اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب

هدف وجود و اجرای دستورالعمل بازدیدهای دوره ای یا پیشگیرانه با ذکر فواصل زمانی و نوع بازدید های لازم و نیز توجهات و توصیه های لازم برای نگهداری بهتر با توجه به تجارب مختلف باعث افزایش عمر ترانسفورماتور و کاهش صدمات ناخواسته به آن خواهد شد. لذا شناخت اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب بسیار حایز اهمیت است.
در این نوشتار پس از بررسی اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب با توجه به تجارب شرکتهای مختلف و استانداردهای معتبر در زمینه تعمیر و نگهداری، دستورالعملی جهت نگهداری ترانسفورماتور ارائه می گردد. ضرورت انجام بازدید و سرویس و نگهداری اهمیت بازدید و سرویس و نگهداری بقدری مهم است که طبق مطالعات بعمل آمده و بررسیهای انجام شده داخلی و بین المللی نحوه و دقت در سرویس و نگهداری و بازدید های دوره ای و پیشگیرانه نسبت به سایر عوامل موثر بر عمر ترانسفورماتور سهم بیشتری دارد. اهمیت شناخت  اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب در جلوگیری از تحمیل هزینه های اضافی کاملاً مشهود است.
۳۰ % کل عوامل داخلی نظیر مشخصات فنی، طراحی و ساخت و حمل و نصب و راه اندازی، تعمیر قطعات و … از طرف دیگر آمار ترانسفورماتور های صدمه دیده نشان می دهد که وجود اشکالات ممکن است مربوط به تجهیزات جانبی ترانسفورماتور باشد که اکثرا در دسترس بوده و یا انجام بازدیدهای مرتب و دقیق معایب قابل تشخیص و پیشگیری می باشند. ترانسفورماتور، رایجترین و اقتصادی ترین دستگاه برای تبدیل ولتاژ از یک سطح به سطح دیگر است.
اساس کار ترانسفورماتور بر مبنای کشف فارداری در زمینه القای الکترومغناطیسی است. یک ترانسفورماتور از اجزای مختلفی تشکیل شده است. در ابتدا شرحی بر هر یک از اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب آورده شده است:
– هسته (مدار مغناطیسی)
– سیم پیچ (اولیه و ثانویه)
– تپ چنجر
– تانک و رادیاتور ها
– کنسرواتور
– بوشینگ (فشار قوی و ضعیف)
– رله بوخهلتس
– ترمومتر ها (سیم پیچ و روغن)
– ارتفاع سنج
– رطوبت گیر
– فشار شکن

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، هسته

هسته یک مدار مغناطیسی خوب با حداقل فاصله هوایی و مقاومت مغناطیسی است. هسته بصورت مورق ساخته می شود و ضخامت این ورقه ها در حدود ۳ / ۰ میلیمتر و حتی کمتر هم می باشد. موادی که در ساختمان لایه های هسته بکار می روند آلیاژهای نرم هستند. انتخاب نوع آلیاژ، به مورد کاربردی ترانسفورماتور و همچنین به مسایل اقتصادی بستگی دارد.
از نظر ساختمانی و نوع قرار گرفتن سیم پیچ ها روی هسته، ترانسفورماتور به دو دسته تقسیم بندی می شود:
۱- ترانسفورماتور های هسته ستونی (core type) در این نوع، سیم پیچ ها بصورت استوانه ای متحدالمرکز روی هسته قرار می گیرند.
۲– ترانسفورماتور های هسته زرهی (shell type) در این نوع سیم پیچ ها بصورت تناوبی یا ساندویچی روی هم قرار دارند و هسته زرهی، سیم پیچ ها را در بر می گیرد. این طریقه سیم پیچی زحمت بیشتری دارد و در عوض استحکام مکانیکی آن بیشتر است.
معمولا برای ایجاد استحکام مکانیکی در هسته سوراخهایی ایجاد کرده و میله هایی را از داخل آن عبور می دهند. این میله ها از آهن هسته و یوغ، توسط تیوبهایی از کاغذ و واشر عایقی کاملا عایق کاری می شوند. در آهن سرد نورد از این میله ها استفاده نمی شود. چونکه وجود سوراخ در هسته ها از کلمپهای نیم دایره ای که در بیرون بسته می شوند استفاده می شود. در طی بهره برداری از ترانسفورماتور، هسته و سایر اجزای فلزات در معرض میدانهای قوی الکتریکی هستند و در نتیجه باردار می شوند. از آنجائیکه اجزای مختلف بطور یکسان باردار نمیشوند لذا بین آن ها اختلاف پتانسیل بوجود میآید. بهمین دلیل هسته و کلمپهای یوغ را زمین میکنند.
عوامل مختلفی سبب بروز عیب در هسته و در نتیجه ترانسفورماتور می شوند که برخی از آن ها عبارتند از:
۱- کاهش قدرت عایقی در اطراف پیچهای نگهدارنده میتواند سبب بروز خرابی شود. این امر سبب ایجاد اتصال کوتاه بین ورق های هسته و ایجاد جریان های گردابی میشود. میتوان برای جلوگیری از این کار از باند های عایقی استفاده کرد.
۲– خرابی عایق بین ورق های هسته و عایق بین یوغ و صفحات نگهدارنده، سبب ایجاد جریان گردابی میشوند.
۳- محکم نبستن ورقه های هسته سبب ایجاد و لرزش در آن و تضعیف سیستم عایقی می شود.
۴- بالا رفتن عمر ترانسفورماتور و فرسودگی صفحات و ورقه های هسته و در نتیجه پیری هسته، سبب افزایش تلفات و درجه حرارت میشود.
۵- در هسته های زرهی مستطیلی شکل که توسط پیچهای عمودی بهم بسته میشوند، موقعیت پیچ ها طوری است که نزدیک گوشه های هسته هستند و این امر سبب انحراف شار از مدار اصلی به سمت پیچ ها و در نتیجه ایجاد جریان گردابی میشود.

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، سیم پیچ ها

سیم پیچ های ترانسفورماتور معمولا از سیم مسی و در مواردی از آلومنیوم ساخته می شود. انواع سیم پیچ های مورد استفاده در انواع ترانسفورماتور ها عبارتند از:
۱– سیم پیچ استوانه ای: این سیم پیچ به صورت یک لایه، دو لایه و چند لایه با بوبین پیوسته ساخته می شود.
۲– سیم پیچ دیسکی: در این نوع سیم پیچی هادی ها به صورت کویل های مسطحی پیچیده میشوند. از آنجایی که در مواردی سیم پیچ ها با چندین هادی موازی پیچیده می شوند؛ لذا هادیهای دورتر از محور نسبت به هادیهای نزدیکتر طول بیشتری دارند. برای ایجاد تعادل در این طول ها، آن ها را ترانسپوزه می کنند. این کار سبب توزیع یکنواختی جریان بین هادیهای موازی و کاهش تلفات ناشی از جریانهای گردابی می شود. در این نوع سیم پیچی، برای ایجاد یکنواختی در توزیع ولتاژ روی بخشهای ورودی سیم پیچ، از حلقه های یکنواخت کننده خازنی استفاده می شود. این حلقه ها سبب افزایش ظرفیت خازنی در ورودی و تعادل میدان الکتریکی در دوره های انتهایی می شوند.
۳– سیم پیچ مارپیچ (حلزونی): در این نوع سیم پیچی، دورهای سیم پیچ یک خط مارپیچ را دنبال می کنند. هر دور شامل چندین هادی نواری می شود که در جهت شعاع روی هم قرار می گیرند. در این نوع سیم پیچی نیز برای متعادل سازی مقاومت و رکتانس هادیهای موادزی و کاهش تلفات جریانهای گردابی، هادی ها را ترانسپوزه می کنند.
سیم پیچی مارپیچ در انواع منفرد. مقعر، دوبل و چهارتایی وجود دارد. سیم پیچ مار پیچ کلا تعداد دور نسبتا کمتری دارد؛ لذا برای جریانهای بزرگ سمت فشار ضعیف (ترانسفورماتور های نیروگاهی) مورد خوبی است. در قسمت قبلی و در بحث معرفی هسته، گفتیم که هسته دو نوع است. ستونی و زرهی. سیم پیچهای ترانسفورماتور در هسته ستونی و هسته زرهی. نیروهای مختلفی را تحمل می کنند میزان این نیرو ها در سیم پیچهای ترانسفورماتور هسته ستونی بیشتر است.
در این نوع سیم پیچی نیروی شعاعی از نوع کششی و فشاری (به سمت داخل) و نیروهای محوری از نوع کششی و فشاری به سیم پیچ وارد می شود. در سیم پیچ های ترانسفورماتور های هسته زرهی، نیروی شعاعی در لبه های سیم پیچ و نیروی محوری که اغلب بصورت فشاری است بر سیم پیچ وارد می شود.
عوامل مختلفی سبب بروز عیب در سیم پیچ ها و در نتیجه در ترانسفورماتور می شود که برخی از آن ها عبارتند از:
۱- محکم نبودن عایق روی هادی ها سبب می شود که عایق به یک طرف شکم بدهد. این امر سبب اتصال کوتاه بین حلقه های سیم پیچ می شود.
۲- اتصال کوتاه بین حلقه های مجاور بدلیل وجود لبه های تیز روی هادی های مسی، سبب بروز عیب در ترانسفورماتور می شود.
۳- در اثر سرایت رطوبت به سیم پیچ ها ممکن است که بین دور ها اتصال کوتاه رخ دهد.
۴- در فرایند خشک سازی ترانسفورماتور چنانچه دقت لازم بعمل نیاید، ممکن است که بدلیل وجود بخار و رطوبت و اعمال ولتاژ به سیم پیچ ها عایق میان دور های کناری از بین برود.
۵- اتصال نا مناسب بین سیم پیچ ها سبب داغ شدن و یونیزاسیون موضعی روغن می شود.
۶- امواج گذرا تاثیرات بدی روی ترانسفورماتور و سیم پیچ دارند و می تواند سبب اتصال کوتاه با زمین و سوراخ شدن عایق ها شوند. بعضی از تاثیرات امواج گذرا بر روی ترانسفورماتور عبارتند از:
A) در هنگام کلید زنی یا اصابت صاعقه، بدلیل تغییرات امپدانس موجی در نقطه انتقال بین ترانسفورماتور و خط، موجهای رفت و برگشت ولتاژ و جریان ایجاد می شود که ممکن است ولتاژ روی سیم پیچ ها تا حد بسیار زیادی افزایش یابد.
B) ایجاد اضافه ولتاژ در تپهای ترانسفورماتور بدلیل وجود امواج گذرا کلا در هر نقطه ای که امپدانس موجی آن در طول سیم پیچی تغییر کند. خطر پیدایش اضافه ولتاژ وجود دارد.
C) هنگام قطع یک مدار القایی، مانند اولیه ترانسفورماتور، در صورتیکه ثانویه باز باشد. جریان مغناطیسی کنندگی و در نتیجه فشار مغناطیسی تمایل به صفر شدن یکباره دارند که البته شار نمی تواند چنین حالتی داشته باشد. در نتیجه اضافه ولتاژ بزرگی پدید می آید.
۷- اضافه بارهای طولانی مدت سبب تولید گرما می شود. این امر سبب از بین رفتن عایق هادی ها و اتصال کوتاه های حلقه می شود. از طرفی در نتیجه گرمای یش از حد در روغن نیز لجن تولید می شود.

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، تپ چنجر

تپ چنجر ها بطور گسترده ای برای کنترل ولتاژ در سطوح مختلف بکار می روند اساس کار تپ چنجر بر تغییر نسبت تبدیل ترانسفورماتور استوار است. بدین ترتیب که با انشعاباتی که در سیم پیچ فشار قوی تعبیه می شود. تعداد دور سیم پیچ را تغییر داده و سبب تغییر ولتاژ در خروجی ترانسفورماتور می شوند. تپ چنجر ها به دو دسته قابل قطع زیر بار و غیر قابل قطع زیر بار تقسیم می شوند. تپ چنجر قابل قطع زیر بار در تغییرات روزانه و یا کوتاه مدت ولتاژ که به سبب تغییر بار بوجود می آید استفاده می شود و در ترانسفورماتور های بزرگ نیروگاهی و پستهای انتقال کاربرد دارد.

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، تانک و رادیاتور

تانک یک ظرف مکعبی یا بیضی شکل است که هسته و سیم پیچ های ترانسفورماتور در آن جای می گیرند. تانک وظایفی به شرح زیر دارد: – سطح مورد نیاز برای دفع تلفات ترانسفورماتور را تامین کند
– محلهای نصب بوشینگ، تپ چنجر، کنسرواتور و سایر متعلقات ترانسفورماتور در آن تعبیه شده باشد.
– تلفات فوکو در آن حداقل باشد و حداقل میدان مغناطیسی در خارج از آن وجود داشته باشد.
برخی تانک ها طوری ساخته می شوند که روغن در میان آن ها هیچ ارتباطی با هوای آزاد ندارد. به ایت تانک ها و ترانسفورماتور، هرمتیک می گویند. بهترین ویژگی این ترانسفورماتور ها کاهش فرسودگی مواد عایقی و در نتیجه کاهش عملیاتهای مراقبت و نگهداری از آن ها می باشد.
بر حسب سیستم خنک کنندگی می توان انواع تانک را بصورت زیر طبقه بندی کرد:
۱– تانک با ورق ساده: این تانک از ورق فولادی به ضخامت ۳mm ساخته می شود و سطح آن صاف است. از این تانک در قدرتهای کمتر از ۵۰kva و ولتاژهای پایین استفاده می شود.
۲- تانک ساده مجهز به پرده و ورقه: برای دفع گرمای بیشتر، به سطح جانبی تانک، پرده ها و یا ورقه هایی جوش داده می شود تا سطح خنک کنندگی آن افزایش یابد. ممکن است که از لوله های تو خالی هم استفاده شود.
۳– تانک با تیوبهای خارجی: در ساخت ساین تانک از ورق آهن بویلر با ضخامت ۵ تا ۱۰ میلی متر استفاده می شود. تیوب ها در ردیفهایی به فاصله حدودا ۸ سانتی متر چیده می شوند و فاصله قائم آن ها حدود ۱۰ سانتیمتر است. از این تانک در ترانسفورماتور های توزیع با قدرت بالای ۵۰kva استفاده می شود.
۴– تانک با رادیاتور: در ترانسفورماتورهای ۵۰kva و بالاتر، نصب تیوب خنک کنندگی کافی نیست و در این مورد از رادیاتورهای قابل جدا شدن استفاده می شود. رادیاتور توسط فلانچهایی که در مسیر ورودی و خروجی قرار دارد به دیواره تانک پیچ می شود. در این مسیر ها شیر های ورودی و خروجی نیز تعبیه می شود. در ترانسفورماتورهای بزرگ رادیاتور ها به عنوان یک مجموعه کامل مجزا از ترانسفورماتور هستند و در محل ان ها را نصب می کنند.
۵– تانک با فن: در ترانسفورماتور های با قدرت بالا، سطح جانبی رادیاتور و گردش طبیعی روغن هو جوابگو نمی باشد. از این حالت از فن ها ی خنک کننده هم استفاده می شود. مهم ترین و شایع ترین مورد بروز عیب در تانک و رادیاتور، نشتی روغن رطوبت هوا از طریق منافذ و روزنه های ایجاد شده است.
زمینه های پیدایش نشتی روغن در تانک و رادیاتور ها عبارتند از:
– خوردگی و زنگ زدگی تانک و رادیاتور و ایجاد جریانهای سوزنی
– نفوذ رطوبت و سایر آلودگی ها به داخل ترانسفورماتور از طریق منافذ
– نا مناسب بودن سیستم آب بندی (درزگیر ها)
– وجود سوراخ و بر آمدگی در تانک
– نشتی روغن از محل شیر تخلیه و یا لابلای در پوش تانک

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، کنسرواتور (منبع انبساط روغن)

متناسب با تغییرات بار و دمای محیط، دمای روغن درون ترانسفورماتور تغییر می کند. تغییرات دما سبب تغییرات حجم روغن در تانک می شود.
برای اطمینان از اینکه تانک همیشه کاملا پر از روغن می ماند. در ترانسفورماتور ها تانک انبساط ویژه ای بنام کنسرواتور نصب می کنند. کنسرواتور مخزنی است فلزی که معمولا استوانه ای است و به تانک اصلی متصل می شود. کنسرواتور سطح روغنی را که در معرض هوا قرار می گیرد کاهش می دهد؛ بنابراین آلودگی و اسیدی شدن روغن کاهش می یابد. بر روی کنسرواتور، گیج روغن (ارتفاع سنج) برای نشان دادن تغییرات حجم روغن نصب شده است.

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، بوشینگ

انواع بوشینگ از لحاظ ساختمانی عبارتند از:
۱- بوشینگ کامپوزیت
۲- بوشینگ کامپوندی
۳- بوشینگ خازنی
۴- بوشینگ خشک یا پر نشده
۵– بوشینگهای روغنی: در این نوع بوشینگ ها فضای بین عایق اصلی روی هادی (یا خود هادی در بوشینگی که در روی هادی آن از عایق استفاده نشده است) و سطح لایه داخلی (معمولا چینی) با روغن پر شده است.
۶– بوشینگهای غوطه ور در روغن: از یک سیستم عایق اصلی تشکیل شده است و مجموعه این سیستم عایقی در روغن غوطه ور است.
۷– بوشینگهای با عایق کاغذ روغنی: در ساختار آن از مواد سلولزی آغشته به روغن استفاده شده است.
۸– بوشینگهای با عایق کاغذ رزینی: عایق اصلی ان از مواد ساخته شده است که با رزین دربر گرفته شده است.
۹– بوشینگهای جامد (سرامیکی): عایق اصلی آن از مواد سرامیکی ساخته شده است
حدود ۹۰ % عیوب قابل پیشگیری بوشینگ در اثر ورود رطوبت از طریق نشتی لاستیکهای آب بندی و ترکهای آن است. رطوبت داخلی باعث فساد تدریجی بوشینگ شده و می تواند سبب انفجار بوشینگ و صدمه دیدن آن شود. مسایل دیگری همچون کرونا و بروز جرقه و عیبهای مکانیکی در ساختمان بوشینگ از جمله موارد بروز عیب در بوشینگ و در نتیجه در ترانسفورماتور است.

اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب ، سیستم عایقی

وظیفه سیستم عایقی جدا سازی سیم پیچ ها از هم (از لحاظ الکتریکی) و از دیگر قسمت ها و زمین می باشد. سیستم عایقی ترانسفورماتور شامل عایقهای اصلی (عایق بین فاز ها و بین فاز و زمین) و عایقهای فرعی (حلقه – حلقه و لایه – لایه و …) می باشد. میزان توانایی و استقامت سیستم عایقی در برابر شکست دی الکتریک را قدرت دی الکتریک آن نامند.
عایق بطور لحظه ای و آنی دچار شکست نمی شود. در عایقهای مایع دو مکانیزم اصلی شکست وجود دارد. استریمر و شکست دی الکتریک در عایقهای جامد هم دو مکانیزم شکست وجود دارد: تخلیه جزیی و شکست بهمنی.
بطور کلی عوامل متعددی ممکن است سبب بروز عیب در سیستم عایقی شوند که برخی آن ها بشرح زیر می باشند:
۱– رطوبت موجود در عایق مایع (روغن) سبب کاهش قدرت عایقی می شود. در نتیجه بین سیم پیچ ها یا سیم پیچ ها و تانک یا ساختمان هسته شکست رخ می دهد.
۲– بر اثر اضافه بار: روغن دچار فساد تدریجی می شود. حرارت و دمای اضافی. تشکیل لجن، آب و اسید را تشدید می کند
۳– در صورتیکه تغییرات ولتاژ زیاد باشد. بدلیل وجود نقاط تیز و کم قطر هادی، کرونا رخ می دهد.
۴– عایقهایی مانند کاغذ فشرده که روی سر سیم ها کشیده می شود ممکن است که هنگام تولید سطحشان آلوده شود یا اینکه هوا را در خود جذب کنند. پدیده اول سبب وقوع تخلیه سطحی و خرابی عایق ها و حتی سر سیم ها و پدیده دوم سبب سوراخ شدن عایق می شود.
۵– فشار ولتاژ در لبه شیلد های زمین شده ای که بین اولیه و ثانویه قرار می گیرند شبب می شود که عایق در این محل ها تحت فشار قرار بگیرد.
۶– باریک بودن کانالهای عبور روغن. مثلا تنگ شدن آن ها در حالت تشکیل لجن و رسوب عمر ترانسفورماتور را کاهش می دهد.
۷– در صورتیکه فاصله بین فاز ها رعایت نشود. بین آن ها اتصال کوتاه رخ می دهد. قرار دادن حفاظ میان فاز ها بعضی اوقات کار را بدتر هم می کند. چونکه توزیع خطوط میدان در این فضا بهم خورده و فشار زیادی روی اطراف وارد می شود.
۸– چنانچه نگهدارنده های چوبی کاملا خشک نباشند به مرور از بین رفته و اتصالی رخ می دهد.
۹– وجود اشیا هادی معلق در روغن می تواند سبب برقراری ارتباط الکتریکی بین قسمتهای لخت در ترانسفورماتور شود که در نهایت منجر به وقوع شکست الکتریکی می شود.
۱۰– چنانچه مواد عایقی با ثابتهای دی الکتریک مختلف با هم سری شوند و ضخامت ان ها رعایت نشود. ممکن است که تحت فشارهای غیر عادی بالایی قرار بگیرند. این امر به مرور زمان سبب وقوع کرونا و گرمای اضافی و در نهایت از بین رفتن عایق می شود.
۱۱– تخلیه جزئی: دشارژ قوی یا ضعیف. داغ شدن روغن. داغ شدن سلولز. دشارژ با دمای بالا و آرک زدن از جمله عیوبی است که می تواند در حین بهره برداری رخ دهد.

در این نوشتار سعی شد که به طور کامل اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب مورد بررسی قرار گیرد. سپاسگزار خواهیم شد در صورتی که جهت تکمیل مقاله اجزای ترانسفورماتور و نقش آن ها در بروز عیب پیشنهادی دارید، آنرا از طریق قسمت نظرات با ما در میان گذارید.