ترانسفورماتورهای غوطهور نفتی، بهعنوان تجهیزات کلیدی در سیستمهای توزیع برق برای شرکتهای صنعتی و معدنی و ساختمانهای عمرانی، وظیفه مهم کاهش ولتاژ شبکههای ولتاژ بالا{4}}10(6) کیلوولت یا 35 کیلوولت به ولتاژ باس 230/400 ولت را بر عهده میگیرند تا نیازهای برق کاربران را برآورده کنند. این نوع ترانسفورماتور برای منبع تغذیه AC 50(60) هرتز با حداکثر ظرفیت نامی سه فاز 2500 کیلو ولت آمپر و حداکثر ظرفیت نامی تک فاز 833 کیلو ولت آمپر مناسب است (اما ترانسفورماتورهای تک فاز معمولاً توصیه نمی شوند). می توان از آن در داخل خانه استفاده کرد و یا در فضای باز نصب کرد. برای ترانسفورماتورهای با ظرفیت 315 کیلو ولت آمپر و کمتر، حتی می توان آن را مستقیماً روی یک تیر نصب کرد. علاوه بر این، دارای الزامات خاصی در مورد شرایط محیطی است، از جمله محدوده دمای محیط، حداکثر دمای متوسط روزانه، حداکثر دمای میانگین سالانه، رطوبت نسبی و ارتفاع. اگر شرایط استفاده واقعی با این مقررات مطابقت نداشته باشد، تنظیمات سهمیه مناسب باید طبق استاندارد GB6450-86 انجام شود.
1. ترانسفورماتورهای غوطه ور نفتی متمایز فاز را می توان به سه ترانسفورماتور-فاز و ترانسفورماتور تک فاز- تقسیم کرد. در سیستمهای قدرت سه فاز، ترانسفورماتورهای سه فاز انتخاب معمولی هستند. با این حال، زمانی که ظرفیت خیلی زیاد است یا شرایط حمل و نقل محدود است، می توان از سه ترانسفورماتور{8} تک فاز برای تشکیل بانک ترانسفورماتور برای پاسخگویی به تقاضا استفاده کرد.
2. طبقه بندی سیم پیچ
ترانسفورماتورها را میتوان به دو-ترانسفورماتور سیمپیچ و سه-ترانسفورماتور سیمپیچ بر اساس تعداد سیمپیچها طبقهبندی کرد. دو-ترانسفورماتور سیم پیچی نوع رایجی هستند که دو سیم پیچ در هسته آنها وجود دارد: یکی به عنوان سیم پیچ اولیه و دیگری به عنوان سیم پیچ ثانویه. سه ترانسفورماتور سیم پیچ معمولاً برای ظرفیت های بزرگتر (بیش از 5600 کیلو ولت آمپر) مناسب هستند و این ترانسفورماتورها می توانند به سه خط انتقال ولتاژ مختلف متصل شوند. همچنین در برخی کاربردهای خاص حتی از ترانسفورماتورهای Satons با سیم پیچی بیشتر استفاده می شود.
3. طبقه بندی ساختاری
ترانسفورماتورها را میتوان بر اساس ویژگیهای ساختاری آنها به ترانسفورماتورهای هستهای-نوع و ترانسفورماتورهای پوسته- طبقهبندی کرد. در ترانسفورماتورهای هسته-، سیم پیچ ها معمولاً به دور بیرونی هسته پیچیده می شوند، در حالی که در ترانسفورماتورهای نوع{4} پوسته، هسته در اطراف سیم پیچ ها قرار دارد. این دو نوع ترانسفورماتور تفاوت های ساختاری جزئی دارند، اما اصول کار آنها تفاوت اساسی ندارد. در عمل، اکثریت قریب به اتفاق ترانسفورماتورهایی که معمولاً در سیستم های قدرت استفاده می شوند، از نوع هسته ای هستند.
علاوه بر این، ترانسفورماتورها شامل اجزای کلیدی دیگری مانند هسته، سیمپیچها، مخزن روغن، محافظ روغن، بوشینگهای عایق، تعویضکنندههای شیر و رلههای گاز هستند که با هم ساختار کامل ترانسفورماتور را تشکیل میدهند.
4. هسته به عنوان هسته مدار مغناطیسی ترانسفورماتور، هسته نقش مهمی ایفا می کند. در طول عملیات ترانسفورماتور، هسته به دلیل هیسترزیس و تلفات جریان گردابی گرما تولید می کند. برای کاهش مؤثر این اتلاف گرما و به حداقل رساندن اندازه و وزن ترانسفورماتور، معمولاً از ورقهای فولادی سیلیکونی با گرایش سرد-غلات نورد شده- با نفوذپذیری بالا و ضخامت کمتر از 0.35 میلیمتر برای ساخت هسته استفاده میشود. علاوه بر این، بر اساس آرایش سیمپیچها در هسته، ترانسفورماتورها را میتوان به دو نوع هسته-نوع و پوسته- طبقهبندی کرد.
در ترانسفورماتورهای با ظرفیت-بزرگ، برای اطمینان از اینکه گرمای تولید شده در اثر تلفات هسته به طور موثر توسط روغن عایق در طول گردش منتقل میشود، بنابراین خنکسازی خوبی حاصل میشود، معمولاً هسته با کانالهای روغن خنککننده اختصاصی طراحی میشود.
5. سیم پیچ ها سیم پیچ ها جزء کلیدی ترانسفورماتور هستند و مسئول تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مغناطیسی و سپس بازگشت به انرژی الکتریکی هستند. در ترانسفورماتورها، سیمپیچها معمولاً از سیم مسی یا آلومینیومی عایقشده برای کاهش تلفات رسانا ساخته میشوند. به طور همزمان، از مواد عایق برای بسته بندی و جداسازی سیم پیچ ها برای اطمینان از عملکرد عایق و اتلاف گرما استفاده می شود. بر اساس آرایش سیمپیچها در هسته، ترانسفورماتورها را میتوان به دو نوع هسته-نوع و پوسته- طبقهبندی کرد.
سیم پیچ ها و هسته با هم اجزای هسته یک ترانسفورماتور را تشکیل می دهند. در حین کار ترانسفورماتور، سیم پیچ ها به دلیل مقاومت خود یا مقاومت در برابر تماس در اتصالات، گرما تولید می کنند. این پدیده را می توان با قانون ژول توضیح داد.
سیم پیچ ها اجزای حیاتی در ترانسفورماتور هستند و عملکرد صحیح آنها برای عملکرد ترانسفورماتور ضروری است. با این حال، سیم پیچ ها ممکن است در حین کار با مشکلات مختلفی مواجه شوند. اول، گرما به دلیل مقاومت خود سیم پیچ یا مقاومت تماس در اتصالات ایجاد می شود، یک پدیده فیزیکی که توسط قانون ژول آشکار شده است. بنابراین، سیمپیچها باید از حمل جریانهای بیش از جریان نامی خود برای مدتهای طولانی جلوگیری کنند تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود. علاوه بر این، هنگامی که یک جریان مدار کوتاه- از آن عبور میکند، نیروی الکترومغناطیسی قابل توجهی روی سیمپیچها ایجاد میکند که به طور بالقوه باعث آسیب جدی به ترانسفورماتور میشود.
انواع مختلفی از سیم پیچ های ترانسفورماتور وجود دارد که ابتدایی ترین آنها سیم پیچ های متحدالمرکز و درهم است. عیبهای اصلی که ممکن است این سیمپیچها با آن مواجه شوند عبارتند از: اتصال کوتاه بین چرخشی و اتصال کوتاه به بدنه. اتصال کوتاه بین-پیوندی ممکن است در اثر پیری عایق، عملیات اضافه بار، یا آسیب مکانیکی در طول اتصال کوتاه از طریق{4}}اتصال ایجاد شود. هنگامی که سطح روغن در ترانسفورماتور افت میکند و باعث میشود قسمتهایی از سیمپیچها در بالای سطح روغن قرار بگیرند، اتصال کوتاه بین{6}}پیچ نیز ممکن است رخ دهد. به طور همزمان، جریان اضافه در طول یک مدار کوتاه مدار میتواند سیمپیچها را تغییر شکل دهد و به عایق آسیب بیشتری وارد کند و در نتیجه باعث ایجاد یک اتصال کوتاه بین-گردش شود.
هنگامی که یک اتصال کوتاه بین{0}}پیچ رخ میدهد، جریان در سیمپیچ اتصال کوتاه ممکن است از مقدار نامی تجاوز کند، اما جریان کل سیمپیچ ممکن است همچنان در حد مجاز باشد. در این حالت ممکن است دستگاه محافظ گاز فعال شود و در موارد شدید، دستگاه حفاظت دیفرانسیل نیز مداخله کند. اتصال کوتاه به محفظه همچنین می تواند ناشی از پیری عایق، رطوبت روغن، افت سطح روغن، یا صاعقه و اضافه ولتاژهای عملیاتی باشد. علاوه بر این، جریان اضافه در طول یک مدار کوتاه-هم میتواند باعث تغییر شکل سیمپیچ شود که منجر به اتصال کوتاه به بدنه میشود. این نوع اتصال کوتاه معمولاً کارکرد دستگاه محافظ گاز و دستگاه حفاظت زمین را آغاز می کند.
6. مخزن روغن اجزای اصلی یک ترانسفورماتور غوطهور شده در روغن-سیمپیچها و هسته-در یک مخزن روغن پر از روغن ترانسفورماتور قرار دارند. این نوع مخزن روغن معمولاً از صفحات فولادی جوش داده می شود و به گونه ای طراحی شده است که حفاظت مکانیکی قوی و خنک کننده عالی را ارائه دهد. برای ترانسفورماتورهای متوسط و کوچک، مخزن معمولاً از دو قسمت تشکیل شده است: پوسته مخزن و پوشش مخزن. بدنه ترانسفورماتور در داخل پوسته قرار می گیرد، در حالی که باز شدن پوشش مخزن بازرسی و نگهداری بدنه را تسهیل می کند.
علاوه بر این، ترانسفورماتورها را می توان بر اساس روش های عایق کاری و خنک کننده به دو دسته اصلی تقسیم کرد: نوع روغنی-غوطه ور و خشک{1}}. در ترانسفورماتورهای غوطهور شده در روغن، هسته و سیمپیچها با هم در روغن ترانسفورماتور غوطهور میشوند و در نتیجه عملکرد عایق را افزایش میدهند و شرایط خنککننده را بهینه میکنند. با این وجود، ترانسفورماتورهای نوع خشک{5}} نیز در برخی کاربردهای خاص، مانند روشنایی خیابان و روشنایی معدن استفاده میشوند.
1. ترانسفورماتورهای غوطه ور شده در روغن غیر محصور{{2}، مانند سری S8، S9 و S10، معمولاً در شرکت های صنعتی و معدنی، کشاورزی و ساخت و سازهای عمرانی استفاده می شوند.
2. ترانسفورماتورهای غوطهور شده در روغن محصور، از جمله مدلهایی مانند S9، S9-M، و S10-M، بهویژه برای محیطهای پیچیده با سطوح بالای روغن و مواد شیمیایی، مانند محیطهایی که در صنایع نفت و شیمیایی هستند، مناسب هستند.
3. ترانسفورماتورهای غوطه ور شده در روغن مهر و موم شده-، مانند سری های BS9، S9-، S10-، S11-MR، SH، و SH12-M، به طور گسترده برای توزیع برق در مکان های مختلف، از جمله شرکت های صنعتی و معدنی، کشاورزی و ساختمان های عمرانی استفاده می شوند.
علاوه بر این، ترانسفورماتورهایی برای اهداف خاص طراحی شده اند، مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا برای آزمایش، ترانسفورماتورهای کوره های الکتریکی، ترانسفورماتورهای جوشکاری، و ترانسفورماتورهای مورد استفاده در مدارهای تریستور. ترانسفورماتورهای ولتاژ و ترانسفورماتورهای جریان برای ابزارهای اندازه گیری نیز ضروری هستند.
الف سیمپیچ ولتاژ پایین ترانسفورماتور غوطهور-روغنی، مگر اینکه از هادی مسی در مدلی با ظرفیت کوچک-استفاده شود، معمولاً از طرح استوانهای با سیمپیچ فویل مسی استفاده میکند. سیم پیچ ولتاژ بالا از یک ساختار استوانه ای چند لایه استفاده می کند. این طراحی به حفظ تعادل آمپر-توزیع چرخش کمک میکند، شار نشتی را کاهش میدهد و استحکام مکانیکی و قابلیت تحمل مدار کوتاه-را افزایش میدهد.
ب برای اطمینان از پایداری، هم هسته و هم سیمپیچها با مهرههای خود قفل شونده محکم میشوند تا در هنگام حمل و نقل در برابر ضربهها مقاومت کنند. علاوه بر این، ساختار بدون هسته به ترانسفورماتور اجازه می دهد تا ضربه های حمل و نقل بیشتری را تحمل کند.
ج در طول تولید، هم کویل ها و هم هسته تحت خلأ خشک می شوند، و فرآیندهای فیلتراسیون و تزریق روغن با خلاء برای اطمینان از اینکه سطح رطوبت داخلی به حداقل می رسد، استفاده می شود.
د مخزن روغن دارای طراحی مبتکرانه با ورق های موجدار است که عملکرد تنفسی برای جبران تغییرات حجم روغن ناشی از تغییرات دما دارد، بنابراین نیازی به محافظ روغن و ارتفاع ترانسفورماتور کاهش می یابد.
ه. به دلیل استفاده از ورق های موجدار، روغن ترانسفورماتور از هوای بیرون جدا می شود و به طور موثری از نفوذ اکسیژن و رطوبت جلوگیری می کند و در نتیجه عملکرد عایق عالی را حفظ می کند.
f. بهطور خلاصه، این ویژگیهای طراحی مجموعاً تضمین میکنند که ترانسفورماتورهای غوطهور شده در روغن نیازی به تغییر روغن در شرایط بار عادی ندارند، و به طور قابلتوجهی هزینههای تعمیر و نگهداری را کاهش میدهند و عمر مفید آنها را به میزان قابل توجهی افزایش میدهند.
در شرایطی که تعداد بارهای اولیه یا ثانویه زیاد است، پیکربندی دو یا چند ترانسفورماتور توصیه می شود. به این ترتیب، حتی اگر یک ترانسفورماتور قطع شود، ظرفیت ترانسفورماتورهای باقی مانده می تواند نیازهای برق بارهای اولیه و ثانویه را برآورده کند. به طور همزمان، بارهای اولیه و ثانویه باید تا حد امکان متمرکز شوند تا از پراکندگی بیش از حد جلوگیری شود.
هنگامی که ظرفیت بار فصلی زیاد است، ترانسفورماتورهای اختصاصی توصیه می شود. به عنوان مثال می توان به بارهای تبرید تهویه مطبوع و بارهای گرمایش الکتریکی گرمایش در ساختمان های بزرگ مدنی اشاره کرد. در کاربردهایی با بارهای متمرکز بالا، ترانسفورماتورهای اختصاصی توصیه می شود. این شامل تجهیزات گرمایشی بزرگ، ماشینهای{3}}ایکس بزرگ و کورههای قوس الکتریکی میشود.
اگر بار روشنایی زیاد باشد، یا اگر اشتراک ترانسفورماتور برای برق و روشنایی به طور قابل توجهی بر کیفیت روشنایی و عمر لامپ تأثیر می گذارد، می توان یک ترانسفورماتور روشنایی اختصاصی نصب کرد. به طور معمول، برق و روشنایی یک ترانسفورماتور واحد دارند.
7. محیط عملیاتی:
تحت شرایط محیطی معمولی، هر دو نوع ترانسفورماتور-غوطهور شده و هم نوع خشک{1}}روغنی گزینههای مناسبی هستند. این ترانسفورماتورها برای شرکت های صنعتی و معدنی، پست های مستقل یا متصل در کشاورزی و پست های مستقل در مناطق مسکونی مناسب هستند. مدل های ترانسفورماتور موجود عبارتند از S8، S9، S10، SC(B)9 و SC(B)10. علاوه بر این، تأثیر دما بر انتخاب ترانسفورماتور باید در نظر گرفته شود.
① این ترانسفورماتورها میتوانند عملکرد پایدار-درازمدت را در 220 درجه حفظ کنند.
② آنها میتوانند به راحتی در برابر ضربههای کوتاه مدت-بالا-درجه حرارت 350 درجه مقاومت کنند.
③ این ترانسفورماتورها بدون توجه به تغییرات گسترده دما یا نوسانات رطوبت، عملکرد عالی را حفظ می کنند.
④ در 250 درجه، آنها ذوب، جریان یا احتراق را پشتیبانی نمی کنند.
⑤ حتی قابل توجه تر، این ترانسفورماتورها گازهای سمی یا خورنده را حتی در دماهای شدید تا 750 درجه آزاد نمی کنند.
علاوه بر این، این ترانسفورماتورها ظرفیت بار بسیار خوبی دارند و می توانند نیازهای برق را در شرایط مختلف عملیاتی پیچیده برآورده کنند.
هنگام تعیین ظرفیت ترانسفورماتورهای توزیع، ظرفیت تجهیزات الکتریکی مختلف باید به طور جامع در نظر گرفته شود و بار محاسبه شود (معمولاً به استثنای بار حفاظت در برابر آتش). ظرفیت ظاهری جبرانی مبنای اولیه برای انتخاب ظرفیت و تعداد ترانسفورماتور است. به طور معمول، ضریب بار ترانسفورماتور در حدود 85٪ حفظ می شود. این روش نسبتاً ساده و برای تخمین ظرفیت مناسب است.
با توجه به توصیههای GB/T17468-1998 «دستورالعملهای انتخاب برای ترانسفورماتورهای قدرت»، انتخاب ظرفیت ترانسفورماتورهای توزیع باید با GB/T15164-94 «دستورالعملهای بارگذاری برای ترانسفورماتورهای قدرت غوطهور در روغن» یا GB/T17211-Loadry-Guidelines و GB/T17211-Loadry-Guidelines ترکیب شود. بر اساس بار محاسبه شده تعیین می شود. دو دستورالعمل ذکر شده در بالا برنامه های کامپیوتری و نمودارهای بار چرخه عادی را برای تعیین دقیق تر ظرفیت ترانسفورماتورهای توزیع ارائه می دهند.
روغن ترانسفورماتور به دلیل عایق عالی و هدایت حرارتی آن مورد علاقه است و قیمت آن نسبتاً مقرون به صرفه است.
روغن ترانسفورماتور به طور موثر مشکلات اتلاف حرارت و عایق ولتاژ بالا را در ترانسفورماتورهای- با ظرفیت بزرگ حل می کند.
با این حال، معایبی نیز دارد:
روغن ترانسفورماتور قابل اشتعال است. تماس با شعله به طور بالقوه می تواند باعث احتراق یا حتی انفجار شود که نیاز به رسیدگی دقیق دارد.
این روغن خطرات بالقوه ای برای سلامتی ایجاد می کند و نیاز به اقدامات حفاظتی مناسب در حین کار دارد.
روغن ترانسفورماتور به بازرسی منظم حرفه ای نیاز دارد تا از عملکرد پایدار و ایمن آن اطمینان حاصل شود.
ترانسفورماتورهای غوطه ور در روغن با عملکرد آب بندی ضعیف و حساسیت به پیری مشخص می شوند که می تواند منجر به نشت جدی روغن در محل کار شود. این نه تنها بر عملکرد عادی تجهیزات تأثیر می گذارد، بلکه ممکن است تأثیرات نامطلوبی بر محیط اطراف داشته باشد.
ترانسفورماتورهای غوطه ور روغنی دارای کلاس های عایق نسبتاً پایینی هستند که معمولاً مطابق با استانداردهای عایق کلاس A طراحی و ساخته می شوند. بنابراین در هنگام انتخاب و استفاده باید به ارزیابی طول عمر آنها توجه ویژه ای شود.
درجه پلیمریزاسیون (DP) مواد عایق ترانسفورماتور یک شاخص کلیدی برای اندازه گیری درجه پیری عایق است و دقت و قابلیت اطمینان آن به طور گسترده ای شناخته شده است. برای تعیین سطح پیری ترانسفورماتورها، معمولاً از میانگین درجه پلیمریزاسیون (DP) مقوای عایق به عنوان استاندارد استفاده می کنیم. معیارهای ما به شرح زیر است: میانگین DP کمتر از 450 نشان دهنده درجه طول عمر است. میانگین DP کمتر از 250 نشان دهنده درجه خطرناک است.
1) استانداردهای مقاومت کششی برای طول عمر و درجه های خطر
در درجه طول عمر، کاغذ عایق 60٪ از حداکثر استحکام کششی اولیه خود را تحت شرایط مدار کوتاه{1}} خارجی حفظ می کند. پس از رسیدن به درجه خطرناک، این استحکام باقی مانده به 15٪ کاهش می یابد.
2) استانداردهای احتمال شکست DP برای الیاف کاغذ عایق ژاپنی
وقتی مقدار DP بزرگتر یا مساوی 450 باشد، احتمال شکست فیبر کاغذ عایق 0 است. هنگامی که مقدار DP بین 450 و 250 است، احتمال شکست با مقدار DP، به طور خاص (450 - DP) / 200 نسبت معکوس دارد. و زمانی که مقدار DP کمتر از 250 باشد، احتمال شکست 1 است.
3) فرمول تخمین عمر باقیمانده ترانسفورماتور با استفاده از DP متوسط
ما میتوانیم عمر باقیمانده یک ترانسفورماتور را با استفاده از مقدار متوسط اولیه DP آن (n0)، میانگین DP بعد از L سال (nL) و تعداد سال L تخمین بزنیم. فرمول خاص این است: عمر باقیمانده (nL/n0)=(1 - r)L، که r نرخ کاهش میانگین DP است.
در طول کار یک ترانسفورماتور قدرت غوطه ور در روغن، گرمای تولید شده توسط سیم پیچ ها و هسته ابتدا به روغن ترانسفورماتور و سپس از طریق روغن به محیط خنک کننده منتقل می شود. بسته به ظرفیت ترانسفورماتور، چندین روش خنک کننده وجود دارد:
1. خنک کننده طبیعی گردش روغن، یعنی خنک کننده-خود غوطه ور{4}}روغن.
2. خنک کننده هوای گردش طبیعی روغن، یعنی خنک کننده هوای غوطه ور در روغن-.
3. اجباری گردش روغن خنک کننده آب.
4. اجباری گردش روغن خنک کننده هوا.
اینها روشهای خنک کننده متداول برای ترانسفورماتورهای قدرت غوطه ور در روغن- هستند. انتخاب روش خنک کننده مناسب بر اساس استفاده واقعی بسیار مهم است.
1. محدوده قابل اجرا: مناسب برای ارتفاعات بیش از 1000 متر، استفاده داخلی یا خارجی.
2. شرایط محیطی: عملکرد پایدار در شرایط حداکثر دمای محیط +40 درجه و حداکثر دمای متوسط روزانه +30 درجه.
3. محدوده دما: میانگین دمای سالانه +20 درجه، حداقل دما -25 درجه.
4. سفارشی سازی: راه حل های ترانسفورماتور برای شرایط عملیاتی خاص را می توان با توجه به نیاز کاربر ارائه کرد.
در مرحله بعد، به تحلیل خطای این روش های خنک کننده در کاربردهای عملی خواهیم پرداخت.
ترانسفورماتورها ممکن است در حین کار با عیوب مختلفی مواجه شوند، از جمله ایراد در سیم پیچ ها، بوش ها، تپ چنجرها و لوازم جانبی مانند هسته و مخزن. خطاهای سیم پیچ عمدتاً به صورت-مدارهای کوتاه چرخشی، اتصال زمین سیم پیچ، اتصال کوتاه فاز به-فاز، مدارهای باز، و خرابی های جوش ظاهر می شوند. خطاهای بوش معمولاً در اثر تجمع رسوب ایجاد میشوند، که میتواند بهراحتی در هنگام مه شدید یا باران خفیف باعث برقسوزی شود و منجر به اتصال کوتاه یک فاز-زمین یا اتصال کوتاه فاز به-در سمت ولتاژ بالا-ترانسفورماتور شود. علاوه بر این، نشت شدید نیز یک مشکل مهم است که می تواند ناشی از ترک های جوش، خرابی آب بندی، لرزش در حین کار، ضربه های خارجی به مخزن و آسیب خوردگی باشد. در صورت تشخیص نشتی، ترانسفورماتور باید فوراً برای تعمیر و روغن کاری خاموش شود. در عین حال، عملکرد نادرست تعویض شیر نیز باید به دقت بررسی شود.
