تلفات در ترانس ها
اهمیت ترانسفورماتورها در صنعت برق و شبکه‌هیا 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 مقاله به اختصار ترانسفورماتورها، ساختمان آنها، تعمیرات و نگهداری آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
● 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.
● 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.
● 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.
الف 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 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.