«مبدل‌های انرژی» در سیستم‌های شبکه برق و تکامل فناوری

در سیستم‌های قدرت مدرن، نوعی تجهیزات وجود دارد که مانند یک "هاب انرژی" ضروری است - انتهای تولید برق و پایان مصرف برق را به هم متصل می‌کند و از طریق القای الکترومغناطیسی دقیق، تبدیل سطوح ولتاژ را متوجه می‌شود و تضمین می‌کند که تلفات برق در حین انتقال از راه دور کاهش می‌یابد، در حالی که نیازهای انرژی متنوع تولید صنعتی و زندگی ساکنان را برآورده می‌کند. به این نوع تجهیزات ترانسفورماتور قدرت می گویند. از ترانسفورماتورهای پله‌آپ در نیروگاه‌های بزرگ، تا ترانسفورماتورهای توزیع در پست‌های شهری، و سپس به ترانسفورماتورهای اختصاصی در کارگاه‌های کارخانه، از کل زنجیره انتقال و توزیع برق عبور می‌کند و تجهیزات اصلی پشتیبانی کننده تامین انرژی اجتماعی است.

I. اصل اصلی ترانسفورماتورهای قدرت: "جادوی انرژی" القای الکترومغناطیسی

اساس کار ازترانسفورماتورهای قدرتاز قانون القای الکترومغناطیسی کشف شده توسط فارادی در قرن نوزدهم نشات گرفته است. منطق هسته را می توان به عنوان یک فرآیند تبدیل انرژی "مغناطیس مولد الکتریسیته و مغناطیس مولد الکتریسیته" خلاصه کرد: وقتی سیم پیچ اولیه (انتهای ورودی) ترانسفورماتور به منبع تغذیه جریان متناوب متصل شود، جریان یک میدان مغناطیسی متناوب در هسته آهنی ایجاد می کند. هنگامی که این میدان مغناطیسی از سیم پیچ ثانویه (ترمینال خروجی) عبور می کند، یک نیروی الکتروموتور متناظر در سمت ثانویه القا می شود و در نهایت یک جریان متناوب متناسب با ولتاژ سمت اولیه خروجی می شود.

در این فرآیند، کلید تبدیل ولتاژ در نسبت چرخش سیم پیچ های اولیه و ثانویه نهفته است. با توجه به اصل القای الکترومغناطیسی، نسبت ولتاژ اولیه (U1) به ولتاژ ثانویه (U2) برابر است با نسبت تعداد دورهای سمت اولیه (N1) به تعداد دورهای سمت ثانویه (N2)، یعنی U11/U2 = U11/U2/N. به عنوان مثال، ولتاژ خروجی یک نیروگاه معمولاً 10 تا 25 کیلو ولت است. برای دستیابی به انتقال برق از راه دور (کاهش تلفات خط مستلزم افزایش ولتاژ است)، یک ترانسفورماتور افزایش دهنده ولتاژ را از طریق "سیم پیچ ثانویه چند دور" به 110 کیلو ولت، 220 کیلوولت یا حتی 1000 کیلوولت افزایش می دهد. هنگامی که برق به شهر یا انتهای کاربر منتقل می شود، ترانسفورماتور توزیع ولتاژ بالا را به 10 کیلوولت (برای مصارف صنعتی) یا 220 ولت / 380 ولت (برای مصارف مسکونی و تجاری) از طریق "سیم پیچ ثانویه کمتر" کاهش می دهد و تطابق ولتاژ "تولید - انتقال - توزیع" را تکمیل می کند.

شایان ذکر است که در حالت ایده آل، توان ورودی و خروجی یک ترانسفورماتور برابر است (با نادیده گرفتن تلفات هسته و تلفات مقاومت سیم پیچ)، بنابراین ولتاژ و جریان یک رابطه نسبت معکوس دارند - هنگامی که ولتاژ افزایش می یابد، جریان کاهش می یابد (کاهش اتلاف حرارت خط)، و زمانی که ولتاژ کاهش می یابد، جریان پایانه جریان تقاضای تجهیزات را افزایش می دهد. این مشخصه دقیقاً کلید انتقال کارآمد نیرو است.

دوم ساختار هسته: اثر هم افزایی چهار جزء اصلی

عملکرد یک ترانسفورماتور قدرت به طراحی و سطح ساخت چهار جزء اصلی آن بستگی دارد که به طور مشترک کارایی، پایداری و عمر تجهیزات را تعیین می کنند.

1. هسته: "حامل مسیر" میدان مغناطیسی

هسته، هسته مدار مغناطیسی ترانسفورماتور است. وظیفه آن هدایت میدان مغناطیسی متناوب برای عبور متمرکز و کاهش نشت میدان مغناطیسی (یعنی "از دست دادن مغناطیسی") است. برای کاهش تلفات جریان گردابی تولید شده توسط هسته در یک میدان مغناطیسی متناوب (اتلاف حرارت ناشی از گردش جریان در هسته)، هسته‌های ترانسفورماتور مدرن معمولاً با لایه‌بندی ورق‌های فولادی با سیلیکون بالا ساخته می‌شوند - ضخامت ورق‌های فولادی سیلیکونی فقط 0.3-0.5 میلی‌متر است و سطوح آنها با پوشش عایق جریان می‌توانند مسیر را مسدود کنند. طراحی ساختاری هسته (مانند روش لایه‌بندی و فرآیند اتصال) مستقیماً بر میزان تلفات مغناطیسی تأثیر می‌گذارد. در حال حاضر، جریان اصلی فن آوری های "مصلاح پله ای" یا "اتصال شیبدار" توانسته اند تلفات هسته را در سطح بسیار پایین نگه دارند.

2. سیم پیچ: "کویل هسته" برای تبدیل انرژی الکتریکی

سیم پیچ (که معمولاً به عنوان "کویل" شناخته می شود) بخش مدار یک ترانسفورماتور است که به سیم پیچ اولیه (مرتبط به منبع تغذیه) و سیم پیچ ثانویه (مرتبط به بار) تقسیم می شود. معمولاً با سیم های مسی یا آلومینیومی پیچیده می شود (سیم های مسی هدایت الکتریکی بهتر و تلفات کمتری دارند و اغلب در ترانسفورماتورهای با ظرفیت بالا استفاده می شوند). فرآیند سیم پیچ سیم پیچ ها باید به شدت چگالی آرایش سیم ها، ضخامت عایق و کانال های دفع گرما را کنترل کند. کاغذ عایق یا لاک عایق پیچیده شده در اطراف لایه بیرونی سیم‌ها باید در برابر تست شکست تحت ولتاژ بالا مقاومت کند (معمولاً درجه عایق برای رسیدن به کلاس A، کلاس B یا کلاس H لازم است که مربوط به محدودیت‌های مقاومت درجه حرارت بالایی است). در همین حال، ساختار سیم پیچ باید کانال های روغن یا کانال های هوا را ذخیره کند تا اطمینان حاصل شود که گرمای تولید شده در حین کار می تواند به موقع دفع شود.

3. مخزن سوخت و سیستم خنک کننده: "ضمانت اتلاف حرارت" تجهیزات

هنگامی که یک ترانسفورماتور در حال کار است، هسته و سیم پیچ ها تلفات ایجاد کرده و آنها را به گرما تبدیل می کنند. اگر دما خیلی بالا باشد، پیری عایق را تسریع کرده و حتی باعث ایجاد ایراد می شود. بنابراین، مخزن روغن و سیستم خنک کننده کلید تضمین ایمنی تجهیزات هستند: داخل مخزن روغن با روغن ترانسفورماتور پر می شود (که هم عملکرد عایق و هم اتلاف گرما دارد) و گرما از طریق همرفت طبیعی یا گردش اجباری روغن به دیواره مخزن منتقل می شود. نمای بیرونی مخزن سوخت معمولاً مجهز به هیت سینک (یا لوله های دفع گرما) است که سطح تماس با هوا را افزایش می دهد و اتلاف گرما را تسریع می کند. برای ترانسفورماتورهای با ظرفیت بالا (مانند ترانسفورماتورهای بالای 50MVA)، سیستم های خنک کننده با گردش روغن اجباری (OFAF) یا سیستم های خنک کننده هدایت شده با گردش اجباری روغن (ODAF) نیز مجهز شده اند. از طریق اثر هماهنگ پمپ روغن و فن، راندمان اتلاف گرما بیشتر می شود.

4. دستگاه های عایق و حفاظت: «موانع ایمنی» تجهیزات

علاوه بر عایق دور پیچ سیم پیچ ها،ترانسفورماتورهمچنین باید به چندین عایق و اجزای حفاظتی مجهز شود:

بوش عایق: برای هدایت سیم های خروجی سیم پیچ از داخل مخزن روغن استفاده می شود و نیاز به مقاومت در برابر ولتاژ بالا و شرایط جوی دارد. معمولاً از پرسلن یا مواد عایق کامپوزیت (مانند رزین اپوکسی) ساخته می شود.

شیر کاهش فشار: هنگامی که در مخزن سوخت به دلیل نقص (مانند اتصال کوتاه) مقدار زیادی گاز تولید می شود و فشار به شدت بالا می رود، شیر به طور خودکار باز می شود تا فشار کاهش یابد و از انفجار مخزن سوخت جلوگیری شود.

رله گاز: نصب شده روی خط لوله بین مخزن نفت و کابینت ذخیره روغن، هنگامی که یک خطای جزئی (تولید مقدار کمی گاز) یا یک خطای جدی (تصادف جریان روغن) در داخل ترانسفورماتور رخ دهد، یک سیگنال هشدار ایجاد می کند یا مستقیماً منبع تغذیه را قطع می کند.

دماسنج: دمای روغن در مخزن سوخت را در زمان واقعی کنترل می کند. هنگامی که دما از آستانه تعیین شده فراتر رفت، زنگ هشداری را برای اطمینان از آسیب نرسیدن به تجهیزات به دلیل گرمای بیش از حد صادر می کند.

III. انواع و کاربردها: "راه حل های سفارشی سازی انرژی" متناسب با سناریوهای مختلف

با توجه به تفاوت در سطح ولتاژ، ظرفیت، روش خنک کننده یا کاربرد، ترانسفورماتورهای قدرت را می توان به انواع مختلفی طبقه بندی کرد تا با پیوندهای مختلف سیستم قدرت سازگار شود.

بر اساس سطح ولتاژ: پوشش کل زنجیره "تولید - انتقال - توزیع نیرو"

ترانسفورماتور پله‌آپ: در یک نیروگاه قرار دارد و خروجی ولتاژ پایین (10-25 کیلوولت) توسط ژنراتور را به ولتاژ بالا (110kV-1000kV) برای انتقال برق در مسافت‌های طولانی با ظرفیت معمولی 100-1000MVA افزایش می‌دهد.

ترانسفورماتورهای کاهنده: آنها به "کاهش شبکه اصلی" (مانند 220 کیلوولت تا 110 کیلوولت) و "کاهش شبکه توزیع" (مانند 110 کیلوولت به 10 کیلوولت، 10 کیلوولت تا 0.4 کیلوولت) طبقه بندی می شوند. اولی برای تامین برق در شبکه های برق منطقه ای استفاده می شود، در حالی که دومی به طور مستقیم به کاربران صنعتی یا مناطق مسکونی خدمت می کند.

ترانسفورماتورهای ولتاژ فوق العاده بالا: با سطوح ولتاژ 750 کیلوولت و بالاتر (مانند ترانسفورماتورهای فشار قوی 1000 کیلوولت در چین)، آنها تجهیزات اصلی در پروژه های انتقال ولتاژ فوق العاده بالا (مانند "انتقال برق از غرب به شرق") هستند و نیاز به مقاومت در برابر جریان های بسیار دشوار و جریان های بسیار دشوار با ولتاژ انسانی دارند.

2. طبقه بندی شده توسط روش خنک کننده: سازگار با ظرفیت های مختلف و شرایط محیطی

ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن: با استفاده از روغن ترانسفورماتور به‌عنوان محیط خنک‌کننده، ساختاری بالغ و هزینه نسبتاً پایینی دارد و برای پست‌های فضای باز یا سناریوهای با ظرفیت بالا (بیش از 80 درصد کل بازار را به خود اختصاص می‌دهد) مناسب است.

ترانسفورماتورهای نوع خشک: از هوا یا نیتروژن به عنوان محیط خنک کننده استفاده می کنند، دارای درجه عایق بالا (معمولاً کلاس H) و مقاومت خوبی در برابر آتش هستند. آنها برای ساختمان های بلند، مترو، بیمارستان ها و مکان های دیگر با الزامات ایمنی بالا در برابر آتش مناسب هستند و ظرفیت آنها عمدتا زیر 20MVA است.

3. طبقه بندی بر اساس استفاده: نیازهای برق تخصصی را برآورده کنید

ترانسفورماتور توزیع: رایج ترین نوع است که برای کاهش ولتاژ بالای 10 کیلوولت به ولتاژ پایین 0.4 کیلو ولت، تامین ساختمان های مسکونی، مغازه ها و غیره استفاده می شود، با ظرفیتی که عمدتا از 50 تا 1600 کیلوولت آمپر است.

ترانسفورماتور یکسو کننده: مورد استفاده در تجهیزات یکسو کننده صنعتی (مانند آلومینیوم الکترولیتی، آبکاری)، جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند و نیاز به تطبیق با تاثیر هارمونیک بارهای غیرخطی دارد.

ترانسفورماتور کوره الکتریکی: به طور خاص برای کوره های الکتریکی صنعتی (مانند کوره های قوس الکتریکی و کوره های القایی) طراحی شده است، ولتاژ پایین و جریان بالا را خروجی می دهد و نیاز به ظرفیت اضافه بار قوی دارد.

اتوترانسفورماتور: سیم پیچ های اولیه و ثانویه قسمتی از سیم پیچ را به اشتراک می گذارند که اندازه کوچک و تلفات کمی دارد. اغلب برای تنظیم ولتاژ در سیستم های انتقال ولتاژ بالا (مانند ترانسفورماتورهای اتصال در سیستم های 500 کیلوولت) استفاده می شود.

Iv. عملیات و نگهداری و روندهای فناوری: از "عملیات پایدار" تا "ارتقای هوشمند"

عمر طراحی ازترانسفورماتورهای قدرتمعمولا 20 تا 30 سال است، اما عمر واقعی آنها به سطح بهره برداری و نگهداری بستگی دارد. هسته اصلی تعمیر و نگهداری روزانه در «جلوگیری از عیوب» نهفته است که عمدتاً شامل موارد زیر است:

نظارت بر کیفیت روغن: به طور منظم از دست دادن دی الکتریک، ولتاژ شکست و رطوبت روغن ترانسفورماتور را برای جلوگیری از بدتر شدن کیفیت روغن و کاهش عملکرد عایق آزمایش کنید.

آزمایش عایق: از طریق آزمایش های مقاومت عایق، آزمایش های تلفات دی الکتریک و غیره، وضعیت عایق بین سیم پیچ ها و هسته ارزیابی می شود.

نظارت بر دما: ردیابی در زمان واقعی دمای روغن و دمای سیم پیچ برای جلوگیری از عملیات اضافه بار.

تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط: با استفاده از فناوری‌های نظارت آنلاین (مانند نظارت آنلاین گازهای محلول در نفت و نظارت آنلاین تخلیه جزئی)، وضعیت تجهیزات را می‌توان در زمان واقعی درک کرد و جایگزین «تعمیر و نگهداری منظم» سنتی و کاهش زمان خرابی شد.

با اتصال به شبکه در مقیاس بزرگ منابع انرژی جدید (نیروی بادی، برق فتوولتائیک) و ساخت شبکه های هوشمند، فناوری ترانسفورماتور قدرت در سه جهت اصلی در حال تکامل است:

راندمان بالا و صرفه جویی در انرژی: با استفاده از ورق های فولادی سیلیکونی القایی مغناطیسی بالا، هادی های کم تلفات، و بهینه سازی ساختار هسته، تلفات بدون بار و تلفات بار کاهش می یابد و الزامات بهره وری انرژی تحت اهداف "کربن دوگانه" برآورده می شود (به عنوان مثال، استاندارد ملی جدید چین GB2 20022 برای مبدل های انرژی با درجه کارآمدی بالاتری را ارائه می دهد).

ارتقاء هوشمند: با ادغام سنسورها، ماژول‌های iot و قابلیت‌های محاسبات لبه، درک بلادرنگ وضعیت تجهیزات، هشدار اولیه خطا و کنترل از راه دور را امکان‌پذیر می‌سازد. به عنوان مثال، روند پیری عایق را از طریق الگوریتم‌های هوش مصنوعی پیش‌بینی می‌کند و زمان‌بندی تعمیر و نگهداری را از قبل انجام می‌دهد.

انطباق با انرژی جدید: در پاسخ به نوسانات و متناوب بودن تولید انرژی جدید، "ترانسفورماتورهای ویژه انرژی جدید" با محدوده تنظیم ولتاژ گسترده و مقاومت هارمونیک قوی ایجاد کنید. در همان زمان، طراحی مدولار را برای برآوردن نیازهای دسترسی انعطاف پذیر نیروگاه های فتوولتائیک توزیع شده و ذخیره انرژی بررسی کنید.