مقاله آشنایی با ترانسفورماتورهای ابررسانا

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: ترانسفورماتور‌ها یکی از مهمترین عناصر شبکه‌های انتقال و توزیع هستند. در ترانسفورماتور‌ها انرژی الکتریکی در مس سیم پیچ‌ها، آهن هسته، تانک ترانس و سازه‌های نگهدارنده بصورت حرارت تلف می‌شود. حتی در زمانیکه ترانسفورماتور بدون بار است، در هسته تلفات بی باری (NLL) بوجود می‌آید.

 

در نتیجه مطالعات و بررسیهای انجام شده، در ۵۰ ساله اخیر محققان موفق شده اند با صرف هزینه‌ای دو برابر برای هسته، تلفات بی باری را به یک سوم کاهش دهند. اخیراً با جایگزینی فلزات بیشکل و غیر بلوری (Amorphous) بجای آهن سیلیکونی درهسته ترانسفورماتورهای توزیع با قدرت نامی کوچکتر از ۱۰۰ KVA، تلفات بی باری باز هم کاهش یافته است.

این کار هنوز در مورد ترانسفورماتورهای بزرگ با قدرت نامی بزرگتر از ۵۰۰KVA انجام نشده است. اگرچه برای هر ترانسفورماتور، ۱ درصد توان نامی آن بعنــوان توان تلفـاتی در نظر گرفتـه می‌شود، اما باید توجه داشت که آزاد سازی بخش کوچکی از این تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئی کلانی به همراه خواهد داشت.

 

در ترانسفورماتورهای قدرت معمول، تقریباً ۸۰ % از کل تلفات، مربوط به تلفات بارداری ترانسفورماتور (LL) است که از این ۸۰ %، سهم تلفات اهمی سیم پیچ‌ها ۸۰ % بوده و ۲۰ % دیگر مربوط به تلفات ناشی از جریانهای فوکو و شارهای پراکنده است؛ لذا تلاشهای زیادی جهت کاهش تلفات بارداری صورت می‌گیرد. در ابررسانا‌ها بعلت عدم وجود مقاومت اهمی در برابر جریان d. c. تلفات اهمی برابر با صفر است؛ لذا با استفاده از ابررسانا‌ها در ترانسفورماتورها، تلفات کل ترانسفورماتور، کاهش قابل ملاحظه‌ای خواهد یافت.

 

در مقابل جریان ac، در ابر رسانا‌ها تلفاتی از نوع تلفات فوکو رخ می‌دهد. گرمای بوجود آمده از این تلفات باید با استفاده از سیستم‌های خنک کننده دفع گردد. بررسیهای بعمل آمده حاکی از آن است که ترانسفورماتورهای ابررسانا با قدرت ۱۰ MVA و بالاتر عملکرد نسبتا بهتری داشته و نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی قیمت پایینتری خواهند داشت.

تلاشهایی که جهت توسعه ترانسفورماتورهای ابررسانا انجام می‌گیرد صرفاً بخاطر مسایل اقتصادی و کاهش هزینه کل نیست. یکی دیگر از دلایل طرح این مبحث آنست که در مراکز پر تراکم شهری، رشد مصرف ۲ درصدی (سالیانه) به معنی نیاز به ارتقاء ظرفیت سیستم‌های موجود است. از طرفی بسیاری ازپستهای توزیع بصورت سرپوشیده (Indoor) بوده و در کنار ساختمان‌ها نصب شده اند.

در این نوع پست‌ها همانند دیگر پستهای توزیع از ترانسهای روغنی استفاده میشود که استفاده از روغن مشکلات و خطرات زیست محیطی و ایمنی مربوط به خود را دارد. در حالیکه در ترانسفورماتورهای ابررسانا، ماده خنک کننده نیتروژن است که خطری برای افراد و موجودات زنده نداشته، بعلاوه، خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد. بهمین لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهای ابررسانا به هیچ عنوان قابل مقایسه با روغنهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی همچون PCB نیست.

توجه جدی به ترانسفورماتورهای ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهای دمای پایین LTS (اعم از Nb-Ti و Nb۳ -Sn) از اوایل دهه ۱۹۶۰، آغاز شد. مطالعاتی که در آن زمان بر روی این ترانسفورماتور‌ها انجام شد، نشان داد که جهت بهره برداری از این ترانسفورماتورها، باید آن‌ها را در دمای4.2  K نگه داشت که انجام چنین کاری اقتصادی نیست. بهمین دلیل گام‌ها بسوی کشف موادی با قابلیت ابررسانایی در دماهای بالاتر، برداشته شد. در اواسط دهه ۱۹۷۰، شرکت Westing House، طرح یک ترانسفورماتور نیروگاهی ۵۵۰ / ۲۲kv , ۱۰۰۰MVA را مورد مطالعه قرار داد و به این نتیجه رسید که مشکلاتی از قبیل: انتقال جریان، عملکرد فوق جریان (Overcurrent) و حفاظت همچنان وجود خواهند داشت.

از سال ۱۹۸۰، توسعه ترانسفورماتورهای LTS توسط شرکت‌های GEC-Alsthom , ABB، در اروپا و چند شرکت صنعتی و مرکز دانشگاهی در ژاپن، مورد پیگیری قرار گرفت.

پیشرفت‌های بعمل آمده در تولید هادیهای طویل Nb-Ti و مواد با مقاومت بالا (Cu-Ni) بر کاهش تلفات ac تاثیر زیادی داشته است. مساله عملی بودن کاهش وزن و افزایش راندمان نیز بر روی ترانسفورماتورهای با قدرتهای کمتر از ۱۰۰KVA (تکفاز ۸۰KVA Alsthom)، (Toshiba) ۳۰KVA و سه فاز ۴۰KVA (دانشگاه Osaka) مورد بررسی قرار گرفت. هم چنین ترانسفورماتورهای بزرگتری نیز ساخته شده و آزمایشهای مربوطه را با موفقیت پشت سر گذاشتند. در یک ترانسفورماتور تکفاز ۳۳۰KVA ساخت ABB پیش بینی‌های لازم برای محدود سازی جریان خطا و حفاظت در برابر یخ زدگی در نظر گرفته شد. شرکت برق Kansai Electric نیز گزارشی از ترانسفورماتور LTS با هادی Nb۳Sn با قدرت ۲۰۰۰ KVA ارائه نموده است.