مقدمه :
در سالهای اخیر افزایش روز افزون مصرف انرژی الکتریکی ، گسترش شبکه های توزیع و فوق توزیع را در شهرها و مناطق صنعتی اجتناب ناپذیر نموده است با توجه به اینکه کمبود فضا و لزوم همسازی با محیط از یک طرف و جلوگیری از آثار آلودگی های مختلف از طرف دیگر پستهای گازی روز به روز کاربرد پیشتری می یابند ولی با این وجود به علت مسائل فنی موجود تاکنون ترانسفورماتورهای این پستها از نوع روغنی بوده و به منظور کنترل دامنه آتش سوزی احتمالی و مسائل مربوط به سیستم خنک کنندگی عمدتا در فضای باز نصب می شوند ولی اخیرا گاز sf6 نیز در طراحی و ساخت ترانسفورماتورهای با قدرت بالا مورد توجه قرار گرفته است و نسل جدیدی از ترانسفورماتورها را با عنوان ترانسفورماتورهای گازی مطرح نموده که در این جزوه مورد بررسی قرار می گیرد.
ویژگیها و موارد قابل توجه ترانسفورماتورهای گازی :
الف- از آنجا که گاز sf6در این ترانسفورماتورها جانشین روغن شده ، غیر قابل احتراق و انفجار بوده لذا در صورت بروز عیبهای متداول در ترانسفورماتور احتمال بروز آتش سوزی وجود ندارد لذا این ترانسفورماتورها برای کاربرد در فضاهای سر پوشیده بسیار مناسب می باشند و در هر صورت برای این ترانسفورماتورها ضرورت تعبیه سیستمهای اتوماتیک اطفاء حریق که بسیار گران و هزینه بردار می باشند وجود ندارد.
ب- با توجه به پایداری شیمیایی کامل گاز sf6 و عدم تاثیر شرایط محیطی بر روی عایق ترانسفورماتور در اثر ایزوله بودن کامل نسبت ب هوای محیط (نداشتن کنسرواتور) و پایداری حرارتی بالای این گاز امکان بروز عیب در این ترانسفورماتور به حداقل ممکن کاهش یافته و از آنجا این ترانسفورماتورها معمولا در پستهای با سوئیچگیرهای گازی مورد استفاده قرار می گیرند و ارتباط ترانسفورماتور با سوئیچگیرهای مربوطه از طریزق لوله های گازی ( GIB ) انجام می گیرد لذا امکان ایجاد اتصال کوتاه نیز در نزدیکی ترانسفورماتور به حداقل می رسد و لذا در مجموع قابلیت اطمینان سیستم به حداکثر می رسد.
ج- از انجاییکه این ترانسفورماتور به صورت کامل آب بندی بوده و قسمت اکتیو در داخل محفظه فلزی قرار دارد و حداقل دریچه برای بازدید و یا تعمیر در طرح ان در نظر گرفته می شود و با هوای محیط هیچ گونه ارتباطی ندارد لذا برای مناطق با آلودگی و رطوبت بالا مناسب می باشند.
د- انتقال صدا در گاز SF6کمتر از روغن و یا هوا بوده و لذا مقدار صدای ترانسفورماتورهای گازی نسبت به روغنی کمتر می باشد.
ه-گازSF6 به خاطر الکترونگاتیو بودن (جذب الکترونهای آزاد) از خاصیت عایقی خوبی برخوردار می باشد و به خاطر ویژگی خاص این گاز در مقابل اضافه ولتاژهای سوئیچینگ یا صاعقه طراحی ترانسفورماتور از نظر عایقی با اطمینان بالاتری صورت می گیرد.
و- مشخصات الکتریکی ترانسفورماتورهای گازی نظیر جریان بی باری و تلفات با نوع روغنی یکسان بوده ولی مقدار امپدانس این ترانسفورماتورها نسبت به نوع گازی کمی بیشتر از نوع روغنی به خاطر فواصل بیشتر بین سیم پیچها می باشد البته این پارامتر به سهولت قابل کنترل می باشد.
ز- با توجه به اینکه این ترانسفورماتور ها به صورت کاملا آب بندی شده حمل می شوند. لذا عملیات نصب و راه اندازی به علت عدم نیاز به پروسس خشک کردن و روغن زدن بسیار راحت تر بوده و در مقایسه با نوع روغنی به زمان کمتری نیاز می باشد. تعمیرات و بازدیدهای دوره ای در حین بره برداری نیز خیلی بندرت ضرورت پیدا می کند اما در صورت نیاز به بازدید داخلی از ترانسفورماتور بایستی توجه داشت که اگر چه گاز SF6سمی نمی باشد ولی چون وزن مخصوص آن بیشتر از هواست، در داخل تانک باقی مانده و ضروری است که قبل از وارد شدن به داخل تانک مقدار اکسیژن کنترل شده و در صورت لزوم اکسیژن نیز تزریق گردد.
ح- هدایت حرارتی گازSF6 اگر چه از هوا بیشتر می باشد ولی در مقایسه با روغن پایین تر بوده و لذا برای انتقال حرارت ناشی از تلفات ترانسفورماتور بایستی دقت لازم در طراحی سیستم خنک کنندگی صورت پذیرد و اصولا سیستمهای خنک کنندگی این نوع ترانسفورماتورها پیچیده تر از ترانسفورماتورهای روغنی می باشد.
ط- در این نوع ترانسفورماتورها امکان نشتی تدریجی گاز در حین بهره برداری وجودا داشته که به سهولت نوع روغنی نیز قابل رویت نمی باشد لذا بایستی طوری طراحی شوند که در صورت افت فشار گاز از نظر عایقی مشکل خاصی بوجود نیامده و ضمنا از انجا که افت فشار گاز به خاطر کاهش دانسیته ان درجه حرارت سیم پیچها را نیز افزایش می دهد لذا بایستی در چنین صورتی بار ترانسفورماتور نیز متناسبا کاهش داده شود که میزان ان بستگی به طرح سیستم خنک کننده دارد.
نمودارهای (1-9-2 )یک نمونه از تغییریات درجه حرارت سیم پیچی ترانسفورماتورها را نسبت به تغییر فشار گاز و بار ترانسفورماتور در دو حالت سیستم خنک کنندگی طبیعی و اجباری نشان می دهد.
2-9-2) ساختمان و اصول طراحی ترانسفورماتورهای گازی:
الف) سیم پیچی ها و عایقهای مربوطه : با توجه به اینکه مواد عایقی کاغذی مقاومت کافی را در مقابل عبور هوا و یا گاز ندارند عایق مناسبی در محیط گاز نمی باشند و به همین دلیل از عایقهای دیگری ماند فیلم پلی استر برای عایق کاری هادی های سیم پیچها استفاده می گردد و برای کنترل میدان الکتریکی و عایق بندی بین سیم پیچها و هر سیم پیچی با زمین کاربرد شیلدهای موسوم بهElectric field relaxing shield نیز ضروری می باشد.
ضمنا برای حفاظت بهتر ترانسفورماتور در مقابل اضافه ولتاژهای صاعقه و توزیع یکنواخت بتر این اضافه ولتاژ از سیم پیچی های موسوم به (High series capacitance)Hiser Cap برای سیم پیچی های فشار قوی که ظرفیت خازنی بین حلقه ها افزایش می دهد استفاده می شود.شکل (2-9-2 ) این نوع سیم پیچی را در مقایسه با نوع دیسکی نمایش می دهد
از آنجا که توزیع اولیه ولتاژ ضربه ای بوسیله نسبت کاسیتانس سری و کاپاسیتانس با زمین تعیین می گردد با افزایش کاپاسیتانس سری این توزیع خطی تر می گردد و لذا نوسان ولتاژ اولیه کنترل شده و سیم پیچی در مقابل چنین اضافه ولتاژهایی مقاومتر می گردد. ضمنا تحقیقات اخیر پیشنهاد استفاده از سیم پیچهای ورقه ای از جنس آلومینیم را نیز مطرح ساخته است.
ب)هسته:هسته این ترانسفورماتورها مانند رانسفورماتورهای روغنی از ورقه های آهن سیلیس دارا ولی با کیفیت بسیار بالا تشکیل می گردد که با روش adhesiveو بدون استفاده از هر گونه سوراخ و یا پیچ بهم متصل می گردند. در ترانسفورماتورهای با قدرت بالا برای خنک کردن هسته علاوه بر استفاده از داکت های عبور گاز در اطراف هسته در داخل هسته نیز چنین داکت هایی پیش بینی می گردد.
ج) تانک: با توجه به اینکه فشار گاز داخل تانک معمولا در فشار kg/cm2 1 و در درجه حرارت C°20 درجه تنظیم می گردد و این فشار در درجه حرارت حداکثر کار ممکن است تا حدود kg/cm2 6/1 برسد. و علاوه بر آن سوپاپ تخلیه فشاری که معمولا در فشار 2 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع عمل می نماید نیز روی تانک نب می گردد. بنابراین احتیاجی نیست که تانک ترانفسورماتور مشخصات مورد نظر را برای محفظه های تحت فشار مطابق کلاس دو طبقه استاندارد تاسیسات تحت فشار دارا باشد. ولی به منظور رعایت کامل مسائل ایمنی بایستی تانک طوری طراحی گردد که فشارهای kg/cm2 5/2 را تحمل نموده و آزمایش نشتی گاز نیز با استفاده از اشکار سازهایی از قبیل گاز هلیوم و غیره انجام گیرد.
د) سیستم خنک کنندگی: گاز SF6 همانطور که گفته شده به عنوان یک ماده خنک کننده و یا انتقال دهنده حرارت از هوا خیلی بهتر است. ولی به خوبی روغن نمی باشد اما می توان با افزایش سرعت جریان گاز و در نتیجه افزایش خاصیت انتقال حرارت این مشخصه گاز را نیز تا حد روغن افزایش داد این کار به کمک انتخاب سیستم خنک کنده پیچیده ای مطابق شکل (2-9-2 ب )انجام می گیرد.
در این سیستم همانطوریکه ملاحظه می شود گاز به عنوان ماده منتقل کننده حرارت توسط پمپ های وزش گاز که در بین لوله ارتباطی تانک به مبدل حرارتی نصب می گردد به داخل قسمتی موسوم به Wind box که در زیر قسمت اکتیو قرار دارد فرستاده می شود و از انجا این گاز با فشار به داخل سیم پیچهای فشار قوی – فشار قوی – فشار ضعیف و هسته ارسال می گردد. معمولا کانالهای گاز نیز در داخل سیم پیچها تعبیه می گردد تا گاز به صورت زیگزاگ در داخل سیم پیچ هدایت شده و به این ترتیب هدایت حرارتی بهتری صورت می پذیرد.
خنک کننده ها در این ترانسفورماتورها از نوع مبدلهای حرارتی (Cross Flow Type ) می باشد که از لوله های آلومینیم ساخته می شود و هدایت حرارتی بسیار بالائی دارد. اخیرا تحقیقاتی وسیع به منظور کاهش ابعاد سیستم خنک کنندگی و پایین آوردن تلفات ترانسفورماتور در قدرتهای بالا (در حدود 300 مگاولت آمپر ) انجام گردیده که نتایج آن منجر به ارائه تکنیک جددی در طراحی ترانسفورماتورها با استفاده از سیستم خنک کنندگی با ماده واسطه کاملا جدا از گاز گردیده که موسوم به ترانسفورماتورهای (s/sGIT) Separate Cooling – Cooling – Sheet Winding GIT) می باشند.
در این طرح جدید ماده خنک کننده (پرفلوئورکربن (F4C می باشد. و از داخل لوله های عایق (لوله های قابل ارتجاع از جنس تفلون) که از داخل سیم پیچها و هسته عبور می نمایند و به پانلهای مبدل حرارتی اتصال می یابند عبور کرده و باعث خنک شدن ترانسفورماتور می گردد. نوع سیم پیچی در این طرح بجای هادیهای معمولی از نوع ورقه های آل ومینیم با عایق فیلم پولیمر بوده که دارای کاپاسیتانس سری بالائی نیز می باشد و قابلیت انتقال حرارتی بالایی دارد. شکل (2-9-2 ج)شمایی از این طرح را نشان می دهد.