بهینه‌سازی روش‌های زمین‌داری هسته و باندهای تبدیل‌کننده برق

اقدامات حفاظتی زمین کشی ترانسفورماتور به دو نوع تقسیم می‌شود: اول، زمین کشی نقطه میانی ترانسفورماتور. این اقدام جلوگیری از پخش شدن ولتاژ نقطه میانی ناشی از عدم تعادل بار سه فاز در طول عملکرد ترانسفورماتور را فراهم می‌کند و امکان قطع سریع دستگاه‌های محافظ و کاهش جریان‌های کوتاه مداری را فراهم می‌کند. این را زمین کشی عملکردی برای ترانسفورماتور می‌نامند. دوم، زمین کشی هسته و بسته‌بندی ترانسفورماتور.

این اقدام جلوگیری از ایجاد ولتاژ القایی روی سطوح هسته و بسته‌بندی ناشی از میدان‌های مغناطیسی داخلی در طول عملکرد را فراهم می‌کند که می‌تواند منجر به خطاهاي تخلیه جزئی شود. این را زمین کشی محافظتی برای ترانسفورماتور می‌نامند. برای تضمین عملکرد ایمن و قابل اعتماد ترانسفورماتور، این مقاله روش‌های زمین کشی خاص برای هسته و بسته‌بندی ترانسفورماتور را تحلیل و بهینه‌سازی می‌کند.

۱. اهمیت زمین کشی هسته و بسته‌بندی

اجزای اصلی داخلی ترانسفورماتور شامل: لایه‌های الکتریکی، هسته و بسته‌بندی است. لایه‌های الکتریکی مدار الکتریکی ترانسفورماتور را تشکیل می‌دهند، هسته مدار مغناطیسی را تشکیل می‌دهد و بسته‌بندی عمدتاً برای ثابت کردن لایه‌های الکتریکی و ورق‌های فولاد سیلیسیم استفاده می‌شود. در طول عملکرد معمول، لایه‌های اولیه و ثانویه زمانی که جریان از آن‌ها می‌گذرد میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌کنند. در این محیط مغناطیسی، ولتاژ‌های القایی روی سطوح هسته و بسته‌بندی ایجاد می‌شوند. 

با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، شار مغناطیسی تدریجاً بزرگ‌تر می‌شود که باعث افزایش تدریجی ولتاژ‌های القایی می‌شود. به دلیل توزیع ناهمگن میدان مغناطیسی، ولتاژ‌های القایی ناهمگن تفاوت‌های پتانسیلی ایجاد می‌کنند که منجر به تخلیه مداوم روی سطوح هسته و بسته‌بندی و در نتیجه خطاهاي داخلی ترانسفورماتور می‌شود. این ولتاژ که باعث خطاهاي تخلیه داخلی ترانسفورماتور می‌شود "ولتاژ شناور" نامیده می‌شود. بنابراین، در طول عملکرد، هسته و بسته‌بندی ترانسفورماتور باید در یک نقطه زمین کشی شوند تا ولتاژ‌های القایی کاهش یابند و حذف شوند.

هنگام زمین کشی هسته و بسته‌بندی ترانسفورماتور، فقط یک نقطه زمین کشی مجاز است تا جریان‌های چرخه‌ای بین هسته و بسته‌بندی جلوگیری شود. اگر دو یا چند نقطه زمین کشی وجود داشته باشد، تفاوت‌های پتانسیلی باعث جریان‌های چرخه‌ای بین هسته و بسته‌بندی می‌شود که منجر به افزایش غیرطبیعی دما در داخل ترانسفورماتور می‌شود. این به طور مستقیم باعث آسیب به عایق‌های جامد داخلی و شتابان کهنسالی روغن عایق می‌شود و عمر معمول ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

۲. روش‌های زمین کشی هسته و بسته‌بندی و روش‌های بهینه‌سازی

در طراحی‌های فعلی ترانسفورماتورهای چین، زمین کشی هسته و بسته‌بندی عمدتاً از طریق اتصالات از طریق بوشینگ‌های کوچک یا پیچ‌های عایق به بیرون ظرف ترانسفورماتور قبل از زمین کشی انجام می‌شود. این روش زمین کشی به دو روش تقسیم می‌شود:

روش زمین کشی اول (شکل ۱) هسته و بسته‌بندی را از طریق بوشینگ‌ها یا پیچ‌های عایق متصل می‌کند و سپس آن‌ها را با هم کوتاه می‌کند و سپس زمین کشی می‌کند. در طول عملکرد معمول ترانسفورماتور، این روش زمین کشی سه مسیر جریان را نشان می‌دهد که با I1، I2 و I3 مشخص می‌شوند:

• I1: هسته → ترمینال زمین کشی → زمین

• I2: بسته‌بندی → ترمینال زمین کشی → زمین

• I3: هسته → ترمینال زمین کشی → زمین → بسته‌بندی

روش زمین کشی دوم (شکل ۲) هسته و بسته‌بندی را از طریق بوشینگ‌ها یا پیچ‌های عایق به نقاط زمین کشی جداگانه متصل می‌کند. این روش زمین کشی نیز در طول عملکرد معمول سه مسیر جریان را نشان می‌دهد:

• I1: هسته → نقطه زمین کشی هسته → زمین

• I2: بسته‌بندی → نقطه زمین کشی بسته‌بندی → زمین

• I3: هسته → نقطه زمین کشی هسته → زمین → نقطه زمین کشی بسته‌بندی → بسته‌بندی

از بین دو روش زمین کشی ذکر شده، جریان‌های زمین کشی القایی I1 و I2 نشان‌دهنده شرایط معمولی هستند. با این حال، جریان زمین کشی القایی I3 تفاوت قابل توجهی دارد:

در روش زمین کشی نشان داده شده در شکل ۱، جریان القایی از مسیر: هسته → ترمینال زمین کشی → بسته‌بندی می‌گذرد که "جریان چرخه‌ای" بین هسته و بسته‌بندی ترانسفورماتور ایجاد می‌کند. تحت تأثیر حرارتی این جریان، دمای داخلی ترانسفورماتور به طور غیرطبیعی افزایش می‌یابد. دمای بالا به طور مستقیم باعث تخریب عایق‌های جامد و کهنسالی روغن عایق می‌شود. علاوه بر این، به دلیل تأثیر جریان چرخه‌ای، سیستم‌های نظارت آنلاین نمی‌توانند جریان‌های زمین کشی هسته و بسته‌بندی را به طور دقیق اندازه‌گیری کنند که منجر به تشخیص اشتباه خطاها در زمان رخ دادن خطاها می‌شود. بنابراین، روش زمین کشی اول معایب قابل توجهی دارد.

در مقابل، روش زمین کشی نشان داده شده در شکل ۲ جریان القایی را از طریق: هسته → نقطه زمین کشی هسته → زمین → نقطه زمین کشی بسته‌بندی → بسته‌بندی می‌گذراند. از آنجا که جریان از طریق زمین مقاومت بالا می‌گذرد، "جریان چرخه‌ای" بین هسته و بسته‌بندی ایجاد نمی‌شود. این امر از افزایش غیرطبیعی دما در ترانسفورماتور جلوگیری می‌کند و سیستم‌های نظارت آنلاین را قادر می‌سازد تا جریان‌های زمین کشی هسته و بسته‌بندی را به طور دقیق اندازه‌گیری کنند (بر اساس DL/T 596-2021 کد آزمون پیشگیرانه برق، جریان زمین کشی هسته نباید بیش از ۰٫۱ A و جریان زمین کشی بسته‌بندی نباید بیش از ۰٫۳ A در طول عملکرد ترانسفورماتور باشد). این امر شواهد قابل اعتمادی برای تعیین وجود یا عدم وجود خطاها داخلی در ترانسفورماتور فراهم می‌کند.

برای ترانسفورماتور تنظیم ولتاژ بدون تحریک xx-223000/500، هسته و بسته‌بندی از روش زمین کشی نشان داده شده در شکل ۱ استفاده می‌کنند که چندین مشکل عملکردی را ایجاد می‌کند:

(۱) در طول عملکرد، "جریان چرخه‌ای" به راحتی بین هسته و بسته‌بندی داخلی ایجاد می‌شود. تأثیر حرارتی باعث افزایش غیرطبیعی دما می‌شود، که منجر به شتابان کهنسالی عایق‌های جامد و روغن عایق می‌شود و در نتیجه عمر ترانسفورماتور کاهش می‌یابد.

(۲) به دلیل تأثیر "جریان گردشی"، سیستم‌های نظارت آنلاین نمی‌توانند جریان‌های زمینی هسته و بسته‌بندی را به طور دقیق اندازه‌گیری کنند، که این امر امکان ارائه مدارک قطعی برای تعیین خرابی‌های داخلی را می‌سازد.

(۳) جریان‌های زمینی القایی هسته و بسته‌بندی می‌توانند به طور مداوم اندازه‌گیری شده و با جریان‌های نشتی که توسط سیستم آنلاین نظارت شده است مقایسه شوند تا صحت عملکرد سیستم نظارت را تأیید کنند.

(۴) در حین تعمیر و نگهداری ترانسفورماتور، در زمان اندازه‌گیری مقاومت عایق بین هسته/بسته‌بندی و زمین، باید سیم‌های زمین خارجی جدا شوند. از آنجا که این مدل ترانسفورماتور از پیچ‌های مسی M10 (معایقت از زمین) برای اتصالات هسته و بسته‌بندی استفاده می‌کند، که هادی‌بودن عالی دارند اما مقاومت مکانیکی پایینی دارند و مشمول شکستن هستند. در عملیات میدانی، فضاهای محدود و نیروهای نامتوازن می‌توانند به راحتی منجر به شکستن پیچ‌های مسی شوند. با توجه به ساختار فشرده داخلی ترانسفورماتور، برطرف کردن این خرابی نیازمند بلند کردن پوشش ظرف برای جایگزینی است، که بر چرخه‌های نگهداری معمولی و کارایی عملیاتی تأثیر می‌گذارد.

با توجه به این چهار مسئله، برای تضمین تشخیص دقیق جریان‌های زمینی القایی هسته و بسته‌بندی در حین عملیات، تمدید عمر مفید ترانسفورماتور، حذف "جریان‌های گردشی" و جلوگیری از خرابی‌های ناشی از عملیات تعمیر و نگهداری که موجب گسترش محدوده تعمیر می‌شود، توصیه می‌شود روش زمینی‌سازی هسته و بسته‌بندی ترانسفورماتور از کنفیگوراسیون شکل ۱ به کنفیگوراسیون شکل ۲ بهینه شود.

۳.نتیجه‌گیری

از طریق معرفی دقیق اجزای داخلی ترانسفورماتور و عملکردهای آن‌ها، همراه با تحلیل علمی خرابی‌های رهاش که در حین عملیات رخ می‌دهند، تغییرات موفقیت‌آمیز در بخش‌های معیوب انجام شده است. این رویکرد باعث تمدید عمر مفید تجهیزات، بهبود ایمنی شبکه برق و کاهش هزینه‌های نگهداری تجهیزات می‌شود.