تجزیه و تحلیل و رسیدگی به ناهماهنگی اندازه‌گیری در ترانسفورماتور ترکیبی بیرونی ۳۵ کیلوولت

۱. مقدمه

پدیده‌های مکرر سوختن PT و ذوب شدن فیوز اصلی در ترانسفورماتورهای ترکیبی منجر به اندازه‌گیری نادرست انرژی الکتریکی و تهدید جدی به عملکرد ایمن شبکه برق می‌شود. این مقاله به بررسی تکرار خرابی PT و ذوب شدن فیوز در یک ترانسفورماتور ترکیبی ۳۵ کیلوولتی می‌پردازد، علل خرابی را بررسی می‌کند، راه‌حل‌ها را پیشنهاد می‌دهد و با استفاده از ضرایب اصلاحی، مقدار انرژی غلط را بازیابی می‌کند. این امر به کاهش زیان‌های شبکه و کاهش ریسک‌های خدماتی مؤثر است.

۱.۱ معرفی ترانسفورماتورهای ترکیبی

در سیستم برق، ترانسفورماتورهای ترکیبی قطعات کلیدی دستگاه‌های اندازه‌گیری و حفاظت هستند. این ترانسفورماتورها از ترانسفورماتورهای ولتاژ (PT) و جریان تشکیل شده‌اند و با استفاده از تفاوت دورهای لوله‌های اصلی و ثانویه، جریان‌های بزرگ و ولتاژهای بالا را به جریان‌های کوچک و ولتاژهای مناسب برای دستگاه‌های ثانویه و حفاظت تبدیل می‌کنند. در عین حال، آنها جداسازی الکتریکی بین طرفین اصلی و ثانویه را فراهم می‌کنند تا ایمنی کارکنان و تجهیزات طرف ثانویه تضمین شود.

۲. خطرات ناشی از خرابی ترانسفورماتورهای ترکیبی

به عنوان یک دستگاه اندازه‌گیری کلیدی در سیستم برق، PT ترانسفورماتور ترکیبی مسئول تبدیل سیگنال‌های ولتاژ بالا به سیگنال‌های ولتاژ پایین برای دستگاه‌های اندازه‌گیری/حفاظت است. وقتی PT خراب می‌شود یا فیوز ولتاژ بالا ذوب می‌شود، خطرات زیر وجود دارد:

• کاهش دقت اندازه‌گیری : خرابی PT و ذوب شدن فیوز می‌تواند باعث خطاهای سیستم اندازه‌گیری انرژی الکتریکی شود، که دقت اندازه‌گیری را تحت تاثیر قرار می‌دهد و منجر به اختلاف بین شرکت‌های تامین‌کننده برق و مشتریان می‌شود.

• افزایش نرخ خرابی تجهیزات : خرابی PT می‌تواند باعث عدم تعادل ولتاژ سیستم (بیش از حد بالا یا پایین) شود که پایداری سیستم را مختل می‌کند؛ خرابی ترانسفورماتور می‌تواند عملکرد غیرطبیعی دستگاه‌های حفاظت را ایجاد کند و خطر خرابی تجهیزات دیگر را افزایش می‌دهد.

• خطرات ایمنی شخصی : ترانسفورماتورهای ترکیبی تجهیزات ولتاژ بالا هستند. خرابی می‌تواند باعث شکست عایق و نشتی شود که ایمنی کارکنان نگهداری و تعمیر را تهدید می‌کند.

۳. علل خرابی‌های ولتاژ بالا در ترانسفورماتورهای ترکیبی

در عملیات واقعی، ترانسفورماتورهای ترکیبی اغلب با ذوب شدن فیوز ولتاژ بالا و سوختن PT مواجه می‌شوند. علل اصلی شامل موارد زیر است:

• بالا رفتن ولتاژ به دلیل هماهنگی فرومغناطیسی : مولفه‌های فرومغناطیسی تحت ولتاژ اسمی خطی هستند. در مواقع خرابی، مدار مغناطیسی اشباع می‌شود و القایی تغییرات غیرخطی دارد. با تشکیل یک حلقه نوسانی با ظرفیت سیستم، هماهنگی فرومغناطیسی مداوم را ایجاد می‌کند. بالا رفتن ولتاژ باعث ذوب شدن مکرر فیوز ولتاژ بالا PT می‌شود که ایمنی شبکه را تهدید می‌کند.

• بار بیش از حد طرف ثانویه : بار بیش از حد طرف ثانویه باعث تولید گرما در ترانسفورماتور می‌شود که سخت استرداد گرمای آن است. دما داخل لوله‌های پیچیده بالا می‌رود و در نهایت PT سوخته می‌شود.

• شورت مدار طرف اصلی-ثانویه : شورت مدار در طرف اصلی یا ثانویه PT باعث ایجاد جریان‌های بزرگ می‌شود که منجر به ذوب شدن فیوز ولتاژ بالا و سوختن تجهیزات می‌شود.

• بالا رفتن ولتاژ به دلیل تغییر وضعیت : عملیات ناصحیح باعث بالا رفتن ولتاژ می‌شود که فیوز ولتاژ بالا PT را ذوب می‌کند.

• بالا رفتن ولتاژ به دلیل صاعقه : صاعقه مستقیم یا القایی باعث شکست عایق لوله‌های پیچیده و خرابی تجهیزات می‌شود.

۴. تحلیل موردی
۴.۱ اطلاعات پایه کاربر

در تاریخ ۲۳ اوت ۲۰۲۱، خرابی PT فاز A در ترانسفورماتور ترکیبی یک کاربر ۳۵ کیلوولتی رخ داد که منجر به اندازه‌گیری نادرست انرژی الکتریکی شد. در سال قبل، این ترانسفورماتور ترکیبی ۳ بار خرابی داشته است. قبل از ژانویه ۲۰۲۱، کاربر از تأسیسات ۳۵ کیلوولتی Shazi تأمین برق می‌شد و اندازه‌گیری به صورت عادی انجام می‌شد. پس از اوت ۲۰۲۱، تأمین برق به خط ۳۵ کیلوولتی خروجی تأسیسات ۱۱۰ کیلوولتی Zhoujiaba (خط دوطرفه ۳۵۳ و ۳۵۴ Zhouri) تغییر یافت. طول کل خط حدود ۱.۵ کیلومتر است. طرف ۳۵ کیلوولتی از طریق یک لوله خنثی‌سازی آرک به زمین متصل شده است. نقاط اندازه‌گیری در دو خط ۳۵ کیلوولتی خروجی تأسیسات ۱۱۰ کیلوولتی Zhoujiaba تنظیم شده‌اند. مدار اصلی در شکل ۱ نشان داده شده است.

۴.۲ نقاط اندازه‌گیری و مهلت خرابی

هر دو نقطه اندازه‌گیری از ترانسفورماتورهای ترکیبی ۳۵ کیلوولتی استفاده می‌کنند که با اتصال سه‌فاز سه‌سیمه و اتصال V/V برای ترانسفورماتورهای ولتاژ استفاده می‌شود. در این میان:

• خط ۳۵ کیلوولتی Zhouri #354 (نقطه اندازه‌گیری ۲): به طور عادی عمل می‌کند و بدون خرابی است؛

• خط ۳۵ کیلوولتی Zhouwan #353 (نقطه اندازه‌گیری ۱): خرابی‌های مکرر دارد.

مهلت خرابی:

• ۲۳ اوت ۲۰۲۱: اولین خرابی PT، جایگزین شد با محصولات Henan Xinyang Hutong Electric Co., Ltd.؛

• ۴ مارس ۲۰۲۲: PT دوباره خراب شد، جایگزین شد با ترانسفورماتورهای ترکیبی Jiangxi Gandi Electric Co., Ltd.؛

• ۱۳ ژوئن ۲۰۲۲: فیوز ولتاژ بالا فاز C ذوب شد، ولتاژ از دست رفت؛

• ۲۱ سپتامبر ۲۰۲۲: فیوز ولتاژ بالا فاز A دوباره ذوب شد، ولتاژ از دست رفت.

۴.۳ تحلیل خرابی

در زمان وقوع خرابی، بار کاربر کم بود، مدار طرف ثانویه عادی بود و شورت مداری وجود نداشت. پس از تست:

• مقاومت زمینی خط مطابق استاندارد است و به سیستم زمینی غیرفعال تعلق دارد. خرابی‌های زمینی ممکن است باعث شود که جریان صاعقه نتواند تخلیه شود و فیوز ذوب شود؛

• در عملیات و نگهداری، بالا رفتن ولتاژی وجود نداشت و عوامل انسانی حذف شدند.

با توجه به پدیده‌های خرابی و علل معمول، علت اصلی خرابی به بالا رفتن ولتاژ به دلیل هماهنگی فرومغناطیسی تعیین شد، با سناریوهای خاص زیر:

• فعال شدن توسط خرابی‌های زمینی: وقتی یک فاز تک‌فاز زمینی می‌شود، لوله‌های پیچیده PT و ظرفیت خط به زمین یک مدار موازی را تشکیل می‌دهند که شرایط هماهنگی فرومغناطیسی را فراهم می‌کند. خرابی تک‌فاز باعث بالا رفتن ولتاژ دو فاز دیگر می‌شود، هسته آهن سریعاً اشباع می‌شود و هماهنگی باعث بالا رفتن جریان لوله‌های پیچیده می‌شود که فیوز ولتاژ بالا را ذوب می‌کند؛ جریان بیش از حد بلندمدت نیز PT را می‌سوزد.

• فعال شدن توسط عملیات ناصحیح: بار سه‌فاز سیستم تقریباً متعادل است، اما در عملیات تغییر وضعیت، سه فاز همزمان نیستند (بسته شدن/باز شدن همزمان نیست)، که باعث جریان تصادفی در لوله‌های پیچیده و هسته آهن ترانسفورماتور ولتاژ می‌شود و هماهنگی فرومغناطیسی بالا رفتن ولتاژ را فعال می‌کند.

۴.۴ راه‌حل‌ها

پس از تحلیل علل خرابی، اقدامات زیر اتخاذ شد:

• نصب دستگاه‌های حذف هارمونیک: یک سیستم حذف هارمونیک روی سمت ۳۵ کیلوولتی مادر تأسیسات نصب شد تا بازگشت هماهنگی فرومغناطیسی را کاهش دهد.

• حفاظت از بالا رفتن ولتاژ طرف ثانویه: دستگاه‌های محافظت از بالا رفتن ولتاژ روی طرف ثانویه نصب شدند تا از بالا رفتن ولتاژ ناشی از عوامل محیطی محافظت کنند و عایق داخلی ترانسفورماتور را حفظ کنند.

• آزمایش و درمان هارمونیک: با استفاده از یک دستگاه اصلاح کننده انرژی الکتریکی محلی، هارمونیک‌های ولتاژ طرف ثانویه را آزمایش کرد. در صورت وجود ناهماهنگی، از کاربر خواسته شد تا آن را درمان کند تا مطابق با استاندارد GB/T 14549 - 1993 "کیفیت برق - هارمونیک‌های شبکه‌های عمومی" باشد: نرخ کلی تحریف هارمونیک ولتاژ ۳۵ کیلوولت ≤ ۳٪، هارمونیک‌های فرد ≤ ۲.۴٪، هارمونیک‌های زوج ≤ ۱.۲٪.

نتیجه عملیات: پس از اعمال این اقدامات، ترانسفورماتور ترکیبی به طور عادی عمل می‌کند و خرابی PT یا ذوب شدن فیوز وجود ندارد.

۴.۵ محاسبه تعدیل مقدار انرژی الکتریکی

دقت اندازه‌گیری انرژی الکتریکی مرتبط با منافع اقتصادی هر دو طرف تأمین و مصرف است. خرابی‌ها نیاز به تعدیل مقدار انرژی دارند. این مقاله به عنوان مثال از سومین خرابی استفاده می‌کند و از روش ضریب اصلاحی برای محاسبه استفاده می‌کند:

اصل: مقایسه توان فعال در حالت اندازه‌گیری صحیح و غیرصحیح برای بدست آوردن ضریب اصلاحی k، سپس محاسبه مقدار انرژی تعدیل \(\Delta W\). با فرض تعادل بار سه‌فاز، فرمول ضریب اصلاحی k به صورت زیر است:

(۱) تفسیر ضریب اصلاحی k

وقتی \(k > 1\)، توان فعال در حالت اندازه‌گیری صحیح بیشتر از حالت غیرصحیح است. دستگاه اندازه‌گیری در زمان خرابی انرژی را کمتر می‌شناسد و مشتری باید مقدار انرژی را جبران کند. وقتی \(k = 1\)، دستگاه اندازه‌گیری صحیح کار می‌کند. وقتی \(0 < k < 1\)، دستگاه اندازه‌گیری انرژی را بیشتر می‌شناسد و باید مقدار انرژی به مشتری بازگردانده شود. وقتی \(k < 0\)، دستگاه اندازه‌گیری معکوس کار می‌کند و مشتری باید مقدار انرژی را جبران کند.

(۲) پارامترهای مربوط به کاربر

ظرفیت دریافتی کاربر ۲۵۰۰ کیلووات است و روش اندازه‌گیری عبارت است از تأمین و اندازه‌گیری ولتاژ بالا (اندازه‌گیری توسط جعبه ترکیبی ولتاژ بالا). نسبت ولتاژ ۳۵۰۰۰ وولت/۱۰۰ وولت و نسبت جریان ۵۰ آمپر/۵ آمپر است. ضریب ترکیبی کلی ۳۵۰۰ است. ظرفیت دستگاه اندازه‌گیری \(3&times;100 V/3&times;1.5 - 6 A\) با دقت ۰.۵S است.

سومین خرابی کاربر در ۱۳ ژوئن ۲۰۲۲ رخ داد و ولتاژ فاز C از دست رفت. برق در حدود ساعت ۸:۰۰ روز ۴ اوت ۲۰۲۲ بازگردانده شد. قیمت‌گذاری انرژی بر اساس زمان از ۱ ژوئیه ۲۰۲۲ اجرا شد. داده‌های جمع‌آوری شده مانند ولتاژ سیستم، توان و عامل توان در جدول ۱ نشان داده شده است.

محاسبه مقدار انرژی تعدیل مرحله اول

همانطور که از جدول ۱ مشخص است، در بازه زمانی ۱۳ ژوئن ۲۰۲۲ تا ۳۰ ژوئن ۲۰۲۲، ولتاژ فاز A عادی است، میانگین عامل توان ۰.۸۲ است و زاویه عنصر \(34^{\circ}(L)\) است. سپس زاویه عامل توان \(\phi=4^{\circ}(L)\). با فرض تعادل بار، ضریب اصلاحی به صورت زیر است:

محاسبه مقدار انرژی تعدیل به صورت زیر است:

از فرمول (۲) و فرمول (۳) می‌توان دید که \(k > 1\)، به معنای اندازه‌گیری کمتر انرژی است و باید ۱۵,۱۳۴ کیلووات ساعت از انرژی جبران شود.(۲) محاسبه مقدار انرژی تعدیل مرحله دوم.در بازه زمانی ۱ ژوئیه ۲۰۲۲ تا ۴ اوت ۲۰۲۲، ولتاژ فاز A عادی است، میانگین عامل توان ۰.۸۷ است و زاویه عنصر \(29^{\circ}(L)\) است. سپس زاویه عامل توان \(\phi=0^{\circ}\). با فرض تعادل بار، ضریب اصلاحی به صورت زیر است:

محاسبه مقدار انرژی تعدیل به صورت زیر است:

از فرمول (۴) و فرمول (۵) می‌توان دید که \(k > 1\)، به معنای اندازه‌گیری کمتر انرژی است و باید ۵۱,۹۹۶ کیلووات ساعت از انرژی جبران شود.مجموع مقدار انرژی تعدیل که باید جبران شود:

۵. نتیجه‌گیری

در عملیات واقعی، ترانسفورماتورهای ترکیبی اغلب خراب می‌شوند و فیوز‌های ولتاژ بالا ذوب می‌شوند که به طور جدی ایمنی شبکه را تهدید می‌کنند. معمولاً، چنین مشکلاتی به دلیل بالا رفتن ولتاژ به دلیل هماهنگی فرومغناطیسی، طراحی/انتخاب نادرست تجهیزات و عدم تطابق پارامترها رخ می‌دهند.

در تحلیل خرابی‌ها: ابتدا باید به دنبال عیب‌های ترانسفورماتور و بررسی ظرفیت فیوز ولتاژ بالا باشیم. دوم، باید دستگاه‌های حذف هارمونیک مناسب روی طرف اول نصب کنیم تا با بالا رفتن ولتاژ به دلیل هماهنگی فرومغناطیسی مقابله کنیم. پس از وقوع حادثه، باید به سرعت