حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن

حفاظت ترانسفورماتور

حفاظت ترانسفورماتور قدرت

۱- خطاهای تراننسفورماتورهای قدرت

۱-۱ خطای عایق سیم‌پیچ ها و روغن

۱-۲ خطاهای هسته

۱-۳ خطای سیم‌پیچ ها

۱-۴ خطای اضافه بار

۱-۵ خطای گرم‌شدن بیش از حد ترانس

۲-  حفاظت ترانسفورماتورهای قدرت

۲-۱ حفاظت‌های نصب شده Built-On Protection

۲-۲ حفاظت دیفرانسیلی Differential Protection

۲-۳ حفاظت اضافه جریان Over-Current Protection

۲-۴ حفاظت ارت فالت محدود‌شده Restricted Earth Fault Protection

۲-۵ حفاظت اضافه بار Overload Protection

۲-۶ حفاظت صاغقه Lightning Protection

حفاظت ترانسفورماتور قدرت و انواع مشکلات و خطاها

در پست قبل ما، ما درباره سیستم‌های حفاظت الکتریکی، انواع حفاظت‌ها و واحدها بحث کردیم. امروز، ما درباره انواع مختلف حفاظت‌های ترانسفورماتور و خطاهای آن با جزئیات بحث خواهیم‌کرد.

مطالب مرتبط :‌ 

نگه‌داری ترانسفورماتور

واحدها و سیستم‌های حفاظت الکتریکی

نصب ترانسفورماتور قدرت ( نصب و راه‌اندازی ترانس )

خطاهای ترانسفورماتور قدرت

ترانسفورماتورها تجهیزات حیاتی در انتقال و شبکه توزیع هستند و محافظت از آنها در مقابل خطاهای داخلی و خارجی یک عامل مهم در طراحی این شبکه‌ها‌است.

خطاهای ترانسفورماتورها ممکن‌است به شکل‌های زیر رخ دهند:

• 1- در مواد دی الکتریک (عایق) که معمولا در روغن‌است.
• 2- در سیم‌پیچ‌ها
• 3- در هسته (کمتر رخ می‌دهد)

خطاهای عایق سیم‌پیچ ها و روغن

روغن‌های ترانسفورماتور برای ایجاد عایق الکتریکی مناسب در میدان‌های الکتریکی ولتاژ بالا طراحی شده‌اند، هر کاهش چشمگیر در قدرت دی الکتریک ممکن است نشان‌دهنده این‌باشد که روغن بیش از این تحمل انجام این کار حیاتی و عایق کاری مناسب را ندارد.

آلودگی هایی مثل آلودگی آب، کاهش روغن و شکست کاغذ سلولوزی مواردی هستند‌که می‌توانند باعث‌کاهش در قدرت دی الکتریک شوند

خطاهای ناشی از روعن ترانسفورماتور ممکن‌است بعلت ایجاد گاز، افزایش عمر ترانس و روغن ، آلودگی با هوا و کمبود سطح و فشار رخ بدهند.

در مورد رخ دادن خطاهای کوچک مثل آسیب به عایق هسته، گرم‌شدن محلی و…، جرقه‌باعث تولید آهسته گاز در روغن‌می‌شود.

همه خطاها در هسته و سیم‌پیچ های ترانسفورماتور باعث‌گرم شدن محلی و شکست روغن می‌شوند.

وقتی خطا از نوع بسیار کوچک باشد مثل اتصالات داغ(hot joint)، گاز به آرامی خارج‌شده و به سمت نگهدارنده(conservator) می‌رود.

خطای بزرگ در جایی‌است که جرقه شدیدی رخ می‌دهد و این جرقه‌باعث خارج‌شدن سریع میزان زیادی گاز و بخار شدن روغن‌شود.

این خروج شدید گاز و بخار شدن روغن زمانی برای فرار ندارد و به جای آن، فشار بالایی تولید‌شده و جای روغن را می گیرد و‌باعث ضربه روغن به نگهدارنده می‌شود.

خطاها ممکن است‌در عایق سیم‌پیچ ها رخ دهد، که نتیجه شکست روغن، افزایش عمر، گرم شدن بیش از حد و شکست عایق‌است.

خطاهای هسته

اگر هر بخش از عایق هسته معیوب‌شود یا ساختار لایه لایه هسته با هر ماده از نظر الکتریکی ورقه‌های هسته به هم متصل شوند، می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند باعث‌جاری شدن‌ جریان گردابی‌شود که همین باعث‌گرم شدن بیش از حد‌می‌شود.

از پیچ‌ها و مهره‌های عایق‌شده برای محکم و سفت  کردن هسته استفاده‌می‌شود. اگر عایق این پیچ‌ها دچار مشکل‌شود و مسیری آسان برای جریان سرگردان(stray current)ایجاد‌شود، این مساله‌باعث گرمای بیش از حد خواهد‌شد.

اثرات مکانیکی در حین مدیریت و حمل و نقل ممکن‌است باعث‌فشار بالای 3g به ترانسفورماتور شود (در اینجا g شتاب جاذبه‌است، g =9.81 m/s2) که‌ می‌تواند‌باعث اعوجاج(distortion) هسته , جابه جایی سیم‌پیج ها و کاهش مقاومت عایقی ترانس‌شود.

خطاهای سیم‌پیچ ها

خطاهای سیم‌پیچ ها‌به شرح زیر هستند:

• خطاهای‌بین سیم‌پیچ های‌اولیه و ثانویه در یک فاز یکسان (اتصال کوتاه)
• اتصال کوتاه بین دورهای سیم‌پیچ

این خطاها معمولا نتیجه شکست دی الکتریک بین سیم‌پیچ ها و بین دورهای یک سیم‌پیچ یکسان هستند، که علت آن سالخوردگی مواد عایق است که ممکن است‌با بارگیری بیش از حد این اتفاق بی افتد و عمر ترانس نیز شدیدا افزایش پیدا می‌کند( منظور از عمر ترانس پیر تر شدن آن‌است. زیرا اضافه بار ترانس را سالخورده می‌کند)

باید در نظر گرفته‌شود که سیم‌پیچ ها در معرض فشارهای شعاعی و محوری مربوط به جریان و تبادلات شار هستند. فشارهای شعاعی در سیم‌پیچ داخلی (سیم پیچ LV) در حالت فشرده کننده‌هستند درحالیکه فشارهای سیم‌پیچ بیرونی (معمولا سیم پیچ HV) به صورت کششی‌است.

طراحی سیم‌پیچ ها و مهار آنها باید مغناطیس این فشارها را در نظر‌گرفته و قدرت کافی برای تحمل این فشارها را بدون تغییر شکل چشمگیر مکانیکی داشته‌باشد زیرا این فشارها میتواند باعث‌شکست دی الکتریک شوند.

همچنین اثرات مکانیکی در حین حمل و نقل ممکن است‌به ترانسفورماتور وارد شود که اگر این اثرات فشاری بالای 3g باشند می‌تواند‌باعث اعوجاج و/یا جابه جایی سیم‌پیچ ها و کاهش عایق سیم‌پیچ ها‌شود.

خطاهای اضافه بار

بار ترانسفورماتور بر اساس افزایش دمای مجاز سیم‌پیچ ها‌و روغن تعیین می‌شود. دمای مجاز روغن 65 °C بوده و دمای گرم ترین نقطه‌ی سیم‌پیچ نیز از 80°C در بار نامی باید کمتر باشد.

چون بار ترانسفورماتور یکسان و یکنواخت باقی نمی ماند و براساس منحنی بار تغییر می‌کند، بار ترانسفورماتور یک مشکل عملیاتی مهم‌است.

خروجی نامی ترانسفورماتور قدرت در بخش پلاک آن براساس افزایش دمای خاص که تحت شرایط آزمایشی خاص تعیین شده‌است قید گردیده‌است(منظور Temperature Rise‌ترانس‌است که در شرایط استاندارد اندازه‌گیری شده‌است.).

(Temperature Rise: منظور از این تعریف افزایش دمای ترانس می‌باشد. که به چندین کلاس طبقه بندی می‌شود . و این افزایش دما به دمای محیط بستگی دارد.)

خروجی که می‌تواند از ترانسفورماتور بدون خراب شدن بیشتر عایق به دست آید ممکن‌است کمی بیشتر یا کمتر روی پلاک نوشته‌شود.

مقدار مجاز به شرایط عملیاتی و محیطی بستگی دارد مثل دما، بار اولیه، شرایط خنک‌کنندگی، مقدار عمر مورد نیاز ترانس (life expectancy )و … شود.

خطای گرمای بیش از حد

گرمای بیش از حد در ترانسفورماتور ممکن است‌به علت کشیدن بار زیاد، بیش از بار مجاز تعیین‌شده توسط تولید‌کننده براساس استانداردهای IEC (60354 برای ترانسفورماتورهای روغنی و 60905 برای ترانسفورماتورهای نوع خشک) باشد مانند خطاهای خارجی، مثل اتصال کوتاه روی تاسیسات الکتریکی پایین دست. اکثر این خطاها ممکن‌است با نگهداری مناسب از ترانسفورماتور کم شوند.

گرمای بیش از حد ممکن‌است باعث‌شکست عایق سیم‌پیچ ها‌شود.

حفاظت ترانسفورماتور قدرت

حفاظت تعبیه شده

ترانسفورماتورها حفاظت‌های داخلی تعبیه شده‌ای برای شکست دی الکتریک (تشکیل گاز)، دما، فشار روغن، سطح، دمای سیم‌پیچ و تعویضگر تپ بار دارند.

براساس نوع ساخت ترانسفورماتورها، حفاظت‌های زیر باید فراهم شوند:

ترانسفورماتورهای روغنی با نگهدارنده (مخزن روغن)

• رله Buccholz برای شکست دی الکتریک (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)
• فشار روغن و سوئیچ‌های سطح روغن (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)
• ترموستات برای دمای روغن (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)
• حفاظت از تعویضگر تپ در حالت بارداری ترانس (دو مرحله: آلارم و ازکارافتادگی)

رله بوخهلتس چند روش برای تشخیص از کار افتادگی ترانسفورماتور دارد.

• به علت انباشت آرام گاز که ممکن است‌به خاطر زیاد شدن بار به مقدار کم‌باشد، گاز تولید‌شده به خاطر تجزیه روغن عایق، در بالای رله جمع‌شده و به سطح پایین روغن فشار می‌آورد. یک سوئیچ شناور رله‌ای برای روشن‌کردن سیگنال آلارم به کار می‌رود. بسته به طراحی، یک شناور دوم ممکن است‌برای تشخیص نشتی آرام روغن به کار رود.
• اگر یک قوس الکتریکی ایجاد‌شود، جمع شدن گاز به شکل سریع رخ می‌دهد و روغن سریعا به سمت مخزن روغن جریان می‌یابد. این جریان روغن، سوئیچ متصل به پره در مسیر روغن را فعال می‌کند.

رله‌های بوخهلتس یک پورت آزمایشی دارند که اجازه جمع‌شدن گاز را برای حالت آزمایشی می‌دهد. وجود گاز اشتعال پذیر در رله نشان می‌دهد که بعضی خطاهای داخلی مثل گرمای بیش از حد یا قوس رخ داده‌اند درحالیکه هوای یافت‌شده در رله ممکن است‌تنها نشان‌دهنده سطح کم روغن یا نشت روغن باشد.

برای ترانسفورماتورهای مجهز به فن‌های خنک کننده و پمپ‌ها، وسیله‌های دمایی استفاده‌می‌شوند تا به طور اتوماتیک خنک کنندگی تحت فشار(forced cooling) را قطع و وصل کنند. آنها مجهز به رله برای وصل کردن آلارم و قطع ترانسفورماتور برای دماهای بالا هستند.

ترانسفورماتورهای غیرنفوذ (Sealed) روغنی

• تشخیص گاز و سطح روغن، فشار و دما در یک وسیله تنها (DGPT2: تشخیص گاز، فشار و دما) با 2 سطح (آلارم و از کارافتادن)

ترانسفورماتورهای نوع خشک

• دمای سیم‌پیچ ها با دو سطح (آلارم و از کار انداختن)- تشخیص‌دهنده دمای مقاومت PT100 (سنسور پلاتینیوم) (platinium probe) یا PTC (Positive Temperature Coefficient) (ضریب مثبت دمایی) که یک ترمیستور است (مواد نیمه هادی حساس به دما)  اندازه‌گیری و حفاظت می‌شوند

این حفاظت‌ها اثر مستقیم بر کلید حفاظت ترانسفورماتور دارند و سریعا در صورت خطر آنرا قطع می‌کنند.

حفاظت دیفرانسیل(differential protection)

روش ایده‌آل حفاظت از هر تجهیز برقی، مقایسه ورودی جریان به آن قطعه با جریانی‌است که از آن قطعه خارج می‌شود.

در شرایط نرمال سالم، این دو با هم مساوی‌هستند. اگر دو جریان مساوی نباشند، حتما خطا رخ خواهد‌داد.

این کار از طریق حفاظت دثفرانسیل انجام‌می‌شود (ANSI / IEEE / IEC code 87T)، که دیاگرام آن در تصویر 1 نشان داده‌شده‌است و قانون عملیاتی آن براساس قانون جریان کریشنهف است.

خوب‌است موارد زیر را بدانید:

IEC: کمیسیون الکتروتکنیک بین المللی

ANSI: موسسه استانداردهای ملی آمریکا

IEEE: موسسه مهندسان الکتریکی و الکترونیکی

ترانسفورماتورهای EHV و HV و ترانسفورماتورهای ولتاژهای بالای 49.5 kV و MV، ترانسفورماتورهای با برق مجاز بالای 3-4 MVA معمولا محافظ اصلی آنها، یک رله‌ی دیفرانسیل برای خطاهای سیم‌پیچ است- اتصال کوتاه بین دورهای سیم‌پیچ یا‌بین سیم‌پیچ هایی سه فاز یا فاز به فاز را تشخیص می‌دهد و در صورت بیشتر بودن اختلاف جریانی از مقدار تنظیم عمل می‌کنند.

اگر ترانسفورماتور زمین نشده‌باشد، این حفاظت خطاهای اتصال به زمین را نیز تشخیص می‌دهد

اگر جریان خطای زمین با نصب امپدانس محدود شده‌باشد، امکان تنظیم حدآستانه رله به مقدار کمتر از جریان محدود‌شده، وجود نخواهد‌داشت.

این حفاظت به ترانسفورماتورهای جریان CT در هر دو طرف ترانسفورماتور (اولیه و ثانویه)متصل‌است (ترانسفورماتورهای جریان) که در تصویر 1 نشان داده‌شده‌است.

نکته: باید در حفاظت دیفرانسیل حتما از CT نوع X  استفاده‌شود.

استفاده‌از حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور باعث بعضی مشکلات می‌شود که بایددر نظر گرفته‌شوند:

• مشکل: نسبت تبدیل به روش کوپلینگ

جریان‌های اولیه و ثانویه دامنه‌های مختلفی به علت نسبت تبدیل و فازهای مختلف دارند که این مساله بستگی به روش کوپلینگ ترانس دارد (ترانس‌های مثلث-ستاره جابه جایی فاز 30° ایجاد می‌کنند). پس، مقادیر جریان باید مجددا تنظیم‌شده به طوریکه سیگنال‌های مقایسه‌شده در حین عملیات نرمال، مساوی باشند.

این کار با ترانسفورماتورهای انطباقی کمکی انجام می‌شود‌که نقش آن، ایجاد تعادل در دامنه‌ها و فازها‌است.

وقتی یک سمت از ترانسفورماتور با حالت ستاره به نقطه خنثی متصل به زمین، متصل شده‌است، ترانسفورماتورهای انطباقی در این سمت به شکل دلتا متصل‌هستند، و با این کار جریان‌های باقیمانده که در صورت خطای زمین در خارج از ترانسفورماتور تشخیص داده شده اند، حذف می‌شوند.

تصویر 16 مثالی از اتصال حفاظت دیفرانسیل را نشان می‌دهد که این اتصال با ترانسفورماتورهای کمکی انطباقی انجام‌می‌شود.

امروزه، با واحدهای حفاظتی میکروپردازشی و الکترونیک، تصحیح با نرم افزار انجام می‌شود.

عملکرد حفاظت براساس نسبت تبدیل n‌است که می‌تواند‌با معادله زیر بیان‌شود:

n = (U1 / U2) = (I2 / I1)

U1: ولتاژ اولیه، U2: ولتاژ ثانویه، I1: جریان اولیه، I2: جریان ثانویه

ارتباط بالا نتیجه معادله توان مجاز ترانسفورماتور‌است:

S = √3 x U1 x I1 = √3 x U2 x I2

• مشکل مربوط به جریان هجومی ترانسفورماتور

سوئیچینگ ترانسفورماتور باعث جریان‌های گذرای بسیار بالا (از 8 تا 15 In)‌می‌شود، که تنها از طریق سیم‌پیچ اولیه جریان یافته و چند ثانیه طول می‌کشد. این جریان توسط رله به عنوان جریان دیفرانسیلی تشخیص داده‌می‌شود و بیشتر از زمان تنظیم حفاظت ادامه‌دارد(30 میلی ثانیه). اگر این تشخیص فقط براساس تفاوت جریان بین‌اولیه و جریان‌های ثانویه باشد در زمان سوئیچینگ ترانسفورماتور باعث فعال‌شدن حفاظت دیفرانسیل می‌شود. پس، حفاظت باید بتواند بین جریان دیفرانسیل به علت خطا و جریان متغیر هجومی تمایز قائل‌شود.

تجربه نشان داده‌است که موج جریان هجومی حداقل 20% هارمونیک دوم دارد (جریان در فرکانس 100 هرتز)، درحالیکه این درصد هرگز بالاتر از 5% در زمان رخ‌دادن خطای جریانی مانند اتصال کوتاه نمی‌باشد.

وقتی که درصد دومین هارمونیک نسبت به هارمونیک اول بالاتر از 15%‌است که “I2 / I1 > 15%”‌است (جریان در 50 هرتز) حفاظت دیفرانسیل نباید عمل‌کند.

• مشکل مربوط به جریان مغناطیسی در زمان رخ‌دادن خطای اضافه ولتاژ ناشی از یک منشا خارجی

جریان مغناطیسی ، جریانی‌است که از سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور قدرت جاری می‌شود‌وقتی که هیچ باری به سیم‌پیچ ثانویه متصل نیست ، این جریان، میدان مغناطیسی هسته را ایجاد می‌کند‌‌و انرژی را برای اتلاف توان در هسته در حالت بی باری را تامین می‌کند. این بخش همان تلفات آهنی ترانس می‌باشد.

جریان مغناطیسی باعث ایجاد یک تفاوت جریانی بین اولیه و جریان‌های ثانویه ترانس می‌شود. در حالی که این اختلاف جریان یک خطا نمی‌باشد ولی این اختلاف جریان به عنوان خطای جریان از طریق حفاظت دیفرانسیل تشخیص داده‌می‌شود.

در شرایط عملیاتی نرمال، این جریان مغناطیسی بسیار پایین‌است و به حدآستانه تنظیمات حفاظتی نمی‌رسد.

با این حال، وقتی افزایش ولتاژ زیادی در خارج از ترانسفورماتور رخ دهد، هسته‌های مغناطیسی به حد اشباع می‌رسد (در کل ترانسفورماتورها طوری طراحی می‌شوند که در ولتاژ نامی تقریبا هسته‌ی آنها اشباع‌است)، و مقدار جریان مغناطیسی بسیار افزایش می‌یابد. و این باعث افزایش اختلاف جریان بین اولیه و ثانویه شده‌و ممکن است‌از حد تنظمیم شده‌ی جریان رله‌ی دیفرانسیلی بیشتر‌شده و آن را فعال‌کند.

تجربه نشان داده‌است که جریان مغناطیسی به علت اشباع مغناطیسی نسبت بالایی هارمونیک پنجم‌دارد (جریان در فرکانس 250 هرتز).

ترانسفورماتور به عملیات‌های پیچیده نیاز‌دارد و باید بتواند جریان هارمونیک دوم و پنجم را اندازه‌گیری کند‌تا از از این طریق از عملکرد نا خواسته‌ی رله‌ی دیفرانسیل در صورت اضافه ولتاژ‌های خارجی جلوگیری‌کرد.

ویژگی‌های حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور وابسته به  مشخصات ترانسفورماتور است‌که این مشخصات در زیر آمده‌اند:

• نسبت تبدیل
• گروه بردار
• جریان هجومی
• جریان مغناطیسی دائمی

حفاظت اضافه بار یا اضافه جریان(Over-Current Protection)

ترانسفورماتورهای MV تا توان 2.5 MVA معمولا در مقابل جریان بیش از حد با استفاده از رله‌های جریان محافظت می‌شوند.

• 1- اتصال کوتاه سه فاز یا فاز به فاز، آنی (ANSI/IEEE/IEC code 50 )
• 2- اتصال کوتاه سه فاز یا فاز به فاز، با تاخیر زمانی (ANSI/IEEE/IEC code 51 )
• 3- اتصال کوتاه فاز به زمین، آنی (ANSI/IEEE/IEC code 50N )
• 4- اتصال کوتاه فاز به زمین، با تاخیر زمانی (ANSI/IEEE/IEC code 51N )

این مجموعه از حافظت‌ها برای ترانسفورماتورهای HV و MV تا توان نامی 3-4 MVA به عنوان حفاظت “پشتیبان” کنار حفاظت دیفرانسیلی به کار می‌روند.

در بعضی تاسیسات الکتریکی و شبکه‌ها، ترانسفورماتورهای MV تا توان نامی 630 kVA ممکن‌است در مقابل جریان زیاد توسط فیوزهای سوئیچ جداکننده(switch-disconnector)، محافظت شوند همانطور که در تصویر 2 نشان داده‌شده‌است.

در این شرایط، سوئیچ جداکننده باید از کویل تریپ‌کننده(tripping coil) استفاده‌کنند تا بتوانند حفاظت تعبیه‌شده ترانسفورماتورها را انجام‌دهند.

جداکننده سوئیچ مربوط به فیوزها

فیوزها باید یک لچ (نگهدار) مکانیکی داشته‌باشند که سوخت فیوز را تشخیص‌داده تا به وسیله ی آن کویل باز کننده‌ی جداکننده را تحریک کند تا از ادامه کار با ۲ فاز در صورت قطعی ۱ فاز جلوگیری‌کند.

تولیدکنندگان جدول‌هایی برای انتخاب جریان مجاز فیوز دارند، در نظر بگیرید که ولتاژ و برق نامی، مانند همانی که در جدول 1 نشان داده‌شده‌است، براساس استاندارد IEC‌است.

جدول 1: جریان نامی فیوزها برای حفاظت ترانسفورماتورهای قدرت

جدول‌های تولیدکنندگان با هم متفاوت‌است، براساس استانداردهای استفاده‌شده پیشنهاد‌می‌شود که از جدول تولیدکننده انتخابی استفاده‌شود.

حفاظت خطای زمین محدود‌شده(Restricted Earth Fault Protection)

حفاظت خطای زمین محدود‌شده به عنوان مکمل یا جایگزین حفاظت دیفرانسیل برای خطای اتصال سیم‌پیچ ها به زمین‌است.

خطای خارجی(خارج از محدوده‌ی حفاظت‌شده) در طرف ستاره باعث جاری شدن جریان در CT خطِ دارای خطا از ترانسفورماتور خواهد‌شد و همزمان نیز  یک جریان در نقطه خنثی ترانسفورماتور ایجاد‌می‌شود و از CT  نول می‌گذرد، در نتیجه جریان به دست‌آمده در رله مساوی صفر‌است.

پس این حافظت در خارج از محدوده‌ی Restricted  عمل نخواهد‌کرد. اما در حین خطای داخلی، جریان نول ترانس فقط جریان آنبالانسی خطا را حمل می‌کند و حفاظت عمل‌می‌کند

این روش حفاظت خطای زمین محدود‌شده بسیار به خطای زمین در محدوده‌ی حفاظت‌شده در ترانسفورماتور قدرت الکتریکی، حساس‌است. این حفاظت بسیار ارزان‌تر از حفاظت دیفرانسیل‌است.

حفاظت خطای زمین محدود‌شده در ترانسفورماتور قدرت الکتریکی برای حس کردن خطای زمین ترانسفورماتور در محدوده ی حفاظت به کار می‌رود. در این طرح، CT ثانویه هر فاز ترانسفورماتور قدرت الکتریکی به هم متصل شده‌اند که در تصویر 3 نشان داده‌شده‌است.

تصویر 3: دیاگرام حفاظت خطای زمین محدود‌شده

هر زمان که عدم تعادل بین سه فاز ترانسفورماتور قدرت وجود داشته‌باشد، جریان نامتعادل به دست‌آمده در مسیر بسته متصل به ترمینال‌های CT ثانویه جریان می‌یابد.

جریان نامتعادل در نقطه خنثی ترانسفورماتور قدرت جریان‌داشته و در نتیجه جریان ثانویه در CT نول به علت جریان نامتوازن به وجود خواهد‌آمد. در حفاظت خطای زمین محدود‌شده ، ترمینال‌های ثانویه CT فازها به ثانویه  CT‌نول متصل می‌شوند به طوری که جریان نامتوازن ثانویه CT فازها و جریان ثانویه CT سیم نول در مقابل هم باشند. اگر هر دو جریان از نظر دامنه مساوی‌باشند، هیچ جریانی در مسیر بسته  جریان CT‌ها نخواهد چرخید. رله‌ی حفاظت خطای زمین محدود‌شده در این مسیر بسته متصل‌است. در نتیجه، حتی اگر عدم تعادل در جریان‌های فاز ترانسفورماتور قدرت وجود داشته‌باشد رله عمل نخواهد‌داد.

اگر در شکل بالا نگاه کنید مجموع جبری جریان و نول باید صفر‌باشد حال اگر اتصال به زمینی در داخل محدوده ایجاد‌شود این جمع جبری جریان به هم میریزد و این جریان از طریق فاز به ارت بسته می‌شوند نه از طریق فاز به نول لذا یک اختلاف جریانی ایجاد‌شده که از این طریق رله‌ی Restricted  عمل‌میکند.

حفاظت اضافه بار

معیار اصلی بارگزاری ترانسفورماتور دمای گرم‌ترین نقطه عایق (hot-spot)‌است. دمای آن نباید از مقدار تعیین‌شده بیشتر‌شود تا از خطای عایق جلوگیری‌شود، توان نامی ترانسفورماتورهای قدرت با ماکسیمم دمای مجاز سیم‌پیچ ها محدود‌می‌شود.

دمای عایق جامد، عامل اصلی سالخوردگی ترانسفورماتور‌است.

با دما و گذشت زمان، عایق سلولوزی فرایند وابسپارش(depolymerization)یا همان شروع به دی پلاریزه شدن‌می‌کند. وقتی زنجیر سلولزی کوتاه‌تر‌شود، اجزا مکانیکی کاغذ مثل مقاومت کششی و انعطاف پذیری کاهش می‌یابد. با شکستن و ترد شدن کاغذ، دیگر کاغذ تحمل فشارهای اتصال کوتاه و حتی نوسانات معمولی که بخش از ذات ترانسفورماتور هستند را ندارد. این وضعیت نشان‌دهنده پایان حیات عایق جامد‌است. چون این عایق قابل جایگزینی نیست، پس نشان‌دهنده پایان زندگی ترانسفورماتور است.

بار زیاد روی ترانسفورماتور می‌تواند در شرایط خاص رخ‌دهند برای مثال ترانسفورماتورهایی که قبلا 80%-90% توان نامی شان بارگیری شده‌اند و ظرفیت بیشتری نیاز‌است خصوصا درتابستان‌های گرم.

معمولا، رله‌های جریانی زمان معکوس (منحنی زمان معکوس با تغییرات معکوس جریان در زمان نشان داده‌می‌شود که در تصویر 4 نشان داده‌شده‌است) برای حافظت بار زیاد، به کار می‌روند اما مشکل این‌است که ترانسفورماتورها معمولا بیرون هستند و دمای محیط روی مقدار توان خروجی مجاز آنها تاثیر می‌گذارد از این رو پیدا کردن بهترین تنظیم رله@ی جریانی زمان معکوس پیچیده‌است.

تصویر 4: منحنی ویژگی زمان معکوس

با این حال، برای ترانسفورماتورهای قدرت از نوع مایع، دمای هات‌اسپات سیم‌پیج عامل مهمی برای حیات طولانی ترانسفورماتور است.

دمای عایق روغن وابسته به دمای سیم‌پیچ است‌و برای مشخص کردن شرایط عملیاتی ترانسفورماتور به کار می‌رود. بسیاری از حفاظت های عددی ترانسفورماتورها موجود از توابع حفاظتی دارند که به دمای روغن ترانس حساس‌است و در صورت افزایش آن این رله عمل می‌کند، این رله‌ها کاهش عمر ترانس را به خاطر افزایش دمای روغن محاسبه‌کرده و دماهای روغن را با توجه به بار پیش‌بینی میکنند.

این نوع حفاظت‌ها به  طور روتین اعمال نمی‌‌شوند اما ابزارهای مدرن از روش‌هایی استفاده‌می‌کند تا توان خروجی ترانسفورماتورهای قدرت را بیشینه‌کنند که ممکن‌است این بهینه کردن، دمای کار ترانس را بلاتر‌برده و عمر آن را کاهش‌دهد. شرایط کاری با دمای بالا و سالخوردگی فزاینده باعث ایجاد خطا در سیستم تاسیسات الکتریکی شده‌و باید این وضعیت شناسایی‌شده و از آن جلوگیری‌شود.

معمول‌ترین طرح برای حفاظت دمایی ترانسفورماتورهای قدرت، اضافه بار دمایی(thermal overload)‌است (ANSI/IEEE/IEC code 49).

ظرفیت دمایی استفاده‌شده براساس مدل ریاضی محاسبه می‌شود‌که موارد زیر را در نظر‌می‌گیرد:

• مقادیر rms جریان
• دمای محیط
• جریان توالی منفی

زمانی که دما به اندازه E بالا می‌رود این حفاظت یک فرمان قطع می‌دهد ، و براساس یک جریان Ieq معادل اندازه‌گیری می‌شود‌که این جریان بیشتر از تنظیم Es‌است

زمان عملکرد حفاظت با ثابت زمانی T تنظیم‌می‌شود.

تابع حافظت اضافه بار دمایی ممکن است‌برای حفاظت تجهیزات با دو مقدار نامی عملیاتی استفاده‌شود، برای مثال ترانسفورماتورها با دو حالت تهویه، با یا بدون تهویه با فشار (ONAN / ONAF).

مقالات مرتبط:

نصب ترانسفورماتور قدرت ( نصب و راه‌اندازی ترانس )

ترانسفورماتور؛ ساختار؛ عملکرد؛ انواع کاربردها و محدودیت‌ها

10 دستورالعمل کلی برای نصب و راه اندازی ترانسفورماتورهای قدرت

نماد ترانسفورماتورهای الکتریکی – نماد تک خطی ترانسفورماتور

7 آزمایش روتین برای یک ترانسفورماتور خشک که شما باید در هنگام راه‌اندازی انجام دهید

رآکتور موازی یا شانت (Shunt Reactors) چیست؟ انواع آن، ساختار و کاربرد‌ها

علمکرد ترانسفورماتورها و محاسبه پارامترهای الکتریکی

حفاظت صاعقه

حفاظت صاغقه  ترانسفورماتورهای قدرت با برق‎گیر(surge arresters) نصب‌شده در بدنه ترانسفورماتور انجام می‌شود که در تصویر 5 نشان داده‌شده‌است.

تصویر 5: برق‌گیر

معمول‌ترین برق گیرها مقاومت‌های اکسید فلزی غیرخطی با بخش‌های چینی یا سیلیکونی هستند‌که به شکل موازی با شئ محافظت‌شده نصب‌شده و به زمین متصل می‌شوند

مقاومت  مربوط به مقاومت‌های غیر خطی متناسب با معکوس جریان‌است که می‌توان گفت این مقاومت برای جریان در حال کار بسیار بالا و برای جریان‌های تخلیه‌شده توسط صاعقه بسیار کم‌است.