شرح کلی ترانسفورماتور

هنگامیکه القا متقابل مابیندو سیم پیچ وجود داشته باشد هر تغییری در جریان باعث القا ولتاژی در سیم پیچ دیگر خواهد شد، از این اصل در ترانسفورماتورها استفاده می گردد. هر ترانسفورماتور دارای یک سیم پیچ اولیه و یک سیم پیچ ثانویه است، سیم پیچ اولیه انرژی را از منبع گرفته و آن را از طریق تغییر میدان مغناطیسی به سیم پیچ ثانویه منتقل می کند. انرژی به شکل یک نیروی محرکه در ثانویه ظاهر می شود.

با استفاده از ترانسفورماتورها می توان انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر منتقل کرد، بدون اینکه اتصال الکتریکی بین آنها برقرار باشد، این انتقال انرژی کامال توسط میدان مغناطیسی مذکور انجام می گیرد. ترانسفورماتورها در توزیع قدرت الکتریکی AC نقش منحصر به فردی دارند چرا که می توانند قدرت الکتریکی با جریان و ولتاژ معینی را به قدرتی با همان مقدار ولی با سطح ولتاژ و جریان متفاوتی تبدیل نمایند.

کاربردها و مزایای ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز یکی از مهمترین وسایل نقل و انتقال انرژی هستند که بخش های بزرگی از شبکه های الکتریکی را تشکیل می دهند. این ترانسفورماتورها توسط برخی از شرکت های تولید کننده تجهیزات برقی تولید
می شوند.
هدف اصلی استفاده از ترانسفورماتورهای سه فاز، انتقال، تبدیل )کاهش یا افزایش( انرژی برق است. همانطور که می دانید، قدرت اصلی یک شبکه برق در محدوده مشخصی تولید شده است. ترانسفورماتورهای سه فاز از این نظر انرژی را از یک شبکه برق به شبکه دیگری منتقل می کنند. بنابراین این ترانسفورماتورها به عنوان یک سیستم نقل و انتقال انرژی مهم عمل می کنند. همچنین، یکی از نقاط قوت اصلی استفاده از ترانسفورماتورهای سه فاز، این است که این ترانسفورماتورها به عنوان یک سیستم توزیع انرژی مورد استفاده قرار می گیرند.

تعمیر و نگهداری ترانسفورماتور

آسیب دیدگی ترانسفورماتور معموال به دو صورت اتفاق می افتد:

• قطع شدن رسانا های ترانسفورماتور (سوختن سیم پیچ های فشار ضعیف و قوی)
• رسانا شدن عایق ترانسفورماتور (از بین رفتن و یا بی خاصیت شدن بخشی از عایق)
  متداول ترین توجه ای که به ترانسفورماتور ها می شود ارزیابی ظاهری است، به طور کلی ارزیابی ظاهری عموما شامل چک کردن شرایط خارجی و سیستم خنک کننده می باشد. ترانسفورماتورها می بایست به صورت دوره ای مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرند تا مشکالت در مراحل اولیه، تشخیص داده شوند و اصالح گردند، قبل از آنکه به تعمیرات اساسی نیاز باشد .

بازبینی ترانسفورماتورها جهت تعمیر و نگهداری معموال یک بار در هفته به صورت روتین انجام می گیرد، با این وجود دفعات بازدید می تواند متفاوت باشد. برای مثال، اگر نشانه ای از وجود یک مشکل که در حال فراگیر شدن باشد، می توان دفعات بازدید را افزایش داد. دوره تعمیر و نگهداری ترانسفورماتور می بایست مبتنی برملزومات قابلیت اطمینان تجهیزات و دستور العمل های توصیه شده توسط سازنده مقرر گردد

فعالیت های تعمیر و نگهداری ممکن است برای هر دسته از تاسیسات در بازه های زمانی اجرا گردد ولی اکثر صنایع، معموال یک بار یا دو بار در سال، برای اهداف تعمیر و نگهداری خاموشی کلی انجام می دهند. در ادامه فعالیت های معمول برای هر کدام از اعمال تعمیر و نگهداری ترانسفورماتور مورد بررسی قرار می گیرد.

بازرسی های روتین و تعمیرات حداقلی ترانسفورماتور

• چک کردن اتصاالت و تجهیزات متصل به آن
• چک کردن سطح روغن و سیستم خنک کننده
• بست ها و سیستم های کنترل
• بازرسی ظاهری و نشتی
• اندازه گیری مقادیر مقاومت عایق ها
• آنالیز گاز ها از رله بوخهلتس )نمونه برداری روغن(
• اتصال مجدد و یا تعویض سیلیکاژل در محفظه تنفس
• چک کردن اتصال به زمین

تعمیرات معمولی

• باز کردن ترانس برای بازرسی و سیرکوالسیون روغن و یا تعویض آن
• چک کردن و تست بوشینگ ها
• تعمیر اجزای ترانس شامل کنسرواتور، مخزن، سیستم خنک کننده، واشر های سیلد کننده

تعمیرات اصلی و اورهال ها

• پرس کردن ورقه های هسته
• تعویض اتصاالت سیم پیچ و بوشینگ ها
• اورهال اکتیوپارت
• باز کردن ترانسفورماتور برای تعویض سیم پیچ ها و عایق

عوامل رایج آسیب دیدگی ترانسفورماتور

اضافه بار

در صورتی که اضافه ولتاژ شبکه، باعث باال رفتن ولتاژ رسانا ها نسبت به بدنه و یا نسبت به فاز دیگر به مقداری بیش تر از استقامت عایق یا استقامت دی الکتریک گردد، در عایق قوس الکتریکی رخ میدهد و عایق خاصیت خود را از دست میدهد. در ادامه این روند، اگر ولتاژ باال به صورت مداوم برقرار گردد، جریان نشتی عایق به تدریج بیشتر شده و دمای عایق باال میرود و در نهایت باعث آسیب دیدن آن میگردد. البته در این شرایط باید کلید های حفاظتی ترانسفورماتور وارد عمل شوند. اگر بار ترانسفورماتور باال رود به علت تولید حرارت در ترانسفورماتور باعث پارگی رسانا ها در نقاط ضعیف ترانسفورماتور میشود که این مورد بیشتر در ترانسفور ماتور هایی با سیم پیچ زیگزاگ در نقطه اتصال اتفاق میافتد. برای جلوگیری از خسارت ناشی از اضافه ولتاژ های گذرای خارجی مانند صاعقه، مناسب ترین راه نصب برقگیر میباشد.

آسیب مکانیکی

در اثر عواملی همچون حمل نادرست ترانسفورماتور با جرثقیل و یا هر وسیله دیگر، به علت تکان های شدید، هسته ترانسفورماتور که بر روی بدنه ثابت شده است، جابهجا شده و باعث پارگی اتصال رسانا ها میگردد. همچنین اگر اتصال کوتاهی در ورودی یا خروجی ترانسفورماتور اتفاق افتد رسانا های ترانسفورماتور بر اثر اتصالی، نیرو های زیادی به یکدیگر وارد مینمایند. این نیروها ممکن است باعث پارگی رساناها و یا خرابی عایق خشک ترانسفورماتور گردد و یا به بدنه ترانسفورماتور آسیب می رسد.

افزایش دما

افزایش دمای داخلی ترانسفورماتور به میزان بیشتر از حد تحمل عایقی ترانسفورماتور موجب آسیب دیدگی آن میگردد. در صورت باال رفتن دما، هدایت عایق ها بر خالف رسانا ها بیشتر میشود و جریان نشتی بیش از حد در عایق باعث سوختن ترانسفورماتور میگردد. یکی از دالیل افزایش دمای ترانسفورماتور، باال رفتن دمای محیط است. دمای شرایط کاری برای دریافت قدرت نامی، توسط سازنده تعیین میگردد. همچنین باید میزان کاهش قدرت به ازای افزایش دما نیز به وسیله سازنده بیان شود. برای رفع این مشکل می توان از سیستم خنک کننده با کارایی باالتری استفاده کرد.

پیری ترانسفورماتور

وقتی ترانسفورماتور به مدت طوالنی در شبکه مورد استفاده قرار گیرد، عایق خشک ترانسفورماتور کم کم خاصیت اولیه خود را از دست میدهد که حتی با تعویض روغن هم دیگر به حالت اولیه بر نمیگردد. عمر مفید ترانسفورماتور معموال از طرف شرکت سازنده اعالم می گردد. استفاده از لوازمی مثل روغن ترانسفورماتور مرغوب و واشر های مناسب جهت آب بندی در باال بردن عمر ترانسفورماتور بسیار موثر است.

مشکل در روغن ترانسفورماتور

اگر سطح روغن در داخل ترانسفورماتور کاهش یابد و به جای آن هوا در داخل تانک ترانسفورماتور نفوذ کند، با توجه به پایین بودن استقامت الکتریکی هوا نسبت به روغن قوس الکتریکی رخ میدهد. بازدید های دورهای و مداوم از ترانسفورماتور می تواند در این خصوص راهگشا باشد. ارتفاع روغن در شیشه روغن، خیسی روی درپوش، رادیاتور ها و زیر ترانسفورماتور معیار مناسبی از آگاهی نشت روغن میباشد.

نفوذ رطوبت

وجود ذرات آب در روغن به شدت استقامت الکتریکی روغن ترانسفورماتور را کاهش میدهد که باعث بروز قوس در روغن ترانسفورماتور میشود. نمونه برداری و تست روغن ترانسفورماتور ها در دوره های از پیش تعیین شده اطالع دقیقی از نفوذ رطوبت به داخل تانک ترانسفورماتور فراهم میکند.

آلودگی روغن ترانسفورماتور

طی دوره کاری ترانسفورماتور با توجه به گردش روغن در بین رسانا ها و هسته، روغن کهنه میشود و نیز ذراتی از سطح آن ها جدا میشود که این ذرات به صورت لجن و رسوبات در ته تانک و روی اکتیوپارت ترانسفورماتور انباشته میگردند. در ادامه وجود ذرات در روغن موجب کاهش استقامت الکتریکی روغن میگردد. تست روغن به صورت برنامه ریزی شده روش مناسبی برای پی بردن به وجود آلودگی روغن ترانسفورماتور است.
روغن ترانسفورماتور باعث انتقال حرارت و عایق جریان الکتریسیته می باشد. در بین سیم پیچ ها، در بین ورقه ها و در اطراف هسته و اتصاالت درونی به عنوان عایق عمل می کند و از اتصال کوتاه جلوگیری می کند. در ولتاژ های بسیار باال احتمال اتصال کوتاه به دلیل پرش جریان وجود دارد که روغن با حفاظت خود از این اتفاق جلوگیریمی کند. گاهی هسته ترانسفورماتور در زمان تشکیل میدان مغناطیسی در بخش های مختلف به شدت گرم می شود و باعث ذوب شدن سیم پیچ می شود و در نتیجه ترانس از کار می افتد. بخاطر همین امر بدنه ترانسفورماتور را به صورت پره دار می سازند تا گرما سریع تر به هوای آزاد منتقل شود.
الزم بذکر است که روغن های مورد استفاده در ترانسفورماتور ها در دو تیپ یک و دو تولید می شود که در ترانسفورماتورهای توزیع از تیپ یک استفاده می گردد.

تعمیرات ترانسفورماتور

به طور کلی در تعمیر ترانسفورماتورهای صنعتی، موارد زیر تعویض یا تعمیر می شوند:

• گرفتن نشتی روغن ترانسفورماتورهای
• تعویض یا تعمیر کلید تپچنجر تنظیم ولتاژ
• تعویض یا ترمیم هسته ترانسفورماتور
• تعمیر یا تعویض قطعات و تجهیزات ترانسفورماتور )بوشینگ، کفشک، قطعات چوبی، و…(
• تعمیر و بازپیچی بوبین های فشار ضعیف یا تعویض بوبین های فشار ضعیف و قوی
• تعویض یا تعمیر تجهیزات معیوب جانبی ترانسفور ماتور

قطعات موثر در خرابی ترانسفورماتورها

کویل ها

کویل ها زمانی دچار خرابی می شود که عایق آن ها از بین رود. عایق کویل ها به دلیل رطوبت، افزایش دما، لرزش، استفاده بیش از توان ترانسفورماتور و فشار مکانیکی حاصل از خرابی ها ممکن است از بین رود.

بوشینگ

بوشینگ ها در اثر آرک زدگی، ضریه و افزایش عمر و مرور زمان دچار خرابی می شوند. همچنین آلودگی ها و رطوبت داخلی هم مانع انجام فعالیت درست بوشینگ ها می شود. همچنین باید توجه داشته باشید که روند خرابی بوشینگ ها به راحتی قابل تشخیص نیست.

هسته

خرابی که برای هسته به وجود می آید در صورت جدا سازی هسته یا افزایش دمای هسته به دلیل الیه برداری از اتصال کوتاه به وجود می آید.

تخریب عایق

تخریب عایق منجر به افزایش اتصال کوتاه در شار مغناطیسی جهت تولید جریان دایره کوتاه و پایدار شده و این اتصاالت گرمای بیش از حدی تولید می کند که ممکن است مشکلات زیادی ایجاد کند.

مشکلات دیگر

دالیل دیگری وجود دارد که باعث خرابی ترانسفورماتور می شود از جمله: آلودگی روغن، نشت روغن، ولتاژ غیر طبیعی و حوادث طبیعی مثل صاعقه، سیل، آتش سوزی و…

چه عواملی باعث خرابی سیم پیچ ها می شود؟

• عدم ثبات عایق بر روی هادی ها
• وجود اتصاالت کوتاه بین حلقه های مجاور
• اتصاالت کوتاه به دلیل رطوبت
• از بین رفتن عایق های دور کناری ترانسفورماتور به دلیل درست انجام نشدن عملیات خشک سازی در زمان اعمال ولتاژ
• امواج گذرا می تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه و در نهایت منجر به سوراخ شدن عایق ها شود.

عیب یابی و آموزش تعمیر ترانسفورماتور

عیب یابی ترانسفورماتور به دو روش زیر انجام میشود:

• آنالیز گاز
• تست های دوره ای

در روش عیب یابی ترانسفورماتور به روش آنالیز گاز، ابتدا نمونه گیری روغن همانند معمول انجام می گیرد. پس از آن جداسازی گاز از روغن و آنالیز گاز انجام می شود و بر حسب درصد گاز های موجود در روغن می توان مشکالت ترانسفورماتور را مشخص کرد. با توجه به نسبت گاز ها می توان به تشخیص پدیده هایی همچون تخلیه جزیی، تخلیه کرونا، قوس با حرارت زیاد و اضافه بار در ترانسفورماتور پی برد و عیب را در داخل ترانسفورماتور شناسایی کرد.
روغن عایق ترانسفورماتور باید قابلیت جذب گاز های تحت فشار را داشته باشد تا بتوان با تجزیه گاز های محلول در آن به تشخیص نارسایی و علل بروز شرایط غیر عادی در کار ترانسفورماتور پی برد. ترکیب های هیدروژن به همراه هیدروکربن های ساده تر همانند متان، اتان، اتیلن و استیلن نسبت های مختلفی ایجاد می کنند که به عنوان شاخصی از دمای تولید شده در روغن ترانسفورماتور قابل بررسی است. به عنوان مثال میزان باالی هیدروژن نشان دهنده بمباران یونی به دلیل تخلیه جزیی می باشد.

بر اساس جدول استاندارد IEEE می توانیم صحیح تر این معایب را تشخیص دهیم.

سطوح ارزیابی	شرایط	مقدار TCDG
سطح 1	اگر سطح گاز های موجود در روغن در این سطح باشد نشان دهنده ی این است که ترانس سالم است.	720
سطح 4	اگر مقدار TCDG در این سطح باشد یعنی گاز قابل اشتعال بیشتر از حالت کار عادی است، در نتیجه به بازرسی بیشتری نیاز دارد. این احتمال را دارد که ترانسفورماتور چند خطای عملکرد داشته باشد.	721-1921
سطح 7	وجود TCDG در این سطح پیگیر این است که سطح بالای روغن در حال تجزیه شدن است. باید بازرسی و رسیدگی بیشتری انجام بشود. یعنی یک یا چند خطا وجود دارد و باید ترانس را تعمیر کنیم.	1921-4620
سطح 9	مقدار TCDG در این سطح نشان دهنده مشکل جدی می باشد و باید ترانس را هر چه سریع تر تعمیر کرده و احتمال کار منجر به خرابی می شود.	>4620

آزمایشات مختلف برای تعمیر ترانسفورماتور برق انجام می گیرد که در ادامه مورد بررسی قرار می گیرند.

1. آزمایش سیم پیچ ها:

سیم پیچ ترانسفورماتور ها از جنبه های زیر مورد بررسی و آزمایش قرار میگیرند:

• قطع شدن
• اتصالی داشتن با نقاط دیگر ترانسفورماتور
• آسیب دیدگی یا فرسودگی سیستم عایق بندی
• تغییر مکان فیزیکی
• شل شدن اتصالات

2. اندازه گیری مقاومت اهمی سیم پیچ های ترانسفورماتور:

در زمان تعمیر ترانس برق هر گونه اتصالی، آسیب دیدگی، شل شدن و فرسودگی بیش از حد بوبین ها، مقاومت اهمی آن ها را تغییر میدهد، با سنجش مقاومت اهمی سیم پیچ ها، به وجود عیب در ترانس ها می توان پی برد.

3. آزمایش نسبت تبدیل سیم پیچ ها:

نسبت ولتاژ بخش فشار قوی ترانسفورماتور به ولتاژ بخش فشار ضعیف ترانسفورماتور، نسبت تبدیل ترانس است. با اندازه گیری عملی این مقدار و مقایسه ی آن با میزان اسمی نسبت که در پالک ترانس قید شده است، می توان به سالمت سیم پیچ های ترانس پی برد. هرگاه نسبت تبدیل متفاوت با میزان اسمی آن باشد، به معنی از خط خارج شدن تعداد قابل توجه ای از سیم بوبین هاست.

4. آزمایش پالریته ترانسفورماتور:

پالریته ترانسفورماتور به نحوه ی اتصاالت داخلی آن مربوط می شود. در تعمیر و نگهداری ترانسفورماتور، باید به این مسئله توجه داشت که پالریته ی صحیح ترانس زمانی اهمیت می یابد که قرار باشد چند ترانسفورماتور به شکل موازی به هم مرتبط شوند.

آزمایش پالریته ترانسفورماتور در هنگام تعمیر ترانس برق صنعتی به دو شکل صورت می گیرد.

• با استفاده از ضربه القایی
• با استفاده از اعمال ولتاژ متناوب

چگونه مانع اضافه بار شدن ترانسفورماتور شویم؟

انتخاب بهینه قدرت ترانس برای تغذیه شبکه بسیار مهم است. اصوال در بررسی ترانس ها وجود بار بین 30 تا 40 درصد را کم بار می دانند و وجود بار بیش از 70 درصد را پر بار می نامند. برای بررسی میزان بار اضافی ترانس از روش آمپراژ گیری استفاده می کنند. به این صورت که ترانس ها را از نظر تعداد فیوز سوزی و افتادن کلید کل ها در روز قبل بررسی می کند و در نتیجه بررسی اگر ترانسفورماتور دچار بار اضافی شده باشد اقدام به تعویض ترانسفورماتور با قدرت باالتر می کنند.
برای جلوگیری از اضافه بار شدن ترانس ها بهتر است از اتصاالت استاندارد در رئوس تیرها و تابلو برق ها و جعبه فیوزها استفاده کرد.

تست های رایج تعمیر و نگهداری و عیب یابی ترانسفورماتور

در ادامه تست های روتین اجزا ترانسفورماتور را که با هدف تعمیر و نگهداری و عیب یابی انجام می گیرد، بررسی می کنیم.

هسته

• مقاومت عایق
• تست زمین

روغن عایق

• تست قدرت دی الکتریک
• ضریب توان-ضریب تلفات
• شمارش اسید
• مهار کننده اکسیژن
• آنالیز گاز های محلول

بوشینگ ها

• تلفات دی الکتریک
• ضریب توان
• سطح روغن )در صورت امکان(
• بازرسی ظاهری برای ترک ها و کثیفی
• دما

کنسرواتور

• کالیبراسیون گیج سطح
• ظاهری )نشتی روغن و نشتی دیافراگم(
• سیستم هوای ورودی

مخزن و متعلقات

• نشانگر دمای سیم پیج
• اسکن مادون قرمز دما
• آنالیز عیوب )التراسونیک(
• آنالیز ارتعاش
• رله بوخهلتس )ظاهری و چک کردن اهمی(
• رله تشخیص عیب فشار )تست عملکرد(
• آنالیز صد

سیستم خنک کننده

• بلبرینگ های پمپ )ارتعاش، صدا و دما(
• چک کردن رادیاتور
• فن ها و کنترل )چک کردن چرخش(
• تمیزی تیغه های فن و رادیاتور
• پمپ های روغن

سیم پیچ ها

• افت ولتاژ امپدانسی-راکتانس نشتی
• جریان اضافی و تلفات مقاومتی
• آنالیز های رفت و برگشتی پاسخ فرکانسی(SFRA(
• ضریب توان-ضریب تلفات
• مقاومتDC
• نسبت تبدیل

پیوست ها:

شرح کلی اهمیت آزمایش روغن ترانسفورماتور:

توجه به این واقعیت که بسیاری از ترانسفورماتورهای قدرت در دنیا عمری بین 30 تا 40 سال دارند، بنابراین احتمال ایجاد خطا و از مدار خارج شدن آنها افزایش می یابد. این امر مشکلات بسیار زیادی از جمله خروج ترانسفورماتور از شبکه که از طرفی باعث ایجاد خسارتهای مادی و نیز آسیب به پایداری شبکه یا پایداری شبکه ها پدیدار خواهد داشت، بنابراین این مسئله اهمیت بسیار مهم سنجش وضعیت شبکه به ویژه ترانسفورماتورهای قدرت را مدنظر قرار گرفته است.

در ارزیابی وضعیت و عمرسنجی ترانسفورماتورها با توجه به تست های مختلف روغنی، الکتریکی و همچنین با تحلیل های انجام شده روی نتایج حاصل از این آزمایشات می توان به یک نتیجه واقعی از وضعیت ترانسفورماتور و مقایسه آن با عمر طراحی آن دست آورد و عملا راهکارهایی جهت استفاده بهینه از ترانسفورماتور و در نتیجه افزایش طول عمر آن ارائه نمود.

روغن ترانسفورماتور عامل جلوگیری از تخریب ترانسفورماتور می باشد. روغن ترانسفورماتور یک مایع عایق بوده و علاوه بر وظیفه عایقی، انتقال حرارت را نیز در ترانسفورماتور دارد.
در اثر شرایط جوی، نوع بارگیری از ترانسفورماتور و حوادثی که ممکن است به روغن تاثیرگذار باشد. روغن ترانسفورماتور به مرور زمان خراب می شود. این خرابی روغن سبب می شود تا روغن خواص عایقی خود را از دست بدهد و به اصطلاح پیر شود. پیر شدن روغن ترانسفورماتور به مرور زمان سبب مشکلات جدی و در نهایت خرابی و یا به ترانسفورماتور تحمیل می گردد.
در میان تمام تکنیک های مورد آزمایش برای روغن ترانسفورماتور، گاز های حل شده در روغن مهم ترین روش هستند. این گازها حاصل تخریب روغن هستند که به دلیل شرایط مختلف از جمله خرابی یا نقص در ترانسفورماتور به وجود می آیند. این گازها نیز شاخصی از تخریب ترانسفورماتور می باشند.

این گازها می توانند با استفاده از روش های گاز کروماتوگرافی به تفکیک بررسی شوند.راسنفورماتور می باشد. بیش از 30 سال از تدوین استاندارد های مربوط به روش های مبتنی بر آنالیز روغن مانند گاز کروماتوگرافی و اجرای آن می گذرد، این روش ها تنها می توانند شاخص کلی از وضعیت تراسنفورماتور را ارائه نماید. تستهای مختلفی جهت عیب یابی و ارزیابی وضعیت تراسنفورماتور انجام می شود که از آن جمله می توان به تستهای روغن شامل تستهای کنترل کیفی و کروماتوگرافی گاز، فیلترول و تستهای الکتریکی شامل اندازه گیری مقاومت عایقی سیم پیچها، اندازه گیری ضریب تلفات عایقی، اندازه گیری مقاومت اهمی و نسبت تبدیل، اشاره نمود. دسته دیگری از تستها وجود دارند که به آنها تستهای مدرن اطلاق می شود. این تستها شامل اندازه گیری تخلیه جزئی (PD)، اندازه گیری جریان پلازاریزاسیون و پلاریزاسیون (PDC)، اندازه گیری پاسخ فرکانسی (FRA) می باشند.