مقدمه:

با توجه به اهمیت ترانسفورماتورها و لزوم بهره برداری مناسب از آنها، پروژه طراحی و اجرای سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور از اسفند سال84 در گروه خط و پست پژوهشگاه نیرو آغاز و پس از گذراندن مراحل طراحی و اجرا با موفقیت بر روی ترانسفورماتور 230 کیلوولت پست کن، در اسفند 86 با موفقیت به پایان رسید.

در این مقاله ابتدا به بیان نتایج بدست آمده از تحقیق و بررسی درخصوص لزوم به کارگیری این سیستم ها در صنعت برق و سپس معرفی ویژگی ها و قابلیت های سیستم طراحی شده در پژوهشگاه نیرو پرداخته می شود.

معرفی سیستم مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور

عملکرد ترانسفورماتور در سطوح مختلف نقش کلیدی و موثری در حفظ پایداری و ارتقای قابلیت اطمینان شبکه قدرت دارد، اما عوامل متعددی از قبیل بهره برداری غلط، عدم انجام سرویس و تعمیرات به موقع که ناشی از عدم دسترسی به اطلاعات جامع درخصوص ترانسفورماتور است، موجب به وجود آمدن شرایط بحرانی برای آن می شود. این شرایط بحرانی علاوه بر اینکه منجر به کاهش طول عمر ترانسفورماتورها (پیری زودرس) و یا تحمیل هزینه های تعمیرات و تعویض قطعات آن می شود، بعضاً موجب از مدار خارج شدن ترانسفوماتورها و به دنبال آن محدودیت در انتقال قدرت در شبکه می شود.

با توجه به اهمیت ترانسفورماتور، در سالهای اخیر کنترل بهینه آن در دنیا مورد توجه قرار داشته است و برای رسیدن به این هدف سیستم های مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور که بر پایه استخراج پارامترهای ترانسفورماتور و پردازش و آنالیز آنها عمل می کنند طراحی و ساخته شده اند. هرچند دستگاه های متداول حفاظتی ترانسفورماتور شامل انواع رله ها، ترمومتر، برقگیر و ... برای تشخیص و حفاظت از خطا در شبکه استفاده می شوند، اما به دلیل اهمیت موضوع، امروزه مراقبت از ترانسفورماتور دامنه وسیع تری پیدا کرده و شامل انواع روش های حفاظتی و نگهداری بازدارنده و تشخیص عیوب قریب الوقوع شده است. در حقیقت بسیاری از بهره برداران علاقمند هستند که از وضعیت داخل ترانسفورماتورهای قدرت باخبر شوند.
به این ترتیب علاوه بر جلوگیری از وارد آمدن خسارات جدی به ترانسفورماتور، با اطلاع رسانی به موقع می توان موجب تداوم انتقال انرژی الکتریکی شد. به طور کلی می توان به مزایای زیر درخصوص بکارگیری از سیستم مانیتورینگ On-Line اشاره کرد:

- افزایش قابلیت اطمینان به ترانسفورماتور با حداقل سازی قطعی های ناخواسته

- کاهش ضرر ناشی از انرژی توزیع نشده و یا پرداخت خسارت به مشترکان

- امکان اعمال تعمیرات براساس شرایط واقعی و نیز کاهش هزینه های ناشی از خطاهای غیر منتظره و در نتیجه کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری

- بهره برداری از ظرفیت ترانس

- افزایش طول عمر بهره برداری از ترانس که موجب به تعویق انداختن سرمایه گذاری برای جایگزینی ترانسفورماتور یا بهینه سازی آن می شود.

معماری کلی سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور طراحی شده در پژوهشگاه نیرو در سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور، اطلاعات از بخش های مختلف ترانس به صورت سیگنال های آنالوگ و از تابلوهای کنترل ترانس و کنترل تپ چنجر و ... به صورت سیگنال های آنالوگ و دیجیتال جمع آوری می شود. اطلاعات جمع آوری شده از این بخش ها وارد تابلویی به نام Junction-Box می شود. این تابلو که در محوطه بیرونی پست قرار می گیرد،

از یک سری ترمینال جهت دسته بندی اطلاعات تشکیل شده است. سپس اطلاعات دسته بندی شده از طریق کابل های پررشته به صورت گروه های ورودی دیجیتال، ورودی آنالوگ و خروجی دیجیتال به اتاق کنترل ارسال می شود. در اتاق کنترل اطلاعات به کارت های دیجیتال و آنالوگ سیستم کنترل وارد شده و توسط CPU پردازش های لازم بر روی آنها انجام می شود. جهت دسترسی به یک سری امکانات دیگر نظیر مشاهده On-Line، ذخیره سازی و آنالیز، اطلاعات به یک کامپیوتر صنعتی ارسال می شود.

قابلیت های سیستم های مانیتورینگ On-Line ترانسفورماتور

در ادامه، به معرفی قابلیت ها و امکانات سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور که در پست 230 کیلوولت کن بر روی ترانسفورماتور T4 اجرا شده، می پردازیم.

- اندازه گیری دماهای بالا و پایین روغن: دمای روغن یکی از پارامترهای مهم ترانسفورماتور است که به عنوان مبنای کنترل ورود و خروج فن ها و صدور فرامین آلارم و تریپ حرارتی درنظر گرفته می شود. در سیستم های قدیمی این دما فقط در قسمت بالای روغن اندازه گیری می شد، اما در سیستم مانیتورینگ On-Line به منظور افزایش دقت درمحاسبات، دما در دو قسمت مختلف ترانسفورماتور یکی در قسمت بالای روغن و دیگری در قسمت پایین، اندازه گیری و نمایش داده می شود. در این سیستم دمای روغن علاوه بر موارد ذکر شده، پارامتر اساسی در محاسبه دمای نقطه داغ سیم پیچ نیز است.

- محاسبه دمای نقطه داغ سیم پیچ: از دیگر دماهای با اهمیت در ترانسفورماتورها، دمای نقطه داغ سیم پیچ است که مشابه دمای روغن پارامتر کنترل کننده سیستم خنک کننده و صدور فرامین آلارم و تریپ حرارتی است. از سوی دیگر از آنجایی که استرسهای حرارتی یکی از مهمترین عوامل زوال عایقی ترانسفورماتورها است و داغ ترین نقطه سیم پیچ ترانسفورماتور محتمل ترین مکان برای شکست عایقی است، بنابراین مهمترین عامل محدودکننده بارگذاری ترانسفورماتور است و تعیین دقیق آن سبب می شود ارزیابی بهتری از قابلیت بارگذاری، عمر از دست رفته و عمر باقیمانده ترانسفورماتور امکان پذیر شود. سه روش اصلی به شرح زیر برای تعیین دمای نقطه داغ وجود دارد: - اندازه گیری مستقیم (حسگر فیبر نوری)

- شبیه سازی دمای نقطه داغ

- محاسبه با استفاده از مدل های حرارتی استاندارد

روش  اندازه گیری مستقیم با استفاده از فیبر نوری دقیق ترین روش موجود است. اما به علت هزینه بالا و قابلیت اطمینان نسبتاً پایین و حساسیت و شکنندگی، حسگرهای فیبر نوری هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است و بیشتر در تحقیقات آزمایشگاهی به کار می رود. نکته دیگری که درباره این حسگرها باید گفت این است که نصب آنها تنها در هنگام ساخت یا تعمیرات ترانسفورماتور امکان پذیر است.

در ترانسفورماتورهای موجود، این دما از طریق قرار دادن یک ترمومتر دمایی و به روش شبیه سازی بدست می آید. مشکل این نوع تجهیزات این است که صحت دمای اندازه گیری شده و نقاط تنظیم به دقت دماسنج و همچنین توانایی تکنسین بستگی دارد. دقت این ترمومترها که توسط پست های حرارتی در کارخانه کالیبره می شود معمولاً حدود 2 تا 3 درجه سانتیگراد است و با گذشت زمان ممکن است به 5 تا 10 درجه سانتیگراد هم تغییر یابد که در این زمان باید مجدداً کالیبره شود.

به دلایل ذکر شده در سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور، به جای روش شبیه سازی، دمای سیم پیچ از طریق یک سری محاسبات طبق استاندارد IEC که متناسب با شرایط مختلف خنک کنندگی ترانسفورماتور است، به دست می آید.

اندازه گیری و نمایش ولتاژ و بار و توان: ولتاژ و جریان و توان ترانسفورماتور در بخش های HV، LV اندازه گیری و در سیستم مانیتورینگ نمایش داده می شود. علاوه بر آن به کمک این مقادیر توان راکتیو و ضریب توان محاسبه می شود.

محاسبه پیری حرارتی عایق ترانسفورماتور: در سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور، پیری حرارتی عایق ترانسفورماتور بر پایه دمای نقطه داغ سیم پیچ محاسبه می شود.

آشکارسازی گازهای محلول: یکی از خطاها و اشکالات موجود در ترانسفورماتور تولید گازهای مضر محلول در روغن در اثر عواملی از جمله تخلیه جزئی، حرارت ناشی از افزایش بارگیری و .. است. در حال حاضر برای شناسایی این اشکالات، از روغن ترانسفورماتور به صورت دوره ای نمونه برداری و در آزمایشگاه آنالیز می شود. از آنجائی که برنامه نمونه گیری و آنالیز روغن در دوره های زمانی معین انجام می شود ممکن است بعضی از خطاها آشکار نشود و یا اینکه بر طبق این برنامه ثابت دوره ای، انجام تست پس از به وجود آمدن یک شرایط بحرانی برای ترانسفورماتور انجام شود. در سیستم مانیتورینگ On-Line با قراردادن یک دستگاه آشکارساز گاز در روغن می توان مقدار گاز را به طور پیوسته اندازه گیری و نمایش داد و در صورت بروز خطا توسط این دستگاه آلارم مناسب تولید کرد. علاوه بر اینکه به کمک این دستگاه می توان خطاها را در زمان تولید آشکار کرد، خطاهای در حال پیشرفت در ترانسفورماتور نیز از طریق نرخ تغییرات گازهای تولید شده مشخص می شود و از این راه می توان از بوجود آمدن خطرات جدی بر روی ترانسفورماتور جلوگیری کرد.

اندازه گیری رطوبت در روغن:
رطوبت به عنوان یکی از عوامل مخرب، نقش مهمی در کاهش عمر عایقی ترانسفورماتور دارد. عمر حرارتی کاغذ متناسب با مقدار رطوبت آن است به طوری که اگر مقدار رطوبت کاغذ دو برابر شود عمر آن به نصف کاهش می یابد. از طرف دیگر افزایش رطوبت در نواحی با شدت میدان الکتریکی بالا موجب کاهش آستانه شروع تخلیه جزئی و افزایش شدت آن شده و در نهایت موجب وارد شدن خسارات جدی به ترانسفورماتور می شود. در ترانسفورماتورها معمولاً مقداری رطوبت در طی فرآیند خشک کردن باقی می ماند که به مرور زمان این مقدار در اثر رطوبت هوا و تجزیه روغن و مواد سلولزی بیشتر می شود. در حال حاضر روغن ترانسفورماتور به صورت دوره ای نمونه برداری و در صورت لزوم به کمک دستگاه oiltreatment تصفیه می شود. از آنجائی که این نمونه برداری به صورت دوره ای است ممکن است در زمان مناسب انجام نشود و خسارات جدی به سیستم عایقی ترانسفورماتور وارد شود. در سیستم مانیتورینگ On-Line با توجه به اهمیت رطوبت، دستگاهی برای اندازه گیری آن قرار داده می شود که به طور مداوم مقدار رطوبت روغن را اندازه گیری می کند. در این سیستم در صورت افزایش رطوبت با تولید آلارم، بهره بردار جهت انجام تست دوره ای مطلع می  شود.

کنترل سیستم خنک کنندگی: سیستم خنک کنندگی ترانسفورماتور یکی از مهمترین بخش های آن است که کنترل آن باید از طریق سیستم مانیتورینگ ترانسفورماتور به صورت بهینه انجام شود. هدف از این کنترل قراردادن ترانسفورماتور در دمای نسبتاً ثابتی است. برای رسیدن به این هدف در تعیین دمای ترانسفورماتور باید دقت کافی اعمال شود. در این سیستم دمای بالای روغن توسط سنسور حرارتی با دقت بالا اندازه گیری و دمای نقطه داغ سیم پیچ با توجه به بار و دمای محیط محاسبه می شود. با استفاده از این مقادیر پیش فرض برای کنترل سیستم خنک کننده، فرامین کنترلی مناسب برای راه اندازی سیستم از طریق PLC به مدارات فرمان ارسال می شود.

پیش بینی زمان سرویس تجهیزات سیستم خنک کننده: تعمیرات و سرویس به موقع تجهیزات خنک کننده ترانسفورماتور نقش به سزائی در عملکرد صحیح این سیستم دارد. در حال حاضر سرویس تجهیزات به صورت دوره ای انجام می شود. ولی از طریق سیستم مانیتورینگ ترانسفورماتور با اندازه گیری مدت زمان روشن بودن هر یک از فن ها زمان مورد نیاز برای سرویس این تجهیزات برحسب شرایط و نیاز واقعی مشخص می شود.

اندازه گیری دمای روغن تپ چنجر:
تپ چنجر یکی از بخش های مهم و اساسی ترانسفورماتور است که سلامت آن تاثیر مستقیمی در عملکرد ترانسفورماتور دارد. طی نتایج بررسی های به عمل آمده از تحقیقات آماری برای شناسایی خطاهای ترانسفورماتور مشخص شده که بخش عظیمی از این خطاها مربوط به بخش تپ چنجر آن است. یکی از مشکلات تپ چنجر کثیفی کنتاکت ها و ایجاد گرمای اضافی در روغن است که این افزایش گرما باعث کربنیزه شدن روغن و ایجاد آلودگی بیشتر شده که در نهایت کاهش قدرت عایقی روغن را به همراه دارد. به همین دلیل یکی از روش های شناسایی خطا در تپ چنجر اندازه گیری دما به صورت پیوسته است. از آنجایی که تانک تپ چنجر به صورت مکانیکی به تانک اصلی کوپل شده است، بنابراین اختلاف بین دمای تپ چنجر و تانک اصلی می تواند به عنوان معیاری برای شناسایی خطاهای آن باشد.

نمایش Tap-Position ترانسفورماتور:
یکی از پارامترهای قابل اندازه گیری ترانسفورماتور مقدار تپ آن می باشد. علاوه بر نمایش این مقدار در سیستم مانیتورینگ از آن در محاسبات نیز استفاده می شود.

پیش بینی زمان سرویس قطعات تپ چنجر: سلامت تپ چنجر نقش کلیدی در صحت عملکرد ترانسفورماتور دارد. قطعات تپ چنجر در هنگام عملکرد ناشی از تغییر تپ و یا در اثر خوردگی ناشی از جریان فرسوده شده و نیاز به سرویس و یا تعویض دارند. این سرویس باید در زمان مناسبی انجام شود، تا عملکرد ترانسفورماتور تحت تاثیر خرابی تپ چنجر قرار نگیرد. در سیستم مانیتورینگ به کمک ثبت تعداد عملکردهای انجام شده و انجام محاسبات می توان زمان سرویس و یا تعویض قطعات را پیش بینی کرد.

تعیین عملکرد رله های حفاظتی: به منظور ارزیابی صحیح تر از وضعیت ترانسفورماتور سیگنال های حفاظتی ترانسفورماتور از تابلوهای موجود پست استخراج و در سیستم ثبت می شود.

محاسبه ظرفیت اضافه بار:
در شرایط کارکرد نرمال شبکه، بارگیری از ترانسفورماتور باید در محدوده بار نامی آن انجام شود، اما در شرایط بحرانی شبکه، شرایطی به وجود می آید که پذیرش اضافه بارگیری از ترانسفورماتور اجتناب پذیر است. از آنجائی که بارگیری بیشتر از مقدار نامی موجب افزایش دما و متعاقب آن افزایش پیری  ترانسفورماتور و در درازمدت موجب وارد شدن خسارات جدی به آن می شود بنابراین قبول این اضافه بارگیری باید در زمان محدود و با توجه به شرایط دمایی واقعی انجام شود به طوری که عمر ترانسفورماتور تحت تاثیر آن قرار نگیرد. تحقق این امر بدون وجود یک سیستم مانیتورینگ

On-Line ترانسفورماتور که به طور پیوسته مقادیر دما و بارگیری را ثبت می کند، غیر عملی است. در سیستم مانیتورینگ On-Line به این منظور برای ترانسفورماتور قابلیتی با عنوان محاسبه ظرفیت اضافه بار که بر پایه اندازه دمای محیط، دمای روغن و دمای نقطه داغ سیم پیچ عمل می کند در نظر گرفته می شود. در گذشته جهت بارگیری از ترانسفورماتورها از جداول ثابت و تقریبی استفاده می شد که موجب افزایش خطرات ناشی از اعمال آن می شد. ولی امروزه می توان از قابلیت های سیستم مانیتورینگ On-line ترانسفورماتور برای تشخیص حدود مجاز بارگیری استفاده کرد. برای این منظور برنامه ای با عنوان بارگیری از ترانسفورماتور تهیه شده و به کمک این برنامه که براساس شرایط واقعی ترانسفورماتور در شروع بارگیری عمل می کند مشخص می شود ترانسفورماتور بار را تا چه مدت زمانی می تواند تحمل کند تا به شرایط بحرانی نرسد و یا به کمک این برنامه مشخص می شود که در یک بازه زمانی معین تا چه باری می توان به ترانسفورماتور اعمال کرد.

گفتنی است با اندازه گیری و تحلیل این اطلاعات به طور کلی می توان به اهدافی نظیر زیر دست یافت:

- تعیین وضعیت Active part

- کنترل سیستم خنک کنندگی

- تعیین وضعیت تپ چنجر

علاوه بر قابلیت های ارایه شده برحسب تقاضا قابلیت های زیر و یا هر امکان قابل اجرای دیگری که مورد نیاز باشد می تواند در سیستم اضافه شود:

- تعیین خطاهای مکانیکی تپ چنجر

- مانیتورینگ بوشینگ

- تعیین وضعیت مدار سیستم خنک کننده

- اندازه گیری سطح روغن

ویژگی های سیستم مانیتورنیگ On-line ترانسفورماتور

به طور کلی می توان به ویژگی های زیر درخصوص سیستم طراحی شده اشاره کرد:

- اندازه گیری پیوسته مقادیر

- ثبت مقادیر اندازه گیری شده و توانایی تهیه گزارش از آنها

- توانایی انجام عملیات محاسباتی دقیق و پیشرفته

- امکان تنظیم آستانه های مورد نیاز برای آلارم و تریپ

- قابلیت توسعه های آتی در نرم افزار و سخت افزار

- قابلیت انعطاف در تعیین معماری سیستم

- سازگاری با شرایط آب و هوایی مناطق گرم و مرطوب

نمونه اجرا شده: یک نمونه از سیستم مانیتورینگ ترانسفورماتور با مشخصات ذکر شده پس از گذراندن موفقیت آمیز تست هایی نظیر ESD و EFT و نیز تست های عملکردی بر روی یکی از ترانسفورماتورهای 230 کیلوولت پست کن در برق منطقه ای تهران نصب شده است.

موارد کاربرد: از آنجایی که بروز خطا در ترانسفورماتورها و عدم شناسایی به موقع آنها بعضاً باعث خروج ترانسفورماتورها از شبکه قدرت و یا کاهش عمر عایقی آنها و در نهایت وارد شدن خسارات اقتصادی و کاهش قابلیت اطمینان می شود از این رو استفاده از سیستم های مانیتورینگ

On-Line به منظور پیشگیری و یا تشخیص به موقع عیوب، در ترانسفورماتورهای مهم شبکه قدرت و صنایعی نظیر فولاد بسیار مثمرثمر خواهد بود.

www.SMSM.ir

نوع مطلب : مهندسی برق - الکترونیک
نوشته شده در شنبه ۲۳ بهمن ۱۳۸۹ توسط SMSM |           |