دانلود مقاله مرکز تازه های صنعت برق

ساخت نوعی جدید از ترانسفورماتورها

شرکت ABB نوع جدیدی از ترانسفورماتورهای تقویت جریان موسوم به بوسترفورمر عرضه کرده است که در سیستم تغذیه راه آهن استفاده می گردد . در این نوع تراسفورماتورها از روغن استفاده نشده و سیستم عایقی ساده‌ای به کار رفته است . استفاده از بوسترفورمر از لحاظ اقتصادی به صرفه بوده و برای محیط زیست نیز مضرات کمتری دارد.

تکنولوژی به کار رفته در بوسترفورمر، همانند Powerformer ها و Dryformer ها ( ترانسفورماتورهای خشک ) مبتنی بر استفاده از کابلها می باشد. این ترانسفورماتورها از یک کابل فشار قوی تشکیل شده که به صورت یک سیم پیچ به دور یک هسته آهنی پیچانده شده است.

در بوسترفورمر از روغن استفاده نشده است و به این ترتیب نیاز به بازرسی مداوم روغن ( دمای روغن، اندازه‌گیری و تجزیه گاز متصاعد شده از روغن و … ) از بین رفته و هزینه‌های سرویس ونگهداری پایین آمده است. به علت زمین شدنِ کل ترانسفورماتور، ضریب ایمنی این نوع ترانسفورماتور بسیار بالاست. بوسترفورمر به علت استفاده از تجهیزات اتصال دهنده استاندارد، از ضریب اطمینان بالایی نیز برخوردار است .

ترانسفورماتورهای تقویت جریان با فواصل 5 کیلومتر از یکدیگر، در مسیر خطوط راه آهن و بر روی فیدر نصب می‌گردند. این نوع ترانسفورماتورها را می‌توان هم بر روی تیر و هم بر روی زمین نصب کرد. از بوستر فورمر ممکن است در کشورهای زیادی برای منابع تغذیه مختلف استفاده گردد . اکنون تعدادی از این نوع تراسفورماتورها برای منابع تغذیه راه آهن کشورهای اروپای شمالی در حال ساختند.

ساخت ترانسفور ماتور قدرت خشک

در ژوئیه 1999، شرکت ABB، یک ترانسفور ماتور فشار قوی خشک به نام “Dryformer “ ساخته است که نیازی به روغن جهت خنک شدن بار به عنوان دی الکتریک ندارد.در این ترانسفورماتور به جای استفاده از هادیهای مسی با عایق کاغذی از کابل پلیمری خشک با هادی سیلندری استفاده می شود.تکنولوژی کابل  استفاده شده در این ترانسفورماتور قبلاً در ساخت یک ژنراترو فشار قوی به نام "Power Former"  در شرکتABB  به کار گرفته شده است. نخستین نمونه از این ترانسفورماتور اکنون در نیروگاه هیدروالکترولیک “Lotte fors” واقع در مرکز سوئد نصب شده که انتظار می رود به دلیل نیاز روزافزون صنعت به ترانسفورماتور هایی که از   ایمنی بیشتری برخوردار باشند و با محیط زیست نیز سازگاری بیشتری داشته باشند، با استقبال فراوانی روبرو گردد.

ایده ساخت ترانسفورماتور فاقد روغن در اواسط دهه 90 مطرح شد. بررسی، طراحی و ساخت این   ترانسفورماتور از بهار سال 1996 در شرکت ABB  شروع شد. ABB در این پروژه از همکاری چند شرکت خدماتی برق از جمله  Birka Kraft و Stora Enso  نیز بر خوردار بوده است.

  تکنولوژی

ساخت ترانسفورماتور فشار قوی فاقد روغن در طول عمر یکصد ساله ترانسفورماتورها، یک انقلاب محسوب    می شود. ایده استفاده از کابل با عایق پلیمر پلی اتیلن (XLPE) به جای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی از ذهن یک محقق ABB در سوئد به نام پرفسور  “Mats lijon” تراوش کرده است.

تکنولوژی استفاده از کابل به جای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی، نخستین بار در سال 1998 در یک ژنراتور فشار قوی به نام  “ Power Former” ساخت ABB به کار گرفته شد. در این ژنراتور بر خلاف سابق که از هادیهای شمشی ( مستطیلی ) در سیم پیچی استاتور استفاده می شد، از هادیهای گرد استفاده شده است. همانطور که از معادلات ماکسول استنباط می شود، هادیهای سیلندری ، توزیع میدان الکتریکی متقارنی دارند. بر این اساس ژنراتوری می توان ساخت که برق را با سطح ولتاژ شبکه تولید کند بطوریکه نیاز به ترانسفورماتور افزاینده نباشد. در نتیجه این کار، تلفات الکتریکی به میزان 30 در صد کاهش  می یابد.

در یک کابل پلیمری فشار قوی، میدان الکتریکی در داخل کابل باقی می ماند و سطح کابل دارای پتانسیل زمین  می باشد.در عین حال میدان مغناطیسی لازم برای کار ترانسفورماتور تحت تاثیر عایق کابل قرار نمی گیرد.در یک ترانسفورماتور خشک، استفاده از تکنولوژی کابل، امکانات تازه ای برای بهینه کردن طراحی میدان های الکتریکی و مغناطیسی، نیروهای مکانیکی و تنش های گرمایی فراهم کرده است.

در فرایند تحقیقات و ساخت ترانسفورماتور خشک در ABB، در مرحله نخست یک ترانسفورماتور  آزمایشی تکفاز با ظرفیت 10 مگا ولت آمپر طراحی و ساخته شد و در Ludivica   در سوئد آزمایش گردید. “ Dry former” اکنون در سطح ولتاژ های از 36 تا 145 کیلو ولت و ظرفیت تا 150 مگا ولت آمپر موجود است.

  نیروگاه مدرن Lotte fors

ترانسفورماتور خشک نصب شده در Lotte fors که بصورت یک ترانسفورماتور – ژنراتور افزاینده عمل می کند ، دارای ظرفیت 20 مگا ولت امپر بوده و با ولتاژ 140 کیلو ولت کار می کند. این واحد در ژانویه سال 2000 راه اندازی گردید. اگر چه نیروگاه Lotte fors نیروگاه کوچکی با قدرت 13 مگا وات بوده و در قلب جنگلی در مرکز سوئد قرار دارد اما به دلیل  نوسازی مستمر، نیروگاه بسیار مدرنی شده است. در دهه 80 میلادی ، توربین های مدرن قابل کنترل از راه دور در ان نصب شد و در سال 1996، کل سیستم کنترل آن نوسازی گردید. این نیروگاه اکنون کاملاً اتوماتیک بوده و از طریق ماهواره کنترل می شود.

  ویژگیهای ترانسفورماتور خشک

ترانسفورماتور خشک دارای ویژگیهای منحصر بفردی است از جمله:

1-    به روغن برای خنک شده با به عنوان عایق الکتریکی نیاز ندارد.

2-  سازگاری این نوع ترانسفورماتور با طبیعت و محیط زیست یکی  از مهمترین ویژگی های آن است. به دلیل عدم وجود روغن، خطر آلودگی خاک و منابع آب زیر زمینی و همچنین احتراق و  خطر آتش سورزی کم میشود.

3-   با حذف روغن و کنترل میدانهای الکتریکی که در نتیجه آن خطر ترانسفور ماتور از نظر ایمنی افراد ومحیط زیست کاهش می یابد، امکانات تازه ای از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم میشود.به این ترتیب  امکانات نصب ترانسفورماتور خشک در نقا شهری و جاهایی که از نظر زیست محیطی حساس هستند،  فراهم میشود.

4-  در ترانسفورماتور خشک به جای بوشینگ چینی در قسمتهای انتهایی از عایق سیسیکن را بر استفاده میشود.  به این ترتیب خطر ترک خوردن چینی بوشینگ و نشت بخار روغن از بین میرود.

5-  کاهش مواد قابل اشتعال، نیاز به تجهیزات گسترده آتش نشانی کاهش میدهد. بنابراین از این دستگاهها در محیط های سر پوشیده و نواحی سرپوشیده شهری نیز می توان استفاده کرد.

6-   با حذف روغن در ترانسفورماتور خشک، نیاز به تانک های روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن کاملاً از بین میرود.بنابراین کار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال کابلها و نصب تجهیزات خنک کننده خواهد بود.

7-  از دیگر ویژگی های ترانسفورماتور خشک، کاهش تلفات الکتریکی است. یکی از راههای کاهش تلفات و بهینه کردن طراحی ترانسفورماتور، نزدیک کردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژی تا حد ممکن است تا از مزایای انتقال نیرو به قدر کافی بهره برداری شود. با بکار گیری ترانسفورماتور خشک این امر امکان پذیر است .

8-   اگر در پست، مشکل برق پیش آید، خطری متوجه عایق ترانسفورماتور نمی شود. زیرا منبع اصلی گرما یعنی تلفات در آن تولید نمی شود.بعلاوه چون هوا واسطه خنک شدن است و هوا هم مرتب تعویض و جابجا می شود، مشکلی از بابت خنک شدن ترانسفورماتور بروز نمی کند.

  نخستین تجربه نصب ترانسفررماتور خشک

ترانسفورماتورخشک برای اولین بار در اواخر سال 1999 در Lotte fors  سوئد به آسانی نصب شده و از آن هنگام تاکنون به خوبی کار کرده است. در آینده ای  نزدیک دومین واحد ترانسفورماتور خشک ساخت ABB (Dry former ) در یک نیروگاه هیدروالکتریک در سوئد نصب می شود.

  چشم انداز آینده تکنولوژی ترانسفورماتور خشک

شرکت ABB در حال توسعه ترانسفورماتور خشک   Dryformer است. چند سال اول از آن در مراکز شهری و آن دسته از نواحی که از نظر محیط زیست حساس هستند، بهره برداری می شود. تحقیقات فنی دیگری نیز در زمینه تپ چنجر خشک، بهبود ترمینال های کابل و سیستم های خنک کن در حال انجام است. در حال حاضر مهمترین کار ABB، توسعه و سازگار کردن Dryformer با نیاز مصرف کنندگان برای کار در شبکه و ایفای نقش مورد انتظار در پست هاست.

افزایش کارآیی کنتاکتهای تپ چنجرهای On-Load به کمک کنتاکتهای جدید ELR

حرکت به سمت خصوصی سازی در صنعت برق تولیدکنندگان برق را به استفاده بهینه و بسیار کارا از تجهیزات موجودشان ترغیب می کند . لذا در راستای این سیاست در حال حاضر توجه ویژه ای به کیفیت تجهیزات مورد استفاده و بهبود عملکرد و افزایش فاصله زمانی تعمیر و نگهداری توسط تولیدکنندگان مبذول می شود .

از آنجا که ترانسفورماتورهای قدرت یکی از گرانترین تجهیزات در صنایع برق می باشند ، لذا تولیدکنندگان برای کاهش هزینه های سرمایه گذاری سعی می کنند ترانسفورماتورهای قدرت خود را در وضعیت اضافه بار نسبت به مقادیر نامی آن قرار دهند. این اضافه بار باعث افزایش درجه حرارت ترانسفورماتور و سایر بخشهایی که جریان از آن عبور میکند می شوند . یکی از حساسترین قسمتها کنتاکت های تپ چنجر های زیر بار می باشند که با افزایش درجه حرارت ، تخریب و به حالت زغالی درمی آیند .

برنامه های وسیع تحقیقاتی برای رفع این مشکل اجرا شده است و آخرین تکنولوژی که در مرحله آزمایش و پیاده سازی عملی بسیار موفق بوده است ، روشی است که توسط نیکولز برای شرکت گاز و برق پاسیفیک انجام شده است .

در بررسیهای اولیه ای که نیکولز بر روی کنتاکت های سوخته انجام داده است این نتیجه را داده است که طرح جدید کنتاکت ها باید دارای هدایت الکتریکی و حرارتی بالاتر ، مقاومت بالاتری در برابر جوش خوردن و در برابر سائیدگی مکانیکی داشته باشد . در این طراحی نیکولز در نظر داشت که طرح مورد نظر قابل انطباق برای انواع تپ چنجرها باشد .

برای اینکار طرح استفاده از کنتاکت های با پوشش نقره بالا و ایجاد کنتاکت هایی با مقاومت خیلی پائین ELR ارائه شد. برای ایجاد این روکش ابتدا با استفاده از سلف فرکانس بالا این آلیاژ نقره ای بر روی کنتاکت جوش خورده است و سپس مقادیر اضافی آن ماشینکاری شده است . این سطح نقره ای باعث ایجاد مقاومت کم و تماس استاتیکی بهتری برای کنتاکت های کلید می شود .

این طرح در پروژه های مختلفی مورد استفاده واقع شده و باعث جلوگیری از تخریب کنتاکتها و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری در دوره های زمانی کوتاه شده است .

 ترانسفورماتور 1000 کیلوولت

با روند رو به رشد مصرف انرژی الکتریکی در قرن بیست و یکم ، شرکت برق توکیو (TEPCO) تصمیم به توسعه شبکه انتقال 1000 کیلوولت داشته و لذا در حال حاضر مشغول آزمایش های میدانی تجهیزات 1000 کیلوولت در پست (شین هارونا) می باشد. در این راستا برای تامین تجهیزات مورد نیاز سیستم قدرت 1000 کیلوولت با همکاری شرکت میتسوبیشی الکتریک ( کارخانه آکو ) یک اتو ترانسفورماتور تکفاز نوع shell یا زرهی با تنظیم کننده ولتاژ تحت بار (LVR) طراحی و ساخته شده که در متن حاضر به معرفی مشخصات ، ساختمان، آزمایش ها و چگونگی حمل و نقل آن پرداخته می شود. در حالت سه فاز ظرفیت سیم پیچ های اولیه و ثانویه 3000 مگاولت آمپر و ظرفیت سیم پیچ ثانویه آن دارای ظرفیت 1200 مگاولت آمپر می باشد که برای تامین بار راکتیو مورد نیاز خطوط 1000 کیلوولت در نظر گرفته شده است . برای اینکه در حین اتصال کوتاه با جریان های شدیدی درگیر نباشیم و تجهیزات منصوبه غیر عادی نباشند به جای اینکه همانند ترانسفورماتور 500 کیلوولت سمت ثالثیه را 63 کیلوولت انتخاب کنیم ، از سطح ولتاژ 147 کیلوولت استفاده می کنیم. برای این ترانس امپدانس درصد، 18 درصد انتخاب شده است، که از یک طرف ماکزیمم پایداری را برای شبکه ایجاد نماید و از طرف دیگر جریان اتصال کوتاه محدود میشود و در نهایت یک طرح اقتصادی برای ترانسفورماتور انتخاب شده است . این ترانسفورماتور دارای 27 تپ در بازه های ولتاژ خط 6/1136 کیلوولت تا 6/986 کیلوولت بوده و برای بررسی قدرت عایقی آن در برابر اضافه ولتاژهای گذرا، آزمایش های ولتاژ ایستادگی در فرکانس قدرت با شرایط و آزمایش ولتاژ ایستادگی(در اولیه 1950 کیلوولت و در ثانویه 1300 کیلوولت) انجام شده است. در آزمایشهای بالا E ولتاژ فازی معادل     می باشد. برای رعایت شرایط زیست محیطی سطح صدای قابل قبول 65 دسی بل برای آن در نظر گرفته شده که برای کنترل این سطح از صفحات چند صدای فلزی در ترانسفورماتور استفاده شده است خنک سازی این ترانسفورماتور با روغن و هوای تحت فشار انجام می گیرد. از آنجا که هر ترانسفورماتور 1000 کیلوولت هم از نظر ولتاژ و هم از نظر ظرفیت معادل دو برابر ترانسفورماتور 500 کیلوولت میباشد و از طرفی بیشتر سیستم های حمل و نقل ریلی و دریائی و یا فضایی در حد یک ترانس 500 کیلوولت میباشند ، لذا این ترانس به دو واحد که هر واحد ظرفیت و حجم یک ترانس 500 کیلوولت را دارد تقسیم می شود. در ترانس تهیه شده هر واحد در حالت تکفاز ظرفیت 3/1500 مگاولت آمپر و هر کدام تنظیم کننده ولتاژ جداگانه داشته و در محل نصب این دو واحد از طریق یک داکت T شکل با بوشینگ روغن – گاز با هم موازی می شوند. برای کاهش عایق ها و در نتیجه کاهش حجم ترانسفورماتور طراحی سیم پیچی و عایق ها باید به گونه ای باشد که شدت میدان الکتریکی تا حد ممکن کاهش یافته و درجه خلوص روغن ترانس نیز تا حد ممکن بالا باشد. برای بارگیری در کشتی، متعلقات هر ترانسفورمرز نظیر واحدهای خنک کنندگی و سایر بخش های آن جدا شده و در فضایی با طول 8 متر ، عرض 3 متر و ارتفاع 4 متر قرار داده می شوند. عموما بارگیری به گونه ای است که برای مسافت های طولانی در حد 1000 کیلومتر هیچگونه آسیبی به واحد نرسد.

در محل نصب ترانسفورماتور در پست، هر دو واحد جداگانه برروی یک قاب فلزی برروی زمین بسته شده و سپس از طریق داکت T شکل به همدیگر وصل می شوند تا یک ترانس تکفاز 1000 کیلوولت را تشکیل دهند. سپس این ترانس تکفاز تحت آزمایش کارآگاهی نسبت تبدیل ، مقاومت ، امپدانس سیم پیچها و مقاومت عایقی قرار می گیرد. اولیه و ثانویه و ثالثیه ترانس تکفاز 1000 کیلوولت از طریق اتصال گازی ( SF6 ) متصل می گردند. سپس با استفاده از سه ترانس تکفاز ، بانک ترانس های سه فازی ایجاد می کنند. در نهایت این ترانس سه فاز تحت آزمایش های تضمین سیستم خنک کنندگی ، آزمایش جریان هجومی، تعیین جریان نشتی قرار می گیرند. این آزمایشات برای یک دوره دو ساله انجام می شود.