تجزیه و تحلیل و اقدامات اصلاحی برای خرابی‌های عایق در ترانسفورماتورهای قدرت

پرکاربردترین ترانسفورماتورهای قدرت: ترانسفورماتورهای روغنی و ترانسفورماتورهای خشک با عایق رزینی

دو نوع پرکاربردترین ترانسفورماتورهای قدرت در حال حاضر، ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن و ترانسفورماتورهای خشک با عایق رزینی هستند. سیستم عایقی یک ترانسفورماتور قدرت که از مواد عایق مختلف تشکیل شده است، اساس عملکرد صحیح آن محسوب می‌شود. عمر مفید یک ترانسفورماتور عمدتاً توسط طول عمر مواد عایقی آن (روغن-کاغذ یا رزین) تعیین می‌شود.

در عمل، بیشتر خرابی‌های ترانسفورماتورها ناشی از آسیب به سیستم عایقی است. آمار نشان می‌دهد که خرابی‌های مرتبط با عایق بیش از ۸۵٪ تمام حوادث ترانسفورماتور را شامل می‌شوند. ترانسفورماتورهایی که به‌خوبی نگهداری شده و مدیریت عایق در آنها مورد توجه قرار گرفته باشد، می‌توانند دارای عمر مفید بسیار طولانی باشند. بنابراین، محافظت از عملکرد طبیعی ترانسفورماتور و تقویت نگهداری منطقی از سیستم عایقی می‌تواند تا حد زیادی طول عمر ترانسفورماتور را افزایش دهد و نگهداری پیشگیرانه و پیش‌بینانه کلید اصلی بهبود طول عمر ترانسفورماتور و قابلیت اطمینان تأمین انرژی الکتریکی است.

۱. خرابی‌های عایق جامد کاغذی

در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، مواد عایق اصلی شامل روغن عایق و مواد عایق جامد مانند کاغذ عایق، ورق‌های فشرده (پرس‌بورد)، و تکّه‌های چوبی می‌شوند. پیری عایق ترانسفورماتور به تجزیه این مواد به دلیل عوامل محیطی اطلاق می‌شود که منجر به کاهش یا از دست دادن مقاومت عایقی می‌گردد.

عایق جامد کاغذی یکی از اجزای اصلی سیستم عایقی ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن است که شامل کاغذهای عایق، ورق‌ها، واشرها، رول‌ها و نوارهای بسته‌بندی می‌شود. مؤلفه اصلی آن سلولز با فرمول شیمیایی (C6H10O5)n است که در آن n درجه پلیمریزاسیون (DP) را نشان می‌دهد. کاغذ نو معمولاً دارای DP حدود ۱۳۰۰ است که زمانی که استحکام مکانیکی آن بیش از نیمی کاهش یابد، به حدود ۲۵۰ کاهش می‌یابد. 

هنگامی که کاملاً پیر شده و DP آن به ۱۵۰ تا ۲۰۰ برسد، ماده به پایان عمر خود رسیده است. همراه با پیر شدن کاغذ عایق، DP و استحکام کششی آن به تدریج کاهش می‌یابد و در عین حال آب، CO، CO2 و فورفورال (آلدهید فوران) تولید می‌شود. این محصولات جانبی پیری عمدتاً برای تجهیزات الکتریکی مضر هستند و ولتاژ شکست و مقاومت حجمی کاغذ عایق را کاهش می‌دهند، اتلاف دی‌الکتریک را افزایش داده و استحکام کششی را کاهش می‌دهند و ممکن است اجزای فلزی را خورده کنند. 

عایش جامد دارای ویژگی‌های پیری برگشت‌ناپذیر است و کاهش استحکام مکانیکی و الکتریکی آن غیرقابل جبران است. از آنجا که عمر ترانسفورماتور عمدتاً به عمر مواد عایقی بستگی دارد، مواد عایق جامد ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن باید دارای خواص عایقی الکتریکی و ویژگی‌های مکانیکی عالی بوده و کاهش عملکرد آن در طول سال‌ها عملکرد کند باشد — که نشان‌دهنده ویژگی‌های پیری خوب است.

۱.۱ ویژگی‌های مواد الیاف کاغذی

ماده الیاف کاغذ عایق مهم‌ترین جزء عایقی در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن است. الیاف کاغذی جزء اصلی بافت جامد گیاهان است. برخلاف هادی‌های فلزی که الکترون‌های آزاد فراوانی دارند، مواد عایق تقریباً فاقد الکترون آزاد بوده و جریان هدایت بسیار کمی دارند که عمدتاً از طریق یونی انجام می‌شود. سلولز از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. به دلیل وجود گروه‌های هیدروکسیل در ساختار مولکولی آن، سلولز پتانسیل تشکیل آب را دارد و این ویژگی باعث می‌شود الیاف کاغذی خاصیت جذب رطوبت داشته باشند. 

علاوه بر این، این گروه‌های هیدروکسیل می‌توانند به عنوان مراکزی در نظر گرفته شوند که توسط مولکول‌های قطبی مختلف (مانند اسیدها و آب) احاطه شده و از طریق پیوند هیدروژنی به هم متصل شده‌اند که باعث می‌شود الیاف در برابر آسیب آسیب‌پذیر باشند. الیاف کاغذی همچنین معمولاً شامل حدود ۷٪ ناخالصی می‌شوند که شامل رطوبت است. به دلیل ماهیت کلوئیدی الیاف، این رطوبت نمی‌تواند به‌طور کامل حذف شود و بر عملکرد الیاف کاغذی تأثیر می‌گذارد.

الیاف قطبی به راحتی رطوبت (آب به عنوان یک محیط قطبی قوی) را جذب می‌کنند. وقتی الیاف کاغذی آب جذب می‌کنند، برهمکنش بین گروه‌های هیدروکسیل ضعیف می‌شود و در شرایط ساختاری ناپایدار، استحکام مکانیکی به سرعت کاهش می‌یابد. بنابراین، قطعات عایق کاغذی معمولاً قبل از استفاده تحت عملیات خشک‌کاری یا خشک‌کاری خلاء قرار گرفته و سپس با روغن یا وارنیش عایقی آغشته می‌شوند.

هدف از آغشته‌کردن، نگه داشتن الیاف در حالت مرطوب است تا عایق‌بندی بالاتر، پایداری شیمیایی و استحکام مکانیکی بهبود یافته را تضمین کند. همچنین، درزگیری کاغذ با وارنیش، جذب رطوبت را کاهش داده، اکسیداسیون مواد را جلوگیری کرده و حفره‌ها را پر می‌کند تا حباب‌هایی که می‌توانند بر عملکرد عایقی تأثیر بگذارند و باعث تخلیه جزئی و شکست الکتریکی شوند، به حداقل برسد. با این حال، برخی معتقدند که آغشته‌کردن با وارنیش و سپس غوطه‌وری در روغن ممکن است باعث شود بخشی از وارنیش به تدریج در روغن حل شود و عملکرد روغن را تحت تأثیر قرار دهد، بنابراین باید به کاربرد این رنگ‌ها دقت کافی شود.

به طور طبیعی، ترکیبات مختلف مواد الیافی و سطوح کیفی متفاوت الیاف با ترکیب یکسان، تأثیرات و ویژگی‌های متفاوتی دارند. به عنوان مثال، پنبه بالاترین میزان الیاف را دارد، کنف قوی‌ترین الیاف را دارد و برخی از ورق‌های فشرده عایقی وارداتی با فرآوری بهتر، عملکرد بسیار بهتری نسبت به برخی از ورق‌های داخلی دارند. بیشتر مواد عایقی ترانسفورماتورها از اشکال مختلف کاغذ (مانند نوار کاغذی، ورق فشرده و قطعات کاغذی قالب‌گیری شده تحت فشار) برای عایق‌بندی استفاده می‌کنند.

بنابراین، انتخاب مواد کیفی کاغذهای عایقی مبتنی بر الیاف در طول تولید و نگهداری ترانسفورماتور بسیار مهم است. کاغذهای الیافی مزایای ویژه‌ای از جمله کاربرد عملی، هزینه پایین، پردازش آسان، شکل‌دهی و تیمار ساده در دماهای متوسط، وزن سبک، استحکام متوسط و جذب آسان مواد آغشته‌کننده (مانند وارنیش عایقی و روغن ترانسفورماتور) دارند.

۱.۲ استحکام مکانیکی مواد عایق کاغذی

برای ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن که از مواد عایق کاغذی استفاده می‌کنند، مهم‌ترین عوامل فراتر از ترکیب الیاف، چگالی، نفوذپذیری و یکنواختی شامل الزامات استحکام مکانیکی مانند استحکام کششی، استحکام سوراخ‌کنندگی، استحکام پارگی و چقرمگی هستند:

• استحکام کششی: حداکثر تنشی که الیاف کاغذی می‌توانند بدون پاره شدن در برابر بار کششی تحمل کنند.

• استحکام سوراخ‌کنندگی: معیاری از توانایی الیاف کاغذی در تحمل فشار بدون شکستن.

• استحکام پارگی: نیروی مورد نیاز برای پاره کردن الیاف کاغذی که باید استانداردهای مربوطه را برآورده کند.

• سختی: قدرت کاغذ در حین تا شدن یا فشار دادن صفحات باید مطابق با نیازها برآورده شود.

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

این کمک می‌کند تا تحلیل شود آیا مشکلات داخلی ترانسفورماتور شامل عایق جامد هستند یا اگر گرم شدن با دمای پایین باعث سنبل شدن محلی عایق سیم‌پیچ می‌شود یا به منظور تعیین درجه سنبل شدن عایق جامد. برای مواد عایق کاغذی در طول عملکرد و نگهداری، باید توجه داشت به کنترل بار اسمی ترانسفورماتور، تضمین جریان هوا خوب و تخلیه حرارتی در محیط عملکرد، جلوگیری از افزایش بیش از حد دما و کمبود روغن در خزان. همچنین اقدامات باید جلوگیری کنند از آلودگی و تخریب روغن که می‌تواند سنبل شدن ریشة را تسریع کند، عملکرد عایق ترانسفورماتور، عمر مفید و عملکرد ایمن را کاهش دهد.

۱.۳ تخریب مواد ریشة کاغذی

این موضوع عموماً شامل سه جنبه است:

• سختی ریشه: گرم شدن بیش از حد باعث جدا شدن رطوبت از مواد ریشة می‌شود که سختی ریشه را تسریع می‌کند. کاغذ خشک و پوسته‌ای می‌تواند تحت لرزش مکانیکی، تنش الکترواستاتیک و ضربه‌های عملکردی به شکست عایق و حوادث الکتریکی منجر شود.

• کاهش قدرت مکانیکی مواد ریشة: قدرت مکانیکی مواد ریشة با افزایش زمان گرم شدن کاهش می‌یابد. وقتی گرم شدن ترانسفورماتور باعث می‌شود رطوبت از مواد عایقی دوباره بیرون رانده شود، مقادیر مقاومت عایقی ممکن است افزایش یابند، اما قدرت مکانیکی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، بنابراین کاغذ عایقی قادر به تحمل نیروهای مکانیکی از جریان‌های کوتاه مداری یا بارهای ضربه‌ای نخواهد بود.

• انقباض مواد ریشة: پس از سختی، مواد ریشة انقباض می‌یابند، نیروی فشرده کاهش می‌یابد و ممکن است حرکت انتقالی ایجاد شود. این ممکن است باعث جابجایی و اصطکاک سیم‌پیچ ترانسفورماتور تحت لرزش الکترومغناطیسی یا ولتاژ ضربه‌ای شود، که باعث آسیب به عایق می‌شود.

۲. شکست عایق مایع روغن

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

۲.۱ ویژگی‌های ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن:

۱) به طور قابل توجهی قدرت عایق الکتریکی را افزایش می‌دهد، فاصله عایق را کاهش می‌دهد و حجم تجهیزات را کاهش می‌دهد؛ ۲) به طور قابل توجهی انتقال و تخلیه حرارت را افزایش می‌دهد، چگالی جریان مجاز در هادی‌ها را افزایش می‌دهد و وزن تجهیزات را کاهش می‌دهد. حرارت از هسته ترانسفورماتور در حال عملکرد از طریق گردش حرارتی روغن ترانسفورماتور به بدنه و رادیاتور ترانسفورماتور منتقل می‌شود و تخلیه می‌شود، بنابراین خنک‌سازی مؤثر را افزایش می‌دهد؛ ۳) غوطه‌ور شدن در روغن و بسته‌بندی باعث کاهش اکسیداسیون برخی اجزا و مجموعه‌های داخلی می‌شود، عمر مفید را افزایش می‌دهد.

۲.۲ ویژگی‌های روغن ترانسفورماتور

روغن ترانسفورماتور در حال عملکرد باید دارای ویژگی‌های عایق و رسانایی حرارتی پایدار و عالی باشد. ویژگی‌های کلیدی شامل قدرت عایق (tan δ)، ویسکوزیته، نقطه جوش، و مقدار اسیدی است. روغن عایقی که از نفت تصفیه می‌شود مخلوطی از هیدروکربن‌ها، رزین‌ها، اسیدها و آلودگی‌های دیگر است که ویژگی‌های آن کاملاً پایدار نیست. تحت تأثیر دما، میدان الکتریکی و نور، روغن به طور مداوم اکسید می‌شود. در شرایط عادی، این فرآیند اکسیداسیون به آرامی پیش می‌رود؛ با نگهداری صحیح، روغن می‌تواند کیفیت مورد نیاز را بدون سنبل شدن تا ۲۰ سال حفظ کند. با این حال، فلزات، آلودگی‌ها و گازهای مخلوط شده در روغن فرآیند 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 خاکستر را افزایش می‌دهند، بنابراین ویژگی‌های روغن را تضعیف می‌کنند.

۲.۳ دلایل تخریب روغن ترانسفورماتور

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

آلودگی به معنای مخلوط شدن رطوبت و آلودگی‌ها با روغن است—این‌ها محصولات اکسیداسیون نیستند. روغن آلوده دارای عملکرد عایقی کاهش یافته، قدرت شکست میدان الکتریکی کاهش یافته و زاویه ضرر دی‌الکتریک افزایش یافته است.

تخریب نتیجه اکسیداسیون روغن است. این اکسیداسیون فقط به اکسیداسیون هیدروکربن‌ها در روغن خالص اشاره نمی‌کند، بلکه شامل آلودگی‌های موجود در روغن که فرآیند اکسیداسیون را تسریع می‌کنند، به خصوص ذرات فلزی مس، آهن و آلومینیوم است.

اکسیژن از هوا داخل ترانسفورماتور نشأت می‌گیرد. حتی در ترانسفورماتورهای کاملاً بسته، حدود ۰.۲۵٪ اکسیژن وجود دارد. اکسیژن دارای محلولیت بالا است، بنابراین بخش بالایی از گازهای محلول در روغن را تشکیل می‌دهد.

در طول اکسیداسیون روغن ترانسفورماتور، رطوبت به عنوان کاتالیزور و گرما به عنوان شتاب‌دهنده باعث تولید رسوب در روغن می‌شود. این اثرات اصلی را از طریق: ذرات رسوب بزرگ تحت تأثیر میدان الکتریکی؛ تمرکز رسوب در مناطق قوی‌ترین میدان الکتریکی، تشکیل "پل" هادی در عایق ترانسفورماتور؛ رسوب نامتجانس که ممکن است به نوارهای طولانی تبدیل شود که ممکن است با خطوط میدان الکتریکی همسو شوند، مانع تخلیه حرارت، تسریع سنبل شدن مواد عایقی و کاهش مقاومت عایق و سطح عایق می‌شود.

۲.۴ فرآیند تخریب روغن ترانسفورماتور

در طول تخریب روغن، محصولات اصلی شامل پراکسیدها، اسیدها، الکل‌ها، کتون‌ها و رسوب است.

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

مرحله تخریب بعدی: تشکیل رسوبات زمینه‌ای اتفاق می‌افتد که اسیدها مس، آهن، رنگ‌آمیز عایق و مواد دیگر را فرسوده کرده و با واکنش تشکیل رسوبات می‌دهند - یک ماده پلیمری چسبنده شبیه آسفالت و هدایت‌پذیر. این ماده به طور متوسط در روغن حل شده و تحت تأثیر میدان الکتریکی سریعاً تشکیل می‌شود، به مواد عایقی یا لبه‌های ظرف ترانسفورماتور چسبیده و بر لوله‌های روغن و بالاخوان‌های خنک‌کننده ترکیب می‌شود، دما عملیاتی ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد و قدرت عایقی را کاهش می‌دهد.

فرآیند اکسیداسیون روغن شامل دو شرط واکنش اصلی است: اولاً، مقدار اسیدی بسیار بالا در ترانسفورماتور که روغن را اسیدی می‌کند؛ ثانیاً، اکسیدها که در روغن حل شده‌اند به ترکیباتی غیرقابل حل در روغن تبدیل می‌شوند، که به تدریج کیفیت روغن ترانسفورماتور را تخریب می‌کند.

۲.۵ تجزیه و تحلیل، ارزیابی و نگهداری روغن ترانسفورماتور

① تخریب روغن عایق: هر دو ویژگی فیزیکی و شیمیایی تغییر می‌کنند، که عملکرد الکتریکی را تخریب می‌کند. با تست کردن مقدار اسیدی روغن، تنش رابطی، رسوبات زمینه‌ای و مقدار اسید محلول در آب می‌توان مشخص کرد که آیا این نوع نقص وجود دارد. درمان تجدید روغن ممکن است محصولات تخریب شده را حذف کند، اگرچه این فرآیند ممکن است آنتی‌اکسیدانت‌های طبیعی را نیز حذف کند.

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

③ آلودگی روغن عایق با میکروب: در زمان نصب ترانسفورماتور اصلی یا بلند کردن هسته، حشرات روی قطعات عایقی یا باقی‌مانده عرق انسان ممکن است باکتری را منتقل کرده و روغن عایق را آلوده کنند؛ یا روغن خود ممکن است با میکروارگانیسم‌ها آلوده شده باشد. ترانسفورماتورهای اصلی معمولاً در محیط‌های ۴۰-۸۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند که بسیار مناسب رشد و تکثیر میکروارگانیسم‌ها است. چون مواد معدنی و پروتئین‌های موجود در میکروارگانیسم‌ها و ترشحات آن‌ها دارای خصوصیات عایقی بسیار کمتر از روغن عایق هستند، آن‌ها ضرر عایقی روغن را افزایش می‌دهند. این نقص با درمان دوره‌ای در محل دشوار قابل رفع است، چرا که برخی از میکروارگانیسم‌ها همیشه روی عایق‌های جامد باقی می‌مانند. پس از درمان، عایق ترانسفورماتور ممکن است به طور موقت بازیابی شود، اما محیط کاری مساعد برای رشد مجدد میکروارگانیسم‌ها است، که باعث تخریب تدریجی عایق در سال‌های متوالی می‌شود.

④ رزین عایق آلکیدی با مواد قطبی حل شده در روغن: تحت تأثیر میدان الکتریکی، مواد قطبی دو قطبی آرامش‌بخش را تجربه می‌کنند، که در فرآیندهای قطبش جریان متناوب انرژی مصرف می‌کنند و ضرر عایقی روغن را افزایش می‌دهند. اگرچه رزین عایق قبل از ترک کارخانه تثبیت می‌شود، ممکن است درمان ناقص باقی بماند. پس از گذشت مدتی، رزین ناقص تدریجاً در روغن حل شده و عملکرد عایق را به طور تدریج تخریب می‌کند. زمان وقوع این نقص با کامل بودن درمان رزین مرتبط است؛ یک یا دو درمان جذب می‌تواند مؤثریت معینی داشته باشد.

⑤ روغن فقط آلوده با آب و آلودگی: این آلودگی ویژگی‌های اساسی روغن را تغییر نمی‌دهد. رطوبت می‌تواند از طریق خشک کردن حذف شود؛ آلودگی‌ها می‌توانند از طریق فیلتراسیون پاک شوند؛ هوا در روغن می‌تواند از طریق خلاء حذف شود.

⑥ مخلوط کردن دو یا چند منبع مختلف روغن عایق: ویژگی‌های روغن باید با مشخصات مرتبط مطابقت داشته باشد؛ چگالی روغن، دمای انجماد، ویسکوزیته و نقطه تبادل باید مشابه باشند؛ و پایداری روغن مخلوط شده باید مطابق با نیازها باشد. برای روغن مخلوط شده تخریب شده، روش‌های بازیابی شیمیایی نیاز است تا محصولات تخریب شده را جدا کرده و ویژگی‌ها را بازیابی کند.

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 ساخت به سه نوع تقسیم شوند: نوع تزریق خلاء با مخلوط رزین اپوکسی و سنگ ریز، نوع تزریق خلاء با فشار دیفرانسیل با تقویت شده با فیبر شیشه‌ای بدون سدیم، و نوع تزریق با فیبر شیشه‌ای بدون سدیم.

① عایق تزریق خلاء با مخلوط رزین اپوکسی و سنگ ریز: این ترانسفورماتورها از سنگ ریز به عنوان پرکننده رزین اپوکسی استفاده می‌کنند. سیم‌پیچ‌هایی که با رنگ‌آمیز عایقی پوشیده شده‌اند در قالب‌های تزریق قرار می‌گیرند و با مخلوط رزین اپوکسی و سنگ ریز تزریق می‌شوند. به دلیل چالش‌های فرآیند تزریق در تأمین نیازهای کیفیت، مانند حباب‌های باقی‌مانده، عدم یکنواختی محلی مخلوط و شکست حرارتی محلی، این ترانسفورماتورهای عایقی برای محیط‌های مرطوب و گرم و مناطق با تغییرات بار قابل توجه مناسب نیستند.

② عایق تزریق خلاء با فشار دیفرانسیل با تقویت شده با فیبر شیشه‌ای بدون سدیم: این نوع از فیبرهای شیشه‌ای کوتاه بدون سدیم یا پتوی شیشه‌ای به عنوان عایق خارجی بین لایه‌های پیچشی استفاده می‌کند. ضخامت عایق خارجی پیچشی معمولاً یک عایق نازک ۱-۳ میلی‌متری است. پس از مخلوط شدن با ماده تزریق رزین اپوکسی با تناسب مناسب، حباب‌های هوا در زیر خلاء بالا حذف می‌شوند. چون ضخامت عایق پیچشی نازک است، ترکیب ناقص می‌تواند نقاط جریان جزئی را ایجاد کند. بنابراین، مخلوط ماده تزریق باید کامل باشد، خلاء‌گیری باید کامل باشد و ویسکوزیته کم و سرعت تزریق باید کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که پیچش‌های سیم‌پیچ به طور کامل در حین تزریق ترکیب شوند.

③ عایق تزریق با فیبر شیشه‌ای بدون سدیم: این ترانسفورماتورها در حین پیچش عایق‌سازی لایه‌ای و تزریق سیم‌پیچ را به طور همزمان انجام می‌دهند. آن‌ها نیاز به قالب‌های پیچشی مورد نیاز در دو فرآیند تزریق قبلی ندارند، اما نیاز به رزین با ویسکوزیته کم دارند که نباید حباب‌های میکروسکوپی در حین پیچش و تزریق 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 جریان جزئی است.

① ویژگی‌های افزایش دما: ترانسفورماتورهای رزینی سطح افزایش دمای متوسط بیشتری نسبت به ترانسفورماتورهای روغنی دارند که نیازمند مواد عایق با درجه حرارت بالاتر است. با این حال، افزایش دمای متوسط نمایانگر دمای گرم‌ترین نقطه در پیچه‌ها نیست. هنگامی که درجه حرارت مقاومت عایق فقط بر اساس افزایش دمای متوسط یا به طور نادرست انتخاب شود یا ترانسفورватورهای رزینی تحت شرایط بار زیاد طولانی مدت عمل کنند، عمر مفید ترانسفورماتور تأثیر پذیرد.

چون افزایش دمای اندازه‌گیری شده اغلب نمایانگر دمای گرم‌ترین نقطه نیست، هر زمان که ممکن است، باید از ترمومترهای فروسرخ برای بررسی گرم‌ترین نقاط ترانسفورماتورهای رزینی در حالت بار ماکسیمم استفاده شود. جهت و زاویه مراوح خنک‌کننده باید تنظیم شوند تا افزایش دمای محلی کنترل شود و عملکرد ایمن ترانسفورماتور تضمین شود.

② ویژگی‌های 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 تأثیرگذار بر عملکرد، کیفیت و عمر مفید ترانسفورماتور رزینی است. بنابراین، اندازه‌گیری و قبولی میزان تخلیه جزئی به عنوان ارزیابی جامعی از فرآیند ساخت و کیفیت عمل می‌کند. باید اندازه‌گیری تخلیه جزئی در هنگام تحویل ترانسفورماتور رزینی و پس از تعمیرات عمده انجام شود و تغییرات در تخلیه جزئی برای ارزیابی پایداری کیفیت و عملکرد استفاده شود.

با گسترش تدریجی ترانسفورماتورهای خشک، هنگام انتخاب ترانسفورماتورها، باید ساختار فرآیند ساخت، طراحی عایق و ترکیب عایق به طور کامل درک شود. محصولات از تولیدکنندگان با فرآیندهای تولید کامل، سیستم‌های تضمین کیفیت صریح، مدیریت تولید دقیق و عملکرد فنی قابل اعتماد باید انتخاب شوند تا کیفیت و عمر حرارتی ترانسفورماتور تضمین شود و در نتیجه عملکرد ایمن و قابلیت اطمینان تأمین برق بهبود یابد.

4. عوامل اصلی تأثیرگذار بر خرابی عایق ترانسفورماتور

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

4.1 تأثیرات دما

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

دمای متفاوت باعث تجزیه‌های متفاوت سلولز باز شدن حلقه، شکست زنجیره و تولید گاز می‌شود. در دمای مشخص، نرخ تولید CO و CO2 ثابت است، به معنی افزایش خطی محتوای CO و CO2 در روغن با زمان. با افزایش مداوم دما، نرخ تولید CO و CO2 اغلب به صورت نمایی افزایش می‌یابد. بنابراین، محتوای CO و CO2 در روغن مستقیماً مرتبط با سن‌پیری حرارتی کاغذ عایق است و می‌تواند به عنوان یک معیار برای تشخیص ناهماهنگی‌های لایه‌های کاغذ در ترانسفورماتورهای مسدود شده عمل کند.

عمر مفید ترانسفورماتور به درجه سن‌پیری عایق بستگی دارد که بستگی به دمای عملکرد دارد. به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور روغنی در بار اسمی دارای افزایش دمای متوسط پیچه 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 با بار زیاد و افزایش دما عمل کند، عمر کوتاه‌تر می‌شود.

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

4.2 تأثیرات رطوبت

وجود رطوبت سبب تسریع تجزیه سلولز می‌شود. بنابراین، تولید CO و CO2 مرتبط با محتوای رطوبت در مواد سلولزی است. در رطوبت ثابت، محتوای رطوبت بالاتر منجر به تولید بیشتر CO2 می‌شود؛ برعکس، محتوای رطوبت کمتر منجر به تولید بیشتر CO می‌شود.

رطوبت میکرو در روغن عایق عامل مهمی در تأثیر بر ویژگی‌های عایق است. رطوبت میکرو در روغن عایق به شدت خصوصیات الکتریکی و فیزیکی-شیمیایی مedium عایق آسیب می‌رساند. رطوبت می‌تواند ولتاژ تخلیه شعله در روغن عایق را کاهش دهد، ضریب اتلاف دی الکتریک (tan δ) را افزایش دهد، سن‌پیری روغن عایق را تسریع کند و عملکرد عایق را بدتر کند. مواجهه تجهیزات با رطوبت نه تنها قابلیت اطمینان و عمر مفید تجهیزات قدرت را کاهش می‌دهد بلکه می‌تواند باعث آسیب به تجهیزات و حتی خطر برای ایمنی شخصی شود.

4.3 تأثیرات روش‌های محافظت روغن

اکسیژن در روغن ترانسفورماتور واکنش‌های تجزیه عایق را تسریع می‌کند که میزان اکسیژن مرتبط با روش‌های محافظت روغن است. علاوه بر این، روش‌های محافظت متفاوت شرایط حل و پخش CO و CO2 در روغن را متفاوت می‌کنند. به عنوان مثال، CO دارای محلول‌پذیری کم است که امکان پخش آن به فضای روی روغن در ترانسفورماتورهای باز را می‌دهد، به طور کلی حجم کسری CO را به بیش از ۳۰۰×۱۰-۶ محدود می‌کند. در ترانسفورماتورهای مسدود، چون سطح روغن از هوای محیط جدا شده است، CO و CO2 به راحتی تبخیر نمی‌کنند و میزان آن‌ها بالاتر است.

4.4 تأثیرات ولتاژ بیش از حد

① تأثیرات ولتاژ بیش از حد موقت: ترانسفورماتورهای سه‌فاز در حالت عملکرد معمول ولتاژ فاز-زمین برابر ۵۸٪ ولتاژ فاز-فاز تولید می‌کنند. با این حال، در مواقع خطا یک‌فازی، ولتاژ عایق اصلی در سیستم‌های زمین‌شده میانی ۳۰٪ و در سیستم‌های بدون زمین‌شده میانی ۷۳٪ افزایش می‌یابد که می‌تواند عایق را آسیب ببیند.

② تأثیرات ولتاژ بیش از حد بر اثر برق: ولتاژ بیش از حد برق دارای موج‌هایی با شیب تند است که باعث توزیع نامساوی ولتاژ در عایق طولی (پیچه-پیچه، لایه-لایه، دیسک-دیسک) می‌شود که می‌تواند نشانه‌های تخلیه را در عایق باقی گذارد و عایق جامد را آسیب ببیند.

③ اثرات ولتاژ بیش از حد تغییر حالت: ولتاژهای بیش از حد تغییر حالت موج جلوی نسبتاً تدریجی دارند که منجر به توزیع ولتاژ تقریباً خطی می‌شود. هنگامی که موج‌های ولتاژ بیش از حد تغییر حالت از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر منتقل می‌شوند، ولتاژ تقریباً متناسب با نسبت دورهای دو سیم‌پیچ است و به راحتی می‌تواند باعث تخریب و آسیب به عایق اصلی یا عایق فاز به فاز شود.

4.5 اثرات الکترودینامیکی خطا

نیروهای الکترودینامیکی در مواقع خطا می‌توانند سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور را تغییر شکل دهند و سیم‌ها را جابجا کنند، فواصل عایق اولیه را تغییر دهند، باعث گرم شدن عایق شوند، پیری را تسریع کنند یا آسیب برسانند که منجر به تخلیه، قوس الکتریکی و خطا 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 تأمین انرژی ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد. به عنوان تجهیزات اصلی مهم در سیستم‌های قدرت، کارکنان عملیات و نگهداری و مدیران باید ساختار عایق، ویژگی‌های مواد، کیفیت فرآیند، روش‌های نگهداری و تکنولوژی‌های تشخیص علمی ترانسفورماتورهای قدرت را درک و تسلط داشته باشند. فقط از طریق مدیریت عملیاتی بهینه و منطقی می‌توان کارایی، عمر مفید و قابلیت اطمینان تأمین انرژی ترانسفورماتورهای قدرت را تضمین کرد.