مقدمه

نحوه انتقال برق در ترانسفورماتور، ترانسفورماتورها از جمله اساسی‌ترین و کلیدی‌ترین تجهیزات صنعت برق به شمار می‌آیند که نقش حیاتی در انتقال، توزیع و مصرف انرژی ایفا می‌کنند. کاربرد گسترده این تجهیزات در شبکه‌های برق باعث شده است تا نحوه عملکرد و انتقال انرژی الکتریکی در آن‌ها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار باشد. فهم فرآیند انتقال برق در ترانسفورماتورها نه تنها برای طراحان شبکه‌های قدرت بلکه برای کارشناسان بهره‌برداری و تعمیرات نیز ضروری است. این مقاله به طور تخصصی و کاربردی فرایند انتقال برق در انواع مختلف ترانسفورماتور، مبانی تئوری، نکات فنی و مسائل عملیاتی را بررسی می‌کند.

فصل اول: اصول بنیادین ترانسفورماتور

۱.۱ تعریف و عملکرد

ترانسفورماتور دستگاهی است الکتریکی که وظیفه اصلی آن تبدیل ولتاژ متناوب (AC) در سطح معین به ولتاژهایی با سطوح متفاوت است، بدون اینکه فرکانس شبکه را تغییر دهد. ساختار اصلی یک ترانسفورماتور متشکل از دو یا چند سیم‌پیچ (coil) است که بر روی هسته‌ای از جنس آهن نرم قرار می‌گیرند. این سیم‌پیچ‌ها به ترتیب سیم‌پیچ اولیه (Primary winding) و سیم‌پیچ ثانویه (Secondary winding) نام دارند.

۱.۲ اساس فیزیکی انتقال برق

اصل بنیادین انتقال برق در ترانسفورماتور بر پایه قانون القای فاراده است. هنگامی که ولتاژ متناوب به سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود، جریان متناوبی از آن عبور کرده و میدان مغناطیسی متغیر زمانی در هسته ایجاد می‌کند. این میدان مغناطیسی متناوب، خطوط شار را در هسته ترانسفورماتور عبور داده و سبب القای ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود. بر اساس تعداد دورهای هر سیم‌پیچ، ولتاژ القاشده قابل تغییر خواهد بود.

۱.۳ ترانسفورماتور ایده‌آل و واقعی

در مدل ایده‌آل فرض می‌شود که کلیه شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه از هسته عبور کرده و هیچ گونه تلفات مغناطیسی یا الکتریکی وجود ندارد و افت ولتاژ سیم‌پیچ‌ها ناچیز است. اما در عمل، تلفات اهمی، تلفات هیسترزیس و فوکو و همچنین شار نشتی وجود دارد که باید در طراحی و بهره‌برداری مدنظر قرار گیرند.

فصل دوم: اجزای ترانسفورماتور و نقش هر یک در انتقال برق

۲.۱ هسته (Core)

هسته مغناطیسی ترانسفورماتور معمولا از ورق‌های نازک فولاد سیلیکونی ساخته می‌شود تا تلفات فوکو و هیسترزیس کاهش یابد. وظیفه هسته، تبدیل انرژی الکتریکی سیم‌پیچ اولیه به انرژی مغناطیسی و سپس تسهیل انتقال آن به سیم‌پیچ ثانویه است.

۲.۲ سیم‌پیچ‌ها

سیم‌پیچ‌ها به صورت مارپیچی و از جنس مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند. سیم‌پیچ اولیه به شبکه تغذیه و سیم‌پیچ ثانویه به سمت بار یا نقطه مصرف متصل می‌گردد. نسبت تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه به ثانویه تعیین‌کننده نسبت تبدیل ولتاژ است.

۲.۳ عایق‌بندی و خنک‌کاری

عایق‌بندی بین سیم‌پیچ‌ها (کاغذ عایق، روغن عایق یا رزین اپوکسی) مانع وقوع اتصال کوتاه بین دورها می‌شود. سیستم خنک‌کاری (هوا، روغن یا ترکیبی) به منظور انتقال حرارت ناشی از تلفات اهمی و مغناطیسی طراحی می‌شود.

۲.۴ تانک و تجهیزات جانبی

در ترانسفورماتورهای قدرت، از محفظه فلزی (تانک) برای نگهداری هسته و سیم‌پیچ‌ها و همچنین روغن عایق استفاده می‌شود. تجهیزات جانبی شامل شیر تبخیر، رله گاز بوخهولتز، دریچه‌های فشار و ترمومترهاست.

فصل سوم: نحوه انتقال برق و تحلیل فرآیند القایی

۳.۱ فرآیند القای الکترومغناطیسی

در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مغناطیسی، ابتدا جریان سینوسی ورودی از سیم‌پیچ اولیه میدان مغناطیسی متغیر در زمان به وجود می‌آورد. این میدان سبب عبور شار مغناطیسی از هسته شده و با برش دادن سیم‌پیچ ثانویه بر اساس قانون القای فاراده، ولتاژ ثانویه القا می‌شود.

۳.۲ نسبت تبدیل و روابط توان

نسبت ولتاژهای دو سیم‌پیچ متناسب با نسبت دورهای آن‌ها است.

توان ورودی در شرایط ایده‌آل برابر توان خروجی است.

در ترانسفورماتور واقعی، باید تلفات را نیز در نظر گرفت.

۳.۳ مدار معادل ترانسفورماتور

مدار معادل ترانسفورماتور جهت تحلیل ولتاژها و جریان‌ها استفاده می‌شود. در این مدل، مقاومت‌های معادل سیم‌پیچ‌ها، امپدانس نشتی و تلفات هسته به صورت معادل قرار می‌گیرند. تحلیل آن به اپراتور اجازه می‌دهد تا تنظیمات مناسب انجام دهد و تلفات را به حداقل برساند.

فصل چهارم: انواع ترانسفورماتور و کاربرد آن‌ها

۴.۱ ترانسفورماتور قدرت

این ترانسفورماتورها در شبکه انتقال و فوق توزیع استفاده می‌شوند و ظرفیت انتقال آن‌ها از چند مگاولت‌آمپر تا چند صد مگاولت‌آمپر است. در این نوع، طراحی ویژه جهت تحمل جریان هجومی بالا و ضربه‌های ولتاژ رعایت می‌شود.

۴.۲ ترانسفورماتور توزیع

در شبکه توزیع شهری و روستایی استفاده می‌شوند و ظرفیت کمتر (معمولا تا چند هزار کیلوولت‌آمپر) دارند. عایق‌بندی سطوح پایین‌تر و ابعاد کوچک‌تر وجه تمایز این نوع است.

۴.۳ ترانسفورماتور ابزاردقیق (CT و VT)

جهت اندازه‌گیری و حفاظت، ترانسفورماتورهای جریان (Current Transformer) و ولتاژ (Voltage Transformer) در شبکه استفاده می‌شوند. این ترانسفورماتورها ولتاژ یا جریان شبکه اصلی را به مقادیر کوچک و قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند.

۴.۴ ترانسفورماتور ایزولاسیون

برای جداسازی گالوانیکی مصرف‌کننده از شبکه برق استفاده می‌شود و خروجی را نسبت به نقاط زمین جدا می‌کند.

فصل پنجم: عوامل مؤثر بر کیفیت انتقال برق در ترانسفورماتور

۵.۱ تلفات در ترانسفورماتور

الف. تلفات مسی (Ohmic Loss)

ب تلفات آهن (تلفات هسته)

مرکب از:
– تلفات هیسترزیس (ناشی از خاصیت مغناطیسی فولاد)
– تلفات فوکو (جریان‌های گردابی القا شده در هسته)

ج. شار نشتی

همه شار مغناطیسی تولیدشده از طریق هسته به سیم‌پیچ ثانویه منتقل نمی‌شود و مقداری نشتی از هسته و فضا عبور می‌کند که راندمان را کاهش می‌دهد.

۵.۲ تنظیم ولتاژ و پاسخ دینامیکی

در بارگذاری‌های بالا، افت ولتاژ در سیم‌پیچ‌ها رخ می‌دهد. تنظیم ولتاژ (Voltage Regulation) به معنای حفظ سطح ولتاژ خروجی ترانسفورماتور در دامنه مشخصی با وجود تغییرات بار الکتریکی است.

۵.۳ پدیده اشباع هسته

زمانی که چگالی شار مغناطیسی بیش از ظرفیت مجاز هسته شود، هسته به اشباع می‌رسد. این حالت سبب افزایش شدید تلفات و اختلال در عملکرد ترانسفورماتور می‌گردد.

فصل ششم: مسائل عملیاتی و نگهداری در انتقال برق ترانسفورماتور

۶.۱ نکات مهم بهره‌برداری

– پیش از روشن کردن ترانسفورماتور باید اطمینان حاصل شود که مسیر سیم‌پیچ‌ها، سالم و عایق‌بندی بدون ضعف است.
– بررسی سلامت کلیدها، برق‌گیرها و سیستم‌های حفاظتی پیش از بهره‌برداری الزامی است.
– انجام تست نسبت تبدیل و تست عایقی قبل از برقدار کردن ترانسفورماتور

۶.۲ مشکلات رایج و رفع آن‌ها

الف. گرم شدن بیش از حد

دلیل: تلفات بیش از اندازه، عبور جریان هجومی و یا مشکلات خنک‌کاری
راهکار: بررسی و تعویض سیستم خنک‌کننده، بازبینی اتصالات و نظارت بر مصرف جریان

ب. تخلیه جزئی و ضعف عایق

مسبب وقوع اتصال کوتاه، جرقه‌زنی و حتی انفجار بالقوه است
راهکار: انجام تست گاز محلول در روغن (DGA)، تعویض یا فرآوری روغن عایق

ج. نفوذ آب یا رطوبت

سبب کاهش مقاومت عایقی می‌شود
راهکار: بررسی دوره‌ای محفظه و اجرای تعمیرات عایقی مناسب

۶.۳ بازرسی و تعمیر پیش‌بینانه

بازرسی دوره‌ای توسط تست‌های استاندارد نظیر اندازه‌گیری مقاومت عایق، تست تانژانت دلتا، تست بار و بی‌باری، مانع از وقوع خرابی‌های سنگین و افزایش طول عمر ترانسفورماتور خواهد شد.

فصل هفتم: طراحی عملی ترانسفورماتور برای بهینه‌سازی انتقال برق

۷.۱ انتخاب جنس و مقطع هسته

استفاده از ورق‌های سیلیکونی با ضخامت کمتر باعث افزایش بازده و کاهش تلفات هسته می‌گردد.

۷.۲ انتخاب سطح مقطع و تعداد دورها

محاسبه دقیق سیمن‌پیچ‌ها جهت حداقل کردن تلفات مسی و افزایش راندمان انجام می‌شود. به کار بردن سیم‌هایی با سطح مقطع مناسب، استقامت گرمایی و الکتریکی را نیز تضمین می‌کند.

۷.۳ سیستم‌های خنک‌کاری

در ترانسفورماتورهای قدرت، طراحی سیستم‌های خنک‌کاری به شیوه‌های OFAF (روغن‌گردشی با فن)، ONAF (خنک‌کاری روغنی-هوایی) یا حتی سیستم‌های پیشرفته با پمپ و کالکتور انجام می‌شود.

فصل هشتم: حفاظت و ایمنی در انتقال برق ترانسفورماتور

۸.۱ حفاظت جریان زیاد و اتصال کوتاه

رله‌های حفاظتی و کلیدهای مناسب باید برای محافظت سیم‌پیچ‌ها و جلوگیری از آسیب‌های جدی در برابر جریان هجومی یا اتصال کوتاه نصب شوند.

۸.۲ حفاظت از بارزدیاد ولتاژ

نصب برق‌گیر یا آرس‌تر برای جلوگیری از آسیب ناشی از صاعقه و بارزیاد ولتاژ اهمیت زیادی دارد.

۸.۳ حفاظت از حرارت

ترمومترها و رله‌های دما جهت اعلام اخطار یا قطع اضطراری ترانسفورماتور در هنگام افزایش دما به کار می‌روند.

فصل نهم: مطالعات موردی و کاربردهای واقعی

۹.۱ انتقال قدرت در شبکه فوق توزیع

در شبکه‌های فوق توزیع (مثلاً از نیروگاه تا پست‌های شهری) معمولاً ترانسفورماتورهایی با ولتاژ بالا (400/230 کیلوولت) و توان بالا به کار می‌روند. این ترانسفورماتورها جهت کم کردن تلفات و رساندن برق به فواصل دور استفاده می‌شوند.

۹.۲ مصارف صنعتی

در صنایع سنگین، ترانسفورماتورهای ویژه با قابلیت تحمل ضربات الکتریکی و قابلیت کار مداوم نیاز است. طراحی آن‌ها با توجه به نوع بار صنعتی و پایداری مورد نیاز صورت می‌گیرد.

۹.۳ کاربرد در نیروگاه‌های خورشیدی و بادی

ترانسفورماتورهای مخصوص انرژی‌های تجدیدپذیر برای اتصال پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی به شبکه، باید بتوانند با نوسانات شدید، شرایط ویژه شبکه و کیفیت توان روبرو شوند.

فصل دهم: آینده تکنولوژی ترانسفورماتور و توسعه‌های نوین

۱۰.۱ ترانسفورماتورهای فوق هادی (Superconducting Transformers)

با کاهش تلفات مسی و افزایش راندمان، استفاده از مواد فوق‌هادی در حال رشد است. این فناوری می‌تواند تأثیر چشم‌گیری در کاهش مصرف انرژی جهانی داشته باشد.

۱۰.۲ ترانسفورماتورهای هوشمند (Smart Transformers)

مجهز به سنسورها و قابلیت کنترل از راه دور، می‌توانند وضعیت سلامت، بارگذاری، دما و تشخیص عیب را به صورت آنلاین انجام دهند.

۱۰.۳ ترانسفورماتورهای خشک و رزینی

در محیط‌های حساس (مانند ساختمان‌ها، بیمارستان‌ها) که خطر آتش‌سوزی یا آلودگی محیطی وجود دارد، ترانسفورماتورهای خشک (Cast Resin) کاربرد چشم‌گیر پیدا کرده‌اند.

جمع‌بندی

ترانسفورماتورها در قلب شبکه‌های برق قرار دارند و کیفیت و پایداری انتقال برق تا حد زیادی به دقت طراحی، نگهداری، بهره‌برداری صحیح از آن‌ها بستگی دارد. فهم عمیق از عملکرد، تلفات، حفاظت و تعمیرات این تجهیزات به کارشناسان و متخصصین کمک می‌کند تا بتوانند با چالش‌های روزمره و بحران‌های شبکه‌های قدرت مقابله کنند. ارتقای فناوری‌های موجود و حرکت به سمت ترانسفورماتورهای هوشمند و کم‌تلفات، آینده‌ای مطمئن‌تر و پایدار برای صنعت برق رقم خواهد زد.