تبدیل‌کننده‌های برق: ریسک‌های خوردگی کوتاه، دلایل و اقدامات بهبود

ترانسفورماتورهای برق: خطرات، دلایل و اقدامات بهبودی

ترانسفورماتورهای برق اجزای اساسی در سیستم‌های توزیع انرژی هستند که انتقال انرژی را فراهم می‌کنند و از جهت تضمین عملکرد ایمن برق نقش مهمی ایفا می‌کنند. ساختار آنها شامل پیچ‌های اصلی، پیچ‌های ثانویه و یک هسته آهنی است که از اصل القای الکترومغناطیسی برای تغییر ولتاژ متناوب استفاده می‌کنند. با بهبود فنی طولانی مدت، قابلیت اطمینان و پایداری تأمین برق به طور مداوم افزایش یافته است. با این حال، هنوز خطرات نهفته‌ای وجود دارد. برخی از واحد ترانسفورماتورها دارای توان مقاومت کافی در برابر ضربه‌های کوتاه شدن نیستند که آنها را مستعد وقوع پدیده کوتاه شدن می‌کند. برای تعیین مؤثر علل و مکان خطاها، تحقیقات درباره شکست‌های ترانسفورماتور و تکنولوژی‌های تشخیصی باید تقویت شود تا تکنولوژی‌های متناسبی برای حل مشکلات تشخیص خطا در ترانسفورماتورها اتخاذ شوند.

۱. خطرات کوتاه شدن ترانسفورماتورهای برق

• تأثیر جریان تیز: کوتاه شدن ناگهانی در ترانسفورماتور جریان کوتاه شدن زیادی را ایجاد می‌کند. اگرچه مدت زمان آن کوتاه است، اما قبل از قطع مدار اصلی ترانسفورماتور، این خطر نهفته ممکن است شکل گرفته باشد که می‌تواند باعث آسیب داخلی به ترانسفورماتور و کاهش سطح عایق‌بندی شود.

• تأثیر نیروهای مغناطیسی: در حین کوتاه شدن، جریان بیش از حد نیروهای مغناطیسی قابل توجهی را ایجاد می‌کند که بر پایداری تأثیر می‌گذارد. در شرایط وخیم، پیچ‌های ترانسفورماتور ممکن است تا حدودی تحت تأثیر قرار گیرند، مانند تغییر شکل پیچ‌ها، آسیب به قدرت عایق‌بندی پیچ‌ها و آسیب به قطعات دیگر. در شرایط بسیار خاص، این می‌تواند منجر به حوادث ایمنی برق مانند سوختن ترانسفورماتور شود.

۲. دلایل کوتاه شدن ترانسفورماتورهای برق

(۱) برنامه‌های محاسبه جریان بر اساس مدل‌های ایده‌آل توسعه یافته‌اند که فرض می‌کنند توزیع میدان مغناطیسی نشتی یکنواخت، قطر لپ‌ها یکسان و نیروها همزمان باشند. اما در واقعیت، میدان مغناطیسی نشتی در ترانسفورماتورها به صورت یکنواخت توزیع نمی‌شود و در بخش یوک تمرکز بیشتری دارد، جایی که سیم‌های الکترومغناطیسی تحت نیروهای مکانیکی بیشتری قرار می‌گیرند. در نقاط ترانپوزیشن سیم‌های CTC، تغییر شیب بالا رونده جهت انتقال نیرو را تغییر می‌دهد و گشتاور ایجاد می‌کند. به دلیل عامل مدول الاستیک بلاک‌های جداکننده، توزیع نامتقارن بلاک‌های جداکننده موجب می‌شود که نیروهای متناوب ایجاد شده توسط میدان‌های مغناطیسی نشتی متناوب دچار واهمگاهی تأخیری شوند. این دلیل اساسی است که دیسک‌های پیچ در بخش یوک آهن، نقاط ترانپوزیشن و موقعیت‌های متناظر با تنظیمات پله‌ای ابتدا دچار تغییر شکل می‌شوند.

(۲) استفاده از هادی‌های ترانپوزیشنی معمولی با قدرت مکانیکی ضعیف آنها را مستعد تغییر شکل، جدایی تارها و بروز مس در مواجهه با نیروهای مکانیکی کوتاه شدن می‌کند. وقتی از هادی‌های ترانپوزیشنی معمولی استفاده می‌شود، جریان‌های بزرگ و شیب ترانپوزیشن شدید در این مکان‌ها گشتاور قابل توجهی ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، دیسک‌های پیچ در دو سر پیچ‌ها به دلیل ترکیب اثرات میدان‌های مغناطیسی نشتی شعاعی و محوری تحت گشتاور قابل توجهی قرار می‌گیرند که منجر به تغییر شکل پیچیده می‌شود.

به عنوان مثال، پیچ مشترک فاز A ترانسفورماتور ۵۰۰kV یانگاو ۷۱ ترانپوزیشن داشت و به دلیل استفاده از هادی‌های ترانپوزیشنی معمولی با ضخامت نسبتاً زیاد، ۶۶ ترانپوزیشن از آن‌ها در درجات مختلفی از تغییر شکل داشتند. به طور مشابه، ترانسفورماتور اصلی WuJing شماره ۱۱ نیز در بخش یوک آهن در انتهای پیچ‌های فشار بالا به دلیل استفاده از هادی‌های ترانپوزیشنی معمولی، تغییرات مختلفی از قلب شدن و بروز مس داشت.

(۳) محاسبات مقاومت در برابر کوتاه شدن تأثیر دما را بر قدرت خمشی و کششی سیم‌های الکترومغناطیسی در نظر نمی‌گیرند. مقاومت در برابر کوتاه شدن که در دمای اتاق طراحی شده است نمی‌تواند شرایط عملیاتی واقعی را منعکس کند. بر اساس نتایج آزمایش‌ها، دما سیم‌های الکترومغناطیسی به طور قابل توجهی بر محدوده تسلیم (σ0.2) آن‌ها تأثیر می‌گذارد. هر چه دما سیم‌های الکترومغناطیسی افزایش می‌یابد، قدرت خمشی، کششی و کشسانی آن‌ها کاهش می‌یابد. در دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد، قدرت خمشی و کششی به طور قابل توجهی کمتر از دمای ۵۰ درجه سانتیگراد است، در حالی که کشسانی بیش از ۴۰ درصد کاهش می‌یابد. در عمل، ترانسفورماتورها در بار اسمی دمای میانگین پیچ‌ها ۱۰۵ درجه سانتیگراد می‌رسد، در حالی که دمای نقاط داغ به ۱۱۸ درجه سانتیگراد می‌رسد. بیشتر ترانسفورماتورها در طول عملیات فرآیندهای اتصال مجدد خودکار را تجربه می‌کنند.

بنابراین، اگر نقطه کوتاه شدن فوراً ناپدید نشود، ترانسفورماتور در مدت زمان بسیار کوتاه (۰.۸ ثانیه) دچار ضربه کوتاه شدن دوم خواهد شد. اما پس از ضربه جریان کوتاه شدن اول، دمای پیچ‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. بر اساس استاندارد GB1094، دمای مجاز بیشینه ۲۵۰ درجه سانتیگراد است، جایی که مقاومت پیچ‌ها در برابر کوتاه شدن به طور قابل توجهی کاهش یافته است. این توضیح می‌دهد که چرا بیشتر حوادث کوتاه شدن ترانسفورماتورها پس از عملیات اتصال مجدد رخ می‌دهند.

(۴) ساختار پیچ‌های سست، پردازش ترانپوزیشن نامناسب و ضخامت بیش از حد موجب می‌شود که سیم‌های الکترومغناطیسی معلق شوند. از دیدگاه محل آسیب‌ها در حوادث، تغییر شکل بیشتر در نقاط ترانپوزیشن، به ویژه در مکان‌های ترانپوزیشن سیم‌های ترانپوزیشنی مشاهده می‌شود.

(۵) استفاده از هادی‌های نرم یکی از دلایل اصلی عدم مقاومت کافی در برابر کوتاه شدن ترانسفورماتورها است. به دلیل درک ناکافی در مراحل اولیه یا مشکلات در تجهیزات و فرآیندهای پیچ‌بندی، تولیدکنندگان تمایلی به استفاده از هادی‌های نیمه‌سخت یا نیازی به طراحی آن‌ها نداشتند. تمامی ترانسفورماتورهایی که خراب شدند از هادی‌های نرم استفاده می‌کردند.

(۶) فواصل مونتاژ بیش از حد موجب عدم پشتیبانی کافی بر روی سیم‌های الکترومغناطیسی می‌شود و خطرات نهفته‌ای برای مقاومت در برابر کوتاه شدن ترانسفورماتور ایجاد می‌کند.

(۷) تنش‌های پیش‌گیری ناهمگن اعمال شده به پیچ‌های مختلف یا موقعیت‌های تنظیم پله‌ای موجب پرش دیسک‌های پیچ در حین ضربه کوتاه شدن می‌شود که منجر به تنش خمشی بیش از حد بر روی سیم‌های الکترومغناطیسی و تغییر شکل بعدی می‌شود.

(۸) فقدان درمان تثبیت بین پیچهای لوله‌ای یا سیم‌ها منجر به مقاومت ضعیف در برابر کوتاه شدن می‌شود. پیچهای اولیه که با غوطه وردن در رزین درمان شده بودند، هیچ آسیبی ندیده بودند.

(۹) کنترل نادرست نیروی پیش تنیدگی پیچ در رسانه‌های متداول ترانه شده منجر به عدم ترازی رسانه‌ها می‌شود.

(۱۰) حوادث متعدد کوتاه شدن خارجی باعث اثرات تجمعی نیروهای الکترومغناطیسی پس از برخورد چندین جریان کوتاه شدن می‌شود، که منجر به نرم شدن سیم‌های الکترومغناطیسی یا جابجایی نسبی داخلی می‌شود و در نهایت به شکست عایقی می‌انجامد.

۳. اقدامات بهبودی برای افزایش مقاومت در برابر کوتاه شدن ترانسفورماتورهای قدرت

(۱) انجام آزمون‌های کوتاه شدن برای پیشگیری از مشکلات قبل از وقوع

 قابلیت اطمینان عملیاتی ترانسفورماتورهای بزرگ عمدتاً به ساختار و کیفیت فرآیند تولید آنها بستگی دارد، و سپس آزمون‌های مختلفی که در طول عملیات انجام می‌شود برای درک به موقع وضعیت تجهیزات. برای درک ثبات مکانیکی یک ترانسفورماتور، می‌توان آزمون کوتاه شدن را انجام داد تا نقاط ضعف را شناسایی و بهبود دهد و اطمینان از طراحی قدرت ساختاری ترانسفورماتورها را تضمین کند.

(۲) استانداردسازی طراحی و تأکید بر فرآیند فشرده‌سازی محوری در تولید پیچ

هنگام طراحی ترانسفورماتورها، تولیدکنندگان باید نه تنها کاهش زیان‌ها و بهبود سطح عایقی را در نظر بگیرند بلکه مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر خطاها را نیز افزایش دهند. از نظر فرآیندهای تولید، چون بسیاری از ترانسفورماتورها از صفحات فشاری عایقی استفاده می‌کنند که پیچ‌های ولتاژ بالا و پایین یک صفحه فشاری مشترک دارند، این ساختار نیازمند استانداردهای بالای فرآیند تولید است. بلوک‌های جداکننده باید تحت درمان چگالی قرار گیرند و پس از پردازش پیچ‌ها، پیچ‌های انفرادی باید تحت خشک کردن تحت فشار ثابت با اندازه‌گیری ارتفاع پیچ فشرده شوند.

پس از پردازش فوق، پیچ‌های روی یک صفحه فشاری باید به ارتفاع یکسان تنظیم شوند. در مرحله نهایی مونتاژ، باید فشار مشخص شده با دستگاه‌های هیدرولیکی به پیچ‌ها اعمال شود تا ارتفاع طراحی شده و مورد نیاز فرآیند به دست آید. در مونتاژ نهایی، نه تنها باید به فشرده‌سازی پیچ‌های ولتاژ بالا توجه شود بلکه به خصوص کنترل فشرده‌سازی پیچ‌های ولتاژ پایین نیز مهم است.