ترانسفورمر ترکیبی- یک راه حل بهینه برای ایستگاه های فرعی

در این مقاله، ویژگی های پایه ای موضوع جدید ترانسفورماتور های ترکیبی، شامل یک ترانسفورماتور جریان معکوس و یک ترانسفورماتور ولتاژ با هسته ی باز، توصیف شده است. . مزایای اصلی نصب ترانسفورماتور ترکیبی در شبکه ی قدرت در ادامه توضیح داده شده است.

ترانسفورماتور ترکیبی ترانسفورماتوری است که شامل یک ترانسفورماتور جریان و یک ترانسفورماتور ولتاژ در یک محفظه می باشد. به دلیل مزایای فراوان، در بسیاری از کشورها به عنوان یک راه حل فنی مورد توجه واقع شده است. طبق گزارشات کشورهای پیشرفته صنعتی، سهم تعداد ترانسفورماتور ترکیبی در مجموع  ترانسفورماتورها در ولتاژ های ۱۲۳ کیلوولت و ۲۴۵ کیلوولت، تقریبا ۵۰ درصد است. بر اساس این گزارش، هیچ ترانسفورماتور ترکیبی با عایق کاغذ-روغن در رنج ولتاژهای بالاتر از ۳۰۰ کیلو ولت نصب نشده است.

در اصل دو طراحی ترانسفورماتور ترکیبی تاکنون استفاده شده است. ترانسفورماتور اول، عایق شده با کاغذ-روغن، شامل یک ترانسفورماتور جریان معکوس در سر ترانسفورماتور ترکیبی و یک ترانسفورماتور ولتاژ القایی با یک هسته بسته در انتهای ترانسفورماتور که در یک محفظه فلزی جدا قرار می گیرد. عایق اصلی این ترانسفورماتور شامل دو بوشینگ خازنی می باشد که در عایق قرار می گیرند. این موضوع،  به عنوان یک اشکال اساسی در این راه حل بیان می شود، زیرا ولتاژ در طول بوشینگ ها جداگانه توزیع شده است و از نظر قطب مخالف، و نقاط پتانسیل برابر در فضا توزیع می شود.

طراحی دوم مربوط به ترانسفورماتور ترکیبی عایق شده با گاز SF6 می باشد. رایج ترین راه حل با استفاده از این تکنولوژی با ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ در ترانسفورماتور ترکیبی نصب شده است، که ترانسفورماتور ولتاژ با هسته بسته می تواند در بالا یا پایین ترانسفورماتور با جریان معکوس قرار داشته باشد. این راه حل در ولتاژ های پایین ، مزایا و معایب طرح های جداگانه ترانسفورماتور جریان و ولتاژ  عایق شده با SF6 را حفظ می کند. در ولتاژهای بالاتر، این راه حل به علت افزایش ابعاد سر ترانسفورماتور، به میزان قابل توجهی بزرگ می شود. به همین دلیل، توانایی ترانسفورماتور برای مقاومت در برابر نیروهای مکانیکی در عملیات کاهش می یابد، و ثبات آن به دلیل مرکز جرم بالای آن کاهش می یابد.

 

 

 

توصیف راه حل جدید

چند سال پیش یک نوع جدید ترانسفورماتور ترکیبی توسط گروه Konca تولید شد. مفهوم راه حل جدید در درجه اول بر اساس سال ها تجربه مثبت در تولید و بهره برداری ترانسفورماتورهای ولتاژ با هسته مغناطیسی باز و ترانسفورماتور جریان معکوس است. ترانسفورماتور ترکیبی با توجه به راه حل جدید در شکل ۱ نشان داده شده و از سر (۱)، یک عایق (۲) و یک محفظه (۳) تشکیل شده است.

در مورد ترانسفورماتور جریان معکوس، هسته ها و سیم پیچ های ثانویه (۴) ترانسفورماتور جریان در سر قرار می گیرند که از سر پتانسیل با کاغذ-روغن عایق شده اند. با توجه به این نصب به عنوان یک جز جدا نشدنی نصبی (۱۲) برای لوله ی مکانیکی(۸) در میان ترمینال های دوم ترانسفورماتور جریان(۷) وجود دارد. سیم پیچ اولیه (۶) ترانسفورماتور جریان در این طرح به عنوان یک سیم پیچ مفتولی نشان داده شده است. در عمل، نسخه های دیگر با چرخش بیشتر و اتصال چندگانه در قسمت اول وجود دارد. اساسا مفهوم معمول ترانسفورماتور جریان معکوس استفاده شده در ترانسفورماتور ترکیبی به گونه ای است که هسته مغناطیسی باز (۹) و سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ (۱۱) در داخل یک لوله توخالی (۸) قرار می گیرند. سیم پیچ اولیه (۱۳) ترانسفورماتور ولتاژ بر روی عایق اصلی (۱۲) در محور عمودی ترانسفورمر توزیع می شود، بسته به ولتاژ نامی، می توان آن را به چند و چندین بخش تقسیم کرد.

• ترانسفورماتور ترکیبی این طرح، فضای نسبتا کوچکی را می گیرد. این امر با قرار دادن ترانسفورماتور ولتاژ با هسته مغناطیسی باز و سیم پیچ ثانویه داخل لوله پشتیبانی می شود، که بخش فعال ترانسفورماتور جریان را حمل می کند.
• سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور ولتاژ که در امتداد ارتفاع عایق نوع پین توزیع می شود، توزیع پتانسیل را در طول ارتفاع ترانسفورماتور بهینه می کند و همچنین به صرفه جویی در فضا کمک می کند.
• با قرار دادن هسته ترانسفورماتور ولتاژ و سیم پیچ داخل عایق نوع پین، توزیع یکنواخت وزن داخل ترانسفورماتور به دست می آید که به بهبود ثبات مکانیکی آن کمک می کند.
• تکنولوژی تولید و مونتاژ ترانسفورماتور ترکیبی این مفهوم شبیه تولید و مونتاژ ترانسفورماتور جریان معکوس است که تولید نسبتا ساده برای ولتاژ بالاتر برای Um = 420 کیلوولت را میسر می کند.
• با توجه به هسته باز ترانسفورماتور ولتاژ، این طراحی بدون فرورزونانس می باشد.
• ترانسفورماتور ولتاژ القایی به عنوان بخشی از ترانسفورماتور ترکیبی دارای مقاطع عرضی سیم پیچ نسبتا زیاد است، بنابراین ترانسفورماتور در تخلیه خطوط انتقال بسیار توانا است.

ویژگی های اصلی ترانسفورماتورهای ترکیبی جدید

 

ترانسفورماتور ترکیبی جدید برای بالاترین ولتاژ از ۷۲،۵ کیلو ولت تا ۴۲۰ کیلو ولت طراحی شده است. آنها بسته به تعداد هسته های ترانسفورماتورجریان، جریان های اولیه و ثانویه نامی، تعداد سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ، ولتاژ اولیه و ثانویه نامی، فاکتور ولتاژ نامی و مدت آن و الزامات دقت کلاس در انواع مختلف تولید می شوند. ابعاد اصلی و طرح کلی در جدول ۱ و شکل ۲ داده شده است.

به طور کلی، می توان گفت که بخش  ترانسفورماتور جریان ترکیبی می تواند تا شش هسته داشته باشد. حداکثر مقدار جریان نامی نسبتا بالا است. برای ترانسفورماتورهای جریان که در اولیه های آن ها قابل اتصال مجدد نیستند، جریان نامی اولیه بیشینه ۶۰۰۰ آمپر است. برای ترانسفورماتورهای فعلی که دارای اولیه های قابل اتصال مجدد هستند، حداکثر مقادیر جریان اصلی اولیه ترانسفورماتور ۲*۲۰۰۰  آمپر یا ۴*۲۰۰۰  آمپر می باشد. بخش ولتاژ ترانسفورماتور ترکیبی می تواند تا چهار سیم پیچ ثانویه داشته باشد.

 

ترانسفورماتورهای ترکیبی در ایستگاه های فرعی

مزایای اصلی نصب و راه اندازی ترانسفورماتور ترکیبی به جای ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ ایستگاه های فرعی در شکل ۴ قابل توصیف است. از شکل ۴ کاملا روشن است که سازمان هایی که از ترانسفورماتورهای ترکیبی به جای واحدهای ترانسفورماتور فعلی و ولتاژ استفاده می کنند، مزایای زیر را به دست می آورند:

• در اصل قیمت های پایین تری را برای ترانسفورماتور (ها) می پردازند.
• هزینه های جا به جایی کمتری دارند.
• نیاز به مواد کمتری دارند.
• قطعات کمتری در ایستگاه های فرعی دارند(سرویس کمتر و نقس مکانیکی کمتر)
• فضای کمتری برای نصب نیاز دارند.
• دکل های کمتری نیاز دارند.
• پایه های کمتری نیاز دارند.

 

شکل ۵ و شکل ۶، مقاطع عرضی سوئیچینگ های ۱۲۳ کیلو ولت معمولی را نشان می دهد که کل فضای مورد نیاز برای سوئیچینگ کامل به طور قابل توجهی در حدود ۷،۷ درصد کاهش می یابد، در حالی که ترانسفورماتور نوع VAU 123 به جای ترانسفورماتورهای  جریان و ولتاژ جداگانه استفاده می شود.

پدیده فرو رزونانس

پدیده فرو رزونانس می تواند از طریق سوئیچینگ عملیات در یک شبکه رخ دهد، که در آن راکتانس غیر خطی ترانسفورماتورهای ولتاژ القایی و ظرفیت شبکه، یک مدار رزونانس را تشکیل می دهند. نتیجه یک فرورزونانس نوسان پایدار است که ممکن است با گرمای بیش از حد و (یا)  ولتاژهای بیش از حد به ترانسفورماتور آسیب برساند، ساختار شبکه معمولی که ممکن است منجر به فرورزونانس شود، به صورت زیر می باشد:

 

• یک فرورزونانس تک فاز در یک پیکربندی که در آن یک ترانسفورماتور ولتاژ القایی به یک خط ولتاژ بالا متصل است، که انرژی الکتریکی آن تخلیه می شود، اما در کنار خط دیگر انرژی می گیرد.
• فرورزونانس تک فاز بین ترانسفورماتور ولتاژ القایی و ظرفیت ولتاژ بالا/ولتاژ متوسط ترانسفورماتور تغذیه.
• فرورزونانس تک فاز بین ترانسفورماتور ولتاژ القایی خازن طبقه بندی شده ی یک دژنکتور مدار باز.
• فرورزونانس سه فاز با یک ترانسفورماتور ولتاژ القایی متصل به یک خازن عایق شده ی خنثی و دنباله ی نزدیک صفر.

 

در عمل همیشه نمی توان از پیکربندی حساس به فرورزونانس اجتناب کرد. از آنجاییکه فرورزونانس تنها در ترکیب های نامطلوب خازنی و راکتانس غیر خطی ترانسفورماتورهای ولتاژ القایی اتفاق می افتد، مهم است که این ساختار ها را تشخیص دهیم.

 

برای درک بهتر پدیده های فرورزونانس، شکل ۷ یک راه حل گرافیکی برای اتصال سریال یک خازن و سلف غیر خطی را نشان می دهد. در شکل ۷، ولتاژهای  القاگر غیر خطی (UL) و خازن (UC) بر حسب  جریان آنها نشان داده شده است. از لحاظ تئوری، ولتاژ تغذیه ترکیب سریال برای یک وضعیت پایدار به وسیله منحنی (UL -UC) داده می شود. U1 ولتاژ تحت شرایط نرمال درطول مقاومت غیر خطی است و I1  جریان عبوری از طریق خازن است. اگر فرض کنیم که ولتاژ منبع به طور ناگهانی مقدار U2 را به دست آورد و کمی از آن عبور می کند، جریان از مقدار I2 به مقدار بسیار بالاتر I3 حرکت می کند. اگر پس از آن ولتاژ منبع تغذیه را به مقدار طبیعی U1 کاهش دهیم، جریان I4 بسیار بالاتر است و بنابراین I1 در مدار جریان می یابد. در همان زمان، ولتاژ در سراسر سلف و خازن بسیار بالاتر از آن در شرایط عادی است. این وضعیت می تواند برای یک مدت طول بکشد و ممکن است باعث فشار ولتاژ (اضافه ولتاژ) و گرم شدن بیش از حد (اضافه جریان) در راکتانس القایی غیر خطی و خازن شود.

چرا طراحی جدید ترانسفورماتور ترکیبی بدون فرورزونانس است؟

بخش ولتاژ ترانسفورماتور ترکیبی جدید شامل یک ترانسفورماتور ولتاژ القایی با یک هسته باز و مسیر شار مغناطیسی بسته شده از هوای مجاور است،با توجه به این واقعیت، جریان مغناطیسی نسبتا بالا است و ویژگی های مغناطیسی چنین ترانسفورماتوری (نمودار U- I) بیشتر در رابطه با محور جریان وبنابراین در مورد ترانسفورماتور با هسته بسته (شکل ۸) تعریف می شود. برای بیشترین مقدار نامطلوب ظرفیت خازنی که در عمل می تواند منجر به فرورزونانس (ظرفیت ایستگاه های فرعی busbar، ظرفیت ترانسفورماتور جریان و قدرت، ظرفیت خازن های درجه بندی شده ی دژنکتور و غیره) شود،تقاطع بین مشخصه های مغناطیسی ترانسفورماتور ترکیبی نوع  VAU و خط خازن غیر ممکن است (نگاه کنید به شکل ۸). حتی اگر تقاطع برای ترکیبات خاص شبکه امکان پذیر باشد، قانون مقدار نامی القایی که در بالا ذکر شد، تضمین می کند که ولتاژ اضافه برای فرورزونانس بسیار پایین است و بنابراین احتمال فرورزونانس بسیار کم است. علاوه بر این، یک سیم پیچ جبران کننده مخصوص ساخته شده در ترانسفورماتور یک بار میراکننده بسیار موثر برای سرکوب پدیده های گذرا ارائه می دهد.

به عنوان یک تولید کننده ترانسفورماتور ولتاژ القایی با هسته باز برای بیش از ۴۰ سال، ما هرگز با مشکل فرورزونانس با این نوع ترانسفورماتور مواجه نشده ایم.

 

نتیجه گیری

به طور کلی، ترانسفورماتورهای ترکیبی یکی از دستگاه های الکتریکی محبوب در بسیاری از کشورهای توسعه یافته است. مزایای اصلی آن در بالا ذکر شدند. اگر ترانسفورماتورهای ترکیبی به جای ترانسفورماتور جریان و ولتاژ جداگانه استفاده شوند، می توان نشان داد که صرفه جویی در ایستگاه های برق در حدود ۷،۷٪ برای ۱۲۳ کیلو ولت و حدود ۴٪ برای ۴۲۰ کیلو ولت می تواند حاصل شود. در مقایسه با سایر ترانسفورماتورهای ترکیبی، ترانسفورماتور ترکیبی جدید نوع UAV  دارای چندین مزیت دیگر است. مهمترین آنها عبارتند از:

توزیع پتانسیل و فشار ولتاژ بهینه در طول ارتفاع عایق، ساده بودن ساخت حتی برای ولتاژ های در حد ۴۲۰ کیلو ولت، مشخصه ی عالی فرورزونانس و توانایی تخلیه ی خط انتقال.

 

شکل۲) طرح تقریبی ترانسفورماتور ترکیبی نوع VAU	شکل۱) برش طولی یک ترانسفورماتور ترکیبی
شکل۴) فواید ترانسفوراتور ترکیبی	شکل ۳) دستگاه ترانسفورماتور ترکیبی VAU 420 تحت آزمایش صاعقه ۱۳۰۰ کیلو ولت،
شکل ۶)سطح مقطع سوئیچینگ ۱۲۳ کیلو ولت با ترانسفورماتور ترکیبی.	شکل ۵)سطح مقطع سوئیچینگ ۱۲۳ کیلو ولت با ترانسفورماتور جریان و ولتاژ جداگانه.
شکل ۸) مشخصه های مغناطیسی ترانسفورماتور ترکیبی VAU 123 و نمودار U- I خازنی معمولی.	شکل۷) حل گرافیکی پدیده ی فرورزونانس

 

 

جدول۱) ابعاد اصلی ترانسفورماتور ترکیبی نوع VAU