چگونه می‌توان خطاهای ترانسفورماتور را تشخیص داد و سر و صدا را کاهش داد

با توجه به توسعه سریع اقتصاد چین، صنعت برق نیز به تدریج در مقیاس گسترش یافته است و نیازها برای ظرفیت نصب شده و ظرفیت واحد ترانسفورماتورهای قدرت را افزایش داده است. این مقاله به طور خلاصه به چهار جنبه می‌پردازد: ساختار ترانسفورماتور، محافظت ترانسفورماتور از طوفان، عیوب ترانسفورماتور و صدای ترانسفورماتور.

ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی رایج است که قادر به تبدیل انرژی الکتریکی متناوب است. آن می‌تواند یک نوع انرژی الکتریکی (جریان و ولتاژ متناوب) را به نوع دیگری از انرژی الکتریکی (با فرکانس مشابه جریان و ولتاژ متناوب) تبدیل کند. در کاربردهای عملی، عملکرد اصلی ترانسفورماتور تغییر سطح ولتاژ است که انتقال انرژی را آسان‌تر می‌کند.

بر اساس نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی، ترانسفورماتورها به دو نوع ترانسفورماتور پایین‌بر و بالا‌بر تقسیم‌بندی می‌شوند. ترانسفورماتوری با نسبت ولتاژ کمتر از ۱ ترانسفورماتور پایین‌بر نامیده می‌شود که عملکرد اصلی آن تأمین ولتاژ مورد نیاز برای دستگاه‌های مختلف الکتریکی و اطمینان از دریافت ولتاژ مناسب توسط کاربران است. ترانسفورماتوری با نسبت ولتاژ بیشتر از ۱ ترانسفورماتور بالا‌بر نامیده می‌شود که عملکرد اصلی آن کاهش هزینه‌های انتقال برق، کاهش ضایعات برق در حین انتقال و گسترش مسافت انتقال است.

ساختار ترانسفورماتور
در ترانسفورماتورهای قدرت با ظرفیت متوسط و بزرگ، یک مخزن روغنی بسته وجود دارد که با روغن ترانسفورماتور پر شده است. پیچه‌ها و هسته ترانسفورماتور در روغن غوطه‌ور شده‌اند تا به تبدیل بهتر گرما کمک کنند. بوش‌های عایق‌بندی شده برای خروج پیچه‌ها و اتصال به مدارهای خارجی استفاده می‌شوند. ترانسفورماتور از مولفه‌های زیر تشکیل شده است: دستگاه تنظیم ولتاژ، بدنه اصلی، دستگاه‌های ترمینال خروجی، مخزن روغن، دستگاه‌های محافظتی و دستگاه‌های خنک‌کننده. دستگاه تنظیم ولتاژ به دو نوع تنظیم تحت بار و بدون بار تقسیم می‌شود، که در واقع یک نوع سوئیچ لوله‌ای است؛ بدنه اصلی شامل مسیرهای اتصال، هسته، ساختار عایق‌بندی و پیچه‌ها است؛ دستگاه‌های ترمینال خروجی شامل بوش‌های ولتاژ پایین و بالا است؛ مخزن روغن شامل لوازم جانبی (شامل شیرهای نمونه‌برداری روغن، صفحه نام، شیرهای خلاء، پیچ‌های زمین‌کشی و چرخ‌ها) و بدنه اصلی (شامل کف، دیواره و پوشش) است؛ دستگاه‌های محافظتی شامل مصرف‌کننده‌های رطوبت، رله‌های گازی، مخازن ذخیره‌کننده روغن، رله‌های شناور روغن، نمایشگرهای سطح روغن، حسگرهای دما و شیرهای ایمنی است؛ دستگاه‌های خنک‌کننده شامل خنک‌کننده‌ها و رادیاتورها است.

صدای ترانسفورماتور و روش‌های کاهش آن
ترانسفورماتورها معمولاً صدایی در حین عملکرد تولید می‌کنند که عمدتاً به دلیل نیروهای الکترومغناطیسی که باعث ارتعاش بدنه اصلی و انقباض مغناطیسی صفحات فولاد سیلیکونی در میدان‌های مغناطیسی می‌شوند، و همچنین صدای تولید شده توسط موتورهای مراوح و سیستم خنک‌کننده است. سیستم شنوایی انسان فقط صداهایی را در فرکانس‌های ارتعاشی خاص می‌تواند درک کند؛ وقتی فرکانس بین ۱۶ هرتز و ۲۰۰۰ هرتز است، می‌تواند شنیده شود. صداهای فوق صوتی بالاتر از این محدوده و صداهای زیر صوتی پایین‌تر از آن قابل درک نیستند. صدا از هسته به هوا، پیچه‌ها و ساختارهای فشاری منتشر می‌شود—این مسیر اصلی انتقال صدای ترانسفورماتور قدرت است. صدا می‌تواند با کاهش چگالی جریان مغناطیسی و کاهش انقباض مغناطیسی در صفحات فولاد سیلیکونی هسته کاهش یابد. با این حال، کاهش چگالی جریان مغناطیسی اندازه هسته و تعداد صفحات فولاد سیلیکونی را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را بالا می‌برد. برای کاهش صدا بدون افزایش هزینه، افزودن مولفه‌های دمپینگ موثر است. به عنوان مثال، قرار دادن فضایاط باز و عایق‌بندی شده مطاطی بین پیچه ولتاژ پایین و هسته می‌تواند پیچه را محکم کند و پدیده کッション را فراهم کند. این ساختار دمپینگ کمک می‌کند تا صدا در حین انتقال کاهش یابد.

محافظت ترانسفورماتور از طوفان
در چین، هرساله تعداد زیادی از ترانسفورماتورها به دلیل برخورد برق از دست می‌روند. بر اساس مراجع مربوطه، از میان ترانسفورماتورهای توزیع ۱۰ کیلوولتی که آسیب دیده‌اند، ۴٪ تا ۱۰٪ آنها به دلیل برخورد برق آسیب دیده‌اند. اتصالات نامناسب خطوط زمینی و نصب نادرست محافظ‌های برق ترانسفورماتور دلایل اصلی آسیب‌های مربوط به برق هستند. مسائل کلیدی شامل: زمین‌کشی جداگانه محافظ‌های برق سمت ولتاژ بالا و پایین و نقطه میانی ترانسفورماتور؛ خطوط اتصال طولانی و مقطع کابل‌های زمینی کوچک؛ عدم وجود محافظ‌های برق در سمت ولتاژ پایین؛ استفاده از ساختار حمایتی به عنوان کابل زمینی محافظ‌های برق سمت ولتاژ بالا؛ و عدم انجام آزمون‌های پیشگیرانه بر روی محافظ‌های برق.

عیوب ترانسفورماتور
وقتی هر یک از تغییرات زیر در ترانسفورماتور رخ دهد، می‌توان تحلیل عیب را بر اساس وضعیت عملیاتی واقعی آن انجام داد: ترانسفورماتور باعث قطع برق می‌شود به دلیل یک حادثه یا پدیده‌هایی مانند کوتاه‌شدن خروجی، اما هنوز تجزیه‌وتحلیل نشده است؛ پدیده‌های ناهماهنگ در حین عملکرد رخ می‌دهند که مجبور می‌کنند اپراتورها ترانسفورماتور را برای بازرسی یا تست خاموش کنند؛ در آزمون‌های پیشگیرانه، پذیرش نگهداری یا راه‌اندازی در شرایط قطع برق عادی، یک یا چند مقدار پارامتر از حد مجاز عبور می‌کنند. اگر هر یک از این شرایط در استفاده واقعی رخ دهد، ترانسفورماتور باید فوراً تحت بازرسی‌ها و تست‌های مربوطه قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که می‌تواند به طور عادی عمل کند.

مراحل تعیین وجود عیب:

• ابتدا، احتمال وجود عیب را تعیین کنید و آنچه که آیا عیب واضح (قابل مشاهده) یا پنهان (پنهان) است.

• دوم، نوع عیب را شناسایی کنید—آیا عیب مربوط به روغن یا عایق جامد است، یا عیب حرارتی یا الکتریکی است.

• سوم، عواملی مانند توان عیب، زمان فعال شدن رله به دلیل اشباع، شدت، روند توسعه، دمای نقاط داغ و سطح اشباع گاز در روغن شاخص‌های معمول برای تعیین وجود عیب هستند.

• چهارم، روش مناسبی برای رسیدگی به حادثه پیدا کنید. اگر ترانسفورماتور پس از حادثه هنوز می‌تواند عمل کند، در حین عملکرد تعیین کنید آیا اقدامات ایمنی و روش‌های نظارت نیاز به تعدیل دارند و آیا بازرسی داخلی یا تعمیر لازم است.

دلایل مختلف می‌توانند منجر به عیوب ترانسفورماتور شوند که می‌توانند به چند روش طبقه‌بندی شوند. به عنوان مثال، بر اساس نوع مدار، می‌توانند به عیوب مدار روغن، مدار مغناطیسی و مدار الکتریکی تقسیم‌بندی شوند. در حال حاضر، شایع‌ترین و وخیم‌ترین عیب ترانسفورماتور کوتاه‌شدن خروجی است که می‌تواند عیوب تخلیه را نیز القا کند. عیوب کوتاه‌شدن ترانسفورماتور معمولاً به کوتاه‌شدن فاز به فاز در داخل ترانسفورماتور، کوتاه‌شدن زمین در خطوط اتصال یا پیچه‌ها و کوتاه‌شدن خروجی اشاره دارد.

بسیاری از حوادث ناشی از این عیوب رخ می‌دهند. به عنوان مثال، کوتاه‌شدن خروجی ولتاژ پایین ترانسفورماتور معمولاً نیاز به جایگزینی پیچه‌های متأثر دارد؛ در موارد شدید، ممکن است تمام پیچه‌ها نیاز به جایگزینی داشته باشند که موجب خسارات اقتصادی و پیامدهای قابل توجه می‌شود. عیوب کوتاه‌شدن ترانسفورماتور باید جدی گرفته شوند. به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور (۱۱۰ کیلوولت، ۳۱.۵ مگاوات، مدل SFS2E8-31500/110) با یک حادثه کوتاه‌شدن روبرو شد که همراه با قطع سوئیچ‌های سه‌طرفه ترانسفورماتور اصلی و فعال شدن محافظ گاز سنگین بود.

بعد از بازگرداندن ترانسفورماتور به کارخانه برای تعمیر، بازرسی در حین بلند کردن پوشش نشان داد: زنگ‌زدگی در هر دو قسمت پایه و هسته بالایی (به دلیل باران در زمان حادثه)؛ تغییر شکل شدید پیچه ولتاژ میانی فاز C، فرو ریختن پیچه ولتاژ بالا فاز C و کوتاه‌شدن بین پیچه‌های ولتاژ پایین و میانی به دلیل جابجایی صفحات فشاری؛ تغییر شکل شدید پیچه‌های ولتاژ میانی و پایین فاز B؛ پیچه ولتاژ پایین فاز C در دو بخش سوزانده شده بود؛ و ذرات مسی ریز و کروی بسیاری بین دورهای پیچه وجود داشت. علل اصلی شامل: کمبود قدرت عایق‌بندی ساختار عایق‌بندی؛ ترازنشدن صفحات فشاری، فقدان پد‌ها و جابجایی آزاد؛ و پیچه‌های آزاد بود.

تخلیه عمدتاً عایق‌بندی ترانسفورماتور را آسیب می‌دهد که در دو جنبه نمایان می‌شود: اولاً، گازهای فعال تولید شده توسط تخلیه—مانند اکسیدهای کلر، ازن و گرما—در شرایط خاص واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌کنند که منجر به فرسودگی محلی عایق، افزایش ضریب ضایعات دی‌الکتریک و در نهایت تخریب حرارتی می‌شود. ثانیاً، ذرات تخلیه مستقیماً عایق را تیراندازی می‌کنند و آسیب محلی به عایق ایجاد می‌کنند که به تدریج گسترش می‌یابد و در نهایت منجر به تخریب می‌شود.

به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور (۶۳ مگاوات، ۲۲۰ کیلوولت) با یک تخلیه در ۱.۵ برابر ولتاژ روبرو شد که همراه با صدای تخلیه قابل شنیدن و سطح تخلیه بالا تا ۴۰۰۰–۵۰۰۰ پیکوکولوم بود. وقتی ولتاژ آزمون بین دور به ۱.۰ برابر کاهش یافت و روش آزمون خط پایانی به ۱.۵ برابر ولتاژ تغییر کرد، صدای تخلیه رخ نداد و سطح تخلیه به طرز قابل توجهی به زیر ۱۰۰۰ پیکوکولوم کاهش یافت. در نتیجه بازرسی و تجزیه، ردیاب‌های تخلیه شبیه درخت در گوشه‌های عایق پایانی یافت شد که عمدتاً به دلیل کیفیت نامناسب عایق بود.

هرگاه تخلیه جزئی در سطح عایق جامد رخ دهد، به ویژه وقتی هر دو مؤلفه عمودی و مماسی قدرت میدان الکتریکی موجود باشد، حادثه بسیار شدید خواهد بود. عیوب تخلیه جزئی می‌توانند در هر مکانی که مواد عایق‌بندی نامناسب یا میدان‌های الکتریکی متمرکز باشند رخ دهند، مانند بین دورهای پیچه، در خطوط اتصال شیلد الکترواستاتیک پیچه ولتاژ بالا، بین موانع فازی و در خطوط ولتاژ بالا.

ترانسفورماتورها دستگاه‌های الکتریکی گسترده‌ای هستند که در مدارهای الکترونیکی و سیستم‌های برق استفاده می‌شوند. به عنوان تجهیزات کلیدی در استفاده، توزیع و انتقال برق، ترانسفورماتورها نقش جایگزین‌ناپذیری دارند. بنابراین، بیشتر توجه باید به ترانسفورماتورها در کاربردهای عملی شود.