ترانسفورماتور

مقدمه

ترانسفورماتورها را بر اساس کاربرد و خصوصیاتشان به سه دسته کوچک، متوسط و بزرگ می توان تقسیم کرد. ترانسفورماتورهای کوچک را می توان تقریبا به سادگی ساخت و اجزای آن مانند ورقه آهن، قرقره و سیم را تهیه کرد ولی ترانفسورماتورهای متوسط و بزرگ به دلیل مسایل حفاظتی، عایق بندی و امکانات موجود ساختنشان کار ساده ای نیست.

1)اجزای تشکیل دهنده ترانسفورماتور

اجزای تشکیل دهنده ی ترانسفورماتور عبارتند از : هسته ترانسفورماتور، سیم پیچ و قرقره که در ادامه تک تک این اجزا بررسی شده است.

1)هسته ترانسفورماتور

برای جلوگیری از تلفات، هسته های ترانسفورماتور را به صورت ورقه ورقه می سازند. سطح این ورقه ها بر اساس قدرت تعیین شده برای ترانسفورماتور تعیین می شود. هر کدام از این ورقه ها از یکدیگر عایق بندی شده و با جنسی از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیوم( حداکثر 5/4 درصد) که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و هدایت مغناطیسی زیاد هستند ساخته می شوند.

در اثر زیاد کردن سیلیسیم ورقه های دینام شکننده می شوند. برای عایق بندی کردن این ورقه ها قبلا یک ورقه کاغذ نازک مخصوص بین هر ورقه از هسته قرار میدادند ولی هم اکنون در هنگام ساختن و نورد این ورقه ها لایه نازکی به ضخامت 2 تا 20 میکرون از سیلیکات یا اکسید فسفات به عنوان عایق بر روی آن ها می مالند. علاوه بر این از یک لاک مخصوص برای عایق بندی کردن یک طرف ورقه ها استفاده می شود.

برای محاسبه سطح مقطع هسته باید فقط سطح خالص آهنی را در نظر گرفت و از ضخامت عایق صرف نظر کرد. هر ورقه هسته معمولا از ضخامت 0.35میلیمتر و 0.5 میلیمتر و در اندازه های استاندارد می سازند. در ضمن بايد دقت كرد كه سطح عايق بندی شده ورقه هاي ترانسفورماتور همگي در يك جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا و یا همگی به سمت پایین) علاوه بر اين ورقه ها باید با فشار داخل قرقره جابی بگیرند تا از لرزش و ایجاد سرو صدا جلوگیری شود و همچنین باید سعی شود تا حدامكان در داخل قرقره فضاي خالي باقي نماند.

2)سیم پیچ ترانسفورماتور

معمولا براي سيم پيچ اوليه و ثانويه ترانسفورماتور از هادي هاي مسي با سطح مقطع دایروی و اندازه های استاندارد وجود دارند و برای عایق بندی آن ها از روکش لاکی استفاده می کنند. در ترانسفورماتورهاي پرقدرت از هادي هاي مسي كه به صورت تسمه هستند استفاده مي شوند و ابعاد اين گونه هادي ها نيز استاندارد هستند.

در سيم پيچي ترانسفورماتور باید سر سيم پيچ ها را به وسيله روكش عايقها از سوراخهاي قرقره خارج كرد، تا بدين ترتيب سيم ها قطع یا زخمی (خصوصا در سيمهاي نازك ولايه هاي اول) نشوند. برای تشخیص سر هر سیم پیچ در ترانسفورماتورهایی که چندین سیم پیچ دارند بهتر است که رنگ روکش ها متفاوت باشد تا به راحتي بتوان سر هر سيم پيچ رامشخص كرد. بعد از اتمام سيم پيچي يا تعمير سيم پيچهاي ترانسفورماتور، برای کنترل یا کسب اطمینان از سالم بودن عایق بدنه و سیم پیچ اولیه و ثانویه باید آن ها را به ولتاژهای نامی خودشان متصل کرد.

3)قرقره ترانسفورماتور

براي حفاظت و نگهداري ازسيم پيچ هاي ترانسفورماتور خصوصا در ترانسفورماتورهاي كوچك لازم است از قرقره استفادهکرد. جنس قرقره بايد از مواد عايق باشد که معمولا قرقره ها را از سه جنس كاغذ عايق سخت، فيبرهاياستخواني يا مواد ترموپلاستيك مي سازند.که در این بین قرقره هايي كه از جنس ترموپلاستيك هستندمعمولا يك تکه ولي قرقره های از جنس کاغذ عایق سخت و فیبرهای استخوانی را در چند قطعه می سازند و سپس بر روي همدیگر سوار می شوند. برای خروج سر هر سیم پیچ بر روی دیواره های قرقره سوراخی ایجاد می شود و سرهای سیم پیچ از این سوراخ ها بیرون می آید.

اندازه قرقره بايد با اندازه ىورقه هاي ترانسفورماتور متناسب باشد و برای جلوگیری از زخمی یا قطع شدن سیم پیچی های لایه های رویی در هنگام جا زدن ورقه های ترانسفورماتور، سيم نيز باید طوريبر روي آن پيچيده شود كهاز لبه هاي قرقره مقداري پايين تر قرار گيرد. اندازه قرقره هاي ترانسفورماتورهانيز به صورت استاندارد شده موجود است اما در تمام موارد، با توجه به نياز، قرقره مناسب را ميتوان طراحي كرد.

نکات قابل توجه قبل از حمل ترانس های قدرت

پس از تمام شدن ساخت و انجام موفقیت آمیز آزمایشات کارخانه ای برای حمل ترانس از مکانی به مکان دیگر میبایست اقداماتی را روی ترانسفورماتور صورت داد که این مراحل در زیر بررسی شده است. لازم به ذکر است که به منظور کاهش ابعاد و وزن ترانسفورماتور و نیز ازنظر فنی و محدودیّت ترافیکی می بایستی تجهیزات جانبی ترانسفورماتور(کنسرواتور، بوشینگ و...)به طور جداگانه بسته بندی و آماده حمل گردند.اما خود ترانسفورماتور بسته به نوع ترانسفورماتور به طریق زیر حمل می گردد.

1. حمل با روغن:

آن دسته از ترانسفورماتورهای کوچک که دارای ابعاد ووزن کم هستند معمولا با روغن حمل می شوند. در این وضعیت می بایست سطح روغن حدود 15 سانتی متر بالاتر از درپوش اصلی (سقف) قرار داشته باشد. برای حمل با روغن ذکر چند نکته مهم است.

نکته 1: مقدار 15 سانتیمتر مشخص شده در بالا برای تمامی ترانسفورماتورها نمیباشد و برای تعیین این ارتفاع روغن، باید به دستورالعمل کارخانه سازنده مراجعه کرد.

نکته 2: در هنگام حمل با روغن می بایست تمامی قسمت آمتیوپارتترانسفورماتوری در داخل روغن قرار گیرد.

نکته 3: برای جلوگیری از نفوذ رطوبت و هوا به داخل ترانسفورماتور باید فضای بین روغن و سقف ترانسفورماتور با هوای خشک و یا گاز نیتروژن کاملا خشک بافشار حدود 2/0 بار در هوای 20c پر شود.

نکته 4: برای جذب رطوبت یک محفظه سیلیکاژل بسته(آب بندی شده)برروی ترانسفورماتور نصب می کنند ضمنا چون امکان دارد در طول حمل، روغن به داخل سیلیکاژل بپاشد از یک وسیله ی حفاظتی استفاده میکنند.

2. حمل بدون روغن:

ترانسفورماتور های بزرگ معمولا بدون روغن حمل می گردند. در این حالت پس از تخلیه روغن، ترانسفورماتور را با هوای خشک و یا با نیتروژن پر می کنند.لازم به ذکر است که در طول حمل بایستی فشار هوا یانیتروژن به طور مرتب کنترل گردند.

نکات قابل توجه و مهم در نصب و قبل از راه اندازی:

در هنگام نصب باید تمامی موارد زیر کنترل شوند:

1-ضربه نگار

2- فشارهوا

3-نقطه شبنم و اکسیژن

4-استقرار ترانسفورماتور بر روی فوندانسیون

5-تجهیزات جانبی ترانسفورماتور شامل بوشینگ، سیستم خنک کننده، رادیاتور، فن، پمپ، کنسرواتور و ملحقات کنسرواتور

6- سیستم تنفسی

7-شیراطمینان

8- ترمومترها شامل ترمومتر روغن، کالیبره کردنترمومتر و ترمومتر سیم پیچ

9-تپخپجر

10-رله بو خهلتس

روغن ترانسفورماتور

روغن های ترانسفورماتور عمدتا ترکیبات پیچیده ای از هیدروکربنهای مشتق از نفت خام می باشند و بخاطر خواص مناسبی که دارند، روغنهای پایه نفتینک ترانسفورماتورمناسب تر تشخیص داده شده اند.

نگاهی اجمالی برخواص مورد نیاز برای روغن های ترانسفورماتور: عایق کاری الکتریکی- انتقال حرارت- قابلیت خاموش کردن قوس الکتریکی-پایداری شیمیایی- سیل کردن ترانسفورماتور و حمل مواد آلوده ناشی از کارکرد به خارج- جلوگیری از خوردگی- مواد عایق روی قسمتهای فلزی ترانسفورماتور.

در هنگام خرید روغن ترانسفورماتور به دو مورد باید توجه شود.1-کیفیت روغن ترانسفورماتور 2-انتخاب نوع ترانسفورماتور.با در نظر گرفتن این دو مورد طراحی ترانسفورماتور مورد بحث قرار می گیرد در همین راستا به دو نمونه اشاره شده که توجه نکردن به روغن انتخابی باعث از بین رفتن روغن شده است.

در نمونه اي 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 دی الکتریک روغن گردید. نمونه ی دیگر این بود که کاتالیزور مس وآهن باعث از بین بردن روغن دانستند و همینطور اینکه چرا اصولاً کاغذ و روغن را به عنوان عایق در ترانسفورماتورها به کار می برند. علتی را که برای آن توضیح داده بودند به این شرح بود که یک بار 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 بودهماده ای به نامnemexکه بین عایق ترانسفور ماتورها مورد استفاده قرار میگیرد مورد اشارهقرار گرفت که باعث زایل شدن روغن گردید.

دو مورد آلودگی در روغن ترانسفورماتور موجود است یکی آلودگی فیزیکی و دیگری آلودگی شیمیایی. از مهمترین منابع آلودگی روغن، آب، ذرات معلق در روغن و اکسیداسیون روغن می باشد.سه نوع تست بر روی روغن ترانسفورماتور انجام میدهند که عبارتند از: تست های فیزیکی، تست های شیمیایی و قسمت های الکتریکی.

حدود 200 نوع تست بر روی ترانسفورماتور صورت می گیرد که مهمترین آن ها تست اسیدیته، گازه های حل شده در روغن، کشش سطحی و پی فنیل پی کلرید می باشد.

تکنولوژی ترانسفورماتور

طراحی و ساخت ترانسفورماتور فشار قوي فاقد روغن در طول عمر يكصد ساله ترانسفورماتورها، يك انقلاب محسوب مي شود. ايده استفاده از كابل با عايق پليمر پلي اتيلن (XLPE) به جاي هاديهاي مسي داراي عايق كاغذي توسط يك محقق ABB در سوئد به نام پرفسور“Mats lijon” ارایه گردید.و این ایده در سال 1998 توسطABBدر یک ژنراتور فشار قوی به نام “ Power Former” پیاده سازی شد.در اين ژنراتور بر خلاف سابق كه از هاديهاي شمشي ( مستطيلي ) در سيم پيچي استاتور استفاده مي شد، از هاديهاي گرد استفاده شده است. با توجه به معادلات ماكسول، هادي هاي سيلندري ، توزيع ميدان الكتريكي متقارني دارند. بر اين اساس ژنراتوري را بدون نیاز ترانسفورماتور افزاینده مي توان ساخت كه برق را با سطح ولتاژ شبكه توليد كند. در نتيجه اين كار، تلفات الكتريكي به ميزان 30 در صد كاهش مي يابد.

در يك كابل پليمري فشار قوي، ميدان الكتريكي در داخل كابل باقي مي ماند و سطح كابل داراي پتانسيل زمين مي باشد.در عين حال ميدان مغناطيسي لازم براي كار ترانسفورماتور تحت تاثير عايق كابل قرار نمي گيرد.در يك ترانسفورماتور خشك، استفاده از تكنولوژي كابل، امكانات تازه اي براي بهينه كردن طراحي ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي، نيروهاي مكانيكي و تنش هاي گرمايي فراهم كرده است.

در فرايند تحقيقات و ساخت ترانسفورماتور خشك در ABB، در مرحله نخست يك ترانسفورماتور آزمايشي تكفاز با ظرفيت 10 مگا ولت آمپر طراحي و ساخته شد و در Ludivica در سوئد آزمايش گرديد. “ Dry former” اكنون در سطح ولتاژ هاي از 36 تا 145 كيلو ولت و ظرفيت تا 150 مگا ولت آمپر موجود است.

ترانسفورماتور خشک

ترانسفورماتور خشکدارای چندویژگیمنحصربه فرد می باشد که در ادامه 8مورد آن بیان گردیده است.

1. براي خنك شدن یا به عنوان عايق الكتريكي به روغن نیازی نیست.
2. از مهمترین ویژگی های این ترانسفورماتور سازگاري آن با طبيعت و محيط زيست است. به دليل عدم وجود روغن، خطر آلودگي خاك و منابع آب زير زميني و همچنين احتراق و خطر آتش سورزي كم ميشود.
3. عدم استفاده از روغن و كنترل ميدانهاي الكتريكي خطر ترانسفورماتور از نظر ايمني افراد ومحيط زيست را كاهش مي دهدو می توان امکان نصب ترانسفورماتور در محیطهای شهری و مناطقی که از نظر زیست محیطی حساس هستند را فراهم آورد.
4. در ترانسفورماتور خشك به جاي بوشينگ چيني در قسمتهاي انتهايي از عايق سيسيكن استفاده ميشود. به اين ترتيب خطر ترك خوردن چيني بوشينگ و نشت بخار روغن از بين ميرود.
5. به علت كاهش مواد قابل اشتعال، نياز به تجهيزات گسترده آتش نشاني كمتر می شود. بنابراين از اين دستگاهها در محيط هاي سر پوشيده و نواحي سرپوشيده شهري نيز مي توان استفاده كرد.
6. عدم استفاده از روغن در ترانسفورماتور خشك، نياز به تانك هاي روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن كاملاً از بين ميرود.بنابراين كار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال كابلها و نصب تجهيزات خنك كننده خواهد بود.
7. استفاده از ترانسفورماتور خشك، تلفات الكتريكي کاهش یابد. يكي از راههاي كاهش تلفات و بهينه كردن طراحي ترانسفورماتور، نزديك كردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژي تا حد ممكن است تا از مزاياي انتقال نيرو به قدر كافي بهره برداري شود. با بكار گيري ترانسفورماتور خشك اين امر امكان پذير است .
8. اگر در پست، مشكل برق پيش آيد، خطري متوجه عايق ترانسفورماتور نمي شود. زيرا منبع اصلي گرما يعني تلفات در آن توليد نمي شود. بعلاوه چون هوا واسطه خنك شدن است و هوا هم مرتب تعويض و جابجا مي شود، مشكلي از بابت خنك شدن ترانسفورماتور بروز نمي كند.

سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتورTMMS(trans former monitoring management system)

سیستم TMMSبر اساس جمع آوري اطلاعات بحراني بهره برداري ترانسفورماتور و تجزيه و تحليل آنها عمل مي نمايد.این سیستم توانایی این را دارد که با بررسی عملکرد ترانسورماتور عیب های آن را تشخیص دهد و اطلاعات لازم براي تصميم گيري را در اختيار بهره بردار قرار دهد.

اطلاعات بهره برداري كه براي فرآيند نمايش و مديريت ترانسفورماتور ها مورد نياز بوده و توسط سنسورهاي مخصوص جمع آوري ميگردند بشرح زير مي باشند.

1-گازهاي موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با ئيدران

2-آب موجود در روغن ترانسفور ماتور همراه با Acquaoil 300

3-جريان بار ترانسفورماتور

4-دماي نقاط مختلف ترانسفورماتور

5-وضعيت تپ چنچر ترانسفورماتور

6-سيستم خنك كنندگي ترانسفورماتور

اطلاعات بهره برداي فوق جمع آوري شده و به همراه ساير اطلاعات موجود بطور مستمر تجزيه و تحليل شده تا بتوانند اطلاعات زير را درباره وضعيت بهره برداري ترانسفورماتور تهيه نمايند.

- شرايط عمومي و كلي ترانسفورماتور

- ظرفيت بارگيري ترانسفورماتور

- ميل و شدت توليد گاز و حباب در داخل روغن ترانسفورماتور

- ملزومات نگهداري ترانسفورماتور

سيستم TMMS فارادي را ميتوان براي ترانسفورماتورهاي موجود بكار برد و همچنين ميتوان آنرا در ساختمان ترانسفورماتورهاي جديد طراحي و نصب نمود.

ارتقاء سيستم TMMS فارادي با افزودن سنسورهاي اضافي ميتواند باعث ارتقاء عملكرد آن براي موارد زير گردد.

- حداكثر نمودن ظرفيت بارگذاري ترانسفورماتور براي بهره برداري اقتصادي و بهينه

- تشخيص عيب و توصيه راه حل در ترانسفورماتور ها

- مديريت عمر ترانسفورماتور و افزايش آن

- تكميل و توسعه فرايند و عمليات مديريت ترانسفورماتور ها با كمك اطلاعات اضافي تهيه شده در زمان حقيقي

- كاهش و حذف خروجي ترانسفورماتورها بصورت برنامه ريزي شده و يا ناشي از خطا

- آشكار سازي علائم اوليه پيدايش خطا در ترانسفورماتورها

- نمايش مراحل تكامل و شكل گيري شرايط پيدايش خطا

ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک

1. ترانسفورماتورهاي مقاوم عامل k:

هارمونيك هايی که توسط بارهاي غير خطي تولید می شوند، مي توانند مشكلات حرارتي و گرمائي خطرناكي را در ترانسفورماتورهاي توزيع استاندارد ايجاد نمايند. حتي اگر توان بار خيلي كمتر از مقدار نامي آن باشد، هارمونيك ها مي توانند باعث گرماي بيش از حد و صدمه ديدن ترانسفورماتورها شوند. جريان هاي هارمونيكي تلفات فوكو را بشدت افزايش مي دهند. بهمين دليل سازنده ها، ترانسفورماتورهاي بزرگی را ساخته اند تا اينكه بتوانند تلفات اضافي ناشي از هارمونيك ها را تحمل كنند.

سازنده ها براي رعايت استاندارد يك روش سنجش ظرفيت، بنام عامل Kرا ابداع كرده اند. بر این اساس عامل K نشان دهنده مقدار افزايش در تلفات فوكو است. بنابراين ترانسفورماتور عامل Kمي تواند باري به اندازه ظرفيت نامي ترانسفورماتور را تغذيه نمايد مشروط براينكه عاملK بار غير خطي تغذيه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادير استاندارد عامل K برابر با 4 ، 9 ، 13 ، 20 ، 30 ، 40 ، 50 مي باشند. اين نوع ترانسفورماتورها عملا" هارمونيك را از بين نبرده تنها نسبت به آن مقاوم مي باشند.

1. ترانسفورماتور HMT( Harmonic Mitigating Transformer ):

ترانسفورماتورهای HMTنوع ديگر از ترانسفورماتورهاي سازگار با هارمونيك هستند كه عملکرد آن بگونه ای است که از صاف شدن بالاي موج ولتاژ بواسطه بريده شدن آن جلوگيري مي كند. این ترانسفورماتورها طوري ساخته شده اند که با حذف فلوها و جریان های هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیم پیچی های ترانسفورماتور، اعوجاج ولتاژ سيستم واثرات حرارتي ناشي از جريان هاي هارمونيك را كاهش مي دهد.

چنانچه شبكه هاي توزيع نيروي برق مجهز به ترانسفورماتورهايHMT گردند مي توانند همه نوع بارهاي غير خطي ( با هر درجه از غير خطي بودن ) را بدون اينكه پيامدهاي منفي داشته باشند، تغذيه نمايند. بهمين دليل در اماكني كه بارهاي غير خطي زياد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT بصورت گسترده استفاده می شود.

به چند مورد از ویژیگیهای ترانسفورماتور HMT اشاره می کنیم:

ترانسفورماتور HMTمي تواند از عبور جريان مؤلفه صفر هارمونيك ها شامل هارمونيك هاي سوم، نهم و پانزدهم در سيم پيچي اوليه، از طريق حذف فلوي آنها در سيم پيچي هاي ثانويه جلوگيري كند.

ترانسفورماتورهاي HMT با يك خروجي در دو مدل با شيفت فازي متفاوت ساخته مي شوند. وقتي كه هر دو مدل با هم بكار مي روند مي توانند جريان هاي هارمونيك پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را درقسمت جلوئي شبكه حذف كنند.

ترانسفورماتورهاي HMT با دو خروجي مي توانند مولفه متعادل جريان هاي هارمونيك پنجم، هفتم ، هفدهم و نوزدهم را در داخل سيم پيچي هاي ثانويه حذف كنند .

ترانسفورماتورهاي HMT با سه خروجي مي توانند مولفه متعادل جريانهاي هارمونيك پنجم، هفتم ، يازدهم و سيزدهم را در داخل سيم پيچي ثانويه حذف كنند.

كاهش جريان هاي هارمونيكي در سيم پيچي هاي اوليه HMT باعث كاهش افت ولتاژهاي هارمونيكي و اعوجاج مربوطه مي شود .

این ترانسفورماتورها بخاطر کاهش جریان های هارمونیکی باعث كاهش تلفات توان می شود.

ترانسفورماتورHMTدر مقایسه با ترانسفورماتور Kباعث ايجاد اعوجاج ولتاژ خيلي كمتري مي شود .