اهمیت ترانسفورماتورها در صنعت برق و شبكه‌های صنعتی

ترانسفورماتورها در اندازه‌ ها و توان‌ های مختلفی جهت تغییر سطح ولتاژ الكتریكی به‌ منظور كاهش تلفات ولتاژ در فرآیند انتقال و توزیع انرژی الكتریكی به‌ كار می‌ روند. در صنعت سیمان، به‌عنوان یكی از مصرف كننده‌ های بزرگ برق و استفاده از سطوح ولتاژ مختلف در آن، استفاده از ترانسفورماتورها یكی از اركان اجتناب‌ ناپذیر می‌ باشد. در این مقاله به اختصار ترانسفورماتورها، ساختمان آنها، تعمیرات و نگهداری آنها مورد بررسی قرار گرفته است.

ترانسفورماتورها را با توجه به كاربرد و خصوصیات آنها می‌ توان به سه دسته كوچك، متوسط و بزرگ دسته‌ بندی كرد. ساختمان ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط به‌ دلیل مسائل فاظتی و عایق‌ بندی و امكانات موجود، نسبت به انواع كوچك آن پیچیده‌ تر است. اجزاء تشكیل دهنده یك ترانسفورماتور به شرح زیر است:

هسته ترانسفورماتور متشكل از ورقه‌ های نازكی است كه سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفور ماتورها محاسبه می‌ شود. برای كم كردن تلفات آهنی هسته‌ ترانسفور ماتور را نمی‌ توان به‌طور یكپارچه ساخت. بلكه معمولا آنها را از ورقه‌ های نازك فلزی كه نسبت به یكدیگر عایق هستند، می‌ سازند این ورقه‌ ها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم (حداكثر ۴.۵ درصد) كه دارای قابلیت هدایت الكتریكی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیادی است ساخته می‌ شوند. زیاد بودن مقدار سیلیسیم، باعث شكننده شدن ورق‌ها می‌ شود. برای عایق كردن ورق‌ های ترانسفورماتور، در گذشته از یك كاغذ نازك مخصوص كه در یك سمت این ورقه چسبانده می‌ شد، استفاده می‌ كردند، اما امروز در هنگام ساختن و نورد این ورقه‌ ها یك لایه نازك اكسید فسفات یا سیلیكات به ضخامت ۲ تا ۲۰ میكرون به‌ عنوان عایق بر روی آنها مالیده می‌ شود، كه باعث پوشاندن روی ورقه‌ ها می‌ گردد. علاوه بر این، از لاك مخصوصی نیز برای عایق كردن یك طرف ورقه‌ ها استفاده می‌ شود. تمامی ورقه‌ های ترانسفور ماتور دارای یك لایه عایق هستند. در هنگام محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور كرد. ورقه‌ های ترانسفور ماتورها را به ضخامت‌ های ۰.۳۵ و ۰.۵ میلیمتر و در اندازه‌ های استاندارد می‌ سازند. باید دقت كرد كه سطح عایق شده‌ٔ ورقه‌ های ترانسفور ماتور همگی در یك جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا) علاوه بر این تا حد امكان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذكر است ورقه‌ ها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صدا كردن آنها نیز جلوگیری شود.

معمولا برای سیم‌ پیچ اولیه و ثانویه ترانسفور ماتور از هادی‌ های مسی با عایق (روپوش) لاكی استفاده می‌ كنند، كه با سطح مقطع گرد و اندازه‌ های استاندارد وجود دارند و با قطر آنها مشخص می‌ شوند. در ترانسفور ماتورهای پرقدرت از هادی‌های مسی كه به‌صورت تسمه هستند استفاده می‌ شوند و ابعاد این گونه هادی‌ها نیز استاندارد است.

سیم پیچی ترانسفور ماتور به این ترتیب است كه سر سیم‌ پیچ‌ ها را به‌ وسیله روكش عایق‌ ها از سوراخ‌ های قرقره خارج می‌ كنند، تا بدین ترتیب سیم‌ ها، قطع (خصوصا در سیم‌ های نازك و لایه‌ های اول) یا زخمی نشوند، علاوه بر این بهتر است رنگ روكش‌ ها نیز متفاوت باشد تا در ترانسفور ماتورهای دارای چندین سیم پیچ، به‌ راحت بتوان سر هم سیم‌ پیچ را مشخص كرد. بعد از اتمام سیم‌ پیچی یا تعمیر سیم‌ پیچ‌ ها ترانسفور ماتور باید آنها را با ولتاژهای نامی خودشان برای كنترل و كسب اطمینان از سالم بودن عایق بدنه و سیم‌ پیچ‌ های اولیه و ثانویه آزمایش كرد.

برای حفاظت و نگهداری از سیم پیچ‌ های ترانسفورماتور خصوصا در ترانسفورماتورهای كوچك باید از قرقره استفاده نمود. جنس قرقره باید از مواد عایق باشد. قرقره معمولا از كاغذ عایق سخت، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیك می‌سازند. قره‌ قره‌ هائی كه از جنس ترموپلاستیك هستند، معمولا یك تكه ساخته می‌ شوند ولی برای ساختن قرقره‌ های دیگر آنها را در چند قطعه تهیه و سپس بر روی همدیگر سوار می‌ كنند. بر روی دیواره‌ های قرقره باید سوراخ یا شكافی ایجاد كرد تا سر سیم‌ پیچ از آنها خارج شود.

اندازه قرقره باید با اندازه ی ورقه‌ های ترانسفورماتور متناسب باشد و سیم‌ پیچ نیز طوری بر روی آن پیچیده شود، كه از لبه‌ های قرقره مقداری پائین‌ تر قرار گیرد تا هنگام جا زدن ورقه‌ های ترانسفور ماتور، لایه‌ ی روئی سیم پیچ صدمه نبیند. اندازه قرقره‌ های ترانسفور ماتورها نیز استاندارد هستند، اما در تمام موارد، با توجه به نیاز، قرقره مناسب را می‌ توان طراحی كرد.

پس از پایان مراحل ساخت و انجام موفقیت‌ آمیز آزمایشات كارخانه‌ ای، قبل از جابه‌ جائی ترانسفورماتور، از محلی به محل دیگر و قبل از بارگیری باید اقدامات زیر به روی ترانسفور ماتور انجام گیرد، به‌ منظور كاهش ابعاد و وزن ترانسفورماتور و نیز از نظر فنی و محدودیت‌ های ترافیكی، باید تجهیزات جنبی ترانسفورماتور ”كنسرواتور (منبع انبساط)، بوشینگ‌ ها و...“ باز و به‌ طور جداگانه بسته‌ بندی و آماده حمل گردند. اما خود ترانسفورماتور به طریق زیر حمل می‌ گردد.

ترانسفورماتورهای كوچك و ترانسفورماتورهائی كه وزن و ابعاد آنها مشكلاتی 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.

 

لازم به ذكر است كه در هنگام حمل روغن، قسمت فعال (Active Part) ترانسفورماتور باید كاملاً در داخل روغن قرار گیرد.

به‌منظور جلوگیری از نفوذ رطوبت و هوا به داخل ترانسفورماتور، فضای بین روغن و سقف ترانسفورماتور را با هوای خشك و یا گاز نیتروژن با فشار حدود ۲/۰ بار در هوای ۲۰ درجه پر می‌كنند. لازم به ذكراست كه گاز نیتروژن باید كاملاً خشك باشد، در این حالت با نصب یك محفظه سیلیكاژل بسته (آب‌بندی شده) بر روی ترانسفورماتور عمل جذب رطوبت انجام می‌شود. ضمناً جهت جلوگیری از پاشیدن روغن به داخل سیلیكاژل در طول حمل از یك وسیله حفاظتی استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورهای بزرگ بدون روغن حمل می‌گردند. در این موارد پس از تخلیه روغن، ترانسفورماتور را با هوای خشك (دارای رطوبت كمتر از ppmv ۲۵ و نقطه میعان كمتر از ۶۰ ـ درجه سانتیگراد) یا با نیتروژن (با درجه خلوص ۹.۹۹%) پر می‌كنند. لازم به ذكر است كه در این حالت نیز در طول حمل باید فشار هوا یا نیتروژن به‌طور مرتب كنترل گردد.

1.  كنترل ضربه‌نگار
2. كنترل فشار هوا
3. كنترل نقطه شبنم و اكسیژن
4.  كنترل استقرار ترانسفورماتور بر روی فوندانسیون
5. كنترل تجهیزات جنبی ترانسفورماتور شامل بوشینگ، سیستم خنك كننده، رادیاتور، فن، پمپ، كنسرواتور و ملحقات آن
6. سیستم تنفسی
7. شیر اطمینان
8. ترمومترها شامل ترمومتر روغن (كالیبره كردن ترمومتر) و ترمومتر سیم پیچ
9. تپ چنجر
10. رله‌بو خهلتس

روغن‌های ترانسفور ماتور عمدتاً تركیبات پیچیده‌ای از هیدروكربن‌های 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 كاری الكتریكی
•  انتقال حرارت
•  قابلیت خاموش كردن قوس‌الكتریكی
•  پایداری شیمیائی
•  سیل كردن ترانسفورماتور
•  جلوگیری از خوردگی

 در مورد سفارش خرید روغن برای ترانسفورماتورها دو مورد مهم را مدنظر قرار می‌دهیم.

نوع روغن و كیفیت آن، براساس طراحی ترانسفورماتورها می‌باشد. به‌عنوان مثال در یكی از بررسی‌ها نوعی چسب كه در داخل ترانسفورماتور به‌كار برده شده بود توسط روغن ترانس حل گردید و باعث شد كه ذرات چسب داخل روغن پراكنده شود و منجر به كاهش دی‌الكتریك روغن گردد. مورد دیگری كه مورد آزمایش قرار گرفت، این بود كه كاتالیزور مس و آهن باعث از بین بردن روغن تشخیص داده شده است. بنابراین نوع ترانسفورماتور و مواد به كار رفته در آن درتعیین نوع و كیفیت روغن آن تأثیر زیادی دارد.

به‌طور كلی دو نوع آلودگی اصلی در روغن ترانسفور ماتورها عبارتند از:

1. مواد معلق در روغن
2. اكسیداسیون روغن

پس از شناسائی مؤلفه‌های روغن با آزمایش‌های مختلف، تصمیم به تصفیه یت تعویض روغن اتخاذ می‌گردد.

به‌طور كلی ۳ نوع آزمایش كلی بر روی روغن ترانسفورماتور انجام می‌گیرد كه عبارتند از:

1. آزمون‌های فیزیكی
2. آزمون‌های شیمیائی
3. آزمون‌های قسمت‌های الكتریكی

برخی از آزمایش‌هایی كه باید روی روغن ترانسفورماتورها، انجام می‌گیرد در زیر آمده است:

1. تست اسیدیته
2. تست گازهای حل شده در روغن
3. تست كشش سطحی
4. تست بی‌فنیل پلی كلرید (pcb)

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

با توجه به اینكه مولكول‌های روغن از تركیبات هیدروكربن ساخته شده‌اند، حرارت یا شكست الكتریكی می‌تواند باعث شكست مولكول‌های روغن و تولید گازهای قابل اشتعالی مثل متان، اتیلن، اتان و سایر گازها شود، كه در دراز مدت انفجار ترانسفورماتور را در پی خواهد داشت. تحلیل گاز كروماتوگرافی به اندازه‌گیری میزان گازهای تولید شده در روغن ترانسفورماتور و آنالیز آنها می‌پردازد.

ساخت ترانسفورماتورهای فشار قوی فاقد روغن، در طول عمر یكصد ساله ترانسفور ماتورها، یك انقلاب محسوب می‌شود. ایده استفاده از كابل با عایق پلیمر پلی‌اتیلن، به‌جای هادی‌های مسی دارای عایق كاغذی از ذهن یك محقق سوئدی به نام پرفسور ”Mats lijon“ تراوش كرده است.

تكنولوژی استفاده از كابل به‌جای هادی‌هادی مسی دارای عایق كاغذی، نخستین بار در سال ۱۹۹۸ در یك ژنراتور فشار قوی به‌نام ”Power Former“ به‌كار گرفته شد. در این ژنراتور بر خلاف سابق كه از هادی‌های شمشی (مستطیلی) در سیم‌پیچی استاتور استفاده می‌شد، از هادی‌های گرد استفاده شده است. همان‌طور كه از معادلات ماكسول استنباط می‌شود، هادی‌های سیلندری، توزیع میدان‌الكتریكی متقارنی دارند. بر این اساس ژنراتوری می‌توان ساخت كه برق را با سطح ولتاژ شبكه تولید كند به‌طوری كه نیاز به ترانسفورماتور افزاینده نباشد. در نتیجه این كار، تلفات الكتریكی به میزان ۳۰ درصد كاهش می‌یابد.

در یك كابل پلیمری فشار قوی، میدان الكتریكی در داخل كابل باقی می‌ماند و سطح كابل دارای پتانسیل زمین می‌باشد. در عین حال میدان مغناطیسی لازم برای كار ترانسفورماتور تحت تأثیر عایق كابل قرار نمی‌گیرد. در یك ترانسفورماتور خشك، با استفاده از تكنولوژی كابل، امكانات تازه‌ای برای بهینه كردن طراحی میدان‌های الكتریكی و مغناطیسی، نیروهای مكانیكی و تنش‌های گرمائی فراهم كرده است.

در فرآیند تحقیقات و ساخت ترانسفورماتور خشك، در مرحله نخست یك ترانسفورماتور آزمایشی تك فاز با ظرفیت ۱۰ مگا ولت‌آمپر (Dry former)، طراحی، ساخته و آزمایش گردید .

Dry former اكنون در سطح ولتاژهای از ۳۶ تا ۱۴۵ كیلوولت و ظرفیت تا ۱۵۰ مگاولت آمپر وجود دارد.

با پیشرفت تكنولوژی امكان ساخت ترانسفورماتورهای خشك با بازدهی بالا فراهم شده است.

ترانسفورماتور خشك دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است.

• روغن برای خنك شدن، یا به‌عنوان عایق الكتریكی نیاز ندارد. سازگاری این نوع ترانسفورماتور با طبیعت و محیط زیست یكی از مهمترین ویژگی‌های مهم آن است. به‌دلیل عدم وجود روغن، خطر آلودگی خاك و منابع آب زیرزمینی و همچنین احتراق و خطر آتش‌سوزی كم می‌شود.
• با حذف روغن و كنترل میدان‌های الكتریكی كه در نتیجه آن خطر ترانسفورماتور از نظر ایمنی افراد و محیط زیست كاهش یافته است. امكانات تازه‌ای را از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم كرده است. به این ترتیب امكان نصب ترانسفورماتور خشك در نقاط شهری و جاهائی كه از نظر زیست محیطی حساس هستند، وجود دارد.
• در ترانسفورماتور خشك به‌جای بوشینگ چینی در قسمت‌های انتهائی از عایق سیلیكن را بر (Silicon rubber) استفاده می‌شود. به این ترتیب خطر ترك خوردن چینی بوشینگ و نشت بخار روغن از بین می‌رود.
• كاهش مواد قابل اشتعال، نیاز به تجهیزات گسترده آتش‌نشانی را كاهش می‌دهد. بنابراین از این دستگاه‌ها در محیط‌های سرپوشیده و نواحی سرپوشیده شهری نیز می‌توان استفاده كرد.
• با حذف روغن در ترانسفورماتور خشك، نیاز به تانك‌های 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.

از دیگر ویژگی‌های 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 بهره‌برداری شود. با به‌كارگیری ترانسفورماتور خشك این امر امكان‌پذیر است.

اگر در پست، مشكل برق پیش آید، خطری متوجه عایق ترانسفور ماتور نمی‌شود. زیرا منبع اصلی گرما یعنی تلفات در آن تولید نمی‌شود. به‌علاوه چون هوا واسطه خنك شدن است و هوا هم مرتب تعویض و جابه‌جا می‌شود، مشكلی از بابت خنك شدن ترانسفورماتور بروز نمی‌كند.

سیستم TMMS (Transformer Monitoring Management System فارادی یك 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 كه ضمن تفسیر عملكرد ترانسفورماتور عیب‌های آن را تشخیص داده و اطلاعات لازم برای تصمیم‌گیری را در اختیار بهره‌بردار قرار دهد.

اطلاعات بهره‌برداری كه 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 خنك كنندگی 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 كلی ترانسفورماتور
•  ظرفیت بارگیری ترانسفورماتور
•  میل و شدت تولید گاز و جباب در داخل روغن ترانسفورماتور

سیستم TMMS فارادی را می‌توان برای ترانسفورماتورهای موجود به‌كار 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 عملكرد آن برای مواد زیر گردید.

هارمونیك‌های تولید شده توسط بارهای غیر خطی می‌توانند مشكلات حرارتی و گرمائی خطرناكی را در ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد ایجاد نمایند. حتی اگر توان بار خیلی كمتر از مقدار نامی آن باشد، هارمونیك‌ها می‌توانند باعث گرمای بیش از حد و صدمه دیدن ترانسفورماتورها شوند. جریان‌های هارمونیكی تلفات فوكو را به شدت افزایش می‌دهند. به‌همین دلیل سازنده‌ها، ترانسفورماتورهای تنومندی را ساخته‌اند تا اینكه بتوانند تلفات اضافی ناشی از هارمونیك‌ها را تحمل كنند.

سازنده‌ها برای رعایت استاندارد یك روش سنجش ظرفیت، به‌نام عامل K را ابداع كرده‌اند. عامل K نشان دهنده مقدار افزایش در تلفات فوكو است. بنابراین ترانسفورماتور عامل K می‌تواند باری به اندازه ظرفیت نامی ترانسفورماتور را تغذیه نماید مشروط بر اینكه 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 هارمونیك را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم می‌باشند.

ترانسفورماتور (HMT (Harmonic Mitigating Transformer نوع دیگری از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیك ترانسفورماتورهای HMT هستند كه از صاف شدن بالای موج ولتاژ بهواسطه بریده شدن آن جلوگیری می‌كند HMT، طوری ساخته شده است كه اعو جاج ولتاژ سیستم و اثرات حرارتی ناشی از جریان‌های هارمونیك را كاهش می‌دهد. HMT این كار از طریق حذف فلوها و جریان‌های هارمونیكی ایجاد شده توسط بار در سیم پیچی‌های ترانسفورماتور انجام می‌دهد.

چنانچه شبكه‌های توزیع نیروی برق مجهز به ترانسفورماتورهای HMT گردند می‌توانند همه نوع بارهای غیر خطی (با هر درجه از غیر خطی بودن) را بدون اینكه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه نمایند. به همین دلیل در اماكنی كه بارهای غیر خطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT به صورت گسترده استفاده می‌شود.

 

 

• می‌توان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیك‌ها (شامل هارمونیك‌های سوم، نهم و پانزدهم) در سیم پیچ‌ اولیه، از طریق حذف فلوی آنها در سیم پیچی‌های ثانویه جلوگیری كرد.
• ترانسفورماتورهای HMT با یك خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته می‌شوند. وقتی كه هر دو مدل با هم به‌ كار می‌روند، می‌توانند جریان‌های هارمونیك پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در قسمت‌ جلوئی شبكه حذف كنند.

این مقاله را بخوانید: کاربرد روغن ترانسفورماتور چیست؟