انواع حفاظت های ترانسفورماتور

در این مقاله ابتدا با انواع ترانسفورماتور آشنا میشویم و سپس انواع حفاظت های ترانسفورماتور را بصورت مختصر توضیح خواهیم داد. کلید تنظیم ولتاژ، بوشینگ های فشار قوی و ضعیف، رطوبت گیر و  رله بوخهلتس را توضیح میدهیم و در انتها نیز با پخش یک ویدئو کوتاه نحوه عملکرد ترانسفورماتور را بصورت تصویری نشان می‌دهیم.

ترانسفورماتور چیست؟ (Transformer)

از کاربردی ترين دستگاه های مدارهای الکتريکی، ترانسفورماتورها يا به اختصار، ترانس ها هستند. حفاظت ترانسفورماتورها از اهمیت بالایی برخوردار هست زیرا ترانس ها منبع تامین انرژی پروژه ما می باشند. در تعریف ترانسفورماتور باید گفت که ترانسفورماتور وسيله ای است که توسط يک ميدان مغناطيسی، متغير انرژی الکتريکی را از يک سطح ولتاژ به انرژی الکتريکی در سطحی ديگر از ولتاژ تبديل می کند. بنابراین، ترانس ها برای انتقال انرژی الکتريکی از يک مدار AC به مدار دیگر AC، بدون تغيير فرکانس مدار به کار گرفته می شوند. این روش در مورد انتقال انرژی الکتريکی، از اهميت بسیار زيادی برخوردار است. زيرا در خطوط انتقال، برای کاهش تلفات اهمی، جريان الکتريسيته را با ولتاژهای زياد ولی جريان های کم، انتقال داده و سپس در محل مصرف، دوباره به اندازه مطلوب کاهش می دهد.

با توجه به اين که شدت جريان در مدار با توان دو، تلفات اهمی را تحت تاثير قرار می دهد، به همین دلیل، به طور مثال با کاهش جريان به نصف (ولتاژ دو برابر)، تلفات اهمی به 4 برابر کاهش خواهد يافت. مولدهای برق امروزی به طور معمول، جريان برق را با دامنه ولتاژی بين 12 الی 25 کيلوولت توليد می کنند. اين ولتاژ، توسط ترانسفورماتور افزاينده به 110 الی 1000 کيلوولت افزايش يافته و به نقاط دور دست منتقل می گردد.

شکل (1). طرحی از ترانسفورماتور توزیع روغنی (Oil Filled Transformer)

علاوه بر اين، به علت تنوع در مصرف کننده های انرژی از نقطه نظر قدرت مصرفی و ولتاژ مورد نياز، اکثر مصرف کننده های امروزی به منظور تطبيق ولتاژ ورودی به ولتاژ مورد نياز، مجهز به ترانس می باشند .هم چنین به دليل تنوع مصرف کننده ها انواع مختلفی از ترانس از نظر مقدار ولتاژ خروجی، و قدرت انتقال وجود دارد.

ترانسفورماتور در اساس از دو يا چند سيم پيچ تشکیل شده که به دور يک هسته فرومغناطيسی مشترک پيچيده اند. تنها اتصال بین اين سيم پيچ ها، ميدان مغناطيسی است که در داخل هسته وجود دارد. يکی از سيم پيچ ها به منبع ولتاژ متناوب (شبکه)، وصل است تا شاری متناوب در هسته ايجاد کند. دامنه این شار (φm) به ولتاژ اعمال شده، به سيم پيچ و تعداد دور سيم پيچ بستگی دارد. سيم پيچی که به شبکه وصل شده است به نام سيم پيچ اوليه يا ورودی 1 و سيم پيچی که به بار (مصرف کننده) وصل می شود به نام سيم پيچ ثانويه يا خروجی 2 شناخته می شود. گاهی ممکن است ترانس دارای سيم پيچ ديگری نيز باشد که در آن صورت به آن سيم پيچ ثالث یا خروجی 3 گفته می شود. از سيم پيچ های اضافی، جهت حصول سطوح مختلف ولتاژ در خروجی استفاده می شود.

شکل (2). طرحی از ترانسفورماتور روغنی (Oil Filled Transformer)

انواع ترانسفورماتور

انواع ترانسفورماتور را میتوان به سه دسته تغييرات ولتاژ، نوع جريان، تجارتی تقسیم کرد:

انواع ترانسفورماتور از نظر تغييرات ولتاژ

انواع ترانسفورماتور از نظر تغییرات ولتاژ به شرح زیر است:

• ترانس های افزاينده که ولتاژ خروجی بيش تر از ولتاژ ورودی می باشد و در ابتدای خطوط انتقال قرار می گيرند.
• ترانس های کاهنده که ولتاژ خروجی کم تر از ولتاژ ورودی می باشد و در انتهای خطوط انتقال قرار می گيرند.

انواع ترانسفورماتور از نظر نوع جريان

انواع ترانسفورماتور از نظر نوع جریان به شرح زیر است:

• ترانس های تک فاز
• ترانس های سه فاز

انواع ترانسفورماتور از نظر تجاری

ترانسفورماتورها از نظر تجاری به شرح زیر می‌باشند:

• ترانس های قدرت که در ابتدا و يا انتهای خطوط انتقال فشار قوی قرار می گيرند.
• ترانس هايی که در شبکه اصلی قرار می گيرند و بيش تر ازkv110 است.
• ترانس هايی که در خطوط فرعی قرار می گيرند و بين 35-2 kv می باشند.
• ترانس های توزيع که در اول خطوط مصرف قرار می گيرند و ولتاژ خروجی آن ها با توجه به ولتاژ رايج هر کشوری ممکن است 220، 208 و 110 ولت باشد.

انواع حفاظت های ترانسفورماتور

در این قسمت به معرفی چند نمونه از انواع حفاظت‌های ترانسفورماتور به شرح زیر می‌پردازیم:

1. کلید تنظیم ولتاژ (Automatic Voltage Regulator)
2. بوشینگ های فشار قوی و ضعیف (LV and HV Bushing)
3. دستگاه رطوبت گیر (Dehumidifier)
4. رله بوخهلتس (Buchholz Relay)

در ادامه هر کدام از انواع حفاظت های ترانس ذکر شده در بالا را به اختصار توضیح می‌دهیم.

1. کلید تنظیم ولتاژ (Automatic Voltage Regulator)

تغییرات ولتاژ از رخدادهای متداول در مدارهای الکتریکی بوده و در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است. تنظیم کننده ولتاژ برای تنظیم ولتاژ مدار استفاده و از مهم ترین انواع حفاظت های ترانسفورماتور محسوب می گردد. دستگاه، ولتاژ نوسان دار را دریافت کرده و آن را به ولتاژی ثابت تبدیل می کند. نوسان ولتاژ، به صورت عمده به دلیل تغییر بار در سیستم تغذیه رخ می دهد. تغییر ولتاژ به تجهیزات سیستم آسیب می رساند. تغییرات ولتاژ را می توان با نصب تجهیزات کنترل ولتاژ در چندین مکان مانند ترانسفورماتورها، ژنراتورها، فیدرها و … کنترل کرد. ترانسفورماتور برای کنترل این ایراد، آن را با تغییرات در تعداد دور سیم پیچ ها برطرف می کند. تنظیم کننده ولتاژ در بیش از یک نقطه از سیستم برای کنترل تغییرات ولتاژ در نظر گرفته شده است.

البته در ترانسفورماتورهاي توزیع، از یکی از انواع این کلید با نام کلی “غیر قابل و قطع وصل زیر بار” استفاده می شود. براي انجام عمل تنظیم در ترانسفورماتورهاي توزیع از نوع قابل تغییر باید حتما ترانسفورماتور، بی برق باشد. این کلید، این عمل را با خارج نمودن ترانسفورماتور از مدار (Off Circuit) انجام می دهد و انشعبات آن از سیم پیچ اولیه با فشار قوی گرفته می شود.

شکل (3). اثر کلید تنظیم ولتاژ در مدار ترانسفورماتور

به طور معمول، کلید تنظیم ولتاژ بر روی درپوش تراسفورماتور قرار گرفته و به راحتی با آزاد نمودن قفل آن، می توان تنظیمات مورد نیاز را انجام داد. بر روی پلاک مشخصات ترانسفورماتور، مشخصات مورد لزوم جهت آگاهی از انشعابات و حالات مختلف کلید تنظیم ولتاژ، درج می گردد. محدوده تغییرات ولتاژ در ترانسفورماتورهای توزیع به شرح زیر می باشد:

• ترانسفورماتورهای 11 و 33 کیلوولت-آمپر.
• ترانسفورماتورهای 20 کیلوولت تا قدرت 200 کیلوولت-آمپر.
• ترانسفورماتورهای از قدرت 250 تا قدرت 2500 کیلوولت-آمپر.
• در ترانسفورمرهای هرمتیک با بالشتک گازی به صورت معمول، دستگیره کلید تنظیم ولتاژ، بر روی دیواره طولی ترانسفورماتور و سمت بوشینگ های فشار قوی قرار داده می شود.

2. بوشینگ های فشار قوی و ضعیف (LV and HV Bushing)

یکی دیگر از تجهیزات حفاظت ترانسفورماتور بوش ترانسفورماتور می باشد که سازه ای عایق است که عبور هادی با انرژی و جریان را از مخزن زمین ترانسفورماتور تسهیل می کند. بوش های مورد استفاده برای سیم پیچ (های) ولتاژ پایین ترانسفورماتور اغلب از نوع جامد با عایق چینی یا اپوکسی هستند. بوش های درجه بندی شده خازنی، که برای رتبه بندی ولتاژ بالاتر طراحی شده اند؛ برای سیم پیچ ولتاژ بالای ترانسفورماتورها استفاده می شود.

جزئیات کلی ساخت Bush، در شکل زیر نشان داده شده است. قسمت فعال بوش شامل هسته ای از روغن آغشته به کاغذ عایق تحت کشش در لوله هادی مرکزی ساخته شده است. داخلی ترین لایه کندانسور به صورت الکتریکی به فلنج ثابت کننده متصل می شود. هسته در زیر گرما و خلاء خشک شده و سپس با روغن عایق، آغشته می شود. مقره های چینی در دو طرف بالا و پایین بوش، با استفاده از مجموعه فنرهای قدرتمند همراه با لوله مرکزی نگه داشته می شوند، پیچ آزاد کننده هوا برای آزاد کردن هوای محبوس شده در ترانسفورماتور هنگام بالا بردن روغن یا می تواند به رله بوخهلتس متصل شود. در انتهای روغن، یک محافظ تنش با روکش اپوکسی برای کنترل تنش های زیاد در روغن داخل ترانسفورماتور فراهم شده است. یک محافظ قوس پایین قابل جدا شدن نیز برای کنترل بوش قرار داده شده است.

شکل (4). طرحی از بوشینگ فشار ضعیف و فشار قوی (LV and HV Bushing) در ترانسفورماتور

در ترانسفورماتورهای توزیع، معمولا بوشینگ های استاندارد DIN به کار گرفته می شود. بوشینگ فشار ضعیف، با استاندارد DIN42530 و بوشینگ فشار قوی، مطابق استاندارد DIN42531 کار می کند. البته بنا بر نیاز سیستم نیز می توان از انواع بوشینگ ها از جمله “بوشینگ رزینی فشار قوی” (Plug-In) با استاندارد EN50180 و “بوشینگ رزینی یکپارچه فشار ضعیف” (Mono-Block) ، با استاندارد BS2562، قابل نصب می باشد.

شکل (5). انواع بوشینگ استاندارد

     3. دستگاه رطوبت گیر (Dehumidifier)

هوای طبیعی کم و بیش از رطوبت تشکیل شده است و اگر اجازه ورود به ترانس داشته باشد می توان این رطوبت را با روغن مخلوط کرد. در هنگام ورود هوا به ترانسفورماتور باید در برابر رطوبت هوا مقاومت کرد، زیرا رطوبت برای عایق ترانسفورماتور بسیار مضر است. بنابراین رطوبت گیر هوا یکی دیگر از حفاظت های ترانشفورماتور می باشد که در ترانسفورماتورهای عایق روغن که دارای منبع انبساط هستند؛ در سمت دیواره جانب منبع انبساط  قرار می گیرد و عملکرد جذب رطوبت هوایی را دارد که در هنگام انقباض حرارتی مایع عایق توسط کنسرواتور مکیده شده است.

شکل (6). طرحی از مخزن دستگاه رطوبت گیر ترانسفورماتور

رطوبت گیر از ورود هوای آلوده و مرطوب به داخل منبع انبساط جلوگیری می کند. در نتیجه، بر عملکرد ترانسفورماتور و افزایش طول عمر مفید آن تاثیر بسیار زیادی دارد.

گاهی رطوبت گیر هوای نصب شده در ترانسفورماتورها یک ظرف شفاف، مخصوص بلورهای رطوبت گیر یا همان، نمک های اکسید سیلیکون است. بلورهای رطوبت گیر یا سیلیکاژل، جاذب رطوبت بسیار خوبی هستند و در زمان خشکی دستگاه، آبی رنگ بوده و به مرور زمان و پس از جذب رطوبت هوا به رنگ صورتی تغییر می یابند. در این صورت در فاصله های زمانی موجود، باید بلورهای تازه و خشک را جایگزین بلورهای مرطوب کرد و یا با خشک نمودن بلورهای مرطوب در دمای 120 الی 150 دوباره از آن ها استفاده کرد.

شکل (7). بلورهای سیلیکاژل درون مخزن دستگاه رطوبت گیر ترانسفورماتور

      4. رله بوخهلتس (Buchholz Relay)

در جهان، استفاده از رله های بوخهولتس روی همه ترانسفورماتورهای روغنی که دارای درجه بندی بیش از 750 کیلوولت آمپر هستند؛ امری متداول است. رله بوخهولتس، تکیه گاه محافظی برای تجهیزات غوطه ور در روغن برای اهداف عایق و خنک کننده است.

رله بوخهولتس، یک عیب یاب مکانیکی سریع و حساس برای شناسایی خطاهای الکتریکی در ترانسفورماتورهای روغنی است. رله بوخهولتس در لوله کشی، بین مخزن اصلی ترانسفورماتور و منبع انبساط روغن قرار می گیرد. برای کارکرد مطمئن، لوله محافظ باید کمی متمایل باشد. غالباً یک لوله بای پس (By-Pass) وجود دارد که امکان خارج کردن رله بوخولتس از سرویس را فراهم می کند.

وقتی خطای جزئی در ترانسفورماتور رخ می دهد. حجم گاز در بالای ترانس، افزایش پیدا می کند. سپس حباب های گاز از لوله کشی به سمت بوخهلتس حرکت می کنند. حباب های گاز به مخزن گاز بوخولتس وارد می شوند و به سطح روغن فشار آورده و آن را پایین می آورند. این بدان معنی است که گاز، جایگزین روغن موجود در محفظه می شود. با پایین آمدن سطح روغن، شناور کج شده و در مدار، زنگ خطر خاموش می شود.

شکل (8). رله نصب شده بوخهلتس در سیستم

وقتی خطای اساسی یک گسل بزرگ، یا در زمین بین فازها یا سیم پیچ ها، در ترانسفورماتور رخ می دهد. این گسل ها به سرعت حجم زیادی گاز (بیش از 50 سانتی متر مکعب در کیلووات) و بخار روغن تولید می کنند که نمی تواند خارج شوند. این انباشت، شیب تندی ایجاد می کنند و روغن را جا به جا می کنند و جریانی سریع از ترانس به سمت رله ایجاد می شود.

رله جمع کننده گاز هم چنین، تجمع طولانی مدت گازهای مرتبط با گرم شدن بیش از حد قسمت های مختلف هادی ترانسفورماتور و سیستم های عایق را فراهم می کند. با این کار منابع گسل در مراحل اولیه آنها شناسایی شده و از آسیب قابل توجهی جلوگیری می کند.

شکل (9). رله  بوخهلتس (Buchholz Relay)

بیشتر بخوانید: مقالات آموزش برق صنعتی پیشرفته

خطاهای داخلی از قبیل اتصال زمین، جرقه بین قسمت های تحت ولتاژ و هسته و اتصال حلقه در سیم پیچ ها، قابل تشخیص توسط این رله بوده و با استفاده از کنتاکت های آلارم و قطع آن می توان به سرعت و به طور اتوماتیک ترانسفورماتور را از مدار خارج نمود.

با مشاهده ویدوئوی زیر، بیش تر با ترانسفورماتور و نحوه  عملکرد ترانسفورماتور آشنا خواهید شد:

نحوه انتخاب انواع حفاظت ترانسفورماتور

انتخاب صحیح حفاظت ترانسفورماتور، عاملی حیاتی در اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار سیستم قدرت است. پارامترهای مختلفی از ترانسفورماتور در این انتخاب نقش دارند. در زیر به مهمترین این پارامترها اشاره می‌کنیم:

1. ظرفیت ترانسفورماتور (MVA): هرچه ظرفیت ترانسفورماتور بالاتر باشد، جریان‌های خطا نیز بالاتر خواهند بود. بنابراین، تجهیزات حفاظتی باید قادر به قطع جریان‌های بسیار بالا باشند. همچنین زمان پاسخگویی حفاظت برای ترانسفورماتورهای بزرگتر باید کوتاه‌تر باشد تا از آسیب‌های بیشتر جلوگیری شود.

2. ولتاژ نامی: ولتاژ نامی ترانسفورماتور بر روی سطح عایقی تجهیزات حفاظتی و همچنین تنظیمات رله‌ها تأثیر می‌گذارد. به این دلیل برای ولتاژهای بالاتر، تجهیزات حفاظتی با سطح عایقی بالاتر مورد نیاز است.

3. نوع اتصال سیم‌پیچ‌ها: اتصال ستاره یا مثلث سیم‌پیچ‌ها بر روی ولتاژهای فاز و خط و همچنین جریان‌های خطا تاثیرگذار است. همچنین نوع اتصال بر روی انتخاب نوع رله و تنظیمات آن نیز مؤثر است.

4. گروه اتصال: گروه برداری ترانسفورماتور تعیین‌کننده اختلاف فاز بین ولتاژهای اولیه و ثانویه است. این پارامتر در تنظیم رله‌های دیفرانسیل بسیار مهم است.

5. امپدانس درصد (UK%): امپدانس درصد ترانس نشان‌دهنده مقاومت داخلی ترانسفورماتور در برابر جریان‌های اتصال کوتاه است. UK% پایین منجر به جریان‌های اتصال کوتاه بسیار بالا می‌شود و نیاز به تجهیزات حفاظتی با ظرفیت قطع بالاتر دارد.

6. نوع خنک‌کننده: نوع خنک‌کننده ترانس (روغن، هوا یا خشک) بر روی دمای کاری ترانسفورماتور و در نتیجه تنظیمات حفاظت حرارتی تأثیر می‌گذارد.

7. سیستم زمین: نوع سیستم زمین (نول زمین شده، نول شناور) بر روی جریان‌های خطای زمین و تنظیمات حفاظت زمین تأثیرگذار است.

تأثیر ظرفیت ترانسفورماتور بر روی انتخاب حفاظت‌های مکانیکی ترانسفورماتور

در این مقاله با برخی از حفاظت‌های مکانیکی ترانسفورماتورها آشنا شدیم این حفاظت ها عمدتاً برای محافظت در برابر افزایش بیش از حد دما و فشار روغن استفاده می‌شوند. جدول ظرفیت ترانسفورماتور به طور مستقیم بر روی انتخاب و تنظیم این حفاظت‌ها تأثیر می‌گذارد. در زیر به برخی از مهم‌ترین تأثیرات ظرفیت بر روی حفاظت‌های مکانیکی اشاره می‌شود:

• افزایش دما: ترانسفورماتورهای با ظرفیت بالا به دلیل تلفات بیشتر، گرمای بیشتری تولید می‌کنند. بنابراین، ترموستات‌ها که یکی از تجهیزات حفاظتی ترانسفورماتور هستند باید در دمای پایین‌تری تنظیم شوند تا از افزایش بیش از حد دما جلوگیری کنند.
• فشار روغن: انبساط روغن با افزایش دما، روغن منبسط می‌شود و فشار داخل مخزن افزایش می‌یابد. در ترانسفورماتورهای بزرگ، این افزایش فشار بیشتر است. بنابراین، سوئیچ‌های فشار باید در فشار پایین‌تری تنظیم شوند.
• نوع حفاظت مکانیکی: زمانی که ظرفیت ترانسفورماتور پایین باشد ممکن است یک ترموستات ساده برای حفاظت از آن کافی باشد. اما ترانسفورماتورهای بزرگ به سیستم‌های حفاظتی پیچیده‌تری نیاز دارند که شامل چندین ترموستات، فشارسنج و سوئیچ فشار، رله بوخهلس و غیره باشد. ممکن است از سیستم‌های کنترل دما و فشار پیشرفته نیز استفاده شود.
• مواد عایقی: در ترانسفورماتورهای با ظرفیت بالا، معمولاً از مواد عایقی با دمای تحمل بالاتر استفاده می‌شود. بنابراین، می‌توان ترموستات‌ها را در دمای بالاتری تنظیم کرد.

انتخاب و تنظیم حفاظت‌های مکانیکی ترانسفورماتور، یک فرآیند پیچیده است که نیاز به در نظر گرفتن عوامل مختلفی از جمله ظرفیت ترانسفورماتور دارد. انتخاب نادرست حفاظت‌ها می‌تواند منجر به آسیب دیدن ترانسفورماتور و اختلال در تأمین برق شود. بنابراین، این کار باید توسط متخصصان مجرب انجام شود.

سخن پایانی