آشنایی با فرآیند تبدیل ولتاژ در ترانسفورماتورهای نفتی 11 کیلوولت

مقدمه

در شبکه های توزیع شهری و روستایی، پارک های صنعتی، نیروگاه های فتوولتائیک و سایر سناریوهای سیستم قدرت،ترانسفورماتورهای 11 کیلو ولت غوطه ور در روغنبه عنوان تجهیزات اصلی برای انتقال قدرت و تبدیل سطح ولتاژ استفاده می شود. بسیاری از خریداران، مهندسان برق و پیمانکاران عمومی پروژه تنها بر پارامترهایی مانند ظرفیت نامی و تلفات بار در هنگام انتخاب ترانسفورماتور تمرکز می‌کنند، در حالی که فاقد درک سیستماتیک از فرآیند تبدیل ولتاژ کامل در داخل ترانسفورماتور هستند. درک اصل تبدیل ولتاژ ترانسفورماتورهای نفتی 11 کیلوولت نه تنها از انتخاب تجهیزات و پیش‌بینی خطا پشتیبانی می‌کند، بلکه به کارکنان بهره‌برداری و تعمیر و نگهداری کمک می‌کند تا بازرسی‌های معمول را به طور منطقی ترتیب دهند و خطرات خرابی تجهیزات را کاهش دهند. با شروع از تئوری الکترومغناطیسی پایه، این مقاله به طور کامل کل فرآیند تبدیل ولتاژ ترانسفورماتورهای غوطه‌ور شده در روغن 11 کیلوولت را تجزیه می‌کند، ویژگی‌های تغییرات ولتاژ را در حالت‌های عملیات بدون بار و روی بار متمایز می‌کند، و توضیح می‌دهد که چگونه ساختار غوطه‌ور شده در روغن، تبدیل ولتاژ پایدار و ایمن را تضمین می‌کند.

1. اصل اساسی تبدیل ولتاژ: قانون القای الکترومغناطیسی فارادی

تبدیل ولتاژ تمام ترانسفورماتورهای قدرت غوطه ور در روغن بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و اصل تعادل نیروی مغناطیسی است. ترانسفورماتور یک دستگاه الکترومغناطیسی ساکن بدون اجزای چرخان است. انرژی الکتریکی را از طریق میدان های مغناطیسی متناوب از سمت اولیه به سمت ثانویه منتقل می کند. انرژی الکتریکی مستقیماً از طریق هادی ها منتقل نمی شود، بلکه از طریق میدان های مغناطیسی جفت می شود.

سیم پیچ اولیه 11 کیلو ولتترانسفورماتور روغنبه منبع تغذیه ولتاژ بالا 11 کیلو ولت AC متصل است. جریان متناوب که از سیم پیچ اولیه عبور می کند، شار مغناطیسی متناوب را در داخل هسته آهنی ایجاد می کند که توسط ورق های فولادی سیلیکونی انباشته شده است. هسته آهنی از فولاد سیلیکونی نورد سرد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا استفاده می کند تا شار مغناطیسی را تا حداکثر حد محدود کند و اتلاف انرژی ناشی از نشت مغناطیسی را کاهش دهد. شار مغناطیسی متناوب به طور همزمان از هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور می کند. با توجه به قانون القای الکترومغناطیسی، میدان مغناطیسی متناوب به ترتیب در دو سیم پیچ نیروی الکتروموتور القا می کند.

نیروی الکتروموتور القایی یک سیم پیچ متناسب با تعداد دورهای سیم پیچ و سرعت تغییر شار مغناطیسی است. فرمول به صورت E بیان می شود=4.44fN*Φ. در جایی که E مخفف نیروی الکتروموتور القایی است، f فرکانس شبکه، N نشان دهنده تعداد چرخش های سیم پیچ، و Φ شار مغناطیسی اصلی است. این فرمول مستقیماً رابطه تبدیل ولتاژ را تعیین می کند: نسبت نیروی الکتروموتور القایی در دو طرف اولیه و ثانویه برابر است با نسبت چرخش دو سیم پیچ. به طور خلاصه، طرفی که پیچش های بیشتری دارد ولتاژ القایی بیشتری دارد، در حالی که طرفی که پیچش های کمتری دارد ولتاژ کمتری دارد. این منطق اساسی ترانسفورماتورها برای افزایش یا کاهش ولتاژ است.

برای ترانسفورماتورهای غوطه ور روغن توزیع 11 کیلوولت استاندارد، ولتاژ نامی سمت اولیه 11 کیلو ولت است و سمت ثانویه معمولاً 0.4 کیلو ولت برق ولتاژ پایین برای کارخانه ها و ساختمان های مسکونی خروجی می دهد. سیم پیچ اولیه دارای پیچ های بسیار بیشتری نسبت به سیم پیچ ثانویه است، بنابراین به عنوان یک ترانسفورماتور کاهنده عمل می کند. برای کاربردهای افزایش سرعت، ولتاژ را می توان با تنظیم نسبت چرخش سیم پیچ ها به طور معکوس افزایش داد.

2. فرآیند تبدیل ولتاژ تحت شرایط بدون بار

شرایط بی باری به این معنی است که سمت ثانویه ترانسفورماتور به هیچ باری متصل نیست و مدار ثانویه باز است، بنابراین هیچ جریانی در سمت ثانویه جریان ندارد. هنگامی که ولتاژ بالا 11 کیلو ولت به سیم پیچ اولیه متصل می شود، یک جریان تحریک بدون بار کوچک در سمت اولیه تولید می شود. وظیفه این جریان ایجاد شار مغناطیسی اصلی هسته آهنی است. در این زمان، ولتاژ ورودی در سمت اولیه اساساً با نیروی الکتریکی القایی سیم پیچ اولیه متعادل می شود. تحت تأثیر شار مغناطیسی متناوب، سیم پیچ ثانویه ولتاژ نامی مربوطه را القا می کند.

در شرایط بی باری، نسبت ولتاژ ترانسفورماتور تقریباً برابر با نسبت دور سیم پیچ است. با این حال، دو پدیده غیر قابل اغماض در طول عملیات بدون بار وجود دارد: افت بدون بار و انحراف ولتاژ بدون بار. تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی هسته آهنی باعث تلفات بدون بار می شود که به طور کامل به گرما تبدیل شده و توسط روغن عایق داخل ترانسفورماتور منتقل می شود. در همین حال، جریان تحریک باعث افت ولتاژ کوچک می شود. بنابراین، ولتاژ ثانویه بدون بار کمی بیشتر از ولتاژ خروجی نامی است تا افت ولتاژ تولید شده در عملیات بارگذاری بعدی را جبران کند. تعویض شیر 11 کیلو ولتترانسفورماتور غوطه ور در روغنبرای تنظیم چرخش های موثر سیم پیچ اولیه در شرایط بی باری، تنظیم دقیق ولتاژ خروجی و جبران نوسانات ولتاژ ورودی شبکه برق استفاده می شود.

3. فرآیند تبدیل ولتاژ تحت عملیات بارگذاری شده

هنگامی که طرف ثانویه به بارهای الکتریکی متصل می شود، مدار سیم پیچ ثانویه هدایت می شود و جریان بار در سمت ثانویه تولید می شود. جریان ثانویه نیروی مغناطیسی معکوس ایجاد می کند که تمایل دارد شار مغناطیسی اصلی هسته آهنی را تضعیف کند. برای ثابت نگه داشتن شار مغناطیسی اصلی و تضمین پایداری ولتاژ، سیم‌پیچ اولیه به طور خودکار جریان ورودی را افزایش می‌دهد و نیروی مغناطیسی جدید برای خنثی کردن نیروی مغناطیسی در سمت ثانویه و حفظ تعادل نیروی مغناطیسی ایجاد می‌کند. این مکانیزم داخلی است که جریان ورودی سمت اولیه ترانسفورماتور به طور همزمان با افزایش بار افزایش می یابد.

در طول عملیات بارگذاری شده، سیم پیچ خود دارای مقاومت و واکنش نشتی است. جریانی که از سیم پیچ عبور می کند افت ولتاژ ایجاد می کند. در نتیجه، ولتاژ خروجی سمت ثانویه با مقدار بار و ضریب توان بار تغییر می کند. هرچه بار سنگین تر باشد، افت ولتاژ ثانویه آشکارتر است. بارهای القایی افت ولتاژ را تشدید می کنند، در حالی که بارهای خازنی ممکن است ولتاژ را بالا ببرند. به همین دلیل است که نرخ تنظیم ولتاژ باید در طراحی توزیع برق محاسبه شود.

روغن عایق داخل ترانسفورماتور غوطه ور در روغن 11 کیلو ولت وظایف دوگانه ای را در کل فرآیند تبدیل ولتاژ انجام می دهد. ابتدا به عنوان یک محیط عایق عمل می کند تا سیم پیچ های فشار قوی و ولتاژ پایین را جدا کرده و از خرابی و اتصال کوتاه بین اجزای پتانسیل های مختلف جلوگیری کند. دوم، به عنوان وسیله خنک کننده برای از بین بردن گرمای تولید شده توسط از دست دادن الکترومغناطیسی هسته آهنی و سیم پیچ ها عمل می کند. اتلاف گرمای مداوم و پایدار می تواند از پیری عایق سیم پیچ جلوگیری کند و اطمینان حاصل کند که در طول تبدیل طولانی مدت ولتاژ، خرابی عایق رخ نمی دهد. مخزن روغن، رادیاتورها و محافظ با هم سیستم خنک کننده را تشکیل می دهند تا دمای روغن را در محدوده ایمن نگه دارند و تبدیل الکترومغناطیسی مداوم و قابل اطمینان را تضمین کنند.

4. عوامل کلیدی موثر بر کیفیت تبدیل ولتاژ ترانسفورماتورهای 11 کیلوولت

مواد هسته آهن: ورق های فولادی سیلیکونی کم تلفات جریان تحریک را کاهش می دهند، اعوجاج شار مغناطیسی را کاهش می دهند و نیروی الکتروموتور القایی را تثبیت می کنند. هسته آهنی پایین باعث افزایش جریان بدون بار، تغییر شکل موج ولتاژ و افزایش هارمونیک می شود.

فن آوری سیم پیچ: فشردگی سیم پیچ و درجه عایق به طور مستقیم راکتانس نشتی سیم پیچ را تعیین می کند و بر نرخ تنظیم ولتاژ تأثیر می گذارد. عایق سیم پیچ آسیب دیده باعث اتصال کوتاه میان پیچ می شود و تبدیل ولتاژ را به طور کامل از بین می برد.

نوسان ورودی شبکه: ولتاژ ورودی 11 کیلو ولت ثابت نیست. تغییرات بار اوج و دره شبکه برق منجر به ولتاژ ورودی شناور می شود. تعویض کننده شیر می تواند چرخش های سیم پیچ را برای تثبیت خروجی ثانویه تنظیم کند.

ویژگی های بار: مقدار بار و ضریب توان دامنه افت ولتاژ را تعیین می کند که یک شاخص ضروری برای طراحی طرح توزیع توان است.

5. پدیده های غیرعادی رایج تبدیل ولتاژ و تحلیل مختصر

در سناریوهای عملیاتی و تعمیر و نگهداری، تبدیل غیرعادی ولتاژ علائم مختلفی را نشان می دهد. به عنوان مثال، ولتاژ ثانویه پایین معمولاً به دلیل ولتاژ پایین ورودی، بار بیش از حد یا تماس ضعیف اتصال دهنده های سیم پیچ ایجاد می شود. شکل موج ولتاژ تحریف شده به احتمال زیاد توسط اشباع هسته آهن و بارهای هارمونیک بیش از حد القا می شود. اگر تخلیه جزئی و افزایش شدید دمای روغن اتفاق بیفتد، روغن عایق ممکن است تخریب شود و عایق سیم‌پیچ‌های ولتاژ بالا و پایین آسیب ببیند و خطرات خرابی را در هر زمان به همراه داشته باشد.

پرسنل بهره برداری و نگهداری نیاز به اندازه گیری منظم ولتاژ اولیه و ثانویه، کروماتوگرافی روغن و مقاومت DC سیم پیچ برای نظارت بر وضعیت تبدیل ولتاژ دارند. هنگامی که انحراف ولتاژ از مقدار نامی تشخیص داده شد، مشکلات باید به سرعت برطرف شود تا از فرسودگی تجهیزات و حوادث قطع برق جلوگیری شود.

نتیجه گیری

11kV ترانسفورماتورهای غوطه ور در روغنتبدیل ولتاژ استاتیک را با تکیه بر جفت میدان مغناطیسی متناوب درک کنید و نسبت چرخش نسبت ولتاژ نظری را تعیین می کند. ویژگی های تبدیل ولتاژ در شرایط کاری بدون بار و بارگذاری به طور قابل توجهی متفاوت است. سیستم روغن عایق حفاظت عایق و پشتیبانی از اتلاف گرما را برای کل فرآیند تبدیل الکترومغناطیسی فراهم می کند. درک کامل کل فرآیند تبدیل ولتاژ به مهندسان کمک می کند تا عملکرد تجهیزات را به طور منطقی ارزیابی کنند و از خطرات منبع تغذیه ناشی از ولتاژ غیرعادی، چه برای تهیه ترانسفورماتور، طراحی شبکه برق یا تعمیر و نگهداری در محل جلوگیری کنند. در پروژه های اتصال به شبکه فتوولتائیک، توزیع برق کارخانه و پروژه های نوسازی شبکه توزیع شهری، تسلط بر این اصل می تواند بهتر با ظرفیت ترانسفورماتور و طرح های سطح ولتاژ مطابقت داشته باشد و عملکرد پایدار سیستم های منبع تغذیه را تضمین کند.