کاربرد ترانسفورماتورهای هرمتیک با بالشتک گازی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

به درخواست آقا مجتبی

کارکرد صحیح و بیوقفه ترانسفورماتورها، به عنوان یکی از تجهیزات مهم در شبکه های برق رسانی و انتقال انرژی، از اهداف اصلی سازندگان و بهرهبرداران آنها میباشد. اکسیژن و رطوبت هوا به عنوان یکی از عوامل مضر و مخرب در عملکرد ترانسفورماتورها شناخته شده و تا حد امکان میبایست از تماس روغن ترانسفورماتور با هوای آزاد جلوگیری کرد. در این راستا استفاده از ترانسفورماتورهای هرمتیک با داشتن قابلیت جداسازی کامل روغن و هوای محیط مورد توجه قرار گرفته است. ترانسفورماتورهای هرمتیک با بالشتک گازی از اولین نوع ترانسفورماتورهای هرمتیک بوده و به خاطر سادگی طراحی و ساخت و داشتن مزایای نسبی هنوز هم مورد توجه اکثر صنایع، به خصوص صنایع نفت و پتروشیمی میباشد.

مقدمه

 
یکی از عوامل مهم تضمین عملکرد ترانسفورماتور در طی عمر مفید آن، حفظ کیفیت خواص الکتریکی و مکانیکی مواد عایق بکار رفته در ترانسفورماتور، به خصوص روغن ترانسفورماتور و مواد عایق سلولوزی در سطحی مطلوب می‌باشد.

 
مخزن ترانسفورماتورهای هرمتیک به منظور جلوگیری از نفوذ عوامل مخرب به داخل ترانسفورماتور، کاملا" بسته بوده و هیچگونه تبادلی با محیط اطراف، حتی از طریق واسطه رطوبت‌گیر ندارد. ترانسفورماتور هرمتیک در چند نوع اصلی طراحی و ساخته می‌شود.

 
از ویژگی‌های مهم ترانسفورماتورهای هرمتیک عدم نیاز به تصفیه روغن و کاهش هزینه‌های سرویس و نگهداری آنها می‌باشد. استفاده از این ترانسفورماتورها برای مناطق ساحلی و مکان‌های دور افتاده که رطوبت هوا زیاد بوده و امکان سرویس‌های دوره‌ای به سهولت میسر نمی‌باشد، توصیه می‌گردد. عدم نیاز به منبع انبساط، رطوبت‌گیر و تجهیزات حفاظتی مثل رله بوخهلتس از ویژگی‌های دیگر ترانسفورماتورهای هرمتیک بوده و در نتیجه برای مکان‌هایی که محدودیت ارتفاعی جهت نصب ترانسفورماتور وجود دارد، استفاده از ترانسفورماتور هرمتیک مناسب خواهد بود.

 

 
تقسیم بندی ترانسفورماتورهای هرمتیک

 
با توجه به طراحی و ساخت انواع مختلف ترانسفورماتورهای هرمتیک، این نوع ترانسفورماتورها به طرح‌های مختلفی با توجه به نحوه عملکرد آنها طبقه‌بندی می‌شوند.

 
ترانسفورماتورهای هرمتیک با محفظه گاز و یا دیافراگم لاستیکی در منبع انبساط

 
شمای کلی این نوع ترانسفورماتورها در شکل‌های 1 و 2 نشان داده شده است. در این نوع از ترانسفورماتورهای هرمتیک افزایش و کاهش حجم روغن توسط خاصیت ارتجاعی لاستیک جبران می‌شود، که ممکن است از دیافراگم لاستیکی ( Rubber Diagram) که مستقیما" با روغن در تماس است (شکل 1) و یا محفظه لاستیکی ( Rubber Bag ) با گاز بی اثر ازت نیتروژن N2 که بعنوان واسطه عمل می‌کند استفاده شده باشد. ( شکل 2).

 

 
ترانسفورماتورهای هرمتیک با بالشتک گازی

 
این ترانسفورماتورها بطور کلی بر دو نوع بوده و در هر رنج قدرتی قابل ساخت می‌باشند. محفظه گاز در این ترانسفورماتورها علاوه بر جلوگیری از ارتباط روغن با هوای محیط، نقش حجم الاستیک را نیز ایفا می‌کند. از گازی باید در این محفظه استفاده نمود که تاثیر تخریبی بر روی روغن و سایر مواد عایقی و قسمت‌های داخلی ترانسفورماتور نداشته و یا حداقل ممکن باشد. گازی که معمولا" برای این منظور بکار می‌رود، معمولا" گاز ازت ( نیتروژن N2 ) و در برخی موارد هوای خشک می‌باشد. این ترانسفورماتورها عمدتا" دارای مخزنی کاملا" صلب بوده و به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:

 
نوع اول (جرم گاز ثابت است)

 
در این نوع میزان گاز نیتروژن داخل ترانسفورماتور ثابت و برابر مقدار اولیه‌ای است که وارد آن نموده‌ایم. در این ترانسفورماتورها برای کاهش دامنه تغییرات فشار، حجم محفظه گاز به قدر کافی بزرگ در نظر گرفته می‌شود.

 
میزان گاز حل شده در روغن تابع خطی از فشار بوده و دما تاثیر ناچیزی در حلالیت گاز دارد. مقدار گاز نیتروژن دارای حجمی معادل 20درصد الی 50درصد حجم روغن ترانسفورماتور می‌باشد.

 

 
نوع دوم (فشار گاز ثابت است)

 
در این نوع با استفاده از مخازن تحت فشار کمکی گاز ازت، فشار محفظه گاز تقریبا" ثابت نگه داشته می‌شود برای اجتناب از ورود به داخل مخزن، فشار گاز همیشه اندکی بیشتر از فشار جو اختیار می‌شود (حدود 0.05 اتمسفر).

 

 
ترانسفورماتورهای هرمتیک با مخزن الاستیک

 
در این نوع از ترانسفورماتورهای هرمتیک از خاصیت ارتجاعی پره‌های خنک‌کنندگی برای جبران تغییرات حجم روغن استفاده شده است. به طوریکه در اثر افزایش حجم روغن پره‌ها باز و در اثر کاهش حجم روغن پره‌ها فشرده می‌شوند. نوسانات بار و فشار در طی عمر ترانسفورماتورهای مذکور، پره‌ها را در معرض پدیده خستگی قرار می‌دهد، لذا طراحی این ترانسفورماتورها باید به گونه‌ای باشدکه تنش‌های حاصله از حد تنش خستگی پره‌ها تجاوز ننماید. اثرات مهمی از جمله شات بلاست نمودن مخازن تاثیر مهمی در افزایش عمر مخازن ترانسفورماتورهای مذکور دارد. این نوع از ترانسفورماتورها کاملا" از روغن پر شده و در محدوده قدرت ترانسفورماتورهای توزیع ساخته می‌شوند. (شکل 5).

 

 
تجهیزات حفاظتی و اندازه‌گیری

 
با توجه به هدف هرمتیک بودن، برخی از تجهیزات حفاظتی از قبیل رله بوخهلتس و رطوبت‌گیر در این نوع از ترانسفورماتورها مورد نیاز نمی‌باشد. از طرف دیگر به علت وجود محفظه گاز و ساختار این نوع ترانسفورماتورها استفاده از تجهیزات دیگری توصیه می‌شود. تجهیزات اصلی این ترانسفورماتورها عبارتست از:

 
ترمومتر روغن (Oil Thermometer)

 
نشان‌دهنـــــده سطـــــح روغن  (Oil Level Indicator)

 
فشار سنج (Pressure gauge)

 
 شیر تزریق گاز (Oil Filling Valve)

 
ترمومتر روغن باید در محل مناسبی که در کلیه شرایط دمایی با سطح بالای روغن در تماس باشد، قرار بگیرد. بنابراین بطور مورب در بالای یکی از دیواره‌های جانبی قرار داده می‌شود. نشان‌دهنده سطح روغن نیز در صورت نیاز می‌تواند، در موقعیت مناسبی بر روی دیواره‌های جانبی نصب گردد. در ترانسفورماتورهای کوچک شاید نصب این وسیله ضروری نباشد، ولی در ترانسفورماتورهای بزرگ آگاهی از میزان سطح روغن و احیاناً نشتی روغن، با اهمیت بوده و نصب آن الزامی می‌باشد. از طرف دیگر در هنگام روغن زنی می‌توان از آن برای تنظیم سطح روغن استفاده نمود.

 
به دلیل صلب بودن مخازن، این ترانسفورماتورها نمی‌توانند تغییرات ناگهانی فشار را توسط خاصیت الاستیسیته مخزن جبران نمایند، لذا نصب فشارشکن و یا فشارسنج و در برخی موارد هر دو آنها ضروری است. از فشارسنج همچنین برای تنظیم فشار تزریق گاز نیز می‌توان استفاده نمود.

 
در ترانسفورماتورهای هرمتیک با بالشتک گازی، استفاده از رله فشار ناگهانی یا Sudden Pressure Relay نیز برای توان‌های بالا و ترانسفورماتورهای بزرگ توصیه می‌گردد. این رله در یکی از دیواره‌های جانبی طوری نصب می‌گردد که با روغن داخل ترانسفورماتور نیز در تماس باشد. در حقیقت رله مذکور نقش رله بوخهلتس را در این نوع از ترانسفورماتورها ایفا می‌نماید.

 

 
 برای سایر تجهیرات قابل نصب و طراحی بر روی این نوع از ترانسفورماتورها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

 
ترمومتر سیم پیچ (Winding thermometer)

 
 جعبه کابل محفظ بوشینگهای فشار قوی و ضعیف

 
(HV and LV Cable Boxes)

 
باسداکت سمت فشار ضعیف (LV Bus duct)

 
طراحی حالت خنک کنندگی بصورت (ONAF)

 
نصب تابلو فرمان (Terminal Box)

 

 
نتیجه‌گیری

 
اهمیت برقراری سیستم انتقال انرژی پایدار و لزوم کاهش هزینه سرویس و نگهداری، استفاده از ترانسفورماتورهای هرمتیک را مقرون به صرفه نموده است. در این راستا ترانسفورماتورهای هرمتیک با بالشتک گازی برای اکثر صنایع مهم، انتخاب مناسبی می‌باشد. از کاربردهای این نوع ترانسفورماتورها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

 
مناطق ساحلی و جاهایی که رطوبت هوا و آلودگی محیط زیاد باشد.

 
صنایع نفت و پتروشیمی، صنایع سیمان و ......... که در محیط‌های مرطوب و آلوده قرار دارند.

 
در مکان‌هایی که امکان سرویس و نگهداری ترانسفورماتور به راحتی میسر نمی‌باشد.

 
برای مواردی که محدودیت ابعادی و ارتفاعی جهت نصب ترانسفورماتور وجود دارد.

 
علیرغم حذف منبع انبساط و برخی تجهیزات (مثل رله بوخهلتس)، شرایط فیزیکی خاص این ترانسفورماتورها و استفاده از روش‌های مناسب طراحی و ساخت، هزینه تمام شده آنها بیشتر از نمونه مشابه منبع انبساط‌دار می‌باشد. ولی در نگاه کلی با در نظر گرفتن کاهش هزینه‌های ناشی از حذف سرویس‌های دوره‌ای و نگهداری آنها، همچنین کاهش هزینه‌های ناشی از خرابی ترانسفورماتورها و قطع انرژی برق، استفاده از این ترانسفورماتورها مقرون به صرفه می‌باشد.

 

 
مراجع

 
1- G.Altman, “Hermitically Sealed distribution transformers” Trafo-Union, Germany.

 
2- Simens Power engineering guide – Transmission and Distribution, “Transformers”, 4th Edition.

 
3- Transformer maintenance” FIST 3-30, COLORADO, U.S.A.

 
4- Dr.Knorr, “ Auslegung von Tranformatoren in “ sealed tank”, Trafo-Union, Grermany

ساخت ترانسفورماتور خشک

در ژوئیه ۱۹۹۹، شركت ABB، یك ترانسفور ماتور فشار قوی خشك به نام “Dryformer “ ساخته است كه نیازی به روغن جهت خنك شدن بار به عنوان دی الكتریك ندارد.در این ترانسفورماتور به جای استفاده از هادیهای مسی با عایق كاغذی از كابل پلیمری خشك با هادی سیلندری استفاده می شود.
تكنولوژی كابلاستفاده شده در این ترانسفورماتور قبلاً در ساخت یك ژنراترو فشار قوی به نام "Power Former"در شركتABB به كار گرفته شده است. نخستین نمونه از این ترانسفورماتور اكنون در نیروگاه هیدروالكترولیك “Lotte fors” واقع در مركز سوئد نصب شده كه انتظار می رود به دلیل نیاز روزافزون صنعت به ترانسفورماتور هایی كه ازایمنی بیشتری برخوردار باشند و با محیط زیست نیز سازگاری بیشتری داشته باشند، با استقبال فراوانی روبرو گردد.
ایده ساخت ترانسفورماتور فاقد روغن در اواسط دهه ۹۰ مطرح شد. بررسی، طراحی و ساخت اینترانسفورماتور از بهار سال ۱۹۹۶ در شركت ABB شروع شد. ABB در این پروژه از همكاری چند شركت خدماتی برق از جمله Birka Kraft و Stora Enso نیز بر خوردار بوده است.
● تكنولوژی
ساخت ترانسفورماتور فشار قوی فاقد روغن در طول عمر یكصد ساله ترانسفورماتورها، یك انقلاب محسوبمی شود. ایده استفاده از كابل با عایق پلیمر پلی اتیلن (XLPE) به جای هادیهای مسی دارای عایق كاغذی از ذهن یك محقق ABB در سوئد به نام پرفسور “Mats lijon” تراوش كرده است.
تكنولوژی استفاده از كابل به جای هادیهای مسی دارای عایق كاغذی، نخستین بار در سال ۱۹۹۸ در یك ژنراتور فشار قوی به نام “ Power Former” ساخت ABB به كار گرفته شد. در این ژنراتور بر خلاف سابق كه از هادیهای شمشی ( مستطیلی ) در سیم پیچی استاتور استفاده می شد، از هادیهای گرد استفاده شده است.
همانطور كه از معادلات ماكسول استنباط می شود، هادیهای سیلندری ، توزیع میدان الكتریكی متقارنی دارند. بر این اساس ژنراتوری می توان ساخت كه برق را با سطح ولتاژ شبكه تولید كند بطوریكه نیاز به ترانسفورماتور افزاینده نباشد. در نتیجه این كار، تلفات الكتریكی به میزان ۳۰ در صد كاهشمی یابد.
در یك كابل پلیمری فشار قوی، میدان الكتریكی در داخل كابل باقی می ماند و سطح كابل دارای پتانسیل زمینمی باشد.در عین حال میدان مغناطیسی لازم برای كار ترانسفورماتور تحت تاثیر عایق كابل قرار نمی گیرد.در یك ترانسفورماتور خشك، استفاده از تكنولوژی كابل، امكانات تازه ای برای بهینه كردن طراحی میدان های الكتریكی و مغناطیسی، نیروهای مكانیكی و تنش های گرمایی فراهم كرده است.
در فرایند تحقیقات و ساخت ترانسفورماتور خشك در ABB، در مرحله نخست یك ترانسفورماتور آزمایشی تكفاز با ظرفیت ۱۰ مگا ولت آمپر طراحی و ساخته شد و در Ludivica در سوئد آزمایش گردید. “ Dry former” اكنون در سطح ولتاژ های از ۳۶ تا ۱۴۵ كیلو ولت و ظرفیت تا ۱۵۰ مگا ولت آمپر موجود است.
● نیروگاه مدرن Lotte fors
ترانسفورماتور خشك نصب شده در Lotte fors كه بصورت یك ترانسفورماتور – ژنراتور افزاینده عمل می كند ، دارای ظرفیت ۲۰ مگا ولت امپر بوده و با ولتاژ ۱۴۰ كیلو ولت كار می كند. این واحد در ژانویه سال ۲۰۰۰ راه اندازی گردید.
اگر چه نیروگاه Lotte fors نیروگاه كوچكی با قدرت ۱۳ مگا وات بوده و در قلب جنگلی در مركز سوئد قرار دارد اما به دلیلنوسازی مستمر، نیروگاه بسیار مدرنی شده است. در دهه ۸۰ میلادی ، توربین های مدرن قابل كنترل از راه دور در ان نصب شد و در سال ۱۹۹۶، كل سیستم كنترل آن نوسازی گردید. این نیروگاه اكنون كاملاً اتوماتیك بوده و از طریق ماهواره كنترل می شود.
● ویژگیهای ترانسفورماتور خشك
ترانسفورماتور خشك دارای ویژگیهای منحصر بفردی است از جمله:
۱) به روغن برای خنك شده با به عنوان عایق الكتریكی نیاز ندارد.
۲) سازگاری این نوع ترانسفورماتور با طبیعت و محیط زیست یكیاز مهمترین ویژگی های آن است. به دلیل عدم وجود روغن، خطر آلودگی خاك و منابع آب زیر زمینی و همچنین احتراق وخطر آتش سورزی كم میشود.
۳) با حذف روغن و كنترل میدانهای الكتریكی كه در نتیجه آن خطر ترانسفور ماتور از نظر ایمنی افراد ومحیط زیست كاهش می یابد، امكانات تازه ای از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم میشود.به این ترتیبامكانات نصب ترانسفورماتور خشك در نقا شهری و جاهایی كه از نظر زیست محیطی حساس هستند،فراهم میشود.
۴) در ترانسفورماتور خشك به جای بوشینگ چینی در قسمتهای انتهایی از عایق سیسیكن را بر استفاده میشود.به این ترتیب خطر ترك خوردن چینی بوشینگ و نشت بخار روغن از بین میرود.
۵) كاهش مواد قابل اشتعال، نیاز به تجهیزات گسترده آتش نشانی كاهش میدهد. بنابراین از این دستگاهها در محیط های سر پوشیده و نواحی سرپوشیده شهری نیز می توان استفاده كرد.
۶) با حذف روغن در ترانسفورماتور خشك، نیاز به تانك های روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن كاملاً از بین میرود.بنابراین كار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال كابلها و نصب تجهیزات خنك كننده خواهد بود.
۷) از دیگر ویژگی های ترانسفورماتور خشك، كاهش تلفات الكتریكی است. یكی از راههای كاهش تلفات و بهینه كردن طراحی ترانسفورماتور، نزدیك كردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژی تا حد ممكن است تا از مزایای انتقال نیرو به قدر كافی بهره برداری شود. با بكار گیری ترانسفورماتور خشك این امر امكان پذیر است .
۸) اگر در پست، مشكل برق پیش آید، خطری متوجه عایق ترانسفورماتور نمی شود. زیرا منبع اصلی گرما یعنی تلفات در آن تولید نمی شود.بعلاوه چون هوا واسطه خنك شدن است و هوا هم مرتب تعویض و جابجا می شود، مشكلی از بابت خنك شدن ترانسفورماتور بروز نمی كند.
● نخستین تجربه نصب ترانسفررماتور خشك
ترانسفورماتورخشك برای اولین بار در اواخر سال ۱۹۹۹ در Lotte fors سوئد به آسانی نصب شده و از آن هنگام تاكنون به خوبی كار كرده است. در آینده اینزدیك دومین واحد ترانسفورماتور خشك ساخت ABB (Dry former ) در یك نیروگاه هیدروالكتریك در سوئد نصب می شود.
● چشم انداز آینده تكنولوژی ترانسفورماتور خشك
شركت ABB در حال توسعه ترانسفورماتور خشك Dryformer است. چند سال اول از آن در مراكز شهری و آن دسته از نواحی كه از نظر محیط زیست حساس هستند، بهره برداری می شود. تحقیقات فنی دیگری نیز در زمینه تپ چنجر خشك، بهبود ترمینال های كابل و سیستم های خنك كن در حال انجام است. در حال حاضر مهمترین كار ABB، توسعه و سازگار كردن Dryformer با نیاز مصرف كنندگان برای كار در شبكه و ایفای نقش مورد انتظار در پست هاست.
منبع:

بانک اطلاعات مهندسی برق

افزایش کارآیی کنتاکتهای تپ چنجرهای On-Load به کمک کنتاکتهای جدید ELR

حرکت به سمت خصوصی سازی در صنعت برق تولیدکنندگان برق را به استفاده بهینه و بسیار کارا از تجهیزات موجودشان ترغیب می کند . لذا در راستای این سیاست در حال حاضر توجه ویژه ای به کیفیت تجهیزات مورد استفاده و بهبود عملکرد و افزایش فاصله زمانی تعمیر و نگهداری توسط تولیدکنندگان مبذول می شود . از آنجا که ترانسفورماتورهای قدرت یکی از گرانترین تجهیزات در صنایع برق می باشند ، لذا تولیدکنندگان برای کاهش هزینه های سرمایه گذاری سعی می کنند ترانسفورماتورهای قدرت خود را در وضعیت اضافه بار نسبت به مقادیر نامی آن قرار دهند. این اضافه بار باعث افزایش درجه حرارت ترانسفورماتور و سایر بخشهایی که جریان از آن عبور میکند می شوند . یکی از حساسترین قسمتها کنتاکت های تپ چنجر های زیر بار می باشند که با افزایش درجه حرارت ، تخریب و به حالت زغالی درمی آیند . برنامه های وسیع تحقیقاتی برای رفع این مشکل اجرا شده است و آخرین تکنولوژی که در مرحله آزمایش و پیاده سازی عملی بسیار موفق بوده است ، روشی است که توسط نیکولز برای شرکت گاز و برق پاسیفیک انجام شده است . در بررسیهای اولیه ای که نیکولز بر روی کنتاکتهای سوخته انجام داده است این نتیجه را داده است که طرح جدید کنتاکت ها باید دارای هدایت الکتریکی و حرارتی بالاتر ، مقاومت بالاتری در برابر جوش خوردن و در برابر سائیدگی مکانیکی داشته باشد . در این طراحی نیکولز در نظر داشت که طرح مورد نظر قابل انطباق برای انواع تپ چنجرها باشد . برای اینکار طرح استفاده از کنتاکت های با پوشش نقره بالا و ایجاد کنتاکت هایی با مقاومت خیلی پائین ELR ارائه شد. برای ایجاد این روکش ابتدا با استفاده از سلف فرکانس بالا این آلیاژ نقره ای بر روی کنتاکت جوش خورده است و سپس مقادیر اضافی آن ماشینکاری شده است . این سطح نقره ای باعث ایجاد مقاومت کم و تماس استاتیکی بهتری برای کنتاکت های کلید می شود . این طرح در پروژه های مختلفی مورد استفاده واقع شده و باعث جلوگیری از تخریب کنتاکتها و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری در دوره های زمانی کوتاه شده است .   منبع : High Voltage Supply آدرس : http://www.highvoltagesupply.com

کاربرد الکترونیک قدرت در تپ چنجر ترانسفورماتورهای توزیع

یکی از حوزه های استفاده از الکترونیک قدرت در صنعت برق، تپ چنجر ترانسفورماتورها می باشد . تپ الکترونیکی برخلاف نوع مکانیکی ، کنترل دائم و تنظیم جریان ولتاژ ترانسفورماتور را ممکن میسازد . بدین منظور ، بایستی امکان تغییر تپ در شرایط بار کامل ترانس فراهم گردد . مهمترین مسئله در طراحی مبدل قدرت برای این منظور، اندوکتانس سرگردان تپ های سوئیچ شده می باشد . اگر عمل تغییر تپ بین دو تپ مختلف در فرکانس بالا صورت بگیرد ، امکان تنظیم دائمی ولتاژ ثانویه در بار کامل ترانس وجود دارد . کل سیستم در شکل زیر نشان داده شده است :

 

شکل ( 1 ) - مبدل قدرت ، اتصالی بین شبکه قدرت و ترانس

 

طراحی مبدل قدرت

به دلایل زیر از لحاظ فنی، امکان استفاده از یک مبدل قدرت معمول تجاری سه فاز حتی در سیستم توزیع وجود ندارد :

1. ولتاژ فاز شبکه توزیع (در محدوده تا 20 کیلوولت) از حد ظرفیت بلوکه کردن نیمه هادیهای قدرت معمول ، بیشتر است .
2. کل سیستم مذکور ، شامل مبدل قدرت ، بایستی در شرایط وقوع اتصال کوتاه ترانس در مدار باقی بمانند ( مثلا برای جریان نامی 22 آمپر اولیه ، جریان اتصال کوتاه تا 550 آمپر را تحمل کند) .
3. با برقدار کردن ترانس، جریانی در حدود چهار برابر جریان نامی برقرار میشود که در نتیجه ثانویه ترانس، تا لحظاتی قادر نیست برق 400 ولت مورد نیاز دستگاههای کنترلی فوق را تامین کند .

بنابراین ، برای ساختن مبدل قدرتی که بر مشکلات فوق غلبه کند ، موارد زیر در مرحله تحقیق و بررسی قرار دارند :

1. تحقیق در مورد توپولوژی و مفاهیم کنترلی (مدولاسیون) مبدل .
2. مدل شبیه سازی شده از ترانس قدرت با مبدلهای قدرت برای توپولوژیهای مختلف .
3. توپولوژیهای مختلف ممکن از مبدل قدرت و تکنیکهای مرتبط کنترل از طریق شبیه سازی .
4. انتخاب توپولوژی بهینه از مبدل قدرت با توجه به قابلیت اطمینان سیستم ، پیچیدگی و هارمونیکها و دقت شکل موج ترانس .
5. اثبات توپولوژی در نظر گرفته شده از لحاظ تجربی .
6. انجام آزمون در یک آزمایشگاه ولتاژ بالا و ارزیابی نتایج با توجه هارمونیکهای شکل موج مبدل .

 

منبع : Its

آدرس : http://ee.its.tudelft.nl/EPP/ReInd_001.htm

مدلهای حرارتی ترانسفورماتور و راهکارهای افزایش دقت آنها

مهمترین عامل خطا در ترانسفورماتور شکست عایقی است. شکست عایقی عمدتاً در نتیجه استرسهای حرارتی، در نقطه داغ سیم‌پیچ ترانسفورماتور رخ می‌دهد.
از طرفی شرکتهای برق در سیستم قدرت تجدید ساختار شده به منظور به تعویق انداختن سرمایه‌گذارها استراتژی‌ بهره‌برداری حداکثر از امکانات موجود را برگزیده‌اند. بنابراین بارگذاری ترانسفورماتور به بیش از مقدار نامی مورد توجه قرار گرفته است. از آنجا که مهمترین محدودیت افزایش بارگذاری ترانسفورماتور ایجاد نقاط داغ است، مدل‌سازی دقیق رفتار حرارتی ترانسفورماتور جهت تعیین دمای نقطه داغ (HST) و قابلیت بارگذاری واقعی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

مدلهای حرارتی ترانسفورماتور
بطور کلی می‌توان مدلهای حرارتی رایج را به مدلهای استاندارد (استانداردهای IEEE و IEC و ...)، مدلهای دوگان حرارتی – الکتریکی و مدلهای مبتنی برهوش مصنوعی تقسیم کرد.

الف- مدلهای استاندارد
با توجه به اهمیت بارگذاری مناسب ترانسفورماتور به منظور حفظ عمر مفید آن IEEE و IEC راهنماهایی برای بارگذاری ترانسفورماتور ارایه داده‌اند. این راهنماها روابطی تجربی را برای پیش‌بینی دمای نقطه داغ پیشنهاد می‌کنند که با تفاوت جزیی در استاندارد IEC 354 و استاندارد IEEE C57.91-1995 ارایه شده‌اند.
بر این اساس دمای نقطه داغ سیم‌پیچ ترانسفورماتور از سه مولفه اصلی دمای محیط،‌افزایش دمای روغن قسمت بالای تانک ترانسفورماتور نسبت به محیط و افزایش دمای نقطه داغ نسبت به دمای روغن قسمت بالای تانک تشکیل شده است.
در راهنمای IEEE روابط زیر حاکم هستند:
در این روابط ?H دمای نقطه داغ، ?TO  دمای روغن
قسمت بالای تانک، ?A  دمای محیط، ??To افزایش دمای روغن قسمت بالا نسبت به محیط و ??H افزایش دمای نقطه داغ نسبت به روغن قسمت بالاست.

الف-1- افزایش دمای روغن قسمت بالا نسبت به محیط:
 در این روابط i زیرنویس حالت اولیه، U زیرنویس حالت نهایی، r نشان دهنده مقدار نامی و K نسبت بار به بار نامی است. R نسبت تلفات بار در بار نامی به تلفات بی‌باری،‌n یک نمای تجربی،?To  ثابت زمانی افزایش دمای روغن قسمت بالا، t زمان و ƒ تابعی از ??To,u و ??To,i است.

الف-2- افزایش دمای نقطه داغ سیم‌پیچ نسبت به روغن
  قسمت بالا:
در این روابط m یک نمای تجربی و
w ? ثابت زمانی دمای سیم‌پیچ است.

الف-3- مزایا و معایب
مهمترین مزیت مدلهای استاندارد سادگی آنهاست. از سوی دیگر حساسیت دمای نقطه داغ بدست آمده نسبت به انحراف پارامترهای تجربی m و n قابل توجه است و تنها در شرایطی می‌توان از مقادیر نامی ثوابت تجربی ارایه شده در استانداردها استفاده کرد که ترانسفورماتور به طور معمول تحت بار نامی بهره‌برداری شود و اضافه بارهای سنگین کمتر رخ دهد. خطای این مدلها نیز بالاست (حتی تا 20 درجه سانتی‌گراد). دو مورد اخیر عیوب اصلی مدل‌های استاندارد است.

ب- مدلهای دوگان حرارتی – الکتریکی:
دوگانی اساسی بین فرآیندهای الکتریکی و حرارتی در جدول 1 آمده است. در مدل دوگان برای بدست آوردن دمای نقطه داغ، ابتدا مدلی برای دمای روغن قسمت بالای تانک ارایه می‌شود، سپس دمای روغن بدست آمده از این مدل به عنوان ورودی به مدل دمای نقطه داغ داده می‌شود. ترکیب این دو مدل، مدل دوگان حرارتی ترانسفورماتور را بدست می‌دهد.

ب-1- مدل دمای روغن قسمت بالا:
مدل دمای روغن قسمت بالای تانک بصورت یک مدار حرارتی در شکل 1 دیده می‌شود.
متغیرهای این شکل عبارتند از:
qtot: تلفات کل
qfe: گرمای تولید توسط تلفات بی‌باری
qcu: گرمای تولیدی توسط تلفات بار
Cth-oil: ظرفیت حرارتی روغن
?oil: دمای روغن قسمت بالا
Rth-oil: مقاومت حرارتی غیرخطی روغن
?amb: دمای محیط
مقاومت حرارتی غیرخطی روغن
Rth-oil  براساس نظریه انتقال گرما با رابطه زیر نمایش داده می‌شود که در این رابطه h ضریب هدایت گرما و A سطح هدایت گرما است.
ویسکوزیته روغن ترانسفورماتور به شدت با دما تغییر می‌کند. از سوی دیگر بر مبنای تئوری انتقال حرارت، ضریب هدایت گرما بصورت زیر با ویسکوزیته روغن رابطه دارد:
در این رابطه C1یک عدد ثابت است که خصوصیات حرارتی تقریباً ثابت روغن را در بر می‌گیرد. ویسکوزیته (?) برحسب کیلوگرم بر مترثانیه با رابطه زیر به دما وابسته است:
اهمیت تغییر دمایی ویسکوزیته روغن این است که بر روی مقاومت حرارتی روغن و ثابت زمانی روغن قسمت بالا تاثیر می‌گذارد. مقدار n در رابطه 9 برای حالات مختلف خنک‌سازی درجدول 2 آمده است.
معادله دیفرانسیل مدار حرارتی نشان داده شده در شکل 1 بصورت زیر است:

ب-2- مدل دمای نقطه داغ:
مشابه تئوری داده شده برای مدل دمای روغن قسمت بالا، مدل نقطه داغ نیز بصورت یک مدار حرارتی نمایش داده می‌شود.
متغیرهای شکل 2 عبارتند از:
qcu: گرمای تولیدی توسط تلفات بار
Cth-wdg: ظرفیت گرمایی سیم‌پیچی
?hs: دمای نقطه داغ
Rth-hs-oil: مقاومت گرمایی غیرخطی سیم‌پیچ تا روغن
?oil: دمای روغن
با صرفنظر از مقاومت گرمایی سیم‌پیچ و عایق در برابر مقاومت گرمایی روغن، مقاومت گرمایی سیم‌پیچ تا روغن
Rth-hs-oil: بصورت زیر در می‌آْید:
معادله دیفرانسیل مدار حرارتی نشان داده شده در شکل 2 عبارت است از:
در شکل 3 نتایج اندازه‌گیری عملی، خروجیهای مدل دوگان و مدل IEEE برای سیم‌پیچ فشار قوی یک ترانسفورماتور KV21/118/230 با ظرفیت MVA250 و خنک‌سازی ONAF آورده شده است. همانطور که از شکل مشخص است دقت مدل دوگان بیشتر از مدل IEEE است.

ب-3- مزایا و معایب:
دقت مدلهای دوگان بیش از مدل استاندارد است. از طرف دیگر رابطه‌ای بین فرآیندهای الکتریکی و حرارتی برقرار می‌شود که تحلیل رفتار حرارتی را آسان می‌کند.
مهمترین عیبی که این مدلها را از شرایط واقعی دور می‌کند، متمرکز در نظر گرفتن مقاومتها، ظرفیتها و منابع گرماست، در حالی که می‌دانیم درعمل حالت توزیع شده را داریم.

ج- مدلهای مبتنی بر هوش مصنوعی
همانطور که می‌دانیم در یک روش هوش مصنوعی ابتدا باید با اندازه‌گیری‌های واقعی انجام شده اصطلاحاً مدل را تعلیم دهیم. سپس مدل به دست آمده می‌تواند دمای نقطه داغ را با توجه به ورودی‌های جدید اعمال شده تخمین بزند. البته مدلهای هوشمند معنی فیزیکی مشخصی ندارند و تنها یک ارتباط دقیق بین ورودی و خروجی مدل در محدوده‌ای که توسط داده‌های تعلیم پوشانده می‌شود،‌برقرار می‌سازند.
مدلهای حرارتی هوشمندترانسفورماتور در 10 سال اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. از این میان می‌توان به کاربرد شبکه عصبی، الگوریتم ژنتیک و منطق فازی اشاره کرد.
یکی از بهترین نمونه‌ها، مدل حرارتی فازی- ژنتیکی است که در سال 2004 توسط ایپولیتو و همکارانش ارایه شد. شکل 4 نتیجه کاربرد این مدل برای یک ترانسفورماتور سه فاز KVA25 در شرایط اضافه بار را نشان می‌دهد. ملاحظه می‌شود با گذشت زمان خطای مدل IEEE افزایش یافته و به بیش از 10 درجه سانتی‌گراد نیز می‌رسد، در حالی که مدل فازی دقت خود را تا پایان حفظ می‌کند.

ج-1- مزایا و معایب:
از مهمترین مزایای مدلهای هوشمند دقت بسیار بالای آنها نسبت به سایر مدلهاست که در شرایط اضافه بار نیز حفظ می‌شود علاوه بر این با دقت خوبی رفتار حرارتی دینامیکی را پیش‌بینی می‌کنند. با  وجود این مزایا، تعلیم مدل با مشکلاتی روبروست. از جمله می‌توان به حجم بالای اندازه‌گیری مورد نیاز برای پوشش حالات مختلف بارگذاری ونیاز به اندازه‌گیری دمای نقطه داغ که به طور معمول اندازه‌گیری نمی‌شود، اشاره کرد. علاوه بر این تعلیم باید برای هر ترانسفورماتور یا حداقل مدل ترانسفورماتوری که ارزیابی حرارتی آن موردنظر است، انجام شود.

راهکارهای افزایش دقت مدلها
با توجه به مطالب ارایه شده در بخشهای قبلی راهکارهای زیر برای افزایش دقت مدلهای حرارتی پیشنهاد می‌شود.

الف- مدلهای استاندارد
مرجع (14) به جای روابط (1)، (2)، (4) و (7) مدل IEEE، روابط زیر را ارایه داده است:
دینامیک به تغییرات دمای محیط پاسخ دهد و بنابراین دقت مدل افزایش یابد.
در پیوست (Annex G) G راهنمای بارگذاری IEEE (2) پیشنهاد شده است که دمای روغن کف تانک معادلات دیفرانسیل (15) و (16) به صورت ضمنی،‌ به شکل پاسخ نمایی به ورودی پله در روابط (4) و (7) آورده شده است. بیان رابطه (4) به صورت معادله دیفرانسیل (15) این امکان را فراهم می‌کند که دمای روغن قسمت بالا به صورت ترانسفورماتور به عنوان نقطه شروع محاسبات در نظر گرفته شود. با وجود این مشکل که معمولاً دمای روغن بالای تانک اندازه‌گیری می‌شود و نه روغن کف، این پیشنهاد طبق ادعای این استاندارد به بهبود دقت مدل می‌انجامد.
مرجع (15) با توجه به نقش تلفات آهن در ایجاد حرارت و وابستگی آن به ولتاژ و به منظور درنظر گرفتن تاثیر انحراف تلفات آهن از مقدار نامی، رابطه (3)‌را به صورت زیر اصلاح کرده است. در این رابطه V ولتاژ اولیه ترانسفورماتور بر حسب P.u. و q ثابت اصلاح شده استاینمتز است.

ب- مدلهای دوگان حرارتی- الکتریکی:
در نظر گرفتن تغییر تلفات آهن در نتیجه انحراف ولتاژ از مقدار نامی می‌تواند دقت مدل دوگان را نیز افزایش دهد. برای وارد کردن این ایده به مدل باید منبع جریان qfe در شکل 1 را وابسته به ولتاژ در نظر گرفت.
از سوی دیگر کاربرد هوش مصنوعی «الگوریتم ژنتیک» در تعیین پارامترهای مدل همان‌طور که در مرجع (17) آمده است، می‌تواند به افزایش دقت مدل بینجامد.

ج- مدلهای مبتنی بر هوش مصنوعی:
در اکثر کارهایی که در زمینه هوش مصنوعی انجام شده است، دمای محیط تقریباً ثابت و برابر دمایی که در آن اندازه‌گیریهای عملی انجام شده است در نظر گرفته می‌شود. طبیعی است که تعلیم مدل با دماهای محیط مختلف می‌تواند بر دقت نتایج بیفزاید. این مطلب برای سایر پارامترهای جوی مانند سرعت باد، تابش خورشید و ... نیز صادق است.
از سوی دیگر ترکیب روشهای هوش مصنوعی با منطق فازی، مانند ترکیب الگوریتم ژنتیک و فازی (12) به بهبود دقت مدل کمک می‌کند.
به علاوه اگر به نحوی اثر تغییرات ولتاژ اولیه روی تلفات آهن و در نتیجه عملکرد حرارتی ترانسفورماتور را به مدل وارد کنیم، دقت مدل افزایش خواهد یافت. این کار را می‌توان با در نظر گرفتن ولتاژ اولیه ترانسفورماتور به عنوان یک ورودی مستقل مدل و تعلیم مدل با ولتاژهای اولیه مختلف انجام داد.

د- بهبود‌های قابل ایجاد در همه مدلها:
در همه مدلهای موجود،‌ مدلسازی فقط برای یک روش خنک سازی خاص انجام شده است و روشن و خاموش شدن فن‌ها و پمپ‌ها در طول کارکرد ترانسفورماتور در نظر گرفته نشده است. بنابراین راهکاری که به افزایش دقت همه مدلها می‌انجامد، ‌وارد کردن الگوریتم روشن- خاموش شدن فن‌ها و پمپ‌ها در فرآیند مدلسازی است. برای مثال در مدل دوگان این کار با تغییر مقدار n مطابق جدول 2 با توجه به رژیم کاری ترانسفورماتور قابل انجام است.
علاوه بر این همان طور که قبلاً نیز اشاره شد، مدلسازی شرایط جوی مانند شدت تابش نور خورشید، سرعت باد،‌ارتفاع از سطح دریا و ... نیز می‌تواند دقت همه مدلها را بهبود بخشد، گرچه ممکن است این بهبود قابل توجه نباشد.

ه- شبیه‌سازی:
با توجه به کمبود فضا در اینجا به شبیه‌سازی تاثیر در نظر گرفتن تغییرات ولتاژ اولیه روی پاسخ مدل IEEE اکتفا می‌کنیم. مقادیر ثوابت در نظر گرفته شده، در جدول 3 آورده شده است. لازم به ذکر است که طراحی این ترانسفورماتور بر مبنای دمای محیط 30 درجه سانتی‌گراد و دمای نامی نقطه داغ 110 درجه سانتی‌گراد انجام شده است. شکل 5 تغییرات دمای نقطه داغ را نسبت به ولتاژ اولیه نمایش می‌دهد. ملاحظه می‌شود که اگر تغییرات ولتاژ اولیه را در نظر نگیریم،‌انحراف 10 درصدی از ولتاژ نامی می‌تواند به خطایی حدود 25/2 درجه سانتی‌گراد در پیش‌بینی دمای نقطه داغ بینجامد.

نتیجه‌گیری
از آنجا که ممکن است یک ترانسفورماتور به دفعات تحت اضافه بار قرار گیرد،‌تحلیل دقیق رفتار حرارتی آن به منظور استفاده هر چه بیشتر از ظرفیت با توجه به حفظ عمر مفید، ضروری به نظر می‌رسد.
با این هدف ابتدا چند مدل حرارتی رایج ترانسفورماتور و مزایا ومعایب هر کدام تشریح شد. در ادامه مجموعه‌ای از راهکارهای بهبود دقت مدلها (شامل پیشنهادات مراجع مختلف و ایده‌های نویسندگان مقاله حاضر) مورد توجه قرار گرفت. همچنین برای نمونه نقش در نظر گرفتن تغیرات ولتاژ اولیه ترانسفورماتور روی پاسخ مدل IEEE شبیه سازی شد. مشاهده شد که لحاظ کردن افزایش 10 درصدی ولتاژ تغذیه، تخمین دمای نقطه داغ را بیش از 2 درجه سانتی‌گراد بالا می‌برد.

منبع : ماهنامه صنعت برق

مهندس مهدی ثواقبی فیروزآبادی- مهندس احمد غلامی- مهندس حسین هوشیار

ترانسفورماتورهای ابررسانا

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 بصورت حرارت تلف می شود. حتی در زمانیکه ترانسفورماتور بدون بار است ، در هسته تلفات بی باری (NLL) بوجود می آید. در نتیجه مطالعات و بررسیهای انجام شده ، در 50 ساله اخیر محققان موفق شده اند با صرف هزینه ای دو برابر برای هسته ، تلفات بی باری را به یک سوم کاهش دهند. اخیراً با جایگزینی فلزات بیشکل و غیر بلوری (Amorphous) بجای آهن سیلیکونی درهسته ترانسفورماتورهای توزیع با قدرت نامی کوچکتر از 100 KVA ، تلفات بی باری باز هم کاهش یافته است . این کار هنوز در مورد ترانسفورماتورهای بزرگ با قدرت نامی بزرگتر از 500KVA انجام نشده است . اگرچه برای هر ترانسفورماتور ، 1 درصد توان نامی آن بعنــوان توان تلفـاتی در نظر گرفتـه می شود، اما باید توجه داشت که آزاد سازی بخش کوچکی از این تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئی کلانی به همراه خواهد داشت . در ترانسفورماتورهای قدرت معمول ، تقریباً 80% از کل تلفات ، مربوط به تلفات بارداری ترانسفورماتور (LL) 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 می گیرد. در ابررساناها بعلت عدم وجود مقاومت اهمی در برابر جریان d c تلفاتاهمی برابر با صفر است . لذا با استفاده از ابررساناها در ترانسفورماتورها، تلفات کل ترانسفورماتور، کاهش قابل ملاحظه ای خواهد یافت. در مقابل جریان ac ، در ابر رساناها تلفاتی از نوع تلفات فوکو رخ می دهد. گرمای بوجود آمده از این تلفات باید با استفاده از سیستم های خنک کننده دفع گردد.بررسیهای بعمل آمده حاکی از آن است که ترانسفورماتورهای ابررسانا با قدرت 10 MVA و بالاتر عملکرد نسبتا بهتری داشته و نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی قیمت پایینتری خواهند داشت .

تلاشهایی که جهت توسعه ترانسفورماتورهای ابررسانا انجام می گیرد صرفاً بخاطر مسایل اقتصادی و کاهش هزینه کل نیست. یکی دیگر از دلایل طرح این مبحث آنست که در مراکز پر تراکم شهری، رشد مصرف 2 درصدی (سالیانه ) به معنی نیاز به ارتقاء ظرفیت سیستم های موجود است . از طرفی بسیاری ازپستهای توزیع بصورت سرپوشیده (Indoor) بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند. در این نوع پست ها همانند دیگر پستهای توزیع از ترانسهای روغنی استفاده میشود 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 ، بعلاوه ، خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد. بهمین لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهای ابررسانا به هیچ عنوان قابل مقایسه با روغنهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی همچون PCB نیست .

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 داد که جهت بهره برداری از این ترانسفورماتورها، باید آنها را در دمای 4 .2K نگه داشت که انجام چنین کاری اقتصادی نیست . بهمین دلیل گامها بسوی کشف موادی با قابلیت ابررسانایی در دماهای بالاتر ، برداشته شد. در اواسط دهه 1970 ، شرکت Westing House ، طرح یک ترانسفورماتور نیروگاهی 550/22kv , 1000MVA را مورد مطالعه قرار داد و به این نتیجه رسید که مشکلاتی از قبیل انتقال جریان ، عملکرد فوق جریان (Overcurrent) و حفاظت همچنان وجود خواهند داشت .

از سال 1980 ، توسعه ترانسفورماتورهای LTS توسط شرکت های GEC-Alsthom , ABB ، در اروپا و چند شرکت صنعتی و مرکز دانشگاهی در ژاپن، مورد پیگیری قرار گرفت . پیشرفت های بعمل آمده در تولید هادیهای طویل Nb-Ti و مواد با مقاومت بالا (Cu-Ni) بر کاهش تلفات ac تاثیر زیادی داشته است . مساله عملی بودن کاهش وزن و افزایش راندمان نیز بر روی ترانسفورماتورهای با قدرتهای کمتر از 100KVA (تکفاز 80KVA Alsthom) ، (Toshiba)30KVA و سه فاز 40KVA (دانشگاه Osaka) مورد بررسی قرار گرفت . هم چنین ترانسفورماتورهای بزرگتری نیز ساخته شده و آزمایشهای مربوطه را با موفقیت پشت سر گذاشتند. در یک ترانسفورماتور تکفاز 330KVA ساخت ABB پیش بینی های لازم برای محدود سازی جریان خطا و حفاظت در برابر یخ زدگی در نظر گرفته شد. شرکت برق Kansai Electric نیز گزارشی از ترانسفورماتور LTS با هادی Nb3Sn با قدرت 2000 KVA ارائه نموده است .

 

منبع :         مؤسسه Loyola

آدرس : http://itri.loyola.edu