بخشی از مقاله
چکیده - یکی از روشهای افزایش قابلیت اطمینان ترانسفورماتورها ، تشخیص به موقع خطا پیش از وقوع حادثه است. خطای حلقه به حلقه یکی از خطاهای رایج درون ترانسفورماتور است. خطای حلقه به حلقه جزئی درون ترانسفورماتور قدرت بر روی ولتاژ و جریان ترمینالها تاثیر بسیار کمی میگذارد، بنابراین تشخیص این خطا از روی پارامترهای الکتریکی دشوار خواهد بود. تا کنون روشهای مختلفی برای تشخیص خطای داخلی سیم پیچ ارائه گردیده است که در برخی از آنها ترانسفورماتور باید از مدار خارج شود و در برخی دیگر به صورت برخط تشخیص خطا انجام میشود. در این مقاله یک روش برخط جدید ارائه شده است که از طریق تشکیل مکان هندسی اختلاف ولتاژهای القایی دو سر سیم پیچی های اولیه و ثانویه بر حسب جریان اولیه، تشخیص خطای حلقه به حلقه سیم پیچ ممکن شده است. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که روش ارائه شده توانایی خوبی در تفکیک خطاهای حلقه به حلقه جزیی ترانسفورماتورها در حالت بارداری دارد
-1 مقدمه
ترانسفورماتورها یکی از مهمترین تجهیزات سیستم های قدرت محسوب میشوند. خروج ترانسفورماتور از مدار در اثر بروز عیب باعث به وجود آوردن خسارات جبران ناپذیری خواهد شد و نیز قابلیت اطمینان شبکه را پایین می آورد.[1] امروزه روشهای مختلفی برای عیب یابی ترانسفورماتورهای قدرت ارائه شده است و روشهای مدرن عیب یابی آنها در حال گسترش است.خطاهای ترانسفورماتور معمولا در شرایط خاص مانند رعد و برق ، حالت-های گذرای کلید زنی، اتصال کوتاه و عدم بهره برداری صحیح به وجود میآیند.
[2] اولین قدم جهت جلوگیری از گسترش خطاها، این است که خطاهای ترانسفورماتور قبل از منتشر شدن در مراحل اولیه، شناسایی شوند. عوامل بروز خطا میتوانند مکانیکی، شیمیایی، فیزیکی و الکتریکی باشند که درحین کار روی عملکرد عادی ترانسفورماتور تاثیر میگذارند.[3] مطالعات نشان داده است که در حدود 75 درصد از خرابی ترانسفورماتورها مربوط به خطای اتصال کوتاه حلقه به حلقه سیم پیچی ها است.[4] خطای حلقه به حلقه در لحظات اولیه بر روی عملکرد ترانسفورماتور تاثیر کمی دارد در حالی که این خطا به سرعت گسترش یافته و تبدیل به خطای فاز به فاز و فاز به زمین خواهد شد.[5] اگرچه در زمان وقوع خطای حلقه به حلقه جزئی - یک الی پنج دور - ، جریان گردشی بزرگی از قسمت اتصال کوتاه شده عبور میکند، ولی جریان اولیه و ثانویه عملا تغییرات کمی را نشان میدهند که تشخیص خطا را بسیار دشوار می کند. این موضوع به خوبی در شکل1 نشان داده شده است.
مهمترین مشکلاتی که در سیم پیچ های ترانسفورماتور در اثر کیفیت ساخت، حمل و نقل و یا تنشهای مختلف به وجود میآید را میتوان به صورت زیر دسته بندی کرد
• اتصالات نامناسب سیم پیچ ها
• اتصال کوتاه - اتصال حلقه به حلقه، اتصال حلقه به تانک و... -
•جابجایی محوری در سیم پیچ ترانسفورماتور
• جابجایی شعاعی در سیم پیچ ترانسفورماتور .[7]
تا کنون برای تشخیص خطاهای حلقه به حلقه در ترانسفورماتورها روشهای متنوعی ارائه شده است. در8] و[ 9 با اندازهگیری دامنه و فاز مولفه توالی منفی جریان در سمت اولیه و ثانویه عیب تشخیص داده می شود. مزیت روش ارائه شده، تشخیص خطای حلقه به حلقه جزئی بوده است و از معایب آن عدم تشخیص خطا در حالت بی باری و عملکرد نامطلوب در بار نامتعادل است. روش که دیگر تشخیص خطای حلقه به حلقه ترانسفوروماتور تکفاز با استفاده از اختلاف ولتاژهای اولیه و ثانویه بر حسب جریان اولیه به عنوان یک معیار است [10] که از معایب آن عدم تشخیص دقیق عیوب جزیی است.
در این مقاله یک روش برخط دقیقتر از [ 10] ارائه شده است که تشخیص خطای حلقه به حلقه جزیی - یک یا دو دور - در حین بهره برداری را ساده تر می کند. ایده اصلی روش ارائه شده مبتنی بر ایجاد مکان هندسی بیضی شکل است. دیاگرام مکان هندسی از طریق اختلاف ولتاژهای القایی - دو سر سیم پیچیها نه ولتاژ خروجی و منبع - سمت فشار قوی و فشار ضعیف بر حسب جریان ورودی بدست میآید، بگونهای که محور افقی نشانگر جریان ورودی و محور عمودی اختلاف ولتاژهای القایی است. مکان هندسی یک ترانسفورماتور سالم بدست آمده به عنوان دیاگرام مرجع در نظر گرفته میشود، آنگاه هرگونه تغییر در شکل یا چرخش دیاگرام نسبت به دیاگرام مرجع در اثر خطای حلقه به حلقه نشان دهنده عیب یا خطا در سیم پیچ ترانسفورماتور خواهد بود.
-2 تحلیل ترسیمی روش پیشنهادی
برای بررسی ایده مقاله فرض می شود که ولتاژهای القایی اولیه و ثانویه و جریان اولیه سینوسی باشند - از اثر اشباع صرفنظر شده است - . جریان اولیه نیز یک تابع سینوسی با دامنه و فاز خواهد بود که در رابطه - 1 - نشان داده شده است. تفاوت ولتاژهای القایی اولیه و ثانویه در نهایت یک تابع سینوسی با دامنه و فاز خواهد بود که در رابطه - 2 - نشان داده شده اند. حال با استفاده از روابط - 1 - الی - 8 - می توان نشان داد که اختلاف ولتاژهای اولیه و ثانویه بر حسب جریان اولیه بصورت یک بیضی با قطر بزرگ d و قطر کوچک a و گریز از مرکز e خواهد بود: با مرتب سازی معادله - 6 - ، معادله - 7 - بدست می آید که نشان می دهد معادله - 7 - یک بیضی است. با توجه به اینکه محور عمودی اختلاف ولتاژهای القایی e1-e2 است و این ولتاژ به تعداد دور اتصال کوتاه و پارامترهای دیگر ترانسفورماتور وابسته است که می تواند با تغییر پارامترها مانند تعداد دور اتصال کوتاه حلقه به حلقه، اثر خود را در ابعاد و جهت چرخش بیضی نشان دهد.
-3 مدلسازی خطای حلقه به حلقه در ترانسفورماتور
برای بررسی حالت خطای داخلی ترانسفورماتور، اعمال خطا در هر سمت از سیم پیچ ترانسفورماتور باید لحاظ گردد. خطای حلقه به حلقه در این مقاله سمت ثانویه در نظر گرفته شده است، بنابراین مدار معادل سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور به دو بخش تقسیم میشود: بخش اول مربوط به قسمت سالم سیم پیچی و بخش دوم قسمت اتصال کوتاه شده سیم پیچ شده است. شکل2 مدار معادل الکتریکی ترانسفورماتور تحت خطای اتصال کوتاه داخلی حلقه به حلقه در حالت بارداری را نشان می دهد.
زمانی که خطا در سمت سیم پیچ ثانویه رخ میدهد، سمت اولیه مدار با تعداد دورهای ، مقاومت سیم پیچ ، اندوکتانس نشتی و اندوکتانس مغناطیس شوندگی بدون تغییر باقی میماند. ، و به ترتیب جریانهای سیم پیچ اولیه، جریان تلفات هسته و جریان منبع ولتاژ اولیه هستند. : تعداد دورهای بخش سالم سیم پیچ ثانویه، : کل تعداد دورهای سیم پیچ ثانویه و : تعداد دورهای سیم پیچی اتصالکوتاه شده بخش ثانویه ترانسفورماتور میباشند. : مقاومت بخش سالم سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور : اندوکتانس نشتی بخش سالم سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور : مقاومت سیم پیچ اتصال کوتاه : اندوکتانس مغناطیسی بخش سالم سیم پیچ ثانویه : اندوکتانس نشتی معادل سیم پیچ بخش خطا در طرف ثانویه.
شکل:2 مدار معادل الکتریکی ترانسفورماتور تحت خطای اتصال کوتاه
با توجه به توضیحات فوق می توان روابط - 9 - الی - - 12 را بین پارامترهای قسمتهای سالم و اتصال کوتاه شده نوشت. بنابراین معادلات ولتاژی به سه قسمت سمت اولیه، سمت ثانویه سالم و سمت سیم پیچی اتصال کوتاه شده مطابق روابط - 13 - الی - 15 - تقسیم می شوند که باید همزمان بصورت دستگاه معادلات سه معادله سه مجهولی حل شوند. از معادلات 13 الی 15 می توان مقادیر ولتاژهای القایی e1 و e2 را به سادگی محاسبه کرد.
-4 شبیه سازی و آنالیز خطای اتصال کوتاه حلقه به حلقه
شبیه سازی در نرم افزار MATLAB صورت گرفته است. خطای حلقه به حلقه ترانسفورماتور تکفاز در سمت ثانویه رخ داده است و به ازای تعداد دورهای اتصال کوتاه نمودار مکان هندسی اختلاف ولتاژهای القایی اولیه و ثانویه بر حسب جریان ورودی ترسیم می شود. بررسیها بر روی یک ترانسفورماتور نمونه تکفاز 2/6 کیلو ولت آمپر صورت گرفته که مشخصات آن در جدول1 آورده شده است. برای بررسی دقیق بیضی های بدست آمده جهت تشخیص خطا همه پارامترها بصورت درواحد در نظر گرفته می شوند. شکل3 مکان هندسی نمونه اختلاف ولتاژهای القایی بر حسب جریان اولیه را برای حالت سالم ترانسفورماتور دو سیم پیچه تکفاز نشان می دهد.
شکل: 3 مکان هندسی مرجع نمودارهای e1-e2و i1 ترانسفورماتور تکفاز سالم
حال به بررسی مکان هندسی بیضی های بدست آمده از تعداد دورهای مختلف اتصال کوتاه حلقه به حلقه با توجه به حل دستگاه معادلات 13 الی 15 پرداخته می شود. بنابراین شکل4 مکان هندسی − را بر حسب به ازای تعداد دورهای اتصال کوتاه در بار نامی نشان داده است.
شکل: 4 مکان هندسی به ازای دورهای مختلف اتصال کوتاه در بار کامل
با توجه به نمودارهای بدست آمده مشخص است که با افزایش تعداد دور اتصال کوتاه بیضی های ترسیمی بزرگتر و نسبت به افق دوران بیشتری پیدا می کنند. بنابراین برای شناسایی خطای اتصال کوتاه حلقه به حلقه از برخی ویژگیهای
