گفتگو درباره خطاهای ترانسفورماتورهای توزیع شبکه برق روستایی

1. مقدمه

به دلیل عملکرد طولانی مدت، اعطال و حوادث ترانسفورماتورهای توزیع در شبکه‌های برق روستایی نمی‌تواند به طور کامل جلوگیری شود. این اعطال و حوادث ناشی از عوامل متعددی همچون نیروهای خارجی مانند آسیب و ضربه، و فاجعه‌های طبیعی غیرقابل مقاومت مانند برخورد صاعقه هستند. در بعضی مناطق روستایی، خطوط فشار پایین به خوبی نگهداری نمی‌شوند که اغلب منجر به بیش‌باری و خازن‌پری می‌شود که باعث سوختن ترانسفورماتورهای توزیع می‌گردد. این موضوع به عنوان یکی از عوامل مهم در ایجاد اعطال شده است.

برای جلوگیری از سوختن ترانسفورماتورهای توزیع و کاهش اعطال عملکردی آنها در شبکه‌های برق روستایی، این مقاله برخی از انواع ناهماهنگی‌های نمونه و دلایل ترانسفورماتورهای توزیع را خلاصه و تحلیل می‌کند، اقدامات پیشگیرانه را بررسی می‌کند، مخاطرات بالقوه و نقاط ضعف ترانسفورماتورهای توزیع را بررسی می‌کند، و به طور مؤثر از وقوع ناهماهنگی‌های سوختن ترانسفورماتورهای توزیع جلوگیری و محدود می‌کند و بدین ترتیب قابلیت اطمینان تأمین برق شبکه‌های برق روستایی را افزایش می‌دهد.

در حال حاضر، ترانسفورماتورهای توزیع مورد استفاده در شبکه‌های برق روستایی عمدتاً ترانسفورماتورهای توزیع غوطه‌ور در روغن هستند. اعطال چنین ترانسفورماتورها معمولاً به دو نوع داخلی و خارجی تقسیم می‌شوند. اعطال داخلی به معنای ناهماهنگی‌های مختلفی است که در داخل ظرف ترانسفورماتور رخ می‌دهند. انواع اصلی شامل خازن‌پری بین سیم‌پیچ‌ها، خازن‌پری دور به دور در داخل سیم‌پیچ‌ها، و خازن‌پری زمین که سیم‌پیچ‌ها یا خروجی‌ها با پوشش خارجی تماس می‌گیرند. اعطال خارجی ناهماهنگی‌های مختلفی هستند که در بوشینگ‌های عایق خارج از ظرف ترانسفورماتور و خروجی‌های آن رخ می‌دهند. انواع اصلی شامل خازن‌پری به دلیل فلاشر یا شکست بوشینگ‌های عایق، و خازن‌پری بین فاز‌ها یا خازن‌پری خطوط خروجی فشار پایین هستند.

از آنجا که اعطال ترانسفورماتورهای توزیع دامنه وسیعی دارند، روش‌های طبقه‌بندی مخصوص بسیاری وجود دارد. به عنوان مثال، از دیدگاه حلقه‌های مداری، آنها عمدتاً به مدارهای مداری، مدارهای مغناطیسی و مدارهای روغنی تقسیم‌بندی می‌شوند. اگر بر اساس ساختار اصلی ترانسفورماتور توزیع طبقه‌بندی شوند، می‌توان آنها را به ناهماهنگی‌های سیم‌پیچ، ناهماهنگی‌های هسته، ناهماهنگی‌های کیفیت روغن، و ناهماهنگی‌های لوازم تقسیم‌بندی کرد. معمولاً، انواع ناهماهنگی‌های ترانسفورماتورهای توزیع بر اساس مناطق مشکل‌پرخوری معمول، مانند ناهماهنگی‌های عایق، ناهماهنگی‌های هسته، ناهماهنگی‌های تنظیم‌کننده‌های فاز، و غیره طبقه‌بندی می‌شوند. در میان آنها، ناهماهنگی خازن‌پری خروجی ترانسفورماتور توزیع تأثیر بیشتری بر خود ترانسفورماتور دارد و بیشترین میزان وقوع را در حال حاضر دارد. علاوه بر این، ناهماهنگی‌های رسوخ ترانسفورماتور توزیع نیز وجود دارد. تمام این انواع ناهماهنگی ممکن است ناهماهنگی‌های حرارتی، الکتریکی یا هر دو نوع ناهماهنگی را به طور همزمان نشان دهند. با این حال، ناهماهنگی رسوخ ترانسفورماتور توزیع ممکن است تحت شرایط عادی ناهماهنگی‌های حرارتی یا الکتریکی را نشان ندهد.

بنابراین، دسته‌بندی انواع ناهماهنگی‌های ترانسفورماتورهای توزیع در چارچوب خاصی دشوار است. این مقاله از انواع ناهماهنگی‌های نسبتاً معمول و عمومی ترانسفورماتورهای توزیع استفاده می‌کند، مانند ناهماهنگی‌های خازن‌پری، ناهماهنگی‌های فلاشر، ناهماهنگی‌های عایق، ناهماهنگی‌های هسته، ناهماهنگی‌های تنظیم‌کننده‌های فاز، ناهماهنگی‌های رسوخ روغن و گاز، ناهماهنگی‌های آسیب ناشی از نیروهای خارجی، و ناهماهنگی‌های محافظ فیوز. هر نوع به تنهایی از نظر دلیل و تدابیر فنی مربوطه بحث می‌شود.

2. تحلیل ناهماهنگی‌های ترانسفورماتورهای توزیع
2.1 ناهماهنگی‌های خازن‌پری
2.1.1 تحلیل دلیل ناهماهنگی

ناهماهنگی‌های خازن‌پری ترانسفورماتورهای توزیع عمدتاً به خازن‌پری‌های خروجی ترانسفورماتورهای توزیع، و خازن‌پری‌های بین خروجی‌های داخلی یا سیم‌پیچ‌ها به زمین، و خازن‌پری بین فاز‌ها اشاره دارد که منجر به ناهماهنگی می‌شوند.

در طول عملکرد عادی ترانسفورماتورهای توزیع، آسیب ناشی از ناهماهنگی‌های خازن‌پری خروجی نسبتاً شدید است. بر اساس آمار مرتبط، ناهماهنگی‌های مستقیم ناشی از تأثیر جریان خازن‌پری بر ترانسفورماتورهای توزیع در شبکه‌های برق روستایی حدود 40٪ از تمام ناهماهنگی‌ها را تشکیل می‌دهند. موارد بسیاری از این نوع وجود دارد. به ویژه وقتی خازن‌پری خروجی فشار پایین در ترانسفورماتور توزیع رخ می‌دهد، معمولاً سیم‌پیچ‌ها نیاز به تعویض دارند. در شرایط شدید، ممکن است تمام سیم‌پیچ‌ها نیاز به تعویض داشته باشند که منجر به پیامدهای بسیار جدی و زیان‌آور می‌شود. بنابراین، این موضوع باید به اندازه کافی مورد توجه قرار گیرد.

تأثیرات خازن‌پری خروجی بر ترانسفورماتورهای توزیع عمدتاً شامل دو جنبه زیر است:
ناهماهنگی گرمایی عایق ناشی از جریان خازن‌پری
به دلیل نگهداری ناکافی برخی از خطوط فشار پایین روستایی، بیش‌باری و خازن‌پری معمولاً رخ می‌دهند. وقتی ترانسفورماتور توزیع با خازن‌پری ناگهانی مواجه می‌شود، ممکن است جریان‌های خازن‌پری ده‌ها برابر با مقدار اسمی در هر دو سیم‌پیچ فشار بالا و فشار پایین عبور کنند. این باعث تولید مقدار زیادی گرما می‌شود، که باعث گرم شدن شدید ترانسفورماتور توزیع و افزایش سریع دما در سیم‌پیچ می‌شود، و منجر به قدیمی شدن عایق می‌گردد. وقتی توان تحمل جریان خازن‌پری ترانسفورماتور توزیع کافی نیست و ثبات حرارتی آن ضعیف است، مواد عایق ترانسفورماتور توزیع به شدت آسیب می‌بینند و منجر به خرابی و آسیب ترانسفورماتور توزیع می‌شود.
ناهماهنگی تغییر شکل سیم‌پیچ ناشی از نیروی الکترومغناطیسی خازن‌پری
وقتی ترانسفورماتور توزیع با خازن‌پری مواجه می‌شود، اگر جریان خازن‌پری کوچک باشد و فیوز به درستی قطع شود، تغییر شکل سیم‌پیچ کم خواهد بود. اگر جریان خازن‌پری بزرگ باشد و فیوز با تأخیر یا بدون قطع شدن قطع شود، سمت ثانویه جریان خازن‌پری 20-30 برابر بیشتر از جریان اسمی تولید می‌کند. سمت اولیه ترانسفورماتور توزیع حتماً جریان بزرگی برای مقاومت در برابر تأثیر دی‌مگنتیک جریان خازن‌پری سمت ثانویه تولید می‌کند. جریان بزرگ باعث تنش مکانیکی قابل توجهی در داخل سیم‌پیچ می‌شود، که باعث فشرده شدن، تغییر مکان یا تغییر شکل سیم‌پیچ، آزاد شدن پولسترها و صفحات عایق، کشش پیچ‌های گیره هسته، تغییر شکل یا انفجار سیم‌پیچ فشار بالا، و در نهایت ناهماهنگی ترانسفورماتور توزیع می‌شود. در همان زمان، سیم‌پیچ‌ها تحت تاثیر گشتاور الکترومغناطیسی نسبتاً زیاد قرار می‌گیرند، و مواد عایقی جدا می‌شوند، و بدنه سیم‌پیچ آشکار می‌شود و خازن‌پری دور به دور رخ می‌دهد. برای تغییرات شکل کوچک، اگر به موقع تعمیر نشود، مانند بازگرداندن مکان پولسترها، گرفتن پیچ‌های فشار سیم‌پیچ و پیچ‌های کششی و میله‌های کششی گیره، و تقویت نیروی گیره خروجی‌ها، تأثیر تجمعی بعد از ضربات خازن‌پری چندین بار نیز ترانسفورماتور توزیع را آسیب می‌دهد.

2.1.2 تدابیر برای کاهش ناهماهنگی‌های خازن‌پری

• بهینه‌سازی الزامات انتخاب. هنگام انتخاب ترانسفورماتور توزیع، یکی را انتخاب کنید که بتواند به راحتی از آزمون خازن‌پری عبور کند. ظرفیت ترانسفورماتور توزیع را به طور منطقی تعیین کنید و امپدانس خازن‌پری آن را به طور منطقی انتخاب کنید. سعی کنید از ترانسفورماتورهای توزیع کارآمد S11 استفاده کنید و ترانسفورماتورهای مصرف‌کننده انرژی بالا را حذف کنید.

• بهینه‌سازی شرایط و محیط عملکرد. سطح عایقی خطوط برق را بهبود بخشید، به ویژه سطح عایقی خطوط خروجی فشار پایین ترانسفورماتور توزیع در فاصله معینی. همچنین، استانداردهای کوریدور ایمنی و فاصله ایمنی خطوط فشار پایین را افزایش دهید تا تأثیر و خطرات ناهماهنگی‌های منطقه نزدیک را کاهش دهید. این شامل توجه به کیفیت نصب و نگهداری ترمینال‌های فشار پایین (چون انفجار ترمینال‌های فشار پایین معمولاً معادل خازن‌پری ثانویه است)، جلوگیری از ورود حیوانات کوچک، و افزایش استانداردهای کیفیت فیوز‌های فشار پایین برای جلوگیری از شرایطی مانند عدم قطع شدن فیوز‌ها است.

• بهینه‌سازی مد اعمال. هنگام تعیین مد اعمال، جریان خازن‌پری را محاسبه کنید و خطرات آن را محدود کنید. به ویژه، جلوگیری از عملکرد ترانسفورماتور توزیع در شرایط بیش‌باری. سعی کنید بار الکتریکی ترانسفورماتور توزیع را محاسبه و تنظیم کنید.

• بهبود سطح مدیریت عملکرد. ابتدا، جلوگیری از تأثیرات خازن‌پری ناشی از عملیات نادرست. نظارت و نگهداری به موقع ترانسفورماتورهای توزیع را تقویت کنید، درجه تغییر شکل ترانسفورماتورهای توزیع را به موقع شناسایی کنید، و عملکرد ایمن آنها را تضمین کنید. همزمان، تلاش‌های بازرسی بر روی مصرف برق کاربران در منطقه ترانسفورماتور توزیع را افزایش دهید تا مشکلات بیش‌باری ناشی از دزدی برق توسط کاربران را جلوگیری کنید.

2.2 ناهماهنگی‌های فلاشر