نکاتی کلی و مختصر در مورد ترانسفورمرها

• طراحي و محاسبه ترانسفورماتور قدرت وترانس جريان

توجه به نقش اساسي ترانسهاي قدرت در انتقال نيروي برق و قيمت بالاي آن نسبت به ساير تجهيزات پست اهميت و لزوم دقت زياد در انتخاب اين وسايل را آشكار ميسازد استانداردههاي IEC 76, IEC 296, 156, 60-6 IEC354,542, IEC 137, IEC 185 در مورد ترانسهاي قدرت و متعلقات آنها و تعداد ديگري از استانداردهاي IEC در مورد روشها و يا نحوه اندازه گيري كميتهاي مختلف ترانس در حين آزمايش,مي تواند جهت انتخاب مناسب ترانسفورماتورهاي قدرت مورد استفاده قرار بگيرد. به منظور سفارش ساخت ترانسفورماتورهاي قدرت در ولتاژهاي بالا, به كارخانه سازنده بايستي بعضي از مشخصات فني ترانسفورماتور را مشخص كنيم تا سازنده قادر به طراحي و ساخت ترانسفورماتور متناسب و هماهنگ با پست و شبكه مربوطه باشد. در اين فصل مشخصهها و پارامترهاي مهم و اساسي ترانسفورماتور كه در طرح و ساخت و مقايسه و انتخاب مناسب آن حائز اهميت ميباشد را يكايك بر شمرده و با توجه به موضوع پروژه نتايج را براي ترانسفورماتور مربوطه بدست ميآوريم.

• انواع ترانسفورماتور:

در اين بخش بدون آنكه به ساختمان و طرز كار ترانسفورماتور پرداخته شود به شرح انواع ترانسفورماتورها خواهيم پرداخت. انواع ترانسفورماتور از لحاظ كاربرد: انواع ترانسفورماتور از اين نظر به شرح زير تقسيم بندي ميشوند:

- ترانسفورماتورهاي قدرت براي انتقال

– توزيع انرژي الكتريكي.

- ترانسفورماتورهاي قدرت كه براي مقاصد خاصي مثل كوره ها, يكسو كنندهها و واحدهاي جوشكاري بكار ميرود.

- ترانسفورماتورهايي كه براي تنظيم ولتاژ در شبكه بكار ميروند.

- ترانسفورماتورهاي وسايل اندازه گيري.

- اتو ترانسفورماتورها جهت تبديل ولتاژ با نسبت كم و راه اندازي موتورهاي القائي.

انواع ترانسفورماتور از لحاظ هسته و سيم پيچها: به طور كلي از دو طرح هسته اي (Core Type) و زرهي (Shell Type) در ساختمان هسته ترانسفورماتورها استفاده ميشود. در مقايسه اين دو طرح ميتوان به توزيع يكنواخت ولتاژ ضربه اي, پائين بودن صدا, ساتحكام مجموعه هسته و سيم پيچي در نوع زرهي و به امكان تغيير ابعاد و شكل سادهتر ايزولاسيون و دسترسي به سيم پيچها جهت بازديد يا تعميرات در نوع هسته اي اشاره نمود. انواع ترانسفورماتور از لحاظ كوپلاژ سيم پيچ ها: معمولاً ترانسفورماتورها از نظر كوپلاژ سيم پيچها به دو دسته تقسيم ميشوند:

- ترانسفورماتورهاي با سيم پيچ جداگانه( transformer (Scrap winding

- اتو ترانسفورماتور (Auto transformer)

اين انتخاب بر مبناي ملاحظات فني و اقتصادي انجام ميگيرد. در اتو ترانسفورماتورها با توجه به اينكه بخشي از سيم پيچ اوليه و ثانويه مشترك ميباشند لذا براي يك ظرفيت مشخص, به مس كمتري نسبت به حالت سيم پيچ جدا نياز ميباشد و در نتيجه هزينه تمام شده كه با ظرفيت رابطه دارد در اتو ترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورهاي با سيم پيچي جدا كاهش مييابد. به هر حال اين دو طرح نسبت به هم داراي مزايا و معايبي هستند كه طراح ميبايستي با توجه به آنها يكي از دو طرح را انتخاب نمايد. اگر بخواهيم مقايسه اي بين دو طرح اتو ترانسفورماتور و سيم پيچي جدا داشته باشيم عبارت خواهد بود:

- در نسبت تبديلهاي كمتر از 1 طرح اتوترانس اقتصاديتر است.

- در نسبت تبديلهاي بزرگتر از 1 طرح سيم پيچي جدا كاربرد دارد.

- در سيم پيچي جدا الزاماً سه سيم پيچ نبوده و تپ چنجر ميتواند در نوترال قرار گيرد.

- در سيم پيچي جدا از نظر اتصال كوتاه وضعيت بهتري داريم.

- در طرح اتو ترانس نياز به تپ چنجر با ولتاژ بالا داريم.

- در طرح اتوترانس سطح اتصال كوتاه بعلت راكتانس كم و كوپلاژ الكتريكي بالا ميباشد.

- در طرح اتو ترانس الزاماً تپ چنجر بايد بر روي ولتاژ متوسط قرار گيرد.

- در طرح قدرتهاي بالا با استفاده از اتو ترانس ميتوان طرح تكفازي داشته باشيم كه از نظر حجم و هزينه از ترانس سيم پيچي جدا تكفاز كمتر است.

- در طرح سيم پيچي جدا و سه فاز مشكل حجم زياد و مشكلات مربوط به حمل و نقل داريم.

• انواع ترانسفورماتور از لحاظ تعداد فاز (تكفاز يا سه فاز):

ترانسفورماتورها از لحاظ تعداد فاز به دو دسته تكفاز و سه فاز تقسيم ميشوند. چنانچه محدوديت در ساخت, به علت مشخصات ترانس در كارخانه و يا امكان حمل و نقل آن تا محل پست به صورت سه فاز وجود نداشته باشد عمدتاً ترانسفورماتورهاي سه فاز اقتصاديتر ميباشند و فقط در موارديكه محدوديت در حمل و نقل ترانسفورماتورهاي سه فاز و يا ساخت آنها وجود داشته باشد بايستي در مورد انتخاب ترانسفورماتور دقيقتر شد. در چنين صورتي بايستي دو طرح مختلف را در مقايسه با يكديگر كه در ذيل توضيح داده شده است را مورد بررسي قرار داد و گزينه ارجح را انتخاب نمود.

- مجموعه كل ترانس تكفاز فضاي نسبتاً بيشتري نسبت به ترانس سه فاز اشغال ميكند.

- سه ترانس تكفاز بستگي به قدرت و نوع طرح پست از يك ترانس سه فاز در بعضي موارد گرانتر تمام ميشود. - ترانسهاي سه فاز از نظر فضا, فونداسيون, تأسيسات جانبي مثل تپ چنجر, تابلوي كنترل و غيره نسبت به ترانس تكفاز بهتر ميباشند.

- حمل و نقل ترانس تكفاز به علت سبكي نسبت به طرح سه فاز آسانتر است.

- براي داشتن يك رزرو يك ترانس تكفاز كافيست ولي در صورت نياز به رزرو در طرح سه فاز بايد يك ترانس سه فاز داشته باشيم و در نتيجه در قدرتهاي برابر دو طرح, طرح سه فاز گرانتر خواهد شد.

- در قدرتهاي بالا در ترانس سه فاز مشكل ساخت داريم كه در طرح تكفاز اين مشكلات كمتر است.

- اتصالات سيم پيچها در طرح تكفاز بايد در خارج از ترانسفورماتور انجام گيرد كه خود هزينه اي اضافي جهت احداث سوئيچ آن ميطلبد.

• ظرفيت نامي ترانسفورماتور: (Rated Power)

براي تعيين ظرفيت نامي ترانسفورماتور بايستي به موارد زير توجه نمود:

1-ظرفيت پست در حالات مختلف بهره برداري :

ترانسهاي با ظرفيت بالا از راندمان بهتري نسبت به ظرفيت پايين برخوردارند اما از طرف ديگر مسائلي مانند قابليت اطمينان, ميزان تغيير بار, انتخاب ظرفيتهاي بالا را محدود مينمايد. اضافه بارهاي كوتاه مدت طبق استاندارد IEC 354 ميتواند مورد استفاده قرار بگيرد. براساس اين استاندارد در مورد ترانسهاي با ظرفيت كمتر از 100MVA بسته به حداكثر درجه حرارت متوسط سالانه و نيز سيستم خنك كنندگي, بارگيري دائمي از ترانس به ميزان 82% تا 116% ظرفيت نامي مجاز شناخته شده است.

2- محدوديتهاي حمل و نقل:

حمل و نقل ترانسفورماتورهاي قدرت به دليل حجم زياد آنها هميشه مسئله ساز بوده است. لذا در موقع انتخاب ترانس بايستي به شرايط جغرافيايي منطقه و وجود جادههاي مناسب و قابل دسترسي, جهت حمل و نقل آنها توجه داشت, تا طراحان مجبور به استفاده از چند ترانس كوچكتر به جاي يك ترانس بزرگ كه هزينة تمام شده پست را بالا ميبرد, نشوند.

3-قدرت ترانسفورماتور:

بايد قدرت ترانسفورماتور را با توجه به مسائل اقتصادي طوري در نظر گرفت كه از ايجاد تنوع در قدرت آنها در يك شبكه تا حد امكان جلوگيري شود براي اين منظور در هر سطح ولتاژي, چند قدرت مشخص, به عنوان فرم در نظر گرفته شده است.

4- سطوح ولتاژ و نسبت تبديل:

اين پارامتر بستگي به وضعيت پستي كه ترانسفورماتورها براي آن انتخاب ميشوند, دارد. در مورد پستهايي با دو سطح ولتاژ مسئله اي وجود ندارد ولي در مورد پستهايي با سه سطح ولتاژ بايستي بررسيهاي مناسب هنگام طرح پست صورت گرفته باشد كه آيا از ترانسفورماتورهاي سه سيم پيچ استفاده شود يا از دو ترانسفورماتور با نسبت تبديلهاي مختلف

5- هماهنگي و حفظ يكنواختي و قابليت اطمينان كار ترانسهاي موجود:

براي پستهاي فشار قوي ميتوانيم از چند ترانسفورماتور استفاده نمود كه در صورت بروز اشكال در يك ترانس در موقعيتي كه پست با ظرفيت نهائي كار ميكند, ترانسهاي ديگر, با كمي اضافه بار در مدت كوتاه, تغذيه فيدرها را بر عهده بگيرند.

6- منظور نمودن ظرفيت رزرو:

بعد از انتخاب ظرفيت نهايي پست, براساس ظرفيتهاي استاندارد شده ميتوان يك ظرفيت رزرو كه معادل يك دستگاه ترانسفورماتور در مورد طرحهاي سه فاز ميباشد را در نظر گرفت. لازم است براي انتخاب ظرفيت ترانسهاي پست حتي الامكان از ظرفيت استاندارد شده كه براساس توجه به موارد فوق پيشنهاد شده, تركيبهاي مختلفي را انتخاب نموده و از نقطه نظرات مختلف مطرح شده, مورد مقايسه قرار داد و نهايتاً بهترين طرح را از نظر فني و اقتصادي انتخاب نمود. طبق استاندارد IEC در ابتدا حداقل 2 دستگاه ترانسفورماتور و در نهايت 4 دستگاه بايستي در يك پست نصب گردد و سپس ظرفيت را با توجه به عدم تنوع زياد در شبكه و همچنين محدوديتهاي حمل و نقل و سطح ولتاژ به صورت نهائي بدست آورد. در مورد پستهاي نيروگاهي معمولاً ظرفيت ترانسفورماتور متناسب با قدرت ژنراتور و واحدهاي مربوطه انتخاب ميگردد. به عبارت ديگر در پستهاي نيروگاهي ظرفيت ترانسفورماتورها تابع ظرفيت نامي واحدها ميباشد و با مطالعات لازم در طراحي نيروگاهها ظرفيت بهينه واحدها انتخاب ميگردد.

• سطوح عايقي ترانسفورماتور: Insulation level

انتخاب سطوح عايقي مناسب جهت اجزاء داخلي و خارجي ترانسفورماتور از لحاظ فني و اقتصادي از اهميت ويژه اي برخوردار است. اضافه ولتاژهاي ناشي از تخليه جوي (رعد و برق) و سوئيچينگ (كليدزني) اضافه ولتاژ با فركانس شبكه, القاء الكترومغناطيسي و الكترو كاپاسيتيو بين سيم پيچ ها, ترانسفورماتور را در معرض خطر قرار ميدهند. به همين دليل, ضمن اينكه قسمتهاي داخلي ترانس ميبايست از قدرت عايقي كافي برخوردار باشد, پيش بيني وسايل حفاظت كننده از قبيل برقگيرها, شاخكهاي هوائي و غيره براي اجزاء خارجي آن و با رعايت هماهنگي عايقي ضرورت مييابد. استاندارد IEC, استقامت عايقي تجهيزات ترانسفورماتور را در برابر اضافه ولتاژهاي با فركانس شبكه PFWL, اضافه ولتاژهاي رعد و برق LIWLو اضافه ولتاژهاي سوئيچينگ SIWL برحسب حداكثر ولتاژ سيستم طبقه بندي بيان نموده است.

• وسايل و نكات ايمني در ترانسفورماتورها :

1-دريچههاي روغن

هر ترانسفورماتور بايد داراي دريچههايي براي پر كردن و خالي كردن و نمونه گيري از روغن جهت اطلاع از طرز عمل روغن ميباشد.

2-مخازن انفجار

ترانسها بايد به مخازن انفجاري براي محافظت از فشارهاي داخلي ناگهاني, مجهز شوند.

3- خنك كنندههاي روغن

در ترانسفورماتورهابايد از رادياتورهايي كه مستقيماً روي ترانس نصب ميشود استفاده شود اين نوع خنك كنندهها قابل برداشتن از روي ترانس ميباشند به اين ترتيب در حمل و نقل نيز تسهيل خواهد شد.

4- رلههاي بوخهلتس

ترانسها بايد داراي اين رله باشند همچنين قسمت روغن تپ چنجر بايد داراي اين رله باشد. رلههاي بوخهلتس روي ترانسها بايد آلارم و كنتاكهاي قطع داشته باشند و روي لوله بين رلههاي بوخهلتس كنسرواتورها نيز شير گذاشته شود.

5- ترمومتر

يك ترمومتر نشان دهنده, كاليبره شده و مجهز به آلارم قطع و وصل براي نشان دادن درجه حرارت روغن در ترانسها بايستي در نظر گرفته شود.

6- لولهها و لوازم و سيم كشي اتصالات

لولههاي ارتباطي بين كنسرواتور و تپ چنجر و بوشينگها و تانك ترانس و رلههاي در نظر گرفته شده در ترانسها بايستي خوب آب بندي شود و احتياطهاي لازم براي جلوگيري از نفوذ آب, گرد و غبار و غيره به داخل اتصالات و تجهيزات كنترل به عمل آيد

• نحوه اتصالات سيم پيچهاي ترانسفورماتور:

فازهاي مختلف در يك سيم پيچ سه فاز را به سه طريق ستاره, مثلث, زيگزاگ ميتوان به يكديگر اتصال داد كه هر كدام داراي مزايا و معايبي هستند. اتصال زيگزاگ به علت نياز به تعداد دور بيشتر, اجراي مشكل سيم بندي و در نتيجه هزينه بالا, در ساخت ترانسفورماتورهاي قدرت كاربرد ندارد, بلكه بيشتر در ترانسهاي با ولتاژ پايين و قدرت كم و نيز مواردي كه احتياج به بارگيري از نوترال باشد و همچنين در ترانسهاي زمين, مورد استفاده قرار ميگيرد. در اتصال ستاره, جريان سيم پيچي هر فاز افزايش يافته ولي ولتاژ بين ترمينال هر سيم پيچ تا نقطه مشترك كاهش مييابد بنابراين توضيح واضح است كه در ترانسفورماتورهاي قدرت بهتر است سيم پيچ فشار قوي كه داراي جريان كمتر و ولتاژ بيشتر نسبت به سيم پيچ ديگر است به صورت ستاره انتخاب شود زيرا عايق بندي در ولتاژ بالا گران تمام ميشود. در اتصال مثلث برخلاف اتصال ستاره, جريان در سيم پيچي هر فاز كاهش يافته ولي ولتاژ دو سيم پيچي افزايش مييابد لذا در مورد سيم پيچي ثانويه ترانسفورماتورهاي قدرت, اتصال مثلث پيشنهاد ميشود زيرا در صورت انتخاب اتصال ستاره گرچه ممكن است قدري اقتصاديتر به نظر برسد ولي موضوع ضرورت تعبيه سيم پيچ سوم مطرح ميشود و از نظر عايقي نيز مشكل خواهد بود.

• گروه برداري ترانسفورماتورها:

انتخاب رابطه برداري مناسب براي ترانسفورماتور مستقيماً وابسته به رابطه برداري بين شبكههاي دو طرف ترانسفورماتور ميباشد زيرا يكي از شرايط اساسي, كاركرد موازي ترانسفورماتوها, هم گروه بودن آنها ميباشد. گروه برداري, نشان دهنده نوع اتصال سيم پيچهاي اوليه و ثانويه و نيز اختلاف فاز بين آنها ميباشد در مورد اتصال اوليه از حروف Y (ستاره) N (نوترال, چنانچه در دسترس باشد) و D (مثلث) استفاده ميشود. همين حروف و همچنين حرف Z (زيگزاگ) به شكل كوچك و با همان مفاهيم در طرف ثانويه بكار ميروند. در جدول (1-6) بعضي از انواع مختلف اتصالات و دياگرام برداري و علائم اقتصادي آنها نشان داده شده است. در اين جدول شماره انديس علائم كه ميتواند از 0 تا 11 تغيير كند گروه ترانسفورماتور را نشان ميدهد حاصلضرب اين انديس در زاويه 30 درجه, نشان دهنده زاويه اي است كه ثانويه نسبت به اوليه دارد.

• امپدانس اتصال كوتاه ترانسفورماتورها : Short Circuit Impedance

ولتاژي كه لازم است به ترمينالهاي يك سيم پيچ اعمال گردد تا باعث عبور جريان نامي در سيم پيچ ديگر كه اتصال كوتاه شده, گردد را امپدانس اتصال كوتاه گويند. مقدار اين امپدانس اتصال كوتاه كه به امپدانس درصد ترانس نيز معروف است, به صورت درصدي از ولتاژ نامي بيان ميشود. انتخاب مقدار امپدانس اتصال كوتاه ترانس با توجه به اثراتي كه اين مقدار بر روي مشخصات ترانس و يا شبكه دارد صورت ميگيرد. مهمترين اين مشخصات عبارتند از:

1- تعداد ترانسفورماتورهائي كه در پست به صورت موازي كار ميكنند.

2- سطح اتصال كوتاه در طرف ثانويه (شبكه) در صورت بروز اتصال كوتاه

3- مقادير اقتصادي و ساخت ترانسفورماتور

4- افت ولتاژ يا تنظيم ولتاژ در شبكه

بديهي است كه هر چقدر امپدانس اتصال كوتاه ترانسفورماتور كمتر باشد بهتر است زيرا كه افزايش آن, باعث عبور جريان اتصال كوتاه بيشتر از ترانس شده و در نتيجه استقامت مكانيكي بالاتري را ايجاب ميكند. از طرف ديگر, كاهش امپدانس علاوه بر افزايش قيمت ساخت ترانسفورماتور, باعث افت ولتاژ كمتر ميگردد و در عين حال سطح اتصال كوتاه در ثانويه را بالا ميرود و از آنجا كه اين سطح نبايد از حد استقامت عايقي تجهيزات در طرف ثانويه تجاوز نمايد لازم است كه سرمايه گذاريهاي ديگري را نيز انجام داد. تلفات آهن ترانس در اثر كاهش امپدانس اتصال كوتاه افزايش يافته و باعث بزرگتر شدن هسته ترانس ميشود راكتانس ترانسفورماتور احتياج به قدرت راكتيو دارد كه بايستي به وسيله ژنراتور و يا وسايل جبران كننده تأمين شود. همانطوريكه ملاحظه ميشود كاهش و يا افزايش امپدانس اتصال كوتاه داراي اثرات مثبت و منفي ميباشد. لذا در انتخاب بهينه اين امپدانس علاوه بر اينكه سطح ولتاژ و ظرفيت و هزينههاي مس و آهن مطرح است توجه به اثرات جنبي آن نيز ضرورت دارد. استاندارد IEC 75-6 مقدار امپدانس اتصال كوتاه را براي ظرفيتهاي مختلف مشخص نموده كه به عنوان اعداد تيپ معرفي شده اند

• ميزان مجاز صدا در ترانسفورماتور:

ارتعاشات هسته در محل اتصال ستون به قسمتهاي بالايي و پائيني, تغيير طول ورقههاي هسته, سيم پيچهاي حاوي جريان و نيز فنها و پمپها از عوامل مختلف ايجاد صدا در ترانسها ميباشد. استاندارد NEMA – TRI 1976 براي صدا, حدود مجازي را تعيين نموده كه مثلاً براي ترانس هاي 30 MVA, 15 MVA به ترتيب برابر 72 و 76 دسيبل ميباشد.

• حفاظت ترانسفورماتور

خطاهايي كه ترانسفورماتور را تهديد ميكنند را ميتوان به سه دسته زير تقسيم كرد:

1- خطاهاي داخلي

2- خطاهاي خارجي

3- خطاهاي غير الكتريكي

• خطاهاي داخلي

خطاهاي داخلي دو نوع است:

1- اتصال كوتاه

2- اتصال زمين

1-1 اتصال كوتاه

براي شناسايي و حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اتصال كوتاه و اتصال زمين دوبل سه روش مهم به كار برده ميشود كه عبارتست از :

الف) دستگاه حفاظت و مراقبت روغن

اين دستگاه اتصالي در داخل ترانسفورماتور را نشان ميدهد ولي اتصالي در سيمهاي رابطه ترانسفورماتور و شبكه را نمي تواند نشان دهد.

ب) دستگاه حفاظت در مقابل جريان زياد مانند:

فيوز

رله جريان زياد زماني

ج) رلة ديفرانسيل

بر حسب بزرگي و اهميت ترانسفورماتور ممكن است تركيبي از اين دستگاهها براي حفاظت ترانسفورماتور بكار برده ميشود.

دستگاه حفاظت و مراقبت روغن

دستگاههايي كه جهت مراقبت روغن براي تعيين و تشخيص اتصال كوتاه در ترانسفورماتورهاي روغني بكار برده ميشود عبارتند از رله بوخ هلتس و رله توي بر.

رله توي بر در درجه اول براي حفاظت ترانسفورماتور در مقابل بار و در درجه دوم براي حفاظت در مقابل اتصال كوتاه بكار ميرود, لذا براي شناسايي اتصالي در داخل ترانسفورماتور بيشتر از رله بوخ هلتس استفاده ميشود.

رله بوخ هلتس

در صورتي كه مقدار گاز ذخيره شده در رله بوخ هلتس از حد معين تجاوز نكند, اولين شناور آن (شناور آژير) بحركت درآمده و با وصل كردن كليد مخصوص, آژير خطر را به صدا درمي آورد. اگر ترانسفورماتور را با وجود به صدا در آمدن آژير خطر شخصاً قطع نكنيم و عاملي كه سبب متصاعد شدن گاز از ترانسفورماتور شده نيز برطرف نگردد, رله بقدري از گاز پر ميشود كه نيروي لازم براي بكار افتادن دومين شناور (شناور قطع) را نيز پيدا ميكند و در نتيجه شناور قطع بطور خودكار ترانسفورماتور مزبور را از شبكه قطع ميكند. اگر خطاي بزرگ به طور غير مترقبه ترانسفورماتوري را تهديد كند, متصاعد شدن گاز بحدي شديد ميشود كه حركت گاز با جريان شديد روغن توأم ميشود و اين دو باعث بحركت درآوردن شناور قطع و در نتيجه قطع فوري ترانسفورماتور از شبكه برق ميگردد.

در ترانسفورماتورهايي كه بدون داشتن نقص فني در ضمن بار, توليد گاز ميكنند, مثل ترانسفورماتورهاي با تنظيم كننده اتوماتيك ولتاژ كه در موقع عمل كردن, توليد جرقه الكتريكي بين كنتاكتها ميكند, نمي توان از رلة بوخ هلتس دو شناوري كه داراي محلي براي ذخيره گاز ميباشد استفاده كرد, بلكه به علت ايجاد گاز كه علامت وقوع عيبي در ترانسفورماتور نيست ميتوان فقط از حركت روغن جهت حفاظت ترانسفورماتور استفاده نمود و به اين جهت در اين گونه ترانسفورماتورها از رله بوخ هلتس با شناور قطع كننده استفاده ميشود. محل نصب رله بوخ هلتس در لوله رابط بين ترانسفورماتور و ظرف انبساط روغن ميباشد.

در ترانسفورماتورهاي خيلي بزرگ كه داراي محفظههاي متعدد براي روغن ميباشد, مانند محفظه سيم پيچي, محفظه تنظيم كننده ولتاژ و محفظه مقره عبور بايد هر محفظه اي به طور جداگانه رلة بوخ هلتس را بكار اندازد.

پس از قطع شدن ترانسفورماتور در اثر رلة بوخ هلتس, بايد گازهايي كه در محفظة گاز رله جمع شده است خارج نمود تا شناور آژير مجدداً به محل اوليه خود باز گردد.

رله جريان زياد زماني (over current)

از رله جريان زياد زماني جهت حفاظت ترانسفورماتور استفاده شود, جريان كار رله معمولاً معادل 1.4 جريان نامي ترانسفورماتور تنظيم ميشود و چون ممكن است ترانسفورماتور در موقع وصل كردن به شبكه جريان شروع كاري برابر 4.1 جريان نامي خودش بكشد و سبب تحريك كردن رله شود, لذا بايد زمان فرمان را آنقدر بزرگ انتخاب كرد كه جزيان شروع كاري مهلت كافي براي قطع كليد نداشته باشد.

در صورتي كه جريان كاري رله را عملاً بالاتر از جريان راه اندازي ترانسفورماتور تنظيم كرده باشيم زمان فرمان قطع, فقط تابع زمان قطع دستگاه حفاظت بعدي شبكه ميباشد. اگر ترانسفورماتور فقط از طرف فشار قوي تغذيه ميشود, رله جريان زياد زماني نيز در طرف فشار قوي ترانسفورماتور نصب ميشود و در صورتي كه ترانسفورماتور فقط از طرف فشار ضعيف نيرو ميگيرد, رله جريان زياد در طرف فشار ضعيف از ترانسفورماتور حفاظت ميكند و اگر امكان تغذيه شدن محل اتصال كوتاه در ترانسفورماتور از هر دو طرف موجود باشد بهتر است در هر دو طرف رله جريان زياد نصب شود و البته ميتوان از يك رله نيز صرفه جويي كرد و فرمان قطع هر دو كليد در دو طرف ترانسفورماتور را به توسط يك رله كمكي از همان يك رله صادر كرد. هيچگاه از رله جريان زياد زماني جهت حفاظت داخلي ترانسفورماتور استفاده نمي شود زيرا با در نظر گرفتن زمان قطع رلههاي شبكه, ترانسفورماتور مدت زيادي روي اتصال كوتاه ميماند. رله جريان زياد زماني به عنوان رله پريمر يا زكوندر نصب ميگردد.

رله ديفرانسيل:

رله ديفرانسيل با جريانهاي دو طرف ترانسفورماتور را با در نظر گرفتن نسبت تبديل و نوع اتصال ميسنجند و مقايسه ميكند.

همان طور كه ميدانيم مجموع جريانهاي ورودي و خروجي ترانسفورماتور بدون عيب با در نظر گرفتن نسبت تبديل آن بايد برابر صفر باشد, ولي به علت جريان مغناطيس كننده و متفاوت بودن منحني مشخصات ترانسفورماتورهاي جريان و غيره, منتجه جريانها در دو طرف قدري بزرگتر از صفر خواهد بود.

اثر اين جريان باقيمانده را اول مرتبه بدون اهميت تلقي ميكنيم و فرض ميكنيم كه حقيقتاً مجموع جريانهاي دو طرف ترانسفورماتور در حالت عادي و بدون عيب صفر باشد. با اين فرض, صفر نشدن مجموع جريانهاي دو طرف ترانسفورماتور نشانه اي از اتصال داخلي ترانسفورماتور ميباشد كه اين اتصالي ممكن است دو قطبه و يا سه قطبه باشد. در ضمن اتصال حلقه نسبت تبديل ترانسفورماتور را تغيير داده و ممكن است تعادل جريانها را در دو طرف ترانسفورماتور به هم بزند. در اتصال زمين دوبل در صورتي كه يك اتصالي در داخل و ديگري خارج ترانسفورماتور باشد عمل كردن و جواب دادن رله بستگي به طرز اتصال رله ديفرانسيل دارد.

از آنجا كه جريانهاي دو طرف ترانسفورماتور توسط رله ديفرانسيل با هم مقايسه ميشوند بايد ترانسفورماتورهاي جرياني كه در دو طرف فشار قوي و ضغيف ترانسفورماتور بسته ميشوند, به طريقي انتخاب شوند كه جريانهاي زكوندر ترانسفورماتورهاي جريان دو طرف ترانسفورماتور از نظر قدر مطلق و فاز با هم كاملاً برابر باشد. جريانها از نظر قدر مطلق موقعي با هم برابر ميشوند كه نسبت ضريب تبديل ترانسفورماتورهاي جريان دو طرف فشار قوي و فشار ضعيف با هم برابر با عكس ضريب تبديل ترانسفورماتور قدرت باشد. ترانسفورماتورها داراي اتصالهاي مختلف و نرم شده اي هستند. انواع متداول آنها طبق نرم IEC نشان داده شده است و چنانچه ديده ميشود جريان پريم و زكوندر همه ترانسفورماتورها با هم هم فاز نيستند بلكه فقط در صورتي كه ترانسفورماتورها از دستة A باشند جريانهاي دو طرف آنها با هم هم فاز ميشود. از اين جهت براي حفاظت بقيه ترانسفورماتورها (دسته B و G وD ) بوسيله رله ديفرانسيل بايد به كمك يك ترانسفورماتور كمكي اين اختلاف فاز را نيز برطرف كرد.

رله ديفرانسيلي كه براي حفاظت ترانسفورماتور بكار برده ميشود نبايد داراي حساسيت زياد باشد زيرا در ترانسفورماتورهاي سالم نيز اغلب تفاوت جرياني در دو طرف سيم پيچي زكوند ترانسفورماتور جريان ظاهر ميشود.

اين تفاوت جريان اولاً توسط جريان مغناطيسي (جريان بدون بار) و در ثاني توسط برابر نبودن منحني مغناطيسي ترانسفورماتورهاي جرياني كه در دو طرف ترانسفورماتور نصب شده است مخصوصاً در جريان خيلي زياد ايجاد ميشود.

1-2- اتصال زمين ترانسفورماتور و طريقه حفاظت آن

اتصال زمين يا اتصال بدنه در ترانسفورماتورهاي روغني, ابتدا در اثر تخليه الكتريكي و سرانجام در اثر جرقه و قوس الكتريكي بوجود ميآيد. جرقه و تخليه الكتريكي, اولاً باعث تجزيه روغن ميشود و در ثاني توليد گاز در داخل روغن ميكند.

از نظر الكتريكي, اتصال زمين ترانسفورماتور مثل هر اتصال زمين ديگري سبب تغيير پيدا كردن ولتاژ فازها و در نتيجه جا به جا شدن نقطه صفر ستاره در سيستم سه فازه ميشود و شدت آن اولاً بستگي به ولتاژ سيم پيچي كه اتصال زمين پيدا كرده است و در ثاني بستگي به محل اتصالي شده دارد.

تغيير مكان بردارهاي ولتاژ در موقع بروز اتصال زمين براي تشخيص اتصال زمين و حفاظت آن كافي نيست, زيرا در صورتي كه شبكه نيز اتصال زمين شود ولتاژها تغيير خواهند كرد. در موقع اتصال زمين شدن سيم پيچي ترانسفورماتور علاوه بر تغيير مكان پيدا كردن ولتاژها جريان اتصال زمين نيز از محل اتصالي عبور ميكند. اين جريان حتي در شبكه كمپانزه شده نيز بنام جريان زمين باقيمانده از محل اتصالي عبور خواهد كرد. جريان اتصال زمين موقعي كه سيم پيچي ترانسفورماتور اتصال بدنه پيدا كرده است بايد از بدنه خارجي ترانسفورماتور به زمين عبور كند, در صورتي كه اگر شبكه يا سيم رابط ترانسفورماتور اتصال زمين پيدا كند, جريان اتصال زمين از بدنه ترانسفورماتور عبور نمي كند, بلكه يك مسير نامشخصي را ميپيمايد.

حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اتصال زمين

براي تشخيص اتصال زمين ترانسفورماتور و حفاظت آن در مقابل خطاهايي كه اتصال زمين بوجود ميآورد سه روش موجود است كه عبارتند از:

الف) مراقبت توسط رله بوخ هلتس

ب) رله ديفرانسيل

ج) سنجش جريان زمين

در دو طريقه الف و ب, سيمهاي رابط خروجي ترانسفورماتور در مقابل اتصال زمين حفاظت و مراقبت نمي شود و در ثاني طرز كار و عمل آنها در صفحات قبل به تفصيل ذكر شده است. از اين جهت ذيلاً فقط به شرح روش سنجش جريان زمين ميپردازيم.

سنجش جريان زمين جهت كنترل و حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اتصال زمين جهت كنترل زمين, بدنه ترانسفورماتور را به يك ترانسفورماتور جرياني كه يك طرف آن زمين شده است وصل ميكنيم.

از آنجا كه در موقع اتصال زمين, بايد تمامي جريان از اين محل به زمين برود لذا ترانسفورماتور را نسبت به زمين عايق ميكنند.

• خطاهاي خارجي

عواملي كه از خارج ترانسفورماتور را تهديد ميكنند عبارتست از :

1- اتصال در شبكه (بخصوص اتصال شين)

2- اضافه بار

3- ازدياد ولتاژ در اثر موج سيار

• اتصالي در شبكه

فقط در موقعي جريان اتصال كوتاه شبكه براي ترانسفورماتور خطرناك ميشود كه مسير جريان اتصال كوتاه از ترانسفورماتور بگذرد.

اتصال كوتاه در شبكه بسته به محل و نوع آن سبب افت ولتاژ و عبور جريان اتصال كوتاه ميشود. در اتصال كوتاه سه قطبة شبكه, مجموع جريانهايي كه به ترانسفورماتور وارد و از آن خارج ميشود, با در نظر گرفتن نسبت تبديل آن برابر صفر است, در صورتي كه اگر اتصال كوتاه سه قطبه در داخل ترانسفورماتور اتفاق افتد مجموع جريانهاي دو طرف ترانسفورماتور صفر نخواهد شد.

براي سنجش دقيق جريانهاي اتصال كوتاه شبكه و حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اثرات آن ميتوان امروزه از دستگاههاي زير استفاده نمود:

فيوز

رله جريان زياد با رله زماني

رله ديستانس

در موقع استفاده از اين وسايل بايد در نظر گرفت كه اين دستگاه حفاظتي دو وظيفه به عهده دارد: اول اين كه ترانسفورماتور را در مقابل اثرات مكانيكي و حرارتي جريان اتصال كوتاه حفاظت كند, دوم اين كه در صورت عمل نكردن دستگاههاي حفاظتي شبكه, پيش از آن كه اين جريان زياد موجب زيان فراوان و غير قابل جبران به ترانسفورماتور شود, آنرا از شبكه قطع كند.

فيوز:

ترانسفورماتورهاي با قدرت كم بخصوص ترانسفورماتورهاي توزيع و محلي را ميتوان در مقابل جريان زياد خارجي توسط فيوز كه در طرف فشار ضعيف نصب ميشود, حفاظت نمود.

رله جريان زياد و رله زماني:

در صورتي كه از رله جريان زياد به عنوان حفاظت ترانسفورماتور در مقابل خطاهاي خارجي (اتصال كوتاه و غيره) استفاده شود, بايد آن را در طرف جريان خروجي ترانسفورماتور نصب كرد و فرمان قطع آن نيز فقط به كليد كه انرژي ترانسفورماتور, را به شبكه ميرساند, داده ميشود.

اگر براي حفاظت ترانسفورماتور, در طرف ورودي, رله جريان زياد نصب شده باشد, ميتوان از آن به عنوان حفاظت ترانسفورماتور در مقابل خطر خارجي نيز استفاده كرد.

در اين حالت رله جريان زياد, كليد دو طرف ترانسفورماتور را يك جا و با هم قطع ميكند.

رله ديستانس:

رله ديستانس براي حفاظت ترانسفورماتور در موقع اتصال خارجي, بخصوص در موقع اتصال شين به كار برده شده و در طرفي از ترانسفورماتور كه به شين وصل است نصب ميشود.

• اضافه بار:

ازدياد حرارت ترانسفورماتور ممكن است در اثر تجاوز جريان بار از حد نامي آن و يا در اثر پديد آمدن نقص فني در دستگاه خنك كننده ترانسفورماتور بوجود آيد. البته هر ترانسفورماتور بسته به قطر سيم پيچي و ضخامت عايق بندي آن, ميتواند تا مدت معيني, تا حدودي جريان اضافه بار را تحمل كند, بدون آن كه اين جريان اثرات نامطلوبي براي ترانسفورماتور باقي گذارد. به اين جهت بايد دستگاههاي حفاظتي كه براي اين منظور بكار برده ميشود در درجه حرارت ترانسفورماتور را كاملاً تحت نظر داشته باشند.

در بار نامي ترانسفورماتور درجه حرارت روغن در بالاترين سطح روغن در حدود 50 تا 60 درجه سانتي گراد است. در اين موقع درجه حرارت سيم پيچي در حدود 70 تا 80 سانتي گراد ميباشد. وسايل حفاظتي ترانسفورماتور در مقابل اضافه بار عبارتند از:

الف) ترمومتر

ب) رله جريان زياد تأخيري

ج) رله توي بر

د) رله منعكس كننده حرارتي

ترمومتر:

جهت كنترل حرارت روغن ترانسفورماتور بكار برده ميشود.

رله جريان زياد تأخيري:

براي حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اضافه بار نيز ميتوان از رله جريان زياد تأخيري استفاده كرد. در اين صورت رله جريان زياد, بارهاي قدري زيادتر از جريان نامي را كه نمي توانند بلافاصله زيان بخش باشد پس از مدت زيادي و جريانهاي خيلي زيادتر از جريان نامي را در مدت كوتاهتري قطع ميكند.

رله توي بر:

مزاياي رله توي بر نسبت به رله حرارتي در اين است كه چون توسط اين رله فشار روغن در لوله رابط ترانسفورماتور و ظرف انبساط سنجيده ميشود, علاوه بر درجه حرارت روغن, تغييرات آن نيز مورد كنترل قرار ميگيرد و اين عمل خيلي با ارزش است.

رله منعكس كننده حرارتي:

يكي از بهترين وسايل حفاظت ترانسفورماتور در مقابل بار زياد است. زيرا در آن درجه حرارت ترانسفورماتور پيش از بارگيري نيز موثر است و يا به عبارت ديگر توسط اين دستگاه هم حرارت سيم پيچي و هم روغن كنترل ميشود.

• خطاهاي غير الكتريكي:

خطاهاي غير الكتريكي يك ترانسفورماتور عبارتند از:

1- كمبود روغن

2- نقص فني در دستگاه خنك كننده روغن

3- نقص فني در تنظيم كننده ولتاژ ترانسفورماتور

كمبود روغن:

معمولاً قبل از اين كه سطح روغن ترانسفورماتور بقدري پايين برود كه براي ترانسفورماتور خطرناك باشد, رله بوخ هلتس عمل كرده و اين نقص را اعلان ميكند. البته ممكن است از وسيله سنجش سطح روغن كه در ظرف انبساط نصب ميشود نيز استفاده كرد. معمولاً ظرف انبساط مجهز به يك روغن نما ميباشد و با كنترل كردن گاه و بيگاه آن احتياج به دستگاه مخصوص سنجش سطح روغن نمي باشد.

قطع دستگاه خنك كن:

ترانسفورماتورها يا به توسط آب و يا هوا خنك ميشوند و در هر صورت بايد عمل خنك كردن دائمي انجام گيرد. از اين جهت اگر از فنيتلاتور (بادبزن) جهت خنك كردن استفاده ميشود, بايد گردش پروانه فنيتلاتور بوسيله اي كنترل شود و اگر از آب جهت قطع جريان روغن استفاده ميشود, دريچه بسته شود و آژير خطر به صدا درآيد.

نقص فني در تنظيم كننده ولتاژ ترانسفورماتور:

كار صحيح تنظيم ولتاژ توسط يك لامپ خبر و يا وسيله ديگري كنترل و مراقبت ميشود و چون اين وسايل مربوط به تنظيم كننده ولتاژ ترانسفورماتور است بحث در آن از موضوع اين كتاب خارج ميباشد.

تلفات ترانسفورماتور :

به طور كلي تلفات ترانسفورماتور عبارتند از:

• تلفات آهن يا تلفات بي باري: (No load loss)

تلفات بي باري عبارتست از قدرت راكتيو جذب شده توسط ترانس در حاليكه به يك طرف آن ولتاژ نامي با فركانس نامي اعمال شود و طرف ديگر باز و بدون بار باشد تلفات بي باري خود از تلفات هيسترزيس در هسته, تلفات ناشي از جريان گردابي در هسته (فوكو), تلفات مسي ناشي از جريان بي باري تشكيل ميشود.

تلفات مسي ناشي از جريان بي باري بسيار ناچيز بوده و در حقيقت تلفات هيسترزيس و فوكو, تلفات بي باري را ميسازد. تلفات بي باري ماداميكه ترانس برقدار باشد با ولتاژ فركانس ثابت, مستقل از اينكه چه باري از آن گرفته شود به طور ثابت وجود دارد.

• تلفات مسي يا تلفات بارداري: (load loss)

تلفات بارداري عبارتست از قدرت اكتيو جذب شده در فركانس نامي توسط ترانس در حاليكه يك سيم پيچ داراي جريان و سيم پيچ ديگر اتصال كوتاه شده باشد.

تلفات بارداري خود از تلفات مسي ناشي از جريان بار, تلفات مسي ناشي از جريان تامين كننده تلفات, تلفات مسي ناشي از جريان گردابي در هادي سيم پيچها در اثر فلوي هدر رفته, تلفات ايجاد شده در درپوش و ديوارههاي تانك در اثر فلوي هدر رفته, تشكيل ميشود.

مقدار تلفات بارداري در درجه حرارت مبنايي كه در استاندارد IEC 76-1 بر حسب كلاس عايقي تقسيم بندي شده تعريف ميشود.

• تلفات سيستم خنك كننده ترانسفورماتور:

سيستم خنك كننده ترانس چنانچه شامل فن و پمپ باشد داراي تلفاتي ميباشد كه در مقايسه با تلفات فوق ناچيز بوده و ضمناً در استاندارد IEC جزء تلفات كل ترانس به حساب نيامده است. معمولاً براي كاهش تلفات بايستي سرمايه گذاري بيشتري در ساخت ترانسفورماتور انجام داد. در ارزيابي اقتصادي ترانس, هزينه تلفات بي باري و بارداري در طول عمر مفيد ترانس با در نظر گرفتن قيمت هر كيلو وات ساعت اين تلفات, كه قبلاً تعيين شده است و محاسبه با قيمت اوليه ترانسفورماتور جمع ميشود و اين مجموع مبناي مقايسة قيمتها قرار ميگيرد تا سازنده با توجه به آن و با توجه به وضعيت قيمت مواد اوليه بهترين طرح را انتخاب نمايد.

مهندسی برق قدرت ...