سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها (TMMS)
سیستم TMMS (Transformer Monitoring Management System) فارادی یک سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتور است.
سیستم TMMS براساس جمعآوری اطلاعات بحرانی بهرهبرداری ترانسفورماتور و تجزیه و تحلیل آنها عمل مینماید.
سیستم TMMS با تجزیه و تحلیل اطلاعات قادر خواهد بود که ضمن تفسیر عملکرد ترانسفورماتور عیبهای آن را تشخیص داده و اطلاعات لازم برای تصمیمگیری را در اختیار بهرهبردار قرار دهد.
اطلاعات بهرهبرداری که برای فرآیند نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها مورد نیاز بوده و توسط سنسورهای مخصوص جمعآوری میگردند به شرح زیر میباشند.
گازهای موجود در روغن ترانسفورماتورهمراه با ئیدران
▪ آب موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با Acquaoil ۳۰۰
▪ جریان بار ترانسفورماتور
▪ دمای نقاط مختلف ترانسفورماتور
▪ وضعیت تپ جنچر ترانسفورماتور
▪ سیستم خنک کنندگی ترانسفورماتور
اطلاعات بهرهبرداری فوق جمعآوری شده و بههمراه سایر اطلاعات موجود بهطور مستمر تجزیه و تحلیل شده تا بتوانند اطلاعات زیر را درباره وضعیت بهرهبرداری ترانسفورماتور تهیه نمایند.
▪ شرایط عمومی و کلی ترانسفورماتور
▪ ظرفیت بارگیری ترانسفورماتور
▪ میل و شدت تولید گاز و جباب در داخل روغن ترانسفورماتور
▪ ملزومات نگهداری ترانسفورماتور
سیستم TMMS فارادی را میتوان برای ترانسفورماتورهای موجود بهکار برد و همچنین میتوان آن را در ساختمان ترانسفورماتورهای جدید طراحی و نصب نمود.
ارتقاء سیستم TMMS فارادی با افزودن سنسورهای اضافی میتوانید باعث ارتقاء عملکرد آن برای مواد زیر گردید.
▪ حداکثر نمودن ظرفیت بارگذاری ترانسفورماتور برای بهرهبرداری اقتصادی و بهینه
▪ تشخیص عیب و توصیه راه حل در ترانسفورماتورها
▪ مدیریت عمر ترانسفورماتور و افزایش آن
▪ تکمیل و توسعه فرایند و عملیاتی مدیریت ترانسفورماتورها با کمک اطلاعات اضافی تهیه شده در زمان حقیقی
▪ کاهش و حذف خروجی ترانسفورماتورها بهصورت برنامهریزی شده و یا ناشی از خطا
▪ آشکارسازی علائم اولیه پیدایش خطا در ترانسفورماتورها
▪ نمایش مراحل تکامل و شکلگیری شرایط پیدایش خطا
ترانسفورماتورها سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای عامل K
هارمونیکهای تولید شده توسط بارهای غیر خطی میتوانند مشکلات حرارتی و گرمائی خطرناکی را در ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد ایجاد نمایند. حتی اگر توان بار خیلی کمتر از مقدار نامی آن باشد، هارمونیکها میتوانند باعث گرمای بیش از حد و صدمه دیدن ترانسفورماتورها شوند. جریانهای هارمونیکی تلفات فوکو را به شدت افزایش میدهند. بههمین دلیل سازندهها، ترانسفورماتورهای تنومندی را ساختهاند تا اینکه بتوانند تلفات اضافی ناشی از هارمونیکها را تحمل کنند. سازندهها برای رعایت استاندارد یک روش سنجش ظرفیت، بهنام عامل K را ابداع کردهاند. عامل K نشان دهنده مقدار افزایش در تلفات فوکو است. بنابراین ترانسفورماتور عامل K میتواند باری به اندازه ظرفیت نامی ترانسفورماتور را تغذیه نماید مشروط بر اینکه عامل K بار غیر خطی تغذیه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادیر استاندارد عامل K برابر با ۴، ۹، ۱۳، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ میباشند. این نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونیک را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم میباشند.
ترانسفورماتور (HMT (Harmonic Mitigating Transformer نوع دیگری از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای HMT هستند که از صاف شدن بالای موج ولتاژ بهواسطه بریده شدن آن جلوگیری میکند HMT، طوری ساخته شده است که اعو جاج ولتاژ سیستم و اثرات حرارتی ناشی از جریانهای هارمونیک را کاهش میدهد. HMT این کار از طریق حذف فلوها و جریانهای هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیم پیچیهای ترانسفورماتور انجام میدهد.
چنانچه شبکههای توزیع نیروی برق مجهز به ترانسفورماتورهای HMT گردند میتوانند همه نوع بارهای غیر خطی (با هر درجه از غیر خطی بودن) را بدون اینکه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه نمایند. به همین دلیل در اماکنی که بارهای غیر خطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT به صورت گسترده استفاده میشود.
مزایای ترانسفورماتور HMT
▪ میتوان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیکها (شامل هارمونیکهای سوم، نهم و پانزدهم) در سیم پیچ اولیه، از طریق حذف فلوی آنها در سیم پیچیهای ثانویه جلوگیری کرد.
▪ترانسفورماتورهای HMT با یک خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته میشوند. وقتی که هر دو مدل با هم بهکار میروند، میتوانند جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در قسمت جلوئی شبکه حذف کنند.
▪ ترانسفورماتورهای HMT با دو خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در داخل سیم پیچیهای ثانویه حذف کنند.
▪ ترانسفورماتورهای HMT با سه خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم را در داخل سیم پیچی ثانویه حذف کنند.
▪ کاهش جریانهای هارمونیکی در سیمپیچیهای اولیه HMT باعث کاهش افت ولتاژهای هارمونیکی و اعو جاج مربوطه میشود.
کاهش تلفات توان بهعلت کاهش جریانهای هارمونیکی بهعبارت دیگر ترانسفورماتور HMT باعث ایجاد اعو جاج ولتاژ خیلی کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی یا ترانسفورماتور عامل K میشود.
ساختار ميكروسكوپي ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار هسته ترانسفورماتور در مراحل مختلف توليد توسط اچانت‌هاي مختلف
ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار با بافت و ساختار ويژه، در ترانسفورماتورها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. فرآيند توليد ورقهاي فولاد الكتريكي از مراحل مختلفي تشكيل مي‌شود و از آنجا كه عدم دقت در انجام هر مرحله مي‌تواند منجر به توليد ورق با كيفيت نامناسب گردد، لذا كنترل دقيق هر مرحله حايز اهميت خاص مي‌باشد. يكي از بهترين روشها براي كنترل كيفيت در هر مرحله انجام آزمايشهاي ساده متالوگرافي به منظور مشخص نمودن ساختار مي‌باشد.
ترانسفورماتورهاي ابررساناي دماي بالا(HTS)
توجه جدي به ترانسفورماتورهاي ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهاي دماي پايين LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn)از اوايل دهه 1960 آغاز شد . مطالعاتي که در آن زمان بر روي اين ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان دهنده آن بود که جهت بهره برداري موثر از اين ترانسفور ماتورها ، بايد آنها را در دماي 4.2 K نگه داشت که فراهم کردن چنين شرايطي ضمن پيچيدگيهاي فني ، از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه نبود . به همين دليل تحقيقات و پژوهشها بسوي کشف موادي با قابليت ابررسانايي در دماهاي بالاتر ، معطوف گرديد .
کشف ابررساناهاي دماي بالا يا HTS 1 در سال 1986 به طور قابل ملاحظه اي چشم انداز استفاده از ابررساناها را در سيستم قدرت الکتريکي تغيير داد ، زيرا دماي بحراني Tc در اين ابررساناها به طور چشمگيري افزايش يافته بود . تلفات پايين و قابليت حمل جريان بالا در هاديهاي HTS سبب مي شود تا تجهيزات الکتريکي داراي بازده کاري بهتر و توان بالاتر ساخته شوند . علاوه بر آن تجهيزات ساخته شده با مواد HTS از نظر سازگاري محيط زيستي نيز مقبوليت بيشتري دارند که از آن جمله ميتوان از ترانسفورماتورهاي HTS که در آنها روغن بکار نرفته است، اشاره شود. همچنین پتانسيل و کشش بازار جهاني براي ترانسفورماتورهاي ابررسانا بيش از 1 ميليارد دلار مي باشد. علي رغم مزاياي ذکر شده کماکان موانع جدي براي توسعه کاربرد HTS در صنعت برق وجود دارد که مهمترين آنها ابتدا سيستم خنک کنندگي و دوم نرخ کارکرد به هزينه هادي HTS مي باشد.به عبارتي، جهت توسعه کاربرد هاديهاي HTS ، لازمست که هزينه اين هاديها ، حتي الامکان کم شود . اين هاديها جهت مصارف گوناگون ميتوانند بکارروند مثل : کابلهاي قدرت ، ترانسفورماتورها ، موتورها و محدودکننده هاي جريان خطا (SCFCL).در زير به بررسي کاربرد HTS در ترانسفورماتور خواهيم پرداخت.
ترانسفورماتورهاي HTS
ترانسفورماتورها يكي از مهمترين عناصر شبكه هاي انتقال و توزيع هستند . در ترانسفورماتورها انرژي الكتريكي در مس سيم پيچها ، آهن هسته ، تانك ترانس و سازه هاي نگهدارنده به صورت حرارت تلف مي شود . حتي در زمانيكه ترانسفورماتور بدون بار است ، در هسته تلفات بي باري(NL) بوجود مي آيد. اخيراً با جايگزيني فلزات بي شكل و غير بلوري (Amorphous) به جاي آهن سيليكوني در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع با قدرت نامي كوچكتر از KVA 100 ، تلفات بي باري باز هم كاهش يافته است . اين كار هنوز در مورد ترانسفورماتورهاي بزرگ با قدرت نامي بزرگتر از KVA 500 انجام نشده است .
اگر چه براي هر ترانسفورماتور ، 1 درصد توان نامي آن به عنوان توان تلفاتي در نظر گرفته مي شود ، اما بايد توجه داشت كه آزادسازي بخش كوچكي از اين تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئي كلاني را به همراه خواهد داشت . در ترانسفورماتورهاي قدرت معمول ، تقريباً 80 درصد از كل تلفات ، مربوط به تلفات بارداري ترانسفورماتور است كه از اين 80% ، سهم تلفات اهمي سيم پيچها 80% بوده و 20% ديگر مربوط به تلفات ناشي از جريانهاي فوكو و شارهاي پراكنده است . لذا تلاشهاي زيادي جهت كاهش تلفات بارداري صورت ميگيرد.در ابررساناها به علت عدم وجود مقاومت اهمي در برابر جريان ، تلفات اهمي برابر با صفر است . لذا با استفاده از ابررسانا در ترانسفورماتورها ، تلفات کل ترانسفورماتور ، کاهش قابل ملاحظه اي خواهد يافت .
تلاشهايي که جهت توسعه ترانسفورماتورهاي ابررسانا انجام ميگردد، صرفاً به خاطر مسايل اقتصادي و کاهش هزينه کل نيست . يکي ديگر از دلايل طرح اين مبحث آنست که در مراکز پرتراکم شهري ، رشد مصرف 2 درصدي ساليانه به معني نياز به افزايش سيستمهاي موجود است . از طرفي بسياري از پستهاي توزيع به صورت سرپوشيده (Indoor) بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند . در اين نوع پستها همانند ديگر پستهاي توزيع از ترانسهاي روغني استفاده مي شود که استفاده از روغن ، مشکلات و خطرات زيست محيطي و ايمني مربوط به خود را دارد . در حاليکه در ترانسفورماتورهاي ابررسانا ، ماده خنک کننده نيتروژن است که خطري براي افراد و موجودات زنده نداشته ، به علاوه خطر آتش سوزي نيز وجود ندارد .به همين لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهاي ابررسانا، به هيچ عنوان قابل مقايسه با روغنهاي قابل اشتعال و مواد شيميايي همچون PCB نيست .
همانطور که ذکر شد ،توجه جدي به ترانسفورماتورهاي ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهاي دماي پايين LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn) از اوايل دهه 1960 آغاز شد .اما مطالعاتي که در آن زمان بر روي اين ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان داد که جهت بهره برداري از اين ترانسفورماتورها بايد آنها را در دماي 4.2 Kنگه داشت که انجام چنين کاري اقتصادي نيست .
پروژه هاي ترانسفورماتورهاي HTS در جهان
پس از کشف مواد HTS در سال 1986 ، تحقيقات جهت امکان عملي ساخت ترانسفورماتورهاي HTS شروع شد . تحقيقات در سال 1994 نشان داد در صورت استفاده از ترانسفورماتورهاي HTS در محدوده قدرت تا MVA 500 ، ميزان صرفه جويي در هزينه ، 70% و کاهش وزن آنها 40% نسبت به ترانسفورماتورهاي معمولي خواهد بود .
در ژاپن به دليل تراکم بالاي جمعيت ، يکي از فوايد اساسي ترانسفورماتورهاي HTS ، کاهش قابل ملاحظه وزن و حجم آنهاست . همانطوريکه کابلهاي HTS قابليت انتقال بيشتر توان را از طريق کانالهاي موجود دارا هستند ، ترانسفورماتورهاي HTS نيز ميتوانند در فضاي موجود ، قدرت بيشتري نسبت به ترانسفورماتورهاي معمولي تأمين کنند . به همين دليل در ژاپن کوچک شدن فضاي اشغال شده و وزن ترانسفورماتورها به عنوان مهمترين مزيت اين نوع ترانسفورماتورها مطرح است
در اروپا ، علاقه به استفاده از ترانسفورماتورهاي کوچک HTS در قطارهاي سريع السير ، رشد روز افزوني يافته است . پتانسيل و کشش بازار جهاني براي ترانسفورماتورهاي ابررسانا بيش از 1 ميليارد دلار مي باشد .
مقايسه فنی بين ترانسفورماتورهاي معمولي و HTS
براي درک بهتر ترانسفورماتور HTS ، در اين قسمت آنرا با يک ترانسفورماتور روغني مقايسه مي کنيم .بر اين اساس ، يک ترانس معمولي روغني MVA 100 ، سه فاز ، Hz 50 و kV 22/66 طراحي شد .پارامترهاي طراحي ترانس روغني معمولي در جدول (1) آورده شده است. يک ترانسفورماتور HTS نيز براساس مقادير مشابه و درصد امپدانس 5/7% مانند ترانسفورماتور روغني معمولي طراحي شده است . سيم پيچ فشار قوي 5 لايه دارد و هر لايه 98 دور دارد .در حاليکه سيم پيچ فشار ضعيف شامل سه لايه 163 دوري است . استحکام مکانيکي سيم پيچهاي HTS بايد به اندازه سيم پيچهاي ترانسفورماتور روغني باشد.براي اين اين منظور از نوارهاي استيل با اندازه هاي برابر نوار HTS استفاده شد . پارامترهاي طراحي ترانسفورماتور HTS در جدول(1) زير آورده شده است .
جدول (1).مشخصات ترانسفورماتورهاي مورد مطالعه
سیستم TMMS (Transformer Monitoring Management System) فارادی یک سیستم نمایش و مدیریت ترانسفورماتور است.
سیستم TMMS براساس جمعآوری اطلاعات بحرانی بهرهبرداری ترانسفورماتور و تجزیه و تحلیل آنها عمل مینماید.
سیستم TMMS با تجزیه و تحلیل اطلاعات قادر خواهد بود که ضمن تفسیر عملکرد ترانسفورماتور عیبهای آن را تشخیص داده و اطلاعات لازم برای تصمیمگیری را در اختیار بهرهبردار قرار دهد.
اطلاعات بهرهبرداری که برای فرآیند نمایش و مدیریت ترانسفورماتورها مورد نیاز بوده و توسط سنسورهای مخصوص جمعآوری میگردند به شرح زیر میباشند.
گازهای موجود در روغن ترانسفورماتورهمراه با ئیدران
▪ آب موجود در روغن ترانسفورماتور همراه با Acquaoil ۳۰۰
▪ جریان بار ترانسفورماتور
▪ دمای نقاط مختلف ترانسفورماتور
▪ وضعیت تپ جنچر ترانسفورماتور
▪ سیستم خنک کنندگی ترانسفورماتور
اطلاعات بهرهبرداری فوق جمعآوری شده و بههمراه سایر اطلاعات موجود بهطور مستمر تجزیه و تحلیل شده تا بتوانند اطلاعات زیر را درباره وضعیت بهرهبرداری ترانسفورماتور تهیه نمایند.
▪ شرایط عمومی و کلی ترانسفورماتور
▪ ظرفیت بارگیری ترانسفورماتور
▪ میل و شدت تولید گاز و جباب در داخل روغن ترانسفورماتور
▪ ملزومات نگهداری ترانسفورماتور
سیستم TMMS فارادی را میتوان برای ترانسفورماتورهای موجود بهکار برد و همچنین میتوان آن را در ساختمان ترانسفورماتورهای جدید طراحی و نصب نمود.
ارتقاء سیستم TMMS فارادی با افزودن سنسورهای اضافی میتوانید باعث ارتقاء عملکرد آن برای مواد زیر گردید.
▪ حداکثر نمودن ظرفیت بارگذاری ترانسفورماتور برای بهرهبرداری اقتصادی و بهینه
▪ تشخیص عیب و توصیه راه حل در ترانسفورماتورها
▪ مدیریت عمر ترانسفورماتور و افزایش آن
▪ تکمیل و توسعه فرایند و عملیاتی مدیریت ترانسفورماتورها با کمک اطلاعات اضافی تهیه شده در زمان حقیقی
▪ کاهش و حذف خروجی ترانسفورماتورها بهصورت برنامهریزی شده و یا ناشی از خطا
▪ آشکارسازی علائم اولیه پیدایش خطا در ترانسفورماتورها
▪ نمایش مراحل تکامل و شکلگیری شرایط پیدایش خطا
ترانسفورماتورها سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای عامل K
هارمونیکهای تولید شده توسط بارهای غیر خطی میتوانند مشکلات حرارتی و گرمائی خطرناکی را در ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد ایجاد نمایند. حتی اگر توان بار خیلی کمتر از مقدار نامی آن باشد، هارمونیکها میتوانند باعث گرمای بیش از حد و صدمه دیدن ترانسفورماتورها شوند. جریانهای هارمونیکی تلفات فوکو را به شدت افزایش میدهند. بههمین دلیل سازندهها، ترانسفورماتورهای تنومندی را ساختهاند تا اینکه بتوانند تلفات اضافی ناشی از هارمونیکها را تحمل کنند. سازندهها برای رعایت استاندارد یک روش سنجش ظرفیت، بهنام عامل K را ابداع کردهاند. عامل K نشان دهنده مقدار افزایش در تلفات فوکو است. بنابراین ترانسفورماتور عامل K میتواند باری به اندازه ظرفیت نامی ترانسفورماتور را تغذیه نماید مشروط بر اینکه عامل K بار غیر خطی تغذیه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادیر استاندارد عامل K برابر با ۴، ۹، ۱۳، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ میباشند. این نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونیک را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم میباشند.
ترانسفورماتور (HMT (Harmonic Mitigating Transformer نوع دیگری از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای HMT هستند که از صاف شدن بالای موج ولتاژ بهواسطه بریده شدن آن جلوگیری میکند HMT، طوری ساخته شده است که اعو جاج ولتاژ سیستم و اثرات حرارتی ناشی از جریانهای هارمونیک را کاهش میدهد. HMT این کار از طریق حذف فلوها و جریانهای هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیم پیچیهای ترانسفورماتور انجام میدهد.
چنانچه شبکههای توزیع نیروی برق مجهز به ترانسفورماتورهای HMT گردند میتوانند همه نوع بارهای غیر خطی (با هر درجه از غیر خطی بودن) را بدون اینکه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه نمایند. به همین دلیل در اماکنی که بارهای غیر خطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT به صورت گسترده استفاده میشود.
مزایای ترانسفورماتور HMT
▪ میتوان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیکها (شامل هارمونیکهای سوم، نهم و پانزدهم) در سیم پیچ اولیه، از طریق حذف فلوی آنها در سیم پیچیهای ثانویه جلوگیری کرد.
▪ترانسفورماتورهای HMT با یک خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته میشوند. وقتی که هر دو مدل با هم بهکار میروند، میتوانند جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در قسمت جلوئی شبکه حذف کنند.
▪ ترانسفورماتورهای HMT با دو خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در داخل سیم پیچیهای ثانویه حذف کنند.
▪ ترانسفورماتورهای HMT با سه خروجی میتوانند مؤلفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم را در داخل سیم پیچی ثانویه حذف کنند.
▪ کاهش جریانهای هارمونیکی در سیمپیچیهای اولیه HMT باعث کاهش افت ولتاژهای هارمونیکی و اعو جاج مربوطه میشود.
کاهش تلفات توان بهعلت کاهش جریانهای هارمونیکی بهعبارت دیگر ترانسفورماتور HMT باعث ایجاد اعو جاج ولتاژ خیلی کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی یا ترانسفورماتور عامل K میشود.
ساختار ميكروسكوپي ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار هسته ترانسفورماتور در مراحل مختلف توليد توسط اچانت‌هاي مختلف
ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار با بافت و ساختار ويژه، در ترانسفورماتورها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. فرآيند توليد ورقهاي فولاد الكتريكي از مراحل مختلفي تشكيل مي‌شود و از آنجا كه عدم دقت در انجام هر مرحله مي‌تواند منجر به توليد ورق با كيفيت نامناسب گردد، لذا كنترل دقيق هر مرحله حايز اهميت خاص مي‌باشد. يكي از بهترين روشها براي كنترل كيفيت در هر مرحله انجام آزمايشهاي ساده متالوگرافي به منظور مشخص نمودن ساختار مي‌باشد.
ترانسفورماتورهاي ابررساناي دماي بالا(HTS)
توجه جدي به ترانسفورماتورهاي ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهاي دماي پايين LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn)از اوايل دهه 1960 آغاز شد . مطالعاتي که در آن زمان بر روي اين ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان دهنده آن بود که جهت بهره برداري موثر از اين ترانسفور ماتورها ، بايد آنها را در دماي 4.2 K نگه داشت که فراهم کردن چنين شرايطي ضمن پيچيدگيهاي فني ، از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه نبود . به همين دليل تحقيقات و پژوهشها بسوي کشف موادي با قابليت ابررسانايي در دماهاي بالاتر ، معطوف گرديد .
کشف ابررساناهاي دماي بالا يا HTS 1 در سال 1986 به طور قابل ملاحظه اي چشم انداز استفاده از ابررساناها را در سيستم قدرت الکتريکي تغيير داد ، زيرا دماي بحراني Tc در اين ابررساناها به طور چشمگيري افزايش يافته بود . تلفات پايين و قابليت حمل جريان بالا در هاديهاي HTS سبب مي شود تا تجهيزات الکتريکي داراي بازده کاري بهتر و توان بالاتر ساخته شوند . علاوه بر آن تجهيزات ساخته شده با مواد HTS از نظر سازگاري محيط زيستي نيز مقبوليت بيشتري دارند که از آن جمله ميتوان از ترانسفورماتورهاي HTS که در آنها روغن بکار نرفته است، اشاره شود. همچنین پتانسيل و کشش بازار جهاني براي ترانسفورماتورهاي ابررسانا بيش از 1 ميليارد دلار مي باشد. علي رغم مزاياي ذکر شده کماکان موانع جدي براي توسعه کاربرد HTS در صنعت برق وجود دارد که مهمترين آنها ابتدا سيستم خنک کنندگي و دوم نرخ کارکرد به هزينه هادي HTS مي باشد.به عبارتي، جهت توسعه کاربرد هاديهاي HTS ، لازمست که هزينه اين هاديها ، حتي الامکان کم شود . اين هاديها جهت مصارف گوناگون ميتوانند بکارروند مثل : کابلهاي قدرت ، ترانسفورماتورها ، موتورها و محدودکننده هاي جريان خطا (SCFCL).در زير به بررسي کاربرد HTS در ترانسفورماتور خواهيم پرداخت.
ترانسفورماتورهاي HTS
ترانسفورماتورها يكي از مهمترين عناصر شبكه هاي انتقال و توزيع هستند . در ترانسفورماتورها انرژي الكتريكي در مس سيم پيچها ، آهن هسته ، تانك ترانس و سازه هاي نگهدارنده به صورت حرارت تلف مي شود . حتي در زمانيكه ترانسفورماتور بدون بار است ، در هسته تلفات بي باري(NL) بوجود مي آيد. اخيراً با جايگزيني فلزات بي شكل و غير بلوري (Amorphous) به جاي آهن سيليكوني در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع با قدرت نامي كوچكتر از KVA 100 ، تلفات بي باري باز هم كاهش يافته است . اين كار هنوز در مورد ترانسفورماتورهاي بزرگ با قدرت نامي بزرگتر از KVA 500 انجام نشده است .
اگر چه براي هر ترانسفورماتور ، 1 درصد توان نامي آن به عنوان توان تلفاتي در نظر گرفته مي شود ، اما بايد توجه داشت كه آزادسازي بخش كوچكي از اين تلفات در طول عمر ترانسفورماتور صرفه جوئي كلاني را به همراه خواهد داشت . در ترانسفورماتورهاي قدرت معمول ، تقريباً 80 درصد از كل تلفات ، مربوط به تلفات بارداري ترانسفورماتور است كه از اين 80% ، سهم تلفات اهمي سيم پيچها 80% بوده و 20% ديگر مربوط به تلفات ناشي از جريانهاي فوكو و شارهاي پراكنده است . لذا تلاشهاي زيادي جهت كاهش تلفات بارداري صورت ميگيرد.در ابررساناها به علت عدم وجود مقاومت اهمي در برابر جريان ، تلفات اهمي برابر با صفر است . لذا با استفاده از ابررسانا در ترانسفورماتورها ، تلفات کل ترانسفورماتور ، کاهش قابل ملاحظه اي خواهد يافت .
تلاشهايي که جهت توسعه ترانسفورماتورهاي ابررسانا انجام ميگردد، صرفاً به خاطر مسايل اقتصادي و کاهش هزينه کل نيست . يکي ديگر از دلايل طرح اين مبحث آنست که در مراکز پرتراکم شهري ، رشد مصرف 2 درصدي ساليانه به معني نياز به افزايش سيستمهاي موجود است . از طرفي بسياري از پستهاي توزيع به صورت سرپوشيده (Indoor) بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند . در اين نوع پستها همانند ديگر پستهاي توزيع از ترانسهاي روغني استفاده مي شود که استفاده از روغن ، مشکلات و خطرات زيست محيطي و ايمني مربوط به خود را دارد . در حاليکه در ترانسفورماتورهاي ابررسانا ، ماده خنک کننده نيتروژن است که خطري براي افراد و موجودات زنده نداشته ، به علاوه خطر آتش سوزي نيز وجود ندارد .به همين لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهاي ابررسانا، به هيچ عنوان قابل مقايسه با روغنهاي قابل اشتعال و مواد شيميايي همچون PCB نيست .
همانطور که ذکر شد ،توجه جدي به ترانسفورماتورهاي ابررسانا از زمان شناخت ابررساناهاي دماي پايين LTS (اعم از Nb-Ti و Nb3-Sn) از اوايل دهه 1960 آغاز شد .اما مطالعاتي که در آن زمان بر روي اين ترانسفورماتورها انجام شد ، نشان داد که جهت بهره برداري از اين ترانسفورماتورها بايد آنها را در دماي 4.2 Kنگه داشت که انجام چنين کاري اقتصادي نيست .
پروژه هاي ترانسفورماتورهاي HTS در جهان
پس از کشف مواد HTS در سال 1986 ، تحقيقات جهت امکان عملي ساخت ترانسفورماتورهاي HTS شروع شد . تحقيقات در سال 1994 نشان داد در صورت استفاده از ترانسفورماتورهاي HTS در محدوده قدرت تا MVA 500 ، ميزان صرفه جويي در هزينه ، 70% و کاهش وزن آنها 40% نسبت به ترانسفورماتورهاي معمولي خواهد بود .
در ژاپن به دليل تراکم بالاي جمعيت ، يکي از فوايد اساسي ترانسفورماتورهاي HTS ، کاهش قابل ملاحظه وزن و حجم آنهاست . همانطوريکه کابلهاي HTS قابليت انتقال بيشتر توان را از طريق کانالهاي موجود دارا هستند ، ترانسفورماتورهاي HTS نيز ميتوانند در فضاي موجود ، قدرت بيشتري نسبت به ترانسفورماتورهاي معمولي تأمين کنند . به همين دليل در ژاپن کوچک شدن فضاي اشغال شده و وزن ترانسفورماتورها به عنوان مهمترين مزيت اين نوع ترانسفورماتورها مطرح است
در اروپا ، علاقه به استفاده از ترانسفورماتورهاي کوچک HTS در قطارهاي سريع السير ، رشد روز افزوني يافته است . پتانسيل و کشش بازار جهاني براي ترانسفورماتورهاي ابررسانا بيش از 1 ميليارد دلار مي باشد .
مقايسه فنی بين ترانسفورماتورهاي معمولي و HTS
براي درک بهتر ترانسفورماتور HTS ، در اين قسمت آنرا با يک ترانسفورماتور روغني مقايسه مي کنيم .بر اين اساس ، يک ترانس معمولي روغني MVA 100 ، سه فاز ، Hz 50 و kV 22/66 طراحي شد .پارامترهاي طراحي ترانس روغني معمولي در جدول (1) آورده شده است. يک ترانسفورماتور HTS نيز براساس مقادير مشابه و درصد امپدانس 5/7% مانند ترانسفورماتور روغني معمولي طراحي شده است . سيم پيچ فشار قوي 5 لايه دارد و هر لايه 98 دور دارد .در حاليکه سيم پيچ فشار ضعيف شامل سه لايه 163 دوري است . استحکام مکانيکي سيم پيچهاي HTS بايد به اندازه سيم پيچهاي ترانسفورماتور روغني باشد.براي اين اين منظور از نوارهاي استيل با اندازه هاي برابر نوار HTS استفاده شد . پارامترهاي طراحي ترانسفورماتور HTS در جدول(1) زير آورده شده است .
جدول (1).مشخصات ترانسفورماتورهاي مورد مطالعه
