فرورزونانس در ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه: آنچه سازندهٔ ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه می‌خواهد طراحان بدانند

 

به عنوان یک تولیدکننده‌ی ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه , ما همیشه با شکست یکسان و در ترتیب یکسان روبه‌رو می‌شویم. یک واحد نصب‌شده روی پد برای تعمیرات جایگزین می‌شود. محافظ صاعقه‌ی ستونی در انتهای کابل از کار می‌افتد. تیم نگهداری محافظ صاعقه را عوض کرده و واحد را روشن می‌کند؛ اما جایگزین نیز ظرف چند ماه — گاهی اوقات در عرض چند هفته — دوباره از کار می‌افتد. خود ترانسفورماتور در تمامی بازرسی‌های دوره‌ای سالم به نظر می‌رسد. هیچ چیزی روی پلاک نامی نادرست نیست. آنچه محافظ صاعقه را از کار می‌اندازد، فرورزونانس است و تقریباً هیچ‌گاه خطای خود محافظ صاعقه نیست.

فرورزونانس در واقع چیست

 

هستهٔ ترانسفورماتور یک سیم‌پیچ خطی نیست. زیر نقطهٔ اشباع، راکتانس مغناطیس‌کنندگی آن بالاست. هنگامی که هسته به سمت اشباع می‌رود، این راکتانس افت می‌کند. اگر قطعه‌ای با این رفتار را در مداری قرار دهید که ظرفیت خازنی نیز دارد — مانند ظرفیت پوششی کابل زیرزمینی، ظرفیت توزیع‌کنندهٔ کلید قطع‌کننده، ظرفیت عایق یا بانک خازنی — آنگاه اختلال ناشی از قطع یا وصل می‌تواند مدار را به نوسانی وادارد که هیچ‌یک از این دو عنصر به تنهایی قادر به ایجاد آن نیست.

این دقیقاً تعریف کامل است و همچنین دلیل آن را نیز توضیح می‌دهد. فرورزونانس در ترانسفورماتورها شبیه رزونانس منظمی نیست که از رابطهٔ XL = XC محاسبه می‌شود. در یک سیم‌پیچ خطی تنها یک فرکانس رزونانس و یک حالت پایدار وجود دارد؛ اما در هسته‌ای با قابلیت اشباع، فرکانس‌های رزونانس متعددی وجود دارد و مدار می‌تواند بین این حالت‌ها جهش کند. همراه فناوری آی‌تی‌ای‌ئی — فرورزونانس (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) چهار حالت اصلی نوسان را توصیف می‌کند: فرورزونانس فرکانس اصلی در فرکانس تأمین؛ فرورزونانس زیر هارمونیک در کسری از فرکانس تأمین، که معمولاً یک سوم آن است؛ فرورزونانس شبه‌تناوبی با امواج نامنظم؛ و فرورزونانس آشوب‌گونه بدون هیچ الگوی تکراری. اضافه‌ولتاژهای پایدار در این حالت‌ها می‌تواند به پنج تا شش برابر ولتاژ خط اسمی برسد که بسیار فراتر از آنچه هماهنگی عایقی سیم‌پیچ توزیع برای تنش پایدار فرکانس توان در نظر می‌گیرد است.

دو دستگاه با برچسب‌های یکسان ممکن است رفتار کاملاً متفاوتی داشته باشند. حالتی که مدار در آن قرار می‌گیرد، به اندازه‌های القایی، ظرفیتی، دامنه ولتاژ و شرایط اولیه بستگی دارد — که در عمل یعنی بستگی به لحظه دقیق بسته‌شدن کلید دارد. به همین دلیل، یک مطالعه مبتنی بر مقادیر اسمی این پدیده را از قلم می‌اندازد و همین عملیات قطع و وصل ممکن است صد بار بدون مشکل انجام شود اما در بار صد و یکم شکست بخورد.

اگر در حال حاضر بر اساس مشخصات نصب‌شده روی پد کار می‌کنید، تیم مهندسی ما قبل از ثبت نهایی رتبه‌بندی، مدار اصلی را با شما بررسی خواهد کرد. نمودار تک‌خطی را برای ما ارسال کنید تا چهار شرط را به‌صورت گام‌به‌گام با شما مرور کنیم.

چهار شرطی که باید هم‌زمان برقرار باشند

 

پدیده فرورنانس بسیار حساس است. برای رخ‌دادن آن، چهار شرط هم‌زمان لازم است: ثانویه بدون بار، ظرفیت خازنی بالا در اولیه، قطع‌ووصل نامتقارن قاطع‌کردن تک‌فاز و هسته‌ای که در افزایش جزئی ولتاژ به حالت اشباع می‌رود — و همین دلیلی است که این پدیده هرگز در مطالعات جریان بار ظاهر نمی‌شود و بازتولید آن در محیط آزمایشگاهی بسیار دشوار است.

وضعیت	چرا این موضوع اهمیت دارد	جایی که در عمل رخ می‌دهد
ثانویه بدون بار یا با بار بسیار کم	مقاومت بار، نوسان را میرا می‌کند؛ در حالی که ثانویه خالی اصلاً هیچ میرایی ایجاد نمی‌کند.	منطقه جدید مسکونی قبل از اشغال، توقف فصلی کارخانه، یا واحدی که به‌عنوان احتیاطی نگهداری می‌شود
ظرفیت خازنی بالا در اولیه	ظرفیت خازنی پوشش کابل در هر واحد طول بسیار بیشتر از خط هوایی است	فیدر زیرزمینی بلند، کابل عمودی، اتاقک شبکه، سرویس صنعتی تغذیه‌شده از کابل
قطع نامتقارن	یک یا دو فاز را منزوی می‌گذارد، اما همچنان از طریق ظرفیت خازنی به منبع متصل باقی می‌مانند	قطع‌کننده‌های تک‌فاز، یک فیوز پرتاب‌شده، بازکننده‌های تک‌قطبی، عملیات آرنج
هسته‌ای که در افزایش جزئی ولتاژ اشباع می‌شود	اندازه‌گیری شار مغناطیسی فرو می‌ریزد و اجازه می‌دهد مدار بین نقاط کار جهش کند	هسته‌ها و طراحی‌های مدرن کم‌تلفات که در چگالی شار بالاتری کار می‌کنند

 

هر یک از این چهار عامل را حذف کنید، و معمولاً این پدیده رخ نخواهد داد. این بخش مفید است، زیرا به این معناست که چهار نقطهٔ جداگانه برای حذف آن در طراحی وجود دارد — و ارزان‌ترین راه‌حل تقریباً همیشه ترتیب قطع و وصل است. همچنین این نقطه‌ای است که گفت‌وگو باید از مرحلهٔ ارائهٔ پیش‌فاکتور به مرحلهٔ انتخاب برسد، و اولین موردی است که یک تولیدکننده‌ی ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه باید با شما مطرح کند.

کاری که این پدیده روی دستگاه انجام می‌دهد، پیش از اینکه کسی متوجه شود

 

اولین خرابی که تیم نگهداری مشاهده می‌کند، معمولاً در بازدارنده نوسان ، نه درون مخزن رخ می‌دهد. یک بازدارنده اکسید فلزی، مقاومتی است که تنها در ولتاژهای بالاتر از حد نامی‌اش هادی می‌شود. یک اضافه‌ولتاژ فروسرسنانس طولانی‌مدت، آن را در حالت هادی قرار می‌دهد و نوسان را به گرما تبدیل می‌کند؛ این گرما درون بلوکی از سرامیک تولید می‌شود که برای پالس‌هایی با مدت زمان چند میکروثانیه و در چرخه کاری مشخصی طراحی شده است. داده‌های مرجع ایتون درباره محافظت در برابر اضافه‌ولتاژ برای ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه (Pad-Mounted) به‌صورت صریح حد را بیان می‌کند: بازدارنده‌ها اضافه‌ولتاژها را کاهش می‌دهند اما آن‌ها را کاملاً از بین نمی‌برند؛ و هرچه چرخه کاری بازدارنده بالاتر باشد، مقدار مواد هادی بیشتر است و مدت زمان تحمل اضافه‌ولتاژ تا زمان خرابی نیز طولانی‌تر می‌شود. یک بازدارنده توزیعی با ظرفیت کم که برای حفاظت در برابر صاعقه کاملاً مناسب است، برای تحمل انرژی فرکانس شبکه به مدت چند دقیقه طراحی نشده است. داده‌های مرجع ایتون TC202005EN — محافظت در برابر اضافه‌ولتاژ برای ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

پشت سرعت‌گیر، آسیب‌ها آرام‌تر و در تست‌های معمولی کمتر قابل تشخیص هستند. سطوح عایق نازل‌ها نشانه‌های ردیابی از جرقه‌زنی را نشان می‌دهند. عایش سیم‌پیچ‌ها در نقطه‌ای که نوسان به اوج خود می‌رسد، سوراخ می‌شوند؛ و این سوراخ‌ها اغلب آنقدر کوچک هستند که تست نسبت دورها همچنان نتیجه مطلوبی بدهد. هسته داغ می‌شود، زیرا انحراف شار فراتر از حد طراحی است و گرما عامل اصلی کاهش عمر عایش است. شکست سرعت‌گیر معمولاً اولین خسارت است، نه تنها خسارت.

علائم دیگری نیز وجود دارد که اصلاً الکتریکی نیستند. واحدی که در حالت فرورزونانس قرار دارد، اغلب صدای غرش یا لرزشی با فرکانس پایین تولید می‌کند که با غرش معمولی ناشی از مگنتوشریکشن تفاوت دارد — نامنظم، ناهموار و آنقدر بلند که کارکنان آن را حتی قبل از عمل‌کرد هر رله‌ای متوجه می‌شوند. این صدا را به‌جای یک آزار، به‌عنوان یک سیگنال در نظر بگیرید.

 

قاطع‌کردن تک‌فاز، عاملی است که شما می‌توانید آن را کنترل کنید

 

از میان چهار شرایط، قاطع‌کردن نامتقارن تنها شرطی است که طراح می‌تواند با افزودن یک مورد ساده به مشخصات فنی، آن را حذف کند. قاطع‌کردن تک‌فاز در بانک ترانسفورماتور سه‌فاز — چه از طریق قاطع‌ها، چه از طریق سوئیچ فیوز سوخته‌شده، و چه از طریق سیستم بازبستن تک‌قطبی — باعث می‌شود بانک ترانسفورماتور به‌صورت جزئی برق‌دار شده و از طریق ظرفیتی به منبع متصل باشد؛ این پدیده دقیقاً عامل اولیهٔ رایج در سیستم‌های توزیع مجهز به کابل است.

استاندارد اِی‌آی‌ای‌ای سی۵۷.۱۰۵-۲۰۱۹، راهنمای کاربرد اتصالات ترانسفورماتور در سیستم‌های الکتریکی سه‌فاز، این تعاملات اتصالی و قاطع‌کردنی را به‌عنوان یک ملاحظهٔ طراحی — نه یک اتفاق غیرمنتظره — بررسی می‌کند: استاندارد اِی‌آی‌ای‌ای سی۵۷.۱۰۵-۲۰۱۹ (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . این استاندارد دقیقاً به‌خاطر این وجود دارد که تعامل بین اتصال ترانسفورماتور و مدار اطراف آن، تعیین‌کنندهٔ رفتار صحیح یا ناسالم سیستم است.

آنچه در محل کار مؤثر است، جذاب نیست. در همه‌جا که پیکربندی اجازه می‌دهد، سه فاز را با دستگاهی که به‌صورت گروهی کار می‌کند، همزمان قطع کنید، نه اینکه از قطع‌کننده‌های تک‌فاز استفاده کنید. در مواردی که استفاده از دستگاه‌های تک‌فاز اجتناب‌ناپذیر است، در حین قطع و وصل، بار مقاومتی کوچک و دائمی را روی ثانویه نگه دارید تا نوسان‌ها بتوانند در آن تلف شوند. مقاومت میراکننده یا مدار سرکوب فرورزونانس روی سیم‌پیچ، لایهٔ بعدی است و یک بازدارنده نوسان برای اضافه‌ولتاژهای موقت (نه صرفاً برای صاعقه) انتخاب شده، آخرین لایه است.

هیچ‌کدام از این اقدامات نیازی به تجهیزات پیچیده ندارد. بلکه طرح قطع و وصل و چرخهٔ کاری سرشارژر باید هم‌زمان با انتخاب ظرفیت ترانسفورماتور تعیین شوند، نه اینکه پس از کشیدن کابل انجام شوند.

پنج مورد که باید در درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ) گنجانده شوند

 

اتصال سیم‌پیچ و زمین‌کردن. مشخص کنید که آیا پذیرفتن اتصال ستارهٔ زمین‌شده در اولیه مجاز است یا خیر. اتصال مثلثی بدون زمین در اولیه، به‌ویژه در مسیرهای بلند کابلی، پرخطرترین پیکربندی موجود است و پاسخ به این سؤال، کل تصویر اضافه‌ولتاژ را تغییر می‌دهد.

نوع دستگاه اصلی قطع‌کننده. کلید بارشکن سه‌فاز با عملکرد هم‌زمان، تکرار بستن سه‌فاز یا فیوزهای تک‌فاز. اگر استفاده از دستگاه‌های تک‌فاز اجتناب‌ناپذیر باشد، آن را ذکر کنید، زیرا این امر بر بازدارنده نوسان انتخاب.

ردهٔ مهارکننده‌ها، چرخهٔ کار، ولتاژ مؤثر حداکثر مجاز (MCOV) و توانایی تحمل ولتاژ بالای موقت تأثیر می‌گذارد. عبارت «مهارکننده‌ها شامل شده‌اند» مشخصات فنی محسوب نمی‌شود. از تأمین‌کننده درخواست کنید مهارکننده‌ای را ارائه دهد که بر اساس ولتاژ بالای موقت (نه صرفاً صاعقه) انتخاب شده باشد.

برنامهٔ کابل. سایز رسانا، طول و نوع عایق برای هر بخش از شبکهٔ اولیه. ظرفیت خازنی پوشش کابل نیز بخش دوم مدار تشدید است و در برنامهٔ نام‌برد قابل مشاهده نیست.

تضعیف ثانویه. آیا بار دائمی کوچک یا مقاومت تضعیف به‌صورت دائمی روی سمت ثانویه در زمان قطع‌ووصل باقی می‌ماند و این مقدار چند درصد از ظرفیت نامی است.

سوالاتی که سازندهٔ ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی زمین قبل از سفارش شما می‌پرسد

 

در هر پروژه‌ای که طول کابل اصلی بسیار زیاد باشد، اولین سندی که از شما درخواست می‌کنیم، فهرست برچسب‌های فنی نیست؛ بلکه نمودار تک‌خطی همراه با طول کابل‌ها و آرایش قطع‌کننده‌ها است، زیرا این دو مورد تعیین‌کنندهٔ این هستند که خطر اضافه‌ولتاژ ناچیز است یا واقعی. الف تولیدکننده‌ی ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه کسی که تنها بر اساس فهرست ترانسفورماتورها قیمت‌گذاری می‌کند، یک واحد را قیمت‌گذاری می‌کند، نه یک راه‌حل.

هر واحدی از یک دنبالهٔ استاندارد آزمون عبور می‌کند و تلفات بدون بار و جریان مغناطیس‌کننده در طول این فرآیند ثبت می‌شوند. این دو عدد ورودی‌هایی هستند که یک پرسش دربارهٔ فرورزونانس را از یک نظر شخصی به یک محاسبهٔ دقیق تبدیل می‌کنند؛ و در صورت درخواست، این اعداد را پیش از ارسال به مهندس مشاور شما ارسال خواهیم کرد.

رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت را در پایگاه تولیدی به مساحت ۱۲۰٬۰۰۰ مترمربع با بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و ۳۷ اختراع ساخته است. از سال ۲۰۲۳ این شرکت به‌عنوان شریک رسمی اتحاد مشترک اتون فعالیت می‌کند؛ و این یکی از دلایلی است که ما هماهنگی سوئیچینگ و محافظ انفجار را بخشی از حوزهٔ ترانسفورماتور در نظر می‌گیریم، نه مسئله‌ای که بر عهدهٔ شخص دیگری باشد.

الگویی که به‌طور مکرر در پروژه‌های تقسیم‌بندی شهرک‌های آمریکای شمالی مشاهده می‌شود، استفاده از یک واحد سه‌فاز کوچک — بین ۷۵ کیلوولت‌آمپر تا ۵۰۰ کیلوولت‌آمپر — در انتهای یک خط جانبی زیرزمینی بلند است که از طریق قطع‌کننده‌های تک‌فاز تغذیه می‌شود و باری را تأمین می‌کند که تا یک سال دیگر وجود نخواهد داشت. تمام شرایط ذکرشده در فهرست همزمان رخ می‌دهند و محل پروژه برای ماه‌ها بدون بار می‌ماند. وقتی طراح سوئیچ عملیاتی گروهی را انتخاب کرده و در طول راه‌اندازی بار مقاومتی کوچکی را روی سمت ثانویه نگه می‌دارد، خرابی‌های محافظ انفجار متوقف می‌شوند.

اگر واحد‌های نصب‌شده روی پد را در یک سیستم تغذیه‌شده از طریق کابل مشخص می‌کنید، لطفاً قبل از ثبت سفارش، نمودار تک‌خطی و برنامه کابل‌ها را برای ما ارسال کنید. ما آرایش قطع‌ووصل، مشخصات بازداشتن‌کننده‌ها و میرایی ثانویه را در برابر مدار واقعی شما بررسی خواهیم کرد و به شما خواهیم گفت که کدام یک از چهار حالت را دارید — و کدام یک از آن‌ها را قبلاً از طراحی خود حذف کرده‌اید. این گفت‌وگویی است که تولیدکننده‌ی ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه باید قبل از ثبت سفارش، نه پس از اولین خرابی بازداشتن‌کننده، با شما انجام شود.

درباره نویسنده

این مقاله توسط تیم مهندسی ترانسفورماتورهای رایان الکتریک تهیه شده است. رایان الکتریک (شرکت رایان الکتریک جیانگسو محدود) ترانسفورماتورهای خشک نوع رزین ریخته‌گری‌شده و VPI، ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن و واحدهای نصب‌شده روی پد را در پایگاه تولیدی ۱۲۰۰۰۰ مترمربعی خود طراحی و تولید می‌کند و به پروژه‌های مراکز داده، صنعتی، برق‌رسانی و زیرساخت در آمریکای شمالی، جنوب شرق آسیا، خاورمیانه و آفریقا خدمات ارائه می‌دهد.