1. مقدمه
11kV ترانسفورماتورهای قدرت غوطه ور در روغنتجهیزات اصلی در شبکه های توزیع فشار متوسط و ضعیف هستند. آنها به طور گسترده در شبکه های برق شهری، پارک های صنعتی و تجاری، ایستگاه های تقویت کننده برق فتوولتائیک و بادی و سیستم های توزیع برق برای جوامع مسکونی مستقر هستند. بسیاری از خریداران و مهندسان پروژه به شدت بر ظرفیت نامی، بهره وری انرژی و امپدانس اتصال کوتاه در هنگام انتخاب محصول تمرکز می کنند، در حالی که دو جزء مهم داخلی را نادیده می گیرند: هسته مغناطیسی و سیم پیچ ها. هسته و سیم پیچ ها با هم قسمت فعال ترانسفورماتور را تشکیل می دهند که به عنوان قلب تبدیل انرژی الکترومغناطیسی عمل می کند. مخزن، روغن ترانسفورماتور و لوازم جانبی محافظ فقط پشتیبانی مکانیکی، عایق، اتلاف حرارت و محافظت از خطا را ارائه می دهند. اگر نقص در طراحی، انتخاب مواد یا ساخت هسته یا سیم پیچ وجود داشته باشد، بازده کلی، ظرفیت بار، عمر مفید و ایمنی عملیاتی کل ترانسفورماتور آسیب اساسی خواهد دید.
این مقاله با هدف قرار دادن پیمانکاران مهندسی خارج از کشور، مهندسان برق و متخصصان تهیه تجهیزات، به طور سیستماتیک عملکردهای فردی، ویژگی های مواد و اشکال ساختاری هسته ترانسفورماتور و سیم پیچ ها را توضیح می دهد. این توضیح می دهد که چگونه این دو جزء برای تکمیل تبدیل ولتاژ با یکدیگر همکاری می کنند و اثرات خطاهای هسته و سیم پیچ معمولی بر عملکرد ترانسفورماتور را تجزیه و تحلیل می کند. مطابق با استانداردهای IEC برای ترانسفورماتورهای توزیع و بهینه سازی شده با کلمات کلیدی SEO، این محتوا برای انتشار در وب سایت های مستقل تجهیزات برق مناسب است و به بازدیدکنندگان سایت کمک می کند تا فناوری محصول اصلی را درک کنند و تبدیل درخواست را بهبود بخشد.
2. هسته ترانسفورماتور: حامل مسیر مغناطیسی
نقش اصلی هسته ایجاد یک مدار مغناطیسی بسته با رلکتانس مغناطیسی کم است. این شار مغناطیسی متناوب را متمرکز می کند و جفت مغناطیسی کارآمد بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه را امکان پذیر می کند و به انتقال انرژی بدون تماس از سمت اولیه به سمت ثانویه دست می یابد. بدون هسته مغناطیسی، بیشتر شار مغناطیسی به بیرون نشت می کند، که منجر به راندمان القایی الکترومغناطیسی بسیار پایین و تبدیل ولتاژ ناپایدار می شود.
11kVترانسفورماتورهای توزیع غوطه ور در روغنمعمولاً با ورقه‌های فولادی سیلیکونی دانه‌گرا با نورد سرد روی هم مونتاژ می‌شوند، با ضخامت ورق از 0.23 میلی‌متر تا 0.35 میلی‌متر. هر لمینیت از دو طرف با لاک عایق پوشانده شده است. طراحی انباشته چند لایه از دست دادن جریان گردابی را سرکوب می کند. هنگامی که شار مغناطیسی متناوب به مواد فلزی نفوذ می کند، جریان های گردشی در داخل ورق های فولادی القا می شود. ورقه‌های نازک فولادی سیلیکونی و عایق‌های بین لایه‌ای، گرمایش جریان گردابی را تا حد زیادی کاهش می‌دهند و تلفات بدون بار را کاهش می‌دهند که به عنوان تلفات آهن نیز شناخته می‌شود. از دست دادن هسته شامل از دست دادن هیسترزیس و از دست دادن جریان گردابی است. این تلفات پس از روشن شدن ترانسفورماتور به طور مداوم ادامه می یابند که مستقیماً کلاس بازده انرژی ترانسفورماتور را مشخص می کند. این شاخص عملکرد کلیدی است که برای سری های ترانسفورماتور با راندمان بالا مانند S13 و S22 بهینه شده است.
از نظر ساختار، ساخت و ساز از نوع هسته سه اندام به طور گسترده برای ترانسفورماتورهای روغنی 11 کیلوولت سه فاز، با سیم پیچ هایی که در اطراف اندام های هسته نصب شده اند، مورد استفاده قرار می گیرد. هسته مغناطیسی نه تنها به عنوان یک مسیر شار بلکه یک چارچوب مکانیکی عمل می کند و از سیم پیچ های ولتاژ بالا، سیم پیچ های ولتاژ پایین و سیم پیچ های داخلی پشتیبانی می کند. برای جلوگیری از پتانسیل شناور و تخلیه جزئی، هسته باید به طور قابل اطمینانی در یک نقطه ارت شود. چندین نقطه ارت باعث القای جریان در گردش در داخل هسته می شود که باعث گرم شدن بیش از حد، تسریع تخریب عایق و در نهایت خرابی ترانسفورماتور داخلی می شود.
در طول طراحی هسته، مهندسان چگالی شار مغناطیسی را به دقت کنترل می کنند. چگالی شار بیش از حد بالا منجر به اشباع هسته، افزایش شدید جریان بدون بار، افزایش نویز و تلفات بیشتر می شود. اگر چگالی شار خیلی کم باشد، مواد فولاد سیلیکونی بیشتری مورد نیاز است و هزینه تجهیزات افزایش می یابد. بنابراین، طراحی هسته بازده انرژی، سطح سر و صدا و هزینه مواد خام را متعادل می کند.
3. سیم پیچ ها: بدنه مدار الکتریکی ترانسفورماتور
سیم پیچ ها مدار الکتریکی ترانسفورماتور را تشکیل می دهند که به سیم پیچ های اولیه (ولتاژ بالا) و سیم پیچ های ثانویه (ولتاژ پایین) تقسیم می شوند. آنها از هادی های مسی یا آلومینیومی عایق شده که در اطراف اندام های هسته پیچیده شده اند ساخته می شوند. سیم پیچ ولتاژ بالا توان ورودی 11 کیلو ولت را با تعداد دور بیشتر و سطح مقطع هادی کوچکتر می پذیرد. سیم پیچ ولتاژ پایین توان خروجی 0.4 کیلو ولت را با دورهای کمتر و سطح مقطع هادی بزرگتر برای حمل جریان بار بالا ارائه می دهد. تخته پرس عایق و کاغذ سلولزی بین سیم پیچ های فشار قوی و ولتاژ پایین و همچنین بین سیم پیچ ها و هسته قرار می گیرند. کل مجموعه در روغن ترانسفورماتور غوطه ور می شود تا یک سیستم عایق کامپوزیت را تشکیل دهد.
عملکرد اصلی سیم پیچ ها تحقق تبدیل متقابل بین انرژی الکتریکی و انرژی مغناطیسی است. هنگامی که جریان متناوب 11 کیلو ولت به سیم پیچ اولیه وارد می شود، میدان های مغناطیسی متناوب ایجاد می کند. شار مغناطیسی متناوب از هسته عبور می کند و سیم پیچ ثانویه را قطع می کند و باعث ایجاد ولتاژ جدید در سیم پیچ ولتاژ پایین می شود. نسبت چرخش بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه نسبت تبدیل ولتاژ را تعیین می کند که اصل اساسی تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور است. شیر تعویض مدار خارج از مدار روی بیشتر 11 کیلو ولت نصب شده استترانسفورماتورهای روغنیبه سیم پیچ ولتاژ بالا متصل می شود. تعداد موثر چرخش های سیم پیچ را برای تنظیم دقیق ولتاژ خروجی و جبران نوسانات ولتاژ شبکه تنظیم می کند.
با توجه به فن آوری تولید سیم پیچ، سیم پیچ های ولتاژ پایین معمولاً ساختارهای سیم پیچی فویل یا مارپیچ را اتخاذ می کنند و مقاومت مکانیکی بالایی را برای مقاومت در برابر جریان عملیاتی زیاد ارائه می دهند. سیم‌پیچ‌های ولتاژ بالا بیشتر از ساختار سیم‌پیچ لایه‌ای یا دیسکی با عایق لایه‌ای برای مقاومت در برابر افزایش ولتاژ در سیستم‌های قدرت ۱۱ کیلوولت استفاده می‌کنند. علاوه بر ولتاژ کاری معمولی، سیم‌پیچ‌ها باید نیروهای الکترومغناطیسی عظیمی را که در طول خطاهای اتصال کوتاه شبکه ایجاد می‌شوند، تحمل کنند. در شرایط اتصال کوتاه، جریان خطای عظیم، تنش الکترومغناطیسی محوری و شعاعی قوی بین سیم‌پیچ‌های HV و LV ایجاد می‌کند. ساختار گیره ناکافی ممکن است منجر به تغییر شکل سیم پیچ، جابجایی هادی و خرابی عایق، ایجاد اتصال کوتاه بین دور و خرابی فاجعه بار ترانسفورماتور شود.
هنگامی که جریان از طریق هادی های سیم پیچ می گذرد، گرمای مقاومتی تولید می شود که به عنوان تلفات بار یا تلفات مس/آلومینیوم شناخته می شود. تلفات بار متناسب با مجذور جریان بار افزایش می یابد و در بار کامل به اوج خود می رسد. گرما از هادی ها از طریق کاغذ عایق به روغن ترانسفورماتور منتقل می شود و همرفت روغن گرما را به رادیاتورهای مخزن منتقل می کند. کلاس حرارتی مواد عایق سیم پیچ حداکثر افزایش دمای مجاز را محدود می کند و طول عمر طراحی شده ترانسفورماتور را تعیین می کند.
4. عملیات هماهنگ هسته و سیم پیچ
هسته و سیم پیچ یک مجموعه جدایی ناپذیر را تشکیل می دهند. هیچ یک از مولفه ها به تنهایی نمی توانند به تبدیل ولتاژ دست یابند. جریان متناوب وارد شده به سیم پیچ ولتاژ بالا، شار مغناطیسی متناوب ایجاد می کند. هسته شار را جذب می کند و یک مسیر مغناطیسی کم ریلکتانس برای انتقال میدان مغناطیسی از طریق سیم پیچ ولتاژ پایین فراهم می کند. شار متناوب نیروی الکتروموتور را در سیم پیچ ثانویه القا می کند تا توان الکتریکی را به بارها برساند. در طول کل فرآیند تبدیل انرژی، توان الکتریکی به جای اتصال رسانای مستقیم، از طریق جفت مغناطیسی منتقل می شود و تبدیل قدرت ایزوله به دست می آید.
روغن ترانسفورماتور نقش کمکی را در این چرخه کاری ایفا می کند: هسته و سیم پیچ ها را برای افزایش استحکام دی الکتریک آغشته می کند و گرمای تولید شده توسط هسته و سیم پیچ ها را می برد. هسته شار مغناطیسی را مدیریت می کند در حالی که سیم پیچ ها انرژی الکتریکی را مدیریت می کنند. آنها با کار پشت سر هم، ولتاژ متوسط 11 کیلو ولت را برای توزیع برق به ولتاژ پایین 400 ولت کاهش می دهند.
5. عیوب رایج هسته و سیم پیچ ها و پیامدهای آنها
خطاهای هسته معمولی شامل لاک عایق آسیب دیده روی لایه های فولادی سیلیکونی، چندین نقطه اتصال به زمین و گیره شل است. این عیوب باعث افزایش تلفات بدون بار، تولید صدای غیرعادی و ایجاد گرمای بیش از حد موضعی می شود. عملکرد طولانی مدت کیفیت روغن را بدتر می کند و گاز محلول تولید می کند و آلارم را در رله بوخهولتز ایجاد می کند.
عیوب سیم پیچ معمولی عایق آسیب دیده بین پیچ، تغییر شکل سیم پیچ و جوش ضعیف سرب ها را پوشش می دهد. ضربه اتصال کوتاه علت اصلی آسیب سیم پیچ است. پیری عایق اجازه می دهد تا تخلیه جزئی به تدریج کاغذ سلولزی را فرسایش دهد و در نهایت منجر به اتصال کوتاه بین لایه ای یا بین لایه ای شود که ممکن است قسمت فعال ترانسفورماتور را بسوزاند. آزمایش‌های نوع در طول پذیرش کارخانه، از جمله تست مقاومت در برابر اتصال کوتاه، آزمایش ولتاژ القایی و اندازه‌گیری تخلیه جزئی، برای تأیید کیفیت ساخت هسته و سیم‌پیچ‌ها طراحی شده‌اند.
6. ملاحظات کلیدی برای انتخاب و نگهداری محصول
برای تیم های تدارکات و نگهداری، ارزیابی کیفیت 11 کیلو ولتترانسفورماتور غوطه ور در روغننباید فقط به پارامترهای پلاک نام متکی باشد. محصولات ممتاز از ورق‌های فولادی سیلیکونی دانه‌گرا با تلفات کم با کنترل دقیق شکاف‌های لایه‌برداری هسته استفاده می‌کنند. هادی های سیم پیچ خلوص بالایی را حفظ می کنند، سیم پیچ ها با عایق پیچیده پیچیده شده محکم می شوند و تحت اشباع روغن خلاء پردازش می شوند.
در طول تعمیر و نگهداری عملیاتی، تجزیه و تحلیل کروماتوگرافی روغن معمولی، گازهای مشخصه تولید شده توسط گرمای بیش از حد یا تخلیه جزئی در داخل هسته و سیم پیچ ها را بررسی می کند. آزمایش مقاومت DC سیم پیچ ها و سیم پیچ ها را از نظر سیم های شکسته یا اتصالات ضعیف بررسی می کند. آزمایش‌های بدون بار شرایط عملیاتی اصلی را ارزیابی می‌کنند. تشخیص زودهنگام عیوب پنهان در هسته و سیم پیچ ها از خاموشی های غیرمنتظره جلوگیری می کند و عمر مفید ترانسفورماتور را افزایش می دهد.
7. نتیجه گیری
هسته و سیم پیچ ها قلب الکترومغناطیسی یک 11 کیلو ولت را تشکیل می دهندترانسفورماتور قدرت غوطه ور در روغن. هسته به عنوان مسیر مغناطیسی عمل می کند، شار مغناطیسی متناوب را به طور موثر منتقل می کند و تلفات بدون بار را کنترل می کند. سیم‌پیچ‌ها مدار الکتریکی را تشکیل می‌دهند، توان ورودی را دریافت می‌کنند، القای الکترومغناطیسی را ممکن می‌کنند و توان تبدیل شده را ارائه می‌دهند. کیفیت مواد، طراحی ساختاری و مهارت ساخت این دو جزء به طور مستقیم بر بهره وری انرژی ترانسفورماتور، قابلیت مقاومت در برابر اتصال کوتاه، عملکرد افزایش دما و عمر مفید حاکم است.
چه برای مناقصه پروژه توزیع، خرید تجهیزات یا بازرسی تعمیر و نگهداری بعدی، درک کاملی از عملکردها و تعامل بین هسته و سیم پیچ ها به مهندسان و خریداران کمک می کند تا کیفیت محصول را تشخیص دهند و خطرات ایمنی شبکه ناشی از ترانسفورماتورهای ضعیف را کاهش دهند.
