چگونه می‌توان عیوب ترانسفورماتور را تشخیص داد و سر و صدا را کاهش داد
با 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 افزایش یافته است. این مقاله مقدمه‌ای کوتاه درباره چهار جنبه ارائه می‌دهد: ساختار ترانسفورماتور، محافظت ترانسفورماتور در برابر برق زمینی، خطاها و نویز ترانسفورماتور.
ترانسفورماتور دستگاه الکتریکی رایجی 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 سطوح ولتاژ است که انتقال برق را آسان‌تر می‌کند.
بر اساس نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی، ترانسفورماتورها به دو دسته ترانسفورماتورهای کاهنده و بالابر تقسیم‌بندی می‌شوند. ترانسفورماتور با نسبت ولتاژ کمتر از ۱ ترانسفورماتور کاهنده نامیده می‌شود که اصلی‌ترین وظیفه آن تأمین ولتاژ مورد نیاز برای دستگاه‌های مختلف الکتریکی و اطمینان از دریافت ولتاژ مناسب توسط کاربران است. ترانسفورماتور با نسبت ولتاژ بیشتر از ۱ ترانسفورماتور بالابر نامیده می‌شود که اصلی‌ترین وظیفه آن کاهش هزینه‌های انتقال برق، کاهش ضایعات برق در حین انتقال و افزایش فاصله 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 شده تا بهترین تảnیفت گرمایی را داشته باشند. بوش‌های عایق‌بندی برای خروج پیچه‌ها و اتصال به مدارهای خارجی استفاده می‌شود. ترانسفورماتور از مولفه‌های اصلی زیر تشکیل شده است: دستگاه تنظیم ولتاژ، بدنه اصلی، دستگاه‌های ترمینال خروجی، مخزن روغن، دستگاه‌های محافظ و دستگاه‌های خنک‌کننده. دستگاه تنظیم ولتاژ به دو دسته تنظیم‌کننده‌های تحت بار و بدون بار تقسیم می‌شود که اساساً نوعی سوئیچ تنظیم‌کننده است؛ بدنه اصلی شامل رهگذرها، هسته، ساختار عایق‌بندی و پیچه‌ها است؛ دستگاه‌های ترمینال خروجی شامل بوش‌های ولتاژ پایین و بالا است؛ مخزن روغن شامل لوازم جانبی (از جمله شیر نمونه‌برداری روغن، صفحه نام، شیر خالی‌کن، پیچ زمین و چرخ‌ها) و بدنه اصلی مخزن (شامل قاعده، دیواره‌ها و پوشش) است؛ دستگاه‌های محافظ شامل تنفس‌گرهای خشک‌کن، رله‌های گازی، مخازن محافظ، رله‌های شناور روغن، نمایشگرهای سطح روغن، سنسورهای دما و شیرهای ایمنی است؛ دستگاه‌های خنک‌کننده شامل خنک‌کننده‌ها و رادیاتورها است.
نویز ترانسفورماتور و روش‌های کاهش آن
ترانسفورماتورها در طول عملکرد معمولاً صدایی تولید می‌کنند که عمدتاً به دلیل نیروهای الکترومغناطیسی که باعث ارتعاش بدنه اصلی و کشش مغناطیسی در ورق‌های فولاد سیلیکونی تحت میدان‌های مغناطیسی می‌شود، همچنین نویز تولید شده توسط مراوح و بلواکرهای سیستم خنک‌کننده است. سیستم شنوایی انسان فقط می‌تواند صدا را در فرکانس‌های ارتعاشی معینی درک کند؛ وقتی فرکانس بین ۱۶ هرتز تا ۲۰۰۰ هرتز است، می‌تواند شنیده شود. اولتراسونیک بالاتر از این محدوده و اینفراسونیک پایین‌تر از آن درک نمی‌شوند. نویز از هسته به هوا، پیچه‌ها و ساختارهای ضربه‌گیری منتشر می‌شود—این مسیر اصلی انتشار نویز ترانسفورماتورهای قدرت است. نویز را می‌توان با کاهش چگالی شار مغناطیسی و کمینه کردن کشش مغناطیسی در ورق‌های فولاد سیلیکونی هسته کاهش داد. با این حال، کاهش چگالی شار مغناطیسی باعث افزایش اندازه هسته و تعداد ورق‌های فولاد سیلیکونی و در نتیجه افزایش هزینه می‌شود. برای کاهش نویز بدون افزایش هزینه، افزودن مولفه‌های دمپر موثر است. به عنوان مثال، قرار دادن فضایاط با فوم لاستیکی بین پیچه ولتاژ پایین و هسته می‌تواند پیچه را محکم کند و پرده‌ای برای تضعیف ارتعاش ایجاد کند. این ساختار دمپر کمک می‌کند تا نویز در طول انتشار کاهش یابد.
محافظت ترانسفورماتور در برابر برق زمینی
در چین، هرساله تعداد زیادی از ترانسفورماتورها به دلیل برخورد برق زمینی آسیب می‌بینند. بر اساس مراجع ذی‌صلاح، از میان ترانسفورماتورهای توزیع ۱۰ کیلوولتی آسیب‌دیده، ۴٪ تا ۱۰٪ به دلیل برخورد برق زمینی آسیب می‌بینند. اتصالات نادرست خطوط زمینی و نصب نادرست محافظ‌های برق زمینی ترانسفورماتور دلایل اصلی آسیب‌دیدگی‌های مرتبط با برق زمینی هستند. مسائل کلیدی شامل: زمین‌کشی جداگانه محافظ‌های برق زمینی سمت ولتاژ بالا و پایین و نقطه میانی ترانسفورماتور؛ خطوط زمینی طولانی و مقطع کابل زمینی کوچک؛ عدم وجود محافظ‌های برق زمینی در سمت ولتاژ پایین؛ استفاده از سازه پشتیبان به عنوان خط زمینی محافظ‌های برق زمینی سمت ولتاژ بالا؛ و عدم انجام آزمایش‌های پیشگیرانه بر روی محافظ‌های برق زمینی.
خطاهای ترانسفورماتور
وقتی هر یک از تغییرات زیر در ترانسفورماتور رخ می‌دهد، می‌توان تحلیل خطا را بر اساس شرایط عملکرد فعلی آن انجام داد: ترانسفورماتور باعث قطع برق می‌شود به دلیل حادثه یا اتفاقاتی مانند کوتاه‌مداری خروجی، اما هنوز جدا نشده است؛ پدیده‌های ناهماهنگ در طول عملکرد رخ می‌دهد که مجبور می‌کند اپراتورها ترانسفورماتور را برای بازرسی یا تست خاموش کنند؛ در طول آزمایش‌های پیشگیرانه، پذیرش نگهداری یا راه‌اندازی در شرایط قطع برق عادی، یک یا چند مقدار پارامتر از حد مجاز فراتر می‌رود. اگر هر یک از این وضعیت‌ها در استفاده واقعی رخ دهد، ترانسفورماتور باید فوراً تحت بازرسی و تست‌های مربوطه قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که می‌تواند به طور عادی عمل کند.
مراحل تعیین وجود خطا:
ابتدا، احتمال وجود خطا را تعیین کنید و آنچه که آیا خطا واضح (قابل مشاهده) یا پنهان (پنهان) است.
دوم، نوع خطا را شناسایی کنید—آیا خطا مربوط به روغن یا عایق جامد است، یا خطا حرارتی یا الکتریکی است.
سوم، عواملی مانند توان خطا، زمان فعال شدن رله به دلیل اشباع، شدت، روند توسعه، دمای نقطه گرم، و سطح اشباع گاز در روغن نشانه‌های رایج برای تعیین وجود خطا هستند.
چهارم، روش مناسبی برای رسیدگی به حوادث پیدا کنید. اگر ترانسفورماتور پس از حادثه هنوز می‌تواند عمل کند، در طول عملکرد تعیین کنید که آیا اقدامات ایمنی و روش‌های نظارتی نیاز به تعدیل دارند یا آیا بازرسی داخلی یا تعمیر لازم است.
دلایل مختلفی می‌توانند منجر به خطا در ترانسفورماتور شوند که می‌توان آنها را به چندین روش طبقه‌بندی کرد. به عنوان مثال، بر اساس نوع مدار، می‌توان آنها را به خطاها در مدار روغن، مدار مغناطیسی و مدار الکتریکی تقسیم‌بندی کرد. در حال حاضر، خطا شایع‌ترین و شدیدترین خطا در ترانسفورماتور خروجی کوتاه‌مداری است که می‌تواند خطاهاي تخلیه‌ای را نیز القا کند. خطاهاي کوتاه‌مداری در ترانسفورماتور معمولاً به کوتاه‌مداری بین فاز‌ها در داخل ترانسفورماتور، خطاهاي زمینی در خطوط یا پیچه‌ها و کوتاه‌مداری خروجی اشاره دارد.
بسیاری از حوادث ناشی از این خطاها رخ می‌دهند. به عنوان مثال، کوتاه‌مداری در خروجی ولتاژ پایین ترانسفورماتور معمولاً نیاز به تعویض پیچه متأثر را دارد؛ در موارد شدید، تمام پیچه‌ها ممکن است نیاز به تعویض داشته باشند که موجب خسارات اقتصادی و پیامدهای قابل توجه می‌شود. خطاهاي کوتاه‌مداری در ترانسفورماتور باید با جدیت برخورد شود. به عنوان مثال، ترانسفورماتور (۱۱۰ کیلوولت، ۳۱.۵ مگاوات، مدل SFS2E8-31500/110) تجربه حادثه کوتاه‌مداری داشت 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 طول بلند کردن پوشش نشان داد: زنگ‌زدن در پایه و هسته بالایی (به دلیل باران در طول حادثه)؛ تغییر شکل شدید پیچه ولتاژ متوسط فاز C، فروپاشی پیچه ولتاژ بالا فاز C و کوتاه‌مداری بین پیچه‌های ولتاژ پایین و متوسط به دلیل جابجایی صفحات ضربه‌گیری؛ تغییر شکل شدید پیچه‌های ولتاژ متوسط و پایین فاز B؛ پیچه ولتاژ پایین فاز C در دو بخش سوزانده شده بود؛ و ذرات مسی ریز و حباب‌های مس بین دورهای پیچه. علل اصلی شامل: نقص در مقاومت عایق‌بندی ساختار عایق‌بندی؛ تراز نامناسب صفحات ضربه‌گیری، فقدان پد، و جابجایی آزاد؛ و پیچه‌های آزاد.
تخلیه عمدتاً عایق‌بندی ترانسفورماتور را آسیب می‌بیند، که در دو جنبه نمایان می‌شود: اول، گازهای فعال تولید شده توسط تخلیه—مانند اکسیدهای کلر، اوزون و گرما—در شرایط خاص واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌کنند که منجر به خوردگی محلی عایق، افزایش ضریب دی‌الکتریک و در نهایت تخریب حرارتی می‌شود. دوم، ذرات تخلیه مستقیماً عایق را بمباران می‌کنند و آسیب محلی به عایق ایجاد می‌کنند که به تدریج گسترش می‌یابد و در نهایت تخریب می‌شود.
به عنوان مثال، ترانسفورماتور (۶۳ مگاوات، ۲۲۰ کیلوولت) تجربه تخلیه در ۱.۵ برابر ولتاژ داشت که همراه با صدای تخلیه قابل شنیدن و سطح تخلیه بالای ۴۰۰۰ تا 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 طول بازسازی و بازرسی، ردیابی تخلیه شبیه درخت در گوشه‌های عایق‌بندی پایانی یافت شد که عمدتاً به دلیل کیفیت نامناسب عایق‌بندی بود.
هر زمان که تخلیه جزئی در سطح عایق جامد رخ دهد، به ویژه زمانی که مؤلفه‌های عمودی و مماسی قوت میدان الکتریکی موجود باشند، حادثه بسیار شدید خواهد بود. خطاهاي تخلیه جزئی می‌توانند در هر مکانی که عایق‌بندی نامناسب یا میدان الکتریکی متمرکز باشد رخ دهند، مانند بین دورهای پیچه، در خطوط ورودی پیچه‌های مغناطیسی 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، باید در کاربردهای عملی بیشتر به ترانسفورماتورها توجه کرد.
