7،6،5،4،2،1،0 باشد . اصولاً اتصالات ترانسفورماتورها به چهار دستۀ مجزا تقسیم می شوند که عبارتند از :
1. دستۀ یک : به ترانسفورماتورهایی گفته می شود که دارای گروه 0،4 یا 8 هستند .
2. دستۀ دوم : به ترانسفورماتورهایی گفته می شود که دارای گروه 2،6 یا 10 هستند .
3. دستۀ سوم : به ترانسفورماتورهایی گفته می شود که دارای گروه 1 یا 5 هستند .
4. دستۀ چهارم : به ترانسفورماتورهایی گفته می شود که دارای گروه 7 یا 11 هستند .
اما دو موضوع مهم در گروه و اتصال ترانسفورماتورها ، تعیین گروه آنها با توجه به نوع اتصال ، و یا یافتن نوع اتصال سیم پیچ ها با توجه به دانستن گروه ترانسفورماتور می باشد .
الف ) تعیین گروه ترانسفورماتور با توجه به معلوم بودن اتصالات سیم پیچ ها
این موضوع را با شرح یک مثال بیان می کنیم . فرض کنید که اتصالات سیم پیچ های ترانسفورماتور ، به صورت ستاره – مثلث و مطابق با شکل زیر باشد . ابتدا بر روی این اتصالات ، سرهای ورودی و خروجی سیم پیچ ها با U,V,W (برای سیم پیچ اولیه) و u,v,w (برای سیم پیچ ثانویه) مشخص می شوند . سپس بردار نیروی محرکه تمام سیم پیچ ها را از انتهای هر فاز به سمت ابتدای هر فاز رسم می نماییم . لازم به ذکر است که سر سیم پیچ ها به معنای ابتدای فاز خواهد بود و طبعاً سر دیگر سیم پیچ ها به معنای انتهای فاز می باشد

برای یافتن گروه ترانسفورماتور ، دو دایره متحدالمرکز با قطرهای متفاوت رسم می کنیم و ساعت های 1 تا 12 را بر روی آن مشخص می سازیم . ابتدا بر روی دایره بزرگتر ، بردارهای ولتاژ سیم پیچ های اولیه رسم می شود . در اینجا با توجه به اتصال اولیه به صورت ستاره ، بردارهای OU ، OV و OW بر روی ساعت های 12 (یا صفر) ، 4 و 8 رسم می گردد . توجه شود که بین سرهای خروجی ، 4 ساعت یا 120 درجه اختلاف فاز می باشد . سپس نوبت به ترسیم بردارهای ولتاژ سیم پیچ های ثانویه می رسد . با توجه به اتصال مثلث سیم پیچ های ثانویه ، باید بردار ولتاژ vu در راستای بردار ولتاژ OU اولیه ، بردار ولتاژ wv ثانویه هم راستا با بردار ولتاژ OV اولیه ، و بردار ولتاژ uw ثانویه در راستای بردار ولتاژ OW اولیه رسم گردد . البته بردارهای هم راستا باید به گونه ای رسم شوند که اولاً بین سرهای خروجی ، معادل 4 ساعت اختلاف فاز داشته باشد ، و ثانیاً توالی فاز uvw (در جهت عقربه های ساعت) در ثانویه رعایت شود . حال با توجه به موقعیت ولتاژ u ثانویه که بر روی عدد 1 قرار گرفته است ، در می یابیم که گروه این نوع اتصال ، معادل 1 می باشد . به عبارت دیگر ، بین ولتاژ اولیه و ثانویه ، 30 درجه اختلاف فاز وجود دارد .
ب) تعیین اتصال سیم پیچ های ترانسفورماتور با توجه به معلوم بودن گروه آن
مشابه قسمت قبل ، این موضوع را با مثالی بیان می کنیم . فرض کنید که می خواهیم اتصال ترانسفورماتور Yd11 را رسم نماییم . در شکل زیر نحوه یافتن اتصالات یک ترانسفورماتور Yd11 نشان داده شده است

در این روش بر روی نمودار دایره ای ، و با توجه به اتصال سیم پیچ اولیه ، بردارهای ولتاژ OU ، OV و OW رسم می شود . سپس با توجه به گروه 11 ترانسفورماتور ، بردارهای uv ، vw و wu (با در نظر گرفتن این نکته که سر u روی عدد 11 ، سر v روی عدد 3 ، و سر w بر روی عدد 7 قرار گیرد) رسم می شود . پس از رسم نمودار دایره ای ، سیم پیچ اولیه و اتصالات آن رسم می شود و بر روی آن ، بردارهای ولتاژ مشخص می گردد . حال با توجه به مطالب گفته شده ، کافی است که سرهای خروجی را در ثانویه ترانسفورماتور تعیین نماییم . انتخاب سرهای خروجی باید به گونه ای صورت گیرد تا بردارهای ولتاژ سیم پیچ های اولیه و ثانویه با بردارهای ولتاژ اولیه و ثانویه بر روی نمودار ، یکسان باشد . در نهایت باید سرهای همنام u ، v و w ثانویه به هم متصل گردند تا اتصال مثلث کامل گردد که این روند در شکل نشان داده شده است .

قرقره ترانسفور ماتور

برای حفاظت و نگهداری از سیم پیچهای ترانسفورماتور خصوصاً در ترانسفورماتورهای کوچک باید از قرقره استفاده نمود. جنس قرقره باید از مواد عایق باشد. قرقره معمولاً از کاغذ عایق سخت، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیک میسازند. قرهقرههائی که از جنس ترموپلاستیک هستند، معمولاً یک تکه ساخته میشوند ولی برای ساختن قرقرههای دیگر آنها را در چند قطعه تهیه و سپس بر روی همدیگر سوار میکنند. بر روی دیوارههای قرقره باید سوراخ یا شکافی ایجاد کرد تا سر سیمپیچ از آنها خارج شود.
اندازه قرقره باید با اندازهٔ ورقههای ترانسفورماتور متناسب باشد و سیمپیچ نیز طوری بر روی آن پیچیده شود، که از لبههای قرقره مقداری پائینتر قرار گیرد تا هنگام جا زدن ورقههای ترانسفور ماتور، لایهٔ روئی سیم پیچ صدمه نبیند. اندازه قرقرههای ترانسفور ماتورها نیز استاندارد هستند، اما در تمام موارد، با توجه به نیاز، قرقره مناسب را میتوان طراحی کرد.

نکات قابل توجه قبل از حمل ترانسهای قدرت

پس از پایان مراحل ساخت و انجام موفقیتآمیز آزمایشات کارخانهای، قبل از جابهجائی ترانسفورماتور، از محلی به محل دیگر و قبل از بارگیری باید اقدامات زیر به روی ترانسفور ماتور انجام گیرد، بهمنظور کاهش ابعاد و وزن ترانسفورماتور و نیز از نظر فنی و محدودیّتهای ترافیکی، باید تجهیزات جنبی ترانسفورماتور ”کنسرواتور(منبع انبساط)، بوشینگها و...“ باز و بهطور جداگانه بستهبندی و آماده حمل گردند. اما خود ترانسفورماتور به طریق زیر حمل میگردد.
▪ حمل با روغن: ترانسفورماتورهای کوچک و ترانسفورماتورهائی که وزن و ابعاد آنها مشکلاتی را از نظر حمل ایجاد نمینمایند، معمولاً با روغن حمل میگردند. در این حال سطح روغن باید حدوداً ۱۵ سانتیمتر پایینتر از درپوش اصلی (سقف) ترانسفورماتور قرار داشته باشد.
توجه:
فاصله ۱۵ سانتیمتری فوقالذکر در مورد کلیه ترانسفورماتورها یکسان نبوده و توصیه میشود و به دستورالعمل کارخانه سازنده مراجعه شود.
لازم به ذکر است که در هنگام حمل روغن، قسمت فعال (Active Part) ترانسفورماتور باید کاملاً در داخل روغن قرار گیرد.
بهمنظور جلوگیری از نفوذ رطوبت و هوا به داخل ترانسفورماتور، فضای بین روغن و سقف ترانسفورماتور را با هوای خشک و یا گاز نیتروژن با فشار حدود ۲/۰ بار در هوای ۲۰ درجه پر میکنند. لازم به ذکراست که گاز نیتروژن باید کاملاً خشک باشد، در این حالت با نصب یک محفظه سیلیکاژل بسته (آببندی شده) بر روی ترانسفورماتور عمل جذب رطوبت انجام میشود. ضمناً جهت جلوگیری از پاشیدن روغن به داخل سیلیکاژل در طول حمل از یک وسیله حفاظتی استفاده میشود.
▪ حمل بدون روغن: ترانسفورماتورهای بزرگ بدون روغن حمل میگردند. در این موارد پس از تخلیه روغن، ترانسفورماتور را با هوای خشک (دارای رطوبت کمتر از ppmv ۲۵ و نقطه میعان کمتر از ۶۰ ـ درجه سانتیگراد) یا با نیتروژن (با درجه خلوص ۹.۹۹%) پر میکنند. لازم به ذکر است که در این حالت نیز در طول حمل باید فشار هوا یا نیتروژن بهطور مرتب کنترل گردد.

نکات قابل توجه و مهم در نصب و قبل از راهاندازی:

۱- کنترل ضربهنگار
۲- کنترل فشار هوا
۳- کنترل نقطه شبنم و اکسیژن
۴- کنترل استقرار ترانسفورماتور بر روی فوندانسیون
۵-کنترل تجهیزات جنبی ترانسفورماتور شامل بوشینگ، سیستم خنک کننده، رادیاتور، فن، پمپ، کنسرواتور و ملحقات آن
۶- سیستم تنفسی
۷- شیر اطمینان
۸- ترمومترها شامل ترمومتر روغن (کالیبره کردن ترمومتر) و ترمومتر سیم پیچ
۹- تپ چنجر
۱۰- رلهبو خهلتس

روغن ترانسفور ماتور

روغنهای ترانسفور ماتور عمدتاً ترکیبات پیچیدهای از هیدروکربنهای مشتق از نفت خام میباشند و به جهت دارا بودن خواص مورد نیاز، این نوع روغنها جهت ترانسفورماتورها مناسبتر تشخیص داده شدهاند.
خواص مورد نیاز برای روغنهای ترانسفور ماتور بهطور خلاصه عبارتند از:
▪ عایق کاری الکتریکی
▪ انتقال حرارت
▪ قابلیت خاموش کردن قوسالکتریکی
▪ پایداری شیمیائی
▪ سیل کردن ترانسفورماتور
▪ جلوگیری از خوردگی
▪ در مورد سفارش خرید روغن برای ترانسفورماتورها دو مورد مهم را مدنظر قرار میدهیم.
▪ انتخاب نوع روغن ترانسفورماتور
نوع روغن و کیفیت آن، براساس طراحی ترانسفورماتورها میباشد. بهعنوان مثال در یکی از بررسیها نوعی چسب که در داخل ترانسفورماتور بهکار برده شده بود توسط روغن ترانس حل گردید و باعث شد که ذرات چسب داخل روغن پراکنده شود و منجر به کاهش دیالکتریک روغن گردد. مورد دیگری که مورد آزمایش قرار گرفت، این بود که کاتالیزور مس و آهن باعث از بین بردن روغن تشخیص داده شده است. بنابراین نوع ترانسفورماتور و مواد به کار رفته در آن درتعیین نوع و کیفیت روغن آن تأثیر زیادی دارد.

آلودگی روغن ترانفسورماتورها:

بهطور کلی دو نوع آلودگی اصلی در روغن ترانسفور ماتورها عبارتند از:
۱- مواد معلق در روغن
۲- آب
۳- اکسیداسیون روغن
پس از شناسائی مؤلفههای روغن با آزمایشهای مختلف، تصمیم به تصفیه یت تعویض روغن اتخاذ میگردد.
بهطور کلی ۳ نوع آزمایش کلی بر روی روغن ترانسفورماتور انجام میگیرد که عبارتند از:
۱- آزمونهای فیزیکی
۲- آزمونهای شیمیائی
۳- آزمونهای قسمتهای الکتریکی
برخی از آزمایشهائی که باید روی روغن ترانسفورماتورها، انجام گیرد در زیر آمده است.
۱- تست اسیدیته
۲- تست گازهای حل شده در روغن
۳- تست کشش سطحی
۴- تست بیفنیل پلی کلرید (pcb)

تست ولتاژ شکست:

روغن ترانسفورماتورها معمولاً باید دارای ضریب شکست بیشتر از ۵۰ کیلو ولت باشند، که با انجام آزمایش ولتاژ شکست، نسبت به اندازهگیری آن اقدام میگردد. اگر این شاخص تا حد مشخصی کمتر از ۵۰ کیلو ولت باشد میتوان با تصفیه روغن موجود آن را اصلاح کرد، در غیر این صورت باید نسبت به تعویض روغن اقدام نمود.

آنالیز گاز کروماتورگرافی:

با توجه به اینکه مولکولهای روغن از ترکیبات هیدروکربن ساخته شدهاند، حرارت یا شکست الکتریکی میتواند باعث شکست مولکولهای روغن و تولید گازهای قابل اشتعالی مثل متان، اتیلن، اتان و سایر گازها شود، که در دراز مدت انفجار ترانسفورماتور را در پی خواهد داشت. تحلیل گاز کروماتوگرافی به اندازهگیری میزان گازهای تولید شده در روغن ترانسفورماتور و آنالیز آنها میپردازد.

تکنولوژی ساخت

ساخت ترانسفورماتورهای فشار قوی فاقد روغن، در طول عمر یکصد ساله ترانسفور ماتورها، یک انقلاب محسوب میشود. ایده استفاده از کابل با عایق پلیمر پلیاتیلن، بهجای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی از ذهن یک محقق سوئدی به نام پرفسور ”Mats lijon“ تراوش کرده است.
تکنولوژی استفاده از کابل بهجای هادیهادی مسی دارای عایق کاغذی، نخستین بار در سال ۱۹۹۸ در یک ژنراتور فشار قوی بهنام ”Power Former“ بهکار 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 میدانالکتریکی متقارنی دارند. بر این اساس ژنراتوری میتوان ساخت که برق را با سطح ولتاژ شبکه تولید کند بهطوری که نیاز به ترانسفورماتور افزاینده نباشد. در نتیجه این کار، تلفات الکتریکی به میزان ۳۰ درصد کاهش مییابد.
در یک کابل پلیمری فشار قوی، میدان الکتریکی در داخل کابل باقی میماند و سطح کابل دارای پتانسیل زمین میباشد. در عین حال میدان مغناطیسی لازم برای کار ترانسفورماتور تحت تأثیر عایق کابل قرار نمیگیرد. در یک ترانسفورماتور خشک، با استفاده از تکنولوژی کابل، امکانات تازهای برای بهینه کردن طراحی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، نیروهای مکانیکی و تنشهای گرمائی فراهم کرده است.
در فرآیند تحقیقات و ساخت ترانسفورماتور خشک، در مرحله نخست یک ترانسفورماتور آزمایشی تک فاز با ظرفیت ۱۰ مگا ولتآمپر (Dry former)، طراحی، ساخته و آزمایش گردید.
”Dry former“ اکنون در سطح ولتاژهای از ۳۶ تا ۱۴۵ کیلوولت و ظرفیت تا ۱۵۰ مگاولت آمپر وجود دارد.

ویژگیهای ترانسفورماتورهای خشک

با پیشرفت تکنولوژی امکان ساخت ترانسفورماتورهای خشک با بازدهی بالا فراهم شده است.
ترانسفورماتور خشک دارای ویژگیهای منحصر به فردی است از جمله:
۱- به روغن برای خنک شدن، یا بهعنوان عایق الکتریکی نیاز ندارد. سازگاری این نوع ترانسفورماتور با طبیعت و محیط زیست یکی از مهمترین ویژگیهای مهم آن است. بهدلیل عدم وجود روغن، خطر آلودگی خاک و منابع آب زیرزمینی و همچنین احتراق و خطر آتشسوزی کم میشود.
با حذف روغن و کنترل میدانهای الکتریکی که در نتیجه آن خطر ترانسفورماتور از نظر ایمنی افراد و محیط زیست کاهش یافته است. امکانات تازهای را از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم کرده است. به این ترتیب امکان نصب ترانسفورماتور خشک در نقاط شهری و جاهائی که از نظر زیست محیطی حساس هستند، وجود دارد.
۲- در ترانسفورماتور خشک بهجای بوشینگ چینی در قسمتهای انتهائی از عایق سیلیکن را بر (Silicon rubber) استفاده میشود. به این ترتیب خطر ترک خوردن چینی بوشینگ و نشت بخار روغن از بین میرود.
۳- کاهش مواد قابل اشتعال، نیاز به تجهیزات گسترده آتشنشانی را کاهش میدهد. بنابراین از این دستگاهها در محیطهای سرپوشیده و نواحی سرپوشیده شهری نیز میتوان استفاده کرد.
۴- 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 خنک کننده خواهد بود.
۵- از دیگر ویژگیهای ترانسفورماتور خشک، کاهش تلفات الکتریکی است. یکی از راههای کاهش تلفات و بهینه کردن طراحی ترانسفورماتور، نزدیک کردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژی تا حد ممکن است تا از مزایای انتقال نیرو به قدر کافی بهرهبرداری شود. با بهکارگیری ترانسفورماتور خشک این امر امکانپذیر است.
۶- اگر در پست، مشکل برق پیش آید، خطری متوجه عایق ترانسفور ماتور نمیشود. زیرا منبع اصلی گرما یعنی تلفات در آن تولید نمیشود. بهعلاوه چون هوا واسطه خنک شدن است و هوا هم مرتب تعویض و جابهجا میشود، مشکلی از بابت خنک شدن ترانسفورماتور بروز نمیکند.

سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها (TMMS)

سیستم TMMS (Transformer Monitoring Management System) فارادی یک سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتور است.
سیستم TMMS براساس جمعآوری اطلاعات بحرانی بهرهبرداری ترانسفورماتور و تجزیه و تحلیل آنها عمل مینماید.
سیستم TMMS با تجزیه و تحلیل 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 فرآیند نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها مورد نیاز بوده و توسط سنسورهای مخصوص جمعآوری میگردند به شرح زیر میباشند.

گازهای موجود در روغن ترانسفورماتورهمراه با ئیدران

▪ آب موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با Acquaoil ۳۰۰
▪ جریان بار ترانسفورماتور
▪ دمای نقاط مختلف ترانسفورماتور
▪ وضعیت تپ جنچر ترانسفورماتور
▪ سیستم خنک کنندگی ترانسفورماتور
اطلاعات بهرهبرداری فوق جمعآوری شده و بههمراه سایر اطلاعات موجود بهطور مستمر تجزیه و تحلیل 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 جباب در داخل روغن ترانسفورماتور
▪ ملزومات نگهداری ترانسفورماتور
سیستم TMMS فارادی را میتوان برای ترانسفورماتورهای موجود بهکار برد و همچنین میتوان آن را در ساختمان ترانسفورماتورهای جدید طراحی و نصب نمود.
ارتقاء سیستم TMMS فارادی با افزودن سنسورهای اضافی میتوانید باعث ارتقاء عملکرد آن برای مواد زیر گردید.
▪ حداکثر نمودن ظرفیت بارگذاری ترانسفورماتور برای بهرهبرداری اقتصادی و بهینه
▪ تشخیص عیب و توصیه راه حل در ترانسفورماتورها
▪ مدیریت عمر ترانسفورماتور و افزایش آن
▪ تکمیل و توسعه فرایند و عملیاتی مدیریت ترانسفورماتورها با کمک اطلاعات اضافی تهیه شده در زمان حقیقی
▪ کاهش و حذف خروجی ترانسفورماتورها بهصورت برنامهریزی شده و یا ناشی از خطا
▪ آشکارسازی علائم اولیه پیدایش خطا در ترانسفورماتورها
▪ نمایش مراحل تکامل و شکلگیری شرایط پیدایش خطا

ترانسفورماتورها سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای عامل K

هارمونیکهای تولید شده توسط بارهای غیر خطی 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 به شدت افزایش میدهند. بههمین 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، بهنام عامل K را ابداع کردهاند. عامل K نشان دهنده مقدار افزایش در تلفات فوکو است. بنابراین ترانسفورماتور عامل K میتواند باری به اندازه ظرفیت نامی ترانسفورماتور را تغذیه نماید مشروط بر اینکه عامل K بار غیر خطی تغذیه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادیر استاندارد عامل K برابر با ۴، ۹، ۱۳، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ میباشند. این نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونیک را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم میباشند.
ترانسفورماتور (HMT (Harmonic Mitigating Transformer نوع دیگری از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای HMT هستند که از صاف شدن بالای موج ولتاژ بهواسطه بریده شدن آن جلوگیری میکند HMT، طوری ساخته شده است که اعو جاج ولتاژ سیستم و اثرات حرارتی ناشی از جریانهای هارمونیک را کاهش میدهد. HMT این کار از طریق حذف فلوها و جریانهای هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیم پیچیهای ترانسفورماتور انجام میدهد.
چنانچه شبکههای توزیع نیروی برق مجهز به ترانسفورماتورهای HMT گردند میتوانند همه نوع بارهای غیر خطی (با هر درجه از غیر خطی بودن) را بدون اینکه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه نمایند. به همین دلیل در اماکنی که بارهای غیر خطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT به صورت گسترده استفاده میشود.

مزایای ترانسفورماتور HMT

▪ میتوان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیکها (شامل هارمونیکهای سوم، نهم و پانزدهم) در سیم پیچ اولیه، از طریق حذف فلوی آنها در سیم پیچیهای ثانویه جلوگیری کرد.
▪ترانسفورماتورهای HMT با یک خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته میشوند. وقتی که هر دو مدل با هم بهکار 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 سیم پیچیهای ثانویه حذف کنند.
▪ ترانسفورماتورهای HMT با سه خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم را در داخل سیم پیچی ثانویه حذف کنند.
▪ کاهش جریانهای هارمونیکی در سیمپیچیهای اولیه HMT باعث کاهش افت ولتاژهای هارمونیکی و اعو جاج مربوطه میشود.
کاهش تلفات توان بهعلت کاهش جریانهای هارمونیکی بهعبارت دیگر ترانسفورماتور HMT باعث ایجاد اعو جاج ولتاژ خیلی کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی یا ترانسفورماتور عامل K میشود.
ساختار میکروسکوپی ورقهای فولاد سیلیسیم‌دار هسته ترانسفورماتور در مراحل مختلف تولید توسط اچانت‌های مختلف
ورقهای فولاد سیلیسیم‌دار با بافت و ساختار ویژه، در ترانسفورماتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند. فرآیند تولید ورقهای فولاد الکتریکی از مراحل مختلفی تشکیل می‌شود و از آنجا که عدم دقت در انجام هر مرحله می‌تواند منجر به تولید ورق با کیفیت نامناسب گردد، لذا کنترل دقیق هر مرحله حایز اهمیت خاص می‌باشد. یکی از بهترین روشها برای کنترل کیفیت در هر مرحله انجام آزمایشهای ساده متالوگرافی به منظور مشخص نمودن ساختار می‌باشد.

ترانسفورماتورهای ابررسانای دمای بالا(HTS)

توجه جدی به ترانسفورماتورهای ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهای دمای پایین LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn)از اوایل دهه 1960 آغاز شد . مطالعاتی که در آن زمان بر روی این ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان دهنده آن بود که جهت بهره برداری موثر از این ترانسفور ماتورها ، باید آنها را در دمای 4.2 K نگه داشت که فراهم کردن چنین شرایطی ضمن پیچیدگیهای فنی ، از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه نبود . به همین دلیل تحقیقات و پژوهشها بسوی کشف موادی با قابلیت ابررسانایی در دماهای بالاتر ، معطوف گردید .
کشف ابررساناهای دمای بالا یا HTS 1 در سال 1986 به طور قابل ملاحظه ای چشم انداز استفاده از ابررساناها را در سیستم قدرت الکتریکی تغییر داد ، زیرا دمای بحرانی Tc در این ابررساناها به طور چشمگیری افزایش یافته بود . تلفات پایین و قابلیت حمل جریان بالا در هادیهای HTS سبب می شود تا تجهیزات الکتریکی دارای بازده کاری بهتر و توان بالاتر ساخته شوند . علاوه بر آن تجهیزات ساخته شده با مواد HTS از نظر سازگاری محیط زیستی نیز مقبولیت بیشتری دارند که از آن جمله میتوان از ترانسفورماتورهای HTS که در آنها روغن بکار نرفته است، اشاره شود. همچنین پتانسیل و کشش بازار جهانی برای ترانسفورماتورهای ابررسانا بیش از 1 میلیارد دلار می باشد. علی رغم مزایای ذکر شده کماکان موانع جدی برای توسعه کاربرد HTS در صنعت برق وجود دارد که مهمترین آنها ابتدا سیستم خنک کنندگی و دوم نرخ کارکرد به هزینه هادی HTS می باشد.به عبارتی، جهت توسعه کاربرد هادیهای HTS ، لازمست که هزینه این هادیها ، حتی الامکان کم شود . این هادیها جهت مصارف گوناگون میتوانند بکارروند مثل : کابلهای قدرت ، ترانسفورماتورها ، موتورها و محدودکننده های جریان خطا (SCFCL).در زیر به بررسی کاربرد HTS در ترانسفورماتور خواهیم پرداخت.

ترانسفورماتورهای HTS

ترانسفورماتورها یکی از مهمترین عناصر شبکه های انتقال و توزیع هستند . در ترانسفورماتورها انرژی الکتریکی در مس سیم پیچها ، آهن هسته ، تانک ترانس و سازه های نگهدارنده به صورت حرارت تلف می شود . حتی در زمانیکه ترانسفورماتور بدون بار است ، در هسته تلفات بی باری(NL) بوجود می آید. اخیراً با جایگزینی فلزات بی شکل و غیر بلوری (Amorphous) به جای آهن سیلیکونی در هسته ترانسفورماتورهای توزیع با قدرت نامی کوچکتر از KVA 100 ، تلفات بی باری باز هم کاهش یافته است . این کار هنوز در مورد ترانسفورماتورهای بزرگ با قدرت نامی بزرگتر از KVA 500 انجام نشده است .
اگر چه برای هر ترانسفورماتور ، 1 درصد توان نامی آن به عنوان توان تلفاتی در نظر گرفته می شود ، اما باید توجه داشت که آزادسازی بخش کوچکی از این تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئی کلانی را به همراه خواهد داشت . در ترانسفورماتورهای قدرت معمول ، تقریباً 80 درصد از کل تلفات ، مربوط به تلفات بارداری ترانسفورماتور است که از این 80% ، سهم تلفات اهمی سیم پیچها 80% بوده و 20% دیگر مربوط به تلفات ناشی از جریانهای فوکو و شارهای پراکنده است . لذا تلاشهای زیادی جهت کاهش تلفات بارداری صورت میگیرد.در ابررساناها به علت عدم وجود مقاومت اهمی در برابر جریان ، تلفات اهمی برابر با صفر است . لذا با استفاده از ابررسانا در ترانسفورماتورها ، تلفات کل ترانسفورماتور ، کاهش قابل ملاحظه ای خواهد یافت .
تلاشهایی که جهت توسعه ترانسفورماتورهای ابررسانا انجام میگردد، صرفاً به خاطر مسایل اقتصادی و کاهش هزینه کل نیست . یکی دیگر از دلایل طرح این مبحث آنست که در مراکز پرتراکم شهری ، رشد مصرف 2 درصدی سالیانه به معنی نیاز به افزایش سیستمهای موجود است . از طرفی بسیاری از پستهای توزیع به صورت سرپوشیده (Indoor) بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند . در این نوع پستها همانند دیگر پستهای توزیع از ترانسهای روغنی استفاده می شود که استفاده از روغن ، مشکلات و خطرات زیست محیطی و ایمنی مربوط به خود را دارد . در حالیکه در ترانسفورماتورهای ابررسانا ، ماده خنک کننده نیتروژن است که خطری برای افراد و موجودات زنده نداشته ، به علاوه خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد .به همین لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهای ابررسانا، به هیچ عنوان قابل مقایسه با روغنهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی همچون PCB نیست .
همانطور که ذکر شد ،توجه جدی به ترانسفورماتورهای ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهای دمای پایین LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn) از اوایل دهه 1960 آغاز شد .اما مطالعاتی که در آن زمان بر روی این ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان داد که جهت بهره برداری از این ترانسفورماتورها باید آنها را در دمای 4.2 Kنگه داشت که انجام چنین کاری اقتصادی نیست .

پروژه های ترانسفورماتورهای HTS در جهان

پس از کشف مواد HTS در سال 1986 ، تحقیقات جهت امکان عملی ساخت ترانسفورماتورهای HTS شروع شد . تحقیقات در سال 1994 نشان داد در صورت استفاده از ترانسفورماتورهای HTS در محدوده قدرت تا MVA 500 ، میزان صرفه جویی در هزینه ، 70% و کاهش وزن آنها 40% نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی خواهد بود .
در ژاپن به دلیل تراکم بالای جمعیت ، یکی از فواید اساسی ترانسفورماتورهای HTS ، کاهش قابل ملاحظه وزن و حجم آنهاست . همانطوریکه کابلهای HTS قابلیت انتقال بیشتر توان را از طریق کانالهای موجود دارا هستند ، ترانسفورماتورهای HTS نیز میتوانند در فضای موجود ، قدرت بیشتری نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی تأمین کنند . به همین دلیل در ژاپن کوچک شدن فضای اشغال شده و وزن ترانسفورماتورها به عنوان مهمترین مزیت این نوع ترانسفورماتورها مطرح است
در اروپا ، علاقه به استفاده از ترانسفورماتورهای کوچک HTS در قطارهای سریع السیر ، رشد روز افزونی یافته است . پتانسیل و کشش بازار جهانی برای ترانسفورماتورهای ابررسانا بیش از 1 میلیارد دلار می باشد .

مقایسه فنی بین ترانسفورماتورهای معمولی و HTS

برای درک بهتر ترانسفورماتور HTS ، در این قسمت آنرا با یک ترانسفورماتور روغنی مقایسه می کنیم .بر این اساس ، یک ترانس معمولی روغنی MVA 100 ، سه فاز ، Hz 50 و kV 22/66 طراحی شد .پارامترهای طراحی ترانس روغنی معمولی در جدول (1) آورده شده است. یک ترانسفورماتور HTS نیز براساس مقادیر مشابه و درصد امپدانس 5/7% مانند ترانسفورماتور روغنی معمولی طراحی شده است . سیم پیچ فشار قوی 5 لایه دارد و هر لایه 98 دور دارد .در حالیکه سیم پیچ فشار ضعیف شامل سه لایه 163 دوری است . استحکام مکانیکی سیم پیچهای HTS باید به اندازه سیم پیچهای ترانسفورماتور روغنی باشد.برای این این منظور از نوارهای استیل با اندازه های برابر نوار HTS استفاده شد . پارامترهای طراحی ترانسفورماتور HTS در جدول(1) زیر آورده شده است .
جدول (1).مشخصات ترانسفورماتورهای مورد مطالعه

ترانس روغنی معمولی	ترانس HTS
پارامترها	پارامترها	مشخصات
Core-Type  سه فاز	Core-Type  سه فاز	نوع سازه
MVA  100	MVA  100	ظرفیت
kV  22/  66	kV  22/  66	ولتاژ (ثانویه / اولیه )
A   1515/ 505	A   1515/ 505	جریان (ثانویه / اولیه )
5/7%	5/7%	درصد امپدانس
V135	V135	ولتاژ یک دور
T73/1	T73/1	چگالی شار در هسته
مس	نوار Bi-2223/Ag	هادی
163 / 489	163 / 489	تعداد دورها
M  443  / M1653	M  30150 / M  34021	طول سیم
روغن	نیتروژن مایع	سیستم خنک کنندگی سیم پیچ
---------------------	T  27/0	میدان فاصله هوایی
روغن	------------------	سیستم خنک کنندگی هسته

با توجه به پارامترهای بالا ، ترانسفورماتور روغنی و ترانسفورماتور HTS در جدول (1) مقایسه شده اند . چگالی شار در هسته دارای مقدار T 73/1 برای هر دو ترانس است . اندازه پنجره هسته در ترانسفورماتور HTS حدود 15% کوچکتر از یک ترانس معمولی است . وزن هسته ترانسفورماتور HTS حدود 15% سبک تر از یک ترانس معمولی است . بازده ترانسفورماتور HTS 91/99 % است که حدود 3/0% بزرگتر از یک ترانسفورماتور معمولی است .
جدول(2) . مقایسه ترانسفورماتورهای مورد مطالعه

ترانسفورماتور HTS	ترانسفورماتور روغنی معمولی
mm  20 * 1950	mm  550 * 2600	ابعاد پنجره(W*H)
T73/1	T73/1	چگالی شار در هسته آهنی
V135	V135	ولتاژ یک دور
5/7%	5/7%	IX%
t  5/32	t   0/37	وزن هسته
KW90	KW380	تلفات
91/99%	62/99%	بازده

نتیجتا ورود مواد HTS چشم اندازهای زیادی برای کاربردهای عملی ابررسانا باز کرده است . کلافهای ابررسانا برای ترانسفورماتورهای قدرت و ترانسفورماتورهای انتقال صرفه جویی های عمده ای در انرژی را ایجاد می کند و هزینه هایی را که در مدت طول عمر برای تولید کنندگان برق یا شرکتهای راه آهن به وجود می آید، کاهش می دهد . سایر مزایای چشمگیر ترانسفورماتورهای ابررسانا عبارتند از :
1- اضافه بارها را بدون کاهش طول عمری که بوسیله آسیب های حرارتی ایجاد می شود ، سپری می کنند.
2- خطرات آتش سوزی و زیست محیطی به جهت حذف روغن عایق کننده کاهش می یابد.
3-وزن ترانسفورماتورها کاهش می یابدو ابعاد آنها فشرده تر می شود.
آمار نشان می دهد که ترانسفورماتورهای HTs به عنوان نسل جدیدی از ترانسفورماتورها در آینده نقش اساسی ای را در صنعت برق ایفاء خواهند کرد . لذا شناخت، بررسی و ساخت این نوع ترانسفورماتورها در کشور امری ضروری و اجتناب ناپذیر به نظر می رسد .

معرفی سیستم مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور

عملکرد ترانسفورماتور در سطوح مختلف نقش کلیدی و موثری در حفظ پایداری و ارتقای قابلیت اطمینان شبکه قدرت دارد، اما عوامل متعددی از قبیل بهره‌برداری غلط، عدم انجام سرویس و تعمیرات به موقع که ناشی از عدم دسترسی به اطلاعات جامع درخصوص ترانسفورماتور است، موجب به وجود آمدن شرایط بحرانی برای آن می‌شود. این شرایط بحرانی علاوه بر اینکه منجر به کاهش طول عمر ترانسفورماتورها (پیری زودرس) و یا تحمیل هزینه‌های تعمیرات و تعویض قطعات آن می‌شود، بعضاً موجب از مدار خارج شدن ترانسفوماتورها و به دنبال آن محدودیت در انتقال قدرت در شبکه می‌شود. با توجه به اهمیت ترانسفورماتور، در سالهای اخیر کنترل بهینه آن در دنیا مورد توجه قرار داشته است و برای رسیدن به این هدف سیستم‌های مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور که بر پایه استخراج پارامترهای ترانسفورماتور و پردازش و آنالیز آنها عمل می‌کنند طراحی و ساخته شده‌اند. هرچند دستگاه‌های متداول حفاظتی ترانسفورماتور شامل انواع رله‌ها، ترمومتر، برقگیر و … برای تشخیص و حفاظت از خطا در شبکه استفاده می‌شوند، اما به دلیل اهمیت موضوع، امروزه مراقبت از ترانسفورماتور دامنه وسیع‌تری پیدا کرده و شامل انواع روش‌های حفاظتی و نگهداری بازدارنده و تشخیص عیوب قریب‌الوقوع شده است. در حقیقت بسیاری از بهره‌برداران علاقمند هستند که از وضعیت داخل ترانسفورماتورهای قدرت باخبر شوند. به این ترتیب علاوه بر جلوگیری از وارد آمدن خسارات جدی به ترانسفورماتور، با اطلاع‌رسانی به موقع می‌توان موجب تداوم انتقال انرژی الکتریکی شد. به طور کلی می‌توان به مزایای زیر درخصوص بکارگیری از سیستم مانیتورینگ On-Line اشاره کرد:
- افزایش قابلیت اطمینان به ترانسفورماتور با حداقل‌سازی قطعی‌های ناخواسته
- کاهش ضرر ناشی از انرژی توزیع نشده و یا پرداخت خسارت به مشترکان
- امکان اعمال تعمیرات براساس شرایط واقعی و نیز کاهش هزینه‌های ناشی از خطاهای غیر منتظره و در نتیجه کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
- بهره‌برداری از ظرفیت ترانس
- افزایش طول عمر بهره‌برداری از ترانس که موجب به تعویق انداختن سرمایه‌گذاری برای جایگزینی ترانسفورماتور یا بهینه‌سازی آن می‌شود.
معماری کلی سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور طراحی شده در پژوهشگاه نیرو در سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور، اطلاعات از بخش‌های مختلف ترانس به صورت سیگنال‌های آنالوگ و از تابلوهای کنترل ترانس و کنترل تپ چنجر و … به صورت سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال جمع‌آوری می‌شود. اطلاعات جمع‌آوری شده از این بخش‌ها وارد تابلویی به نام Junction-Box می‌شود. این تابلو که در محوطه بیرونی پست قرار می‌گیرد،
از یک‌سری ترمینال جهت دسته‌بندی اطلاعات تشکیل شده است. سپس اطلاعات دسته‌بندی شده از طریق کابل‌های پررشته به صورت گروه‌های ورودی دیجیتال، ورودی آنالوگ و خروجی دیجیتال به اتاق کنترل ارسال می‌شود. در اتاق کنترل اطلاعات به کارت‌های دیجیتال و آنالوگ سیستم کنترل وارد شده و توسط CPU پردازش‌های لازم بر روی آنها انجام می‌شود. جهت دسترسی به یک‌سری امکانات دیگر نظیر مشاهده On-Line، ذخیره‌سازی و آنالیز، اطلاعات به یک کامپیوتر صنعتی ارسال می‌شود.

قابلیت‌های سیستم‌های مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور

در ادامه، به معرفی قابلیت‌ها و امکانات سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور که در پست 230 کیلوولت کن بر روی ترانسفورماتور T4 اجرا شده، می‌پردازیم.
- اندازه‌گیری دماهای بالا و پایین روغن: دمای روغن یکی از پارامترهای مهم ترانسفورماتور است که به عنوان مبنای کنترل ورود و خروج فن‌ها و صدور فرامین آلارم و تریپ حرارتی درنظر گرفته می‌شود. در سیستم‌های قدیمی این دما فقط در قسمت بالای روغن اندازه‌گیری می‌شد، اما در سیستم مانیتورینگ On-Line به منظور افزایش دقت درمحاسبات، دما در دو قسمت مختلف ترانسفورماتور یکی در قسمت بالای روغن و دیگری در قسمت پایین، اندازه‌گیری و نمایش داده می‌شود. در این سیستم دمای روغن علاوه بر موارد ذکر شده، پارامتر اساسی در محاسبه دمای نقطه داغ سیم‌پیچ نیز است.
- محاسبه دمای نقطه داغ سیم‌پیچ: از دیگر دماهای با اهمیت در ترانسفورماتورها، دمای نقطه داغ سیم‌پیچ است که مشابه دمای روغن پارامتر کنترل کننده سیستم خنک کننده و صدور فرامین آلارم و تریپ حرارتی است. از سوی دیگر از آنجایی که استرسهای حرارتی یکی از مهمترین عوامل زوال عایقی ترانسفورماتورها است و داغ‌ترین نقطه سیم‌پیچ ترانسفورماتور محتمل‌ترین مکان برای شکست عایقی است، بنابراین مهمترین عامل محدودکننده بارگذاری ترانسفورماتور است و تعیین دقیق آن سبب می‌شود ارزیابی بهتری از قابلیت بارگذاری، عمر از دست رفته و عمر باقیمانده ترانسفورماتور امکان‌پذیر شود. سه روش اصلی به شرح زیر برای تعیین دمای نقطه داغ وجود دارد: - اندازه‌گیری مستقیم (حسگر فیبر نوری)
- شبیه‌سازی دمای نقطه داغ
- محاسبه با استفاده از مدل‌های حرارتی استاندارد
روش‌ اندازه‌گیری مستقیم با استفاده از فیبر نوری دقیق‌ترین روش موجود است. اما به علت هزینه بالا و قابلیت اطمینان نسبتاً پایین و حساسیت و شکنندگی، حسگرهای فیبر نوری هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است و بیشتر در تحقیقات آزمایشگاهی به کار می‌رود. نکته دیگری که درباره این حسگرها باید گفت این است که نصب آنها تنها در هنگام ساخت یا تعمیرات ترانسفورماتور امکان‌پذیر است.
در ترانسفورماتورهای موجود، این دما از طریق قرار دادن یک ترمومتر دمایی و به روش شبیه‌سازی بدست می‌آید. مشکل این نوع تجهیزات این است که صحت دمای اندازه‌گیری شده و نقاط تنظیم به دقت دماسنج و همچنین توانایی تکنسین بستگی دارد. دقت این ترمومترها که توسط پست‌های حرارتی در کارخانه کالیبره می‌شود معمولاً حدود 2 تا 3 درجه سانتیگراد است و با گذشت زمان ممکن است به 5 تا 10 درجه سانتیگراد هم تغییر یابد که در این زمان باید مجدداً کالیبره شود.
به دلایل ذکر شده در سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور، به جای روش شبیه‌سازی، دمای سیم پیچ از طریق یک‌سری محاسبات طبق استاندارد IEC که متناسب با شرایط مختلف خنک‌کنندگی ترانسفورماتور است، به دست می‌آید.
اندازه‌گیری و نمایش ولتاژ و بار و توان: ولتاژ و جریان و توان ترانسفورماتور در بخش‌های HV، LV اندازه‌گیری و در سیستم مانیتورینگ نمایش داده می‌شود. علاوه بر آن به کمک این مقادیر توان راکتیو و ضریب توان محاسبه می‌شود.
محاسبه پیری حرارتی عایق ترانسفورماتور: در سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور، پیری حرارتی عایق ترانسفورماتور بر پایه دمای نقطه داغ سیم پیچ محاسبه می‌شود.
آشکارسازی گازهای محلول: یکی از خطاها و اشکالات موجود در ترانسفورماتور تولید گازهای مضر محلول در روغن در اثر عواملی از جمله تخلیه جزئی، حرارت ناشی از افزایش بارگیری و .. است. در حال حاضر برای شناسایی این اشکالات، از روغن ترانسفورماتور به صورت دوره‌ای نمونه‌برداری و در آزمایشگاه آنالیز می‌شود. از آنجائی که برنامه نمونه‌گیری و آنالیز روغن در دوره‌های زمانی معین انجام می‌شود ممکن است بعضی از خطاها آشکار نشود و یا اینکه بر طبق این برنامه ثابت دوره‌ای، انجام تست پس از به وجود آمدن یک شرایط بحرانی برای ترانسفورماتور انجام شود. در سیستم مانیتورینگ On-Line با قراردادن یک دستگاه آشکارساز گاز در روغن می‌توان مقدار گاز را به طور پیوسته اندازه‌گیری و نمایش داد و در صورت بروز خطا توسط این دستگاه آلارم مناسب تولید کرد. علاوه بر اینکه به کمک این دستگاه می‌توان خطاها را در زمان تولید آشکار کرد، خطاهای در حال پیشرفت در ترانسفورماتور نیز از طریق نرخ تغییرات گازهای تولید شده مشخص می‌شود و از این راه می‌توان از بوجود آمدن خطرات جدی بر روی ترانسفورماتور جلوگیری کرد.
اندازه‌گیری رطوبت در روغن: رطوبت به عنوان یکی از عوامل مخرب، نقش مهمی در کاهش عمر عایقی ترانسفورماتور دارد. عمر حرارتی کاغذ متناسب با مقدار رطوبت آن است به طوری که اگر مقدار رطوبت کاغذ دو برابر شود عمر آن به نصف کاهش می‌یابد. از طرف دیگر افزایش رطوبت در نواحی با شدت میدان الکتریکی بالا موجب کاهش آستانه شروع تخلیه جزئی و افزایش شدت آن شده و در نهایت موجب وارد شدن خسارات جدی به ترانسفورماتور می‌شود. در ترانسفورماتورها معمولاً مقداری رطوبت در طی فرآیند خشک کردن باقی می‌ماند که به مرور زمان این مقدار در اثر رطوبت هوا و تجزیه روغن و مواد سلولزی بیشتر می‌شود. در حال حاضر روغن ترانسفورماتور به صورت دوره‌ای نمونه‌برداری و در صورت لزوم به کمک دستگاه oiltreatment تصفیه می‌شود. از آنجائی که این نمونه‌برداری به صورت دوره‌ای است ممکن است در زمان مناسب انجام نشود و خسارات جدی به سیستم عایقی ترانسفورماتور وارد شود. در سیستم مانیتورینگ On-Line با توجه به اهمیت رطوبت، دستگاهی برای اندازه‌گیری آن قرار داده می‌شود که به طور مداوم مقدار رطوبت روغن را اندازه‌گیری می‌کند. در این سیستم در صورت افزایش رطوبت با تولید آلارم، بهره‌بردار جهت انجام تست دوره‌ای مطلع می‌‌شود.
کنترل سیستم خنک‌کنندگی: سیستم خنک‌کنندگی ترانسفورماتور یکی از مهمترین بخش‌های آن است که کنترل آن باید از طریق سیستم مانیتورینگ ترانسفورماتور به صورت بهینه انجام شود. هدف از این کنترل قراردادن ترانسفورماتور در دمای نسبتاً ثابتی است. برای رسیدن به این هدف در تعیین دمای ترانسفورماتور باید دقت کافی اعمال شود. در این سیستم دمای بالای روغن توسط سنسور حرارتی با دقت بالا اندازه‌گیری و دمای نقطه داغ سیم پیچ با توجه به بار و دمای محیط محاسبه می‌شود. با استفاده از این مقادیر پیش فرض برای کنترل سیستم خنک‌کننده، فرامین کنترلی مناسب برای راه‌اندازی سیستم از طریق PLC به مدارات فرمان ارسال می‌شود.
پیش‌بینی زمان سرویس تجهیزات سیستم خنک‌کننده: تعمیرات و سرویس به موقع تجهیزات خنک‌کننده ترانسفورماتور نقش به سزائی در عملکرد صحیح این سیستم دارد. در حال حاضر سرویس تجهیزات به صورت دوره‌ای انجام می‌شود. ولی از طریق سیستم مانیتورینگ ترانسفورماتور با اندازه‌گیری مدت زمان روشن بودن هر یک از فن‌ها زمان مورد نیاز برای سرویس این تجهیزات برحسب شرایط و نیاز واقعی مشخص می‌شود.
اندازه‌گیری دمای روغن تپ‌چنجر: تپ‌چنجر یکی از بخش‌های مهم و اساسی ترانسفورماتور است که سلامت آن تاثیر مستقیمی در عملکرد ترانسفورماتور دارد. طی نتایج بررسی‌های به عمل آمده از تحقیقات آماری برای شناسایی خطاهای ترانسفورماتور مشخص شده که بخش عظیمی از این خطاها مربوط به بخش تپ‌چنجر آن است. یکی از مشکلات تپ‌چنجر کثیفی کنتاکت‌ها و ایجاد گرمای اضافی در روغن است که این افزایش گرما باعث کربنیزه‌شدن روغن و ایجاد آلودگی بیشتر شده که در نهایت کاهش قدرت عایقی روغن را به همراه دارد. به همین دلیل یکی از روش‌های شناسایی خطا در تپ‌چنجر اندازه‌گیری دما به صورت پیوسته است. از آنجایی که تانک تپ‌چنجر به صورت مکانیکی به تانک اصلی کوپل شده است، بنابراین اختلاف بین دمای تپ‌چنجر و تانک اصلی می‌تواند به عنوان معیاری برای شناسایی خطاهای آن باشد.
نمایش Tap-Position ترانسفورماتور: یکی از پارامترهای قابل اندازه‌گیری ترانسفورماتور مقدار تپ آن می‌باشد. علاوه بر نمایش این مقدار در سیستم مانیتورینگ از آن در محاسبات نیز استفاده می‌شود.
پیش‌بینی زمان سرویس قطعات تپ‌چنجر: سلامت تپ‌چنجر نقش کلیدی در صحت عملکرد ترانسفورماتور دارد. قطعات تپ‌چنجر در هنگام عملکرد ناشی از تغییر تپ و یا در اثر خوردگی ناشی از جریان فرسوده شده و نیاز به سرویس و یا تعویض دارند. این سرویس باید در زمان مناسبی انجام شود، تا عملکرد ترانسفورماتور تحت تاثیر خرابی تپ‌چنجر قرار نگیرد. در سیستم مانیتورینگ به کمک ثبت تعداد عملکردهای انجام شده و انجام محاسبات می توان زمان سرویس و یا تعویض قطعات را پیش‌بینی کرد.
تعیین عملکرد رله‌های حفاظتی: به منظور ارزیابی صحیح‌تر از وضعیت ترانسفورماتور سیگنال‌های حفاظتی ترانسفورماتور از تابلوهای موجود پست استخراج و در سیستم ثبت می‌شود.
محاسبه ظرفیت اضافه بار: در شرایط کارکرد نرمال شبکه، بارگیری از ترانسفورماتور باید در محدوده بار نامی آن انجام شود، اما در شرایط بحرانی شبکه، شرایطی به وجود می‌آید که پذیرش اضافه بارگیری از ترانسفورماتور اجتناب‌پذیر است. از آنجائی که بارگیری بیشتر از مقدار نامی موجب افزایش دما و متعاقب آن افزایش پیری‌ ترانسفورماتور و در درازمدت موجب وارد شدن خسارات جدی به آن می‌شود بنابراین قبول این اضافه بارگیری باید در زمان محدود و با توجه به شرایط دمایی واقعی انجام شود به طوری که عمر ترانسفورماتور تحت تاثیر آن قرار نگیرد. تحقق این امر بدون وجود یک سیستم مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور که به طور پیوسته مقادیر دما و بارگیری را ثبت می‌کند، غیر عملی است. در سیستم مانیتورینگ On-Line به این منظور برای ترانسفورماتور قابلیتی با عنوان محاسبه ظرفیت اضافه بار که بر پایه اندازه دمای محیط، دمای روغن و دمای نقطه داغ سیم‌پیچ عمل می‌کند در نظر گرفته می‌شود. در گذشته جهت بارگیری از ترانسفورماتورها از جداول ثابت و تقریبی استفاده می‌شد که موجب افزایش خطرات ناشی از اعمال آن می‌شد. ولی امروزه می‌توان از قابلیت‌های سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور برای تشخیص حدود مجاز بارگیری استفاده کرد. برای این منظور برنامه‌ای با عنوان بارگیری از ترانسفورماتور تهیه شده و به کمک این برنامه که براساس شرایط واقعی ترانسفورماتور در شروع بارگیری عمل می‌کند مشخص می‌شود ترانسفورماتور بار را تا چه مدت زمانی می‌تواند تحمل کند تا به شرایط بحرانی نرسد و یا به کمک این برنامه مشخص می‌شود که در یک بازه زمانی معین تا چه باری می‌توان به ترانسفورماتور اعمال کرد.
گفتنی است با اندازه‌گیری و تحلیل این اطلاعات به طور کلی می‌توان به اهدافی نظیر زیر دست یافت:
- تعیین وضعیت Active part
- کنترل سیستم خنک‌کنندگی
- تعیین وضعیت تپ‌چنجر
علاوه بر قابلیت‌های ارایه شده برحسب تقاضا قابلیت‌های زیر و یا هر امکان قابل اجرای دیگری که مورد نیاز باشد می‌تواند در سیستم اضافه شود:
- تعیین خطاهای مکانیکی تپ‌چنجر
- مانیتورینگ بوشینگ
- تعیین وضعیت مدار سیستم خنک‌کننده
- اندازه‌گیری سطح روغن

ویژگی‌های سیستم مانیتورنیگ On-line ترانسفورماتور

به طور کلی می‌توان به ویژگی‌های زیر درخصوص سیستم طراحی شده اشاره کرد:
- اندازه‌گیری پیوسته مقادیر
- ثبت مقادیر اندازه‌گیری شده و توانایی تهیه گزارش از آنها
- توانایی انجام عملیات محاسباتی دقیق و پیشرفته
- امکان تنظیم آستانه‌های مورد نیاز برای آلارم و تریپ
- قابلیت توسعه‌های آتی در نرم‌افزار و سخت‌افزار
- قابلیت انعطاف در تعیین معماری سیستم
- سازگاری با شرایط آب و هوایی مناطق گرم و مرطوب
نمونه اجرا شده: یک نمونه از سیستم مانیتورینگ ترانسفورماتور با مشخصات ذکر شده پس از گذراندن موفقیت‌آمیز تست‌هایی نظیر ESD و EFT و نیز تست‌های عملکردی بر روی یکی از ترانسفورماتورهای 230 کیلوولت پست کن در برق منطقه‌ای تهران نصب شده است.
موارد کاربرد: از آنجایی که بروز خطا در ترانسفورماتورها و عدم شناسایی به موقع آنها بعضاً باعث خروج ترانسفورماتورها از شبکه قدرت و یا کاهش عمر عایقی آنها و در نهایت وارد شدن خسارات اقتصادی و کاهش قابلیت اطمینان می‌شود از این رو استفاده از سیستم‌های مانیتورینگ On-Line به منظور پیشگیری و یا تشخیص به موقع عیوب، در ترانسفورماتورهای مهم شبکه قدرت و صنایعی نظیر فولاد بسیار مثمرثمر خواهد بود.