تپ چنجر تحت بار براي ترانسفورماتور هاي قدرت

چکیده

تعویض تپ در زير بار (OLTC) برای تنظیم ترانسفورماتورهای قدرت مورد استفاده در شبکه های انرژی الکتریکی و کاربردهای صنعتی ضروری است.

در این مقاله تحولات فن آوری OLTC هاي از نوع مقاومتي و OLTC از نوع راکتور توضیح داده شده است. اصول عمومی كليدزني برای OLTC ها مورد بحث قرار گرفته و برنامه های كاربردي OLTC ارائه شده است.

مفاهیم طراحی OLTC امروزه، از جمله نسل جدید OLTC های از نوع خلاء توصیف شده است. فناوری خلاء مورد استفاده در OLTC ها “پيشرفته ترين تكنولوژي” است که اکنون و در آینده قابل استفاده است. نمونه هایی از طراحی OLTC و اصول سوئیچینگ مربوطه، دامنه استفاده از قطع کننده های خلاء را نشان می دهد.

۱٫ مقدمه

ترانسفورماتورهای برق مجهز به قابليت تغيير تپ زير بار (OLTCs) تقریباً ۹۰ سال است که مؤلفه های اصلی شبکه­های برقی و کاربردهای صنعتی هستند. OLTC ها تنظیم ولتاژ و یا چنجر فاز را با چنجر نسبت دور ترانسفورماتور در زیر بار و بدون وقفه انجام می دهند.

از ابتدای توسعه تغيير تپ، دو اصل سوئیچینگ برای کار انتقال بار استفاده شده است –  OLTC از نوع مقاومت سرعت بالا و OLTC از نوع راکتور.

در طول دهه ها، هر دو اصل به مؤلفه های ترانسفورماتور قابل اعتماد که در طیف گسترده ای از برنامه های جریان و ولتاژ موجود هستند ، تبدیل شده اند. این مؤلفه ها نیازهای ترانسفورماتورهای فرایندهای شبکه و صنعتی امروزی را پوشش می دهد و سیستم بهینه و کنترل فرآیند را تضمین می کند [۱].

اکثر OLTC های از نوع مقاومت در داخل مخزن ترانسفورماتور (OLTC های درون مخزني) نصب می شوند در حالی که OLTC های از نوع راکتور در یک محفظه جداگانه قرار دارند که بطور معمول به مخزن ترانسفورماتور جوش داده می شود (شکل ۱).

این مقاله به طور عمده به OLTC هایی که در روغن معدنی ترانسفورماتور غوطه ور هستند ، اشاره دارد. استفاده از عایق مایع یا عایق گاز نیاز به تأیید سازنده OLTC دارد و ممکن است منجر به طراحی متفاوت OLTC شود ، همانطور که در بخش ۴٫۲٫۲ نشان داده شده است.

شکل ۱: ساختارهاي OLTC

2. اصل كليدزني

OLTC با اضافه کردن یا تفریق دور سیم پیچ اولیه یا ثانویه، نسبت ترانسفورماتور را چنجر می دهد. بنابراین ترانسفورماتور مجهز به سیم پیچ تنظیم یا شیر است که به OLTC وصل می شود.

شکل ۲ ترتیب سیم پیچ اصلی ترانسفورماتور تنظیم کننده ۳ فاز را نشان می دهد، با OLTC که در سمت سیم پیچ ولتاژ بالا با اتصال wye – delta قرار دارد.

چنجر ساده تپ در حین وضعیت برقدار بودن به دلیل از دست دادن لحظه ای بار سیستم در حین عمل سوئیچینگ قابل قبول نیست (شکل ۳). بنابراین “ساختار (۲) قبل از قطع (۱)” ، که در شکل ۴ نشان داده شده است ، طراحی اصلی برای همه OLTC ها است. امپدانس انتقال به شکل مقاومت یا رآكتور از یك یا چند واحد تشکیل شده است كه تپ مجاور را به منظور انتقال بار از یك تپ به تپ دیگر بدون ایجاد وقفه یا چنجر قابل ملاحظه در جریان بار، انجام می دهد. در همان زمان آنها جریان گردشي (Ic) را برای دوره زمانی که هر دو تپ استفاده می شود محدود می کنند. به طور معمول ، OLTC های نوع راکتور از موقعیت پل زدن به عنوان موقعیت سرویس دهي استفاده می کنند و بنابراین راکتور برای بارگیری مداوم و پيوسته طراحی شده است.

ولتاژ بین تپ هاي ذکر شده، ولتاژ گام است که به طور معمول بین ۰٫۸٪ و ۲٫۵٪ ولتاژ نامی ترانسفورماتور است.

شکل ۲: اصول ترتیب سیم پیچي ترانسفورماتور تنظیم در اتصال wye-delta

اجزای اصلی OLTC سیستم های ارتباطي برای وصل و قطع جریان ها و همچنین حمل جریان ، امپدانس های انتقال، دنده ها، تجميع كننده­هاي انرژی و مکانیزم محرک است. بسته به نوع تنظیمات مختلف سیم پیچ (جزئیات در فصل ۳) و طراحی OLTC ، از کلیدهای انتخاب كننده جداگانه و چنجر (نوع معکوس یا بزرگ) نیز استفاده می شود.

شکل ۳: از دست دادن بار سیستم با كليدزني تک ارتباطي

شکل ۴: اصل اساسی سوئیچینگ ” وصل (۲) قبل از قطع (۱)” با استفاده از انتقال امپدانس ها

3. كاربردهاي تپ چنجر در زير بار

۳٫۱ تنظیمات اصلی تنظیم سیم پیچ ها

ساختار اصلی زیر در سیم پیچ های تپ استفاده می شود (شکل ۵):

شکل ۵: اتصالات اصلی سیم پیچ های تپ

آرایش خطی (شکل ۵ a) ، معمولاً در ترانسفورماتورهای قدرت با دامنه تنظیم کننده متوسط ​​تا حداکثر ۲۰٪ استفاده می شود. دور هاي تپ به صورت سری به سیم پیچ اصلی اضافه می شوند و نسبت ترانسفورماتور را چنجر می دهند. موقعیت آن می­تواند هر یک از موقعیت های تپ باشد.

با استفاده از انتخاب تغيير معکوس (شکل ۵ b) سیم پیچ تپ از سیم پیچ اصلی به آن اضافه و یا کم می شود تا محدوده تنظیم شده دو برابر شود یا تعداد تپ ها کاهش یابد. در طول این عمل ، سیم پیچ تپ از سیم پیچ اصلی جدا می شود (برای مشکلات ناشی از این قطع ارتباط به فصل ۶٫۲ مراجعه کنید). با این وجود بیشترین تلفات مس در موقعیتی با حداقل تعداد دورهای مؤثر وجود دارد. این عملیات معکوس با استفاده از یک انتخابگر چنجر که بخشی از انتخاب تپ یا سوئیچ انتخابگر است، انجام می شود. موقعیت نامی معمولاً موقعیت میانی یا موقعیت خنثی است.چنجر معکوس مضاعف (شکل ۵ c) از قطع اتصال سیم­پیچ تپ در هنگام عمل چنجر جلوگیری می­کند. در ترانسفورماتورهای چنجر فاز (PST) این دستگاه را advance retard switch (ARS) می نامند.با استفاده از یک انتخابگر چنجر بزرگ (شکل ۵ د) سیم پیچ تپ یا به پالس اضافه و یا از كم می شود. در حین کار انتخابگر بزرگ، سیم پیچ تپ از سیم پیچ اصلی جدا می شود (ساختار های مخصوص سیم پیچ می تواند همان مشکلات قطع اتصال که در بالا توضیح داده شده است ايجاد كند ؛ علاوه بر این باید مقاومت امپدانس سری سیم پیچ بزرگ / سیم پیچ پالس را بررسی کنید – به فصل ۶٫۳ مراجعه کنید). در این حالت، تلفات مس در موقعیتی که کمترین تعداد مؤثر دور را دارد ، کمترین میزان را دارا مي­باشد. اما این مزیت، تقاضای بیشتری از مواد عایقي را مي­طلبد و به تعداد بیشتری سیم پیچ نیاز دارد.چنج اور چندگانه انتخابگر (شکل ۵ e) ضرب محدوده تنظیم کننده را ممکن می­کند. این موضوع عمدتا برای ترانسفورماتورهای فرآیندهای صنعتی (ترانسفورماتورهای یکسو کننده / کوره) استفاده می شود. چنج اور انتخابگر بزرگ نیز بخشی از OLTC است.

کدام یک از این تنظیمات سیم پیچ اصلی در هر مورد خاص استفاده می شود بستگی به سیستم و شرایط عملیاتی آن دارد. این ترتیبات در مورد ترانسفورماتور دو سیم­پیچه و همچنین برای اوتو ترانسفورماتورها و ترانسفورماتورهای چنجر فاز (PST) کاربرد دارد. جایی که سیم پیچ تپ و در نتیجه OLTC در سیم پیچ ها وارد می شود (ولتاژ بالا یا ولتاژ پایین) به طراحی ترانسفورماتور و مشخصات مورد نظر مشتری بستگی دارد.

۳٫۲ نمونه هایی از طرح های سیم پیچ متداول

ترانسفورماتور دو سیم پیچه با سیم پیچ با اتصال wye دارای تنظیماتی هستند که در انتهای خنثی اعمال می شود ، همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است.

شکل ۶: OLTC خنثی شده و سیم پیچ تپ

تنظیم سیم پیچ های به شكل دلتا (شکل ۷) نیاز به یک OLTC سه فاز دارد که سه فاز آن با توجه به بالاترین ولتاژ سیستم اعمال شده (شکل ۷ الف) ، یا سه OLTC تک فاز ، یا ۱ تک فاز و يك OLTC دو فاز عایق بندی شده است (شکل ۷ b). امروزه محدوده طراحی برای OLTC های سه فاز با عایق فاز به فاز بالاترین ولتاژ برای تجهیزات ۱۴۵ کیلوولت (BIL 650 kV) است. برای کاهش تنش هاي فاز به فاز بر روی OLTC دلتا، از سه قطعه سیم پیچ میانی (شکل ۷ c) استفاده می شود.برای ترانسفورماتورهای خودکار تنظیم شده، شکل ۸ مدارهای مختلف را نشان می­دهد. مناسب ترین طرح با توجه به تنظیم دامنه ، شرایط سیستم و / یا الزامات ، و همچنین محدودیت وزن و اندازه در هنگام حمل و نقل انتخاب می شود. ترانسفورماتورهای خودکار همیشه به صورت wye متصل هستند.

شکل ۷: OLTC با اتصال دلتاي سیم پیچ تپ

۱: تنظیم انتهای خنثی (شکل ۸ الف) ممکن است با نسبت بالاتر از ۱ به ۲ و دامنه تنظیم متوسط ​​تا ۱۵٪ اعمال شود. این عمل با شار متغیر انجام مي­شود.۲: طرحی که در شکل ۸ c نشان داده شده است برای تنظیم ولتاژ بالاي U1 استفاده می شود.۳: برای تنظیم ولتاژ کم U2 ، مدارهای شکل ۸ b ، ۸ d ، ۸ e و ۸ f قابل استفاده هستند. ترتیبات شکل ۸ e و ۸ f دو راه حل اصلی هستند. مدار ۸ f با شار متغیر در ترانسفورماتور سری کار می کند ، اما این مزیت را دارد که می توان از یک OLTC خنثی استفاده کرد. در مورد چیدمان مطابق شکل ۸ e ، ترانسفورماتورهای اصلی و تنظیم کننده معمولاً برای کاهش وزن حمل و نقل در مخازن جداگانه قرار می گیرند. در عین حال ، این راه حل با چنجر اتصالات تحريك درون مدار میانی ، درجه ای از چنجر فاز را امکان پذیر می­کند.

شکل ۸: OLTC ها در اوتو ترانسفورماتورها

۳٫۳ ترانسفورماتورهای چنجر فاز (PST)

در طول چند سال گذشته ، اهمیت ترانسفورماتورهای چنجر فاز که برای کنترل جریان برق در خطوط انتقال در شبکه های مش دار استفاده می شوند ، به طور پیوسته در حال افزایش است [۲]. این واقعیت که IEEE “راهنمای استفاده ، مشخصات و آزمایش ترانسفورماتورهای چنجر فاز” ارائه می دهد [۳] تقاضا برای PST را اثبات می کند. این ترانسفورماتورها اغلب به محدوده تنظیم نیاز دارند که فراتر از میزان معمول استفاده شده است. برای دستیابی به چنین محدوده های تنظیم کننده ، تنظيم مدار ویژه لازم است. دو مثال در شکل آورده شده است. شکل ۹ و شکل ۱۰٫ شکل ۹ یک مدار را با تنظیم انتهای خط مستقیم و شکل ۱۰ یک ساختار مدار میانی را نشان مي­دهد. شکل ۹ به وضوح نشان می دهد که چگونه می­توان زاویه فاز بین ولتاژهای سیستم منبع و بار را با موقعیت OLTC چنجر داد. ساختار های مختلف متنوع دیگری نیز انجام شده است.تعداد عملکردهای OLTC و PST ها بسیار بیشتر از سایر ترانسفورماتورهای تنظیم کننده در شبکه (۱۰ تا ۱۵ برابر بیشتر) است. در بعضی موارد ، با توجه به محدوده های تنظیم شده – به ویژه برای ساختار خط پایان (شکل ۹) – تنش هاي اضافه ولتاژ گذرا با استفاده از مقاومت های غیر خطی بر دامنه بهره برداری محدود می­شود. علاوه بر این ، توانایی جریان اتصال کوتاه OLTC باید بررسی شود ، زیرا قدرت اتصال کوتاه شبکه، جریان را تعیین می کند. ویژگی های باقیمانده OLTC برای چنین ترانسفورماتور می­تواند طبق قوانین معمول انتخاب شود (به فصل ۶ مراجعه کنید).

شکل ۹: ترانسفورماتور چنجر فاز – ترتیب مدار مستقیم

شکل ۱۰: ترانسفورماتور چنجر فاز – ترتیب مدار میانی

مزایای قابل توجه ناشی از استفاده از PST عبارتند از:۱٫ کاهش تلفات کلی سیستم با از بین بردن جریانهای گردشي۲٫ بهبود قابلیت مدار با مدیریت مناسب بار۳٫ بهبود ضریب توان مدار۴- کنترل پخش بار برای تأمین الزامات قراردادی

۴- مفاهیم طراحی تپ چنجر  در زير بار

جدا از انتخاب تپ ، مهمترین وظیفه OLTC عملکرد قطع یا انتقال جریان (بار) است (شکل ۴ را ببینید). پس از انتقال جریان، مخاطبی که ” قطع ” شده باید بتواند ولتاژ بازیابی را تحمل کند. ظرفیت سوئیچینگ مورد نیاز (ضرب جریان و ولتاژ بازیابی) برای یک تماس خاص در OLTC بر اساس ولتاژ گام و جریان مربوط است اما همچنین با طراحی و مدار OLTC تعیین می شود. ظرفیت سوئیچینگ در اصل تابعی از طراحی ارتباط، سرعت تماس و عامل خاموشي قوس الكتريكي است.از نظر تاریخی، بیشتر ترانسفورماتورهای برق از روغن معدنی به عنوان یک ماده خنک کننده و عایق استفاده می کنند. توسعه OLTC ها با طرح های امروزی نیز بر روغن ترانسفورماتور متمرکز شده است. جدا از خصوصیات عایق روغن ترانسفورماتور ، رفتار قوس الکتریکی کنتاکتورهای سوئیچینگ ، طراحی و اندازه OLTC های “روغني” را تعیین می کند.در OLTC از نوع روغنی ، OLTC در روغن ترانسفورماتور غوطه ور است و تماس های سوئیچینگ جریان را در زیر روغن قطع و وصل مي­كند (برای مثال به فصل ۴٫۱ مراجعه کنید). این فناوری معمولی OLTC به سطح بسیار بالایی رسیده است و قادر است بسیاری از نیازهای سازندگان ترانسفورماتور را برآورده کند. این امر در مورد تمام زمینه های ولتاژ و نیرو امروز اعمال می شود ، که احتمالاً در آینده قابل پیش بینی بدون چنجر باقی می­مانند.در کنار افزایش تقاضا برای انرژی الکتریکی در کلانشهرها ، لزوم نصب ترانسفورماتورها در ساختمانها ، نیاز به تنظیم ترانسفورماتورها با کاهش خطر آتش سوزی را ایجاد می کند. علاوه بر این و با توجه به جلوگیری از آلودگی آب ، ترانسفورماتورهای تنظیم کننده ای که به عنوان یک ماده عایق یا سوئیچینگ به روغن معدنی معمولی نیاز ندارند ، ترجیح داده می شوند.جدا از ترانسفورماتورهای غوطه ور در گاز ، که عمدتا در ژاپن استفاده می شوند ، ترانسفورماتورها از نوع خشک و ترانسفورماتورها با مایعات عایق جایگزین ، این الزامات را برآورده می­کنند ، که به طور فزاینده مورد درخواست هستند.ترانسفورماتورهای تغيير تپ معمولی برای این نوع ترانسفورماتورهای تنظیم کننده مناسب نیستند ، زیرا استفاده از روغن معدنی به عنوان واسطه تعویض – به دلایلی که در بالا ذکر شد – مطلوب نیست و همچنین نیاز به راه حل های کلی پیچیده و گران قیمت دارد.علاوه بر این، مقررات زدایی جهانی در صنعت برق همچنان یک نگرانی است. به عنوان بخشی از این بازار، سازوکارها به خدمات انتقال قیمت ترغیب شده و هم سرمایه گذاری بر تولید و انتقال را تشویق می کنند. در نتیجه ، افزایش فشار هزینه بر روی خدمات و همچنین صنعت منجر به افزایش انتظارات عملکردی برای تجهیزات ترانسفورماتور و به ویژه OLTC ها شد.۱٫ در دسترس ماندن بدون وقفه و طولاني مدت ترانسفورماتور تنظیم> گسترش فواصل تعميرات و نگهداری> کاهش کار تعمیرات و نگهداری۲٫ میزان خرابی پایین۳٫ کاهش در هزینه های عملیاتیبرای کلیه زمینه های جدید کاربرد و افزایش انتظارات عملکردی که در بالا ذکر شد ، فناوری جدید سوئیچینگ مشترک درخواست شده­است. رویکردهای مختلفی با فناوری حالت جامد ، مانند OLTC های استاتیک و OLTC های هیبریدی به عنوان انواع مقاومت یا تعویض ، از دهه ۱۹۸۰ مورد بحث قرار گرفته است ، اما فقط چند برنامه کاربردی انجام شده است. اولین کاربرد قطع کننده های خلاء در OLTC های از نوع راکتور در ایالات متحده ، که در همان زمان آغاز شد ، موفقیت آمیزتر بود. اندازه قطع کننده های خلاء در این زمان ، به ویژه برای طیف وسیعی از جریان های بالا ، به دلیل طراحی نوع محفظه ، یک عامل محدود کننده نبود ، اما برای OLTC های نوع مقاومت در مخزن چنین نیست.

با مشاهده به پروفایل کلی:۱٫ کیفیت۲٫ قابلیت اطمینان۳٫ اقتصاد۴٫ طول عمر OLTC5- دامنه نرخ هادر حال حاضر و در آینده قابل پیش بینی ، فناوری كليدزني در خلاء در OLTC بهترین راه حل برای انتظارات امروز است. تمام طراحی های جدید OLTC (نوع مقاومت و نوع راکتور) Maschinenfabrik Reinhausen GmbH مبتنی بر فناوری كليدزني در خلاء است. بنابراین ، این طرح های جدید با جزئیات بیشتری به نصبت OLTC های از نوع روغنی توصیف می شوند (به فصل ۴٫۲ مراجعه کنید).