شرح حول محولات SCB و SGB الجافة

1. مقدمة

يعمل المحول على أساس مبدأ الاستقراء الكهرومغناطيسي. المكونات الرئيسية للمحول هي اللفائف والقلب. أثناء التشغيل، تشكل اللفائف المسار لتيار الكهرباء، بينما يشكل القلب المسار للتدفق المغناطيسي. عند إدخال الطاقة الكهربائية إلى اللفيفة الأولية، يخلق التيار المتردد مجالاً مغناطيسياً متغيراً في القلب (أي يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة المجال المغناطيسي). بسبب الوصل المغناطيسي (الربط المغناطيسي)، يتغير التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر اللفيفة الثانوية باستمرار، مما يؤدي إلى استقراء قوة كهروضوئية (فدم) في اللفيفة الثانوية. عند توصيل دائرة خارجية، يتم تسليم الطاقة الكهربائية إلى الحمل (أي يتم تحويل طاقة المجال المغناطيسي مرة أخرى إلى طاقة كهربائية). يتم تحقيق عملية التحويل هذه "الكهرباء-المغناطيسية-الكهرباء" بناءً على مبدأ الاستقراء الكهرومغناطيسي، وتشكل هذه عملية تحويل الطاقة المبدأ العمل للمحول.

U1N2 = U2N1

U1: الجهد الأولي؛ N1: عدد دورات اللفيفة الأولية؛ U2: الجهد الثانوي؛ N2: عدد دورات اللفيفة الثانوية

وفقًا للمعيار الوطني الصيني GB 1094.16، يتم تعريف المحول الجاف بشكل واضح بأنه محول لا تكون قلبه ولفائفه مغمورة في سائل عازل. وسيط العزل والتبريد هو الهواء. بشكل عام، يمكن تقسيم المحولات الجافة إلى نوعين رئيسيين: مغلفة ومفتوحة اللف.

• نوع "SC(B)" يشير إلى محول جاف مصبوب بالراتنج الايبوكسي (يشير الحرف "B" في الرمز إلى أن اللفائف مصنوعة من شريط النحاس؛ له نفس المعنى في "SG(B)"). يتم تغليف اللفيفة ذات الجهد العالي بالراتنج الايبوكسي تمامًا، بينما لا يتم تغليف اللفيفة ذات الجهد المنخفض بالراتنج الايبوكسي بشكل كامل - فقط الدورات النهائية مختومة بالراتنج الايبوكسي (وهذا أيضًا لأن الجانب ذو الجهد المنخفض يحمل تيارًا أعلى، وتؤثر الصب الكامل سلبًا على التبريد). حاليًا، محولات SC(B) الجافة هي المنتجات الرئيسية في السوق، ويتم استخدامها كمثال للتحليل في هذا المقال. معظم محولات النوع SC(B) لديها عزل من الفئة F، مع بعضها مصنفة تحت الفئة H.

• نوع "SG(B)" هو محول جاف مفتوح اللف يستخدم ورق العزل NOMEX من دو بونت (الولايات المتحدة) لعزل الدورات. يتم صنع اللفيفة ذات الجهد المنخفض من شريط النحاس، ويتم معالجة كل من اللفائف ذات الجهد العالي والمنخفض بواسطة VPI (التغذية تحت الضغط بالفراغ). يتم طلاء السطح بطبقة من ورنيش العزل الايبوكسي. معظم محولات SG(B) الجافة لديها عزل من الفئة H، مع بعضها مصنفة تحت الفئة C.

• هناك نوع آخر من المحولات الجافة، يُشار إليه باسم "SCR(B)"، وهو نوع مغلف ولكن ليس مصبوب بالراتنج الايبوكسي. يتم تغليفه تمامًا باستخدام ورق NOMEX وجيل السيليكون، بناءً على التكنولوجيا الفرنسية. لهذا المنتج طلب محدود جدًا في السوق. جميع محولات SCR(B) الجافة لديها عزل من الفئة H.

2 مزايا المحولات الجافة

• آمن، مقاوم للحريق، غير قابل للاشتعال، مقاوم للانفجار، خالي من التلوث، ويمكن تثبيته مباشرة في مركز الحمل؛

• خالي من الصيانة، بتكلفة تشغيلية منخفضة بشكل عام؛

• مقاومة ممتازة للرطوبة - يمكنه العمل بشكل طبيعي بنسبة رطوبة 100٪ ويمكن إعادة تشغيله دون تجفيف مسبق بعد الإيقاف؛

• خسائر منخفضة، انبعاث جزئي منخفض، ضوضاء منخفضة، تبريد قوي، قادر على العمل بـ 150٪ من الحمل الأقصى تحت ظروف التبريد بالهواء القسري؛

• مزود بنظام حماية وتحكم درجة الحرارة شامل، مما يوفر ضمانًا موثوقًا لأمان التشغيل؛

• حجم صغير، وزن خفيف، مساحة صغيرة، وتكلفة تركيب منخفضة.

3. عيوب المحولات الجافة

• تحت نفس السعة وتصنيف الجهد، فإن المحولات الجافة أغلى من المحولات المغمورة بالزيت؛

• تصنيف الجهد محدود - عادة ما يصل إلى 35 كيلوفولت، مع نماذج قليلة تصل إلى 110 كيلوفولت؛

• تستخدم عادة داخل المبنى؛ عند استخدامها خارج المبنى، يكون من الضروري وجود غلاف واقٍ بمعدل حماية عالي (IP)؛

• بالنسبة لللفائف المصبوبة بالراتنج، إذا تم تلفها، غالبًا ما تحتاج إلى التخلص منها تمامًا، حيث يكون الإصلاح صعبًا عادة.

4. هيكل المحولات الجافة

4.1 اللفائف
(1) اللفائف الطباقية: مصنوعة عن طريق تكدس الموصلات المسطحة أو المستديرة ولفها بطريقة حلزونية لتشكيل طبقات متعددة. يتم وضع العزل أو قنوات التهوية بين الطبقات. يتم صب اللفائف وتصلبها تحت فراغ باستخدام قالب ومعدات صب متخصصة. العملية: لف حلزوني مكدس → وضعه في القالب → الصب تحت الفراغ.

(2) اللفائف الشريطية: مصنوعة عن طريق لف موصلات رقيقة وعريضة، بدورة واحدة لكل طبقة. يعمل العزل بين الطبقات كعزل بين الدورات. عادة ما تستخدم اللفائف الشريطية قنوات تبريد محورية: أثناء اللف، يتم إدخال أشرطة فاصلة في مواقع الدورات المحددة وإزالتها لاحقًا لتشكيل قنوات هواء محورية. بعد اللف على آلة اللف الشريطية، يحتاج الخيط فقط إلى التسخين والتصلب - وليس هناك حاجة لقالب أو صب.

لماذا يتم وضع ملفات الجهد العالي في الطبقة الخارجية وملفات الجهد المنخفض في الطبقة الداخلية؟
لأن الجانب ذو الجهد المنخفض يعمل بجهد أقل ويحتاج إلى مسافة عازلة أصغر، وبالتالي فإن وضعه بالقرب من اللب يقلل المسافة بين الملف واللب، مما يقلل من حجم المحول الكلية وتكلفته. بالإضافة إلى ذلك، عادة ما تحتوي ملفات الجهد العالي على اتصالات تفريغ؛ لذلك فإن وضعها في الخارج يجعل التشغيل أكثر سهولة وأمانًا.

4.2 اللب

• يتم بناؤه عن طريق تراص عدة طبقات من الصلب السيليكوني مغطاة بالورنيش العازل؛

• يتم ضغط اللب بشكل أساسي بواسطة أطر الضغط ومسمار الضغط؛

• أطر الضغط العلوية والسفلية تقوم بضغط اللب والملفات عبر قضبان التوصيل أو الألواح التوصيلية؛

• مكونات العزل لللب تشمل عزل الإطار وعزل المسمار أو عزل اللوحة التوصيلية.

لماذا يجب أن يكون اللب مربوطًا بالأرض؟
خلال التشغيل الطبيعي، يجب أن يكون للب المحول نقطة واحدة فقط موثوقة للتوصيل بالأرض. بدون التوصيل بالأرض، سيظهر جهد طفو بين اللب والأرض، مما يؤدي إلى انبعاثات متقطعة بين اللب والأرض. التوصيل بالأرض عند نقطة واحدة فقط يزيل إمكانية وجود جهد طفو. 

ومع ذلك، إذا تم توصيل اللب بالأرض عند نقطتين أو أكثر، فإن الفروقات الكهربائية غير المتساوية بين أقسام اللب ستسبب تيارات دائرية بين نقاط التوصيل، مما يؤدي إلى أعطال التوصيل بالأرض المتعددة والتعرض الحراري المحلي. يمكن لهذه أعطال التوصيل بالأرض أن تسبب ارتفاعًا حراريًا محليًا شديدًا، مما قد يؤدي إلى تشغيل الحماية. في الحالات القصوى، يمكن أن تؤدي النقاط المذابة على اللب إلى قصر الدائرة بين الطبقات، مما يزيد بشكل كبير من خسائر اللب ويؤثر بشدة على أداء وتشغيل المحول - وفي بعض الأحيان يتطلب استبدال طبقات الصلب السيليكوني لإصلاحه. لذا، يجب ألا يكون للمحولات نقاط توصيل بالأرض متعددة، بل نقطة واحدة فقط مسموح بها.

5. نظام التحكم في درجة الحرارة

يعتمد التشغيل الآمن وعمر الخدمة للمحول الجاف بشكل كبير على سلامة وموثوقية عزل الملفات. إذا تجاوزت درجة حرارة الملفات حد تحمل الحرارة العازلة، سيتم تدمير العزل - وهذا هو أحد الأسباب الرئيسية لحدوث أعطال في المحول. لذا، فإن مراقبة درجة الحرارة أثناء التشغيل وتنفيذ ضوابط الإنذار والإيقاف هي أمر بالغ الأهمية.

(1) التحكم التلقائي للمراوح: يتم قياس إشارات درجة الحرارة بواسطة مقاومات Pt100 المثبتة في الجزء الأكثر حرارة في ملفات الجهد المنخفض. مع زيادة الحمل على المحول وارتفاع درجة الحرارة أثناء التشغيل، يقوم النظام بتشغيل المراوح التبريدية تلقائيًا عندما تصل درجة حرارة الملفات إلى 110 درجة مئوية، ويوقفها عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 90 درجة مئوية.

(2) إنذار درجة الحرارة العالية وإيقاف التشغيل عند زيادة الحرارة: يتم جمع إشارات درجة الحرارة من الملفات أو اللب بواسطة مقاومات PTC غير الخطية المثبتة في ملفات الجهد المنخفض. إذا استمرت درجة حرارة الملفات في الارتفاع ووصلت إلى 155 درجة مئوية، يقوم النظام بإصدار إشارة إنذار زيادة الحرارة. إذا ارتفعت درجة الحرارة أكثر لتصل إلى 170 درجة مئوية، لا يمكن للمحول أن يعمل بأمان، ويجب إرسال إشارة إيقاف التشغيل عند زيادة الحرارة إلى دائرة الحماية الثانوية.

(3) نظام عرض درجة الحرارة: يتم قياس قيم درجة الحرارة بواسطة مقاومات Pt100 المثبتة في ملفات الجهد المنخفض وعرض درجة الحرارة لكل ملف مرحلة (مع مراقبة ثلاثية الأطوار، وعرض القيمة القصوى، وتسجيل درجة الحرارة القصوى التاريخية). يقدم النظام إخراجًا آليًا بمدى 4-20 ميلي أمبير لأعلى درجة حرارة. إذا كان هناك حاجة لإرسال البيانات عن بعد إلى كمبيوتر (حتى مسافة 1200 متر)، يمكن تجهيزه بواجهة كمبيوتر وجهاز إرسال واحد، مما يتيح مراقبة ما يصل إلى 31 محولًا في الوقت نفسه. يمكن أيضًا أن تقوم إشارة مقاومة Pt100 بتشغيل الإنذارات والإيقاف عند زيادة الحرارة، مما يعزز موثوقية نظام حماية درجة الحرارة.

6. غلاف المحولات الجافة

اعتمادًا على خصائص البيئة التشغيلية ومتطلبات الحماية، يمكن تجهيز المحولات الجافة بأنواع مختلفة من الأغلفة. عادةً ما يتم اختيار غلاف بتصنيف IP20، والذي يمنع الأجسام الصلبة الأجنبية التي يتجاوز قطرها 12 ملم والحيوانات الصغيرة مثل الفئران والحشرات والقطط والطيور من الدخول إلى المحول، مما يتجنب أعطالًا خطيرة مثل القصر الكهربائي وانقطاع التيار، ويقدم حاجز الأمان للأجزاء المشحونة.

إذا كان يجب تثبيت المحول في الهواء الطلق، يمكن استخدام غلاف بتصنيف IP23. بالإضافة إلى الحماية التي يقدمها تصنيف IP20، فإنه يمنع أيضًا قطرات الماء الساقطة بزوايا تصل إلى 60 درجة من العمودي. ومع ذلك، فإن غلاف IP23 يقلل من قدرة التبريد للمحول، لذا يجب الانتباه إلى تقليل قدرة التشغيل المناسبة عند اختيار هذا النوع من الأغلفة.

7. طرق التبريد للمحولات الجافة

تستخدم المحولات الجافة طريقتين للتبريد: التبريد الطبيعي للهواء (AN) والتبريد القسري للهواء (AF).

في حالة التبريد الطبيعي للهواء، يمكن للمحول العمل بشكل مستمر بسعة محددة لفترة طويلة.

في حالة التبريد القسري للهواء، يمكن زيادة سعة إخراج المحول بنسبة 50٪، مما يجعله مناسبًا للعمل الزائد المتقطع أو حالات الطوارئ. ومع ذلك، خلال العمل الزائد، تزداد خسائر الحمل وتوتر المقاومة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تشغيل غير اقتصادي؛ وبالتالي، يجب تجنب التشغيل الزائد المستمر لفترات طويلة.

8. اختبارات المحولات الجافة

• قياس مقاومة التيار المباشر لللفائف:
  يتحقق من جودة اللحام للأوصلات الداخلية، وحالة الاتصال بين مفاتيح الفتح والوصلات، وما إذا كانت مقاومات الأطوار غير متوازنة. عادةً ما يجب ألا يتجاوز عدم التوازن في مقاومة الخط إلى الخط 2٪، وأن لا يتجاوز عدم التوازن بين الأطوار 4٪. يمكن أن يؤدي عدم التوازن الزائد في مقاومة التيار المباشر إلى تدفق تيارات دائرية بين الأطوار الثلاثة، مما يزيد من خسائر التيار الدائري ويؤدي إلى آثار غير مرغوب فيها مثل ارتفاع درجة حرارة المحول.

• فحص نسبة الجهد في جميع مواقع التوصيل:
  يتحقق مما إذا كان عدد الحلقات صحيحًا وما إذا كانت جميع التوصيلات مربوطة بشكل صحيح. عند تطبيق 1000 فولت على الجانب العالي للجهد (وكل توصيلاته المختلفة)، يتم التحقق مما إذا كان المحول ينتج حوالي 400 فولت على الجانب المنخفض للجهد.

• فحص مجموعة توصيلات اللفائف الثلاثية والأقطاب.

• قياس مقاومة العزل للمسامير المعزولة والقلب نفسه.

• قياس مقاومة العزل لللفائف:
  يقيم مستوى العزل بين اللفائف عالية الجهد والمنخفضة الجهد والأرض. عادةً ما يتم استخدام ميغاهومتر بقوة 2500 فولت، ويجب أن تكون قيم مقاومة العزل المقاسة (عالي الجهد - منخفض الجهد، عالي الجهد - الأرض، منخفض الجهد - الأرض) أكبر من القيم المحددة.

• اختبار الجهد المتردد لللفائف:
  يقيس قوة العزل الرئيسي بين عالي الجهد ومنخفض الجهد والأرض عبر اختبار القوة العازلة. يعتبر هذا الاختبار حاسمًا في الكشف عن العيوب المحلية التي تم تقديمها أثناء التصنيع. بالنسبة للمحولات الجافة، تكون الجهد المعتاد للاختبار هي: 35 كيلوفولت لللفائف ذات الجهد 10 كيلوفولت و3 كيلوفولت لللفائف ذات الجهد 0.4 كيلوفولت، كل منها لمدة دقيقة واحدة دون حدوث انهيار ليكون مقبولًا.

• اختبارات التبديل والإغلاق لمفاتيح الدائرة على جميع جوانب المحول:
  يتحقق من موثوقية عمليات الأجهزة الحامية ويؤكد أن معدات التبديل سليمة وخالية من العيوب.

9. اختبار التبديل الصاعق (التدفق)

(1) عند فصل محول غير محمّل، قد يحدث جهد تبديل زائد. في أنظمة الطاقة التي يكون فيها المحايد غير مُحمّل أو مُحمّل عبر ملف تثبيت القوس، يمكن أن يصل حجم الجهد الزائد إلى 4-4.5 ضعف الجهد الفازي؛ في الأنظمة ذات المحايد المُحمّل مباشرة، يمكن أن يصل إلى ثلاثة أضعاف الجهد الفازي. لتأكيد ما إذا كان عزل المحول يمكنه تحمل الجهد الكامل أو جهد التبديل الزائد، يتطلب الأمر إجراء اختبار صاعق.

(2) يؤدي تحميل محول غير محمّل إلى تدفق تيار التمغناطيس، والذي يمكن أن يصل إلى 6-8 أضعاف التيار المحدد. ينخفض التيار الزائد بسرعة في البداية - عادةً ينخفض إلى 0.25-0.5 مرة من التيار المحدد خلال 0.5-1 ثانية - ولكن قد يستغرق الانخفاض الكامل وقتًا أطول بكثير، قد يصل إلى عشرات الثواني للمحولات ذات السعة الكبيرة. بسبب القوى الكهرومغناطيسية الكبيرة التي يولدها التيار الزائد، يتم إجراء اختبار الصاعق لتقييم القوة الميكانيكية للمحول وتقييم ما إذا كانت الأجهزة الحامية قد تعمل بشكل خاطئ خلال المرحلة الأولى من انخفاض التيار الزائد.
عادةً، تخضع المحولات الجديدة لـ 5 اختبارات صاعق، بينما تخضع المحولات المُصلحة لـ 3 اختبارات صاعق.

10. اختبار بدون تحميل

الهدف من اختبار بدون تحميل هو:

• قياس خسارة المحول بدون تحميل والتيار بدون تحميل؛

• تأكيد ما إذا كان تصميم وتصنيع القلب يتوافق مع المواصفات التقنية والمعايير؛

• اكتشاف عيوب القلب مثل الحرارة المحلية الزائدة أو العزل المحلي السيء.

خلال الاختبار، يتم فتح دائرة الجانب العالي للجهد، ويتم تطبيق الجهد المحدد على الجانب المنخفض للجهد. تعتبر الخسارة بدون تحميل أساساً خسارة القلب (الحديد).

تشمل العيوب التي يمكن اكتشافها عبر اختبار بدون تحميل:

• عزل سيء بين صفائح السيليكون الفولاذي؛

• انقطاعات محلية أو حروق بين صفائح القلب؛

• فشل العزل في البراغي المرور عبر القلب، وأشرطة الربط الفولاذية، وألواح الضغط، والأقواس العليا، مما يسبب الانقطاعات؛

• صفائح السيليكون الفولاذي فضفاضة أو غير محاذاة أو فجوات هواء زائدة في الدائرة المغناطيسية؛

• التوصيل المتعدد للأرض للقلب؛

• انقطاعات بين الأدوار أو الأدوار في اللفائف، أو عدم تساوي الأدوار في الفروع المتوازية مما يسبب عدم توازن في الأمبير-دوران؛

• استخدام صفائح السيليكون الفولاذي ذات الخسارة العالية والجودة المنخفضة أو أخطاء في حسابات التصميم.

11. اختبار القصر

يقيس اختبار القصر الدائري بشكل أساسي الفقد الناتج عن القصر الدائري والمقاومة. ويُجرى هذا الاختبار عند التشغيل الابتدائي للتحقق من صحة تركيب اللفات، وكذلك بعد استبدال اللفات للتأكد من عدم وجود انحرافات كبيرة مقارنة بنتائج الاختبارات السابقة.

يمكن أن يكون مصدر الطاقة المستخدم في الاختبار ثلاثي الأطوار أو أحادي الطور، ويتم تطبيقه على جانب الجهد العالي بينما يتم توصيل جانب الجهد المنخفض على قصر دائري. أثناء الاختبار، يُرفع تيار الجانب العالي إلى قيمته المقننة، ويتم التحكم في تيار الجانب المنخفض للحفاظ عليه عند القيمة المقننة.

12. التعامل مع الظروف غير الطبيعية للمحولات الجافة

12.1 الضوضاء غير الطبيعية للمحولة

• الضوضاء الميكانيكية الناتجة عن:

• براغي تثبيت اللب غير مشدودة؛

• تشوه زوايا اللب نتيجة سوء التعامل أثناء النقل أو التركيب؛

• وجود أجسام غريبة تتسبب في توصيل أجزاء من اللب؛

• براغي تثبيت المروحة غير مشدودة أو وجود حطام داخل المروحة؛

• براغي تثبيت الغلاف غير مشدودة مما يؤدي إلى اهتزاز الألواح وإنتاج ضوضاء؛

• براغي تثبيت الحافلة الكهربائية المنخفضة غير مشدودة أو عدم وجود وصلات مرنة، مما يؤدي إلى الاهتزاز وإنتاج الضوضاء.

• ارتفاع جهد الإدخال أكثر من اللازم ما يؤدي إلى الإثارة الزائدة وزيادة صوت الهمهمة.

• الضوضاء الناتجة عن التوافقيات العليا: تكون غير منتظمة في النمط — متغيرة في الشدة وتظهر بشكل متقطع. وتحدث أساسًا بسبب المعدات المنتجة للتوافقيات (مثل الأفران الكهربائية، المحول الثايرستوري) الموجودة على جانب المصدر أو الحمل والتي تعيد تغذية التوافقيات إلى المحولة.

• العوامل البيئية: غرفة صغيرة للمحولة ذات جدران ناعمة تُحدث تأثير "صندوق مكبر الصوت" الرنيني، مما يضخم الضوضاء المحسوسة.

12.2 عرض درجة الحرارة غير الطبيعي

• عدم إدخال الحساس في المقبس الموجود خلف وحدة عرض درجة الحرارة — يضيء مؤشر العطل؛

• ارتخاء التوصيل عند قابس الحساس يؤدي إلى زيادة المقاومة، ما يتسبب في قراءات خاطئة لدرجات حرارة أعلى من الواقع؛

• قراءة درجة حرارة لا نهائية في إحدى المراحل تشير إلى وجود دارة مفتوحة في سلك المقاومة البلاتينية للحساس؛

• قراءة عالية بشكل غير طبيعي في إحدى المراحل تشير إلى أن المقاوم البلاتيني في حالة كسر جزئي (متقطع).

تعمل المحولة بناءً على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. المكونات الرئيسية للمحولة هي اللفات واللب. أثناء التشغيل، تعمل اللفات كمسار للتيار الكهربائي، في حين يعمل اللب كمسار للفيض المغناطيسي. عندما يتم إدخال الطاقة الكهربائية إلى اللفة الابتدائية، يولد التيار المتناوب مجالاً مغناطيسيًا متناوبًا في اللب (أي تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة مجال مغناطيسي). وبسبب الربط المغناطيسي (ربط الفيض)، يتغير الفيض المغناطيسي المار عبر اللفة الثانوية باستمرار، وبالتالي يستحث قوة دافعة كهربائية (EMF) في اللفة الثانوية. وعند توصيل دارة خارجية، تُنقل الطاقة الكهربائية إلى الحمل (أي تتحول الطاقة المغناطيسية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية). يتم تحقيق عملية التحويل هذه "من كهرباء إلى مغناطيسية ثم إلى كهرباء" بناءً على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، وهذه العملية تمثل مبدأ عمل المحولة.