مطالعه و بررسی تاثیر دمای محیط بر مکانیزم پیری عایق و نحوه بارگذاری ترانسفورماتورهای قدرت و راه های جلوگیری از کاهش عمرطبیعی آنها

Transcript

1 مطالعه و بررسی تاثیر دمای محیط بر مکانیزم پیری عایق و نحوه بارگذاری ترانسفورماتورهای قدرت و راه های جلوگیری از کاهش عمرطبیعی آنها محمد رضا بهنام فر کاظم علیشاهی - دانشگاه آزاد اسالمی واحد دزفول Behnamfar50@yahoo.com - شرکت برق منطقه ای خوزستان شرکت برق منطقه ای خوزستان Alishahi_kazem@yahoo.com چکیده- انرژی الکتریکی مورد نیاز شبکه قدرت ازمحل تولید)شامل نیروگاههای برق آبی حرارتی سیکل ترکیبی وغیره( تا محل مصرف از چندین پست برق که دارای ترانسفورماتورهای قدرت با ظرفیتهای مختلف هستند عبور می کند. با توجه به اینکه مجموع ظرفیت ترانسفورماتورهای نصب شده در شبکه قدرت معموال بین 5 تا 7 برابر ظرفیت واحدهای تولیدی می باشد راندمان و کارآئی تجهیزات از اهمیت ویژه ای برخوردار خواهد بود. در این مقاله با توجه به اطالعات دمای محیط مربوط به مناطق مختلف استان خوزستان که از اداره کل هواشناسی اخذ شده است رفتار ترانسفورماتورهای قدرت تحت تأثیر دمای محیط و نحوه بارگذاری مورد بررسی قرار گرفته و راه های جلوگیری از کاهش عمر طبیعی آنان ارائه گردیده است. کلید واژه- مکانیزم پیری عایق نقطه داغ عایق بارگذاری ترانسفورماتورهای قدرت - عوامل موثر در نقصان کارآئی و کاهش عمر عایق ترانسفورماتور )پیری عایق( عوامل متعددی در کاهش عمر)پیری عایق( و کارآئی ترانسفورماتورهای قدرت تأثیر دارند که مهمترین آنها به شرح زیر می باشند: -. عوامل ناشی از نحوه بهره برداری ترانسفورماتورها مانند: - میزان بارگذاری - طول زمان کارکرد -- عوامل محیطی مانند: - مقدمه ترانسفورماتورهای قدرت برای کار در ولتاژ و قدرت مشخص طراحی می شوند ولی در عمل به دلیل مشکالت مختلف در شبکه قدرت جهت جلوگیری از ایجاد محدودیت در انتقال بار و یا بروز خاموشی باید انعطاف الزم برای اضافه بارگیری از آنها وجود داشته باشد. در گذشته به منظور اضافه بارگیری از ترانسفورماتور از جداول ثابت و تقریبی استفاده می شد که موجب افزایش خطرات ناشی از اضافه بارگیری می گردید.این اضافه بارگیری باید با توجه به محدودیت هایی که برای ترانسفورماتور در این زمینه وجود دارد انجام گردد تا موجب وارد شدن خسارت های جدی به آن نشود. به طور کلی می توان گفت با اعمال اضافه بار گیری کنترل شده عالوه بر افزایش قابلیت اطمینان شبکه قدرت با توزیع انرژی بیشتر می توان از مزایای اقتصادی آن نیز بهره برد ][ و] [. - درجه حوادث محیط - درصد رطوبت محیط 3- میزان اکسیژن محیط 3-- وقوع شرایط غیر عادی در سیستم مانند - ایجاد اتصال کوتاه - اعمال اضافه ولتاژهای مختلف 3- ایجاد هارمونیک ها 3- عمر طبیعی ترانسفورماتورهای قدرت عمر طبیعی ترانسفورماتورهای قدرت که در واقع عمر عایق آنها

2 T =θ + θ + θ HS A TO H )( می باشد تحت شراط کاری استاندارد یعنی بار نامی و دمای محیط 0 C یا دمای نقطه داغ عایق 89 C حاصل می شود. عمر طبیعی برای ترانسفورماتورهای انتقال تقریبا بین 30 الی 00 سال و برای ترانسفورماتورهای نیروگاهی بین الی 30 سال ارزیابی می شود] 3 [. این پدیده باعث می شود که خواص الکتریکی و مکانیکی عایق تضعیف گردد. افزایش درجه حرارت اکسیژن و رطوبت از علل شتاب گلوکز در بوده تخریب شیمیایی به نام عایق می باشد. یک محصول از این واکنش که تحت تخریب بیشتر سبب تولید مهم مواد فورانس هستند زیرا آنها در روغن محلول بیشتر از گلوکز هستند و به عنوان یک شاخص از پیری سلولز استفاده می شود. مونوکسید کربن و دی اکسید کربن نیز همراه با آب و مقداری از هیدروژن تولید می شود. مولکول های سلولز به طور متوسط کمتر بوده و سبب کاهش قدرت دی الکتریک و مکانیکی می گردند. با توجه به ماهیت رطوبت روغن آب و اکسیژن فرآیند پیری در سیستم عایقی بیشتر خواهد شد. رطوبت عامل اصلی تسریع روند پیری در سلولز است. زیادی به تسریع در روغن و جنبش آن تا حد دما وابسته است. قابلیت اطمینان ترانسفورماتور و به پیری خشکی سلولز بستگی دارد. خشکی میزان سلولز از اندازه گیری آب در روغن قابل تضمین نیست] 0 [. سطح خطاهایی مانند اتصال کوتاه و اضافه ولتاژ هم سهم قابل توجهی در زوال عایق خواهند داشت. مکانیزم پیری سیستم عایق در سیستم های ولتاژ باال (HV) را می توان به دو دسته تقسیم زیر اعالم کرد] 6 [. الف: پیری الزم توانایی مواد عایق با گذشت زمان نسبت به مقاومت طراحی آن شده در برابر تنش مانند هایی شیمیایی و فیزیکی وابسته است. ب: پیری متغیر الکتریکی مکانیکی حرارتی پیری یا زوال عایق ترانسفورماتور تابع زمان و درجه حرارت است. با توجه به درجه حرارت غیر یکنواخت در ترانسفورماتور بخش فوقانی آن در درجه حرارت باال به طور معمول زوال شتاب را تجربه می کند. بنابراین مطالعات پیری اثرات تولید شده توسط باالترین درجه حرارت در نظر گرفته می شود. ارزیابی میزان از دست دادن عمر ترانسفورماتور ناشی از استاندارد 995 IEEE C57.9- حرارت تولید شده در عبارت است از ]7[ و] 9 [ و] 8 [ : با توجه به استانداردC IEEE Archennous-Dakin )( و با استفاده از روش میزان عمر باقی مانده ترانسفورماتور: Life Perunit = θe B/( TSH 73) B: ضریب پیری. θ A : متوسط درجه حرارت محیط. θ TO :حداکثردمای روغن. θ H :دمای نقطه داغ سیم پیچ T HS :دمای کانونی نقطه داغ. عامل پیری دارای ارزش شتاب بیشتر از برای دمای سیم پیچ نقطه داغ مرجع که بیش از 0 Cو کمتر از برای دمای زیر 0 Cمی باشد. پارامتر شتاب پیری عایق به صورت زیر محاسبه می شود : F AA = T HS 73 e )3( پیری معادل ترانسفورماتور: درصد عمر عایق باقی مانده بر حسب مدت زمان: %Loss Of Life = (F t 00) / Normal Insul.Life F EQA N F AA n n N n t t n n EQA )0( )( -4 عایقهای پیری عایق در اثر حرارت سلولزی تحت تأثیر دمای زیاد تخریب گردیده و استقامت مکانیکی)استقامت کششی( آنها کاهش می یابد. مبنای محاسبه عمر مفید عایق مدت زمانی است که عایق نیمی از استقامت مکانیکی طبیعی خود را از دست می دهد. بعنوان مثال کاغذ عایقی نو و سالم که درDP 0 حداکثر استقامت مکانیکی خود را دارا می باشد در 0DPاستقامت مکانیکی آن نصف می گردد. عایق است. DP یا درجه پلیمریزاسیون واحدی برای ارزیابی پیری 5- نرخ پیری نسبی عایق( V ) نرخ پیری معادل واحد که منطبق با عمر طبیعی عایق است براساس دمای نامی داغ ترین نقطه عایق دمای محیط کاغذ 89 0c 0 C که متناظر با است بدست می آید. نرخ پیری نسبی( V ) کرافت معمولی تابعی از دمای نقطه داغ ) θ) که طبق h

3 و[ اولین کنفرانس ملی مهندسی برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد لنگرود رابطه زیر بیان می شود. )6( θ h V = o = 98 c (θh -98)/6 6- قوانین آرینوس و مونت سینگر عمر مفید عایق طبق قانون آرینوس و مونت سینگر عمر مفید عایق از رابطه زیر بدست می آید. Useful life = exp (A + B/T) )7( دررابطه فوق B,A اعداد ثابتی در محدوده دماهای بین 90 C الی 0 C- است. فرمول آرینوس بصورت ساده زیر که به رابطه مونت سینگر معروف است در می آید. Useful life = exp(-p.θ) )9( در رابطه فوقp عددی است ثابت و θ درجه حرارت برحسب درجه سانتیگراد می باشد. در محدوده دماهای بین الی 90 C 00 C با افزایش مقدار ثابتی دما نرخ تخریب عایقی)نرخ کاهش عمر عایق( دو برابر می گردد] 8 [. در جدول) ( و شکل) ( تغییرات نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت معمولی بر حسب متوسط دمای محیط در محدوده داده شده است. نیز نشان جدول : تغییرات نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت معمولی بر حسب متوسط دمای محیط در محدوده 0 C الی 0 C θa o C V تأثیر تغییرات متوسط دمای محیط بر نرخ پیری عایق درجه حرارت نقطه داغ عایق ترانسفورماتور تاثیر فوق درشرایط استاندارد محیط طبق رابطه زیر است: θ hr = 78 c+ 0 = 98 c θa -0 = / V 6 )8( )0( وقتی شرایط محیط استاندارد باشد متوسط دمای محیط است. در شرایطی که دمای محیط باالتر یا کمتر از 0 C باشد 0 C با ثابت بودن بار ترانسفورماتور دمای نقطه داغ عایق نیز به همان نسبت تغییر می نماید. جدول) ( مقادیر عددی ثابت های B,A در رابطه آرینوس و همچنین اندیس دوبل کننده پیری عایق برای کاغذهای کرافت معمولی و کرافت با پوشش رزین را نشان می دهد. جدول - مقادیر عددی ثابت های B وA در ابطه آرینوس و اندیس دوبل کننده پیری عایق برای کاغذهای گرافت معمولی و گرافت با پوشش رزین. اندیس دوبل کننده پیری عایق A -3/ -30/9 B C 9 C نوع کاغذ کرافت معمولی کرافت با پوشش رزین شکل: تغییرات نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت معمولی برحسب دمای متوسط محیط 8- دمای داغ ترین نقطه عایق ترانسفورماتور دمای داغ ترین نقطه عایق θ h در حالت کلی از مجموع سه دما طبق رابطه زیر حاصل می شود. دربار نامی دمای نقطه داغ عایق وقتی ترانسفورماتور بار نامی و ثابتی را تغذیه می کند از رابطه زیر بدست می آید. θ hr =θ a+δθ or +kg r )( 9- تأثیر بار بر دمای نقطه داغ عایق دمای داغ ترین نقطه عایق برمبنای نوع گردش روغن براساس سه حالت زیر تعیین می شود].]0[ --8 اگر گردش روغن بصورت طبیعی خواهیم داشت : (ON) انجام شود 3

4 (OF) برای حالتی که گردش روغن اجباری است C 00 C است. : افزایش دما در لحظه t. ou Δθ Δθ i Δθ u oi +dl θ =θ +Δθ +K g L h(on) a or +d x y )( --8 (OF) )3( چنانچه گردش روغن به صورت اجباری هدایت نشده انجام شودخواهیم داشت: θh =θ +Δθ +dl +d +θ -θ L +K L (OD) x y y OF a or imr br gr 3-8- اگر گردش روغن به صورت انتقال اجباری پذیردخواهیم داشت: )0( به صورت θ =θ +0.5 θh -θ hod h (OF) OF hr 0-8. در مواردی که بار ترانسفورماتور دائما در حال تغیر باشد: دلیل وجود ثابت زمانی حرارتی ترانسفورماتور الزم است معادالت مربوطه بگونه ای اصالح گردند تا شرایط گذرای ناشی از تغییرات بار در آنها دیده شود همچنین ثابت زمانی حرارتی برای مشتق دما )ثابت زمانی سیم پیچ( نیز باید مدنظر قرار گیرد. از این رو افزایش دمای لحظه ای از رابطه زیر بدست می آید. -t/τ Δθ = Δθ -Δθ -e +Δθ t u i i ot -t/r ou oi -t/h Δθ = Δθ -Δθ -e +Δθ Δθ = Δθ -Δθ -e +Δθ gt gu gi gi θ =θ -Δθ +Δθ ht a ot gt oi )( )6( )7( )9( درفرمول های فوق: Δθ o حالت کلی. Δθ g : افزایش دمای روغن باالی تانک نسبت به دمای محیط در : افزایش دمای داغ ترین نقطه سیم پیچ یا عایق نسبت به دمای روغن باالی تانک. : Δθ or افزایش دمای روغن باالی تانک نسبت به دمای محیط دربار نامی. این دما برای حالتی که گردش رو( ON ) برابر با : افزایش دمای اولیه در شروع فاصله زمانی t. : افزایش دمای نهائی پس از گذشت فاصله زمانی t. Δθ, Δθ gu gi برابر با : افزایش دمای اولیه و نهائی روغن نسبت به محیط در قبل و بعد از فاصله زمانی t. Δθ,Δθ : افزایش دمای اولیه و نهائی نقطه داغ سیم پیچ و عایق نسبت به روغن باالی تانک در قبل و بعد از فاصله زمانی t. - نحوه بارگذاری ترانسفورماتورها در دماهای متفاوت محیط طبق استاندارد IEC-354 برای اطمینان از عمر طبیعی 30 الی 00 ساله ترانسفورماتورها بر مبنای دمای نقطه داغ عایق 89 Cو دمای متوسط محیط 0 C در بارنامی قابل بررسی می باشد. طبق استانداردIEC-354 جدول) ( در دماهای مختلف محیط و انواع سیستم خنک کننده حد مجاز بارگذاری ترانسفورماتورهای قدرت را برحسب پریونیت توان نامی آنها تعیین نموده است] [. - نحوه بارگذاری ترانسفورماتورهای قدرت در مناطق مختلف استان خوزستان براساس استاندارد IEC345 و مطابق با جدول) 3 ( حد مجاز بارگذاری روی ترانسفورماتورهای قدرت در مناطق مختلف خوزستان برحسب پریونیت توان نامی در دو مرحله تعیین می شود یک مرتبه برای نیمه اول سال و مرتبه بعد برای نیمه دوم سال تعین شده که در جدول )3( آمده است. در رابطه فوق عدد 6 اندیس دوبل کننده پیری کاغذ کرافت معمولی بوده که از جدول )( استخراج شده است. چنانچه بجای کاغذ کرافت معمولی از کاغذ کرافت با پوشش رزین استفاده شود اندیس دوبل کننده پیری عایق عدد 9 خواهد بود. 0

5 جدول 3 : حد مجاز بارگذاری دائمی ترانسفورماتورهای قدرت برحسب پریونیت توان نامی طبق استاندارد IEC-354 [] o C دمای محیط افزایش دمای نقطه داغ نسبت به دمای محیط حد مجاز بارگزاری (PU) ترانسفورماتورهای انتقال و فوق توزیع ONAN / 37 / 33 / / 7 / 08 0/ 8 0/ 9 ONAN/ONAF / 33 / 30 / / / 09 0/ 8 0/ 9 ONAN/OFWF / 3 / 9 / / 0 / 09 0/ 8 0/ 93 ONAN/ODAF / 0 / / 7 / / 06 0/ 80 0/ 97 V= θa -0 /6 )8( بدین ترتیب نرخ پیری نسبی این عایق از رابطه زیر حاصل خواهد شد. همانطور که مالحظه می شود در رابطه اخیر وقتی دما کوچکتر شده نرخ نسبی افزایش عمر مفید عایق که از عکس روابط فوق بدست می آید بزرگتر گردیده و میزان آن به قرار زیر خواهد بود. - V = - V = 0-θ a /6 0-θ a /8 مربوطه به کاغذکرافت معمولی )( مربوط به کاغذ کرافت با پوشش رزین )( V = θn -0 /8 )0( جدول 0 - حد مجاز بارگذاری دائمی ترانسفورماتورهای قدرت در مناطق مختلف شبکه برق خوزستان برحسب پریونیت توان نامی با توجه به دمای محیط و نوع سیستم خنک کننده طبق استانداردIEC-354 ODAF /0 /0 /03 نوع ترانسفورماتور مراحل بارگزاری نام منطقه اهواز دزفول اندیمشک شوشتر بهبهان مسجد سلیمان رامهرمز امیدیه ایذه ترانسفورماتور توزیع نیمه دوم نیمه اول سال سال ONAN ONAN /0 /0 0/97 /0 /08 0/96 0/97 /06 نیمه اول سال ترانسفورماتورهای انتقال و فوق توزیع نیمه دوم سال OFAF /0 /0 /0 /09 /0 ONAN/ ONAF /0 /0 /0 /0 /0 ODAF 3 0 OFAF ONAN/ ONAF 0/97 - تأثیر به کارگیری عایق جدید در عمر ترانسفورماتور نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت معمولی (V) برحسب تغییرات نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت معمولی (V) برحسب تغییرات θ a از رابطه زیر بدست می آید. با توجه متوسط دمای محیط به روابط اخیر افزایش عمر ترانسفورماتور قدرت برابر است با :

6 0-θ a/8 0-θ a/6 Useful li fe = V V - )3( اکنون با توجه به اطالعات هواشناسی در خصوص دمای متوسط محیط مناطق فوق الذکر و استفاده از نرم افزارMatlab نرخ نسبی افزایش عمر مفید ترانسفورماتورهای مناطق فوق الذکر را ابتدا با کاغذ کرافت معمولی و سپس با کاغذ کرافت به همراه پوشش رزین محاسبه و نتایج بدست آمده جهت مقایسه در جدول )( آورده شده است. همچنین با این فرض که عمر طبیعی ترانسفورماتورهای قدرت بطور متوسط معادل با 3 سال در نظر گرفته شود افزایش عمر آنان با استفاده از رابطه )3( محاسبه و نتایج حاصله در ستون چهارم جدول )( ثبت گردیده است. جدول : مقایسه نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت معمولی و کاغذ کرافت با پوشش رزین و همچنین افزایش عمر ترانسفورماتور با استفاده از متوسط نام منطقه دمای ساالنه محیط مناطق گرم خوزستان متوسط دمای o C سالیانه نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت نرخ پیری نسبی کاغذ کرافت با پوشش افزایش عمر ترانسفورماتور در صورتی که از کاغذ کرافت با پوشش رزین استفاده شود)سال( 3/3 3/3 3/0 3/ 3/0 رزین (V) /7 /7 /796 /99 /77 معمولی (V) 3/007 /080 /69 /30 /03 36/ 6/0 6/7 7/3 6/6 اهواز بهبهان مسجد سلیمان رامهرمز امیدیه - نتیجه گیری و پیشنهادات عمر طبیعی ترانسفورماتورهای قدرت در بار نامی و دمای محیط حاصل می شود لذا وقتی متوسط دمای محیط از بیشتر گردد برای حصول عمر طبیعی الزم است بارگذاری IEC354-0 C 0 C روی ترانسفورماتور براساس استاندارد کاهش یابد. و برای کاغذ کرافت با پوشش رزین با هر 9 C افزایش دما عمر عایق ترانسفورماتور نصف می شود.. Martin J. Heathcote, The J and P transformer book, th Ed.998. Martin J. Heathcote, The J and P transformer book,4 th Ed IEC 354 standard, Loading Guide for Oil immersed Transformers.99. مراجع 4. S. M Gubanski, P. Boss, G. Csepes, V. Der Houhanessian, J. Filippini, P. Guuinic, U. Gafvert, V. Karius, J. Lapworth, Urbani.G, Werelius.P and.w Zaengl, Dielectric response methods for iagnostics of power transformers, Electrical Insulation Magazine, IEEE, vol. 9, pp Emsley.A. M., Xiao.X, Heywood. R. J., and Ali. M.(007), Degradation of cellulosic insulation in power transformers. Part 3: effects of oxygen and water on ageing in oil, Science, Measurement and Technology, IEE Proceedings-, vol. 47, pp V. K Agarwal, H. M Banford, B. S Bernstein, E.L Brancato, R. A. G Fouracre, C. Montanari, J. L Parpal, J. N Seguin, D. M Ryder, and. J Tanaka. The mysteries of multifactor ageing, Electrical Insulation Magazine, IEEE, vol., pp A. M Emsley and G. C Stevens, Areassessment of the low temperature thermal degradation of cellulose, presented at Sixth International Conference on Dielectric Materials, Measurements and Applications Weekes.T, Molinski.T, Li.X, and Swift.G.(004), Risk assessment using transformer loss of life data, Electrical Insulation Magazine, IEEE, vol. 0, pp "IEEE Standard C57.9. Guide for Loading Mineral Oil Immersed Transformers, A. M Emsley, X Xiao, R. J Heywood, and M Ali. Degradation of cellulosic insulation in power transformers. Part 3: effects of oxygen and water on ageing in oil,. Science, Measurement and Technology, IEE Proceedings, vol. 47, pp V. K Agarwal, H. M Banford, B. S Bernstein, E.L Brancato, R. A Fouracre, G. C Montanari, J. L Parpal, J. N Seguin, D. M Ryder and J Tanaka, The mysteries of multifactor ageing, Electrical Insulation Magazine,IEEE, vol., pp. 37-3,995.IEC 354 standard, Loading Guide for Oil immersed Transformers, IEEE Guide for loading Mineral Oil Immersed Overshead and Pad Mounted Distribution Transformers Rated 500 KVA and lss with 650c or 550c Average Winding Rise,, ANSI.IEEE C مهمترین پارامتر در تخریب عایق های جامد و مایع و کاهش عمر مفید ترانسفورماتورها دمای محیط بوده که الزم است مقدار آن به دقت کنترل گردد. 3- با تغییرات دمای نقطه داغ عایق درمحدوده 90 C الی 00 C درجه سانتیگراد برای کاغذ کرافت معمولی با هر 6 C افزایش دما 6