اجزای ترانسفورماتور و نقش آن‌ها در بروز عیب

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: در این گزارش پس از بررسی عیوب مختلف ترانسفورماتور با توجه به تجارب شرکتهای مختلف و استانداردهای معتبر در زمینه تعمیر و نگهداری، دستورالعملی جهت نگهداری ترانسفورماتور ارائه می‌گردد. ضرورت انجام بازدید و سرویس و نگهداری اهمیت بازدید و سرویس و نگهداری بقدری مهم است که طبق مطالعات بعمل آمده و بررسیهای انجام شده داخلی و بین المللی نحوه و دقت در سرویس و نگهداری و بازدید‌های دوره‌ای و پیشگیرانه نسبت به سایر عوامل موثر بر عمر ترانسفورماتور سهم بیشتری دارد.

(۳۰ % کل عوامل داخلی نظیر مشخصات فنی، طراحی و ساخت و حمل و نصب و راه اندازی، تعمیر قطعات و ...) از طرف دیگر آمار ترانسفورماتور‌های صدمه دیده نشان می‌دهد که وجود اشکالات ممکن است مربوط به تجهیزات جانبی ترانسفورماتور باشد که اکثرا در دسترس بوده و یا انجام بازدیدهای مرتب و دقیق معایب قابل تشخیص و پیشگیری می‌باشند. مقدمه ترانسفورماتور، رایجترین و اقتصادی‌ترین دستگاه برای تبدیل ولتاژ از یک سطح به سطح دیگر است.

 

اساس کار ترانسفورماتور بر مبنای کشف فارداری در زمینه القای الکترومغناطیسی است. یک ترانسفورماتور از اجزای مختلفی تشکیل شده است. در ابتدای این فصل. شرحی بر هر یک از اجزای زیر و نقش آن‌ها در بروز عیب آورده شده است: - هسته (مدار مغناطیسی) - سیم پیچ (اولیه و ثانویه) - تپ چنجر - تانک و رادیاتور‌ها - کنسرواتور - بوشینگ (فشار قوی و ضعیف) - رله بوخهلتر - ترمومتر‌ها (سیم پیچ و روغن) - ارتفاع سنج - رطوبت گیر - فشار شکن اجزای ترانسفورماتور و نقش آن‌ها در بروز عیب

۲ - ۱ - ۱ هسته : هسته یک مدار مغناطیسی خوب با حداقل فاصله هوایی و مقاومت مغناطیسی است. هسته بصورت مورق ساخته می‌شود و ضخامت این ورقه‌ها در حدود ۳ / ۰ میلیمتر و حتی کمتر هم می‌باشد. موادی که در ساختمان لایه‌های هسته بکار می‌روند آلیاژهای نرم هستند. انتخاب نوع آلیاژ، به مورد کاربردی ترانسفورماتور و همچنین به مسایل اقتصادی بستگی دارد.

 

از نظر ساختمانی و نوع قرار گرفتن سیم پیچ‌ها روی هسته، ترانسفورماتور به دو دسته تقسیم بندی می‌شود:

۱ – ترانسفورماتور‌های هسته ستونی (core type) ۲ – ترانسفورماتور‌های هسته زرهی (shell type)

در نوع اول: سیم پیچ‌ها بصورت استوانه‌ای متحدالمرکز روی هسته قرار می‌گیرند. در حالیکه در نوع دوم، سیم پیچ‌ها بصورت تناوبی یا ساندویچی روی هم قرار دارند و هسته زرهی، سیم پیچ‌ها را در بر می‌گیرد. این طریقه سیم پیچی زحمت بیشتری دارد و در عوض استحکام مکانیکی آن بیشتر است.

معمولا برای ایجاد استحکام مکانیکی در هسته سوراخهایی ایجاد کرده و میله هایی را از داخل آن عبور می‌دهند. این میله‌ها از آهن هسته و یوغ، توسط تیوبهایی از کاغذ و واشر عایقی کاملا عایق کاری می‌شوند. در آهن سرد نورد از این میله‌ها استفاده نمی‌شود. چونکه وجود سوراخ در هسته‌ها از کلمپهای نیم دایره‌ای که در بیرون بسته می‌شوند استفاده می‌شود. در طی بهره برداری از ترانسفورماتور، هسته و سایر اجزای فلزات در معرض میدانهای قوی الکتریکی هستند و در نتیجه باردار می‌شوند. از آنجائیکه اجزای مختلف بطور یکسان باردار نمیشوند لذا بین آن‌ها اختلاف پتانسیل بوجود میآید. بهمین دلیل هسته و کلمپهای یوغ را زمین میکنند.

عوامل مختلفی سبب بروز عیب در هسته و در نتیجه ترانسفورماتور می‌شوند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

- ۱ کاهش قدرت عایقی در اطراف پیچهای نگهدارنده میتواند سبب بروز خرابی شود. این امر سبب ایجاد اتصال کوتاه بین ورق‌های هسته و ایجاد جریان‌های گردابی میشود. میتوان برای جلوگیری از این کار از باند‌های عایقی استفاده کرد.

۲ – خرابی عایق بین ورق‌های هسته و عایق بین یوغ و صفحات نگهدارنده، سبب ایجاد جریان گردابی میشوند.

۳ -محکم نبستن ورقه‌های هسته سبب ایجاد و لرزش در آن و تضعیف سیستم عایقی می‌شود.

۴ - بالا رفتن عمر ترانسفورماتور و فرسودگی صفحات و ورقه‌های هسته ودر نتیجه پیری هسته، سبب افزایش تلفات و درجه حرارت میشود.

۵ -در هسته‌های زرهی مستطیلی شکل که توسط پیچهای عمودی بهم بسته میشوند، موقعیت پیچ‌ها طوری است که نزدیک گوشه‌های هسته هستند و این امر سبب انحراف شار از مدار اصلی به سمت پیچ‌ها ور در نتیجه ایجاد جریان گردابی میشود.

 

۳ - ۱ - ۱ سیم پیچ‌ها : سیم پیچ‌های ترانسفورماتور معمولا از سیم مسی و در مواردی از آلومنیوم سیخته می‌شود. انواع سیم پیچ‌های مورد استفاده در انواع ترانسفورماتور‌ها عبارتند از:

۱ –سیم پیچ استوانه‌ای: این سیم پیچ به صورت یک لایه، دو لایه و چند لایه بابوبین پیوسته ساخته می‌شود. ساخته می‌شود.

۲ – سیم پیچ دیسکی: در این نوع سیم پیچی هادی‌ها به صورت کویل‌های مسطحی پیچیده میشوند. از آنجایی که در مواردی سیم پیچ‌ها با چندین هادی موازی پیچیده می‌شوند؛ لذا هادیهای دورتر از محور نسبت به هادیهای نزدیکتر طول بیشتری دارند. برای ایجاد تعادل در این طول‌ها، آن‌ها را ترانسپوزه می‌کنند. این کار سبب توزیع یکنواختی جریان بین هادیهای موازی و کاهش تلفات ناشی از جریانهای گردابی می‌شود.

در این نوع سیم پیچی، برای ایجاد یکنواختی در توزیع ولتاژ روی بخشهای ورودی سیم پیچ، از حلقه‌های یکنواخت کننده خازنی استفاده می‌شود. این حلقه‌ها سبب افزایش ظرفیت خازنی در ورودی و تعادل میدان الکتریکی در دوره‌های انتهایی می‌شوند.

۳ – سیم پیچ مارپیچ (حلزونی) در این نوع سیم پیچی، دورهای سیم پیچ یک خط مارپیچ را دنبال می‌کنند. هر دور شامل چندین هادی نواری می‌شود که در جهت شعاع روی هم قرار می‌گیرند. در این نوع سیم پیچی نیز برای متعادل سازی مقاومت و رکتانس هادیهای موادزی و کاهش تلفات جریانهای گردابی، هادی‌ها را ترانسپوزه می‌کنند.

سیم پیچی مارپیچ در انواع منفرد. مقعر، دوبل و چهارتایی وجود دارد. سیم پیچ مار پیچ کلا تعداد دور نسبتا کمتری دارد؛ لذا برای جریانهای بزرگ سمت فشار ضعیف (ترانسفورماتور‌های نیروگاهی) مورد خوبی است. در قسمت قبلی و در بحث معرفی هسته، گفتیم که هسته دو نوع است. ستونی و زرهی. سیم پیچهای ترانسفورماتور در هسته ستونی و هسته زرهی. نیروهای مختلفی را تحمل می‌کنند میزان این نیرو‌ها در سیم پیچهای ترانسفورماتور هسته ستونی بیشتر است.

در این نوع سیم پیچی نیروی شعاعی از نوع کششی و فشاری (به سمت داخل) و نیروهای محوری از نوع کششی و فشاری به سیم پیچ وارد می‌شود. در سیم پیچ‌های ترانسفورماتور‌های هسته زرهی، نیروی شعاعی در لبه‌های سیم پیچ و نیروی محوری که اغلب بصورت فشاری است بر سیم پیچ وارد می‌شود.

عوامل مختلفی سبب بروز عیب در سیم پیچ‌ها و در نتیجه در ترانسفورماتور می‌شود که برخی از آن‌ها عبلرتند از:

۱ - محکم نبودن عایق روی هادی‌ها سبب می‌شود که عایق به یک طرف شکم بدهد. این امر سبب اتصال ک. تاه بین حلقههای سیم پیچ می‌شود.

۲ - اتصال کوتاه بین حلقه‌های مجاور بدلیل وجود لبه‌های تیز روی هادی‌های مسی، سبب بروز عیب در ترانسفورماتور می‌شود.

۳ - در اثر رطوبت به سیم پیچ‌ها ممکن است که بین دور‌ها اتصال کوتاه رخ دهد.

۴ - در فرایند خشک سازی ترانسفورماتور چنانچه دقت لازم بعم نیاید، ممکن است که بدلیل وجود بخار و رطوبت و اعمال ولتاژبه سیم پیچ‌ها عایق میان دور‌های کناری از بین برود.

۵ - اتصال نا مناسب بین سیم پیچ‌ها سبب داغ شدن یونیزاسیون موضعی روغن می‌شود.

۶ - امواج گذرا تاثیرات بدی روی ترانسفورماتور و سیم پیچ دارند و می‌تواند سبب اتصال کوتاه با زمین و سوراخ شدن عایق‌ها شوند. بعضی از تاثیرات امواج گذرا بر روی ترانسفورماتور عبارتند از:: A) در هنگام کلید زنی یا اصابت صاعقه، بدلیل تغییرات امپدانس موجی در نقطه انتقال بین ترانسفورماتور و خط، موجهای رفت و برگشت ولتاژ و جریان ایجاد می‌شود که ممکن است ولتاژ روی سیم پیچ‌ها تا حد بسیار زیادی افزایش یابد. (b. ایجاد اضافه ولتاژ در تپهای ترانسفورماتور بدلیل وجود امواج گذرا کلا در هر نقطه‌ای که امپدانس موجی آن در طول سیم پیچی تغییر کند. خطر پیدایش اضافه ولتاژ وجود دارد. (c. هنگام قطع یک مدار القایی، مانند اولیه ترانسفورماتور، در صورتیکه ثانویه باز باشد. جریان مغناطیسی کنندگی و در نتیجه فشار مغناطیسی تمایل به صفر شدن یکباره دارند که البته شار نمی‌تواند چنین حالتی داشته باشد. در نتیجه اضافه ولتاژ بزرگی پدید می‌آید.

۷ - اضافه بارهای طولانی مدت سبب تولید گرما می‌شود. این امر سبب از بین رفتن عایق هادی‌ها و اتصال کوتاههای حلقه می‌شود. از طرفی در نتیجه گرمای یش از حد در روغن نیز لجن تولید می‌شود.

۴ - ۱ - ۱ تپ چنجر: تپ چنجر‌ها بطور گسترده‌ای برای کنترل ولتاژ در سطوح مختلف بکار می‌روند اساس کار تپ چنجر بر تغییر نسبت تبدیل ترانسفورماتور استوار است. بدین ترتیب که با انشعاباتی که در سیم پیچ فشار قوی تعبیه می‌شود. تعداد دور سیم پیچ را تغییر داده و سبب تغییر ولتاژ در خروجی ترانسفورماتور می‌شوند. تپ چنجر‌ها د. به دو دسته «قابل قطع زیر بار» و «غیر قابل قطع زیر بار» تقسیم می‌شوند. تپ چنجر قابل زیر بار در تغییرات روزانه و یا کوتاه مدت ولتاژ که به سبب تغییر بار بوجود می‌آید استفاده می‌شود و در ترانسفورماتور‌های بزرگ نیروگاهی و پستهای انتقال کاربرد دارد.

۵ - ۱ - ۱ تانک و رادیاتور:  تانک یک ظرف مکعبی یا بیضی شکل است که هسته و سیم پیچ‌های ترانسفورماتور در آن جای می‌گیرند. تانک و ظایفی به شرح زیر دارد: - سطح مورد نیاز برای دفع تلفات ترانسفورماتور را تامین کند - محلهای نصب بوشینگ، تپ چنجر، کنسرواتور و سایر متعلقات ترانسفورماتور در آن تعبیه شده باشد. - تلفات فوکو در آن حداقل باشد و حداقل میدان مغناطیسی در خارج از آن وجود داشته باشد. برخی تانک‌ها طوری ساخته می‌شوند که روغن در میان آن‌ها هیچ ارتباطی با هوای آزاد ندارد. به ایت تانک‌ها و ترانسفورماتور، هرمتیک می‌گویند. بهترین ویزگی ایت ترانسفورماتور‌ها کاهش فرسودگی مواد عایقی و در نتیجه کاهش عملیاتهای مراقبت و نگهداری از آن‌ها می‌باشد.

بر حسب سیستم خنک کنندگی می‌توان انواع تانک را بصورت زیر طبقه بندی کرد:

۱ – تانک با ورق ساده: این تانک از ورق فولادی به ضخامت mm۳ ساخته می‌شود و سطح آن صاف است. از این تانک در قدرتهای کمتر از kva ۵۰ و ولتاژهای پایین استفاده می‌شود

۲ - تانک ساده مجهز به پرده و ورقه: برای دفع گرمای بیشتر، به سطح جانبی تانک، پرده‌ها و یا ورقه هایی جوش داده می‌شود تا سطح خنک کنندگی آن افزایش یابد. ممکن است که از لوله‌های تو خالی هم استفاده شود.

۳ – تانک با تیوبهای خارجی: در ساخت ساین تانک از ورق آهن بویلر با ضخامت ۵ تا ۱۰ میلی متر استفاده می‌شود. تیوب‌ها در ردیفهایی به فاصله حدودا ۸ سانتی متر چیده می‌شوند و فاصله قائم آن‌ها حدود ۱۰ سانتیمتر است. از این تانک در ترانسفورماتور‌های توزیع با قدرت بالای kva ۵۰ استفاده می‌شود.

۴ – تانک با رادیاتور: در ترانسفورماتورهای kva ۵۰۰ و بالاتر، نصب تیوب خنک کنندگی کافی نیست و در این مورد از رادیاتورهای قابل جدا شدن استفاده می‌شود. رادیاتور توسط فلانچهایی که در مسیر ورودی و خروجی قرار دارد به دیواره تانک پیچ می‌شود. در این مسیر‌ها شیر‌های ورودی و خروجی نیز تعبیه می‌شود. در ترانسفورماتورهای بزرگ رادیاتور‌ها به عنوان یک مجموعه کامل مجزا از ترانسفورماتور هستند و در محل ان‌ها را نصب می‌کنند.

۵ – تانک با فن: در ترانسفورماتور‌های با قدرت بالا، سطح جانبی رادیاتور و گردش طبیعی روغن هو جوابگو نمی‌باشد. از این حالت از فن ها‌ی خنک کننده هم استفاده می‌شود. مهم‌ترین و شایع‌ترین مورد بروز عیب در تانک و رادیاتور، نشتی روغن رطوبت هوا از طریق منافذ و روزنه‌های ایجاد شده است.

زمینه‌های پیدایش نشتی روغن در تانک و رادیاتور‌ها عبارتند از: - خوردگی و زنگ زدگی تانک و رادیاتور و ایجاد جریانهای سوزنی - نفوذ رطوبت و سایر آلودگی‌ها به داخل ترانسفورماتور از طریق منافذ - نا مناسب بودن سیستم آب بندی (در زگیر‌ها) - وجود سوراخ و بر آمدگی در تانک - نشتی روغن از محل شیر تخلیه و یا لابلای در پوش تانک

 

۶- ۱ - ۱ کنسرواتور (منبع انبساط روغن) متناسب با تغییرات بار و رمای محیط، دمای روغن درون ترانسفورماتور تغییر می‌کند. تغییرات دما سبب تغییرات حجم روغن در تانک می‌شود.

برای اطمینان از اینکه تانک همیشه کاملا پر از روغن می‌ماند. در ترانسفورماتور‌ها تانک انبساط ویژه‌ای بنام کنسرواتور نصب می‌کنند. کنسرواتور مخزنی است فلزی که معمولا استوانه‌ای است و به تانک اصلی متصل می‌شود. کنسرواتور سطح روغنی را که در معرض هوا قرار می‌گیرد کاهش می‌دهد؛ بنابراین آلودگی و اسیدی شدن روغن کاهش می‌یابد. بر روی کنسرواتور، گیج روغن (ارتفاع سنج) برای نشان دادن تغییرات حجم روغن نصب شده است.

۷ - ۱ - ۱ بوشینگ : انواع بوشینگ از لحاظ ساختمانی عبارتند از: ۱ -بوشینگ کمپوزیت

۲ -بوشینگ کمپوندی
۳ -بوشینگ خازنی

۴ -بوشینگ خشک یا پر نشده
۵ – بوشینگهای روغنی: در این نوع بوشینگ‌ها فضای بین عایق اصلی روی هادی (یا خود هادی در بوشینگی که در روی هادی آن از عایق استفاده نشده است) و سطح لایه داخلی (معمولا چینی) با روغن پر شده است.
۶ – بوشینگهای غوطه ور در روغن: از یک سیستم عایق اصلی تشکیل شده است و مجموعه این سیستم عایقی در روغن غوطه ور است.
۷ – بوشینگهای با عایق کاغذ روغنی: در ساختار آن از مواد سلولزی آغشته به روغن استفاده شده است
۸ – بوشینگهای با عایق کاغذ رزینی: عایق اصلی ان از مواد ساخته شده است که با رزین دربر گرفته شده است.
۹ – بوشینگهای جامد (سرامیکی): عایق اصلی آن از مواد سرامیکی ساخته شده است حدود ۹۰ % عیوب قابل پیشگیری بوشینگ: در اثر ورود رطوبت از طریق نشتی لاستیکهای آب بندی و ترکهای آن است. رطوبت داخلی باعث فساد تدریجی بوشینگ شده و می‌تواند سبب انفجار بوشینگ و صدمه دیدن آن شود. مسایل دیگری همچون کرونا و بروز جرقه و عیبهای مکانیکی در ساختمان بوشینگ از جمله موارد بروز عیب در بوشینگ و در نتیجه در ترانسفورماتور است. جدول خلاصه عیوب و نتایج و علایم آن در بوشینگ در زیر آورده شده است.


۲ – در این تست با استفاده از فرو بردن یک میله داغ و صدای چز چز آن می‌توان به وجود رطوبت در بوشینگهای کمپوندی پی برد.

۸ - ۱ - ۱ سیستم عایقی:

وظیفه سیستم عایقی: جدا سازی سیم پیچ‌ها از هم (از لحاظ الکتریکی) و از دیگر قسمت‌ها و زمین می‌باشد. سیستم عایقی ترانسفورماتور شامل عایقهای اصلی (عایق بین فاز‌ها و بین فاز و زمین) و عایقهای فرعی (حلقه – حلقه و لایه – لایه و ...) می‌باشد. میزان توانایی و استقامت سیستم عایقی در برابر شکست دی الکتریک را قدرت دی الکتریک آن نامند.

عایق بطور لحظه‌ای و آنی دچار شکست نمی‌شود. در عایقهای مایع دو مکانیزم اصلی شکست وجود دارد. استریمر و شکست دی الکترک در عایقهای جامد هم دو مکانیزم شکست وجود دارد: تخلیه جزیی و شکست بهمنی.

بطور کلی عوامل متعددی ممکن است سبب بروز عیب در سیستم عایقی شوند که برخی آن‌ها بشرح زیر می‌باشند:

۱ – رطوبت موجود در عایق مایع (روغن) سبب کاهش قدرت عایقی می‌شود. در نتیجه بین سیم پیچ‌ها یا سیم پیچ‌ها و تانک یا ساختمان هسته شکست رخ می‌دهد.

۲ – بر اثر اضافه بار: روغن دچار فساد تدریجی می‌شود. حرارت و دمای اضافی. تشکیل لجن، آب و اسید را تشدید می‌کند

۳ – در صورتیکه تغییرات ولتاژ زیاد باشد. بدلیل وجود نقاط تیز و کم قطر هادی، کرونا رخ می‌دهد.

۴ – عایقهایی مانند کاغذ فشرده که روی سر سیم‌ها کشیده می‌شود ممکن است که هنگام تولید سطحشان آلوده شود یا اینکه هوا را در خود جذب کنند. پدیده اول سبب وقوع تخلیه سطحی و خرابی عایق‌ها و حتی سر سیم‌ها و پدیده دوم سبب سوراخ شدن عایق می‌شود.

۵ – فشار ولتاژ در لبه شیلد‌های زمین شده‌ای که بین اولیه و ثانویه قرار می‌گیرند شبب می‌شود که عایق در این محل‌ها تحت فشار قرار بگیرد.

۶ – باریک بودن کانالهای عبور روغن. مثلا تنگ شدن آن‌ها در حالت تشکیل لجن و رسوب عمر ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد.

۷ – در صورتیکه فاصله بین فاز‌ها رعایت نشود. بین آن‌ها اتصال کوتاه رخ می‌دهد. قرار دادن حفاظ میان فاز‌ها بعضی اوقات کار را بدتر هم می‌کند. چونکه توزیع خطوط میدان در این فضا بهم خورده و فشار زیادی روی اطراف وارد می‌شود.

۸ – چنانچه نگهدارنده‌های چوبی کاملا خشک نباشند به مرور از بین رفته و اتصالی رخ می‌دهد.

۹ – وجود اشیا هادی معلق در روغن می‌تواند سبب برقراری ارتباط الکتریکی بین قسمتهای لخت در ترانسفورماتور شود که در نهایت منجر به وقوع شکست الکتریکی می‌شود.

۱۰– چنانچه مواد عایقی با ثابتهای دی الکتریک مختلف با هم سری شوند و ضخامت ان‌ها رعایت نشود. ممکن است که تحت فشارهای غیر عادی بالایی قرار بگیرند. این امر به مرور زمان سبب وقوع کرونا و گرمای اضافی و در نهایت از بین رفتن عایق می‌شود.

 

۱۱ – تخلیه جزئی: دشارژ قوی یا ضعیف. داغ شدن روغن. داغ شدن سلولز. دشارژ با دمای بالا و آرک زدن از جمله عیوبی است که می‌تواند در حین بهره برداری رخ دهد.

 

 

منبع: مرجع مقالات برق