حفاظت از ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن: رله بوخهلتس، جریان اضافی و مشخصات دیفرانسیلی که خریداران باید بدانند

یک مدیر تدارکات برای یک پیمانکار معدنی شیلی‌ای در جولای با ما تماس گرفت و سؤالی را مطرح کرد که بیشتر از آنچه خریداران انتظار دارند، شنیده می‌شود: اگر او یک ترانسفورماتور ۱۵ مگاولت‌آمپری را از کارخانه ما سفارش دهد، سیستم حفاظتی به‌صورت یکپارچه در این سفارش گنجانده می‌شود یا باید جداگانه تأمین شود؟ پاسخ کوتاه این است که هر دو حالت ممکن است. دستگاه‌های نصب‌شده روی مخزن همراه با واحد ارسال می‌شوند، اما تنظیمات رله، نسبت‌های ترانسفورماتور جریان (CT) و منطق قطع باید به‌صورت مشترک با مهندس حفاظتی خریدار تعیین شوند — و بیشتر خرابی‌هایی که در محل اتفاق می‌افتند و ما برای رفع آنها فراخوانده می‌شویم، به این مرحله انتقال مسئولیت، نه خود ترانسفورماتور، بازمی‌گردند. ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن یک مدیر تدارکات برای یک پیمانکار معدنی شیلی‌ای در جولای با ما تماس گرفت و سؤالی را مطرح کرد که بیشتر از آنچه خریداران انتظار دارند، شنیده می‌شود: اگر او یک ترانسفورماتور ۱۵ مگاولت‌آمپری را از کارخانه ما سفارش دهد، سیستم حفاظتی به‌صورت یکپارچه در این سفارش گنجانده می‌شود یا باید جداگانه تأمین شود؟ پاسخ کوتاه این است که هر دو حالت ممکن است. دستگاه‌های نصب‌شده روی مخزن همراه با واحد ارسال می‌شوند، اما تنظیمات رله، نسبت‌های ترانسفورماتور جریان (CT) و منطق قطع باید به‌صورت مشترک با مهندس حفاظتی خریدار تعیین شوند — و بیشتر خرابی‌هایی که در محل اتفاق می‌افتند و ما برای رفع آنها فراخوانده می‌شویم، به این مرحله انتقال مسئولیت، نه خود ترانسفورماتور، بازمی‌گردند.

محافظه‌گری به یک دلیل وجود دارد: عیب داخلی، انرژی تولید می‌کند که مخزن برای نگهداری بی‌پایان آن طراحی نشده است. با امپدانس معمولی ۷ درصد، عیب صلب در ترمینال‌ها می‌تواند جریان را به بیش از چهارده برابر رتبه‌بندی نامی افزایش دهد. اتصال کوتاه سیم‌پیچ درون مخزن این انرژی را در مدت چند میلی‌ثانیه به روغن منتقل می‌کند. وظیفهٔ طرح محافظه‌گری این است که رویداد را زودهنگام — از طریق الکتریکی، هیدرولیکی یا حرارتی — تشخیص دهد و واحد را پیش از پاره‌شدن مخزن یا اشتعال روغن قطع کند.

 

در واقع چه نوع محافظه‌گری‌ای روی ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن ارسال می‌شود

حفاظت ترانسفورماتور در یک ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن به دو گروه تقسیم می‌شود. اول، دستگاه‌هایی که روی خود تانک نصب می‌شوند: رله گاز بوخهلتس در لوله بین تانک اصلی و کنسرواتور، دستگاه اطمینان از فشار روی درپوش تانک، نشانگرهای دمای روغن و پیچش‌ها با تماس‌های هشداردهنده، و نشانگر سطح روغن. دوم، رله‌های محافظتی خارجی در یک کابینت یا پنل نیروگاه فرعی: عملکردهای جریان اضافی، تفاضلی و اتصال به زمین که قطع‌کننده را در سمت اولیه فعال می‌کنند.

این تقسیم‌بندی برای خریداران اهمیت دارد. دستگاه‌های نصب‌شده روی تانک بخشی از محدوده ترانسفورماتور هستند — کارخانه آن‌ها را نصب، سیم‌کشی و آزمایش می‌کند. طرح رله‌های خارجی معمولاً در فلسفه محافظت پروژه تعریف می‌شود و تنظیمات آن متعلق به شرکت توزیع برق یا مهندس محافظت شرکت اجرایی است. رایج‌ترین شکافی که مشاهده می‌کنیم این است: خریدار فرض می‌کند محدوده کارخانه شامل هماهنگی رله‌ها می‌شود، و مهندس محافظت فرض می‌کند ترانسفورماتور با یک پنل محافظتی کاملاً سیم‌کشی‌شده تحویل داده شده است. هر دو اشتباه می‌کنند و راه‌اندازی متوقف می‌شود.

 

رله بوخهولتز: تنها دستگاهی که به درون مخزن نگاه می‌کند

The رله بوخهلتس این رله در لوله‌ای قرار دارد که مخزن اصلی را به مخزن ذخیره‌ساز متصل می‌کند و در حالت عادی کاملاً پر از روغن است. این دستگاه دو نوع نشانه متفاوت از خرابی را تشخیص می‌دهد. خرابی‌های آهسته — مانند پیرشدن عایق، اتصال شل یا ت discharge جزئی کوچک — گاز تولید می‌کنند که به سمت بالا حرکت کرده و در محفظه رله جمع می‌شود. هنگامی که حجم گاز به آستانه مرحله اول برسد، شناوری فرو می‌رود و تماس هشدار را می‌بندد. خرابی‌های شدید، مانند اتصال کوتاه بین دو فاز در پیچش‌ها، باعث ایجاد جریان ناگهانی روغن در لوله می‌شوند. این جریان صفحه مانع را منحرف کرده و تماس قطع را تقریباً بلافاصله می‌بندد؛ سریع‌تر از آنچه هر اندازه‌گیری الکتریکی در نقطه‌ای پایین‌دست بتواند واکنش نشان دهد.

در آزمایشگاه آزمون ما، هر رله بوخهلتس پیش از نصب، این قطعه در آزمایشگاه مورد آزمون قرار می‌گیرد. برای اطمینان از عملکرد صحیح شناور هشدار در حجم گاز تعیین‌شده، هوا را از طریق ورودی روغن وارد می‌کنیم؛ سپس آزمون نوسان (سرج) انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که تماس قطع فعال می‌شود و سیم‌کشی به جعبه مارشالینگ می‌رسد. عکس‌هایی از سیم‌کشی تماس ثبت و در مستندات آزمون کارخانه (FAT) ذخیره می‌شوند، زیرا در یک سایت دورافتاده، اتصال نادرست تماس هشدار ممکن است باعث شود تکنسین یک روز کامل صرف ردیابی آن کند. این موضوع ظاهراً جزئی به نظر می‌رسد، اما همین جزئیات کوچک هستند که تصمیم می‌گیرند آیا اولین خطا منجر به هشدار می‌شود یا قطع غیرضروری.

جزئیات نصب جایی است که رله‌های گاز شهرت خود را کسب می‌کنند. رله باید در حالت افقی نصب شود و فلش روی آن به سمت منبع ذخیره‌سازی روغن (کانسروراتور) اشاره کند — زیرا در شرایط عادی، جریان روغن در همین جهت است و گاز نیز از همین مسیر حرکت می‌کند. روزی به محلی سر زدیم که رله با واشرهای فلنجی نصب شده بود که حباب هوای قابل مشاهده‌ای را به دام انداخته بود؛ در نتیجه، در عرض یک هفته آلارم به دلیل تجمع گازی که هرگز ناشی از عیبی نبود، فعال شد. نقطه نمونه‌برداری روغن و شیر آزمایشی رله دو قطعه‌ای هستند که پیش از بسته‌بندی دستگاه، بهتر است محل آن‌ها مشخص شود، چون هر دو در طول سال اول بهره‌برداری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

حفاظت از جریان اضافی و حفاظت تفاضلی: معنای اعداد دستگاه‌ها

حفاظت خارجی با اعداد دستگاه ANSI/IEEE بیان می‌شود و سه عددی که در تقریباً تمام سفارش‌های رده توزیع دیده می‌شوند، ۵۰، ۵۱ و ۸۷T هستند. 50جریان اضافی لحظه‌ای است: این نوع حفاظت در برابر جریان عیبی بسیار بالاتر از جریان بار، به سرعت عمل می‌کند. 51جریان اضافی با تأخیر زمانی است: این سیستم با دستگاه‌های پایین‌دست هماهنگ می‌شود تا در صورت بروز خطا در فیدر، قطع‌کننده در سطح فیدر و نه ترانسفورماتور عمل کند. ۸۷T حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور است: این سیستم جریان ورودی به سیم‌پیچ اولیه را با جریان خروجی از سیم‌پیچ ثانویه مقایسه می‌کند که از طریق ترانسفورماتورهای جریان (CT) در هر دو سمت اندازه‌گیری شده‌اند و در صورت عدم تطابق این دو جریان، رله عمل می‌کند — سریع‌ترین و قابل‌اطمینان‌ترین روش برای تشخیص خطاهای سیم‌پیچی درون مخزن.

The راهنمای IEEE برای حفاظت از ترانسفورماتورهای قدرت (IEEE C37.91-2021) محدودهٔ کاربرد خود را برای واحدهای سه‌فاز با ظرفیت نامی بالاتر از ۵ مگاولت‌آمپر و ولتاژ کاری بالاتر از ۱۰ کیلوولت تعریف می‌کند و توصیه می‌کند که در این سطح از ظرفیت، یک طرح کامل حفاظتی — شامل حفاظت دیفرانسیل — به‌کار گرفته شود. در ظرفیت‌های پایین‌تر، استفاده از فیوزها یا رله‌های جریان اضافی هماهنگ‌شده روشی رایج است؛ به همین دلیل ترانسفورماتورهای توزیع کوچک معمولاً دارای حفاظت دیفرانسیل نیستند، در حالی که یک ترانسفورماتور قدرت ۱۵ مگاولت‌آمپری باید این حفاظت را داشته باشد. اگر مهندس حفاظت شما برای ترانسفورماتوری با ظرفیت بالاتر از این حد درخواست حفاظت دیفرانسیل نکرده است، دلیل آن را بپرسید. این راهنما یک مرجع عمومی است و پیش از ارسال هر درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ) بعدی، مطالعهٔ آن توصیه می‌شود.

فلسفهٔ تنظیمات موضوعی مستقل است، اما یک عدد در واژگان هر خریداری باید وجود داشته باشد: جریان ورودی ترانسفورماتور. وقتی یک ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن روشن می‌شود، جریان مغناطیس‌کننده ممکن است در چند سیکل اول پیش از کاهش، به هشت تا دوازده برابر جریان نامی برسد. یک عنصر جریان زیاد لحظه‌ای که مقدار آن پایین‌تر از این سطح تنظیم شده باشد، در هر روشن‌کردن عادی واحد را قطع می‌کند. به همین دلیل است که عناصر ۵۰ بالاتر از جریان ورودی تنظیم می‌شوند یا به‌طور مختصر در لحظهٔ بسته‌شدن مسدود می‌گردند، عناصر ۵۱ با حفاظت فیدر پایین‌دست هماهنگ می‌شوند و رله‌های دیفرانسیل از محدودیت هارمونیک استفاده می‌کنند — یعنی جریان ورودی را نادیده می‌گیرند اما همچنان خطاهاى داخلی واقعی را تشخیص می‌دهند. تأمین‌کنندهٔ شما این تنظیمات را انتخاب نمی‌کند؛ مهندس حفاظت شما این کار را انجام می‌دهد. آنچه کارخانهٔ ترانسفورماتور باید تحویل دهد، داده‌های آزمایشی است — امپدانس، منحنی اشباع و تلفات بدون بار — که انجام مطالعهٔ هماهنگی را ممکن می‌سازد.

 

شیر اطمینان فشار، دماسنج و سطح روغن: سایر اجزای طرح

سه دستگاه دیگر که روی مخزن نصب می‌شوند نیز باید در مشخصات فنی شما ذکر شوند. دستگاه اطمینان از فشار، در صورتی که فشار داخلی مخزن سریع‌تر از توانایی رله گاز برای پاسخ‌دهی افزایش یابد، آن را تخلیه می‌کند — به این دستگاه می‌توان به عنوان شیر ایمنی مکانیکی این سیستم اشاره کرد. نشانگر دمای روغن و نشانگر دمای پیچش‌ها هر دو دارای تماس‌های هشدار و قطع هستند که معمولاً بر اساس دمای روغن در بالاترین نقطه تنظیم می‌شوند؛ این دما متناظر با افزایش میانگین دمای پیچش‌ها به میزان ۶۵ کلوین در طراحی است. همچنین، نمایشگر سطح روغن با قابلیت هشدار سطح پایین، نشت‌های آهسته‌ای را تشخیص می‌دهد که رله گاز قادر به شناسایی آن‌ها نیست؛ زیرا تخلیه کامل مخزن انبساط معمولاً پیش از اینکه به یک رویداد حفاظتی تبدیل شود، نشانه‌ای از مشکل نگهداری است.

یک نکته درخواست پیش‌فاکتور (RFQ): لیست تماس‌ها را بخواهید. مشخص کنید که هر دستگاه باید چند تماس اضافی برای هشدار و قطع داشته باشد، این تماس‌ها آیا برای ولتاژ کنترل مستقیم (DC) تابلوی شما (معمولاً ۲۴، ۴۸، ۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت DC) رتبه‌بندی شده‌اند، و آیا جعبهٔ مارشالینگ شامل بلوک‌های ترمینال، هیتر و صفحات گلندها است یا خیر. افزودن تماس‌ها پس از تحویل، هزینه‌ای بسیار بالاتر از حد معمول دارد. مشخص کردن آن‌ها تنها یک خط در درخواست پیش‌فاکتور (RFQ) را اشغال می‌کند.

 

آزمون‌های کارخانه‌ای که عملکرد حفاظت را اثبات می‌کنند

حفاظت تنها به اندازهٔ سیم‌کشی پشت آن خوب است، بنابراین ما دو بار آزمون انجام می‌دهیم. ابتدا آزمون‌های الکتریکی معمولی تحت IEEE C57.12.00 : نسبت تبدیل، قطبیت، مقاومت سیم‌پیچ، تلفات بدون بار و تحت بار، امپدانس و آزمون‌های عایقی. سپس آزمون‌های بررسی حفاظتی که هرگز در فهرست آزمون‌های معمولی ذکر نمی‌شوند: تأیید قطبیت و نسبت ترانسفورماتور جریان (CT)، بررسی پیوستگی از هر تماس هشدار تا ترمینال‌های جعبهٔ مارشالینگ، و آزمون تزریق اولیه که در آن جریانی را از طریق ترانسفورماتورهای جریان (CT) عبور می‌دهیم تا اطمینان حاصل شود رله مقدار و جهت صحیح جریان را تشخیص می‌دهد.

 

 

سال گذشته، بازرس شخص ثالث یکی از مشتریان درخواست حضور در آزمون تزریق اولیه بر روی یک واحد ۲۰ مگاولت‌آمپری که قرار بود به جنوب شرق آسیا صادر شود را داد. این آزمون باعث شد که یکی از ثانویه‌های ترانسفورماتور جریان (CT) که در جعبه مارشالینگ با قطبیت معکوس متصل شده بود، شناسایی شود. این نقص در کارخانه کشف شد و رفع آن دو ساعت طول کشید. اما اگر این نقص در محل نصب کشف می‌شد، در اولین بار وصل برق منجر به عملکرد نادرست رله دیفرانسیل می‌شد — و البته گفت‌وگویی دربارهٔ شکایت که هیچ‌کس تمایلی به انجام آن ندارد. به همین دلیل بخش آزمون پیش از تحویل (FAT) مربوط به حفاظت، همان‌قدر که اعداد تلفات در گزارش آزمون اهمیت دارند، نیازمند توجه دقیق است.

رله‌های عددی اکنون کاری را انجام می‌دهند که قبلاً نیازمند دیواری از واحدهای الکترومکانیکی بود؛ و در بسیاری از پروژه‌ها، داده‌های رله از طریق پروتکل‌هایی مانند Modbus یا IEC 61850 جمع‌آوری می‌شود، نه صرفاً از طریق یک تماس خشک. فارغ از پروتکل انتخابی شما، سؤال اصلی در کارخانه همچنان یکسان است: آیا حلقه حفاظتی به‌صورت تمام‌عیار — از ترمینال‌های ترانسفورماتور جریان (CT) تا سیم‌پیچ عمل‌کرد قطع‌کننده — تست شده است؟ حتی اگر رله به‌درستی پیکربندی شده باشد، ممکن است در صورت باز بودن ثانویه CT یا اتصال نادرست سیم عمل‌کرد به ترمینال اشتباه، همچنان قادر به قطع نباشد؛ بنابراین انجام تست تمام‌عیار در مرحله FAT (تست پذیرش کارخانه‌ای) حداقل ده‌برابر ارزان‌تر از انجام همین تست در محل پروژه است.

 

شش سؤال برای درج در درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ)

1. کدام ابزارهای حفاظتی در کارخانه نصب و سیم‌کشی شده‌اند و کدام‌ها به‌صورت جداگانه ارسال می‌شوند؟
2. رله بوخهلتز: برند و مدل آن چیست؟ آیا مراحل هشدار و قطع در محیط آزمایشگاهی تست شده‌اند و عکس‌های مربوطه در پرونده FAT موجود است؟
3. ترانسفورماتورهای جریان (CT): نسبت تبدیل، رده دقت (مانند رده حفاظتی ۵P2۰) و نمودار قطبیت در نقشه‌ها درج شده‌اند؟
4. آیا ابزارهای اندازه‌گیری دما، سطح روغن و فشار، تماس‌های اضافی برای اتصال آینده به سیستم SCADA دارند؟
5. آیا گزارش آزمون کارخانه شامل تزریق اولیه CT و پیوستگی تماس است یا صرفاً آزمون‌های الکتریکی معمولی را پوشش می‌دهد؟
6. مستندات حفاظتی کدام‌ها همراه دستگاه ارسال می‌شوند — نمودارهای سیم‌کشی، راهنمای رله‌ها، گواهی‌های آزمون؟

دلیل اهمیت این موضوع در عمل این است: خریدار برقی که ما با او در خاورمیانه همکاری داریم، سفارش هر ایستگاه فرعی را بر اساس یک پلتفرم رله و یک مجموعه مشخص از مشخصات تماس استاندارد می‌کند. از سوی ما، این استانداردسازی به معنای یک برنامه سیم‌کشی یکسان، یک رویه آزمون یکسان و یک فهرست قطعات یدکی یکسان برای تمامی دستگاه‌هاست که زمان آزمون کارخانه (FAT) را کوتاه می‌کند و تحویل دستگاه به تیم راه‌اندازی وی قابل پیش‌بینی می‌سازد.

رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ در یک مجتمع به مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع، ترانسفورماتورهای توزیع و توان ساخته است و همکاری با اتون که از سال ۲۰۲۳ آغاز شده، تأمین قطعات و انضباط آزمون‌های نهایی کارخانه (FAT) را مطابق با انتظارات شرکت‌های برق جهانی نگه می‌دارد. سی و هفت اختراع ثبت‌شده و گواهی‌های UL، CSA، IEEE، DEKRA و CNAS این رویه‌ها را تأیید می‌کنند — هیچ‌یک از این موارد جایگزین تنظیمات مهندس حفاظت شما نمی‌شود، اما همه‌ی آن‌ها کار او را آسان‌تر می‌کنند.

اگر برای یک پروژه‌ی برق‌رسانی، معدن یا صنعتی ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن مشخص می‌کنید، داده‌های بار، ولتاژ سیستم و فلسفه‌ی حفاظتی خود را همراه با درخواستتان برای ما ارسال کنید. مهندسان ما قبل از اینکه شما سفارش خرید را صادر کنید، محدوده‌ی حفاظتی، برنامه‌ی آزمون و بسته‌ی اسناد را تأیید می‌کنند. از صفحه‌ی تماس ما استفاده کنید یا مستقیماً درخواست نقل‌قول دهید؛ ما با پاسخ‌هایی بازمی‌گردیم، نه با یک کاتالوگ.

درباره نویسنده این راهنمای کاربردی توسط تیم مهندسی و صادرات شرکت رایان الکتریک، یک سازنده ترانسفورماتور در چین که در سال ۲۰۰۷ تأسیس شده‌است، تهیه شده است. این تیم به خریداران برق‌رسانی، شرکت‌های EPC و صنایع در آمریکای شمالی، جنوب شرق آسیا، خاورمیانه و آفریقا در زمینه‌های مهندسی کاربردی، پشتیبانی از گواهینامه‌ها و اسناد آزمون کارخانه‌ای کمک می‌کند.