ترانس قدرت (اجزا، خطاها و حفاظت ها)

فرزین رضاقلی
ترانس و شبکه انتقال, عمومی

ترانس قدرت دستگاه الکتریکی است که برای انتقال قدرت از یک مدار به مدار دیگر از طریق القای الکترومغناطیسی استفاده می کند.

انتقال قدرت بدون تغییر فرکانس همراه است. ترانس قدرت (Power transformer ) یک نوع ترانسفورماتور می باشد که برای انتقال انرژی الکتریکی در هر بخش از مدار الکتریکی یا الکترونیکی بین ژنراتور و مدارهای اولیه توزیع مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع ترانسفورماتور به سه دسته ترانسفورماتور قدرت کوچک، ترانسفورماتورهای قدرت متوسط و ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ تقسیم می شوند.

اجزا ترانس قدرت

آنچه در این مقاله خواهید خواند :

1 اجزا ترانس قدرت
2 خطاهای ترانس قدرت
3 حفاظت های ترانس قدرت

قسمت‌های اصلی ساختمان ترانس‌ قدرت عبارتند از:

هسته یا مدار مغناطیسی
سیم پیچ اولیه و ثانویه
تانک اصلی روغن
بوشینگ‌ها برای خروج سر سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه

اجزای دیگری که در ترانس‌ قدرت به کار می‌روند عبارتند از:

۱) مخزن (تانک اصلی)
۲) کنسرواتور یا منبع انبساط روغن
۳) تپ چنجر
۴) ترمومتر‌ها
۵) نشان دهنده‌های سطح روغن
۶) رله بوخهلتس
۷) شیر فشار شکن یا سوپاپ اطمینان
۸) رادیاتور یا مبدل‌های حرارتی
۹) پمپ و فن‌ها
۱۰) نشان دهنده جریان روغن
۱۱) شیر نمونه برداری از روغن پایین و بالای تانک
۱۲) شیر‌های مربوط پر به کردن و تخلیه روغن ترانس
۱۳) مجرای تنفسی و سیلیکاژل مربوط به تانک اصلی و تپ چنجر
۱۴) تابلوی کنترل
۱۵) تابلوی مکانیزم تپ چنجر
۱۶) چرخ‌ها
۱۷) پلاک مشخصات نامی (Name Plate)

خطاهای ترانس قدرت

از جمله خطاهای مهم در ترانس قدرت می توان به موارد زیر اشاره کرد :

خطای عایق سیم پیچ ها و روغن
خطاهای هسته
خطای سیم پیچ ها
خطای اضافه بار
خطای گرم شدن بیش از حد ترانس

خطاهای ترانس قدرت ممکن است به شکل های زیر رخ دهند:

در مواد دی الکتریک (عایق) که معمولا در روغن است.
در سیم پیچ ها
در هسته (کمتر رخ می دهد)

خطای عایق سیم پیچ ها و روغن

روغن های ترانسفورماتور برای ایجاد عایق الکتریکی مناسب در میدان های الکتریکی ولتاژ بالا طراحی شده اند، هر کاهش چشمگیر در قدرت دی الکتریک ممکن است نشان دهنده این باشد که روغن بیش از این تحمل انجام این کار حیاتی و عایق کاری مناسب را ندارد.
آلودگی هایی مثل آلودگی آب، کاهش روغن و شکست کاغذ سلولوزی مواردی هستند که می توانند باعث کاهش در قدرت دی الکتریک شوند.

خطاهای ناشی از روعن ترانس قدرت ممکن است بعلت ایجاد گاز، افزایش عمر ترانس و روغن ، آلودگی با هوا و کمبود سطح و فشار رخ بدهند.

خطای سیم پیچ ها

خطاهای سیم پیچ ها به شرح زیر هستند:

خطاهای بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه در یک فاز یکسان (اتصال کوتاه)
اتصال کوتاه بین دورهای سیم پیچ

این خطاها معمولا نتیجه شکست دی الکتریک بین سیم پیچ ها و بین دورهای یک سیم پیچ یکسان هستند، که علت آن سالخوردگی مواد عایق است که ممکن است با بارگیری بیش از حد این اتفاق بی افتد و عمر ترانس نیز شدیدا افزایش پیدا می کند( منظور از عمر ترانس پیر تر شدن آن است. زیرا اضافه بار ترانس را سالخورده می کند)

باید در نظر گرفته شود که سیم پیچ ها در معرض فشارهای شعاعی و محوری مربوط به جریان و تبادلات شار هستند.

فشارهای شعاعی در سیم پیچ داخلی (سیم پیچ LV) در حالت فشرده کننده هستند درحالیکه فشارهای سیم پیچ بیرونی (معمولا سیم پیچ HV) به صورت کششی است.

طراحی سیم پیچ ها و مهار آنها باید مغناطیس این فشارها را در نظر گرفته و قدرت کافی برای تحمل این فشارها را بدون تغییر شکل چشمگیر مکانیکی داشته باشد زیرا این فشارها می تواند باعث شکست دی الکتریک شوند.

همچنین اثرات مکانیکی در حین حمل و نقل ممکن است به ترانسفورماتور وارد شود که اگر این اثرات فشاری بالای 3g باشند می تواند باعث اعوجاج و/یا جابه جایی سیم پیچ ها و کاهش عایق سیم پیچ ها شود.

خطای هسته

اگر هر بخش از عایق هسته معیوب شود یا ساختار لایه لایه هسته با هر ماده از نظر الکتریکی ورقه های هسته به هم متصل شوند، می تواند باعث جاری شدن جریان گردابی شود که همین باعث گرم شدن بیش از حد می شود.

از پیچ ها و مهره های عایق شده برای محکم و سفت کردن هسته استفاده می شود. اگر عایق این پیچ ها دچار مشکل شود و مسیری آسان برای جریان سرگردان (stray current) ایجاد شود، این مساله باعث گرمای بیش از حد خواهد شد.

اثرات مکانیکی در حین مدیریت و حمل و نقل ممکن است باعث فشار بالای 3g به ترانسفورماتور شود (در اینجا g شتاب جاذبه است، g =9.81 m/s2) که می تواند باعث اعوجاج (distortion) هسته , جابه جایی سیم پیج ها و کاهش مقاومت عایقی ترانس قدرت شود.

خطای اضافه بار

بار ترانس قدرت بر اساس افزایش دمای مجاز سیم پیچ ها و روغن تعیین می شود. دمای مجاز روغن معمولا 65 °C بوده و دمای گرمترین نقطه ی سیم پیچ نیز معمولا از 80°C در بار نامی باید کمتر باشد.

چون بار ترانس قدرت یکسان و یکنواخت باقی نمی ماند و براساس منحنی بار تغییر می کند، بار آن یک مشکل عملیاتی مهم است.

خروجی نامی ترانس قدرت در بخش پلاک آن براساس افزایش دمای خاص که تحت شرایط آزمایشی خاص تعیین شده است، قید گردیده است.

مقدار مجاز به شرایط عملیاتی و محیطی بستگی دارد مثل دما، بار اولیه، شرایط خنک کنندگی، مقدار عمر مورد نیاز ترانس (life expectancy ) و …

خطای گرم شدن بیش از حد

گرمای بیش از حد در ترانس قدرت ممکن است به علت کشیدن بار زیاد، بیش از بار مجاز تعیین شده توسط تولید کننده براساس استانداردهای IEC (60354 برای ترانسفورماتورهای روغنی و 60905 برای ترانسفورماتورهای نوع خشک) باشد مانند خطاهای خارجی، مثل اتصال کوتاه روی تاسیسات الکتریکی پایین دست.

اکثر این خطاها ممکن است با نگهداری مناسب از ترانسفورماتور کم شوند.

حفاظت های ترانس قدرت

ترانسفورماتورها حفاظت های داخلی تعبیه شده ای برای شکست دی الکتریک (تشکیل گاز)، دما، فشار روغن، سطح، دمای سیم پیچ و تعویضگر تپ بار دارند.

حفاظت های اجباری ترانسفورماتورهای روغنی با نگهدارنده (مخزن روغن)

رله Buccholz برای شکست دی الکتریک (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)
فشار روغن و سوئیچ های سطح روغن (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)
ترموستات برای دمای روغن (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)
حفاظت از تعویضگر تپ در حالت بارداری ترانس (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)

حفاظت های اجباری ترانسفورماتورهای غیرنفوذ (Sealed) روغنی

- تشخیص گاز و سطح روغن، فشار و دما در یک وسیله تنها (DGPT2: تشخیص گاز، فشار و دما) با 2 سطح (آلارم و از کار افتادن)

حفاظت های اجباری ترانسفورماتورهای نوع خشک

دمای سیم پیچ ها با دو سطح (آلارم و از کار انداختن)- تشخیص دهنده دمای مقاومت PT100 (سنسور پلاتینیوم) (platinium probe) یا PTC (Positive Temperature Coefficient) (ضریب مثبت دمایی) که یک ترمیستور است (مواد نیمه هادی حساس به دما) اندازه گیری و حفاظت می شوند.

حفاظت دیفرانسیل (Differential protection)

ترانسفورماتورهای EHV و HV و ترانس قدرت ولتاژ بالای 49.5 kV و MV، ترانس قدرت با برق مجاز بالای 3-4 MVA معمولا محافظ اصلی آنها، یک رله ی دیفرانسیل برای خطاهای سیم پیچ است- اتصال کوتاه بین دورهای سیم پیچ یا بین سیم پیچ هایی سه فاز یا فاز به فاز را تشخیص می دهد و در صورت بیشتر بودن اختلاف جریانی از مقدار تنظیم عمل می کنند.

اگر ترانسفورماتور زمین نشده باشد، این حفاظت خطاهای اتصال به زمین را نیز تشخیص می دهد.

اگر جریان خطای زمین با نصب امپدانس محدود شده باشد، امکان تنظیم حدآستانه رله به مقدار کمتر از جریان محدود شده، وجود نخواهد داشت.

این حفاظت به ترانسفورماتورهای جریان CT در هر دو طرف ترانسفورماتور (اولیه و ثانویه)متصل است (ترانسفورماتورهای جریان) که در تصویر اسلاید قبل نشان داده شده است.

حفاظت اضافه بار یا اضافه جریان (Over-Current Protection)

ترانسفورماتورهای MV تا توان 2.5 MVA معمولا در مقابل جریان بیش از حد با استفاده از رله های جریان محافظت می شوند.

اتصال کوتاه سه فاز یا فاز به فاز، آنی (ANSI/IEEE/IEC code 50 )
اتصال کوتاه سه فاز یا فاز به فاز، با تاخیر زمانی (ANSI/IEEE/IEC code 51 )
اتصال کوتاه فاز به زمین، آنی (ANSI/IEEE/IEC code 50N )
اتصال کوتاه فاز به زمین، با تاخیر زمانی (ANSI/IEEE/IEC code 51N )

این مجموعه از حفاظت ها برای ترانسفورماتورهای HV و MV تا توان نامی 3-4 MVA به عنوان حفاظت “پشتیبان” کنار حفاظت دیفرانسیلی به کار می روند.

حفاظت خطای زمین محدود شده (Restricted Earth Fault Protection)

حفاظت خطای زمین محدود شده به عنوان مکمل یا جایگزین حفاظت دیفرانسیل برای خطای اتصال سیم پیچ ها به زمین است.

خطای خارجی(خارج از محدوده ی حفاظت شده) در طرف ستاره باعث جاری شدن جریان در CT خطِ دارای خطا از ترانسفورماتور خواهد شد و همزمان نیز یک جریان در نقطه خنثی ترانسفورماتور ایجاد می شود و از CT نول می گذرد، در نتیجه جریان به دست آمده در رله مساوی صفر است.

پس این حفاظت در خارج از محدوده ی Restricted عمل نخواهد کرد. اما در حین خطای داخلی، جریان نول ترانس فقط جریان آنبالانسی خطا را حمل می کند و حفاظت عمل می کند.

این روش حفاظت خطای زمین محدود شده بسیار به خطای زمین در محدوده ی حفاظت شده در ترانس قدرت، حساس است. این حفاظت بسیار ارزان تر از حفاظت دیفرانسیل است.

حفاظت اضافه بار (Over load)

معیار اصلی بارگزاری ترانس قدرت، دمای گرم ترین نقطه عایق (hot-spot) است. دمای آن نباید از مقدار تعیین شده بیشتر شود تا از خطای عایق جلوگیری شود، توان نامی ترانسفورماتورهای قدرت با ماکسیمم دمای مجاز سیم پیچ ها محدود می شود.

دمای عایق جامد، عامل اصلی سالخوردگی ترانسفورماتور است.

با دما و گذشت زمان، عایق سلولوزی فرایند depolymerization یا همان شروع به دی پلاریزه شدن می کند.

با شکستن و ترد شدن کاغذ، دیگر کاغذ تحمل فشارهای اتصال کوتاه و حتی نوسانات معمولی که بخش از ذات ترانسفورماتور هستند را ندارد. این وضعیت نشان دهنده پایان حیات عایق جامد است. چون این عایق قابل جایگزینی نیست، پس نشان دهنده پایان زندگی ترانسفورماتور است.

معمولا، رله های جریانی زمان معکوس (منحنی زمان معکوس با تغییرات معکوس جریان در زمان) برای حفاظت بار زیاد، به کار می روند.

برای ترانسفورماتورهای قدرت از نوع روغنی، دمای هات اسپات سیم پیج عامل مهمی برای حیات طولانی ترانسفورماتور است.

دمای عایق روغن وابسته به دمای سیم پیچ است و برای مشخص کردن شرایط عملیاتی ترانسفورماتور به کار می رود.

بسیاری از حفاظت های ترانسفورماتورها مجموعه ای از توابع حفاظتی دارند که به دمای روغن ترانس حساس است و در صورت افزایش آن این رله عمل می کند، این رله ها کاهش عمر ترانس را به خاطر افزایش دمای روغن محاسبه کرده و دماهای روغن را با توجه به بار پیش بینی می کنند.

حفاظت صاعقه (Surge arrester)

حفاظت صاعقه ترانسفورماتورهای قدرت با برق‎گیر(surge arresters) نصب شده در بدنه ترانسفورماتور انجام می شود که در تصویر نشان داده شده است.

معمول ترین برق گیرها مقاومت های اکسید فلزی غیرخطی با بخش های چینی یا سیلیکونی هستند که به شکل موازی با شئ محافظت شده نصب شده و به زمین متصل می شوند.

مقاومت مربوط به مقاومت های غیر خطی متناسب با معکوس جریان است که می توان گفت این مقاومت برای جریان در حال کار بسیار بالا و برای جریان های تخلیه شده توسط صاعقه بسیار کم است.