بخشی از مقاله
واژه هاي کلیدي: ترانسفورماتور خشک رزینی، مدل مشروح، تست ضربه، FEM، FRA
چکیده
ترانسفورماتورهاي خشک رزینی به علت مزایاي مختلف در سالهاي اخیر به طور قابل ملاحظهاي در سیستم توزیع مورد استفاده قرار گرفته اند. اطلاع از نحوه توزیع ولتاژ ضربه در سیم پیچی هاي ترانسفورماتور براي ارزیابی سیستم عایقی در حالات گذرا امري ضروري است. در این مقاله، حالت گذراي ترانسفورماتورهاي خشک رزینی مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا پارامترهاي مدل مشروح با استفاده از روش FEM محاسبه شده و پس از محاسبه توزیع ولتاژ ضربه، میدان الکتریکی و تنش هاي وارده بر قسمت هاي مختلف عایقی با استفاده از روش FEM مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی صحت مدل استفاده شده ، نتایج شبیهسازي براي تحلیل FRA با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است.
-1 مقدمه
ترانسفورماتورها در حین کار با انواع مختلفی از استرسهاي ولتاژ بالا روبرو میشوند که از برخورد صاعقه، عملیات کلیدزنی و یا اغتشاشات سیستم ناشی میشوند. یک ترانسفورماتور باید به گونهاي طراحی شود که در برابر این اضافهولتاژها ایستادگی کند و به همین منظور پس از ساخت، براي بررسی میزان استقامتش تحت تست ضربه قرار میگیرد. ولتاژهایی که در داخل سیمپیچی در خلال تست ضربه ایجاد میشوند نوسانی بوده و محاسبه آن ساده نیست. اطلاع از نحوه توزیع ولتاژهاي گذرا در سیمپیچی ترانسفورماتور براي ارزیابی ساختار عایقی امري حیاتی است. توزیع ولتاژ ضربه در داخل سیم پیچی غیرخطی بوده و باید با تشکیل یک مدار معادل متشکل از عناصر R، L و C موسوم به مدل مشروح مورد تحلیل قرار گیرد.
در این مقاله به بررسی حالتگذراي ترانسفورماتورهاي خشک رزینی به روش FEM پرداخته شده است. ترانسفورماتورهاي خشک رزینی به عنوان نسل جدید ترانسفورماتورهاي توزیع، به علت دارا بودن مزایاي مختلف نسبت به انواع روغنی اخیراً بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. ویژگیهاي منحصر به فرد این ترانسفورماتورها قابلیت تحلیل توزیع موج ضربه و محاسبه میدان الکتریکی در ترانسفورماتور خشک رزینی به روش اجزا محدود - - FEM استفاده از آنها را در محیط هایی همانند مناطق مسکونی و بیمارستانها فراهم نموده است. از مزایاي مهم ترانسفورماتورهاي خشک می توان به موارد زیر اشاره نمود:
• سبک و ضد حریق است
• مواد آلاینده - روغن - ندارد
• سطح صداي پایین تر
• رزین ریزي تحت خلا و حذف حفره ها و کاهش کرونا
• سیستم عایقی جامد و افزایش استقامت مکانیکی در برابر
اتصال کوتاه و نیز رطوبت و آلودگی ساختار ترانسفورماتور خشک رزینی در شکل 1 نشان داده شده است. بوبین فشار ضعیف از فویل آلومینیومی یکپارچه تشکیل شده است که بصورت هم زمان با یک لایه عایقی پیچیده می شود. بوبین فشار قوي از چندین دیسک که به صورت سري به هم متصل اند تشکیل شده است که هر دیسک با هادي هاي فویلی آلومینیومی پیچیده شده است. تاکنون مطالعات بسیاري بر روي محاسبه پارامترهاي مدل مشروح و حالت گذراي ترانسفورماتورهاي روغنی با استفاده از روش هاي تحلیلی انجام شده است .[9-1] استفاده از روشهاي تحلیلی یکی از ابزارهاي طراحی است که بسته به
هندسه مسئله ممکن است نتایج قابل قبولی ارائه دهد. اما این روش انعطاف پذیر نیست. امروزه با توجه به مشکلات روش تحلیلی، محاسبه حالت گذرا در سیمپیچیهاي ترانسفورماتور به روش عددي روز به روز بیشتر مورد توجه قرار میگیرد. روش اجزا محدود - FEM - به عنوان یک روش دقیق و معتبر، کاربردهاي بسیاري در شبیهسازي رفتار ترانسفورماتورها در شرایط مختلف دارد. از جمله این کاربردها میتوان به محاسبه شارهاي نشتی و نیروهاي الکترومغناطیسی اشاره نمود. با استفاده از روش FEM، پارامترهاي مدار معادل سیمپیچ با در نظر گرفتن جزئیات ساختاري ترانسفور ماتور قابل محاسبه است. مراحل مدلسازي و محاسبه حالتگذراي
ترانسفورماتور به روش FEM بصورت زیر میباشد:
-1 تقسیم سیمپیچی به تعداد محدودي از بخشها و مدل کردن در نرم افزار المان محدود
-2 محاسبه مقادیر L و M و C وR به روش FEM
-3 تشکیل مدار معادل و محاسبه ماتریس ادمیتانس سیستم
-4 محاسبه پاسخ گذرا تحت ولتاژ ضربه
محاسبه پارامترهاي مدل مشروح ترانسفورماتورهاي قدرت با استفاده از [10] FEM و نیز مدلسازي فرکانس بالاي ترانسفورماتورهاي قدرت با استفاده از این روش [11]، تاکنون مطرح و انجام شده است. در این پروژه سعی بر آن است تا رفتار ترانسفورماتورهاي خشک با استفاده از روش دقیق FEM مورد بررسی و شبیهسازي قرار گیرد.
-2 محاسبه میدان الکتریکی
در طراحی عایقبندي داخلی ترانسفورماتور، اطلاع از توزیع شدت میدان الکتریکی در داخل ترانسفورماتور بسیار مهم است. براي جلوگیري از شکست الکتریکی عایق داخل ترانسفورماتور تحت اعمال ولتاژ ضربه، مقادیر شدت میدان الکتریکی بدست آمده در هر ماده عایق باید کمتر یا حداکثر برابر با ماکزیمم مقدار مجاز شکست الکتریکی آن عایق باشد. بررسی توزیع میدان براي مسائل طراحی سیستم عایقی بسیار مفید است. با استفاده از محاسبه میدان الکتریکی میتوان طراحی ساختار عایقی را بررسی و در صورت امکان بهبود تحلیل توزیع موج ضربه و محاسبه میدان الکتریکی در ترانسفورماتور خشک رزینی به روش اجزا محدود - - FEM داد. براي این منظور باید میدان الکتریکی در داخل بوبینها تحت اعمال ولتاژ ضربه محاسبه شود. تعیین مقادیر دقیق ماکزیمم استرسهاي الکتریکی مجاز مشکل است چرا که به تعداد زیادي از پارامترها مانند ساختار هندسی، نوع عایقهاي ترانسفورماتور، پیري ترانسفورماتور و شرایط کاري ترانسفورماتور مانند آلودگی، اضافه ولتاژها و اضافه حرارت بستگی دارد. تاکنون تلاشهایی براي بررسی میدان الکتریکی و تنش هاي وارده بر عایقهاي داخلی ترانسفورماتورهاي قدرت صورت گرفته است.
مسئله طراحی سیستم عایقی ترانسفورماتور براي ولتاژ ضربه در [12] بحث شده است. در این مقاله با استفاده از روشهاي تحلیلی، سیم پیچیهاي ترانسفورماتور با یک شبکه الکتریکی متمرکز مدل شده و سپس تحلیل ولتاژ گذرا انجام گرفته است. این کار با تقسیم سیمپیچی به چندین بخش و تشکیل یک شبکه نردبانی RLC معادل با آن انجام شده است. مرجع [13] به محاسبه توزیع میدان الکتریکی و تنشهاي وارده بر عایقهاي داخلی ترانسفورماتور قدرت تحت اعمال ولتاژ ضربه پرداخته است. براي این منظور از مدار معادلی که پارامترهاي آن از روش FEM بدست آمده استفاده کرده و پس از تحلیل گذرا به محاسبه شدت میدان الکتریکی در حوزه FEM پرداخته است.
در این مقاله ضمن تائید درستی نتایج بدست آمده از مدل از طریق مقایسه با مقادیر اندازهگیري شده، بر مفید بودن نتایج بدست آمده براي طراحی سیستم عایقی تاکید و به بررسی انواع دیگر ترانسفورماتورها با عایقهاي متفاوت توصیه شده است. مرجع [14] همان پروسه انجام شده در مرجع [13] را انجام داده اما تعداد مقادیر اندازهگیري شده کافی نبوده و در بعضی از نقاط هم تفاوت هاي زیادي بین نتایج حاصل از شبیهسازي و آزمایش وجود دارد. در [11] نیز از روش FEM براي استخراج پارامترهاي مدار معادل سیمپیچی ترانسفورماتور قدرت استفاده شده است. در این مقاله تمامی تلفات وابسته به فرکانس مانند تاثیرات جریان فوکو - تلفات هسته و تلفات مجاورت و پوستی سیمپیچی - و تلفات ديالکتریک سیستم عایقی بر پایه استفاده از پرمابیلیته مختلط در نظر گرفته شده است. همچنین تنشهاي الکتریکی داخلی وارده مورد بررسی قرار گرفته است. در [15] از روش المان محدود براي مدل کردن سهبعدي سیمپیچی استفاده شده با این تفاوت که تحلیل حالت گذرا مستقیماً در حوزه FEM بدون تشکیل مدار معادل با اعمال تحریک انجام شده است.
در این راستا براي مدل کردن سهبعدي سیمپیچی تقریبهایی در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از شبیه سازي به نتایج حاصل از اندازهگیري شبیه بوده اما فاقد دقت کافی است. همه کارهاي انجام گرفته در این زمینه مربوط به ترانسفورماتورهاي روغنی بوده و تاکنون در مورد ترانسفورماتورهاي خشک این کار صورت نگرفته است. ترانسفورماتورهاي خشک تفاوتهاي عمدهاي با ترانسفورماتورهاي روغنی دارند که شامل تفاوت در شکل هادي ها، مواد عایقی، ساختار سیمپیچی و شکل میدان الکتریکی می باشد. بنابراین مطالعه دقیق و مجزا بر روي حالتگذراي ترانسفورماتور خشک براي اطمینان از تحمل سیستم عایقی امري ضروري است.
-3 مدار معادل ترانسفورماتورهاي خشک
شبکه خازنی مورد استفاده در ترانسفورماتور خشک در شکل 2 نشان داده شده است. از آنجایی که آخرین لایه LV یک سطح همپتانسیل در برابر دیگر لایههاي LV ایجاد میکند در نتیجه تنها کاپاسیتانس آخرین لایه LV نسبت به دیسکهاي HV در نظر گرفته میشود. مدار معادل ترانسفورماتور خشک شامل عناصر R، L و C در شکل 3 نشان داده شده است. هر لایه LV و هر دیسک HV به عنوان یک شاخه در مدار معادل در نظر گرفته شدهاند. هر شاخه از اتصال موازي اندوکتانس خودي Li و کاپاسیتانس Ki تشکیل شده است. بین هر دو شاخه i و j اندوکتانس متقابل Lij وجود دارد. Ri تلفات اهمی هر شاخه بوده و Gi نماینده تلفات عایقی هر شاخه میباشد.
