و 98-F-TRN-596 محاسبه جهشهاي حرارتي و عمر از دست رفته ترانسفورماتور بروش مونيتورينگ n-line بارگيري آرش آقايي فر- حسين عزيزي موسسه تحقيقات ترانسفورماتور ايران واژه هاي كليدي: بارگيري ترانسفورماتور قدرت جهش حرارتي عمر از دست رفته درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي ترانسفورماتور)) يك بارگيري نمونه بر روي يك دستگاه چكيده يكي از مشكلات موجود در بهره برداري از پستهاي شبكه ترانسفورماتور اعمال شد و منحني هاي درجه حرارت بالاي اعمال اضافه بارگيري بر ترانسفورماتورها و محاسبه ميزان اثر آن بر روند تخريب عايقي و كاهش عمر ترانسفورماتور مي باشد. با وجود اينكه حدود مجاز بارگيري از ترانسفورماتور در استانداردهاي مختلف ذكر شده است اما استفاده از آنها بدليل عدم وجود يك سيستم مونيتورينگ بارگيري ترانسفورماتور بصورت n- line غير عملي است. در اين مقاله ابتدا معادلات حرارتي ترانسفورماتور شرح داده شده و مقادير درجه حرارت بالاي روغن ونقطه داغ سيم پيچي بصورت تابع نمايي از زمان نشان داده شده اند. سپس عمر از دسته رفته ترانسفورماتور در كل دوره بارگيري محاسبه شده است. همچنين با استفاده از معادلات ديفرانسيل و اراي ه بلوك دياگرام روشي براي مونيتورينگ بارگيري n-line ترانسفورماتور شامل محاسبه درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي و عمر از دست رفته در هر لحظه اراي ه شده است. در نهايت با استفاده از نرم افزار ((بارگيري روغن و نقطه داغ سيم پيچي و عمر از دست رفته برحسب زمان در طول دوره بارگيري بدست آمد. ) مقدمه Acive f SID ترانسفورماتورهاي قدرت يكي از مهمترين و گرانبهاترين تجهيزات شبكه برق مي باشند كه در صورت بهره برداري درست مي توان حتي بيش از 4 سال نيز از آنها استفاده نمود. نحوه بارگيري تعيين كننده ترين عامل در طول عمر ترانسفورماتور و پيري عايق آن مي باشد بطوريكه با افزايش هر C 6 درجه حرارت نقطه داغ سيم پيچي نسبت به مقدار نامي آن عمر عايق ترانسفورماتور به نصف تقليل مي يابد[ 5]. بعلاوه بارگيري بيش ازمقدارنامي از ترانسفورماتور بويژه در ترانسفورماتورهاي قدرت مي تواند خطرات عديده اي از قبيل: افزايش ميزان رطوبت و توليد گاز در عايق كاغذي و روغن افزايش چگالي شار نشتي خارج از
و و و محاسبه جهشهاي حرارتي و عمر از دست رفته ترانسفورماتور با استفاده از روش مونيتورينگ On-Line بارگيري نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 هسته و افزايش تنش وارده بر بوشينگها تپ چنجر سرسيمها بار(نسبت بار واقعي به بار نامي) > k و در مابقي سيكل k <.[3 و ترانسفورماتورهاي جريان را دربرداشته باشد ] تحت ضريب بار كار مي كند. بدينگونه با در نظر با اين وجود بدلايل اقتصادي و فني امكان اضافه بارگيري از ترانسفورماتورها وجود دارد. با اين پيش فرض كه منحني گرفتن دماي محيط و برخي پارامترهاي ديگر مي توان جهشهاي حرارتي و عمر از دست رفته ترانسفورماتور را در بار ترانسفورماتور را كه معمولا پيچيده است بصورت يك بار طول سيكل T محاسبه كرد. درهرصورت اضافه بارگيري دو پله اي مطابق شكل تقريب بزنيم. در اين نوع بارگيري مورد نظر( k) نبايد از مقادير ذكر شده در جدول تجاوز [ فرض مي شود ترانسفورماتور در مدت t تحت ضريب كند. ] حدود مجاز شكل - تقريب بار واقعي به بار پله اي جدول - حدود مجاز جرياني و حرارتي در صورت بارگيري از ترانسفورماتوربيش از بار نامي [] جريان (pu) نوع ترانسفورمانور درجه حرارت نقطه داغ سيم پيچي درجه حرارت بالاي روغن ترانسفورماتورهاي توزيع ترانسفورماتورهاي قدرت با توان كمتر ازMVA /5 Acive f SID /5 ترانسفورماتورهاي قدرت با توان بيشتر ازMVA /3 4 5 4 5 4 5 اما اشكال روش فوق استفاده از مقادير تقريبي براي منحني بار و درجه حرارت محيط است كه منجر به تقريبي بودن نتايج نيز خواهد شد. اما همانگونه كه در اين مقاله شرح داده مي شود بهترين روش جهت كنترل بارگيري و شناخت اثر آن بر عمر ترانسفورماتور مونيتورينگ بارگيري بصورت- n line است. در اين روش با اندازه گيري لحظه به لحظه بار ترانسفورماتور و دماي محيط و استفاده از نرم افزار ((بارگيري ترانسفورماتور)) كه بر اساس معادلات ديفراسيل حرارتي نوشته شده است مي توان مقادير درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي و همچنين عمر از دست رفته در طول سيكل را در هر لحظه و با دقت خوب محاسبه كرد. ) معادلات حرارتي ترانسفورماتور[ 3] اگر فرض كنيم كه تغييرات دمايي روغن داخل مخزن از پايين به بالا بصورت خطي افزايش پيدا كرده و تغييرات جهش حرارتي سيم پيچي نيز بصورت خطي و موازي با جهش حرارتي روغن به فاصله تفاضل جهش حرارتي متوسط سيم پيچي نسبت به متوسط روغن از آن ) g) باشد و همچنين با در نظر گرفتن اين نكته كه بعلت تغييرات گردش روغن در طول سيم پيچي و وجود شار پراكندگي جهش حرارتي نقطه داغ سيم پيچي از جهش حرارتي بالاي سيم پيچي بيشتر بوده و آنرا معادل حاصلضرب جهش حرارتي متوسط سيم پيچي نسبت به متوسط روغن در بار نامي در ( H g بگيريم. مي توان ضريب نقطه داغ سيم پيچي ) دياگرام حرارتي ترانسفورماتور را بصورت شكل نشان داد.
نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 θ () = + { } c τ t θ H g K θ b e ω ( b ) θ : R نسبت تلفات بارداري در بار نامي به تلفات بي باري i () t = H g K i K τ θ Acive f SID شكل - دياگرام حرارتي ترانسفورماتور e τ/ c -) محاسبه جهش حرارتي بالاي روغن و نقطه داغ θ () t () t + RK = θ + θ i + R + RK = θ + R سيم پيچي [8] در صورتي كه تغييرات بار را شامل N بار پله اي ( > N) θ i e + RK + θ i θ + R در نظر بگيريم. حاصل مي شود : الف) در صورت افزايش بار: جهش حرارتي بالاي روغن از روابط ذيل τ e τ : θ ( t) θ i () ب) در صورت كاهش بار : كه در اين روابط: جهش حرارتي بالاي روغن در (كلوين) بارمورد نظر جهش حرارتي بالاي روغن در لحظه شروع بارگيري (كلوين) جهش حرارتي بالاي روغن نامي (كلوين) در بار و تلفات : ضريب بار (نسبت بار واقعي به بار نامي) : توان نمايي جريان نسبت به جهش حرارتي سيمپيچي (نماي روغن) : ثابت زماني حرارتي روغن (دقيقه) : ثابت حرارتي در رابطه () ضريب دوم از جمله دوم نشانگر افزايش نسبي جهش حرارتي بالاي روغن نسبت به شرايط پايدار است. در رابطه () ضريب دوم از جمله دوم نشانگركاهش نسبي جهش حرارتي بالاي روغن نسبت به دماي محيط است. همچنين جهش حرارتي نقطه داغ سيم پيچي مطابق روابط ذيل بدست مي آيد: الف) در صورت افزايش بار : ب) در صورت كاهش بار : (4) (3) : : θ () 3
و محاسبه جهشهاي حرارتي و عمر از دست رفته ترانسفورماتور با استفاده از روش مونيتورينگ On-Line بارگيري نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 w. s kg k C =.3 m +.88 m +. 4m A C =.3 ( ma + mt ) +. 58m (8) كه در روابط فوق : C θm 6 τ = p T C p w Acive f SID θ m θ τ ( t) = θ + θ ( t) + θ ( t) m w w = 6 C g p w θ i : b,c ثابتهاي حرارتي : ثابت زماني حرارتي سيم پيچي (دقيقه) : H ضريب نقطه داغ سيم پيچي : g جهش حرارتي سيم پيچي نسبت به روغن در بار مورد نظر : τ w g m w كه در اين روابط : θ (t) جهش حرارتي نقطه داغ سيم بالاي روغن در بار مورد نظر (كلوين) پيچي نسبت به : جهش حرارتي نقطه داغ سيم پيچي در لحظه شروع بارگيري (كلوين) : توان نمايي جريان نسبت به جهش حرارتي سيم پيچي (نماي سيم پيچي) : جهش حرارتي متوسط سيم پيچي نسبت به متوسط روغن در بار نامي (كلوين) در رابطه (3) ضريب دوم از جمله دوم بيانگر افزايش نسبي جهش حرارتي نقطه داغ سيم پيچي به بالاي روغن در شرايط پايدار است. مطابق رابطه (5) درجه حرارت نقطه داغ سيم پيچي ترانسفورماتور معادل مجموع دماي محيط جهش حرارتي بالاي روغن و جهش حرارتي نقطه داغ سيم پيچي نسبت به بالاي روغن مي باشد : (5) (- محاسبه ثابت زماني حرارتي سيم پيچي ترانسفورماتور[ ] ضرايب معرفي شده در روابط فوق را مي توان با استفاده از روابط ذيل محاسبه كرد. تعيين مي شوند. ساير ضرايب نيز از جدول ثابت زماني حرارتي سيم پيچي در بار مورد نظر بر حسب دقيقه را مي توان از رابطه (6) بدست آورد: (6) كه در اين رابطه : (كلوين) : وزن سيم پيچي (كيلوگرم) : ظرفيت حرارتي سيم پيچي برحسب (براي مس 39 و براي آلومينيم 89) : تلفات سيم پيچي دربارمورد نظر (وات) (3- محاسبه ثابت زماني حرارتي روغن ترانسفورماتور [] ظرفيت حرارتي ترانسفورماتورها از روابط ذيل بدست مي آيد: براي ترانسفورماتورهاي با خنك كنندگي ONAN وONAF : (7) براي ترانسفورماتورهاي با خنك كنندگي OFAF : وزن مجموعه هسته و سيم پيچي (كيلوگرم) : ODAF m A m T (كيلوگرم) و : وزن مخزن و متعلقات كه در تماس با روغن هستند : وزن روغن (كيلوگرم) m ثابت زماني حرارتي روغن ترانسفورماتور در بار مورد نظر بر حسب دقيقه از رابطه (9) حاصل مي شود: (9) كه در اين رابطه: : C ظرفيت حرارتي ترانسفورماتور : جهش حرارتي متوسط روغن نسبت به دماي محيط در بار مورد نظر (كلوين) [ : p تلفات كل در بار مورد نظر (وات) 4-) تعيين ساير ضرايب معادلات حرارتي ] ساير ضرايب بكار رفته در روابط () تا (4) از جدول () بدست مي آيند: 4
و محاسبه جهشهاي حرارتي و عمر از دست رفته ترانسفورماتور با استفاده از روش مونيتورينگ On-Line بارگيري نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 جدول : تعيين ضرايب بكار رفته در معادلات حرارتي ترانسفورماتور با توجه به توان و نوع خنك كنندگي [] = θ θ + τ θ = θ + θ + RK + R θ θ t + RK τ θ i e + R τ θ = θ θ θ dθ = b θ i + = = θ Acive f SID t { } c τ H g θ ω K i b e ( ) + { b θ H g K θ } ( b ) c τ ω i = + c ω τ + RK + R i = b H g K e τ / c c τ ω ( H g K θ ) b e i (5) (6) ترانسفورماتورهاي قدرت ترانسفورماتورهاي توزيع نوع خنك كنندگي مشخصه حرارتي H b c ONAN /8 /6 / ONAN /8 /3 /3 /5 ONAF /8 /3 /3 /5 OFAF ODAF 3) محاسبه عمر از دست رفته ترانسفورماتور ] 6] اگر چه پيري يا تخريب عايقي ترانسفورماتور تابعي از دما رطوبت اكسيژن مقدار اسيد موجود در روغن و همچنين زمان است. اما در اين مقاله فرض شده است كه درجه حرارت كار عايق پارامتر كنترل كننده روند پيري است. از آنجا كه توزيع حرارتي در سطح عايق يكسان نيست آن قسمت از عايق كه تحت حداكثر درجه حرارت است دچار بيشترين تخريب مي شود و لذا نرخ پيري نسبي عايق با كلاس حرارتي A متناسب با درجه حرارت نقطه داغ سيم پيچي فرض شده و از رابطه () بدست مي آيد. θ 98 () 6 V = در اين رابطه مشخص است كه افزايش درجه حرارت نقطه 6 نرخ پيري عايق را دو برابر داغ سيم پيچي به ازاي هر C مي كند. عمر از دست رفته ترانسفورماتور (L) در طول يك دوره بارگيري از رابطه () تعيين مي شود: N t L = V n t n = L يا V () t n= كه در اين رابطه: /3 /3 /3 /3 V: n نرخ پيري نسبي در مدت زمان بارگيري n ام : t n مدت زمان بارگيري n ام : N تعداد كل بارگيري ها در دوره مورد نظر 4) حل به روش ديفرانسيل [4] با بدست آوردن معادلات ديفرانسيل توابع حرارتي ترانسفورماتور قادر به مونيتورينگ n-line بارگيري ترانسفورماتوردر بار و دماي محيط متغيير با زمان خواهيم شد. اگر از معادله () يا () نسبت به زمان مشتق بگيريم θ (رابطه ( خواهيم داشت : با افزودن به دو طرف رابطه فوق () خواهيم داشت : با فرض اينكه: ( θ ) = τ + [ θ θ ] (3) براي نوشتن معادلات ديفرانسيل جهش حرارتي نقطه داغ سيم پيچي آنرا مساوي دو معادله ديفرانسيل بشكل ذيل در نظر مي گيريم: از دو طرف رابطه (5) مشتق مي گيريم: اگر طرفين رابطه فوق را با θ جمع كنيم : (4) 5
نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 H c τ ω + θ = b K Acive f SID ( θ ) خواهد شد : ( τ c) + θ = ( b ) K ( θ ) (8) / در نهايت از رابطه (9) درجه حرارت نقطه داغ سيم پيچي θ = θ + θ g = θ dl = V (7) با انجام عمليات مشابه رابطه 6 نيز به رابطه ذيل تبديل گيري كرد ديگر نيازي به بلوك دياگرامهاي سطر دوم و سوم بدست مي آيد: (9) همچنين اگر از رابطه مشتق بگيريم: () بلوك دياگرام معادلات فوق در شكل 3 ارايه شده است. همانگونه كه در شكل 3 مشخص شده است ورودي هاي اين سيستم ضريب بار K و درجه حرارت محيط مي باشند. اگر بتوان درجه حرارت بالاي روغن را بصورت مستقيم اندازه θ را مستقيم نبوده و با تغيير كليد از چپ به راست مي توان وارد معادله كرد. با استفاده از اين بلوك دياگرام و وروديهاي ضريب بار و درجه حرارت محيط متغيير مي توان درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي و عمر از دست رفته ترانسفورماتور را در هر لحظه و در كل دوره بارگيري توسط نرم افزار تهيه شده به نام ((نرم افزار بارگيري ترانسفورماتور)) محاسبه كرد. شكل 3- بلوك دياگرام محاسبه جهش حرارتي بالاي روغن و داغ ترين نقطه سيم پيچي كه ((بارگيري ترانسفورماتور)) 5) مثال با استفاده از نرم افزار 4 تهيه شده است يك باكمك روابط ذكر شده در بند بارگيري متغيير با زمان با دماي محيطي متغيير با زمان (كه فواصل اندازه گيري آن هر سه دقيقه يكبار بوده است) مطابق جدول 4 و شكل 4 بعنوان ورودي برروي يك دستگاه ترانسفورماتور ساخت شركت ايران ترانسفو با مشخصات ذكر شده در جدول 3 به مدت دقيقه اعمال شد. كه خروجي اين نرم افزار شامل درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي و عمر از دست رفته در طول دوره بارگيري در جدول 5 و شكل 5 مشاهده مي شود. 6
نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 جدول 3- مشخصات ترانسفورماتور نمونه c b τ w (min.) τ (min.) R (K) θ (K) θ نوع خنك كنندگي توان نامي (MVA) /5 /3 /8 4/5 8/ 44/9 6 ONAN /5 /3 /8 7 5 6/6 5/35 4/ ONAF جدول 4- تغيرات دماي محيط و بار ترانسفورماتور در مدت زمان بارگيري (ورودي) 4 38 36 34 3 3 8 6 4 4 8 6 4 Ambient Tempetue Ld Fct 4 36 48 6 7 84 96 8 شكل 4- منحني تغييرات دماي محيط و بار ترانسفورماتور برحسب زمان Ht Spt Tempetue Tp Oil Tempetue Lss f Life (in d) (ورودي).8.6.4..8.6.4. Acive f SID 4 36 48 6 7 84 96 8 شكل 5- منحني تغييرات درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي و عمر از دست رفته در مدت زمان بارگيري (خروجي).6.5.4.3.. Intevls Time (u) Ambient Tempetue Ld Fct 4: 3.3.6 3 4:3 9.9.6 6 4:6 9.8.65 9 4:9 9.5.68 4: 9.6.7 5 4:5 9.5.7 8 4:8 9.5.7 4: 8.9.7 4 4:4 9.73 7 4:7 8.6.78 3 4:3 8.85 33 4:33 8.7.89 36 4:36 7.8.9 39 4:39 8..97 4 4:4 7.9 45 4:45 7..6 48 4:48 6.9. 5 4:5 6.7. 54 4:54 7..7 57 4:57 6.7.35 6 5: 6.9.4 63 5:3 6.5.4 66 5:6 6..45 69 5:9 6.3.35 7 5: 5.4.3 75 5:5 5.6. 78 5:8 5.3.7 8 5: 4.8. 84 5:4 4.5.5 87 5:7 4.3. 9 5:3 4..7 93 5:33 4.3. 96 5:36 4.. 99 5:39 3.4 5:4 3.6.9 5 5:45 3.8.83 8 5:48 3..76 5:5 3.3.7 4 5:54 3..7 7 5:57.3.77 6:..79 7
نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 intevls جدول 5- درجه حرارت بالاي روغن نقطه داغ سيم پيچي و عمر از دست رفته Time (u) Tp Oil Tempetue Ht Spt Tempetue Lss f Life (min) Acive f SID Lss f Life (d) 4: 6. 74.6 3 4:3 6. 74.7. 6 4:6 6. 75..4 9 4:9 6.3 75.8.65 4: 6.4 76.5.9. 5 4:5 6.6 77..7. 8 4:8 6.7 77.9.46. 4: 6.9 78.4.77. 4 4:4 63. 79... 7 4:7 63.3 8..49. 3 4:3 63. 8..97. 33 4:33 63. 84. 3.58. 36 4:36 63.3 85.9 4.3.3 39 4:39 63.4 88. 5.9.4 4 4:4 63.7 9.5 6.55.5 45 4:45 64 93 8.4.6 48 4:48 64.4 96.6.7 5 4:5 65 99.5 4.. 54 4:54 65.8 3.5 9.83.4 57 4:57 66.8 7.9 9.. 6 5: 67.8. 44.73.3 63 5:3 68.9 5.7 67.8.47 66 5:6 7 9..69.7 69 5:9 7.7.4 4.57.99 7 5: 7.3.5 8.75.7 75 5:5 7.6 8.9 6.4.5 78 5:8 7.8 7. 43.6.69 8 5: 7.8 4.6 64.7.83 84 5:4 7.9 3.4 8.77.96 87 5:7 7. 3.5 99.67.8 9 5:3 7.6 4.3 39.44. 93 5:33 7.8 4. 338.9.35 96 5:36 7.8.3 354.55.46 99 5:39 7.4 9. 365.3.54 5:4 7.9 5 37.4.58 5 5:45 7.3.7 376.4.6 8 5:48 7. 97.8 379.7.63 5:5 7.8 94.7 38..65 4 5:54 7.5 9. 38.64.66 7 5:57 7.4 9.6 383.9.67 6: 7.3 89.4 385..67 8
نوزدهمين كنفرانس بين المللي برق - تهران - 383 Acive f SID 6) نتيجه گيري در اين مقاله پس از بررسي روشهاي مختلف ذكر شده در استانداردها در ارتباط با بارگيري از ترانسفورماتور و تبيين دياگرام و معادلات حرارتي آن روشي براي مونيتورينگ n-line بارگيري ترانسفورماتورهاي شبكه با تبديل معادلات حرارتي نمايي به معادلات ديفرانسيل با كمك نرم افزار ((بارگيري ترانسفورماتور)) اراي ه شده است. در اين روش مونيتورينگ سيستم با قراي ت بار ترانسفورماتور و دماي محيط در هرلحظه بعنوان ورودي درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي و همچنين عمر از دست رفته را در هرلحظه نشان مي دهد. مزاياي استفاده از اين سيستم مونيتورينگ به شرح ذيل است:...3.4 امكان استفاده از اين سيستم بعنوان يك رله حفاظتي ديجيتال و هوشمند براي بارگيري از ترانسفورماتور با قابليت تنظيم جهت هشدار يا قطع (آلارم يا تريپ) با توجه به درجه حرارت بالاي روغن و نقطه داغ سيم پيچي افزايش آگاهي نسبت به وضعيت ترانسفورماتور با توجه به در اختيار داشتن عمر از دست رفته آن در كل دوره بارگيري افزايش اطمينان نسبت به عملكرد ترانسفورماتور در حالت بارگيري عادي و اضافه بارگيري ورودي هاي كم و قابل دسترس (دماي محيط و بار ترانسفورماتور) و سيستم پردازشگر نسبتا ساده كه امكان نصب آنرا برروي اكثر ترانسفورماتورهاي شبكه مي سازد. فراهم 7) مراجع و ما خذ [] Lding guide f il-immesed pwe tnsfmes, IEC 6354:99-9 [] IEEE guide f lding minel-ilimmesed tnsfmes, IEEE Std. 9-99 [3] IEEE guide f detemintin f mimum winding tempetue ise in liquid filled tnsfmes IEEE stndd 538- [4] Swift, G.W. & Mlinsi, T.S. nd Len, w A fundmentl ppc t tnsfmes teml mdeling -IEEE tnsctins n pwe delive, vl.6, n., Apil, pges 7-77 [5] Pemissible lding f il-immesed tnsfmes nd egults, fcilities engineeing bnc, Denve ffice, Denve, Cld, Septembe [6] Wite A. nd Dniels M.R. Teml ssessment f tnsfmes CIGRE WG -99 sessins [7] GODBC.Z. Hw t eliminte sme sstemtic es in tnsfmes tempetue ise mesuements CIGREWG-99 sessin [8] Nmn H, Hinniemi E. nd esne A.J Detemintin f tspt tempetue ise t ted ld nd t ve ld CIGRE WG -99 sessins 9