ترانسفورماتور ارت

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز:

ترانسفورماتور ارتینگ یکی از تجهیزات ضروری برای آن ایستگاه‌های توزیع است که با خطوط انتقال متصل به دلتا سر و کار دارد.
خطوط انتقال سیستم قدرت به طور کلی از سه فاز تشکیل شده است، بنابراین از سه سیم یا هادی مجزا برای انتقال برق سه فاز از ایستگاه تولید به پست توزیع استفاده می‌شود.
سیستم سه فاز نسبت به سیستم تک فاز یا دو فاز اقتصادی‌تر و سودآورتر است. سیستم انتقال برق سه فاز به عنوان "سیستم سه فاز سه سیم" انتقال نیرو نامیده می‌شود.
سیستم سه سیم برای تامین برق در تسمه‌های صنعتی مناسب‌ترین است. از آنجا که هر سه سیستم سیمی فقط از سیم‌های فاز تشکیل شده اند، بنابراین ولتاژ فاز به فاز را به بار می‌رساند، یعنی VPh.
فرض کنید هر فاز ۲۲۰ ولت دارد. سپس در ایستگاه توزیع ولتاژ فاز به فاز بسیار بالا خواهد بود به ترتیب ۴۴۰ ولت که عموماً در تسمه‌های صنعتی استفاده می‌شود.
اما، برای مصارف خانگی، سطح ولتاژ باید به ترتیب ۲۳۰ ولت باشد.
این امر نیاز به سیستم سه فاز چهار سیم دارد، جایی که سیم اضافی به عنوان خنثی سیستم استفاده می‌شود.
ولتاژ فاز به فاز (به نام ولتاژ خط) √۳ برابر ولتاژ \ فاز تا ولتاژ خنثی است (به نام ولتاژ فاز). افزودن سیم خنثی اهداف زیادی دارد. یک سیستم سه فاز چهار سیم قادر به ارائه ولتاژ خط برای صنایع و ولتاژ فاز برای مصارف خانگی است.
بنابراین، دامنه توزیع برق را به راحتی افزایش می‌دهد. در خطوط انتقال ستاره متصل، نقطه خنثی برای استفاده بیشتر در دسترس است.
یا به عبارت دیگر، یک خط انتقال ستاره متصل سیستم سه فاز چهار سیم است. اما در خطوط انتقال متصل دلتا، هیچ نقطه خنثی وجود ندارد. بنابراین، چگونه یک سیستم سه فاز سه سیم متصل به دلتا را به یک سیستم سه فاز چهار سیم تبدیل کنیم؟ در اینجا از ترانسفورماتور ارت یا ترانسفورماتور زمین برای ایجاد یک نقطه خنثی مصنوعی برای سیستم سه فاز استفاده می‌کنیم. این تئوری اساسی ترانسفورماتور ارتینگ است، عملکرد و سایر ویژگی‌های ترانسفورماتور ارتینگ به شرح زیر است.

1. ساخت ترانسفورماتور اتصال یا ترانسفورماتور زمین
2. عملکرد ترانسفورماتور ارتینگ یا ترانسفورماتور زمین
3.  چرا از اتصال زیگزاگ برای ترانسفورماتور‌های زمین استفاده می‌شود؟
4.  تفاوت بین ترانسفورماتور ارتینگ و ترانسفورماتور قدرت
5. کاربرد ترانسفورماتور ارتینگ

ساخت ترانسفورماتور ارتینگ یا ترانسفورماتور ارتینگ
اکنون به این ایده رسیده اید که چرا باید از ترانسفورماتور زمین در خطوط انتقال متصل به مثلث استفاده شود. تمام ترانسفورماتور‌های ارتینگ به صورت زیگزاگ (یا بین ستاره) متصل هستند.
همه ما می‌دانیم که مقاومت مسیر ارتینگ باید تا حد امکان کوچک باشد، زیرا جریان خطا همیشه کمترین مسیر مقاومت را دنبال می‌کند؛ بنابراین امپدانس ترانسفورماتور ارتینگ عمداً کوچک می‌شود. تلفات مس I ۲R است و از آنجایی که R کوچک است، بنابراین تلفات مس نیز در ترانسفورماتور زمین بسیار کم (تقریبا ناچیز) است.
هنگامی که خطا رخ می‌دهد، سطح بسیار بالایی از لایه‌های جریان از طریق خطوط عبور می‌کند که برای ترانسفورماتور ارتینگ مضر است. از آنجایی که امپدانس کل در ترانسفورماتور زمین کم است، بنابراین یک مقاومت اضافی به هادی خنثی وارد می‌شود تا جریان خطا را به مقدار مطمئن محدود کند.
یک ترانسفورماتور ارتینگ از سه پایه مجزا تشکیل شده و به طور کلی از نوع هسته‌ای برای این منظور استفاده می‌شود. هسته با ورق‌های فولادی الکترومغناطیسی نورد شده ساخته شده است. سیم پیچ‌ها با سیم‌های مسی ساخته می‌شوند و عموماً از عایق مینا یا کاغذ استفاده می‌شود.

هر فاز به طور مساوی به دو نیمه با تعداد دور یکسان در داخل ترانسفورماتور تقسیم می‌شود.
سه فاز قرمز، زرد و آبی و سه اندام در هسته آهنی نیز وجود دارد. اما از آنجایی که اتصال زیگزاگی است، بخش‌های فاز در یک اتصال بین ستاره‌ای قرار می‌گیرند.
نیمه اول فاز قرمز در قسمت بالایی اولین اندام هسته آهنی زخمی می‌شود. نیمه دیگر فاز قرمز در قسمت تحتانی اندام سوم زخمی می‌شود. به طور مشابه، نیمه اول فاز زرد در قسمت فوقانی اندام دوم زخمی می‌شود؛ و قسمت باقی مانده از فاز زرد در قسمت پایینی اولین اندام هسته آهنی زخم می‌شود. به این ترتیب نیمه اول فاز آبی در قسمت فوقانی اندام سوم زخمی می‌شود. نیمه دیگر فاز آبی در قسمت پایینی اندام دوم هسته آهنی زخم می‌شود. به این ترتیب، هر قسمت از ترانسفورماتور ارت شامل دو بخش سیم پیچ فاز مختلف است که به طور متفاوت به هم متصل می‌شوند. پس از انجام سیم پیچ، تمام پایانه‌های فاز توسط یک سیم به هم متصل می‌شوند و به این ترتیب یک اتصال خنثی مشترک ایجاد می‌شود. در نمودار، سیم پیچ‌های فاز به همراه اتصال سیم خنثی سبز نشان داده شده است. این نقطه خنثی با کمک الکترود ارتینگ قوی زمین می‌شود.

عملکرد ترانسفورماتور ارتینگ یا ترانسفورماتور زمین

درک عملکرد این نوع ترانسفورماتور بسیار آسان است. فرض کنید یک سیستم سه فاز سه سیم متصل به مثلث با کمک یک ترانسفورماتور ارت به یک سیستم سه فاز چهار فاز تبدیل می‌شود، همانطور که در نمودار داده شده نشان داده شده است؛ و یک بار تک فاز با فاز آبی و نقطه خنثی متصل می‌شود.
در نظر بگیرید، جریان بار I است که در مدار بار جریان دارد. پس از آن، جریان بار I به سه قسمت مساوی تقسیم می‌شود و آن‌ها از طریق هر سیم پیچ ترانسفورماتور ارتینگ شروع به جریان می‌کنند. از آنجایی که جریان‌های انشعاب همگی برابر هستند، نقطه خنثی نسبت به زمان ثابت است. به این ترتیب ولتاژ فاز به نول در سیستم سه فاز چهار سیم در حالت متعادل باقی می‌ماند. تحت عملکرد عادی، کل شار القا شده در هر قسمت از هسته ترانسفورماتور بسیار کوچک است، بنابراین جریان مغناطیسی ناچیزی را از منبع می‌گیرد.

هنگامی که هر خطای تک فاز به زمین رخ می‌دهد، جزء توالی صفر جریان خطای زمین از سیم خنثی شروع به جریان می‌کند.
در خطای زمین، جریان جریان در فاز معیوب از طریق ترمینال زمین به منبع می‌رود؛ و این جریان خطا در هر فاز ترانسفورماتور ارتینگ به طور مساوی تقسیم می‌شود. اما هر بخش از هسته آهنی از دو بخش سیم پیچ فاز مختلف تشکیل شده است. بنابراین، جریان‌های مساوی، اما مخالف در هر سیم پیچی جریان دارند. به این ترتیب، هر بخش سیم پیچ شار مغناطیسی برابر، اما مخالف ایجاد می‌کند که یکدیگر را خنثی می‌کند. بنابراین، شار خالص حتی در شرایط معیوب افزایش نمی‌یابد. بنابراین، ولتاژ نامی و جریان جریان از طریق مدار بار در شرایط معیوب نیز ادامه خواهد یافت. یک سوم کل جریان بار توسط هر سیم پیچ فاز ترانسفورماتور ارتینگ به شینه اصلی تغذیه می‌شود. مقاومت سری جریان خطا را به مقدار مطمئن محدود می‌کند، زیرا امپدانس ترانسفورماتور بسیار کم است. به این ترتیب ترانسفورماتور زمین یک نقطه زمین مصنوعی برای تمام بار‌های تک فاز فراهم می‌کند و همچنین جریان خطا را با کمک اتصال بین ستاره‌ای خنثی می‌کند.

چرا از اتصال زیگزاگ برای ترانسفورماتور‌های زمین استفاده می‌شود؟
اتصال زیگزاگ در واقع یک اتصال ستاره‌ای به هم متصل است. در ترانسفورماتور‌های ارتینگ، سه جفت سیم پیچ متحدالمرکز به صورت زیگزاگ چیده شده اند. این نوع آرجینگ به این دلیل استفاده می‌شود که این اتصال دارای ویژگی‌های خاصی است.
آن‌ها هستند:

• تغییر خنثی برای این آرایش ناچیز است، یعنی نقطه خنثی ثابت توسط این اتصال ایجاد می‌شود.
• این نوع اتصال امپدانس بسیار کمی برای جریان‌های توالی صفر فراهم می‌کند، بنابراین در زمان خطای زمین، این سیم پیچ مسیر مقاومت پایینی را برای اتصال به زمین جریان خطا ارائه می‌دهد.
• عایق‌های سیم پیچ تحت فشار الکتریکی ناچیز قرار می‌گیرند.
• این نوع اتصال عاری از هر نوع باقیمانده هارمونیک است.
• به دلیل اتصال زمین، جریان خطا روی طرف ثانویه تأثیر نمی‌گذارد.

تفاوت بین ترانسفورماتور ارتینگ و ترانسفورماتور قدرت
اگرچه عملکرد کاملا مشابه است، اما تفاوت‌های زیادی بین ترانسفورماتور ارتینگ و ترانسفورماتور قدرت وجود دارد.
آن‌ها به شرح زیر مورد بحث قرار می‌گیرند:

• جهت جریان برق برای ترانسفورماتور‌های ارتینگ یک طرفه است، در حالی که برای ترانسفورماتور قدرت جریان برق در هر دو جهت است.
• ترانسفورماتور زمین KVA برای اضافه بار کوتاه مدت طراحی شده است، اما رتبه بندی ترانسفورماتور قدرت KVA برای کار مداوم طراحی شده است.
• ترانسفورماتور‌های زمین برای استخراج یک نقطه خنثی برای سیستم سه فاز زمین نشده استفاده می‌شوند، در حالی که ترانسفورماتور‌های قدرت برای انتقال توان از یک مدار به مدار دیگر و تغییر سطوح ولتاژ استفاده می‌شوند.
• جریان خطای ترانسفورماتور ارتینگ به سیستم بستگی دارد، گاهی اوقات به چند هزار آمپر تبدیل می‌شود، اما در ترانسفورماتور‌های قدرت جریان خطا تا ۲۵ برابر جریان نامی معمولی است.
• نسبت نشتی در ترانسفورماتور‌های زمین نسبت به ترانسفورماتور‌های قدرت کمتر است.
• اجزای باقیمانده هارمونیک در ترانسفورماتور قدرت وجود دارند، اما در ترانسفورماتور‌های ارت دیده نمی‌شوند.
• راندمان در ترانسفورماتور‌های زمین بیشتر است و هزینه آن نسبتاً کمتر از ترانسفورماتور‌های قدرت است، به همین دلیل برای استفاده در انواع عملیات بسیار مقرون به صرفه است.

کاربرد‌های ترانسفورماتور ارتینگ
ترانسفورماتور‌های ارتینگ به طور گسترده در شبکه‌های سه فاز سیستم قدرت استفاده می‌شوند. اتصال زمین مناسب در منبع تغذیه در چندین کاربرد ترجیح داده می‌شود، زیرا این امر ایمنی بیشتری را برای تجهیزات متصل به شبکه و همچنین برای اپراتور فراهم می‌کند. این ترانسفورماتور‌ها در طول دوره خطای زمین، به طور موثر مسیری با مقاومت کم برای جریان خطا فراهم می‌کنند.
بعلاوه از آن‌ها برای نگه داشتن تغییر خنثی در محدوده محدود کننده مناسب استفاده می‌شود. ترانسفورماتور‌های زمین برای ایجاد یک نقطه خنثی مصنوعی برای سیستم سه فاز زمین نشده، مانند سیستم سه فاز متصل به مثلث استفاده می‌شوند. اتصال زیگزاگی ترانسفورماتور به استخراج یک نقطه خنثی مشترک کمک می‌کند که بیشتر از طریق راکتور محدود کننده جریان سری به زمین متصل می‌شود. به این ترتیب سیستم سه فاز قادر است برق تک فاز (خط به زمین) و سه فاز (خط به خط) را به راحتی تامین کند. این امر عملکرد سودآور شبکه‌های سیستم قدرت را تضمین می‌کند.