در شبکه ­های برق مهم ترین جزء ترانسفورماتورهای قدرت می­باشند چراکه از لحاظ مالی و قابلیت اطمینان الکتریکی از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند. امروزه بیشتر ترانسفورماتورهای قدرت از هدف طراحی شده­خود فراتر رفته­اند. به منظور اجتناب از هر گونه خرابی زودرس، شناخت شرایط واقعی و روند آینده­ی این نوع تجهیزات از اهمیت فوق­العاده­ای برخوردار می­باشد. این توجیهات نیاز به ساخت سیستم­های نظارتی و تشخیصی است که به نسبت قیمت آن­ها بهترین کیفیت برآورده شود. این مقاله ساختار (سخت افزار و نرم افزار) یک سیستم نظارت و تشخیص آنلاین جدید را در یک اوتو ترانسفورماتور که در رومانی نصب شده است، ارائه می­دهد. سخت افزار به سنسورها (برای دمای بالای روغن، بارگذاری، مقدار محتویات هیدروژن روغن) و یک بلوک اندازه­گیری برای جذب جریان در عایق­های روغنی که از آن مقدار مقاومت، تلفات مماسی و محتویات آب پیدا می­شود، اشاره دارد. نوین بودن سیستم نظارت شامل یک سلول روغنی که به طور مستقیم بر روی ترانسفورماتور سوار شده­است و یک سنسور هیدروژن جدید است. سنسور نظارت هیدروژن شامل فن­آوری­های میکروتراشه و پوشش محافظتی نیکل پالادیوم روی سنسور است که این اجازه را به آن می­دهد تا به طور مستقیم و بدون غشاء، فیلتر یا سایر ابزار استخراج گاز با روغن در تماس باشد. این سنسور هیدروژن را در فازهای روغنی یا گازی اندازه­گیری می­کند. نرم افزار کاربردی که برای به دست آوردن پارامترهای آنلاین ساخته شده است، مزیت عمده­ای دارد که می­تواند نتایج تمام سنسورها و یا تجهیزات اندازه­گیری دیگر را بدون استفاده از نرم افزار طراحی منحصر به فردی نشان دهد و آن را تجزیه و تحلیل کند.

مقدمه

ترانسفورماتور­های قدرت از مهمترین قطعات تجهیزات الکتریکی شبکه قدرت هستند، به ویژه با توجه به هزینه­های خرید و تعمیرات و نگهداری [۱-۲]. آنها به طور پیوسته تحت شرایط پر فشار ضمنی الکتریکی، حرارتی، مکانیکی، محیط زیستی و غیره قرار می­گیرند که این امر خواص آن­ها را بدتر می­کند و در نتیجه باعث پیری سیستم عایق بندی کاغذی یا روغنی [۳] می­شود. راهبرد امیدوار کننده برای افزایش عمر مفید ترانسفورماتورهای قدرت، ایجاد اولویت­های نظارتی و ایجاد استراتژی برای نگهداری آن­ها است. نظارت، تجزیه و تحلیل و تشخیص وضعیت سیستم­های عایق در بخش ترانسفورماتورهای قدرت نقش مهمی ایفا می­کنند. بسیاری از روش­های تشخیصی و نظارت برای جلوگیری از شکست فاجعه بار و به حداقل رساندن خاموشی­ها با دانستن شرایط یک ترانسفورماتور قدرت، مورد استفاده قرار می­گیرند. نمونه هایی از این روش­ها عبارتند از: تجزیه گاز حل شده، اندازه­گیری مقاومت عایق سیم پیچ، تجزیه فوران، بازرسی­های حرارتی و غیره [۴-۵]. امروزه هدف اصلی، توسعه سیستم های نظارت و تشخیص کامل همراه با نرم افزار خاصی است که به مدیران کمک می­کند تا تصمیمات بهینه در رابطه با عملیات تعمیر و نگهداری ترانسفورماتور و یا خروج از سرویس­دهی بگیرند. به منظور شناخت شرایط ترانسفورماتور در هر لحظه از سیستم­های نظارت و تشخیص استفاده می­شود. اکثر آن­ها ضریب بار، درجه حرارت متغیر مانند محیط، روغن، دمای سیم پیچ، شرایط تغییر تپ، شرایط بوشینگ، هیدروژن و گازهای دیگر روغن را بررسی می کنند. این مقاله یک سیستم نظارت و تشخیص جدید برای ترانسفورماتورهای قدرت را توصیف می­کند. نوآوری این سیستم شامل یک سلول روغنی است که به طور مستقیم بر روی ترانسفورماتور سوار شده و یک سنسور هیدروژن جدید نصب شده می­باشد.

سخت افزار سیستم از سنسورهای جذب (برای دمای بالای روغن، بارگذاری، محتویات هیدروژن درون روغن، قدرت دی الکتریک روغن، دامنه ولتاژ و زاویه فاز نسبت به شرایط بوشینگ) و یک بلوک اندازه­گیری برای جذب جریان در عایق روغن که مقادیر مقاومت الکتریکی، تلفات تماسی و محتویات آب ساخته شده است. برای دمای بالای روغن، یک سنسور از جنس Platinum 100 همراه با مبدل مکمل و برای مبدل جریان بار ترانسفورماتور استفاده می­شود که امکان تبدیل آمپر به یک سیگنال ۴-۲۰ میلی آمپری را فراهم می کند. سنسور قدرت دی الکتریک از روش تجزیه غیر مخرب برای ارائه زمان واقعی نظارت بر دی الکتریک روغن استفاده می­کند. تنظیم الکترود منحصر به فرد و پالس نانو ثانیه­ای باعث محدود کردن انرژی آزاد شده در هنگام شکست تا سطح میکرو ژول می­شود. این سنسور برای جلوگیری از هرگونه آسیب در روغن با کیفیت خوب طراحی شده، و برای محدود کردن انرژی آزاد شده در حین خرابی طراحی شده است. این امر این اجازه را می­دهد تا حسگر در تجهیزات بدون کاهش کیفیت روغن کار کند. سنسور بوشینگ با استفاده از الگوریتم­هایی که تکنیک Bridge Schering را شبیه سازی می­کند که این یک روش صنعتی استاندارد جهت آزمایش آفلاین می­باشد، ضریب تلفات (tgδ) را از تست تپ بوشینگ نظارت می­کند. این روش مبتنی بر استاندارد هشدار اولیه در مورد یک خطا را فراهم می­کند. آزمایشات آنلاین در ولتاژ نامی، زیر بار و در تمام شرایط آب و هوایی در مقایسه با آزمایش آفلاین که در شرایط ۱۰ ولت و زمانی که شرایط آب و هوایی اجازه دهد انجام می شود. این آزمایش آنلاین، خطاهای داخلی عایق و یا مسائل خارجی مانند آلودگی سطحی به دلیل آلودگی هوا را تشخیص می­دهد. وضعیت بوشینگ در مقیاس ۰-۱۰۰٪ نشان داده شده است که نشان دهنده تغییرات در ضریب تلفات (tgδ) می باشد. سنسور تپ بوشینگ یک تقسیم ولتاژ خازنی بین ولتاژ عملیاتی و ظرفیت بوشینگ را ایجاد می کند. این سنسور از چهار محافظ اضافه با استفاده از خازن­های تقسیم ولتاژ و دو شکاف جرقه از تپ تست محافظت می­کند. سنسور شرایط عایق بوشینگ را با استفاده از مقادیر فازور برای محاسبه ضریب قدرت اندازه گیری می­کند. این سیستم شامل سنسور هیدروژن جدید (شکل ۱) نصب شده بر روی لوله­ی روغن ترانسفورماتور است. روغن های هیدروکربن (مواد معدنی) به دلیل قدرت بالای دی الکتریک و پایداری شیمیایی به عنوان مایعات عایقی در تجهیزات الکتریکی استفاده می شوند. تحت شرایط عادی تجزیه روغن بسیار کم است. با این حال، هنگامی که یک خطا اتفاق می افتد، عایق روغنی تحت شرایط تخریب شیمیایی قرار خواهد گرفت. این خطا موجب کاهش ترکیبات گازی مولکولی در محلول روغن می شود. تجزیه و تحلیل کیفی گازهایی که در روغن وجود دارد، اجازه می دهد تا فرآیندهای خطا مانند تخلیه جزئی، جرقه زدن، گرمای بیش از حد و شناسایی شود. هیدروژن عنصر کلیدی برای علائم هشدار دهنده است. آشکارساز هیدروژن ارائه شده در این مقاله می­تواند با هشدار دادن این خطا ها، از ترانسفورماتور محافظت کند.

شکل ۱ سنسور هیدروژن

حسگر هیدروژن دارای ویژگی ها و مزایای زیر است:

– محدوده موثر ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ ppm- فاصله­ی بین آزمون: ۱۵ دقیقه؛- حافظه داخلی برای ۱ سال (با ۱۵ دقیقه فاصله بین آزمایش­ها)؛- خروجی: ۲ رله قابل تنظیم:۲ x 4 20 mA, RS485, MODBUS protocol, DNP3- سنسور پالادیوم مستقیم در روغن (یعنی بدون غشا یا فیلتر)- این ضد آب و ضد زنگ است. دومین جزء جدید سیستم نظارت یک بلوک اندازه گیری جذب جریان روغن عایق است که شامل یک الکترومتر و یک سلول است (شکل ۲).

شکل ۲٫ الکترومتر و سلول روغنی درون سیستم نظارت

برای اندازه­گیری جریان جذب، سیستم نظارت و تشخیص از یک تقویت کننده امپدانس (الکترومتر) استفاده می کند که دامنه­ی اندازه­گیری را بین مقادیر حساسیتی  را پوشش می دهد. تقویت کننده دارای فیلترهای پایین گذر برای کاهش نویز در صورت اندازه گیری جریان DC با مقادیر بسیار پایین (fA…pA) و همچنین امکان اندازه گیری در دامنه وسیعی (۴۰۰ هرتز حداکثر) می­باشد. همچنین اجازه می­دهد تا انتخاب ویژگی­های کار به صورت دستی و یا به صورت خودکار با دستور کامپیوتر صورت گیرد. انتخاب دامنه حساسیت به صورت دستی یا با دستور عددی انجام می­شود. اگر دامنه کاری بیش از حد باشد (مقیاس برای اندازه گیری جریان نامناسب است)، پس از آن یک زنگ هشدار ظاهر می شود و تنظیم مقیاس به صورت خودکار انجام می شود. این سلول در مدار روغن ترانسفورماتور درون سیستم نظارت نصب شده است (شکل ۲). مدار روغن توسط هادی های مس انجام می شود. مقادیر جذب جریان می­تواند عامل ضریب تلفات دی الکتریک، مقاومت الکتریکی و مقدار محتویات آب روغن عایق را تعیین کند. تئوری اندازه گیری شامل اعمال ولتاژ dc بین دو ترمینال خازن با استفاده از روغن دی الکتریک می­باشد. ویژگی­های اصلی سلول های روغنی عبارتند از:ü    مشخصات مکانی:- سلول استوانه ای؛ جریان مایع محوری- قطر: ۱۰۰ میلی متر، ارتفاع: ۱۳۵ میلیمتر (از جمله اتصالات جوش)- ریل فولادی، الکترودها و اتصالات ضد زنگ- فشار قابل قبول مایع: ۵ bar- وزن: ۲٫۵ کیلوگرمü    مشخصات الکتریکی:- خازن با هوا: Co = 23 pF- فاصله بین دو الکترود استوانه ای: ۳٫۵ میلیمتر- ضریب تخلیه سلول آزمایش با هوا:  در ۵۰ هرتز- اتصال به واحد اندازه گیری توسط سوکت BNC (حداکثر ولتاژ ۳۰۰ ولت)ü    محدوده دما: ۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد- در این محدوده تغییرات Co و tan δo با دماT کمتر از ۰٫۵٪ است.

اجزای نرم ­افزار

ای

این بخش از نرم افزاری در نرم افزار LabView ساخته شده است که ارتباط با تمام تجهیزات سخت افزاری با سیستم نظارت را برقرار می­کند. هیچ نیازی به هیچ نرم افزار طراحی شده وجود ندارد. این نرم افزار شامل موارد: نظارت، عملیات سلول روغنی، سیستم عایق، سیستم خنک کننده، بارگذاری، داده­های تاریخی و شبیه سازی (از راه­های مختلف عملکرد برای سیستم خنک کننده)، وضعیت تجهیزات، مقادیر گزارش شده، وضعیت بوشینگ و قدرت دی الکتریک روغن (شکل ۳) می­باشد.بخش “نظارت” به معنی نظارت بر جریان و ولتاژ از قسمت های اولیه یا ثانویه ترانسفورماتور، دمای روغن و محیط، هیدروژن، مونوکسید کربن و غیره است. بخش “عملکرد سلول روغنی” عملکرد روغن سلول را نشان می دهد. (شکل ۴٫) به این ترتیب، اندازه گیری­هایی مانند مقاومت الکتریکی و ضریب تلفات به صورت آنلاین انجام می شود [۶].

شکل ۳٫ رابط نرم افزار، نظارت جریان ، دما و هیدروژن

شکل ۴٫ عملکرد سلول روغنی

شکل .۵ نتایج نمونه با پارامترهای سیستم عایقی نتایج در بخش سیستم عایق نشان داده شده است (شکل ۵)

همچنین نرم افزار شرایط عملیاتی سیستم خنک کننده (پمپ روغن و فن)، ضریب بارگذاری اندازه گیری شده و دمای روغن ترانسفورماتور و نیز سیم پیچ، هسته و دمای داغ نقطه را تخمین می­زند.

نتیجه گیریسیستم نظارت و تشخیص آنلاین علاوه بر پارامترهای معمول (جریان، ولتاژ و دما)، پارامترهای وضعیت عایق الکتریکی، یعنی مقاومت الکتریکی حجمی، ضریب تلفات، میزان محتوات آب، هیدروژن و قدرت دی الکتریک را نظارت می­کند.