روش جامع بهبود عملکرد برای ترانسفورماتورهای انتقال: بهینه سازی خنک سازی و کاهش زیان مدار مغناطیسی

۱. پیشینه و چالش‌ها

با رشد مداوم بارهای الکتریکی و افزایش نیاز به عملکرد پایدار شبکه، ترانسفورماتورهای انتقال با چالش‌های جدی در زمینه کارایی عملیاتی، کنترل افزایش دما و قابلیت اطمینان بلندمدت مواجه هستند. دماهای عملیاتی بالا موجب سرعت‌بخشی به پیری مواد عایقی، کوتاه شدن عمر مفید تجهیزات و افزایش خطرات خرابی می‌شود. از دیگر طرف، تلفات مدار مغناطیسی (عمدتاً تلفات آهن و مس) کارایی استفاده از انرژی را کاهش می‌دهند و منجر به هزینه‌های عملیاتی غیرضروری می‌شوند. برای حل دو مسئله اصلی موجود در ترانسفورماتورهای انتقال - افزایش دما بیش از حد و تلفات مدار مغناطیسی قابل توجه - این راهکار جامع تدوین شده است.

۲. اهداف راهکار

• کاهش قابل توجه دماهای عملیاتی: کنترل دمای روغن بالایی و دمای نقطه داغ پیچه‌ها در حاشیه‌های ایمن عملیاتی.
• کاهش موثر تلفات مدار مغناطیسی: تمرکز بر کاهش تلفات بدون بار (آهن) و تلفات تحت بار (مس)، بهبود کلی کارایی عملیاتی.
• افزایش قابلیت اطمینان عملیاتی: کاهش نرخ خرابی‌های ناشی از گرم شدن و تلفات بیش از حد، تمدید عمر مفید ترانسفورماتور.
• بهینه‌سازی هزینه کل دوره عمر: بهبود کارایی اقتصادی ترانسفورماتور از طریق صرفه‌جویی در انرژی و کاهش فرکانس نگهداری.

۳. اقدامات اصلی کاهش

این راهکار از استراتژی یکپارچه "کنترل منبع تلفات + بهبود قابلیت تبدیل حرارت + مدیریت دقیق وضعیت" استفاده می‌کند:

۳.۱ بهینه‌سازی و به‌روزرسانی سیستم خنک‌سازی، بهبود کارایی تبدیل حرارت (حل مشکل افزایش دما)

• استفاده از روش‌های خنک‌سازی با کارایی بالا:
• خنک‌سازی هوا اجباری (OFAF/ODAF): بازسازی ترانسفورماتورهای موجود خنک‌سازی طبیعی هوا (ONAN) یا خنک‌سازی هوا اجباری (ONAF) یا تجهیز ترانسفورماتورهای جدید با مراوح محوری با کارایی بالا. انتخاب مراوح کارآمد، کم‌صدا و مقاوم در برابر شرایط آب‌وهوایی با کنترل هوشمند جریان هوا (مانند شروع/توقف خودکار بر اساس دما یا تنظیم سرعت متغیر) برای بهبود قابل توجه کارایی همرفت هوا روی سطح رادیاتور و حذف سریع حرارت.
• خنک‌سازی اجباری روغن-آب (OFWF): با اولویت برای ترانسفورماتورهای با ظرفیت فوق‌العاده، واحدهای با ضریب بار بالا یا کسانی که در دمای محیط بالا عمل می‌کنند. تجهیز با پمپ‌های روغن با کارایی بالا و مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای برای استفاده از ظرفیت گرمایی بالای آب برای تبادل حرارتی کارآمد. نیاز به سیستم‌های درمان آب پشتیبان (برای جلوگیری از رسوب و فرسودگی) و مکانیزم‌های تضمین قابلیت اطمینان (مانند مسیرهای دوگانه آب، پمپ‌های پشتیبان).
• کمک خنک‌سازی با لوله‌های گرمایی: نصب ماژول‌های لوله گرمایی در نقاط کلیدی رادیاتور برای رساندن و تبدیل حرارت محلی با استفاده از اصل تغییر فاز.
• بهینه‌سازی ساختار و ترتیب رادیاتور:
• استفاده از رادیاتورهای با سطح مقطع بیشتر (مانند رادیاتورهای پره‌دار، صفحه‌ای) و طراحی مسیرهای جریان بهینه.
• اطمینان از مسیرهای جریان صاف برای مایع خنک‌کننده (هوا یا آب)، حذف محدودیت‌های محلی جریان و بهبود یکنواختی تبدیل حرارت.
• (برای خنک‌سازی هوا) بهینه‌سازی موقعیت مراوح و طراحی مجرای هوا برای تضمین پوشش جریان هوا یکنواخت روی سطح رادیاتور، کاهش مناطق مرده.
• کنترل خنک‌سازی هوشمند:
• تنظیم خروجی سیستم خنک‌سازی (سرعت/تعداد مراوح، دبی پمپ روغن) بر اساس نظارت واقعی بر دمای روغن، دمای پیچه و دمای محیط. تضمین تبدیل حرارت بر اساس تقاضا، در حالی که مصرف انرژی تجهیزات کمکی را به حداقل می‌رساند.

۳.۲ بهینه‌سازی مواد و ساختار هسته، کاهش تلفات آهن (کنترل تلفات مغناطیسی هسته)

• انتخاب مواد هسته با کارایی بالا:
• اولویت به ورق‌های آهن سیلیسیم سردکش با نفوذپذیری بالا و تلفات واحد کم (مانند فولاد HiB) یا مواد آلیاژی غیربلوری پیشرفته‌تر (که مزیت قابل توجهی برای کاهش تلفات بدون بار دارند).
• کنترل دقیق ضخامت، صافی و کیفیت پوشش عایقی ورق‌های آهن سیلیسیم برای کاهش تلفات هیسترزیس و جریان‌های دوگانه.
• بهینه‌سازی طراحی و فرآیندهای ساخت هسته:
• اجرای روش‌های پیچش گام‌به‌گام برای کاهش مخالفت مغناطیسی در اتصالات، کاهش تلفات آهن اضافی.
• کنترل دقیق ضریب پیچش هسته و نیروی بستن برای تضمین توزیع یکنواخت مسیر مغناطیسی و جلوگیری از اشباع محلی.
• (استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته) بررسی تکنیک‌های مانند خراش‌زنی لیزری (Laser Scribbling) برای بهینه‌سازی بیشتر ساختار دامنه مغناطیسی مواد.
• بهینه‌سازی روش‌های زمین‌بندی هسته و محافظت برای کاهش تلفات جانبی در المان‌های ساختاری.

۳.۳ بهینه‌سازی طراحی پیچه و بهبود فرآیندها، کاهش تلفات مس (کنترل کلیدی تلفات مغناطیسی)

• بهینه‌سازی ساختار پیچه و طراحی الکترومغناطیسی:
• محاسبه دقیق توزیع آمپر دور، بهینه‌سازی شکل مقطع رسانا (مانند استفاده از کابل‌های مستمر ترانسبوزه (CTC) یا کابل‌های خودپیوند ترانسبوزه (TTC)) برای کاهش جریان‌های گردشی و جریان‌های دوگانه.
• انتخاب مناسب مواد رسانا (مس بدون اکسیژن با رسانایی بالا) و چگالی جریان، کاهش مؤثر تلفات مقاومت مستقیم در حالی که محدودیت‌های افزایش دما را رعایت می‌کند.
• بهینه‌سازی ارتفاع، قطر و ابعاد شعاعی پیچه برای کنترل فلسک خروجی و کاهش تلفات جانبی.
• فرآیندهای ساخت پیشرفته:
• اطمینان از چگالی یکنواخت پیچه با استفاده از تجهیزات پیچش با فشار ثابت.
• استفاده از فرآیندهای پیشرفته ترکیب تحت فشار خلاء (VPI) یا ریزه‌کاری رزین برای تضمین پر شدن کامل فضاهای خالی با مواد عایقی، بهبود رسانایی حرارتی و مقاومت مکانیکی، کمک به تبدیل حرارت و کاهش تخلیه‌های جزئی.

۳.۴ نظارت دقیق بر وضعیت مدار مغناطیسی و نگهداری پیشگیرانه (مدیریت حلقه بسته، تضمین عملکرد بلندمدت)

• اجرای نظارت دقیق بر وضعیت مدار مغناطیسی:
• ارزیابی جامع سلامت مدار مغناطیسی با ادغام نظارت آنلاین (مانند تجزیه و تحلیل گازهای محلول (DGA)، نظارت بر تخلیه‌های جزئی با فرکانس بالا، نظارت بر ارتعاش/صدا، ترموگرافی مادون قرمز) و آزمون‌های آفلاین (آزمون تغییر شکل پیچه‌ها به طور دوره‌ای، آزمون تلفات بدون بار و تحت بار، آزمون جریان زمین هسته).
• تمرکز نظارت: نشانه‌های خرابی‌های چند نقطه‌ای زمین‌بندی هسته، نوسانات غیرطبیعی تلفات، گرم شدن بیش از حد محافظ‌های مغناطیسی و ساختارهای بستن.
• تأسیس مکانیزم نگهداری پیشگیرانه:
• توسعه برنامه‌های نگهداری مدار مغناطیسی هدفمند بر اساس داده‌های نظارت وضعیت و تاریخچه عملیاتی.
• بازرسی دوره‌ای زمین‌بندی هسته و ساختارهای بستن: تضمین زمین‌بندی تک نقطه‌ای مطمئن، تشخیص و رفع خرابی‌های چند نقطه‌ای زمین‌بندی (که تلفات آهن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند و گرم شدن می‌کنند).
• بازرسی محافظ‌های مغناطیسی، دستگیره‌ها و سایر المان‌های ساختاری: بررسی برای آزادی، گرم شدن یا نشانه‌های تخلیه؛ رفع سریع ناهماهنگی‌ها.
• در بازرسی‌های بلند کردن هسته/پوشش، بررسی و نگهداری متمرکز روی اتصالات لایه‌های هسته و وضعیت بستن.
• اجرا تحلیل تشخیصی عمیق بر روی روندهای افزایشی تلفات غیرعادی برای شناسایی دلایل اصلی و اجرای اقدامات اصلاحی.

۴. مزایای مورد انتظار

• کاهش قابل توجه افزایش دما: دماهای عملیاتی (به ویژه دمای نقاط داغ) مورد انتظار کنترل شده و کاهش‌هایی به دست می‌آیند که به اهداف پیش‌بینی شده (مانند ۱۵-۲۵٪) می‌رسند، که موجب کاهش قابل توجه استرس پیری حرارتی عایق می‌شود.
• کاهش موثر تلفات مدار مغناطیسی:
• تلفات آهن (تلفات بدون بار): کاهش مورد انتظار ۲۰-۴۰٪ از طریق مواد و فرآیندهای جدید (به ویژه قابل توجه است وقتی از آلیاژهای غیربلوری استفاده می‌شود).
• تلفات مس (تلفات تحت بار): کاهش مورد انتظار ۱۰-۲۵٪ از طریق طراحی پیچه بهینه.
• بهبود کلی کارایی ۱-۳ درصد، که مزایای اقتصادی قابل توجه و کاهش انتشار کربن را ارائه می‌دهد.
• افزایش قابل توجه قابلیت اطمینان: خطرات خرابی ناشی از گرم شدن و ناهماهنگی‌های مدار مغناطیسی به طور قابل توجه کاهش می‌یابد، که موجب افزایش دسترسی تجهیزات و تمدید عمر مفید می‌شود.
• بهینه‌سازی هزینه کل دوره عمر: با وجود سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر (مانند مواد با کارایی بالا، سیستم‌های خنک‌سازی پیشرفته)، مزایای حاصل از صرفه‌جویی در انرژی، کاهش هزینه‌های نگهداری و تمدید عمر مفید بیشتر است، که بازدهی سرمایه (ROI) مطلوبی را ارائه می‌دهد.

۵. محدوده قابل اعمال

این راهکار برای ترانسفورماتورهای انتقال (توان) جدید و در حال استفاده با سطح ولتاژ ۳۵kV و بالاتر قابل اعمال است. اقدامات خاص می‌توانند بر اساس ظرفیت، سطح ولتاژ، محیط عملیاتی، اهمیت و وضعیت فعلی ترانسفورماتور شخصی‌سازی و اجرا شوند.