راهکار جامع بهبود عملکرد برای ترانسформاتورهای انتقال: بهینه‌سازی خنک‌سازی و کاهش زیان‌های مدار مغناطیسی

۱. زمینه و چالش‌ها

با رشد مداوم بارهای برقی و الزامات فزاینده برای عملکرد پایدار شبکه، ترانسفورماتورهای انتقال با چالش‌های جدی در خصوص کارایی عملکرد، کنترل افزایش دما و قابلیت اطمینان بلندمدت مواجه هستند. دماهای عملکردی بالا باعث تسریع در پیری مواد عایقی، کوتاه شدن عمر مفید تجهیزات و افزایش ریسک شکست می‌شوند. ضررهای بالای مدار مغناطیسی (به طور اصلی ضرر آهن و مس) کارایی استفاده از انرژی را کاهش می‌دهند و به هزینه‌های عملکرد غیرضروری منجر می‌شوند. برای حل دو مسئله اصلی موجود در ترانسفورماتورهای انتقال - افزایش دما بیش از حد و ضررهای مدار مغناطیسی قابل توجه - این راهکار جامع تدوین شده است.

۲. اهداف راهکار

• کاهش قابل توجه دماهای عملکردی: کنترل دمای روغن بالایی و دمای نقطه داغ سیم‌پیچ در محدوده‌های ایمن عملکردی.
• کاهش مؤثر ضررهای مدار مغناطیسی: تمرکز بر کاهش ضررهای بدون بار (ضرر آهن) و ضررهای بار (ضرر مس)، افزایش کارایی کلی عملکرد.
• افزایش قابلیت اطمینان عملکردی: کاهش نرخ شکست‌های ناشی از گرم شدن بیش از حد و ضررهای زیاد، تمدید عمر مفید ترانسفورماتور.
• بهینه‌سازی هزینه کلی چرخه حیات: بهبود کارایی اقتصادی ترانسفورماتور از طریق صرفه‌جویی در انرژی و کاهش فرکانس نگهداری.

۳. اقدامات اصلی کاهش

این راهکار از استراتژی یکپارچه "کنترل منبع ضررهای + افزایش قابلیت تشعشع حرارت + مدیریت دقیق وضعیت" استفاده می‌کند:

۳.۱ بهینه‌سازی و به‌روزرسانی سیستم خنک‌سازی، افزایش کارایی تشعشع حرارت (حل مشکل افزایش دما)

• استفاده از روش‌های خنک‌سازی با کارایی بالا:
• خنک‌سازی هوا اجباری (OFAF/ODAF): به‌روزرسانی ترانسفورماتورهای موجود با خنک‌سازی هوا طبیعی (ONAN) یا خنک‌سازی هوا اجباری (ONAF)، یا تجهیز ترانسفورماتورهای جدید با مراوح محوری با کارایی بالا. انتخاب مراوح کارآمد، کم‌صدا و مقاوم در برابر آب و هوای مختلف با کنترل هوشمند جریان هوا (مانند شروع/توقف خودکار بر اساس دما یا تنظیم سرعت متغیر) برای افزایش قابل توجه کارایی جریان هوا روی سطح رادیاتور و حذف سریع گرما.
• خنک‌سازی نفت-آب اجباری (OFWF): با اولویت برای ترانسفورماتورهای ظرفیت فوق‌عالی، واحد‌های با ضریب بار بالا یا کار در دمای محیط بالا. تجهیز با پمپ‌های نفت با کارایی بالا و مبدل‌های گرمایی صفحه‌ای برای استفاده از ظرفیت گرمایی بالای آب در تبادل گرما با کارایی. نیاز به سیستم‌های درمان آب پشتیبان (برای جلوگیری از رسوب و فرسودگی) و مکانیزم‌های تضمین قابلیت اطمینان (مانند مدارهای آب دوگانه، پمپ‌های پشتیبان).
• خنک‌سازی مکمل با لوله‌های گرما: نصب ماژول‌های لوله گرما در نقاط کلیدی رادیاتور برای رسانی و تشعشع موثر گرما محلی با استفاده از اصل تغییر فاز.
• بهینه‌سازی ساختار و طرح رادیاتور:
• استفاده از رادیاتورهای با سطح بزرگ‌تر (مانند رادیاتورهای مجهز به سنجاق و پنل) و طراحی مسیرهای جریان بهینه.
• تضمین مسیرهای جریان صاف برای رسانه خنک‌کننده (هوا یا آب)، حذف محدودیت‌های جریان محلی و بهبود یکنواختی تشعشع گرما.
• (برای خنک‌سازی هوا) بهینه‌سازی موقعیت مراوح و طراحی مجرای هوا برای تضمین پوشش یکنواخت جریان هوا روی سطح رادیاتور، کاهش مناطق مرده.
• کنترل خنک‌سازی هوشمند:
• تنظیم خودکار خروجی سیستم خنک‌سازی (سرعت/تعداد مراوح، دبی پمپ نفت) بر اساس نظارت مستمر بر دمای روغن، دمای سیم‌پیچ و دمای محیط. تضمین خنک‌سازی براساس نیاز، تضمین کارایی تشعشع گرما در حالی که مصرف انرژی تجهیزات کمکی کمینه می‌شود.

۳.۲ بهینه‌سازی مواد و ساختار هسته، کاهش ضرر آهن (کنترل ضرر مغناطیسی هسته)

• انتخاب مواد هسته با کارایی بالا:
• اولویت به صفحات فولاد سیلیسیم با روان‌گذری بالا و ضرر واحد کم (مانند فولاد HiB) یا مواد آلیاژی بی‌تشکیل پیشرفته‌تر (با مزایای قابل توجه برای کاهش ضرر بدون بار).
• کنترل دقیق ضخامت، صافی و کیفیت پوشش عایق صفحات فولاد سیلیسیم برای کاهش ضررهای هیسترزیس و جریان دایره‌ای.
• بهینه‌سازی طراحی و فرآیندهای ساخت هسته:
• اجرای تکنیک‌های پیچش لپ‌های گام‌به‌گام برای کاهش مخالفت مغناطیسی در اتصالات، کاهش ضررهای آهن اضافی.
• کنترل دقیق ضریب پیچش هسته و نیروی گیره برای تضمین توزیع یکنواخت مسیر مغناطیسی و جلوگیری از اشباع محلی.
• (استفاده از فناوری‌های پیشرفته) بررسی تکنیک‌هایی مانند خط کشی لیزری (Laser Scribbling) برای بهینه‌سازی بیشتر ساختار دامنه مغناطیسی مواد.
• بهینه‌سازی روش‌های زمین‌سازی هسته و محافظت برای کاهش ضررهای جانبی در اجزای ساختاری.

۳.۳ بهینه‌سازی طراحی سیم‌پیچ و بهبود فرآیندها، کاهش ضرر مس (کنترل ضرر مغناطیسی کلیدی)

• بهینه‌سازی ساختار سیم‌پیچ و طراحی الکترومغناطیسی:
• محاسبه دقیق توزیع دوره‌ای آمپر، بهینه‌سازی شکل مقطع هادی (مانند استفاده از کابل‌های متقاطع پیوسته - CTC یا کابل‌های متقاطع خودپیوست - TTC) برای کاهش جریان‌های دایره‌ای و جریان‌های دایره‌ای.
• انتخاب مناسب مواد هادی (مس بدون اکسیژن با رسانایی بالا) و چگالی جریان، کاهش مؤثر ضررهای مقاومت مستقیم در حالی که محدودیت‌های افزایش دما را برآورده می‌کند.
• بهینه‌سازی ارتفاع، قطر و ابعاد شعاعی سیم‌پیچ برای کنترل فلکس لکیج و کاهش ضررهای جانبی.
• فرآیندهای ساخت پیشرفته:
• تضمین فشردگی یکنواخت سیم‌پیچ با استفاده از تجهیزات پیچش با فشار ثابت.
• استفاده از فرآیندهای پیشرفته تزریق فشار و خلاء (VPI) یا ریخته‌گری رزین برای تضمین پر شدن کامل فضاهای خالی با مواد عایقی، بهبود رسانایی گرمایی و قدرت مکانیکی، کمک به تشعشع گرما و کاهش تخلیه‌های جزئی.

۳.۴ نظارت و نگهداری پیشگیرانه وضعیت مدار مغناطیسی (مدیریت حلقه بسته، تضمین عملکرد بلندمدت)

• اجرا نظارت دقیق وضعیت مدار مغناطیسی:
• ارزیابی جامع سلامت مدار مغناطیسی با ادغام نظارت آنلاین (مانند تجزیه و تحلیل گازهای محلول - DGA، نظارت بر تخلیه جزئی با فرکانس بالا، نظارت بر لرزش/صدا، ترموگرافی اینفرارخ) و آزمایش‌های آفلاین (آزمایش‌های دوره‌ای تغییر شکل سیم‌پیچ، آزمایش ضررهای بدون بار و بار، آزمایش جریان زمین هسته).
• مراقبت متمرکز: نشانه‌های خطاهای گراند چند نقطه‌ای هسته، نوسانات غیرعادی ضرر، گرم شدن غیرعادی محافظ‌های مغناطیسی و سازه‌های گیره.
• تأسیس مکانیسم نگهداری پیشگیرانه:
• توسعه برنامه‌های نگهداری مدار مغناطیسی هدفمند بر اساس داده‌های نظارت وضعیت و تاریخچه عملکرد.
• بازرسی دوره‌ای گراند هسته و سازه‌های گیره: تضمین گراند تک نقطه‌ای قابل اعتماد، تشخیص و اصلاح خطاهای گراند چند نقطه‌ای (که به طور قابل توجهی ضرر آهن را افزایش می‌دهند و باعث گرم شدن می‌شوند).
• بازرسی محافظ‌های مغناطیسی، گیره‌ها و سایر اجزای ساختاری: بررسی برای کاهش، گرم شدن یا نشانه‌های تخلیه؛ حذف سریع ناهماهنگی‌ها.
• در بازرسی‌های بالابری هسته/پوشش، بررسی و نگهداری متمرکز روی اتصالات لایه‌های هسته و وضعیت گیره.
• تحلیل تشخیصی عمیق روی روندهای افزایشی غیرعادی ضرر برای شناسایی دلایل اصلی و اجرای اقدامات اصلاحی.

۴. فواید مورد انتظار

• کاهش قابل توجه افزایش دما: دماهای عملکردی (به ویژه دمای نقاط داغ) مورد انتظار به طور مؤثر کنترل می‌شوند، با کاهش‌هایی که به اهداف پیش‌بینی شده (مانند ۱۵-۲۵٪) می‌رسند، که به طور قابل توجهی استرس پیری گرمایی مواد عایقی را کاهش می‌دهد.
• کاهش مؤثر ضررهای مدار مغناطیسی:
• ضرر آهن (ضرر بدون بار): کاهش مورد انتظار ۲۰-۴۰٪ از طریق مواد و فرآیندهای جدید (به ویژه قابل توجه در استفاده از آلیاژهای بی‌تشکیل).
• ضرر مس (ضرر بار): کاهش مورد انتظار ۱۰-۲۵٪ از طریق طراحی سیم‌پیچ بهینه.
• افزایش کلی کارایی ۱-۳ درصد، ارائه مزایای اقتصادی قابل توجه و کاهش انتشار کربن.
• بهبود قابل توجه قابلیت اطمینان: ریسک‌های شکست ناشی از گرم شدن و ناهماهنگی‌های مدار مغناطیسی به طور قابل توجه کاهش می‌یابد، قابلیت اطمینان تجهیزات افزایش می‌یابد و عمر مفید تمدید می‌شود.
• بهینه‌سازی هزینه کلی چرخه حیات: با وجود سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر (مانند مواد با کارایی بالا، سیستم‌های خنک‌سازی پیشرفته)، مزایای حاصل از صرفه‌جویی در انرژی بلندمدت، کاهش هزینه‌های نگهداری و تمدید عمر مفید به طور قابل توجه بیشتر است، که بازدهی سرمایه‌گذاری (ROI) مطلوبی را فراهم می‌کند.

۵. محدوده قابل اعمال

این راهکار به ترانسفورماتورهای انتقال (بخار) نیمه‌غوطه‌ور جدید و در حال خدمت با سطح ولتاژ ۳۵kV و بالاتر اعمال می‌شود. اقدامات خاص می‌توانند بر اساس ظرفیت، سطح ولتاژ، محیط عملکرد، اهمیت و وضعیت فعلی ترانسفورماتور شخصی‌سازی و اجرا شوند.