- مانيتورينگ ترانسفورماتورهاي قدرت
منابع جريان مستقيم انرژي الكتريكي جزو اولين منابع انرژي الكتريكي بكار گرفته شده توسط بشر در چرخة اختراع اين منبع انرژي تاكنون بودهاند كه در عصر حاضر نيز در سطوح ولتاژ بسيار بالا كاربرد عملي در انتقال انرژي الكتريكي را داراست. انعطافپذيري جريان متناوب انرژي الكتريكي نسبت به جريان مستقيم و دامنة وسيع كاربردي آن سبب گرديد تا شكل متناوب جريان الكتريكي با شتاب غيرقابل مهار از فرم مستقيم اين جريان پيشي گرفته و عملاً جايگزين جريان مستقيم انرژي الكتريكي شود.
از آنجا كه امكان تبديل جريان الكتريكي متناوب به مستقيم از طريق يكسوسازها و بلعكس تبديل جريان مستقيم به متناوب از طريق اينورترها ميسر ميباشد، در نتيجه تقريباً كل سيستمهاي قدرت را بر مبناي تاسيسات و تجهيزات الكتريكي با جريان متناوب طراحي مينمايند.
مهمترين و گرانقيمتترين جزء سيستم توزيع انرژي الكتريكي ترانسفورماتور قدرت ميباشد. ترانسفورماتور از تجهيزات الكتريكي است كه با جريان الكتريكي متناوب كار ميكند و قابليت تبديل سطح ولتاژ اوليه به سطح و لتاژ ثانويه براساس اصول الكترومغناطيسي را دارد.
در مسير تحول ساخت ترانسفورماتورهاي قدرت از ابتدا تاكنون پيشبينيهاي فني مختلفي صورت پذيرفته است كه از آن جمله ميتوان به:
- طراحي و بكارگيري محدودكنندههاي جريان در اوليه و ثانويه ترانسفورماتورها؛
- طراحي و بكارگيري محفظه سيليكاژل(رطوبتگير).
- طراحي و بكارگيري تپچنجر براي سطوح ولتاژ قابل تنظيم براي ثانويه ترانسفورماتور؛
- طراحي بدنه رادياتوري و سيركولاسيون روغن ترانسفورماتور جهت تسهيل خنككاري؛
- ساير موارد فني.........؛
اشاره نمود. ولي آنچه كه در اين مبحث مهم بوده و ضرورت حضور و كنترل مداوم شرايط كار ترانسفورماتور را ميطلبد، بازرسي و كنترل شرايط بهرهبرداري ترانسفورماتور قدرت است. پيشرفت تكنولوژي سختافزاري و نرمافزاري چند دهة اخير در زمينه فنآوري اطلاعات« ديجيتالـ آنالوگ» كه در قالب علم نوين تجهيزات رايانهاي مطرح شده است؛ متخصصين صنعت برق را به اين فكر انداخت كه در جستجوي فنآوري جديدي براي كنترل وبهرهبرداري بهينه براي ترانسفوماتورهاي قدرت باشند.
عمر مفيد ترانسفورماتورهاي قدرت كه در مرحله طراحي در محدوده 30 الي 40 سال در نظر گرفته ميشود با رعايت نكات حفاظتي در زمينههاي مختلف تنشهاي مكانيكي و الكتريكي و حرارتي تا حد بيش از 50 سال قابل افزايش است.
جديدترين روش ارائه شده در اين زمينه در راستاي اهداف اجتماعي و اقتصادي و فني همان روش مانيتورينگ است. مانيتورينگ واژه لاتين بمفهوم نمايش دادن ميباشد و ساختار سيستم مانيتورينگ ترانسفورماتورهاي قدرت نيز براين پايه نهاده شده است كه تستهاي مختلف ترانسفورماتورهاي قدرت قابل بررسي و نمايش باشد.
سيستمهاي مانيتورينگ ترانسفورماتورهاي قدرت اطلاعات كامل و دقيقي در خصوص وضعيت ترانسفورماتورها را فراهم آورده و احتمال رخدادهاي غيرمنتظره را با اعمال عملكردهاي بموقع و متناسب با وضعيت گزارش شدة سيستم به حداقل ممكن ميرسانند و اين همان افزايش ضريب اطمينان سيستم بهرهبرداري است.
چون آناليز سيستم مانيتورينگ به تفصيل در فصل دوم اين رساله آمده است در ادامه به تشريح انواع مانيتورينگ ميپردازيم.
انواع روشهاي مانيتورينگ ترانسفورماتورهاي قدرت:
مانيتورينگ ترانسفورماتورهاي قدرت به دو روش offline و online صورت ميپذيرد كه هر يك داراي ويژگيهاي خاص و روشهاي كنترلي ويژه هستند.
الف) روش offline:
در صورتيكه اندازهگيري و تست ترانسفورماتور و اجزاي آن در شرايط بيبرق و ايزوله بودن به لحاظ الكتريكي صورت پذيرد، اين نوع تست و اندازهگيري را مانيتورينگ offline ترانسفورماتور گويند. اين روش در آزمايشگاه يا در سايت به هنگام خروج ترانسفورماتور از حالت سرويس صورت ميپذيرد و با توجه به در دسترس بودن همگي ترمينالهاي ترانسفورماتور و عدم بروز خطرات فشار قوي پيادهسازي اين روش سادهتر است.
ب) روش online
در صورتيكه اندازهگيري و تست ترانسفورماتور در حين بهرهبرداري و سرويس در پست يا نيروگاه مدنظر باشد در اين صورت بررسي ترانسفورماتور بدون اخلال در انتقال انرژي به روش online موسوم است و اين روش به لحاظ جديد بودن نسبت به روش قبلي از جايگاه ويژهاي برخوردار است.
اندازهگيريها و تستهاي حالت مانيتورينگ ترانسفورماتور قدرت:
در مانيتورينگ ترانسفورماتور قدرت تستها و اندازهگيريهاي انجام گرفته به سه دسته كلي الكتريكي و مكانيكي و شيميايي دستهبندي ميشوند كه شامل موارد ذيل ميباشند:
1- آناليز گازهاي حل شده در روغن؛
2- اندازهگيري استقامت الكتريكي روغن؛
3- اندازهگيري ضريب تلفات عايقي؛
4- اندازهگيري حرارت؛
5- آناليز تابع تبديل؛
6- روش پاسخ ديالكتريك؛
7- اندازهگيري تخليه جزئي؛
8- مانيتورينگ بوشينگ.
هرچند مدار تست دو حالت offline و online مانيتورينگ ترانسفورماتور قدرت متفاوت است ولي اصول اندازهگيري مشترك است.
از هشت مورد فوق بندهاي 1 و 4 و 5 و 7 مشترك در هر دو حالت مانيتورينگ ميباشند كه در فصل دوم جداگانه مورد بحث قرار خواهند گرفت.
مروري به مانيتورينگ offline:
با توجه به اينكه برخي تستها و اندازهگيريهاي ترانسفورماتور قدرت تنها در فرم offline ترانسفورماتور ممكن است و شرايط اجرايي خاصي را ميطلبد در اين قسمت به بررسي موارد مرتبط با مانيتورينگ offline اشاره كوتاهي ميگردد.
مهمترين قالب مورد بحث در اين زمينه تحليل و بررسي عايقهاي روغني ترانسفوماتور قدرت است كه در اين بخش در سه قسمت مجزا بررسي خواهند شد. البته استفاده از نتايج اين روشهاي تست هنوز جزو مسائل بحث انگيز و در دست تحقيق است كه با تثبيت نتايج پيشنهادي آنها ميتوان تحليلهاي صحيحي از عايق ترانسفورماتور قدرت در شرايط مختلف كاري استنباط كرد.
اندازهگيري استقامت الكتريكي روغن:
واضح است كه افزايش رطوبت، استقامت الكتريكي عايق ترانسفورماتور را به شدت تحت تاثير قرار ميدهد. با افزايش دماي ترانسفورماتور رطوبت از كاغذ به داخل روغن حركت ميكند. سرعت اين حركت بستگي به دماي هادي و نرخ افزايش درجه حرارت سيم پيچها دارد. تركيب رطوبت، اكسيژن و حرارت شرايط مساعد براي از بين بردن استقامت مكانيكي و الكتريكي سلولز را فراهم ميآورد و بدين ترتيب عمر عايق و نتيجتاً عمر ترانسفورماتور كاهش مييابد. اندازهگيري رطوبت روغن به عنوان يك تست مرسوم با استفاده از بررسي يك نمونه از ترانسفورماتور در آزمايشگاه انجام ميگيرد. مطابق پيشنهاد IEC 156 استقامت الكتريكي نمونه روغن توسط دستگاه آزمايش روغن با دو الكترود به فاصله 2.5 mm از همديگر اندازهگيري ميشود و در صورت پايين بودن استقامت، وجود رطوبت و ناخالصي محرز ميشود. با توجه به تجارب به دست آمده و مطالعه و بررسي مراجع گوناگون، اين اندازهگيري به عنوان تست دورهاي ترانسفورماتور در حال بهرهبرداري توصيه ميشود.
اندازهگيري ضريب تلفات عايقي:
ضريب تلفات عايقي tan δ به عنوان يكي از مهمترين پارامترهاي يك عايق مطرح است و براي نشاندهي وضعيت عايق تست مؤثري است. البته پيري نرمال عايق، باعث افزايش تلفات عايق ميشود. معمولاً اين تست، يك تست off-Line است. اينكار توسط مدار اندازهگيري پل شرينگ صورت ميگيرد.
روش پاسخ ديالكتريك:
سه روش پاسخ ديالكتريك عبارتند از:
الف) روش ولتاژ برگشتي(Recovery/ Return Voltage Method) (RVM)
ب) جريان دپلاريزه (DPC) يا جريان Relaxation
ج)اسپكتروسكوپي درحوزه فركانس (Dielectric Spectroscopy Frequency Domain) (DSFD)
الف) روش ولتاژ برگشتي
مقدار رطوبت در عايق كاغذي ترانسفورماتور تاثير زيادي بر عمر و قابليت بارگذاري آن دارد.
بنابراين تا جايي كه ممكن است، بايد مقدار رطوبت را در حدپايين نگه داشت. رطوبت به ميزان حداكثر 30ppm براي ترانسفورماتورهاي بزرگ قدرت كه تنشهاي الكتريكي در آنها معمولاً از 50KV/Cm تجاوز نميكند، مناسب به نظر ميرسد. اين مقدار رطوبت را ميتوان با به كار بردن روشهاي خشكسازي مدرن به دست آورد. با توجه به اينكه نمونه برداري از كاغذ ترانسفورماتور نياز به باز كردن تانك ترانسفورماتور دارد، روش نامناسبي براي تعيين رطوبت در كاغذ ميباشد. بنابراين عملاً هيچ روش تست مستقيمي براي اندازهگيري رطوبت در عايق كاغذي وجود ندارد. روشهاي غيرمستقيم مانند اندازهگيري رطوبت در روغن، تعيين مقاومت عايقي و يا تست ولتاژ شكست نيز براي تعيين ميزان رطوبت در عايق كاغذي با دقت بالا مناسب نيستند. لذا در سالهاي اخير بيشترين توجه روشهاي الكتريكي براي ارزيابي رطوبت كاغذ، روي اثرات ناشي از رطوبت در پلاريزاسيون عايق كاغذي با استفاده از روش RVM متمركز شده است. زيرا ثابت زماني پلاريزاسيون عايق به مولكولهاي آب موجود در آن بستگي دارد.
روش RVM يك روش مناسب و كارآمد براي تعيين ميزان رطوبت در كاغذ ترانسفورماتور و همچنين بررسي اثرات پيري در آن، بدون نياز به نمونهبرداري از كاغذ است. اساس RVM بر پايه بررسي و آناليز طيفهاي پلاريزاسيون عايق كاغذ روغني در محدوده ثابت زمانيهاي زياد( از ms10 تا s1000( ميباشد. زيرا ثابت زماني حاكم بر فرايند پلاريزاسيون به شدت وابسته به مقدار رطوبت موجود در كاغذ ميباشد. در واقع هر طيف به دست آمده، با توجه به دما بيانگر يك ميزان رطوبت در كاغذ روغني ميباشد. بايد توجه شود كه ميزان رطوبت در كاغذ بستگي به دما دارد و افزايش دما باعث كاهش رطوبت كاغذ ميشود. بنابراين هنگام تست بايد دمايي كه تست در آن انجام ميشود اندازهگيري شود. شكل(1-1) چند نمونه از طيفهاي پلاريزاسيون به دست آمده از تست RVM را در دماي 38°C نشان ميدهد.
همانطور كه ملاحظه ميشود، افزايش رطوبت باعث افزايش ثابت زماني حاكم بر فرآيند پلاريزاسيون ميگردد. به عبارت ديگر، هرچه ثابت زماني پلاريزاسيون بيشتر باشد، ميزان رطوبت در كاغذ بيشتر است و بنابراين كيفيت آن نامطلوبتر خواهد بود.
تست RVM به عنوان يك تست تاييد شده براي چك كردن اينكه آيا حمل و نقل و نصب به طور مناسب انجام شده است و يا ترانسفورماتور ذخيره شده و نگهداري شده در انبار براي بهرهبرداري مناسب است يا خير، قابل اعمال ميباشد. همچنين اين تست ميتواند به عنوان يك تست دورهاي براي تصميمگيري در مورد اينكه كدام ترانسفورماتور نياز به احياء و يا عمليات خشكسازي و... در محل دارد، به كار برده شود. با اين روش همچنين ميتوان ميزان تاثير گذاري و موفقيت هر كدام از عمليات بهسازي مذكور را تست نمود.
از ديگر كاربردهاي اين تست استفاده از آن براي تعيين روند پيري عايق و يا تشخيص وجود عوامل فرسودگي غير از رطوبت در ترانسفورماتور ميباشد.
همانطور كه ذكر شد، تست RVM براساس تعيين طيف پلاريزاسيون با اعمال يك بار DC و تخليه كردن عايق بنا شده است. براي اينكار بايد مراحل زير را انجام داد(شكل 2-1 را ببينيد).
- گام اول: اعمال يك ولتاژ DC در حد 2KV به عايق به مدت زمان tc
- گام دوم: قطع كردن ولتاژ اعمالي DC و تخليه آن از طريق اتصال كوتاه به مدت زمان td
- گام سوم: برداشتن اتصال كوتاه جهت فعال شدن پديده پلاريزاسيون باقيمانده براي ملايمسازي يا به عبارت ديگر برگشت ولتاژ.
- گام چهارم: تعيين پارامترهاي Vr( حداكثر ولتاژ برگشتي) و Sr(شيب اوليه) از ولتاژ برگشتي اين پارامترها به طور جدي به شدت پلاريزاسيون(مجموع فرايندهاي اوليه فعال شده) در محدوده ثابت زماني كه به مقادير ويژه tc و td بستگي دارد، وابسته هستند.
- گام پنجم: tc و td را در محدوده زماني 10-2 تا 104 ثانيه( به طوريكه نسبت tc/td ثابت است) تغيير داده و مراحل 1 تا 4 تكرار ميشوند. بدين ترتيب يك مجموعه از مقادير براي Vr و (Sr) به دست ميآيد. با رسم آنها به عنوان تابعي از tc( كه ميتواند به عنوان يك نمونه از محدوده ثابت زماني فعال شده T در نظر گرفته شود)، منحنيهايي به دست ميآيد كه داراي رابطه نزديكي با طيف پلاريزاسيون هستند. هر منحني به دست آمده با استفاده از مقادير Vr، يك طيف پلاريزاسيون را در اختيار ميگذارد كه بيانگر يك ميزان رطوبت در كاغذ روغني ميباشد.
- گام ششم: تعيين ميزان رطوبت در كاغذ براساس مقايسه منحني طيف پلاريزاسيون به دست آمده با منحني مرجع جهت تعيين مقدار رطوبت عايق كاغذي.
شكل(3-1) دو نمونه طيف پلاريزاسيون مربوط به يك ترانسفورماتور را نشان ميدهد كه در دو زمان مختلف تهيه شدهاند. در منحني (a) ثابت زماني حاكم بر فرآيند پلاريزاسيون بيشتر از 100 ثانيه است. اين ثابت زماني در دماي 31°C بيانگر ميزان رطوبت در كاغذ به اندازه 5/0 درصد است كه در حد مطلوب ميباشد. در منحني (b) ثابت زماني بين 30 تا 40 ثانيه است. اين ثابت زماني در دماي تست 18°C متناظر با 7/2 درصد رطوبت در كاغذ ميباشد، كه مناسب نيست و نياز به فرآيند خشكسازي ميباشد.
ب) جريان دپلاريزه(DPC):
در روش اندازهگيري جريان دپلاريزه به جاي ولتاژ ايجاد شده، جريان اندازهگيري ميشود. روش اندازهگيري ولتاژ برگشتي نياز به يك ولتمتر يا امپدانس بسيار بالا(الكترومتر) و در روش جريان دپلاريزه نياز به يك آمپرمتر با دقت پيكومتر است.
ج) اسپكتروسكوپي در حوزه فركانس(DSFD):
در روش اسپكتروسكوپي در حوزه فركانس ضرايب عددي ديالكتريك نسبي يا ضريب تلفات عايقي در حوزه فركانس اندازهگيري ميشود. محدوده تغييرات فركانس از 01/0 تا 100 هرتز است. نتايج تحقيقات CIGRE در مورد روشهاي پاسخ ديالكتريك نشان ميدهد كه هر سه روش فوق از نظر نتيجه هم ارزش هستند. اگر چه روشهاي اندازهگيري متفاوت است اما هر سه روش براي عايق ترانسفورماتور يك پديده پلاريزاسيون را نشان ميدهد.