علل اضافه شار در ترانسفورماتور چیست؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز،

علل اضافه شار در ترانسفورماتور

طبق روش طراحی ترانسفورماتور‌های امروزی، مقدار نامی چگالی شار در حدود ۱.۷ تا ۱.۸ تسلا نگه داشته می‌شود، در حالی که چگالی شار اشباع ورق فولادی CRGD هسته ترانسفورماتوربه ترتیب در حدود ۱.۹ تا ۲ تسلا است که حدود ۱/۱ برابر مقدار نامی شار در ترانسفورماتور است. در صورت بهره برداری، ترانسفورماتور قدرت با اضافه شار طبق محدودیت‌های طراحی خود در حال کار باشد گفته می‌شود که ترانسفورماتور با افزایش شار (اشباع) روبرو شده است و و این افزایش اثر بد در عملکرد و طول عمر ترانس دارد. بسته به طراحی و چگالی شار اشباع و ثابت زمانی حرارتی قطعات گرم شونده یک ترانسفورماتور دارای قابلیت اضافه تحریک (over excitation) متناسب با این مشخصات است.

مشخصات I.S برای ترانسفورماتور‌های قدرت مقدار مجاز اضافه شار در حالت گذرا را تعیین نمی‌کند، ولی به صورت غیر واضح بیان می‌کند که شار ترانسفورماتور نباید از حد طراحی بیشتر از ۱۱۰ درصد شود.

چگالی شار در ترانسفورماتور را می‌توان طبق فرمول زیر بیان کرد:



بر اساس فرمول بالا چگالی شار مغناطیسی متناسب با تقسیم ولتاژ و فرکانس (V / F)؛ بنابراین اضافه شار هم می‌تواند به دلیل افزایش ولتاژ و یا کاهش فرکانس اتفاق بیفتد.

احتمال اضافه شار تقریبا در ترانسفورماتور‌های افزاینده پست‌های برق نسبت به ترانسفورماتور‌های کاهنده پست‌های برق بیشتر است، جایکه ولتاژ و فرکانس معمولا ثابت هستند. با این وجود در شرایط خیلی غیر نرمال سیستم مشکل اضافه تحریک امکان دارد در ترانسفورماتور‌های کاهنده نیز اتفاق بیفتد.

رله اضافه تحریک طوری تنظیم میشود که برای هر اضافه تحریکی گذرا سیستم عمل نکند تا پایداری سیستم حفظ شود. اما باید برای شرایط حاد که از مقادیر تنظیم شده عبور می‌کند رله اضافه شار سریعا باید عمل کند.

دلایل متعددی برای اضافه شار در ترانسفورماتور وجود دارد، اما برخی از دلایل متداول در زیر برای اطلاعات ذکر شده است

اضافه ولتاژ به دلیل قطع شدن ناگهانی بار
فرکانس پایین توان
بار کم روی خط انتقال
جبران کننده‌های شنت به درستی و اندازه کافی در خط وصل نشده اند.

تأثیر اضافه شار در ترانسفورماتور‌ها

شار در ترانسفورماتور، در شرایط عادی به توجه به خاطر نفوذپذیری زیاد هسته آهنی، محدود به هسته ترانسفورماتور می‌شود و در هوای اطراف وارد نمی‌شود. هنگامی که چگالی شار درحال افزایش بیش از نقطه اشباع است، مقدار قابل توجهی از شار در قسمت‌های اتصالات فولادی و در هوا بسته می‌شود.

قطعات فولادی لایه لایه نیستند و برای انتقال شار مغناطیسی طراحی نشده اند و به سرعت گرم می‌شوند. جریان که در مسیر‌های هوایی جریان دارد ممکن است حلقه‌های جریانی در سیم پیچ‌ها، بار‌ها، پایه مخزن در قسمت اصلی هسته و قطعات سازه ایجاد می‌کنند و باعث گرم شدن این بخش‌ها می‌شوند. در شرایط اضافه تحریک شدید در قسمت داخلی سیم پیچ‌ها که دارای هارمونیک شدید است می‌تواند باعث افزایش خطرناک دما شود. بدیهی است که این شرایط به خاطر تلفات زیاد در سیم پیچ‌ها در شرایط اضافه تحریک شدید برای مدت طولانی نمی‌تواند باقی بماند و در صورت ادامه‌ی این شرایط ممکن است آسیب شدیدی به ترانسفورماتور وارد شود..

شواهد فیزیکی آسیب ناشی اصافه تحریک متناسب با مقدار اضافه تحریک متفاوت می‌باشد و. جدول داده شده در زیر خلاصه چنین آسیب‌های فیزیکی و پیامد‌های احتمالی آن‌ها را نمایش می‌دهد.


ممکن است ساختار‌های پشتیبانی فلزی برای هسته و کویل، سیم پیچ، سر‌های هادی‌ها، لمینیت هسته، مخزن و ... می‌توانند نشان دهنده‌ی تکامل گاز قابل احتراق به دلیل اضافه شار ترانسفورماتور باشند و همان گاز جمع شونده در رله بوخهلتز می‌تواند نسب به زمان اضافه شار باعث هشدار یا قطع گردد.

به دلیل اضافه شار در ترانسفورماتور هسته آن اشباع می‌شود. اگر ولتاژ اولیه به مقدار زیادی و غیرطبیعی افزایش یابد، در اولیه جریان مغناطیسی بالایی ایجاد می‌شود. در صورت وجود چنین شرایط مغناطیسی شرایط روابط خطی هسته ترانسفورماتور بین مقادیر اولیه و ثانویه (همان: ولتاژ و جریان ها) از بین می‌روند؛ بنابراین ممکن است انعکاس کافی و مناسب از این جریان مغناطیسی اولیه بالا به ثانویه وجود نداشته باشد و عدم تطابق جریان‌های اولیه و جریان‌های ثانویه به احتمال زیاد رخ می‌دهد، زیرا باعث می‌شود و اگر حفاظت اضافه تحریک نداشته باشد رله دیفرانسیل عمل می‌کند (حفاظت اضافه شار در همه‌ی ترانس‌ها نصب نمی‌شود).

مدت زمان طراحی تحمل اضافه شار در ترانسفورماتور

اضافه شار در ترانسفورماتور دارای اثرات مضر شدید در طول عمر ترانسفورماتور است که توضیح داده شده است. از آنجا که حفاظت اضافه شار به طور کلی در ترانسفورماتور‌های کاهنده پست‌های فرعی استفاده نمی‌شود، باید یک زمان مقرر وجود داشته باشد که در زمان طراحی ترانسفورماتور باید آن را رعایت کرد تا ترانسفورماتور در این مدت زمان توانایی تحمل در برابر چنین اضافه شار را بدون ایجاد آسیب قابل توجهی به ترانسفورماتور را داشته باشد و همچنین مدت زمان مورد نیاز برای سنس کردن رله‌های حفاظتی و عملکرد وتریپ آن‌ها را داشته باشد. قبلاً نیز ذکر شده است که چگالی شار “B” در هسته ترانسفورماتور متناسب با V / F نسبت و در صورت افزایش V/F از مقدار ۱ باید تشخیض داده شود و حفاظت‌های متناسب به آن عمل کند (V/F برحسب مقادیر‌های پریونیتی هستند).

ترانسفورماتور قدرت طوری طراحی می‌شوند که بتوانند به طور مداوم مقدار (Vn/fn x ۱.۱) را تحمل کنند، که VN مقدار بیشترین RMS ولتاژ و Fn فرکانس استاندارد است. طراحی هسته طوری است که v / f بالاتر را برای یک مدت خاص نیز تحمل کنند که در جدول زیر نمایش داده شده است.

از جدول بالا می‌توان دریافت که وقتی اضافه شار به دلیل خطرات سیستم به حدی برسد که فاکتور F به مقادیر ۱.۴ برسد، ترانسفورماتور باید فوراً از سرویس خارج شود در غیر این صورت ممکن است خسارت دائمی وارد شود.

محافظت اضافه شار v / f در ترانسفورماتور

شرایط ناشی از اضافه شار، نیازی به قطع سریع ترانسفورماتور ندارد. تریپ فوری نامطلوب است، زیرا این امر باعث ایجاد اختلال در سیستم لحظه‌ای می‌شود که می‌تواند باعث عدم اطمینان سیستم شود شود، اما باید شرایط سریعا به حالت عادی برگردد و یا ترانسفورماتور باید حداکثر در مدت ۲ دقیقه از سیستم برق جدا شود تا عیب پیدا شود.

حداکثر چگالی شار با V / f متناسب است و لازم است نسبت V / F بیش از مقدار واحد را تشخیص دهید، V و f در بر حسب پریونیت مقادیر نامی بیان می‌شود. در یک طرح معمولی که برای حفاظت اضافه شار طراحی شده است. ولتاژ سیستم که توسط ترانسفورماتور ولتاژ اندازه گیری می‌شود، به یک مقاومت اعمال می‌شود تا یک جریان متناسب با آن ایجاد شود و این جریان ایجاد شده از خازن می‌گذرد که یک افت ولتاژ ایجاد می‌کند که این افت ولتاژ متناسب با V/f است و از این رو متناسب با چگالی شار. این با یک ولتاژ مرجع DC ثابت به دست آمده از یک دیود زنر نیز همراه است. هنگامی که پیک سیگنال AC از مرجع DC فراتر رود، باعث تحریک یک ترانزیستور شده که دو عنصر الکترو مکانیکی عمل می‌کند. یکی پس از یک تأخیر زمان ثابت تحریک می‌شود، دیگری بعد از یک تأخیر زمانی اضافی که قابل تنظیم می‌باشد. حافظت اضافه شار هنگامی که نسبت ولتاژ ترمینال به فرکانس از یک تنظیم از پیش تعیین شده بیشتر باشد عمل می‌کند. با تنظیم یک پتانسیومتر، تنظیم از ۱ تا ۱.۲۵ نسبت نامی ولتاژ به فرکانس قابل تنظیم است. خروجی از اولین عنصر کمکی که بعد از یک زمان ثابت بین ۲۰ تا ۱۲۰ ثانیه قابل تنظیم است و عمل می‌کند گرفته شده و کلید‌های قدرت ترانس را تریپ می‌دهد.

قبلاً اشاره شد که میزان V / f در ترانسفورماتور‌های تولید توان [۱]و ترانسفورماتور‌های واحد [۲]در صورت که جریان تحریک کامل قبل از سرعت کامل سنکرون ژنراتور رسیده باشد ایجاد می‌شود (فرکانس پایین است و امکان اضافه شار زیاد است). رله V / f در AVR (کنترل کننده ولتاژ ژنراتور) ژنراتور دیده می‌شود. این رله از افزایش جریان تحریک جلوگیری قبل از افزایش کامل فرکانس و رسیدن به مقدار نامی جلوگیری میکند.

استفاده از رله V / f در ترانسفورماتور کاهنده، بهتر است رله به سمت فشار ضعیف ترانسفورماتور متصل شود.

[۱]Generator Transformers

[۲]Unit-Auxiliary Transformers

 

 

منبع: ماه صنعت