تستهای ترانسفورماتور
چرا بايستی ترانسفورماتور تست گردد؟
با انجام تست های ترانس ، ميزان دست يابی به نيازمندی های مشتری معين می گردد .
به عنوان مثال : قابليت بارگيری تحمل عايقی ساير مشخصه های بهره برداری علاوه بر اين ، تست ها بخشی از برنامة داخلی هر سازنده در راسـتای تضـمين مرغوبيـت محصول است .
علاوه بر نيازمندی های مشتری و استانداردهای موجود ، بايد معيارهـای سازنده نيز بر آورده شود .
الزامات مختلف عموماً با هم ترکيب شده و به عنوان استاندارد هـای ملّـی و بـين المللـی منتشـر مـی گردنـد .
سـازمان هـای اصـلی اسـتاندارد عبارتنـد از IEC و ANSI . ايـن استانداردها غالباً برای پی ريـزی اسـتانداردهای ملّـی بـه کـار گرفتـه مـی شـوند.
IEC مخفــف International Electro-technical Commission
ANSI مخفف American National Standard Institute می باشد.
در زمينة صنعت برق ، ANSI وقـت زيـادی را صـرف تـدوين و نشـر اسـتانداردها بـرای IEEE (Institue of electric and Electronics Engineers, Inc ) کرده است.
استاندارد های IEC و IEEE تست های لازم جهت برآورده نمودن الزامات فوق الـذکر را مشخص می نمايند ؛ برای مثال : تست جهش حرارتی برای اثبات قابليت بارگيری . تست های عايقی جهت نشان دادن قدرت ايستادگی در برابر تنش های الکتريکـی و اضافه ولتاژ های احتمالی که ممکن اسـت در هنگـام کـار عـادی بـه ترانسـفورماتور اعمال شود .
اندازه گيری تلفات بار و بی باری ، اندازه گيری امپدانس اتصال کوتاه و غيـره جهـت تأييد ساير مشخصه ها ی بهره برداری.
انواع تست های ترانسفورماتور
اسـتانداردهای IEC 60076-1 و IEEE Std C57.12.90 تسـت هـا را بـه انواع زير تقسيم کرده اند :
تست های روتين routine
تست های تايپ يا طراحی design or type
تست های ويژه يا ديگر other or special
تست های روتين
تست های روتين عبارتند از تست هايی که لازم است برای همة ترانسـفورماتورها انجـام شود .
مثال :
اندازه گيری مقاومت اهمی ، نسبت تبديل ولتاژ ، اندازه گيری تلفات و غيره .
تست تايپ يا طراحی
روی ترانسفورماتوری انجام می شود که از لحاظ مشخصه هـای الکتریکی نماینده تست تايپ يا طراحی نوع خاصی از ترانسفورماتورها بوده و هدف از اين تسـت اطمينـان از دست يابی به الزاماتی است که تست های روتين آنها را پوشش نمی دهد.
مثال :
تست جهش حرارتی
تست ويژه يا ديگر
عبارتند از تست های توافق شده بين سازنده و خريدار که جـزء تست های روتين يا تايپ نمی باشند .
مثال :
اندازه گيری امپدانس توالی صفر ، اندازه گيری سطح صدا و غيره .
توجه :
متناسب با استاندارد مربوطه و ماکزيمم ولتاژ سيستم ، تست عايقی معينی مثل تسـت ضربة صاعقه ممکن است تست روتين ، تايپ يا ويژه تلقی شود . همين قاعده در مورد تست ضربة کليد زنی نيز صادق می باشد.
توالی انجام تست ها
چون استانداردها ، الزامی برای توالی انجام تست ها وضع نکرده اند ، اين موضـوع باعـث ايجاد بحث های فراوان ميان مشتری و سازنده می گردد .
اما توالی انجام تست های عايقی در استانداردهای IEC و IEEE معين گرديده است .
توصيه ها و قواعد موجود در استاندارد در اين زمينه و همچنين توصيه های مؤلف به شرح زير می باشد :
IEC 60076-1 بند 7.3
” توالی انجام تست های عايقی ، در صورت لزوم انجام به شرح زيـر اسـت ؛ مگـر اينکـه توافق ديگری انجام شده باشد :
_ تست ضربة کليد زنی
_ تست ضربة صاعقه (ترمينال های خط )
_ تست ضربة صاعقه (ترمينال نوترال )
_ تست عايقی با منبع AC جداگانه (تست عايقی با ولتاژ اعمالی ، applied)
_ تست عايقی کوتاه مدت با ولتاژ القايی(ACSD ) به همراه اندازه گيری تخلية جزئی
_ تست عايقی بلند مدت با ولتاژ القايی (ACLD) به همراه اندازه گيری تخلية جزئی
گرچه اين توالی تست در اصل الزامی است ولی امکان توافق ديگری نيز بـين مشـتری و سازنده وجود دارد .
IEC 60076-1(2000) بند 10.5
” هنگام تصميم گيری برای قرار دادن تست بی باری در توالی کامل تست ، بايستی توجه شود که اندازه گيری بی باری که قبل از تست های ضربه يـا حرارتـی انجـام مـی گيـرد معرف ميزان متوسط تلفات در زمان بهره برداری طولانی می باشد . اين اندازه گيری پس از تست های ديگر در بعضی از مواقع به خاطر اثرات قوس در لبـه هـای ورق هسـته ، در تست ضربة صاعقه يـا غيـره ، مقـادير بـالاتری نشـان مـی دهـد . بنـابراين بهتـر اسـت اندازه گيری اخير ملاک قضاوت قرار نگيرد . “
اين توالی يک توصيه بوده و اجباری نيست .
IEEE Std C57.12.90 بند 4.3
” در صورت الزام انجام ، تست ولتاژ ضربة صاعقه بايستی مقدم بر تسـت هـای فرکـانس پائين باشد . همچنين تست ولتاژ ضربة کليد زنی بايستی پـيش از تسـت هـای فرکـانس پائين صورت گيرد .
برای ترانسفورماتورهای کلاس II (طبقه بندی شده طبق استاندارد )، تست اضافه ولتـاژ القايی بايد آخرين تست عايقی باشد که انجام می شود . “
اين توالی انجام تست اجباری می باشد.
صحت عايق بندی و اثبات آن
تسـت هـای عـايقی ، بـرای اثبـات اسـتقامت الکتريکـی ترانسـفورماتور در برابـر تنش های ولتاژی بـر آن انجـام مـی شـود . ايـن تـنش هـا ممکـن اسـت هنگـام بهره برداری عادی يا در وضعيت های غير عادی بهره برداری پيش آيد .
بهره برداری عادی به معنی وجود ولتاژ نزديک به ولتـاژ نـامی در ترمينـال هـای ترانسفورماتور در مدتی طولانی به همراه اضافه ولتاژهای گذرای احتمالی است .
اضافه ولتاژها عموماً به سه نوع تقسيم می شوند :
- اضافه ولتاژ با فرکانس نامی با مدت زمانی در حدود چند ثانيه .
- اضافه ولتاژ کليد زنی با مدت زمانی در حدود کسراز ثانيه .
- اضافه ولتاژ صاعقه با مدت زمانی در حدود چند ميکرو ثانيه .
در مجموعة قوانين تست ، چندين گروه متفاوت از اضافه ولتاژها در نظر گرفته شده و بر اساس آن يک يا چند تست تعريف گرديده است . اين تست هـا ممکـن اسـت بصورت تکی يا ترکيبی انجام شود . قانون تست مربوط به يک مورد آزمايش خاص
به توان و ولتاژهای نامی آن و استاندارد اختصاص يافته براترانسفورماتور بسـتگی دارد .
استانداردها
lEC 60076-3 (2000): Power transformers – Part 3
“Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air”
IEEE C57.12.90-1999: IEEE Standard Test Code for Liquid- Immersed Distribution, Power and Regulating Transformers, clause 10 “Dielectric test
IEEE C57.12.00-2000: IEEE Standard General
Requirements for Liquid- lmmersed Distribution, Power, and Regulating transformers
کلیات
ولتاژهای تسـت يـا سينوسـی AC و يـا ضـربة گـذرا مـی باشـند بـرای تسـت ترانسفورماتورهای مربوط به يکسو سازها (برای مثال ترانسفورماتورها HVDC ) ممکن است از ولتاژ DC نيز استفاده شود که اين نوع تست ها در اين کتـاب مـورد بررسی قرار نمی گيرد .
روش های سابق تست از قوانينی بر اساس تست های کوتاه مدت AC بـا ولتـاژ بسيار بالاتر از ولتاژ کار عادی ريشه می گرفتند. بعدها کشف شد که سـاير اشـکال ولتاژ همچون صاعقه و کليد زنی که ماهيت گذرا دارند ، تنش های وارده در شرايط غير عادی را بهتر شبيه سازی می کنند .
در ابتدا تست های عايقی شبيه تست های بله/خير (go-no/go ) بود و در طـی آن يا مورد آزمايش با موفقيت تست را می گذراند و يا دچـار شکسـت الکتريکـی می شد .
بعدها ابزارهای تشخيص پيشرفته تری شناخته شد و امروزه انـدازه گيـری تخليه جزيی ابزاراجتناب ناپذير برای تست ترانسفورماتور می باشد .
ولتاژهای بالاتر از ولتاژ نامی شکل موج های ضربة صاعقه
به هر ترانسفورماتور علاوه بر ولتاژ بهره برداری عادی خود که بسيار نزديک به ولتاژ نامی آن می باشد ، انواع مختلف اضافه ولتاژهـا نيـز وارد مـی گـردد . بسـته بـه مـدت زمـان اضافه ولتاژ ، اسامی زير بکار برده می شود :
اضافه ولتاژ صاعقه
اضافه ولتاژ کليد زنی
اضافه ولتاژ موقّت
اندازه و مدت زمان هر نوع در شکل زیر نشان داده شده است .
اضافه ولتاژهای صاعقه
دامنة اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه تابعی از جريان صـاعقه و امپـدانس ضـربه محـل اصابت است . امواج در طول خـط انتقـال از محـل اصـابت ولتـاژ شـروع و منتشـر می شوند . از ديد يک ناظر در طول خط ، موج ضربه صاعقه ، مـوجی يـک جهتـه
است که در طی چند ميکرو ثانيه (پيشانی موج) تا مقدار پيک افزايش يافتـه و طـی حدود صد ميکرو ثانيه به طرف صفر ميرا می شود .
امواج سيار در طول انتشار خود بدليل امپدانس خط و تخليه کرونا تغيير شکل داده و ميرا می شوند . تجهيزات حفاظتی همچون برق گيرها يا شاخک های جرقه گير بـه تنهايی يا به شکل ترکيبی از ورود امواج با دامنة غير مجاز به دستگاههای محافظت
شده همچون ترانسفورماتورها جلوگيری می کنند .
در همان حال وجود برق گير يـا شاخک جرقه گير ممکن است موجب شکست ولتاژ با شيب زياد شـود کـه بـر روی ترمينالهای ترانسفورماتور به شکل ضـربه صـاعقة بريـده (wave chopped ) وارد می شود . موج های ضربه صاعقه در شکل زیر نشان داده شده است.
اضافه ولتاژهای کليدزنی
عمليات کليدزنی در شبکه های فشار قوی موجب پديده هايی گذرا و به دنبال آن ايجـاد اضافه- ولتاژ می گردد . شکل زیر مثالی برای اضافه ولتـاژ ضـربه کليـد زنـی هنگـام عمليات کليد زنی در يک خط هوايی است .
شکل و مدت زمان اضافه ولتاژ ضربه کليد زنی بسته به نوع عمليات کليد زنی و وضـعيت شبکه متغير است.
اضافه ولتاژهای موقت
دلايل وقوع اضافه ولتاژهای موقّت در حين بهره برداری و شرايط غير عادی به شرح زيـر است :
- قطع ناگهانی بار
- اضافه ولتاژ از ۱/۱ تا ۴/۱ pu ، به مدت چندين ثانيه
- اتّصال کوتاه تک فاز
- اضافه ولتاژ از ۲/۱ تا ۷۳ /۱ pu بسته به وضعيت اتّصال نقطة نوترال
- تشــديد مربــوط بــه هســتة ترانســفورماتور (resonance Ferro) (نوســانات دندانه اره ای)
- اثر فرانتی (Ferranti)
- ساير نوسانات تشديدی
اثبــات اســتقامت الکتريکــی عــايقی ترانسفورماتور
منحنی های ساده شدة ولتاژ ايستادگی (withstand )عايق هادی ها نسبت به زمين بـه صورت تابعی از مدت زمان اعمال اضافه ولتاژ در شکل زیر ملاحظه می شود .
منحنی I نشان دهندة الگوی رفتار عايق بندی اصلی ترانسـفورماتور (نسـبت بـه زمـين) است . استقامت الکتريکی و بدنبال آن عمر عايق با ادامه يافتن تنش ولتاژ AC کـاهش می يابد . البته ، عمر واقعی به عوامل ديگری همچون ساختمان بنـدی ،عـايق خلـوص روغن ، دما ، تخليه جزئی و غيره بستگی دارد . بـرای هـر بـازة زمـانی A ، B و C يـک تست اختصاص يافته است:
بازه A
ايستادگی در برابر ولتاژ ضربه صاعقه μs ۵۰ / ۲/۱
بازه B
اثبات ايستادگی در برابر ولتاژ ضربه کليد زنی μs ۱۰۰۰ / ۱۰۰
بازه C
اثبات ايستادگی در برابر ولتاژ تست 60 ثانیه AC
منحنی های ساده شده ولتاژ ايستادگی (withstand )عايق هادی ها نسبت به زمين بـه صورت تابعی از مدت زمان اعمال اضافه ولتاژ در شکل زیر ملاحظه می شود .
منحنی I نشان دهنده الگوی رفتار عايق بندی اصلی ترانسـفورماتور (نسـبت بـه زمـين) است . استقامت الکتريکی و بدنبال آن عمر عايق با ادامه يافتن تنش ولتاژ AC کـاهش می يابد . البته ، عمر واقعی به عوامل ديگری همچون ساختمان بنـدی ،عـايق خلـوص روغن ، دما ، تخليه جزئی و غيره بستگی دارد . بـرای هـر بـازة زمـانی A ، B و C يـک تست اختصاص يافته است:
بازه A
ايستادگی در برابر ولتاژ ضربه صاعقه μs ۵۰ / ۲/۱
بازه B
اثبات ايستادگی در برابر ولتاژ ضربه کليد زنی μs ۱۰۰۰ / ۱۰۰
بازه C
اثبات ايستادگی در برابر ولتاژ تست 60s AC
ولتاژهای تست
تست استانداردهای موجود مقادير ولتاژ تست متناوب و نيز ولتاژ گـذرای ضـربه را معـين می کنند.
ولتاژهای متناوب
ولتاژ تست به دو روش اعمال می شـود .
روش اول توسـط منبـع ولتـاژ AC جداگانـه بـا اعمال ولتاژ به يک الکترود ( طرف فشار قوی يا فشار ضـعيف ) و زمـين کـردن الکتـرود ديگر . در بيان استاندارد به اين روش ، تست بـا منبـع جداگانـه (source separate) گفته می شود .
روش دوم القای ولتاژ بين دو ترمينال يک سيم پيچ می باشد که به ايـن روش ، تست ولتاژ القايی گويند .
مدت زمان تست با ولتاژ متناوب تست از ابتدا يک دقيقه بوده است و اصطلاحاً آن را تست يک دقيقه با فرکانس پايين (فرکانسی نزديک به فرکانس توان ) ناميده اند . طی تست ولتاژ القايی ، که ولتاژ بسيار بالاتر از ولتاژ نامی است ، اگر چنانچه فرکـانس افـزايش داده نشـود هسته اشباع خواهد شد .
با افزايش فرکانس ، مدت زمان تست متناسباً کـاهش مـی يابـد .
اين عمل بر اين فلسفه استوار است که تنش مجاز نه تنها به مدت زمـان تسـت بلکـه بـه پيک های موجتعداد دفعات اعمال ولتاژ بستگی دارد .
در مورد ترانسفورماتور قدرت بزرگ کـه ولتـاژ نـامی بـالايی نيـز دارنـد ، اخيـراً بـه جـای تست کوتاه مدت ولتاژ القايی ترکيبی از تست بلند مدت ولتاژ القايی همراه با انـدازه گيـری تخليه جزيی و تست ضربة کليد زنی انجام مـی شـود . در ايـن صـورت ضـربة کليـد زنـی نشان دهنده استقامت الکتريکی عايق بندی اسـت در حاليکـه مقـدار تخليـه هـای جزيـی معياری در مورد کيفيت عايق بندی می باشد .
ولتاژهای ضربه
اساساً دو نوع ولتاژ ضربه گذرا وجود دارد ؛ ضـربة صـاعقه بـا مـدت زمـان کوتـاه و ضـربه کليد زنی با مدت زمان بلند . افزايش ولتاژ بـا شـيب زيـاد و ميرايـی نسـبتاً سـريع کـلاً در مدj زمانی در حدود صد ميکرو ثانيه مشخصه ضربة صاعقه می باشد .
در مقايسه ، زمـان پيشانی ضربة کليد زنی صـد برابـر بلنـدتر از زمـان پيشـانی ضـربة صـاعقه اسـت . طـول مدت زمان ضربة کليد زنی معمولاً ده تا بيست برابر بلندتر از ضربة صاعقه است .
برای ضربه در طول هادی صاعقه ، طول هادی سيم پيچ در مقايسه با سرعت انتشار ضربه بلندتر است . مشخّصات موجی سيم پيچ بايستی در نظر گرفته شود . برای ضربة کليد زنی، نرخ تغيير ولتاژ آنقدر کم است که مدل مـوجی سـيم پـيچ در نظـر گرفتـه نشـده ، و رفتـار ترانســــفورماتور مشــــابه حالــــت آن در شــــرايط ولتــــاژ AC و فرکــــانس تــــوان (power frequency) است.
پلاريته (polarity )ضربه معمولاً منفی انتخاب می شـود تـا احتمـال شکسـت الکتريکـی اتفاقی کـاهش يابـد در بيرون از ترانسفورماتور و از سر بوشينگ هـا بـه بدنـه . در فضـای اطراف ترمينال ، با ميدان الکتريکی کاملاً غيـر يکنواخـت ، احتمـال شکسـتهای بيرونی الکتريکی در صورت اعمال ضربه ای با پلاريتة مثبت بسيار بالاست .
الزامات تست
منطق IEC
60076-3 IEC تست های عايقی زير را تعريف می کند و بايستی با توالی زير انجام شوند .
تست ضربه کليد زنی (SI) برای ترمينالهای خطی
تست ضربه صاعقه (LI) برای ترمينال های خط
تست ضربه صاعقه (LI) برای نوترال
تست ايستادگی AC اعمالی با منبع جداگانه (Applied potential test)
تست ايستادگی AC القايی کوتاه مدت ACSD
تست ايستادگی AC القايی بلند مدت ACLD
اين تست برای صحه گذاری طراحی نيست ، بلکـه تسـتی بـرای کنتـرل کيفيـت است . اين تست عدم وجود تخلية جزيی در شـرايط کـار عـادی ترانسـفورماتور را اثبات می نمايد .
الزاماات و انواع مختلف سيم پيچ ها در استاندارد IEC فوق الـذکر معـين شـده است.
منطق IEEE/ANSI
طراحی ترانسفورماتور بايستی بر اسـاس سـطوح عـايقی هماهنـگ شـدة ضـربه و فرکانس پايين برای ترمينال های خط و سطح عايقی فرکانس پايين برای ترمينال نوترال انجام شود ، تعيين اوليه مجموعه سطوح عايقی هماهنگ از روی سطح پايه عايقی ضربه صاعقه (BIL ) انجام می شود .
در استانداردهای IEEE ، ترانسفورماتورهای قدرت به تناسب ولتـاژ سيسـتم بـه دو دسته تقسيم می شوند و سطوح عايقی و فرآيند تست به نوع ترانسفورماتور بستگی دارد :
– دسته I : ترانسفورماتورهای قدرت با سيم پيچ فشار قوی kV ۶۹ و پايين تر
– دسته II : ترانسفورماتورهای قدرت با سيم پيچ فشار قوی ۱۱۵ تا kV ۷۶۵
تست های عايقی زير تعريف شده است :
تست ضربه کلید زنی
تست ضربه صاعقه برای ترمينال های خط و برای نوترال ترانسفورماتور
تست ولتاژ اعمالی (applied)
تست ولتاژ القايی
اندازه گيری PD
تست ضريب توان عايقی
تست مقاومت عایقی (مگر)
منطق IEEE
IEEE توالی تست ها را به شرح زير معين کرده است :
تست ضربه صاعقه ، در صورت وجود ، بايسـتی مقـدم بـر تسـت هـای فرکـانس پـايين (تست های ولتاژ AC ) باشد . تست ضربه کليد زنی در صورت وجود ، بايسـتی مقـدم بـر تست های فرکانس پايين باشد .
برای ترانسفورماتورهای قدرت دسته II ، تست ولتاژ القايی بايستی آخرين تست باشد .
الزامات و تست های انواع مختلف سيم پيچ ها در استاندارد IEEE فوق الذکر معين شده است.
برای مطالعه کامل و آشنایی با انواع تست های ترانس قدرت و همچنین مثال ها و روش انجام کار
به این محصول مراجعه کنید.
