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.

ترانسفورماتورهای ابررسانا ترانسفورماتورها یکی از مهمترین عناصر شبکه های انتقال و توزیع هستند .

در ترانسفورماتورها انرژی الکتریکی در مس سیم پیچها ، آهن هسته ، تانک ترانس و سازه های نگهدارنده بصورت حرارت تلف می شود.

حتی در زمانیکه ترانسفورماتور بدون بار است ، در هسته تلفات بی باری (NLL) بوجود می آید.

در نتیجه مطالعات و بررسیهای انجام شده ، در 50 ساله اخیر محققان موفق شده اند با صرف هزینه ای دو برابر برای هسته ، تلفات بی باری را به یک سوم کاهش دهند.

اخیراً با جایگزینی فلزات بیشکل و غیر بلوری (Amorphous) بجای آهن سیلیکونی درهسته ترانسفورماتورهای توزیع با قدرت نامی کوچکتر از 100 KVA ، تلفات بی باری باز هم کاهش یافته است .

این کار هنوز در مورد ترانسفورماتورهای بزرگ با قدرت نامی بزرگتر از 500KVA انجام نشده است .

اگرچه برای هر ترانسفورماتور ، 1 درصد توان نامی آن بعنــوان توان تلفـاتی در نظر گرفتـه می شود، اما باید توجه داشت که آزاد سازی بخش کوچکی از این تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئی کلانی به همراه خواهد داشت .

در ترانسفورماتورهای قدرت معمول ، تقریباً 80% از کل تلفات ، مربوط به تلفات بارداری ترانسفورماتور (LL) است که از این 80% ، سهم تلفات اهمی سیم پیچها 80 % بوده و 20 % دیگر مربوط به تلفات ناشی از جریانهای فوکو و شارهای پراکنده است .

لذا تلاشهای زیادی جهت کاهش تلفات بارداری صورت می گیرد.

در ابررساناها بعلت عدم وجود مقاومت اهمی در برابر جریان d c تلفات اهمی برابر با صفر است .

لذا با استفاده از ابررساناها در ترانسفورماتورها، تلفات کل ترانسفورماتور، کاهش قابل ملاحظه ای خواهد یافت.

در مقابل جریان ac ، در ابر رساناها تلفاتی از نوع تلفات فوکو رخ می دهد.

گرمای بوجود آمده از این تلفات باید با استفاده از سیستم های خنک کننده دفع گردد.بررسیهای بعمل آمده حاکی از آن است که ترانسفورماتورهای ابررسانا با قدرت 10 MVA و بالاتر عملکرد نسبتا بهتری داشته و نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی قیمت پایینتری خواهند داشت .

تلاشهایی که جهت توسعه ترانسفورماتورهای ابررسانا انجام می گیرد صرفاً بخاطر مسایل اقتصادی و کاهش هزینه کل نیست.

یکی دیگر از دلایل طرح این مبحث آنست که در مراکز پر تراکم شهری، رشد مصرف 2 درصدی (سالیانه ) به معنی نیاز به ارتقاء ظرفیت سیستم های موجود است .

از طرفی بسیاری ازپستهای توزیع بصورت سرپوشیده (Indoor) بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند.

در این نوع پست ها همانند دیگر پستهای توزیع از ترانسهای روغنی استفاده میشود که استفاده از روغن مشکلات و خطرات زیست محیطی و ایمنی مربوط به خود را دارد.

در حالیکه در ترانسفورماتورهای ابررسانا، ماده خنک کننده نیتروژن است که خطری برای افراد و موجودات زنده نداشته ، بعلاوه ، خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد.

بهمین لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهای ابررسانا به هیچ عنوان قابل مقایسه با روغنهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی همچون PCB نیست .

توجه جدی به ترانسفورماتورهای ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهای دمای پایین LTS ( اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn ) از اوایل دهه 1960 ، آغاز شد.

مطالعاتی که در آن زمان بر روی این ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان داد که جهت بهره برداری از این ترانسفورماتورها، باید آنها را در دمای 4 .2K نگه داشت که انجام چنین کاری اقتصادی نیست .

بهمین دلیل گامها بسوی کشف موادی با قابلیت ابررسانایی در دماهای بالاتر ، برداشته شد.

در اواسط دهه 1970 ، شرکت Westing House ، طرح یک ترانسفورماتور نیروگاهی 550/22kv , 1000MVA را مورد مطالعه قرار داد و به این نتیجه رسید که مشکلاتی از قبیل انتقال جریان ، عملکرد فوق جریان (Overcurrent) و حفاظت همچنان وجود خواهند داشت .

از سال 1980 ، توسعه ترانسفورماتورهای LTS توسط شرکت های GEC-Alsthom , ABB ، در اروپا و چند شرکت صنعتی و مرکز دانشگاهی در ژاپن، مورد پیگیری قرار گرفت .

پیشرفت های بعمل آمده در تولید هادیهای طویل Nb-Ti و مواد با مقاومت بالا (Cu-Ni) بر کاهش تلفات ac تاثیر زیادی داشته است .

مساله عملی بودن کاهش وزن و افزایش راندمان نیز بر روی ترانسفورماتورهای با قدرتهای کمتر از 100KVA (تکفاز 80KVA Alsthom) ، (Toshiba)30KVA و سه فاز 40KVA (دانشگاه Osaka) مورد بررسی قرار گرفت .

هم چنین ترانسفورماتورهای بزرگتری نیز ساخته شده و آزمایشهای مربوطه را با موفقیت پشت سر گذاشتند.

در یک ترانسفورماتور تکفاز 330KVA ساخت ABB پیش بینی های لازم برای محدود سازی جریان خطا و حفاظت در برابر یخ زدگی در نظر گرفته شد.

شرکت برق Kansai Electric نیز گزارشی از ترانسفورماتور LTS با هادی Nb3Sn با قدرت 2000 KVA ارائه نموده است .

در جهان HTS فن آوری ترانسفورماتورهای پس از کشف مواد HTS در سال 1986 ، تحقیقات جهت امکان عملی ساخت ترانسفورماتورهای HTS شروع شد.

طبق برآورد های اولیه، در صورت استفاده از این ترانسفورماتورها ، بیش از 35% نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی، صرفه جویی می شد.

اما با توجه به مشخصات ناشناخته تلفات ac ، این مقدار بطور دقیق قابل محاسبه نبود.

در تحقیقی که در سال 1993 در آمریکا انجام شد، معلوم شد که هزینه لازم در طول عمر مفید ترانسفورماتور HTS بطور متوسط ، نصف هزینه ترانسفورماتور معمولی است .

بدین ترتیب در صورت استفاده از این نوع ترانسفورماتورها در ایالات متحده تا سال 2030 مبلغ 25 میلیارد دلار صرفه جویی خواهد شد.

تحقیقات در سال 1994 نشانداد در صورت استفاده از ترانسفورماتورهای HTS در محدوده قدرت تا 500 MVA ، صرفه جوئی در هزینه 70% (نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی ) و کاهش وزن آنها 40% خواهد بود .

در ژاپن بدلیل تراکم بالای جمعیت ، یکی از فواید اساسی ترانسفورماتورهای HTS ، کاهش قابل ملاحظه وزن و حجم آنهاست .

همانطوریکه کابلهــــــای HTS قابلیت انتقال بیشتر توان را از طریق کانالهای موجود دارا هستند، ترانسفورماتورهای HTS نیز می توانند در فضای موجود، قدرت بیشتری نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی تامین کنند.

بهمین دلیل در ژاپن مزیت کوچک شدن فضای اشغال شده و وزن ترانسفورماتورها بعنوان مهمترین مزیت این نوع ترانسفورماتورها مطرح است .

در اروپا ، علاقه به استفاده از ترانسفورماتورهای کوچک HTS در قطارهای سریع السیر ، رشد روز افزونی یافته است .

پتانسیل وکشش بازار جهانی برای ترانسفورماتورهای ابررسانا بیش از 1 میلیارد دلار میباشد .

بررسی آمارهای موجود نشان میدهد که در ایالات متحده بیش از90% ترانسفورماتورها، قدرتی در محدوده 10 تا 100 MVA داشته وقیمت مجموع آنها، برابر با 70% قیمت کل ترانسهای موجود درامریکا میباشد (جدول 1) .

درحال حاضرسه پروژه H TS درایالات متحده ، اروپا وژاپن درحال انجام هستند.جدول (2) ترکیب تیمهای تحقیقاتی،ظرفیت ترانسفورماتورهای تحت توسعه و مواد HTS مورد استفاده توسط هریک ازگروهها را نشان میدهد.

جدول ( 1 ) - بازار ترانسفورماتورهای جدول ( 2 ) - پروژه های ترانسفورماتور قدرت در سالهای 1995 و 1996 H TS در جهان در ایالات متحده این تحقیقات توسط شرکت IGC و با همکاری لابراتور ملی Oak Ridge انجام میشود.

IGC باحمایتهای مالی Waukesha Electric و Rochester Gas & Electric ، طرح یک ترانسفورماتور HTS 1000KVA ارائه کرده و در حال ساخت آن است .

دراین ترانسفورماتورازنوارهای نقره باپوشش HTS استفاده شده است .استفاده ازسیستم BSCCO-2212 عملکرد پایدارسیستم را تا دمای 30K عملی میسازد .

درصورت استفاده از هادیهایBSCCO-2223 ، میتوان دمای عملکرد ترانسفورماتور را به 77K رساند .

در این وضعیت بالا بودن قیمت BSCCO-2223 و ضعیفتر شدن عملکرد ترانسفورماتور (بعلت بالا رفتن دما) را نیز باید در نظر گرفت .

گرچه نمونه اولیه ترانسفورماتور مذکور برای قدرت 1MVA ارائه گردید ، اما هدف نهائی مؤسسه IGC و Waukesha ساخت یک ترانسفورماتور 30MVA ، 60Hz,138/13.8KV و امپدانس 10% با اتصال مثلث – ستاره است .

از طرف دیگر شرکت ABB با همکاری Electricite de France ، با استفاده از نوارهای مولتی فیلامان BSCCO-2223 ساخت ASC ، یک ترانسفوماتور 50HZ .13.72/0.42KV , 630KVA و امپدانس 4.6% با اتصال مثلث – ستاره ساخته است .

فن آوری ترانسفورماتورهای HTS در ژاپن پس از طراحی و ساخت یک ترانسفورماتور 220 KVA , LTS توسط شرکت Alsthom و عملکرد موفق آن تحت بار70KW ، در ژاپن ترانسفورماتورهای LTS کوچکتر با قدرتهای10KVA تا 100KVA فراوانی ساخته شد.پس از آن ترانسهای با قدرت بیشتر توسط دانشگاه Nagoya با همکاری Takaoka (100 KVA) وkansai Electric با همکاری Mitsubishi (2000 KVA با استفاده از Nb3Sn) ، دانشگاه Osaka با همکاری Toshiba (40 KVA) و دانشگاه Kyushu با همکاری Toshiba (1000 KVA) ساخته و تحت آزمایش قرار گرفت .

هادیهای H TS در دمای بالاتری ( نسبت به هادی LTS ) کار می کنند و اگرچه تلفات آنها بیشتر است اما با توجه به کاهش هزینه خنک سازی هادی این امر قابل قبول می باشد .

در ایالات متحده و اروپا شرکتهای برق سهم بزرگی در توسعه برنامه های ترانسفورماتورهای ابررسانا برعهده دارند اما در ژاپن ، قسمت عمده کار بر عهده مراکز صنعتی و دانشگاهی بوده و حمایت آشکاری از سوی شرکت های برق دیده نمی شود.

ژاپنیها که در زمینه ساخت ترانسفورماتورهای LTS فعالیت گسترده ای داشته اند، گزارش چندانی در مورد ترانسفورماتورهای H TS ارائه نکرده اند .

در سال 1996 در ژاپن جزئیاتی از برنامه ساخت تـــــرانسفورمـــــاتور HTS 500 KVA تحــــت حمـــایت شـــرکتهـــای Fuji Electricو SEC (Sumitomo Electric) ، ارائه گردید .

احتمالاً تامین نوارهای HTS بر عهده Sumitomo و طراحی و ساخت ترانسفورماتور به عهده Fuji Electric و دانشگاه Kyushu است.

در جدول ( 3 ) مشخصات نوارهای HTS و توالیهای سیم پیچی آمده است .

جدول ( 3 ) - مشخصات نوارهای HTS و توالیهای سیم پیچی در ترانسفورماتور HTS ساخت SEC- Fuji و دانشگاه Kyushu پارامترهای طراحی این ترانسفورماتور 500 KVA (شکل 1) در جدول (4 ) آمده است .

در این جدول برای قطر سیم پیچ دو مقدار داده شده است که این دو مقدار مربوط به لایه های دوگانه سیم پیچند .

علت لایه – لایه سازی سیم پیچها کاهش اثر میدان خودی هادی است .

تلفات با استفاده از روش کالریمتری ، 115 Wتخمین زده شده است و شامل تلفات ac سیم پیچها و حرارت نشتی از Cryostat و هادیهای جریانی می باشد .

اهداف بعدی تیم SEC-Fuji و دانشگاه Kyushu تغییر سیستم سرمایش از حمام نیتروژن مایع به سیستم جریان دائم نیتروژن Supercooled است .

هدف از این تغییرات ، افزایش ظرفیت انتقال جریان سیم پیچها و استقامت عایقی سیستم عایق است .

شکل ( 1 ) – ترانسفورماتور HTS ساخت جدول (4 ) - پارامترهای طراحی ترانسفورماتور (Fuji) SEC – Fuji و دانشگاه Kyushu اضافه ولتاژهای رزونانس در ترانسفورماتورهای توزیع نتیجه طبیعی استفاده صنایع از ترانسفورماتورهای توزیع با ظرفیتهای بالاتر، افزایش احتمال بروز اضافه ولتاژها در وضعیتهای مختلف روزانه است .

برای تعیین پارامترهای سیستم که می توانند باعث ایجاد اضافه ولتاژهای فرورزونانس شدید گردند، آزمایشهای کاملی توسط موسسه DSTAR انجام گرفته است .

آزمایشات مذکور بر روی تعدادی ترانسفورماتور توزیع و تحت شرایط کار واقعی انجام شده است .

در طول این آزمایشات، صدها بار عملیات کلیدزنی بر روی ترانسفورماتورهای توزیع با ولتاژهای متفاوت و با سیم پیچ ستاره زمین شده و اولیه مثلث انجام گردید.

این پروژه بطور کلی ثابت کرد که در ترانسفورماتورهای با ظرفیت بالا که امروزه توسط صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، احتمال ایجاد اضافه ولتاژ فرورزونانسی بیشتر از ترانسفورماتورهای دهه گذشته می باشد.

بطور نمونه ، در آزمایشات انجام گرفته شده توسط DSTAR بر روی یک ترانسفورماتور معمولی با هسته سیلیکون – فولاد با ظرفیت 225 KVA و ولتاژ 25 KV با اتصال Y –Y ، یک اضافه ولتاژ با پیک 2.35 برابر پیک نامی ترانسفورماتور اندازه گیری شده است .

تحقیقات DSTAR ، برخی نظرات موجود در مورد اثرات پدیده اضافه ولتاژ را رد کرد.

برای مثال بجای جریان تحریک هسته تلفات هسته ترانسفورماتور بهترین مشخصه برای شناسایی پدیده اضافه ولتاژ در ترانسفورماتور می باشد.

نتایج تحقیقات انجام گرفته توسط این مرکز ، اخیرا" بعنوان مبحث جدید و با ارزشی از سوی IEEE منتشر شده است .

پروژه تحقیقاتی دیگری توسط موسسه DSTAR جهت تعیین تأثیر نصب برقگیر اکسید روی بر روی اضافه ولتاژهای فرورزونانس انجام گرفته است.

این تحقیقات نشان داد که وقوع اضافه ولتاژهای فرورزونانس باعث خرابی سریع برقگیر GAPLESS نخواهد شد.

بدلیل وجود امپدانس خیلی بزرگ مدار فرورزونانس گرم شدن برقگیر به آهستگی صورت میگیرد.

همچنین این تحقیقات نشان داد که برقگیرها می توانند بعنوان عامل موثری در کنترل اضافه ولتاژها در شرایط گوناگون باشند.

دستورالعملهای مختلفی برای کاربرد برقگیرهای مختلف با توجه به شرایط بهره برداری وجود دارد که بیان می کند هر برقگیر چند دقیقه می تواند اضافه ولتاژ فرورزونانس را تحمل کند.

این اضافه ولتاژ در زمان کلیدزنی ( سوئیچینگ ) ترانسفورماتورها رخ می دهد.

بانکهای ستاره – مثلث کلیدزنی بانکهای ترانسفورماتور سه فاز هوایی با سیم پیچی Y – ∆ بصورت فاز به فاز می تواند سبب ایجاد مشکلات اضافه ولتاژ و خرابی ترانسفورماتورها یا برقگیرها گردد.

این موضوع در تحقیقات DSTAR بررسی گردید و نتایج بدست آمده مطالب مفیدی را در مورد کلیدزنی ، حفاظت اضافه ولتاژها و قابلیت برقگیرها در رفع این اضافه ولتاژها ارائه نمود.

نتایج تحقیقات مذکور همچنین گونه دیگری از پدیده اضافه ولتاژ را که قبلا" گزارش نشده بود، کشف و معرفی نمود.

این اضافه ولتاژ که دامنه زیادی دارد یک علت روشن برای خرابی خیلی از ترانسفورماتورها در این زمینه می باشد.

یک نمونه از این نوع اضافه ولتاژ درشکل شماره (1) نشان داده شده است .

امواج طرف ثانویه ترانسفورماتورهای تک فاز توزیع با سیم پیچی از نوع طراحیnon – interlaced به همان اندازه که ممکن است بواسطه امواج صاعقه وارد شده از طریق نقطه خنثی در ثانویه صدمه ببینند به همان قدر نیز ممکن است از طریق امواج طرف اولیه در معرض خطر باشند.

همانطور که در شکل ( 2 ) دیده می شود ولتاژ القاء شده در سیم پیچی طرف اولیه در مجموع کم است ولی تنش های لایه به لایه در میان سیم پیچی های ترانسفورماتور زیاد اتفاق می افتد.

آزمایشات متعدد DSTAR و بررسی های تحلیلی انجام شده دستورالعمل و راهنمائیهائی را برای حداقل نمودن ریسک خرابی ترانسفورماتور در مواجه با این پدیده، تهیه نموده است.

شکل (1) : تغییرات اضافه ولتاژ شکل (2) HTS آزمایش موفقیت آمیز ترانسفورماتورهای ابررسانایی یک تیم تحقیقاتی صنعتی در آمریکا متشکل از مهندسین و دانشمندان که زیر نظر شرکت Waukesha Electric Systems فعالیت می نمایند، در سال 1999 خبرتحول مهمی را در صنعت برق با انجام آزمایش موفقیت آمیز نوع جدیدی از ترانسفورماتورهای قدرت اعلام نمودند.

ترانسفورماتورهای ابررسانایی جدید در مقایسه با ترانسفورماتورهای رایج، کوچک و سبک تر می باشند و دارای طول عمر بیشتری نیز هستند.

در این نوع ترانسفورماتورها دیگر نیازی به هزاران گالن روغن جهت عایقی و خنک سازی نمی باشد و در نتیجه خطر ایجاد حریق و مسائل زیست محیطی را نخواهد داشت.

در ابررساناها بعلت عدم وجود مقاومت اهمی در برابر جریان dc ، تلفات اهمی برابر با صفر است.

تلاشهایی که جهت توسعه ترانسفورماتورهای ابررسانا انجام می گیرد صرفا" بخاطر مسائل اقتصادی و کاهش هزینه نیست.

یکی دیگر از دلایل طرح این مبحث این است که در مراکز پر تراکم شهری، رشد مصرف 2 درصدی (سالیانه ) به معنی نیاز به ارتقاء ظرفیت سیستم های موجود است.

از طرفی بسیاری از پستهای توزیع بصورت Indoor بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند.

در این نوع پست ها همانند دیگر پستهای توزیع، از ترانسهای روغنی استفاده می شود که استفاده از روغن مشکلات و خطرات زیست محیطی و ایمنی مربوط به خود را دارد.

در حالیکه در ترانسفورماتورهای ابررسانا، ماده خنک کننده نیتروژن است که خطری برای افراد و موجودات زنده ندارد.

بعلاوه در این ترانسفورماتورها، خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد.

بهمین لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهای ابررسانا به هیچ عنوان قابل مقایسه با روغنهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی شیمی همچون PCB نیست.

آزمایشات بر یک نوع از این ترانسفورماتور با ظرفیت 1 MVA امکان سنجی فنی و سایر مزایای آنرا به اثبات رسانده است.

یکی از مزایای آن کاهش وزن ترانسفورماتور می باشد بطوریکه برای یک ترانسفورماتور 30 MVA وزن آن از 48 تن به 24 تن خواهد رسید.

دو تغییر مهم در طراحی ترانسفورماتور که منجر به طراحی و ساخت این نوع ترانسفورماتورهای جدید شده است، عبارتند از استفاده از مواد ابررسانایی دمای بالا (HTS) بجای سیم پیچ های رایج مسی و بکارگیری از یک سیستم کوچک خنک سازی بجای سیستم خنک کننده رایج ترانسفورماتورهای معمولی.

ترانسفورماتور HTS ، 30 MVA تقریبا" به 200 پوند (100 کیلوگرم ) ابررسانا نیاز خواهد داشت که هیچ گونه مقاومت الکتریکی ندارد و بنابراین هیچگونه حرارتی تولید نخواهدکرد،درحالیکه در ترانسفورماتورهای رایج، سیم پیچهای مسی که هزاران پوند وزن دارند منبع اصلی تولید گرما و ایجاد تلفات میباشند.فن آوری ترانسفورماتور HTS از نظر استفاده از یک سیستم خنک کننده حلقه بسته جهت خنک سازی سیم پیچ های