بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه روشي جهت مانيتورينگ و تشخيص خطاي مکانيکي سيم پيچ ترانسفورماتور قدرت به روش برخط
چکيده
پايش و نظارت بر شرايط ترانسفورماتورهاي قدرت سال هاي زيادي مورد بررسي بوده است . يکي از خطاهاي پيش روي ترانسفورماتور، خطاي مکانيکي سيم پيچ است . تاکنون روش هاي مختلفي براي تشخيص اين خطا ارائه شده که در برخي از آنها ترانسفورماتور بايد از مدار خارج شود و در برخي ديگر به صورت برخط تشخيص خطا انجام مي شود. دراين مقاله يک روش برخط ارائه گرديده است که از طريق تشکيل مکان هندسي ولتاژ- جريان ، تشخيص خطاهاي مکانيکي سيم پيچ ممکن مي گردد. ولتاژ وجريان مورد نياز به وسيله تجهيزات اندازه گيري متصل به ترانسفورماتور ثبت مي شود. مکان هندسي بدست آمده توسط اطلاعات دريافتي قادر است وضعيت جاري سيم پيچ ترانسفورماتور را نشان دهد. بنابراين ، نظارت برخط از شرايط سيم پيچ ترانسفورماتور بدست آمده است . اين روش در فرکانس قدرت اجرا مي گردد و تحليل نتايج آن بسيار ساده است . براي بررسي صحت روش ارائه شده انواع مختلفي ازخطاهاي مکانيکي سيم پيچ شبيه سازي شده اند. دياگرام مکان هندسي ترانسفورماتور داراي خطاي مکانيکي با يک ترانسفورماتور سالم مقايسه مي شود و عدم تطابق آنها، وجود عيوب سيم پيچ را نمايان مي کند. شبيه سازي درمحيط نرم افزار MATLAB اجرا شده است . پردازش ديجيتالي تصوير مکان هندسي، مي تواند تشخيص خطا را بسيار ساده سازد.
واژه هاي کليدي: ترانسفورماتور قدرت ، سيم پيچ ، خطاي مکانيکي، دياگرام مکان هندسي
١- مقدمه
ترانسفورماتورهاي قدرت جزء گران قيمت ترين و مهم ترين تجهيزات سيستم قدرت محسوب مي شوند. اين تجهيزات ممکن است با عيب هاي مختلفي روبرو شوند. بسيار مهم است که از رخ دادها وحوادث جلوگيري شود و مشکلات به سرعت شناسايي شوند. يک خطاي غيره منتظره يا قطعي ناخواسته مي تواند به لحاظ اقتصادي اثر قابل توجهي در بهره برداري داشته باشد. مشخصا بررسي و نظارت بر ترانسفورماتورهاي قدرت که به عنوان قطب يک شبکه درنظر گرفته مي شوند بسيار مهم بوده است [١]. ازطرفي به دست آوردن اطلاعات از شرايط عايقي سيستم و آگاهي از پايداري هاي مکانيکي داخلي براي بهره برداران سيستم داراي اهميت بالايي است . با کهنه شدن و پيرشدن ترانسفورماتورها وضعيت داخلي آنها با تنزل روبرو مي شود که احتمال وقوع خطا را افزايش مي دهد. خطاها معمولا در شرايط سخت همچون رعد و برق ، حالتهاي گذراي کليدزني، اتصال کوتاه ها و ديگر رخدادها تحريک مي شوند.
وقتي که ترانسفورماتور نو است استقامت الکتريکي و مکانيکي خوبي براي تحمل شرايط غير عادي دارد. اما زماني که کهنه مي شود استقامت عايقي آن کاهش پيدا کرده و توان مقابله با اتصال کوتاه ها و ديگر حوادث را ندارد[٢]. در عمل انواع مختلفي از خطاها عملکرد ترانسفورماتور را تهديد مي کنند. يکي از عمده ترين آنها آسيب هاي مکانيکي است . آسيب هاي مکانيکي توسط عوامل مختلفي از جمله اتصال کوتاه ها، زمين لرزه و حمل و نقل نامناسب رخ مي دهند. اين آسيب ها شامل تغيير شکلهاي سيم پيچ در جهت هاي محوري و شعاعي است .
واژگوني ١، خم شدگي ٢، غرشدگي ٣، درهم فرورفتگي ٤، مارپيچ شدگي ٥ از جمله اينها مي باشند. ديگر آسيب هاي پيش رو، اتصال کوتاه دورها، شل شدن و شکستن بستهاي نگهدارنده و نشتي ٦ هستند.
تشخيص اين خطاها به روشهاي قديمي مشکل است [٣]. از آنجايي که سيم پيچهاي ترانسفورماتور مي توانند به عنوان شبکه اي از کاپاسيتانس ، اندوکتانسهاي خودي و متقابل و مقاومت مدل شوند پس در صورت رخ دادن عيب و يا نقصي در سيم پيچ مقادير پارامترهاي مدل شده تغيير خواهند کرد. يکي از روشهاي قدرتمند در تشخيص خطا روش تحليل پاسخ فرکانسي (FRA) است . اين روش که از دقت خوبي برخوردار است با اعمال يک سيگنال به شبکه ي مدل شده (R-L-C) و بررسي پاسخ فرکانسي ثبت شده در خروجي به تشخيص خطا مي پردازد. اما اصلي ترين ضعف در اين روش (FRA) اينست که براي اجراي تست ، ترانسفورماتور بايد ازشبکه جدا شود که نتيجه ي آن وقفه در انتقال انرژي خواهد بود. اين مقاله يک روش برخط ارائه مي دهد که در آن امکان نظارت بر شرايط سيم پيچ و تشخيص خطاهاي مکانيکي در حين بهره برداري از ترانسفورماتور فراهم مي شود. ايده ي اصلي تکنيک ارائه شده مبتني بر ايجاد يک مکان هندسي بيضي شکل است . اين دياگرام مکان هندسي از طريق اختلاف ولتاژ بين سمت فشار قوي وفشار ضعيف از يک طرف و جريان ترانسفورماتور از طرف ديگر بدست مي آيد . از آنجايي که اين دياگرام رفتار سيم پيچ مدل شده به يک شبکه R-L-C را نشان مي دهد، هرگونه تغيير در پارامترهاي مدار معادل روي آن اثر مي گذارد و باعث تغيير شکل در دياگرام مي شود. اگر مکان هندسي براي يک ترانسفورماتور سالم را بدست آوريم وآن را به عنوان دياگرام مرجع در نظر بگيريم آنگاه هرگونه تغيير در اين دياگرام که آنرا از حالت مرجع متمايز کند نشان دهنده ي وجود عيب يا خطايي در ترانسفورماتور خواهد بود. اين تست در فرکانس قدرت صورت مي پذيرد، در نتيجه امکان نظارت بر شرايط مکانيکي سيم پيچ و تشخيص خطا به صورت برخط فراهم مي شود. علاوه براين ، اين تکنيک به هيچ گونه تجهيز خاصي براي اجراي تست نياز ندارد و از تجهيزات اندازه گيري متصل به ترانسفورماتور بهره مي جويد.
٢- آسيب هاي مکانيکي سيم پيچ ترانسفورماتور
در بين همه عواملي که ترانسفورماتور را به خطر مي اندازد، آسيبهاي مکانيکي که ناشي از جريانهاي اتصال کوتاه است بيشتر رايج است [٤]. اتصال کوتاه مي تواند نيروهاي کششي يا فشاري را درجهت هاي محوري يا شعاعي وارد کند. نتيجه ي اين نيروها مي تواند تغيير شکل هاي محوري ٩، شعاعي ١٠ ويا شايد زاويه اي ١١ باشد[٥].دسته بندي تغيير شکلهاي سيم پيچ در[٦و٧] بررسي شده اند. چند نوع از تغيير شکلهاي رايج به صورت زير هستند که حاصل نيروهاي شعاعي، محوري و يا ترکيبي از آنها مي باشند. شکل ١ غرشدگي و شکلهاي ٢ و ٣ به ترتيب حالت واژگوني و شکستن بست هاي نگهدارنده را نشان مي دهند.
• تغييرشکل هاي شعاعي
١.غرشدگي اجباري و غرشدگي آزاد
٢. کشش دايره اي
• تغيير شکلهاي محوري
٣.واژگوني
٤.خم شدگي بين فاصله اندازه هاي شعاعي
٥.ازبين رفتن نگهدارنده ها و بستهاي سيم پيچ
ترکيب تغيير شکل هاي شعاعي ومحوري
٦.مارپيچ شدگي
٧.درهم فرورفتگي
شکل ١: اثر وارد شدن نيروي شعاعي که باعث غرشدگي سيم پيچ مي شود[٧]
٣- مدل ترانسفورماتور
کاربرد هر گونه تکنيک تشخيصي براي تعيين آسيب هاي مکانيکي ترانسفورماتور وابسته به حساسيت آن در تغيير سلف ها و خازن هاي توزيع شده است . يک ترانسفورماتور مي تواند با دقت کافي به يک مدار RLC مدل شود که مدل توزيع شده ١ نام مي گيرد. بعضي از مراجع تاثير کنداکتانس موازي توزيع شده را ناديده گرفته اند که ممکن است ضعف هايي را در تشخيص خطا ايجاد کنند. ناديده گرفتن کنداکتانس موازي در مدار معادل باعث مي شود که خطاهاي نشتي در داخل ترانسفورماتور تشخيص داده نشوند. مدلي که در آن کنداکتانس موازي ناديده گرفته مي شود شايد براي تعيين تابع انتقال و تشخيص خطاهايي از جمله اتصال کوتاه دورها، اتصال کوتاه هسته و جابجايي سيم پيچ مناسب و ايده آل باشد اما نياز به اصلاحاتي دارد تا تشخيص خطاهاي نشتي و تخليه جزئي الکتريکي نيز در آن امکان پذير باشد. مدار معادل يک ديسک ترانسفورماتور که يک مدل توزيع شده است در شکل ٤ به نمايش گذاشته شده است . با توجه به تعداد ديسک هاي موجود در يک ترانسفورماتور اين مدل به صورت يک شبکه آبشاري پشت سرهم قرار مي گيرد که شامل اندوکتانس خودي و متقابل (Ls)، مقاومت (Rs)، خازن هاي موازي(Csh) و زمين (Cg)و کنداکتانس هاي دي الکتريک موازي(G) مي شود.
براي سادگي، اندوکتانس هاي متقابل به صورت يکجا در اندوکتانس هاي سري جمع شده اند.
شکل ٤: مدار معادل توزيع شده يک ديسک از سيم پيچ ترانسفورماتور قدرت
٤- تکنيک ارائه شده
قاعده کلي روش ارائه شده مبتني بر تشکيل يک مکان هندسي با استفاده از ولتاژها و جريانهاي اندازه گيري شده در اوليه وثانويه ترانسفورماتور مي باشد. تفاضل ولتاژهاي سمت فشار قوي و فشار ضعيف از يک فازخاص در محور Y قرار مي گيرد درحالي که جريان ورودي ترانسفورماتور (I1) و براي برخي حالات تفاضل جريان ورودي و خروجي ترانسفورماتور در محور X جاي مي گيرد.
ترسيم V∆ برحسب I1 و يا V∆ يک مکان هندسي شناخته شده اي(بيضي) را ايجاد مي کند که رفتار و تغييرات آن قابل تحليل مي باشد. با توجه به مدار معادل تکفاز ترانسفورماتور در شکل ٥ روابط زير نتيجه مي شود:
شکل ٥: مدار معادل تکفاز ترانسفورماتور
براي سادگي فرض مي شود
با توجه به روابط (٣)،(٥)وحذف عبارت ωt مي توان نوشت :
با به توان رساندن طرفين تساوي و مرتب سازي آنها نتيجه مي شود :
که ضرايب آن به صورت زير است
اگر٠ آنگاه رابطه يک بيضي را نشان مي دهد.
اگر آنگاه رابطه يک سهمي را نشان مي دهد.
اگر آنگاه رابطه يک هذلولي را نشان مي دهد.
که اين عبارت هميشه منفي است و نشان دهنده ي يک بيضي مي باشد. شکل ٦ روند تشکيل بيضي را نشان مي دهد.
شکل ٦: روند تشکيل دياگرام بيضي
٤-١- روش V−I∆
روش V−I∆ که براي تشخيص خطاي مکانيکي ارائه شده است يک تکنيک مقايسه اي است . زماني که دياگرام مکان هندسي V−I∆ تشکيل مي شود در حالي که نمايانگر يک بيضي است در اصل با توجه به وضعيت فعلي سيم پيچها وشکل هندسي آنها ايجاد شده و هرگونه تغيير در هندسه ي سيم پيچها باعث ايجاد تغيير در وضعيت بيضي مي شود. در صورتي که از يک ترانسفورماتور درحالت سالم ، اطلاعات لازم (V−I∆) ثبت شود و مکان هندسي V−I∆ ترسيم گردد آنگاه يک دياگرام مرجع يا اثر انگشت از سيم پيچ ترانسفورماتور حاصل خواهد شد. از اين پس مقايسه ي دياگرام مرجع با دياگرام هايي که در زمانهاي مختلف بدست مي آيند روشي در تشخيص خطا خواهد بود. هرگونه عدم تطابق بين مکان هندسي بدست آمده از سيم پيچ ترانسفورماتور با مکان هندسي مرجع نشانگر خطاي مکانيکي در سيم پيچ هاست .
٤-٢- روش
عملکرد اين روش شبيه به روش قبلي است با اين تفاوت که به جاي استفاده از جريان ورودي I از تفاضل جريان ورودي
وخروجي I∆ براي تشکيل مکان هندسي (بيضي) استفاده مي شود. علت اينست که برخي ازخطاهاي مکانيکي سيم پيچ از طريق V−I∆ قابل شناسايي نيستند. با يک تحليل ساده در مدار معادل ارائه شده براي سيم پيچ متوجه مي شويم شاخه ي موازي جريان بسيار کمي را به خود اختصاص مي دهد و اگر از I∆ به جاي I بهره نجوييم تغييرات I∆ قابل مشاهده نيست و متعاقبا برخي از خطاهاي مکانيکي سيم پيچ ممکن است ناديده گرفته شود.
٥- شبيه سازي
شبيه سازي در نرم افزار MATLAB صورت گرفته است .
مقادير ارائه شده در جدول ١ به عنوان پارامترهاي مدار معادل نشان داده شده در شکل ٤ در نظر گرفته شده است [٨و٩].
ولتاژ ورودي به ميزان ٦٦ کيلو ولت لحاظ شده که با فرکانس ٥٠ هرتز مصرف کننده اي را تغذيه مي کند. شکل ٧ نشان دهنده ي مدار شبيه سازي شده در محيط MATLAB مي باشد. با اجراي نرم افزار و ترسيم برحسب I، دياگرام نشان داده شده در شکل ٨ حاصل مي شود که نمايانگر مکان هندسي بدست آمده براي سيم پيچ ترانسفورماتور است . اين دياگرام ، مکان هندسي مرجع يا اثر انگشت سيم پيچ ترانسفورماتور است .
