سیستم های کاهش فشار ترانسفورماتور و تشخیص خطا

​​​​​​​

 

1. مقدمه

 

در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور شده در روغن، تغییرات فشار داخلی بخشی عادی از عملکرد است. با گرم شدن و سرد شدن روغن ترانسفورماتور در طول چرخه های بارگیری، فضای گاز مهر و موم شده داخل مخزن منبسط و منقبض می شود و باعث نوسانات تدریجی فشار در محفظه ترانسفورماتور می شود. در شرایط عملیاتی عادی، این تغییرات فشار به کندی رخ می دهد و عمدتاً با تغییرات دمای محیط و بارگذاری ترانسفورماتور مرتبط است.

با این حال، خطاهای الکتریکی داخلی رفتار فشار کاملا متفاوتی را ایجاد می کند. رویدادهایی مانند خرابی سیم پیچ یا قوس داخلی می تواند به سرعت روغن عایق را به گاز تجزیه کند و موج فشار ناگهانی را در داخل مخزن ایجاد کند. از آنجایی که این افزایش فشار ایجاد شده در عرض چند میلی ثانیه رخ می‌دهد، ترانسفورماتورها نه تنها به دستگاه‌های کاهش فشار، بلکه به سیستم‌های تشخیص عیب اختصاصی نیز نیاز دارند که بتوانند رفتار فشار غیرعادی را قبل از وقوع خرابی مخزن فاجعه‌بار شناسایی کنند.

به همین دلیل سیستم های حفاظتی ترانسفورماتور مدرن به طور کلی به دو دسته عمده تقسیم می شوند:

• سیستم های کاهش فشار
• سیستم های تشخیص عیب

این فلسفه حفاظت لایه ای به طور گسترده در استانداردهای IEEE C57 و شیوه های طراحی ترانسفورماتور IEC 60076 منعکس شده است.

 

2. کاهش فشار در مقابل تشخیص خطا

 

اگرچه اصطلاحات "تسکین فشار" و "تشخیص عیب" گاهی اوقات به جای یکدیگر در صنعت ترانسفورماتور استفاده می شوند، اما عملکردهای اساسی متفاوتی دارند.

یک دستگاه کاهش فشار ترانسفورماتور برای آزادسازی فیزیکی فشار بیش از حد مخزن به منظور جلوگیری از تغییر شکل مکانیکی یا پارگی مخزن ترانسفورماتور طراحی شده است. این دستگاه ها در درجه اول به بزرگی فشار پاسخ می دهند و پایه و اساس سیستم های حفاظت از فشار ترانسفورماتور را تشکیل می دهند.

از سوی دیگر، دستگاه های تشخیص عیب، سرعت یا ویژگی های تغییر فشار مرتبط با خطاهای الکتریکی داخلی را کنترل می کنند. آنها به جای آزاد کردن فشار، سیگنال های هشدار یا قطع را تولید می کنند تا ترانسفورماتور را از سیستم قدرت جدا کنند.

این تمایز با افزایش اندازه ترانسفورماتور و سطح انرژی خطا به طور فزاینده ای مهم می شود.

 

جدول 1 - تفاوت بین کاهش فشار و تشخیص خطا

3. دستگاه های کاهش فشار ترانسفورماتور

 

3.1 شیر تخلیه فشار (PRV)​​​​​​​

شیر آزاد فشار برای محافظت از مخزن ترانسفورماتور در برابر فشار بیش از حد داخل طراحی شده است. هنگامی که فشار در مخزن به فشار آزاد می رسد، شیر به طور خودکار باز می شود تا گاز آزاد شود تا فشار به فشار مطمئن کاهش یابد. علاوه بر این، در صورت لزوم، به کاربران اجازه داده می شود که به صورت دستی شیر فشار شکن را در کاربردهای ترانسفورماتور با کشیدن حلقه عامل برای کاهش فشار داخلی کار کنند.

تحت عمل IEEE، فشار ترک معمولی برای طراحی ترانسفورماتور PRV تقریباً 10 PSIG ± 2 PSIG است، در حالی که برنامه های کاربردی CSA اغلب از تنظیمات فشار کمتر استفاده می کنند. پس از کاهش فشار، شیر کاهش فشار در سیستم های ترانسفورماتور به طور خودکار دوباره مهر و موم می شود تا یکپارچگی مخزن ترانسفورماتور حفظ شود.

 

به دلیل ساخت ساده و عملکرد قابل اعتماد، PRV به طور گسترده در موارد زیر استفاده می شود:

• ترانسفورماتورهای نصب شده در قطب-
• ترانسفورماتورهای{0} نصب شده روی پد
• ترانسفورماتورهای توزیع غوطه ور در روغن-
• پست های واحد کوچک

 

در مقایسه با سیستم‌های PRD ترانسفورماتور بزرگ‌تر، PRV‌ها معمولاً برای ترانسفورماتورهای kVA پایین‌تر که افزایش فشار نسبتاً متوسط ​​و قابل پیش‌بینی است، ترجیح داده می‌شوند. در بسیاری از کاربردهای ترانسفورماتور توزیع، شیر PRV در مخازن ترانسفورماتور رایج ترین شکل حفاظت از فشار مکانیکی پایه است.

3.2 دستگاه کاهش فشار (PRD)

دستگاه‌های کاهش فشار (PRD) اساساً همان هدفی را که دریچه‌های کاهش فشار (PRVs) انجام می‌دهند انجام می‌دهند: آنها مخزن ترانسفورماتور را از فشار داخلی بیش از حد محافظت می‌کنند. با این حال، در عمل، PRD ها معمولاً با رتبه های قدرت بزرگتر همراه هستند. شما معمولاً PRD نصب شده روی ترانسفورماتورهای کمتر از حدود 1500 کیلو ولت آمپر را نمی بینید، اگرچه در صورت نیاز برنامه، استفاده از آن در واحدهای کوچکتر از نظر فنی مشکلی ندارد.

اکثر PRD ها در بالای مخزن ترانسفورماتور نصب می شوند، جایی که گاز یا فشار داخلی می تواند به سرعت در طول یک وضعیت خطا آزاد شود.

این اصطلاح می تواند گیج کننده باشد زیرا "دستگاه کاهش فشار" اغلب به عنوان یک اصطلاح صنعتی عمومی برای هر دو PRV و PRD استفاده می شود. در بیشتر موارد، PRV ها در ترانسفورماتورهای توزیع کوچکتر استفاده می شوند، در حالی که PRD ها در واحدهای بزرگتر یا برنامه هایی که نیاز به پاسخ فشار سریعتر و نشان دادن خطا دارند، رایج تر هستند.

یک دستگاه کاهش فشار ترانسفورماتور همان عملکرد اساسی را انجام می دهد که یک PRV - فشار داخلی بیش از حد را کاهش می دهد -، اما معمولاً با قابلیت جریان بالاتر، زمان پاسخ سریع، عملکرد آب بندی مجدد قابل اعتماد و عملکردهای هشدار یا نظارت اختیاری طراحی شده است. طراحی‌های پیشرفته PRD فشار باز کردن دقیق، زمان کارکرد کوتاه، عملکرد بلندمدت قابل اعتماد-در فضای باز، و آب بندی موثر در برابر رطوبت، گرد و غبار و هوا را ارائه می‌کنند که به حفظ فشار مثبت مخزن و بهبود قابلیت اطمینان عملیاتی ترانسفورماتور کمک می‌کند.

 

یکی از مزیت‌های اصلی PRD‌های نصب‌شده در روکش، قابلیت نظارت است. بسیاری از مجموعه های دستگاه کاهش فشار ترانسفورماتور عبارتند از:

• سمافورهای بصری یا نشانگرهای عملیات
• مخاطبین زنگ از راه دور
• SCADA{0}}خروجی های نظارتی سازگار

 

این امر باعث می شود PRD ها به ویژه برای پست های برق شهری و سیستم های برق صنعتی که در آنها نظارت از راه دور مورد نیاز است، مناسب باشند.

PRD معمولاً در موارد زیر استفاده می شود:

• ترانسفورماتورهای پست واحد
• ترانسفورماتورهای توان متوسط
• ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ
• ترانسفورماتورهای پست برق

 

برای کاربردهای بزرگتر، مهندسان اغلب یک آرایش ترانسفورماتور دستگاه کاهش فشار را به جای یک PRV کوچکتر به دلیل انرژی خطای داخلی و حجم روغن بالاتر انتخاب می کنند.

3.3 پارگی دیسک

دیسک های پارگی معمولاً به عنوان دستگاه های کاهش فشار اضطراری نهایی در برنامه های{0}ترانسفورماتور انرژی بالا استفاده می شوند.

بر خلاف PRV یا PRDهای استاندارد، دیسک‌های پارگی دستگاه‌های غیرقابل تنظیم-طراحی‌شده‌ای هستند که وقتی فشار داخلی به حد بحرانی می‌رسد، فوراً می‌ترکند. هدف اصلی آنها ارائه تهویه سریع کامل-منطقه در طول رویدادهای خطای داخلی فاجعه بار است.

 

از آنجایی که دیسک های پارگی باید پس از عملیات تعویض شوند، معمولاً برای موارد زیر رزرو می شوند:

• ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ
• ترانسفورماتورهای کوره
• ترانسفورماتورهای کششی
• سیستم‌های صنعتی با سطح خطا-

در عمل مهندسی، دیسک های پارگی نشان دهنده بالاترین سطح حفاظت از فشار مکانیکی هستند.

4. دستگاه های تشخیص عیب ترانسفورماتور

 

4.1 آشکارساز خطای داخلی (IFD)

آشکارسازهای خطای داخلی (IFD) به طور گسترده در ترانسفورماتورهای-نصب شده و روی پد{1}}به عنوان یک دستگاه ایمنی میدانی ساده اما بسیار مؤثر استفاده می‌شوند.

یک IFD افزایش ناگهانی فشار داخلی ناشی از خطاهای قوس الکتریکی داخل مخزن ترانسفورماتور را تشخیص می دهد. هنگامی که فعال می شود، یک نشانگر بصری با رنگ روشن ظاهر می شود، که به خدمه خدمات این امکان را می دهد تا فوراً تشخیص دهند که ترانسفورماتور دچار خطای داخلی شده است و نباید دوباره-روشن شود.

 

یکی از مزیت‌های عمده سیستم‌های IFD مدرن این است که بسیاری از طرح‌ها یک PRV استاندارد مطابق با IEEE یا CSA را در مجموعه‌های ترانسفورماتور در یک دستگاه ادغام می‌کنند و ترکیبی از:

• کاهش فشار
• نشانه خطا

به یک ساختار فشرده واحد.

 

IFD ها معمولا در موارد زیر استفاده می شوند:

• ترانسفورماتورهای نصب شده یک-تک فاز{{1}
• ترانسفورماتورهای سه -قطب فاز- نصب شده
• ترانسفورماتورهای{0} نصب شده روی پد
• ترانسفورماتورهای پست کوچک

در مقایسه با سیستم‌های SPR، IFD‌ها ساده‌تر، مقرون به صرفه‌تر و مخصوصاً برای کاربردهای سطح{0} توزیع مناسب هستند.

4.2 رله فشار ناگهانی (SPR / RPR)

 

این سیستم ها معمولا در موارد زیر استفاده می شوند:

• ترانسفورماتورهای توان متوسط
• ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ
• ترانسفورماتورهای یکسو کننده
• ترانسفورماتورهای کوره
• ترانسفورماتورهای کششی

 

در مقایسه با IFD ها، سیستم های حفاظت رله افزایش فشار سریع یکپارچه سازی الکتریکی سریع تری را ارائه می دهند و برای کاربردهای حیاتی و صنعتی مناسب تر هستند.

4.3 رله بوخهولتز

رله بوخهولز یک دستگاه تشخیص عیب-جریان- گاز و روغن است که در ترانسفورماتورهای نوع محافظ- استفاده می‌شود.

برخلاف سیستم‌های SPR و IFD که عمدتاً به تغییرات فشار پاسخ می‌دهند، رله‌های Buchholz خطاهای داخلی را از طریق:

• انباشت گاز
• حرکت جهش نفت

 

رله معمولاً در دو مرحله عمل می کند:

• هشدار برای خطاهای اولیه
• سفر برای خطاهای داخلی شدید

 

رله های Buchholz به طور گسترده در موارد زیر استفاده می شوند:

• Conservator-پست های واحد را تایپ کنید
• ترانسفورماتورهای توان متوسط
• ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ

 

رله‌های بوخهولتز به دلیل توانایی‌شان در تشخیص عیب‌های عایق که به کندی در حال توسعه هستند، یکی از مهم‌ترین دستگاه‌های تشخیص عیب در ترانسفورماتورهای بزرگ- پر از روغن هستند.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. سلسله مراتب حفاظت در عمل مهندسی

 

در برنامه های کاربردی ترانسفورماتور واقعی، این دستگاه ها به طور یکسان در تمام کلاس های ترانسفورماتور استفاده نمی شوند. در عوض، با افزایش اندازه ترانسفورماتور و انرژی خطا، سیستم های حفاظتی به تدریج پیشرفته تر می شوند.

 

جدول 2 - کاربرد دستگاه محافظ معمولی بر اساس کلاس ترانسفورماتور

این پیکربندی لایه ای منعکس کننده اصل مهندسی است که حفاظت ترانسفورماتور از کاهش فشار مکانیکی اولیه به سمت سیستم های یکپارچه حفاظت از خطای مکانیکی و الکتریکی تکامل می یابد.

6. نتیجه گیری

 

طراحی مدرن ایمنی ترانسفورماتور مبتنی بر هماهنگی سیستم های کاهش فشار و تشخیص عیب است نه تکیه بر یک دستگاه.

PRV ها و PRD ها کاهش فشار مکانیکی کنترل شده را در شرایط عملیاتی عادی و غیرعادی فراهم می کنند. دیسک های پارگی نهایت محافظت اضطراری را در هنگام خطاهای فاجعه بار فراهم می کنند. IFD و سیستم‌های رله فشار ناگهانی افزایش فشار ناگهانی ناشی از خطاهای الکتریکی داخلی را تشخیص می‌دهند، در حالی که رله‌های بوخهولز تولید گاز و حرکت روغن مرتبط با ایجاد خرابی‌های عایق را نظارت می‌کنند.

این دستگاه‌ها با هم یک معماری حفاظت از ترانسفورماتور چند لایه را تشکیل می‌دهند که قابلیت اطمینان عملیاتی، ایمنی پرسنل، و قابلیت جداسازی خطا را در سراسر سیستم‌های برق توزیع، صنعتی و شهری بهبود می‌بخشد.