تحلیل و اقدامات درمانی برای خرابی‌های عایق در ترانسفورماتورهای قدرت

بیشترین ترانسفورماتورهای قدرت مورد استفاده: ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن و ترانسفورماتورهای رزین خشک

دو ترانسفورماتور قدرت بیشترین مورد استفاده امروز هستند ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن و ترانسفورماتورهای رزین خشک. سیستم عایق ترانسفورماتور قدرت که از مواد عایق مختلف تشکیل شده، برای عملکرد صحیح آن بنیادی است. عمر خدماتی یک ترانسفورماتور عمدتاً با عمر مواد عایق (روغن-کاغذ یا رزین) تعیین می‌شود.

در عمل، بیشتر خرابی‌های ترانسفورماتور ناشی از آسیب به سیستم عایق است. آمار نشان می‌دهد که خرابی‌های مربوط به عایق بیش از ۸۵٪ از تمام حوادث ترانسفورماتورها را شامل می‌شود. ترانسفورماتورهای تحت نگهداری صحیح با توجه به مدیریت عایق می‌توانند عمر خدماتی بسیار طولانی داشته باشند. بنابراین، حفظ عملکرد طبیعی ترانسفورماتور و تقویت نگهداری مناسب سیستم عایق می‌تواند به طور قابل توجهی عمر طولانی‌تر ترانسفورماتورها و قابلیت اطمینان تأمین برق را تضمین کند. نگهداری پیشگیرانه و پیش‌بینی‌پذیر در بهبود طول عمر ترانسفورماتورها و قابلیت اطمینان تأمین برق نقش کلیدی دارد.

۱. خرابی‌های عایق کاغذی جامد

در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، مواد عایق اصلی شامل روغن عایق و مواد عایق جامد مانند کاغذ عایق، فشاربندی و تخته‌های چوبی هستند. پیری عایق ترانسفورماتور به معنای تجزیه این مواد به دلیل عوامل محیطی است که منجر به کاهش یا از دست دادن قدرت عایق می‌شود.

عایق کاغذی جامد یکی از اجزای اصلی سیستم عایق ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن است که شامل کاغذ عایق، تخته‌ها، پد، رول و نوارهای پیوندی است. مولکول اصلی آن سلولز با فرمول شیمیایی (C6H10O5)n است که n درجه پلیمریزاسیون (DP) را نشان می‌دهد. کاغذ جدید معمولاً DP حدود ۱۳۰۰ دارد که با کاهش به حدود ۲۵۰ زمانی که مقاومت مکانیکی بیش از نیمی کاهش یافته است. 

وقتی که بسیار قدیمی شده با DP ۱۵۰-۲۰۰، ماده به پایان عمر رسیده است. با پیری کاغذ عایق، DP و مقاومت کششی آن به تدریج کاهش می‌یابد و آب، CO، CO2 و فورفلورال (فورفالدهید) تولید می‌کند. این محصولات پیری به طور قابل توجهی بر تجهیزات الکتریکی ضار هستند، ولتاژ شکست کاغذ عایق و مقاومت حجمی را کاهش می‌دهند و ضرر الکتریکی را افزایش می‌دهند و مقاومت کششی را کاهش می‌دهند و ممکن است قطعات فلزی را فرسایش دهند. 

عایق جامد خصوصیات پیری غیرقابل برگشتی دارد، با کاهش قابل توجه قدرت مکانیکی و الکتریکی که قابل بازیابی نیست. چون عمر ترانسفورماتور عمدتاً به عمر مواد عایق بستگی دارد، مواد عایق جامد ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن باید خصوصیات عایق الکتریکی و مکانیکی عالی داشته باشند، با کاهش کند عملکرد در طول سال‌های عملکرد—نشان‌دهنده خصوصیات پیری خوب.

۱.۱ خصوصیات مواد فیبر کاغذی

مواد فیبر کاغذ عایق مهم‌ترین مولف عایق در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن است. فیبر کاغذ مولف اساسی بافت جامد گیاهان است. متفاوت از رساناهای فلزی با الکترون‌های آزاد فراوان، مواد عایق تقریباً بدون الکترون آزاد هستند، با جریان رسانایی اصلی از رسانایی یونی. سلولز شامل کربن، هیدروژن و اکسیژن است. به دلیل گروه‌های هیدروکسیل در ساختار مولکولی خود، سلولز توانایی تشکیل آب را دارد که به کاغذ فیبر خاصیت جذب رطوبت می‌دهد. 

علاوه بر این، این گروه‌های هیدروکسیل می‌توانند به عنوان مراکز محاطی توسط مولکول‌های قطبی مختلف (مانند اسیدها و آب) با پیوند هیدروژنی مرتبط باشند که فیبرها را مستعد آسیب قرار می‌دهد. فیبرهای کاغذ معمولاً حدود ۷٪ آلودگی شامل رطوبت دارند. به دلیل طبیعت کلوئیدی فیبرها، این رطوبت نمی‌تواند کاملاً حذف شود که عملکرد فیبرهای کاغذ را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

فیبرهای قطبی به راحتی رطوبت جذب می‌کنند (آب یک مedium قطبی قوی است). وقتی که فیبرهای کاغذ رطوبت جذب می‌کنند، تعامل بین گروه‌های هیدروکسیل ضعیف می‌شود، که باعث کاهش سریع مقاومت مکانیکی تحت شرایط ناپایدار ساختار فیبر می‌شود. بنابراین، مولفه‌های عایق کاغذی معمولاً قبل از استفاده تحت تنش خشک شدن یا خشک شدن مخلوط با روغن یا ورنیس عایق قرار می‌گیرند.

هدف از تغییر این است که فیبرها را مرطوب نگه دارد، با اطمینان بالاتر از عایق و پایداری شیمیایی همراه با مقاومت مکانیکی بهبود یافته. علاوه بر این، بستن کاغذ با ورنیس جذب رطوبت را کاهش می‌دهد، از اکسیداسیون مواد جلوگیری می‌کند و حفره‌ها را پر می‌کند تا حباب‌هایی که می‌توانند عملکرد عایق را تحت تأثیر قرار دهند و اختلال جزئی و شکست الکتریکی ایجاد کنند کاهش یابد. با این حال، برخی معتقدند که تغییر ورنیس و سپس غوطه‌ور شدن در روغن ممکن است باعث حل شدن برخی از ورنیس در روغن شود، که عملکرد روغن را تحت تأثیر قرار می‌دهد و نیاز به توجه دقیق به این کاربردهای رنگ وجود دارد.

به طور طبیعی، ترکیبات مختلف مواد فیبری و سطوح کیفیت متفاوت از همان ترکیبات فیبری تأثیرات و خصوصیات متفاوتی دارند. به عنوان مثال، پنبه دارای بیشترین محتوای فیبری است، کنف دارای قوی‌ترین فیبرها است و برخی از تخته‌های فشاری عایق وارداتی با پردازش بهتر عملکرد قابل توجهی بهتر از برخی از تخته‌های کاغذی داخلی دارند. بیشتر مواد عایق ترانسفورماتورها از انواع مختلف کاغذ (مانند نوار کاغذ، تخته فشاری و مولفه‌های کاغذ تحت فشار) برای عایق استفاده می‌کنند.

بنابراین، انتخاب مواد کاغذی عایق مبتنی بر فیبر با کیفیت در طول تولید و نگهداری ترانسفورماتور بسیار مهم است. کاغذ فیبری مزایای خاصی دارد از جمله عملی بودن، هزینه پایین، پردازش آسان، شکل‌دهی و درمان در دماهای متوسط، وزن کم، مقاومت متوسط و جذب آسان مواد تغییر (مانند ورنیس عایق و روغن ترانسفورماتور).

۱.۲ مقاومت مکانیکی مواد عایق کاغذی

برای ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن که مواد عایق کاغذی را انتخاب می‌کنند، مهم‌ترین عوامل علاوه بر ترکیب فیبر، چگالی، نفوذپذیری و یکنواختی شامل نیازهای مقاومت مکانیکی مانند مقاومت کششی، مقاومت سوراخ‌کننده، مقاومت گسیختگی و سختی:

• مقاومت کششی: بیشترین تنش که فیبرهای کاغذ می‌توانند تحت بار کششی تحمل کنند بدون شکست.

• مقاومت سوراخ‌کننده: اندازه‌گیری توانایی فیبرهای کاغذ در تحمل فشار بدون ترک.

• مقاومت گسیختگی: نیروی مورد نیاز برای گسیختن فیبرهای کاغذ باید استانداردهای مرتبط را برآورده کند.

• سختی: قدرت کاغذ هنگام تا شدن یا فشار دادن صفحه فشاری باید مطابق با نیازها برآورده شود.

عملکرد عایق جامد را می‌توان با نمونه‌برداری و اندازه‌گیری درجه پلیمریزاسیون کاغذ یا صفحه فشاری، یا با استفاده از کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا برای اندازه‌گیری محتوای فورفال در روغن تعیین کرد. 

این کمک می‌کند تا تحلیل شود که آیا خرابی‌های داخلی ترانسفورماتور شامل عایق جامد هستند یا اگر گرم شدن در دمای پایین باعث پیری محلی عایق سیمپاشی می‌شود یا برای تعیین درجه پیری عایق جامد. برای مواد عایق کاغذی در طول عملیات و نگهداری، باید به کنترل بار اسمی ترانسفورماتور، تأمین گردش هوای خوب و تشعشع حرارتی در محیط عملیات، جلوگیری از افزایش بیش از حد دما و کمبود روغن در ظرف توجه شود. همچنین باید اقداماتی انجام شود تا آلودگی و تخریب روغن که می‌تواند پیری سیم‌های فیبر را تسریع کند و عملکرد عایق ترانسفورماتور، عمر مفید و عملکرد ایمن آن را کاهش دهد، پیشگیری شود.

۱.۳ تخریب مواد فیبر کاغذی

این موضوع عمدتاً شامل سه جنبه است:

• خشک شدن فیبر: گرم شدن بیش از حد باعث جدا شدن رطوبت از مواد فیبری می‌شود که خشک شدن فیبر را تسریع می‌کند. کاغذ خشک و لپ کردن می‌تواند تحت ارتعاش مکانیکی، تنش الکترودینامیکی و تأثیرات موج عملیاتی منجر به خرابی عایق و حوادث الکتریکی شود.

• کاهش قدرت مکانیکی مواد فیبری: قدرت مکانیکی مواد فیبری با افزایش زمان گرم شدن کاهش می‌یابد. وقتی گرم شدن ترانسفورماتور باعث خارج شدن رطوبت از مواد عایق می‌شود، مقادیر مقاومت عایق ممکن است افزایش یابد، اما قدرت مکانیکی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و کاغذ عایقی قادر به تحمل نیروهای مکانیکی از جریان‌های کوتاه یا بارهای ضربه‌ای نخواهد بود.

• انقباض مواد فیبری: پس از خشک شدن، مواد فیبری انقباض می‌یابند و نیروی فشاری کاهش می‌یابد و ممکن است حرکت انتقالی ایجاد شود. این ممکن است منجر به جابجایی سیمپاشی ترانسفورماتور و اصطکاک تحت ارتعاش الکترومغناطیسی یا ولتاژ ضربه‌ای شود که عایق را خراب می‌کند.

۲. خرابی‌های عایق مایع روغنی

ترانسفورماتور روغنی توسط دانشمند آمریکایی تامپسون در سال ۱۸۸۷ اختراع شد و توسط جنرال الکتریک و دیگران در سال ۱۸۹۲ برای کاربردهای ترانسفورماتورهای قدرت ترویج یافت. عایق مایعی که در اینجا اشاره شده است عایق روغن ترانسفورماتور است.

۲.۱ ویژگی‌های ترانسفورماتورهای روغنی:

۱) به طور قابل توجهی قدرت عایق الکتریکی را افزایش می‌دهد، فاصله عایق را کاهش می‌دهد و حجم تجهیزات را کاهش می‌دهد؛ ۲) انتقال و تشعشع حرارتی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد، چگالی جریان مجاز در هادی‌ها را افزایش می‌دهد و وزن تجهیزات را کاهش می‌دهد. حرارت ترانسفورماتور در حال عمل با گردش حرارتی روغن ترانسفورماتور به پوسته ترانسفورماتور و رادیاتور منتقل می‌شود تا تشعشع حرارتی مؤثر باشد؛ ۳) ترکیب و مهر و موم باعث کاهش اکسیداسیون برخی اجزای داخلی و ترکیبات می‌شود و عمر مفید را افزایش می‌دهد.

۲.۲ ویژگی‌های روغن ترانسفورماتور

روغن ترانسفورماتور در حال عمل باید دارای ویژگی‌های عایق و هدایت حرارتی پایدار و عالی باشد. ویژگی‌های کلیدی شامل قدرت عایق (tan δ)، ویسکوزیته، نقطه جوش، و مقدار اسیدی است. روغن عایق از نفت تصفیه شده مخلوطی از هیدروکربن‌های مختلف، رزین‌ها، اسیدها و آلاینده‌های دیگر با ویژگی‌هایی است که کاملاً پایدار نیستند. تحت تأثیر دما، میدان الکتریکی و نور، روغن به طور مداوم اکسید می‌شود. تحت شرایط عادی، این فرآیند اکسیداسیون به آرامی پیش می‌رود؛ با نگهداری صحیح، روغن می‌تواند کیفیت مورد نیاز را بدون پیری تا ۲۰ سال حفظ کند. با این حال، فلزات، آلاینده‌ها و گازهای مخلوط شده در روغن اکسیداسیون را تسریع می‌کنند، کیفیت روغن را کاهش می‌دهند، رنگ آن را تیره می‌کنند، شفافیت آن را کاهش می‌دهند و محتوای رطوبت، مقدار اسیدی و مقدار خاکستری را افزایش می‌دهند، بنابراین ویژگی‌های روغن را کاهش می‌دهند.

۲.۳ دلایل تخریب روغن ترانسفورماتور

تخریب روغن ترانسفورماتور می‌تواند بر اساس شدت به مرحله آلودگی و تخریب تقسیم شود.

آلودگی به معنای مخلوط شدن رطوبت و آلاینده‌ها در روغن است—این محصولات اکسیداسیون نیستند. روغن آلوده عملکرد عایق را کاهش می‌دهد، قدرت میدان الکتریکی کاهش یافته و زاویه اتلاف دی الکتریکی افزایش می‌یابد.

تخریب نتیجه اکسیداسیون روغن است. این اکسیداسیون تنها به اکسیداسیون هیدروکربن‌ها در روغن خالص اشاره ندارد، بلکه شامل آلاینده‌های موجود در روغن که فرآیند اکسیداسیون را تسریع می‌کنند، به ویژه ذرات فلزی مس، آهن و آلومینیوم.

اکسیژن از هوا داخل ترانسفورماتور نشأت می‌گیرد. حتی در ترانسفورماتورهای کاملاً مهر و موم شده، حدود ۰.۲۵٪ اکسیژن وجود دارد. اکسیژن دارای محلول‌پذیری بالا است، بنابراین در میان گازهای محلول در روغن نسبت بالایی دارد.

در طول اکسیداسیون روغن ترانسفورماتور، رطوبت به عنوان کاتالیزور و گرما به عنوان شتاب‌دهنده عمل می‌کند که باعث تولید رسوب در روغن می‌شود. این اثرات اصلی را از طریق ذرات رسوب بزرگ تحت تأثیر میدان الکتریکی، رسوب آلاینده‌ها در مناطقی با قوی‌ترین میدان الکتریکی، تشکیل "پل‌های" هدایت‌کننده در عایق ترانسفورماتور، رسوب ناهموار که ممکن است خطوط میدان الکتریکی را همزمان کند، می‌کند. این موجب می‌شود تشعشع حرارتی کاهش یابد، پیری سریع‌تر مواد عایق شود و مقاومت عایق کاهش یابد و سطح عایق کاهش یابد.

۲.۴ فرآیند تخریب روغن ترانسفورماتور

در طول تخریب روغن، محصولات اصلی شامل پeroxides، اسیدها، الکوهول‌ها، کتون‌ها و رسوب هستند.

مرحله اولیه تخریب: روغن پeroxides تولید می‌کند که با مواد فیبری عایق واکنش نشان می‌دهند و سلولز اکسید شده را تشکیل می‌دهند، که قدرت مکانیکی فیبرهای عایق را کاهش می‌دهد و باعث خشک شدن و انقباض عایق می‌شود. اسیدهای تولید شده اسیدهای چرب چسبنده هستند. اگرچه کمتر از اسیدهای معدنی خوردگی دارند، نرخ رشد و تأثیر آنها بر مواد عایقی آلی قابل توجه است.

مرحله پسین تخریب: تشکیل رسوبات زمانی رخ می‌دهد که اسیدها مس، آهن، ورنیز عایق و مواد دیگر را فرسوده کرده و به تشکیل یک ماده پلیمری چسبنده شبیه آسفالت منجر می‌شوند. این ماده معتدل در روغن حل شده و تحت تأثیر میدان الکتریکی سریعاً تشکیل می‌شود، به مواد عایق و لبه‌های ظرف ترانسفورماتور متصل می‌شود، بر لوله‌های روغن و سوپاپ‌های رادیاتور توده می‌یابد، دما عملیاتی ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد و قدرت عایقی را کاهش می‌دهد.

فرآیند اکسیداسیون روغن شامل دو شرط واکنش اصلی است: اول، ارزش اسیدی بسیار بالا در ترانسفورماتور که روغن را اسیدی می‌کند؛ دوم، اکسیدها حل شده در روغن به ترکیبات غیرقابل حل در روغن تبدیل می‌شوند و به تدریج کیفیت روغن ترانسفورماتور را تخریب می‌کنند.

۲.۵ تجزیه و تحلیل، ارزیابی و نگهداری روغن ترانسفورماتور

① تخریب روغن عایق: هم خصوصیات فیزیکی و هم شیمیایی تغییر می‌کنند و عملکرد الکتریکی را تخریب می‌کنند. با تست ارزش اسیدی روغن، تنش رابط، رسوبات و ارزش اسید محلول در آب می‌توان تعیین کرد که آیا این نوع نقص وجود دارد. درمان بازسازی روغن ممکن است محصولات تخریبی را حذف کند، اگرچه این فرآیند ممکن است آنتی‌اکسیدان‌های طبیعی را نیز حذف کند.

② آلودگی روغن عایق با آب: آب یک ماده قطبی قوی است که تحت میدان‌های الکتریکی به راحتی یونیزه و تجزیه می‌شود و جریان رسانایی در روغن عایق را افزایش می‌دهد. حتی رطوبت کم میزانی به طور قابل توجهی ضرر عایقی روغن را افزایش می‌دهد. با تست محتوای رطوبت روغن می‌توان این نوع نقص را شناسایی کرد. فیلتراسیون روغن تحت فشار و خلأ معمولاً رطوبت را حذف می‌کند.

③ آلودگی روغن عایق با میکروب‌ها: در زمان نصب یا بلند کردن هسته ترانسفورماتور اصلی، حشرات روی اجزای عایق یا بقایای عرق انسان ممکن است باکتری‌ها را منتقل کرده و روغن عایق را آلوده کنند؛ یا خود روغن ممکن است با میکروب‌ها آلوده شده باشد. ترانسفورماتورهای اصلی معمولاً در محیط‌های ۴۰-۸۰ درجه سانتیگراد عمل می‌کنند که بسیار مناسب رشد و تکثیر میکروب‌ها است. از آنجا که مواد معدنی و پروتئین‌های موجود در میکروب‌ها و محصولات ترشحی آن‌ها خواص عایقی بسیار کمتری نسبت به روغن عایق دارند، آن‌ها ضرر عایقی روغن را افزایش می‌دهند. این نقص با درمان چرخه‌ای در محل مشکل است، زیرا برخی میکروب‌ها همیشه روی عایق‌های جامد باقی می‌مانند. پس از درمان، عایق ترانسفورماتور ممکن است به طور موقت بازیابی شود، اما محیط عملیاتی مساعد برای رشد مجدد میکروب‌ها است که باعث تخریب تدریجی عایق می‌شود.

④ ورنیز عایق آلیافی با مواد قطبی حل شده در روغن: تحت تأثیر میدان الکتریکی، مواد قطبی به تقطیر دو قطبی می‌پردازند و در فرآیندهای تقطیر AC انرژی مصرف می‌کنند و ضرر عایقی روغن را افزایش می‌دهند. اگرچه ورنیز عایق قبل از ترک کارخانه تثبیت می‌شود، ممکن است درمان ناقص باقی بماند. پس از مدتی کار، ورنیز ناتمام به تدریج در روغن حل می‌شود و عملکرد عایقی را تخریب می‌کند. زمان وقوع این نقص با کامل بودن درمان ورنیز مرتبط است؛ یک یا دو درمان جذبی می‌تواند مؤثریت معینی داشته باشد.

⑤ روغن تنها با آلودگی آب و ضایعات: این آلودگی خصوصیات اساسی روغن را تغییر نمی‌دهد. رطوبت می‌تواند از طریق خشک کردن حذف شود؛ ضایعات می‌توانند از طریق فیلتراسیون حذف شوند؛ هوا در روغن می‌تواند از طریق خلأ حذف شود.

⑥ مخلوط کردن دو یا چند منبع مختلف روغن عایق: خصوصیات روغن باید با مشخصات مربوطه مطابقت داشته باشد؛ وزن مخصوص روغن، دمای یخ زدن، ویسکوزیته و نقطه اشتعال باید مشابه باشند؛ و پایداری روغن مخلوط شده باید مطابق با الزامات باشد. برای روغن‌های مخلوط تخریبی، روش‌های بازسازی شیمیایی لازم است تا محصولات تخریبی جدا شده و خصوصیات بازیابی شوند.

۳. عایق و ویژگی‌های ترانسفورماتور رزینی خشک

ترانسفورماتورهای خشک (که در اینجا به ترانسفورماتورهای عایق‌شده با رزین اپوکسی اشاره دارد) عمدتاً در مکان‌هایی با نیازهای بالای ایمنی آتش‌سوزی مانند ساختمان‌های بلند، فرودگاه‌ها و انبارهای نفت استفاده می‌شوند.

۳.۱ انواع عایق رزینی

ترانسفورماتورهای عایق‌شده با رزین اپوکسی می‌توانند بر اساس ویژگی‌های فرآیند تولید به سه نوع تقسیم‌بندی شوند: نوع تزریق خلاء با مخلوط رزین اپوکسی و سنگ ریزی کوارتز، نوع تزریق اختلاف فشار خلاء با تقویت شده با الیاف شیشه‌ای بدون کلسیم، و نوع تزریق و تغلیظ با الیاف شیشه‌ای بدون کلسیم.

① عایق تزریق خلاء با مخلوط رزین اپوکسی و سنگ ریزی کوارتز: این ترانسفورماتورها از سنگ ریزی کوارتز به عنوان پرکننده رزین اپوکسی استفاده می‌کنند. سیم‌پیچ‌هایی که با ورنیز عایق پوشانده شده‌اند در قالب‌های تزریق قرار می‌گیرند و با مخلوط رزین اپوکسی و سنگ ریزی کوارتز تزریق می‌شوند. به دلیل چالش‌های فرآیند تزریق در برآورده کردن الزامات کیفیتی مانند حباب‌های باقی‌مانده، ناهمگونی محلی مخلوط و ترک‌های تنش حرارتی محلی، این ترانسفورماتورهای عایق‌شده برای محیط‌های مرطوب و گرم و مناطق با تغییرات بار قابل توجه مناسب نیستند.

② عایق تزریق اختلاف فشار خلاء با تقویت شده با الیاف شیشه‌ای بدون کلسیم: این نوع از الیاف شیشه‌ای کوتاه یا لایه‌های شیشه‌ای به عنوان عایق بیرونی بین لایه‌های سیم‌پیچ استفاده می‌کند. ضخامت عایق بیرونی معمولاً ۱-۳ میلی‌متر است. پس از مخلوط کردن با ماده تزریق رزین اپوکسی در نسبت مناسب، حباب‌های هوا در شرایط خلاء بالا حذف می‌شوند و سپس تزریق می‌شود. از آنجا که ضخامت عایق بیرونی نازک است، تغذیه ناقص می‌تواند نقاط تخلیه جزئی ایجاد کند. بنابراین، مخلوط ماده تزریق باید کامل باشد، حذف حباب‌های هوا باید کامل باشد و ویسکوزیته و سرعت تزریق باید کنترل شود تا تضمین شود که تغذیه با کیفیت بالا در طول تزریق بسته‌های سیم‌پیچ صورت گیرد.

③ عایق تزریق و تغلیظ با الیاف شیشه‌ای بدون کلسیم: این ترانسفورماتورها در طول پیچش، تغذیه لایه‌های عایق و تغلیظ سیم‌پیچ را همزمان انجام می‌دهند. آن‌ها نیاز به قالب‌های شکل‌دهی پیچشی که در دو فرآیند تغذیه قبلی نیاز است ندارند، اما نیاز به رزین با ویسکوزیته پایین دارند که در طول پیچش و تغذیه حباب‌های میکروسکوپی نباید باقی بماند.

۳.۲ ویژگی‌های عایق و نگهداری ترانسفورماتورهای رزینی

سطح عایق ترانسفورماتورهای رزینی به طور قابل توجهی با ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن متفاوت نیست؛ تفاوت‌های اصلی در افزایش دما و اندازه‌گیری تخلیه جزئی است.

① مشخصات افزایش دما: ترانسفورماتورهای رزینی دارای سطح افزایش دمای متوسط بیشتری نسبت به ترانسفورماتورهای روغنی هستند و به مواد عایق با درجه مقاومت حرارتی بالاتر نیاز دارند. با این حال، افزایش دمای متوسط نمی‌تواند دمای گرم‌ترین نقطه در پیچک‌ها را منعکس کند. اگر درجه مقاومت حرارتی مواد عایق تنها بر اساس افزایش دمای متوسط یا به طور نادرست انتخاب شود یا ترانسفورватورهای رزینی تحت شرایط بار بیش از حد بلندمدت عمل کنند، عمر ترانسفورماتور تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

چون افزایش دمای اندازه‌گیری شده اغلب نمی‌تواند دمای گرم‌ترین نقطه را منعکس کند، در صورت امکان، باید از ترمومترهای فروسرخ برای بررسی گرم‌ترین نقاط ترانسفورماتورهای رزینی در حالت عملکرد با بار ماکزیمم استفاده شود. جهت و زاویه مراوح خنک‌کننده باید به طور متناسب تنظیم شود تا افزایش دمای محلی کنترل شده و عملکرد ایمن ترانسفورماتور تضمین شود.

② مشخصات تخلیه جزئی: میزان تخلیه جزئی در ترانسفورماتورهای رزینی مرتبط با توزیع میدان الکتریکی، یکنواختی مخلوط رزین و وجود حباب‌های باقی‌مانده یا ترک رزین است. میزان تخلیه جزئی تأثیر مستقیم بر عملکرد، کیفیت و عمر ترانسفورماتورهای رزینی دارد. بنابراین، اندازه‌گیری و پذیرش میزان تخلیه جزئی به عنوان ارزیابی جامعی از فرآیند تولید و کیفیت است. اندازه‌گیری تخلیه جزئی باید در زمان تسلیم ترانسفورماتورهای رزینی و پس از تعمیرات اصلی انجام شود و تغییرات در میزان تخلیه جزئی برای ارزیابی پایداری کیفیت و عملکرد استفاده شود.

با افزایش گسترده‌ای که ترانسفورماتورهای خشک در حال یافتن هستند، در زمان انتخاب ترانسفورماتورها، باید ساختار فرآیند تولید، طراحی عایق و ترکیب عایق به طور کامل درک شود. محصولاتی از تولیدکنندگانی که دارای فرآیندهای تولید کامل، سیستم‌های ضمانت کیفیت دقیق، مدیریت تولید محکم و عملکرد فنی قابل اعتماد هستند باید انتخاب شوند تا کیفیت و عمر حرارتی ترانسفورماتور تضمین شود و در نتیجه عملکرد ایمن و قابلیت اطمینان تأمین برق بهبود یابد.

۴. عوامل اصلی تأثیرگذار بر شکست عایق ترانسفورماتور

عوامل اصلی تأثیرگذار بر عملکرد عایق ترانسفورماتور شامل: دما، رطوبت، روش‌های محافظت از روغن و تأثیرات بیش از ولتاژ هستند.

۴.۱ تأثیرات دما

ترانسفورماتورهای قدرت از عایق روغن-کاغذ استفاده می‌کنند که روابط تعادلی متفاوتی بین محتوای رطوبت در روغن و کاغذ در دماهای مختلف دارند. به طور کلی، با افزایش دما، رطوبت در کاغذ به روغن مهاجرت می‌کند؛ و برعکس، کاغذ رطوبت را از روغن جذب می‌کند. بنابراین، در دماهای بالاتر، محتوای آب میکرو در روغن عایق بیشتر است؛ و برعکس، محتوای آب میکرو کمتر است.

دماهای مختلف باعث تجزیه‌های متفاوتی در سلولز می‌شوند که با تولید گاز همراه است. در دمای خاصی، نرخ تولید CO و CO2 ثابت می‌ماند، یعنی محتوای CO و CO2 در روغن خطی با زمان افزایش می‌یابد. با ادامه افزایش دما، نرخ تولید CO و CO2 معمولاً به صورت نمایی افزایش می‌یابد. بنابراین، محتوای CO و CO2 در روغن به طور مستقیم مرتبط با پیری حرارتی کاغذ عایق است و می‌تواند به عنوان یک معیار برای تشخیص ناهماهنگی‌های لایه‌های کاغذ در ترانسفورماتورهای بسته استفاده شود.

عمر ترانسفورماتور به درجه پیری عایق بستگی دارد که به نوبه خود به دمای عملکرد بستگی دارد. به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور روغنی با بار اسمی دارای افزایش دمای متوسط پیچک ۶۵ درجه سانتیگراد و افزایش دمای گرم‌ترین نقطه ۷۸ درجه سانتیگراد است. با دمای محیط متوسط ۲۰ درجه سانتیگراد، دمای گرم‌ترین نقطه به ۹۸ درجه سانتیگراد می‌رسد که اجازه ۲۰-۳۰ سال عملکرد می‌دهد. اگر ترانسفورماتور تحت بار بیش از حد با افزایش دما عمل کند، عمر کوتاه‌تر می‌شود.

کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) بیان می‌کند که برای ترانسفورماتورهای با عایق کلاس A که در دمای ۸۰-۱۴۰ درجه سانتیگراد عمل می‌کنند، برای هر افزایش ۶ درجه سانتیگراد، نرخ کاهش عمر مؤثر عایق ترانسفورماتور دوبرابر می‌شود—که به عنوان قانون ۶ درجه شناخته می‌شود و نشان‌دهنده محدودیت‌های حرارتی سخت‌گیرانه‌تر نسبت به قانون ۸ درجه قبلی است.

۴.۲ تأثیرات رطوبت

حضور رطوبت سرعت تجزیه سلولز را افزایش می‌دهد. بنابراین، تولید CO و CO2 مرتبط با محتوای رطوبت مواد سلولزی است. در رطوبت ثابت، محتوای رطوبت بالاتر باعث تولید بیشتر CO2 می‌شود؛ و برعکس، محتوای رطوبت کمتر باعث تولید بیشتر CO می‌شود.

رطوبت اثری مهم بر خصوصیات عایقی دارد. رطوبت کم در روغن عایق تأثیرات بزرگی بر خصوصیات الکتریکی و فیزیکی-شیمیایی مedium عایق دارد. رطوبت می‌تواند ولتاژ تخلیه شعله‌ای در روغن عایق را کاهش دهد، ضریب تلفات دی‌الکتریک (tan δ) را افزایش دهد، پیری روغن عایق را تسریع کند و عملکرد عایق را بدتر کند. مواجهه تجهیزات با رطوبت نه تنها قابلیت اطمینان و عمر عملیاتی تجهیزات قدرت را کاهش می‌دهد، بلکه می‌تواند باعث آسیب به تجهیزات و حتی خطرات ایمنی شخصی شود.

۴.۳ تأثیرات روش‌های محافظت از روغن

اکسیژن در روغن ترانسفورماتور واکنش‌های تجزیه عایق را تسریع می‌کند، که میزان اکسیژن مرتبط با روش‌های محافظت از روغن است. علاوه بر این، روش‌های محافظت متفاوت شرایط حل شدن و پخش CO و CO2 در روغن را متفاوت می‌کنند. به عنوان مثال، CO دارای محلولیت کم است و می‌تواند به راحتی به فضای روی روغن در ترانسفورماتورهای باز منتشر شود، معمولاً مقدار CO به بیش از ۳۰۰×۱۰-۶ محدود می‌شود. در ترانسفورماتورهای بسته، چون سطح روغن از هوا جدا شده است، CO و CO2 به راحتی تبخیر نمی‌کنند و میزان آن‌ها بیشتر است.

۴.۴ تأثیرات بیش از ولتاژ

① تأثیرات بیش از ولتاژ موقت: ترانسفورماتورهای سه‌فاز در حالت عادی ولتاژ فاز-زمین را در ۵۸٪ ولتاژ فاز-فاز تولید می‌کنند. با این حال، در موقعیت‌های خطا یک‌فازی، ولتاژ عایق اصلی در سیستم‌های زمین‌گذاری شده با ۳۰٪ و در سیستم‌های بدون زمین‌گذاری با ۷۳٪ افزایش می‌یابد که می‌تواند عایق را آسیب ببیند.

② تأثیرات بیش از ولتاژ طوفانی: بیش از ولتاژهای طوفانی با موج‌های پیشرو تند باعث توزیع نامساوی ولتاژ در عایق طولی (پیچک-پیچک، لایه-لایه، دیسک-دیسک) می‌شوند که می‌تواند ردپای تخلیه را در عایق بگذارد و عایق جامد را آسیب ببیند.

③ اثر فشار برق بالای معمول در تغییرات: موج‌های فشار برق بالای معمول دارای موج‌های نسبتاً تدریجی هستند که منجر به توزیع ولتاژ تقریباً خطی می‌شود. زمانی که موج‌های فشار برق بالای معمول از یک پیچش به پیچش دیگر منتقل می‌شوند، ولتاژ تقریباً متناسب با نسبت دور پیچ است، که می‌تواند منجر به تخریب و خرابی عایق اصلی یا عایق بین فازها شود.

4.5 اثرات الکترودینامیکی کوتاه‌مدار

نیروهای الکترودینامیکی در حین کوتاه‌مدارهای خروجی ممکن است پیچش‌های ترانسفورماتور را تغییر شکل دهند و سیم‌های اتصال را جابجا کنند، که مسافت‌های عایق اولیه را تغییر می‌دهد، منجر به گرم شدن عایق، تسریع در پیری یا خرابی، نشت، قوس الکتریکی و خطا در کوتاه‌مدار می‌شود.

5. نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، درک عملکرد عایق ترانسفورماتورهای قدرت و اجرای عملیات و نگهداری مناسب مستقیماً بر ایمنی، عمر مفید و قابلیت اطمینان تامین برق تأثیر می‌گذارد. به عنوان تجهیزات اصلی مهم در سیستم‌های برق، کارکنان عملیات و نگهداری و مدیران باید عایق ساختار ترانسفورماتور، خواص مواد، کیفیت فرآیند، روش‌های نگهداری و تکنولوژی‌های تشخیص علمی را درک و تسلط کنند. فقط از طریق مدیریت عملیات بهینه و منطقی می‌توان کارایی، عمر مفید و قابلیت اطمینان تامین برق ترانسفورماتورهای قدرت را تضمین کرد.