کار موازی ترانسفورماتورها: تقسیم بار، تطبیق درصد امپدانس (%Z)، و اشتباهاتی که باعث توقف خدمات شرکت‌های توزیع برق می‌شوند

دو تابستان پیش، یک شرکت توزیع برق در تگزاس ترانسفورماتور دومی با ظرفیت ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر و نوع پد-مونتد را کنار ترانسفورماتور موجود نصب کرد تا بار فیدر مسکونی رو به رشد را تحمل کند. طرح ساده به نظر می‌رسید: اتصال ثانویه‌ها به یک اتوبوس مشترک و واگذاری تقسیم بار به هر دو ترانسفورماتور. در نقشه، مشخصات نام‌پلاک هر دو ترانسفورماتور با هم همخوانی داشت. اما در محل، اولین تلاش برای اتصال منجر به صدای غرش بلند، پف کردن فیوز سمت ولتاژ پایین و قطعی زیراستان برای یک بعدازظهر شد. علت این اتفاق، عیب در تجهیزات نبود — بلکه عدم تطابق امپدانس بود که کسی پیش از روشن‌کردن سیستم آن را بررسی نکرده بود. کارکرد موازی ترانسفورماتورها در نمودار تک‌خطی ساده به نظر می‌رسد، اما جزئیاتی را که کسی تأیید نکرده، سخت مجازات می‌کند.

دلیل اینکه شرکت‌های توزیع برق و نیروگاه‌ها ترانسفورماتورها را به‌صورت موازی به‌کار می‌برند

استفاده همزمان از دو واحد روی یک باس دیگر مورد خاصی محسوب نمی‌شود. بار با سرعتی بیشتر از آنچه که یک واحد تکی بتواند سفارش داده و تحویل داده شود، رشد می‌کند؛ بنابراین مالکان ظرفیت را به‌صورت مرحله‌ای افزایش می‌دهند: اکنون یک ترانسفورماتور نصب می‌کنند و زمانی که فیدر پر شد، واحد دوم را به‌صورت موازی به آن متصل می‌کنند. شرکت‌های توزیع برق واحدها را به‌صورت موازی به‌کار می‌برند تا بتوانند یکی از آنها را برای تعمیرات خارج کنند بدون اینکه مشتریان قطع برق شوند. صنایع نیز ترانسفورماتورهای کوچک را به‌صورت موازی استفاده می‌کنند، زیرا دو واحد فشرده در ساختمان جای می‌گیرند درحالی‌که یک واحد بزرگ نمی‌تواند در آنجا جای گیرد. در تمام این موارد هدف یکسان است: یک باس، دو منبع تغذیه و تقسیم خودکار بار.

نکته مهم این است که واحدهای موازی تنها در صورتی بار را به‌گونه‌ای که انتظار دارید تقسیم می‌کنند که ویژگی‌های الکتریکی آنها با یکدیگر هماهنگ باشند. اگر حتی یکی از شرایط لازم رعایت نشود، این جفت واحد دیگر مانند یک بانک ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری واحد رفتار نمی‌کند، بلکه مانند دو ماشین که با یکدیگر درگیر هستند عمل می‌کنند. عیوب ناشی از این وضعیت شامل گرم‌شدن بیش از حد، عملکرد فیوزها و قطع‌شدن سیستم‌های حفاظتی می‌شود — و این اتفاقات همیشه در بدترین زمان رخ می‌دهند، معمولاً پس از اینکه گفت‌وگوی مربوط به ضمانت‌نامه به پایان رسیده است.

 

شرایط اتصال ایمن ترانسفورماتورها به‌صورت موازی

پیش از اتصال دو ترانسفورماتور به یک اتوبوس مشترک، پنج شرط باید برقرار باشد:

• ترتیب فاز یکسان و جابه‌جایی فاز یکسان (گروه برداری). یک واحد Dyn11 بدون ایجاد مشکل زاویه‌ای فاز نمی‌تواند با یک واحد Dyn1 یا Yyn0 به‌صورت موازی کار کند.
• نسبت ولتاژ در تنظیم عملیاتی یکسان باشد، با دقتی حدود ۰٫۵ درصد. موقعیت‌های تنظیم غیراساسی نیز محسوب می‌شوند — هر دو واحد باید روی یک تنظیم یکسان قرار داشته باشند.
• امپدانس درصد تقریباً یکسان باشد، با حداکثر اختلاف حدود ۱۰ درصد. هرچه مقادیر %Z به هم نزدیک‌تر باشند، تقسیم بار عادلانه‌تر خواهد بود.
• ظرفیت کوتاه‌مدار و سیستم حفاظتی سازگون باشند. اتوبوس، فیوزها و قطع‌کننده‌ها باید بتوانند جریان خطا را که از ترکیب هر دو واحد ناشی می‌شود، تحمل کنند.
• فرکانس سیستم یکسان و یک مرجع مشترک وجود داشته باشد — دو واحد طراحی‌شده برای شبکه‌های متفاوت نباید روی یک اتوبوس قرار گیرند.

این‌ها تا زمانی که پروژهٔ واقعی روی میز نباشد، شبیه خطوط کتاب درسی به نظر می‌رسند. مهندسان ما قبل از هر پیشنهاد موازی، مقادیر اندازه‌گیری‌شده از گزارش‌های آزمون روتین را — نه وعده‌های صفحهٔ نام‌برد — با یکدیگر مقایسه می‌کنند. مقادیر اندازه‌گیری‌شدهٔ %Z و نسبت اندازه‌گیری‌شده در تنظیم عملیاتی واقعی، عامل تصمیم‌گیری دربارهٔ امکان اشتراک امن اتصال دو واحد روی یک اتوبوس هستند.

 

اشتراک بار و %Z: جایی که ریاضیات وارد عمل می‌شود

قانون اصلی کارکرد موازی ترانسفورماتورها آن بار است که بر امپدانس تقسیم می‌شود، نه بر حسن نیت. برای دو واحد با توان نامی یکسان، توان ظاهری (kVA) هر کدام به طور معکوس متناسب با درصد امپدانس خودشان (%Z) است: واحدی که امپدانس پایین‌تری دارد، سهم بزرگ‌تری از بار را تحمل می‌کند. فرض کنید دو واحد ۱۰۰۰ kVA وجود دارد که روی پلاک نامی آنها مقادیر ۵٫۵ درصد و ۶٫۵ درصد امپدانس درج شده است. در مجموع بار بانک برابر با ۲۰۰۰ kVA، واحد ۵٫۵ درصدی تلاش می‌کند تا حدود ۱۰۸۳ kVA را تحمل کند — یعنی ۱۰۸ درصد توان نامی خود — در حالی که واحد ۶٫۵ درصدی تنها ۹۱۷ kVA را تحمل می‌کند. واحد با امپدانس پایین‌تر هنگامی به ۱۰۰ درصد بار می‌رسد که مجموع بار بانک تنها حدود ۱۸۴۶ kVA باشد، یعنی تقریباً ۹۲ درصد از ظرفیتی که صاحب بانک برای آن پرداخت کرده است.

بانک: دو واحد ۱۰۰۰ kVA	%Z نامتجانس (۵٫۵٪ / ۶٫۵٪)	%Z متجانس (۵٫۵٪ / ۵٫۵٪)
تقسیم بار در مجموع ۲۰۰۰ kVA	۱۰۸۳ kVA / ۹۱۷ kVA (۱۰۸٪ / ۹۲٪)	۱۰۰۰ kVA / ۱۰۰۰ kVA (۱۰۰٪ / ۱۰۰٪)
ظرفیت قابل استفاده بانک پیش از اینکه یکی از واحدها به ۱۰۰ درصد بار برسد	تقریباً ۱۸۴۶ kVA (۹۲٪)	۲۰۰۰ kVA (۱۰۰٪)
ریسک در بار کامل ترانسفورماتور	واحد با امپدانس پایین‌تر داغ می‌شود، سریع‌تر فرسوده می‌شود و قطع می‌کند	هیچ ریسکی از نظر امپدانس وجود ندارد

به همین دلیل، دو واحد «مشابه» با امپدانس‌های نامی تفاوتی به اندازه یک نقطه کامل دارند که باعث کاهش ظرفیت بانک حتی قبل از روشن‌شدن آن می‌شوند. راه‌حل، استفاده از فیوز بزرگ‌تر نیست. بلکه یا باید در مشخصات فنی امپدانس‌ها را هماهنگ کرد — از هر دو کارخانه مقادیر اندازه‌گیری‌شده را در تنظیم اصلی بخواهید — یا ظرفیت کل بانک را کاهش داد و این موضوع را در تنظیمات حفاظتی ذکر کرد.

برای تقسیم بار ترانسفورماتور همین قانون معکوس برای توان‌های نامی متفاوت نیز اعمال می‌شود: هر واحد مقدار توان نامی خود را تقسیم بر امپدانس درصدی‌اش تأمین می‌کند و تنها زمانی که مقادیر امپدانس درصدی نزدیک باشند، بار به‌صورت متناسب بین دو واحد تقسیم می‌شود. وقتی صاحب پروژه از ما می‌پرسد که آیا یک واحد ۷۵۰ کیلوولت‌آمپری می‌تواند با یک واحد ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپری موازی شود، پاسخ ما با همین سؤال آغاز می‌شود: امپدانس‌های اندازه‌گیری‌شده چقدر هستند و هر دو واحد در کدام تنظیم (تَپ) کار خواهند کرد؟

 

جریان گردشی: اتفاقی که می‌افتد وقتی نسبت‌های تبدیل با هم تطابق ندارند

تفاوت نسبت ولتاژ باعث ایجاد جریانی می‌شود که حتی زمانی که باری روی اتصال موازی دو واحد وجود ندارد، بین آن دو جریان می‌یابد. مهندسان به آن جریان گردشی می‌گویند و این جریان تنها توسط مجموع امپدانس دو واحد محدود می‌شود. به‌عنوان بررسی سریع، تفاوت ۲٫۵ درصدی در تنظیمات تپ دو واحد با امپدانس ۵٫۵ درصدی هرکدام، تقریباً جریان گردشی معادل ۰٫۰۲۵ تقسیم‌بر (۰٫۰۵۵ + ۰٫۰۵۵) — یعنی حدود ۲۳ درصد جریان نامی را در حالت بی‌بار ایجاد می‌کند. این جریان باعث اتلاف توان، گرم‌شدن هر دو مخزن و افزایش دمای سیم‌پیچ‌ها بدون انجام هیچ کار مفیدی می‌شود. تفاوت ۰٫۵ درصدی در نسبت ولتاژ جریان گردشی در حالت بی‌بار را به حدود ۵ درصد می‌رساند؛ به همین دلیل قاعدهٔ کلی این است که «نسبت ولتاژ را در محدودهٔ نیم درصد هماهنگ کنید.»

ناسازگاری نسبت همچنین باعث اعوجاج در تقسیم بار تحت بار می‌شود، واحد با نسبت بالاتر را به سمت اضافه تحریک و جفت را به سمت گرمایش نامتعادل سوق می‌دهد. اشتباهات زاویه فاز بدتر است: اتصال واحدهایی با گروه‌های برداری ناسازگار در عمل اتصال کوتاه از طریق شین است و سیستم حفاظت قبل از اینکه کسی وقت خواندن کنتور را داشته باشد فعال می‌شود. همه نصب‌های موازی که تاکنون شاهد آن بوده‌ایم با بررسی توالی فاز در شین شروع می‌شوند — نه به این دلیل که مهندسان به پلاک‌ها بی‌اعتماد هستند، بلکه به این خاطر که یافتن یک کابل معکوس از یافتن یک بانک سوخته ارزان‌تر است.

 

مواردی که باید قبل از اتصال موازی در گزارش آزمایش بررسی شوند

هر واحدی که ارسال می‌کنیم شامل یک گزارش آزمایش روتین با اعداد مورد نیاز برای مطالعه موازی است. قبل از اتصال موازی یک ترانسفورمر جدید با سخت‌افزار موجود، این پنج مقدار را از گزارش هر دو واحد استخراج کنید:

• %Z اندازه‌گیری‌شده در تپ اصلی، بر روی پایه یکسان — نه مقدار تضمین‌شده در پلاک.
• نسبت ولتاژ اندازه‌گیری‌شده در تپ کاری، از جمله تپ‌های غیرمعمولی که قصد استفاده از آن‌ها را دارید.
• گروه برداری یا جابه‌جایی فاز، به علاوه بررسی ترتیب فاز در محل پیش از اولین بسته‌شدن.
• تلفات بدون بار و تلفات تحت بار — این دو مقدار بازده جفت ترانسفورماتور را تعیین می‌کنند و تفاوت‌های هسته یا سیم‌پیچی را آشکار می‌سازند.
• موقعیت و محدوده تغییردهنده تپ، تا هر دو واحد بتوانند روی یک تپ مشترک تنظیم شوند و در آن بمانند.

روش‌های آزمونی که این اعداد را تولید می‌کنند در استاندارد IEEE C57.12.90 تعریف شده‌اند، کد استاندارد آزمون ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در مایع و قراردادهای نام‌برد و رده‌بندی از IEC 60076-1 گرفته شده‌اند که حوزه کاربرد آن مربوط به صفحه فروشگاه اینترنتی IEC است. اگر تأمین‌کننده نتواند داده‌های اندازه‌گیری‌شده امپدانس و نسبت را برای دقیقاً همان واحد ارائه دهد، آن واحد نباید برای موازی‌سازی با هر چیز دیگری انتخاب شود.

 

آنچه در رایان الکتریک پیش از ارسال دو واحد بررسی می‌شود

از سال ۲۰۲۳ شریک مشترک اتون هستیم؛ دارای مجوزهای UL، CSA، IEEE و DEKRA در پورتفولیوی خود، پایگاه تولیدی ۱۲۰۰۰۰ مترمربعی و ۳۷ اختراع ثبت‌شده‌ایم. سفارش‌های آمادهٔ موازی‌سازی را صرفاً به‌عنوان یک کار مستندسازی، نه تعهدی، در نظر می‌گیریم. وقتی خریدار اعلام می‌کند دو واحد روی یک اتوبوس کار می‌کنند، ما درصد امپدانس اندازه‌گیری‌شده (%Z) را در تپ‌های اصلی و غیراسمی ثبت می‌کنیم، آزمون‌های استاندارد را بر اساس IEEE C57.12.90 انجام می‌دهیم و مقادیر امپدانس و نسبت را در گزارش آزمون به‌گونه‌ای بیان می‌کنیم که مهندس محلی بدون نیاز به تماس تلفنی با کارخانه بتواند از آن استفاده کند.

راهنمایی عملی کوتاه است. در کارکرد موازی ترانسفورماتورها جفت‌ها تنها تا جایی خوب هستند که ضعیف‌ترین پارامتر تطبیق‌یافته باشد — و ضعیف‌ترین پارامتر معمولاً در جزئیات ریز گزارش آزمونی پنهان است که هیچ‌کس آن را با سایر گزارش‌ها مقایسه نکرده است. اگر قصد افزودن یک واحد به بانک موجود را دارید، گزارش آزمون واحد قدیمی را همراه با درخواست پیش‌فاکتور (RFQ) خود ارسال کنید؛ ما پیش از ارائه پیش‌فاکتور، مقایسه امپدانس و نسبت را انجام می‌دهیم. این یک گام ساده بوده که ناهماهنگی‌هایی را شناسایی کرده است که در روز اول باعث کاهش ظرفیت بانک یا سوختن فیوز می‌شد.

آیا قصد موازی‌کردن ترانسفورماتور جدید با تجهیزات موجود را دارید؟ گزارش آزمون واحد موجود و مشخصات فنی واحد جدید را از طریق ryantransformers.com ارسال کنید — مهندسان ما سازگاری درصد امپدانس (%Z)، نسبت تبدیل و گروه برداری را بررسی کرده و واحدهایی را پیشنهاد می‌دهیم که بار را دقیقاً مطابق با آنچه در نمودار تک‌خطی (single-line diagram) پیش‌بینی شده است، تقسیم می‌کنند.

درباره نویسنده — این مقاله توسط تیم مهندسی رایان الکتریک نوشته شده است، شریک مشترک اتون و سازندهٔ ترانسفورماتورهای دارای گواهینامهٔ UL/CSA در جیانگسو، چین، که به مشتریان برق، انرژی‌های تجدیدپذیر و صنعتی در آمریکای شمالی، جنوب شرق آسیا، خاورمیانه و آفریقا خدمات ارائه می‌دهد.