ویژگی‌های فنی کاربرد و استانداردهای راکتورهای خشک موازی ۵۰۰ کیلوولت در برزیل

1 ویژگی‌های فنی و مراجع استاندارد ترانسفورماتورهای خازنی خشک 500kV
1.1 ویژگی‌های فنی

ترانسفورماتور خازنی خشک 500kV، یک دستگاه برقی بدون روغن برای سیستم‌های انتقال با ولتاژ بسیار بالا، دارای ویژگی‌های کلیدی مانند عایق‌بندی پیشرفته، رها کردن گرما به شیوه نوآورانه، طراحی الکترومغناطیس بهینه و ساختار مدولار است. این مزایا، که عملکرد ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن را فراتر می‌برند، همچنین تقاضاهای جدیدی برای استانداردهای فنی ایجاد می‌کنند.

• عایق‌بندی پیشرفته: با استفاده از روش گیره‌زنی رزین اپوکسی و نانوکامپوزیت‌ها (با ذرات نانو SiO₂ که قدرت تحمل شکست رزین اپوکسی را تقریباً 40٪ و ولتاژ اولیه دیسشارج جزئی را 25٪ افزایش می‌دهد)، عایق‌بندی و مقاومت در برابر دیسشارج جزئی افزایش می‌یابد. این پیشرفت نیازمند بازنگری سطوح عایق‌بندی و روش‌های آزمون دیسشارج جزئی در استانداردها است.

• رها کردن گرما به شیوه نوآورانه: ساختار ترکیبی (خنک‌سازی اجباری هوای چند کانال + کمک رها کردن گرما با مواد تغییر فاز) افزایش دمای نقطه گرم را در 60K (بسیار پایین‌تر از حدود IEC، با تأیید آنالیز المان محدود و آزمایش‌ها) حفظ می‌کند. روش‌های/حدود آزمون جدید برای افزایش دمای در استانداردها نیاز است.

• طراحی الکترومغناطیس بهینه: پیچش لایه‌ای و عایق‌بندی گرادیانی توزیع میدان الکتریکی را بهینه می‌کند و مقاومت در برابر کوتاه شدن مدار را افزایش می‌دهد. آنالیز المان محدود نشان می‌دهد که حداکثر قدرت میدان الکتریکی در پیچش‌ها تا 20٪ کاهش یافته است. استانداردها باید روش‌های ارزیابی برای توزیع میدان الکتریکی و مقاومت در برابر کوتاه شدن مدار را اضافه کنند.

• ساختار مدولار: تشکیل شده از واحد‌های پایه یکسان متصل به صورت سری، که تولید، حمل و نصب در محل را تسهیل می‌کند. استانداردها نیاز به الزامات آزمون برای قابلیت اطمینان اتصال بین مدول‌ها و همگونی عملکرد کلی دارند.

1.2 مراجعه و تدوین استانداردهای فنی

در اعمال فناوری ترانسفورماتور خازنی خشک 500kV در برزیل، استانداردهای فنی نقش کلیدی ایفا کردند. تیم تحقیقاتی به مطالعه استاندارد برقی ABNT NBR 5356 - 6 بخش 6: ترانسفورماتور: ریاکتورها برزیل پرداخت و با ترکیب استانداردهای بین‌المللی مانند IEC 60076 - 6 ترانسفورماتورهای قدرت - بخش 6: ریاکتورها و IEEE Std C57.12.90 - 2021 روش‌های آزمون استاندارد برای ترانسفورماتورهای توزیع، قدرت و تنظیم کننده‌های مغناطیسی غوطه‌ور در مایع، یک مشخصه فنی برای ترانسفورماتور خازنی خشک 500kV مناسب برای زمینه برزیل تدوین کرد.

نقاط کلیدی در تدوین مشخصه:

• سطح عایق‌بندی: با توجه به شبکه برق برزیل، نیازمندی‌های عایق‌بندی افزایش یافت (ولتاژ تحمل ضربه گرفتاری 1550kV؛ ولتاژ تحمل ضربه عملیاتی 1175kV - بالاتر از استانداردهای چینی اما مناسب برای شبکه). بر اساس NBR5356 - 6، آزمون ضربه تغییر وضعیت Tz ≥ 1000 μs و Td ≥ 200 μs.

• افزایش دمایی و رها کردن گرما: برای محیط دمای بالای برزیل، حد متوسط افزایش دمایی از 60K به 50K (با استفاده از طراحی خنک‌سازی نوآورانه، ایمنی را افزایش می‌دهد) تنگ‌تر شد. تحلیل تصویر حرارتی و نظارت بلندمدت برای ساختار خنک‌سازی ترکیبی اضافه شد.

• نیازمندی‌های و ضریب زیان: طراحی شده بر اساس استانداردهای برزیل با حد زیان مداخله 0.3٪. با استفاده از ضمیمه B.2 IEEE Std C57.12.90 - 2021، یک مدل تبدیل زیان 50Hz-60Hz ساخته شد که محاسبات دقیق و قابل مقایسه زیان در فرکانس‌های مختلف را تضمین می‌کند.

• تأقلم با محیط: برای اقلیم گرم و مرطوب برزیل، نیازمندی‌های مقاومت در برابر نم‌کننده، ضد قوس‌گیری آلودگی و ضد UV اضافه شد تا قابلیت اعتماد بلندمدت را افزایش دهد. آزمون‌هایی مانند پیری سریع و چرخه گرما-نم تدوین شد.

2 تجربه کاربرد ترانسفورماتورهای خازنی خشک 500kV در برزیل
2.1 چالش‌های معرفی فناوری و تطبیق استاندارد

استفاده از فناوری ترانسفورماتور خازنی خشک 500kV در سیستم برق برزیل چالش‌های متعددی را به همراه دارد که نیازمند راه‌حل‌هایی برای این مسائل کلیدی است:

• تفاوت‌های استاندارد فنی: استاندارد ABNT NBR 5356 - 6 بخش 6: ترانسفورماتور: ریاکتورها برزیل و GB/T 1094.6 - 2017 ترانسفورماتورهای قدرت - بخش 6: ریاکتورها چین از نظر ساختار مشابه اما در نیازمندی‌ها و جزئیات اجرایی متفاوت هستند. هر دو از IEC 60076 - 6 مراجعه می‌کنند اما برای نیازهای ملی محلی شده‌اند و در سطوح عایق‌بندی، حدود افزایش دمایی و روش‌های محاسبه زیان متفاوت هستند. این تفاوت‌ها نیازمند رسیدگی دقیق در تطبیق فناوری هستند.

• تأقلم با اقلیم: اقلیم گرمسیری برزیل (مانند منطقه سیلوانا: میانگین دمای سالانه >25°C، رطوبت نسبی ≥80%) نیازمندی‌های بیشتری برای رها کردن گرما و عایق‌بندی ایجاد می‌کند. چنین محیط گرم و مرطوبی به شدت چالشی برای عایق‌بندی و عمر مفید تجهیزات برقی سنتی است.

• تأقلم با مشخصات شبکه: شبکه 500kV برزیل دارای نوسانات ولتاژ تا 15٪ بیشتر از شبکه‌های همتراز چین است و محیط هارمونیک متفاوتی دارد. ریاکتورها نیازمند توان تطبیق ولتاژ و عملکرد مقاومت در برابر هارمونیک قوی‌تر هستند.

• نیازمندی‌های محلی عملیات و نگهداری (O&M): برای تضمین عملکرد قابل اعتماد بلندمدت، باید توانایی‌ها و عادات O&M محلی در نظر گرفته شود، شامل آموزش فنی، تأمین قطعات یدکی و خدمات محلی.

2.2 تعدیل و نوآوری استانداردهای فنی

برای حل این چالش‌ها، این تحقیق اقدامات نوآورانه ای گرفت، مهم‌ترین آن تعدیل استانداردهای و مشخصات فنی قبل از پروژه بر اساس استفاده و آزمون عملی ترانسفورماتور خشک جدید بود. این امر مشکلات تطبیق فنی را حل کرد و یک مرجع کلیدی برای پروژه‌های مشابه فراهم کرد.

تعدیلات کلیدی استانداردهای فنی:

• لغو آزمون دیسشارج جزئی: تداخل کرونا خارجی در ترانسفورماتورهای خشک بسیار بیشتر از دیسشارج جزئی داخلی آنها است. با عدم وجود روش‌های و معیارهای آزمون پایه برای دیسشارج جزئی تداخلی، و با توجه به اینکه NBR 5356 - 11 - 2016 فقط برای ترانسفورماتورهای خشک ولتاژ پایین (بدون تداخل خارجی) و IEEE C57.21 ترانسفورماتورهای خشک را از چنین آزمون‌هایی معاف می‌کند، آزمون دیسشارج جزئی برای ترانسفورماتورهای خشک 500kV لغو شد.

• بهینه‌سازی عایق‌بندی و زمان آزمون: بر اساس استانداردهای برزیل، ولتاژ تحمل ضربه گرفتاری 1550kV و ولتاژ تحمل ضربه عملیاتی 1175kV است. به دلیل امپدانس ریاکتور، پارامترهای زمان آزمون ضربه تغییر وضعیت به Td ≥ 120 μs و Tz ≥ 500 μs تعدیل شدند.

• افزایش توانایی رها کردن گرما: برای اقلیم گرم و مرطوب برزیل، یک ساختار ترکیبی جدید رها کردن گرما با عایق‌بندی کلاس H (180°C) (مقاومت گرما را 30°C نسبت به طرح‌های سنتی افزایش می‌دهد) توسعه یافته است. شبیه‌سازی‌های حرارتی نشان می‌دهد که افزایش دمای نقطه گرم در 60K (زیر حد طراحی) حفظ می‌شود.

• تعدیل روش محاسبه زیان: زیان یک ریاکتور شامل زیان مقاومت مستقیم پیچش (Pdc) و زیان اضافی پیچش (Pa) است. برای یک ساختار ریاکتور خاص، هر دو Pdc و Pa متناسب با مجذور جریان هستند. با استفاده از رساناها ترانسبوزه شده، و با تنها چند قطعه فلزی رسانا کوچک (مانند اتصال‌ها) در نقاط اتصال (غیر مغناطیسی)، زیان اضافی نسبت کمی از زیان مستقیم دارد. نتایج آزمون نشان می‌دهد که زیان اضافی پروتاتایپ 9%–12% است، بنابراین فرمول محاسبه زیان به شرح زیر است:

• افزایش توانایی تطبیق ولتاژ: با بهینه‌سازی طراحی الکترومغناطیسی، محدوده تطبیق ولتاژ تجهیزات گسترش یافت تا با نوسانات ولتاژ بزرگ در شبکه برق برزیل مقابله کند. همچنین، عملکرد مقاومت در برابر هارمونیک تجهیزات بهبود یافت و حالت‌های هارمونیک با طراحی پیچشی خاص کاهش یافت.

3 ارزیابی اثرات عملی و استانداردهای فنی
3.1 تحلیل اثرات عملی

با استفاده از ترانسفورماتور خازنی خشک 500kV در زیرстанسیون سیلوانا، عملکرد عالی ایجاد شد. بر اساس گزارش آزمون CEPRI - EETC03 - 2022 - 0880 (E)، شاخص‌های کلیدی:

• سطح زیان: زیان اندازه‌گیری شده: 58.367kW @ 80°C (زیر حد 60kW)، تأیید روش‌های محاسبه و کنترل زیان مؤثر.

• کنترل صدای ناشی: صدای اندازه‌گیری شده: 57dB(A) (خیلی زیر حد 80dB(A))، بخاطر طراحی کنترل صدای متمرکز.

• عملکرد افزایش دمایی: میانگین افزایش دمایی: 22.9K؛ افزایش دمای نقطه گرم: 26.5K (هر دو زیر حد طراحی)، تأیید طراحی خنک‌سازی جدید برای اقلیم برزیل.

• عملکرد الکتریکی: عملکرد خوب در آزمون‌ها (ضربه گرفتاری/عملیاتی). از پارامترهای ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1، Td، Tz) برای ضربه عملیاتی استفاده شد، با در نظر گرفتن امپدانس ریاکتور.

این‌ها قابلیت استفاده و برتری ریاکتور در شبکه برق برزیل را ثابت می‌کنند، به ویژه در کارایی انرژی و حفاظت از محیط زیست، که توسعه پایدار را پشتیبانی می‌کند. نتایج همچنین مشخصات فنی علمی و پیشرو را تأیید می‌کنند.

3.2 ارزیابی بهینه‌سازی استانداردهای فنی

بر اساس تجربه و عملیات، تیم بهینه‌سازی‌های زیر را پیشنهاد می‌کند:

• حدود زیان: کاهش حد زیان ترانسفورماتور 500kV/20Mvar از 60kW @ 80°C به 58kW @ 80°C؛ استفاده از 75°C برای مرجع محاسبه زیان.

• استانداردهای صدای ناشی: تصفیه استانداردها (مانند 75dB(A) برای زیرستانسیون‌های نزدیک مسکن)؛ در نظر گرفتن صدای ناشی تحت ولتاژهای مختلف (مانند 600kV).

• حدود افزایش دمایی: تعدیل حد میانگین افزایش دمایی از 60K به 50K؛ مشخص کردن عایق‌بندی کلاس B (شاخص دمایی 130°C، افزایش‌های میانگین/نقطه گرم 60/90°C).

• هماهنگی عایق‌بندی: افزایش ولتاژ تحمل ضربه گرفتاری به 1600kV (برای ضربات گرفتاری مکرر در برزیل)؛ استفاده از 140kV تحمل خشک ولتاژ توانی برای عایق‌بندی نقطه محايد. تعیین فرکانس آزمون (≥48Hz، 80٪ از اسمی) و مدت (≥60s).

• تأقلم با محیط: افزودن نیازمندی‌های مقاومت در برابر نم‌کننده (مناطق ساحلی)؛ در نظر گرفتن تأثیر EMF، تعیین فاصله. استفاده از محافظ‌ها، پوشش‌های ضد آلودگی/UV در طراحی.

این پیشنهادات عملکرد و قابلیت اعتماد ریاکتور را افزایش می‌دهند، راهنمایی برای استانداردهای آینده ارائه می‌دهند و به توسعه کارای، قابل اعتماد و پایدار شبکه برق برزیل کمک می‌کنند.