همانگونه كه مي دانيم افزايش ظرفيت انتقال توان نيروگاه و كاهش موثر تلفات انتقال ، مستلزم افزايش ولتاژ انتقال شبكه هاي قدرت مي باشد . در عمل ، ساخت ژنراتورهاي با ولتاژ خروجي بسيار بالا امكان پذير نمي باشد و عموماً به خاطر مشكلات عايق بندي ژنراتورها ، اين ولتاژ به مقدار 25 تا 30 كيلو ولت محدود مي شود . اين مشكل باعث مي شود كه جريان خروجي ژنراتورها ( بسته به مقدار توليدي آنها ) بسيار زياد شود ، در نتيجه براي رسيدن به قابليت انتقال مورد نياز و كاهش سطح مقطع خطوط انتقال ، بايد از ولتاژهاي انتقال بالا استفاده نمود . در اينجاست كه اهميت ترانسفورماتورهاي قدرت آشكار مي شود . بدين معني كه اين وسائل با افزايش ولتاژ نيروگاه ها ، جريان خطوط انتقال كاهش پيدا مي كند . علاوه بر آن ، ترانسفورماتور هاي قدرت نيروگاه همچون حائلي ، ژنراتورهاي گران قيمت را از خطوط هوايي ( كه همواره در معرض اضافه ولتاژ و خطرات جانبي مي باشد . ) جدا مي سازند . همچنين با توجه به اينكه عايق بندي سيم پيچهاي ترانسفورماتور در مقابل امواج سيار ، ارزانتر و ساده تر از عايق بندي سيم پيچهاي ژنراتور است ، در نتيجه با استفاده از اين ترانسفورماتورها مي توان صدمات احتمالي وارد شده از امواج سيار خطوط انتقال را بر روي ژنراتور ها به حداقل خود كاهش داد . ترانسفورماتورهاي قدرت از نظر توان نامي ، محدوده وسيعي را در نظر مي گيرند . كه از ترانسفورماتورهاي توزيع با قدرت نامي چند كيلو ولت آمپر شروع مي شود و تا ترانسفورماتورهاي بزرگ ، با قدرت نامي بيش از MVA 1000 ختم مي گردد .
دسته بندي هاي مختلف ترانسفورماتور ها
ترانسفورماتورهاي بكار رفته در صنعت برق را از جنبه هاي مختلف مي توان دسته بندي نمود :
1) انواع ترانسفورماتورهاي قدرت از نظر تعداد فاز
ترانسفورماتورهاي قدرت از نظر تعداد فازها به دو نوع يك فاز و سه فاز تقسيم بندي مي شود . كه كاربرد ترانسفورماتورهاي تكفاز در قدرتهاي پايين ( تا حدود KVA 70 ) و ترانسفورماتور سه فاز در قدرتهاي بالا ( از حدود KVA 75 به بالا ) مي باشد .
2 ) انواع ترانسفورماتورها از نظر نوع استفاده
ترانسفورماتوره به سه صورت ترانسفورماتور جريان ، ولتاژ ، و ترانسفورماتورهاي قدرت مورد استفاده قرار مي گيرند . ترانسفورماتورهاي جريان ( ولتاژ ) براي پايين آوردن جريان ( ولتاژ ) و به منظور اندازه گيري جريان ( ولتاژ ) و استفاده در سيستم هاي حفاظت تجهيزات بكار مي رود .
البته ترانسفورماتورهاي قدرت نيز به سه دسته تقسيم بندي مي شوند . نوع اول ، ترانسفورماتورهاي قدرت با توان كم هستند . كه براي اتنقال و توزيع انرژي الكتريسيته در سطح ولتاژهاي پايين مورد استتفاده هستند . اين ترانسفورماتورها از نوع افزاينده يا كاهنده ولتاژ و ترانسفورماتورهاي سوئيچينگ مي باشند . نوع دوم ، ترانسفورماتورهاي قدرتي است كه براي مقاصد خاصي بكار مي روند . مثل ترانسفورماتورهاي مورد استفاده در كوره هاي قوس الكتريكي ، يكسو كننده ها ، واحدهاي جوشكاري بزرگ و … .
نوع سوم ، ترانسفورماتورهاي قدرت در سيستم هاي انتقال مي باشند كه در سه نوع ترانسفورماتورهاي افزاينده ، كاهنده و كوپلاژ به كار مي روند . ترانسفورماتورهاي قدرت افزاينده به منظور افزايش ولتاژ شبكه ( براي انتقال انرژي الكتريكي به فواصل دور ) به كار مي روند و عموما در پستهاي نيروگاه بكار مي روند . ترانسفورماتورهاي كاهنده براي پايين آوردن سطح ولتاژ به سطح قابل قبول براي مصرف كننده ها به كار مي روند . اين نوع ترانسفورماتورها در پستهاي توزيع استفاده مي شود . در اتصال دو شبكه فشار قوي به يكديگر از ترانسفورماتورهاي قدرت كوپلاژي استفاده مي شود .
3 ) ترانسفورماتورها از نظر نوع هسته به دو نوع هسته اي و پوسته اي تقسيم مي شوند كه البته اين نوع تقسيم بندي عموماً براي ترانسفورماتورهاي تكفاز عنوان مي شود . در نوع هسته اي ، سيم پيچهاي اوليه و ثانويه روي دو بازوي مختلف يك هسته با دو بازو ن پيچيده مي شوند . در صورتي كه در نوع پوسته اي ، سيم پيچهاي اوليه و ثانويه روي بازوي مياني يك هسته با سه بازو پيچيده مي شود . البته در ترانسفورماتورهاي سه فاز نيز به نوعي اين تقسيم بندي مطرح مي شود . مثلا در ترانسفورماتورهاي قدرت KV 20 / 230 / 400 پست نيروگاه نكا ( كه از سه ترانسفورماتور تكفاز تشكيل شده است ) ترانسفورماتورها از نوع پوسته اي هستند . در ترانسفورماتورهاي سه فاز ، سيم پيچهاي اوليه و ثانويه هر فاز با هم ، بر روي يك بازو پيچيده مي شوند كه البته به نوع هسته اي مي باشند .
اتصالات مختلف ترانسفورماتورهاي قدرت
با توجه به نوع اتصالات سيم پيچها ، اتصالات ترانسفورماتورهاي قدرت را مي توان به صورت زير دسته بندي نمود :
اتصال ستاره ـ ستاره ، ستاره ـ مثلث ، مثلث ـ ستاره ، ستاره ـ زيگزاگ ، مثلث ـ مثلث ، مثلث ـ زيگزاگ .
هركدام از اين اتصالات در مقعيتهاي خاصي مورد استفاده مي باشند .
الف ) اتصال ستاره ـ مثلث : با توجه به مطالب بالاكه در اتصال ستاره ، ولتاژ روي هر سيم پيچ به مقدار 3 √ / 1 برابر ولتاژ خط است ، و در اتصال مثلث ، ولتاژ هر سيم پيچ با ولتاژ خط برابر است ، و در اتصال مثلث ، و در نتيجه سطح ولتاژ عايقي در اتصال ستاره ، 3 √ / 1 برابر سطح ولتاژ عايقي مثلث است ، به عبارت ديگر مقدار عايق استفاده شده در اتصال ستاره ، به مراتب كمتر از اتصال مثلث است . پس اتصال ستاره براي ولتاژهاي بالا مناسب مي باشد . از اين رو اتصال ستاره ـ ستاره در مرتبط كردن دو شبكه فشار قوي ( با و لتاژهاي خيلي زياد ) استفاده مي شود . ترانسفورماتورهاي كوپلاژ از اين نوع اتصال مي باشند .
ب ) اتصال ستاره ـ مثلث : با توجه به مطالب بالا و در نظر گرفتن اين مطلب كه جريان در هر سيم پيچ مثلث ، 3 √ برابر كمتر از جريان خط ، و در اتصال ستاره جريان هر سيم پيچ مساوي جريان خط است ، لذا مي توان گفت كه ( همان طوري كه اتصال ستاره براي ولتاژهاي بالا مناسب است ) ، اتصال مثلث براي جريانهاي بالا مناسب مي باشد . از اين رو اين اتصال براي مرتبط ساختن يك شبكه فشار قوي ( مثلا KV 230 يا KV 400 ) به يك شبكه با ولتاژ پايين ( مثلا شبكه KV 63 ) به كار مي رود . به عبارت ديگر اين ترانسفورماتورها ، ترانسفورماتورهاي كاهنده هستند كه در پستهاي فوق توزيع مورد استفاده قرار مي گيرند .
ج ) اتصال مثلث ـ ستاره : با توجه به مطالب قسمت ( الف ) و ( ب) در مي يابيم كه اتصال مثلث ـ ستاره نيز براي مرتبط كردن دو شبكه با ولتاژهاي مختلف ( يكي با و لتاژ بالا و جريان كم و ديگري با ولتاژ كم و جريان بالا ) به كار مي روند . معمولا ترانسفورماتورهاي واقع در خروجي ژنراتورهاي نيروگاه از اين نوع اتصال مي باشند .
د ) اتصال ستاره ـ زيگزاگ : از اتصال ستاره ـ زيگزاگ ( به همراه اتصال مثلث ـ ستاره ) در ترانسفورماتور هاي محلي و توزيع استفاده مي شود ، زيرا در اين نوع استفاده مي شود . زيرا در اين نوع استفاده ها به سيم زمين نياز مي باشد و بارگيري از يك فاز و سيم صفر براي شبكه توزيع اهميت زيادي دارد .
ه ) اتصال مثلث ـ مثلث و مثلث ـ زيگزاگ : اين نوع اتصالات ، كاربرد عملي در صنعت و انتقال انرژي ندارند .
تجهيزات اساسي ترانسفورماتور هاي قدرت
مقدمه
همانگونه كه مي دانيم ، ترانسفورماتور هاي قدرت با جريان ها و ولتاژهاي بسيار زياد سرو كار دارند و بايد حفاظت هايي براي آنها صورت گيرد . به عنوان مثال براي حفاظت ولتاژ زياد ترانسفورماتورها ، بايد سطح عايقي ترانسفورماتور مناسب باشد . همچنين با توجه به عبور جريان زياد از سيم پيچ هاي ترانسفورماتور و ازدياد درجه حرارت سيم پيچ ها ، بايد حفاظت هاي براي كنترل درجه حرارت آن صورت گيرد . بدين منظور و براي شناخت بيشتر ترانسفورماتورهاي قدرت ، تجهيزات اساسي را بيان مي نماييم . اين تجهيزات عبارتند از :
1- هسته
2- سيم پيچ ها
3- تپ چنجر
4- بوشينگ ها
5- روغن ترانسفورماتور
6- تانك روغن
7- چرخ هاي ترانسفورماتور
8- باك روغن
9- رطوبت گير
10- رله بوخهلتس
11- لوله انفجار
12- درجه نماي روغن ( ارتفاع سنج روغن )
13- جعبه كنترل ترانسفورماتور
14- تجهيزات خنك كننده
15- شيرهاي ترانسفورماتور
16- ترمومتر براي سنجش درجه حرارت روغن ؛
17- ترمومتر براي سنجش درجه حرارت سيم پيچ
18- برقگير
19- پلاك مشخصات ترانسفورماتور
حال به بيات توضيحات مختصري در مورد تجهيزات مي پردازيم .
هسته
هسته ترانسفورماتور ، وظيفه ارتباط مغناطيسي بين سيم پيچهاي اوليه و ثانويه را بر عهده دارد . به منظور كاهش تلفات گردابي لازم است تا هسته از ورقه هاي فولادي نورد شده به ضخامت 3/0 تا 5/0 ميليمتر ساخته شود . اين ورقه ها با ماده اي عايقي به نام كارليت كه توانايي عبور فوران مغناطيسي را دارد ولي عايق جريان الكتريكي است ، پوشانده مي شوند . اين عايقها داراي استقامت حرارتي بالايي هستند و در دماهاي بالا نيز تحت تاثير روغن ترانسفورماتور قرار نمي گيرند. جنس اين ورقه ها از آلياژ فولادي مي باشد كه مقداري سيليس به آنها اضافه مي گردد . اضافه كردن ماده سيليسيم ، باعث افزايش طول عمر ورقه هاي فولادي، كاهش تلفات پس ماند و افزايش مقاومت مخصوص هسته مي شود و در نتيجه تلفات جريان گردابي كاهش مي يابد . البته درصد ماده سيليسيوم بايد به مقدار مشخصي باشد ، زيرا زياد بودن درصد آن باعث ترد شدن آلياژ حاصله مي گردد و طبعاً عمل سوراخ كردن هسته با مشكل مواجه مي شود . همچنين تلفات ضريب نفوذ پذيري هم افزايش مي يابد . البته لازم به ذكر است كه براي افزايش قدرت نامي و كاهش تلفات هسته ، سازندگان در ساخت هسته هاي ترانسفورماتور ، از نوعي ماده مغناطيسي به نام CRGOS كه كمترين تلفات را در مقابل عبور شار مغناطيسي دارد ، استفاده مي كنند . همچنين براي خنك كردن هسته ، كانال هايي درون آن طراحي شده تا با گردش روغن در داخل آن ، عمل خنك كنندگي هسته انجام شود .
ترانسفورماتورها از نظر نوع هسته ، به دو نوع هسته اي ، و نوع پوسته اي تقسيم مي شوند كه البته اين نوع تقسيم بندي عموماً براي ترانسفورماتورهاي تك فاز عنوان مي شوند . در ترانسفورماتورهاي تك فاز نوع هسته اي سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه روي دو بازوي مختلف يك هسته با دو يا چهار بازو پيچيده مي شوند . اين در حالتي است كه در نوع هسته اي ، سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه روي بازو هاي مياني يك هسته با سه يا پنج بازو ، بر روي يكديگر پيچيده مي شوند .
هسته ترانسفورماتورهاي قدرت سه فاز معمولاً داراي دو حالت سه بازويي و پنج بازويي است . در حالت سه بازويي ، سيم پيچ هاي هر فاز بر روي هر بازو پيچيده مي شوند؛ ولي در حالت پنج بازويي ، سه بازوي وسطي براي سيم پيچ هاي هر فاز و دو بازي كناري براي برقرار مسير فوران ايجاد مي شود .
سيم پيچ ها
سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه ، اصلي ترين جزء از ترانسفورماتورها مي باشند كه فوران ايجاد شده توسط آنها از طريق هسته ترانسفورماتور با يكديگر تزويج مي شوند . معمولاً سيم پيچ هاي فشار قوي و فشار ضعيف ترانسفورماتورهاي قدرت بر روي هسته بصورت متحد المركز پيچيده مي شوند . ابتدا سيم پيچ فشار ضعيف بر روي هسته قرار مي گيرد ، و سپس سيم پيچ هاي فشار قوي بر روي آن پيچيده مي شود . علت اين نوع ترتيب قرار گرفتن سيم پيچ ها ، آن است كه سيم فشار ضعيف به خاطر ولتاژ كم آن ، به عايق كمتري نياز دارد و در نتيجه هزينه عايق كاري سيم پيچ ها از هسته ، بسيار كتر خواهد شد .
هادي هاي سيم پيچ ها ، شامل سيم هاي مسي با مقطع دايره اي هستند تا تمركز ولتاژ در لبه ها به كمترين مقدار خود كاهش يابد . البته در ترانسفورماتور هاي با قدرت بالا از هادي مستطيلي نيز استفاده مي شود كه گوشه هاي آن را پخ مي زنند تا عايق كاري به نحو مناسبي انجام شود . عايق هادي ها بسته به قدرت عايق مورد نظر ، روكشي از نوار عايقي مي باشد . پيچك هادي ها به دور استوانه صليبي كه اندازه هاي آن به دقت محاسبه مي گردد ، پيچيده مي شوند . همچنين فواصلي براي گردش روغن درون پيچك ها به شكل محوري در بين لايه هاي سيم پيچ در نظر گرفته مي شود تا سيم پيچ ها در برابر نيروي مكانيكي استقامت نمايند . عايق هاي مورد استفاده به خاطر اين كه اندكي رطوبت دارند ، به همراه سيم پيچ ها در كوره قرار داده مي شوند تا با انتقال حرارت ( با دماي بالاتر از 100 درجه سانتيگراد ) به مدت 24 ساعت ، رطوبت عايق ها بكلي جذب شود . سپس هسته و سيم پيچ ها در روغن تانك ترانسفورماتور غوطه ور مي گردند .
تپ چنجر ( تنظيم كننده ولتاژ )
تپ چنجر مكانيزمي است كه با آن مي توان نسبت تبديل ولتاژ ترانسفورماتور را تغيير داد . مثلاً اگر توسط يك ترانسفورماتور قدرت ، قدرت خروجي يك ژنراتور به شبكه داده شود ، در مواقعي كه شبكه با افت ولتاژ مواجه است ، مي توان با اتنخاب ولتاژ ثانويه بيشتري ، افت ولتاژ در شبكه را جبران كرد . همچنين مواقعي كه شبكه ، افزايش ولتاژ دارد ، مي توان با كاهش ولتاژ ثانويه اين افزايش ولتاژ را ترميم نمود . معمولاً اين عمل به صورت دستي يا اتوماتيك قابل انجام است . كاري كه در داخل ترانسفورماتور انجام مي شود ، اين است كه در هر بار تغيير تپ تركيب خاصي از سر سيمها كه از قسمتهاي مختلف سيم پيچي ثانويه ترانسفورماتور به تپ چنجر برده شده اند ، به هم وصل مي شوند . لذا تعداد دور سيم هاي ثانويه كه در مدار قرار مي گيرند ، عوض مي شود و طبعاً نسبت تبديل هم عوض مي شود . بر روي پلاك مشخصات ترانسفورماتورها ، ترتيب تعويض تپ ها و شماره پايانه هايي كه در هر انتخاب ولتاژ جديد ، بايد به هم وصل شوند ، و شماره وضعيت تپ چنجر داده مي شود . در ترانسفورماتورهاي قدرت معمولي ، تپ چنجر روي طرف ولتاژ بالا عمل مي كند . به علت آنكه در طرف ولتاژ بالا ، ولتاژ در هر دور سيم پيچي ، كمتر از طرف ولتاژ پايين است و جريان نيز از طرف ولتاژ پايين كمتر مي باشد . لذا مسئله تعويض تپ ، آسانتر و با مشكل كمتر مي باشد .
تپ چنجرها به دو دسته كلي تقسيم مي كنند :
الف ) تپ چنجر بي بار
ب ) تپ چنجر زير بار
منظور از تپ چنجر بي بار آن است كه براي تغيير تپ ، بايد ابتدا تراتسفورماتور را بي بار كرد و سپس تپ را عوض نمود ؛ ولي در نوع رير بار ، مي توان تپ را زير بار عوض نمود كه البته اين نوع به تكنيك بالاتري نياز دارد . به عنوان نمونه ، ترانسفورماتور پست نكا داراي تپ چنجر زير بار است . از اين نوع تپ چنجر زماني استفاده مي شود كه مصرف كننده هايي كه از طريق ترانسفورماتور استفاده مي شوند ، حساس باشند و قطع برق براي آنها ، آسيب هايي را به دنبال داشته باشد . مثلا ترانسفورماتور پست KV 63 / KV 230 نيروگاه ري كه پالايشگاه تهران را تغذيه مي كند ، به خاطر حساس بودن پالايشگاه طوري انتخاب شده است كه بتواند زير بار ، تپ را عوض كند . در ساير موارد از نوع تپ چنجر بي بار استفاده مي شود ؛ زيرا به علت بكار بردن تكنولوژي هاي پايين تر ، طبعاً هزينه ترانسفورماتورها كمتر خواهد شد .
يكي از مشكلات اساسي در ترانسفورماتورهاي با تپ چنجر زير بار ، ايجاد قوس الكتريكي بين كنتاكت هاي تپ چنجر در هنگام تغيير وضعيت است . براي رفع اين مشكل ، ساختمان تپ چنجر بايد طوري طراحي شود تا ضمن تغيير نسبت تبديل ( براي ثابت نگه داشتن ولتاژ فشار ضعيف ) در اثر تغيير حلقه هاي سيم پيچ تپ چنجر ( قطع شدن از يك اتصال و وصل شدن به اتصال ديگر ) هيچ گونه قطع شدگي يا اتصال كوتاه در سيم پيچ ها ايجاد نشود . وجود قوس هاي الكتريكي و حرارت حاصل از آن در فرمان تغيير وضعيت تپ چنجر ، خود دليلي بر مجزا نمودن تپ سلكتور و كنتاكتها از يكديگر مي باشد . بدين منظور كنتاكت ها در تانك روغن جداگانه اي قرار مي گيرند تا بدين ترتيب ، بدون اينكه كنتاكتي صدمه ببيند ، قوس الكتريكي نيز از بين مي رود . ضمناً بدون باز كردن ترانسفورماتور ، مي توان كنتاكت ها را بازرسي نمود و روغن فاسد شده ( در اثر ايجاد قوس الكتريكي ) را به آساني تعويض كرد . همچنين سوئيچ و كنتاكت ها توسط چرخ دنده با موتور الكتريكي عمل مي كنند ، به گونه اي كه موتور الكتريكي ، قابل فرمان از راه دور نزديك است .
