علل و راه‌حل‌های نرخ شکست بالای ترانسفورماتورهای توزیع

۱. دلایل شکست در ترانسفورماتورهای توزیع کشاورزی

(۱) آسیب به عایق

تامین برق روستایی معمولاً از سیستم‌های تأمین همزمان ۳۸۰/۲۲۰ وول استفاده می‌کند. به دلیل نسبت بالای بارهای تک فاز، ترانسفورماتورهای توزیع اغلب تحت عدم تعادل بار سه فاز قابل توجهی عمل می‌کنند. در بسیاری از موارد، این عدم تعادل از محدوده مجاز معیّن شده در استانداردها فراتر می‌رود که منجر به پیری زودرس، تخریب و شکست عایق پیچشی ترانسفورماتور و در نهایت سوختن آن می‌شود.

هنگامی که ترانسفورماتورهای توزیع تحت شرایط بارگذاری طولانی مدت، خطاهای خط با ولتاژ پایین یا افزایش ناگهانی بار قابل توجهی قرار می‌گیرند، آسیب‌پذیری به دلیل فقدان دستگاه‌های محافظت می‌تواند رخ دهد. عدم وجود دستگاه‌های محافظت در سمت ولتاژ پایین، به همراه عدم عملکرد مناسب کمانک‌های سقوط در سمت ولتاژ بالا (یا عدم عملکرد آنها)، موجب می‌شود ترانسفورماتور جریان‌هایی بسیار بالاتر از مقادیر مجاز (گاهی چندین برابر جریان اسمی) را تحمل کند. این امر باعث افزایش چشمگیر دما می‌شود که پیری عایق را تسریع می‌کند و منجر به سوختن پیچش می‌شود.

پس از عملکرد طولانی مدت، اجزای ختم‌کننده مانند حبه‌های لاستیکی و مهره‌ها تخریب، پارگی و شکست می‌یابند. اگر این موارد به موقع شناسایی و جایگزین نشوند، این امر موجب روان شدن روغن و کاهش سطح روغن می‌شود. هوا از طریق این محل‌ها وارد روغن عایق می‌شود و به طور قابل توجهی مقاومت الکتریکی آن را کاهش می‌دهد. کمبود شدید روغن ممکن است باعث شود که تغییر دهنده‌های تپ ترانسفورماتور به هوای باز مواجه شوند، که این امر موجب جذب رطوبت، تخلیه، کوتاه شدن و سوختن ترانسفورماتور می‌شود.

آسیب‌های تولیدی نیز به شکست‌ها کمک می‌کنند. فرآیندهای تولید ناکافی، غوطه‌وری ناقص لایه‌های پیچشی (یا استفاده از روغن عایق با کیفیت ضعیف)، خشک شدن ناکافی و جوشکاری ناپایدار پیوندهای پیچشی می‌تواند آسیب‌پذیری‌های عایقی ایجاد کند. علاوه بر این، اضافه کردن روغن عایق با کیفیت پایین در حین نگهداری یا ورود رطوبت و آلاینده‌ها در طول تعمیرات، کیفیت روغن و مقاومت عایقی را کاهش می‌دهد و در نهایت منجر به شکست عایق و شکست ترانسفورماتور می‌شود.

(۲) ولتاژ بیش از حد

محافظت از صاعقه غالباً به دلیل مقادیر مقاومت زمینی که نیازهای معیّن شده را برآورده نمی‌کنند، شکست می‌خورد. حتی اگر در ابتدا مطابق با استانداردها باشد، سیستم‌های زمینی می‌توانند به دلیل فرسودگی فولاد، اکسیداسیون، شکست یا جوشکاری ضعیف، مقاومت زمینی را به طور چشمگیری افزایش دهند و ترانسفورماتورها را در معرض خطر آسیب از صاعقه قرار دهند.

عدم تنظیم صحیح محافظت از صاعقه معمول است. بسیاری از ترانسفورماتورهای توزیع کشاورزی فقط محافظ صاعقه در سمت ولتاژ بالا دارند. از آنجا که تامین برق روستایی از ترانسفورماتورهای متصل به Yyn0 استفاده می‌کند، صاعقه‌ها می‌توانند ولتاژ بیش از حد مثبت و معکوس ایجاد کنند. بدون محافظ صاعقه در سمت ولتاژ پایین، ترانسفورماتورها به طور قابل توجهی در معرض خطر آسیب از این ولتاژهای بیش از حد قرار می‌گیرند.

سیستم‌های توزیع ۱۰kV روستایی به طور معمول با رزونانس فرومغناطیسی مواجه می‌شوند. در طول حوادث ولتاژ بیش از حد رزونانسی، جریان اصلی ترانسفورماتورهای توزیع می‌تواند به طور چشمگیری افزایش یابد و پیچش‌ها را سوزاند یا منجر به تخلیه بُشی یا حتی انفجار شود.

(۳) شرایط عملکرد ضعیف

در دوره‌های گرمای تابستان یا زمانی که ترانسفورماتورها به طور مداوم تحت بارگذاری بیش از حد عمل می‌کنند، دمای روغن به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این امر به طور شدیدی بر تبدیل حرارتی تأثیر می‌گذارد و پیری عایق را تسریع می‌کند و منجر به تخریب و شکست آن می‌شود که عمر مفید ترانسفورماتور را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

(۴) عملکرد نادرست تغییر دهنده تپ یا کیفیت ضعیف

مصرف برق روستایی شامل بارهای پراکنده، الگوهای فصلی قوی، تفاوت‌های بزرگ بین اوج و دره، خطوط ولتاژ پایین طولانی و سقوط ولتاژ قابل توجه است که منجر به نوسانات ولتاژ قابل توجه می‌شود. این امر موجب می‌شود که برق‌کاران روستایی به طور مکرر تغییر دهنده تپ ترانسفورماتورها را تنظیم کنند. بیشتر این تنظیمات از روش‌های صحیح پیروی نمی‌کنند و مقادیر مقاومت مستقیم بعد از عملکرد و قبل از بازگشت به خدمت اندازه‌گیری و مقایسه نمی‌شوند. بنابراین، بسیاری از ترانسفورماتورها به دلیل تنظیم نادرست تغییر دهنده تپ، تماس ضعیف، افزایش مقاومت تماس و سوختن تغییر دهنده تپ شکست می‌خورند.

تغییر دهنده‌های تپ با کیفیت ضعیف با تماس‌های استاتیکی و دینامیکی ناکافی یا نشان‌گرهای موقعیت نامتناسب (که علائم بیرونی با موقعیت‌های داخلی مطابقت ندارند) می‌توانند بعد از تحویل به خدمت حوادث تخلیه و کوتاه شدن ایجاد کنند که منجر به آسیب تغییر دهنده تپ یا کل پیچش می‌شود.

(۵) مشکلات زمینی هسته ترانسفورماتور

مشکلات کیفیت در ترانسفورماتورهای توزیع می‌توانند باعث پیری زودرس روغن عایق بین صفحات فولاد سیلیسیوم در طول عملکرد طولانی مدت شوند که منجر به زمینی شدن چند نقطه‌ای هسته و شکست ترانسفورماتور می‌شود.

(۶) عملکرد طولانی مدت با بار بیش از حد

با توسعه اقتصادی روستاها، تقاضای برق به طور قابل توجهی افزایش یافته است. با این حال، افزودن ناکافی ترانسفورماتورهای جدید یا جایگزینی با واحد‌های ظرفیت بالاتر موجب شده است که ترانسفورماتورهای موجود به طور مداوم تحت بار بیش از حد عمل کنند. علاوه بر این، نسبت بالای بارهای تک فاز در مناطق روستایی متعادل کردن بار سه فاز را دشوار می‌کند که باعث می‌شود برخی از فازها به طور قابل توجهی تحت بار بیش از حد طولانی مدت قرار گیرند و جریان‌های خط میانی به طور قابل توجهی از مقادیر مجاز فراتر روند. این شرایط در نهایت منجر به سوختن ترانسفورماتور می‌شود.

۲. راهکارها

بر اساس استانداردهای مربوطه، هر ترانسفورماتور توزیع باید سه محافظ اساسی داشته باشد: محافظت از صاعقه، محافظت از کوتاه شدن و محافظت از بار بیش از حد.

برای محافظت از صاعقه، باید محافظ صاعقه در هر دو سمت ولتاژ بالا و پایین ترانسفورماتور نصب شود و محافظ صاعقه اکسید روی ترجیح داده می‌شود.

حفاظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه‌بار باید به‌صورت جداگانه در نظر گرفته شود. فیوزهای قطع‌شونده در سمت ولتاژ بالا عمدتاً باید در برابر خطاهای داخلی اتصال کوتاه در ترانسفورماتور محافظت کنند، در حالی که شرایط اضافه‌بار و اتصال کوتاه در خطوط ولتاژ پایین باید توسط قطع‌کننده‌های مدار یا فیوزهای ولتاژ پایین نصب‌شده در سمت ولتاژ پایین مدیریت شوند.

در حین عملیات، جریان‌های بار فاز باید به‌طور منظم با استفاده از آمپرمتر انبری برای اطمینان از آنکه عدم تعادل بار سه‌فاز در محدوده‌های مجاز باقی بماند، کنترل شوند. هنگامی که عدم تعادل زیادی تشخیص داده شود، بازتوزیع فوری بار ضروری است تا عدم تعادل را در محدوده استاندارد قرار دهد.

بازرسی و آزمایش منظم ترانسفورماتورهای توزیع مطابق با برنامه‌های تعیین‌شده ضروری است. بازرسان باید رنگ، سطح و دمای روغن را از نظر عادی بودن بررسی کنند و به دنبال نشتی روغن باشند. سطوح بوشینگ‌ها باید از نظر وجود ردّ مقاومت یا علائم تخلیه بررسی شوند. هرگونه ناهنجاری باید بلافاصله مورد رسیدگی قرار گیرد. تمیز کردن دوره‌ای بدنه خارجی ترانسفورماتور برای حذف آلودگی و ناخالصی از سطوح بوشینگ و سایر سطوح نیز توصیه می‌شود.

قبل از هر فصل طوفان رعد و برق سالانه، بازرسی کاملی از مهارکننده‌های ولتاژ ضربه‌ای در دو سمت ولتاژ بالا و پایین و همچنین سیم‌های ارت باید انجام شود. مهارکننده‌های غیرمطابق باید تعویض شوند. سیم‌های ارت باید فاقد سیم‌های شکسته، جوش‌های ضعیف یا قطعی باشند. هرگز نباید از هادی‌های آلومینیومی برای سیم‌های ارت استفاده شود؛ بلکه استفاده از میله‌های فولادی به قطر ۱۰ تا ۱۲ میلی‌متر یا نوارهای فولاد تخت به ابعاد ۳۰×۳ میلی‌متر توصیه می‌شود.

مقاومت ارت باید سالانه در زمستان و در شرایط مناسب آب و هوایی (حداقل یک هفته آب و هوای پیوسته آفتابی) آزمایش شود. سیستم‌های ارت غیرمطابق باید اصلاح شوند.

اتصالات بین ترمینال‌های ترانسفورماتور و هادی‌های خطوط هوایی در دو سمت ولتاژ بالا و پایین باید از قطعات انتقال مس-آلومینیوم یا کلمپ‌های تجهیزات مس-آلومینیوم استفاده کنند. قبل از اتصال، سطوح این قطعات باید با کاغذ سنباده ظریف صاف شده و با مقدار مناسبی از گریس هادی پوشانده شوند.

هنگام کار با تغییردهنده تپ ترانسفورماتور، باید دقیقاً مطابق رویه عمل شود. پس از تنظیم، ترانسفورماتور نباید بلافاصله به وضعیت کارکرد بازگردد. بلکه باید مقادیر مقاومت مستقیم هر فاز با یک پل قبل و بعد از عملیات اندازه‌گیری و مقایسه شوند. اگر تغییرات قابل توجهی مشاهده نشود، مقاومت‌های مستقیم فاز به فاز و خط به خط پس از عملیات باید مقایسه شوند، به‌طوری که تفاوت فازها بیش از ۴٪ و تفاوت خطوط کمتر از ۲٪ نباشد. اگر این معیارها برآورده نشوند، باید علت شناسایی و رفع شود. فقط پس از برآورده شدن این شرایط است که ترانسفورماتور باید به وضعیت کارکرد بازگردد.