کنترل ولتاژ محورها؛ قسمت اول

جیمز اس. بوثول

15 می 2007

مترجم: رضاکیانی موحد

 الکتریسته ی ساکنی که توسط روتور یک توربین تولید می شود می تواند همان اثری را داشته باشد که هنگامی که شما در فصل زمستان و رطوبت کم پای خود را بر روی یک فرش می کشانید ایجاد می شود. با لمس کردن یک کلید برق معمولا یک قوس الکترکی بوجود می آید. الکتریسته ساکن بر روی محور توربینها در درجه اول توسط رطوبتی که از آخرین طبقه پره های آن سرازیر می شود ایجاد می شود. با طبیعتی تنبل، الکتریسیته ساکن ساده ترین راه را برای رسیدن به بدنه توربین انتخاب می کند: ایجاد قوس الکتریکی بر روی نزدیکترین قطعه به محور که معمولا تراست بیرینگ ها هستند(تصویر1).

تصویر1- عبور از یک مسیر مستقیم. به این علت است که تراست بیرینگ توربینهای با دور بالا بدون وسیله زمین کردن پس از 6 ماه کارکردن اینچنین می شوند.

در حالت ایده آل نزدیک ترین قطعه به محور باید وسیله زمین کردن داشته باشد که بتواند الکتریسته ساکن را از روتور به زمین منتقل کند. در بیشتر موارد -اما نه همیشه- این ولتاژ به یک یا دو ولت محدود می شود که نمی تواند قوس الکتریک ایجاد کند.

الکتریسیته ساکن تولید شد در محور توربین می تواند بین 1 تا 150 ولت متغیر باشد. مشاهده شده است که ولتاژ محور یک توربین با دور 20000 تا 30000 دور/دقیقه تا حدود 600 ولت هم رسیده است. الکتریسیته ساکن منتقل شده از محور به بیرینگها، بر روی سنسورهای مجاورتی تجهیزات سنجش لرزش نویز ایجادمی کنند. بازدیدها نشان می دهند که توربین و کمپرسور دارای کلرنسهای زیادی هستند که توسط روغن پر می شوند که خود دارای خواص عایقی است.

بعضی توربینها به وسیله زمین کردن محور مجهز نشده اند. برای جبران این نقیصه، مهندسین یک تسمه زمین بر روی آن نصب می کنند که ولتاژهای سوزنی ،که توسط تجهیزات لرزش سنج آشکار می شوند، را حذف کند و دامنه ولتاژ الکتریسیته ساکن را تا 0.01 ولت کاهش دهد. بررسی سوابق نشان می دهد که چگونه قبل از این وسایل زمین کردن محور توربین آسیب می بیند.

جریانهای گردابی

دو آسیب اصلی که به بیرینگهای نوع بابیت وارد می شوند عبارتند از "سرمازدگی" و "کرم توربین". کرم توربین یا "شیارهای کرم خوردگی" بر روی دندانه های جوشکاری شده کوپلینگهای چرخدنده ای و گیربوکس ها دیده می شوند. آنها اغلب به دلیل جریانهای گردابی ناشی از میدانهای مغناطیسی در تجهیزات دوار ایجاد می گردند (تصاویر 2 و 3). این جریان، بیشتر از ولتاژ به بیرینگها آسیب می رساند. اما چون اندازه گیری این گونه جریانها بر روی محور غیرعملی است به جایش دامنه ولتاژ را اندازه گیری می کنیم.

تصویر2- یک محور "سرمازده" شده.

تصویر 3- خوردگی های روی بابیت در اثر جریانهای گردابی

در زیر یک میکروسکوپ با بزرگنمایی X30، یک کرم توربین مانند یک رشته جوشکاری شده به نظر می رسد. آسیبهای وارد شده به بال بیرینگ ها و رول بیرینگها مانند موجهای راه راه (شبیه یک جاده شن بد شن پاشی شده) یا بدنه ورقه ورقه شده به نظر می رسد. چرخدنده ها و کوپلینگهای کرم زده می توانند با نشانه های قوس الکتریک یا جوشکاری بر روی دندانه هایشان یا سوراخهای ریز یا سرمازدگی شناخته شوند.

تصویر 5- اینجا یک کرم توربین ،که توسط اثرات الکترومغناطیسی ایجاد شده است، دیده می شود.

تصویر 6- کرمهایی که بر روی تراست بیرینگ یک کمپرسور پر سرعت ایجاد شده اند. توجه کنید که شیارها در یک جهت نیستند. آلودگی ها شیارهایی موازی هم ایجاد می کنند.

تولید یک ولتاژ متناوب به سه عنصر نیاز دارد: یک میدان مغناطیسی، یک سیم پیچ و حرکت نسبی این دو. جریان متناوب هنگامی ایجاد می شود که ولتاژ متناوب یک مسیر بسته را دور بزند. در مورد کمپرسور یا توربین، چرخش محور حرکت نسبی را ایجاد می کند و پره های توربین یک مسیر بسته را در خود هر پره می سازند.

عنصر سوم ،میدان مغناطیسی، اغلب توسط تعمیرکارانی که آزمایشهای مغناطیسی را بر روی پره های توربین انجام می دهند ایجاد می شود. این تعمیرکاران چند دور سیم را دور یک دسته از پره های می بندند و سپس سیم را به یک منبع جریان مستقیم با دامنه بالا وصل می کنند. زمانی که جریان مستقیم یک میدان مغناطیسی در سیم ایجاد می کند تعمیرکار اسپری زیگلو (یا مواد مشابه) را بر روی قطعه می پاشد و زیر "نور سیاه" آن را آزمایش می کند تا نشانه ای از خوردگی یا شکستگی را بر روی سطح قطعه ببینند. هر خوردگی در جایی که قطبهای شمال و جنوب مغناطیسی در طرفین آن ایجاد می شوند درخشان می شود.

پس از قطع شدن منبع تغذیه مستقیم، قطعات توربین یا کمپرسور خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کنند که این خاصیت به میزان جریان مستقیم، تعداد دور سیم پیچ و جنـس قطعه بستگی دارد. پسماند مغناطیسی که در قطعات باقی می ماند به دلیل تغییر جهت دو قطبی های مغناطیسی درون ماده است. برای از بین رفتن این خاصیت مغناطیسی لازم است که دوقطبیها دوباره به صورت تصادفی ،همان گونه که قبل از شروع آزمایش بودند، آرایش بیابند.

بعضی از تعمیرکاران باور دارند که می توانند این ذرات مغناطیسی را با جریان مستقیمی درجهت معکوس و در همان زمان آزمایش قبلی به وضعیت قبل از آزمایش بگردانند. ممکن است که این روش مفید باشد اما شرط می بندم که آنها راه بهتری برای این کار در دسترس دارند.

جریانهای گردابی در روتور و اجزای ثابت یک توربین در هنگام چرخیدن آن بوجود می آیند. این جریانها می توانند در اثر اجزای مغناطیس شده یک توربین، کمپرسور یا پمپ ایجاد شوند. عموما، این گونه جریانها ولتاژ پایین و دامنه ی بالایی دارند. اگر فاصله هوایی بین اجزای گردان و ثابت یا غیرهادی بیرینگها زیاد باشد قوس الکتریکی ایجاد نمی شود اما در عوض ولتاژهای متناوبی بر روی اجزا ایجاد می شوند که منتظر شانسی برای بسته شدن مسیرشان می مانند.

توربین، کمپرسور یا پمپ همچنین می توانند به صورتهای زیر مغناطیسی شوند:

·        قرار دادن پایه مغناطیسی دستگاه ها بر روی قطعات.

·        نگه داشتن یک قطعه در مکانی که حوزه مغناطیسی (مانند دریلهای برقی و ...) وجود دارد.

·        نزدیک بودن قطعه به سیم یک دستگاه جوشکاری با جریان مستقیم درحالیکه دستگاه دارد جوشکاری می کند.

تمام اجزای توربینها، کمپرسورها یا پمپها باید پس از آزمایشهای مغناطیسی یا شرایطی که آنها مغناطیس می شوند پسماند مغناطیسی خود را از دست بدهند. این میزان باید به کمتر از 2 گوس کاهش یابد.

پیشنهاد می شود که پس از انجام این فعالیتها بر روی قطعات یا دستگاه های خریداری شد تمام اجزای دستگاه غیرمغناطیسی شوند:

·        تستهای مغناطیسی.

·        آزمایشهای غیرمخرب.

·        بازبینی یا تعمیراتی که شامل جوشکاری یا استفاده از دستگاه هایی با خاصیت مغناطیسی بالا باشد.

به نظر می رسد که هر زمان که یک پمپ برای تعمیرات اساسی می رود مشکلات زیادی پیش رو داریم اما تجربیات چیز دیگری می گویند. به عنوان مثال:

یک پمپ با قدرت 5 اسب آسیب دیده و نیاز به تعمیر ایمپلر و بدنه دارد. پمپ به تعمیرگاه فرستاده می شود و پس از تعمیر سرجای خود نصب می شود. این پمپ قبل از اینکه به دلیل خرابی بیرینگ از کار بیافتد 9 ماه کار کرد. برای بار دوم پمپ به تعمیرگاه فرستاده شد و بیرینگهای آن تعویض گردید و مجددا سرجای خود نصب شد. در حدود 6 ماه بعد بیرینگها دوباره آسیب دیدند. این بار، بیرینگها را زیر یک میکروسکوپ X30 قرار دادند که شیارهای کرم زدگی ناشی از میدان مغناطیسی را آشکار کردند. پمپ را به تعمیرگاه فرستادند تا پس از تعمیر، پسماند مغناطیسی قطعات آن گرفته شود و دوباره سرجایش نصب شود. این پمپ 5 سال بدون اشکال کار کرد.

منبع

http://www.powermag.com/issues/features/Controlling-shaft-voltages_352.html

ساخت نیروگاه تبدیل نیروی باد به هیدروژن در اروپا

سونال پاتل

1 فوریه 2012

رضاکیانی موحد

کنسرسیومی از شرکتهای اروپایی ، با پشتیبانی مالی دولت آلمان فدرال، یک نیروگاه را در نزدیکی برلین به اتمام رسانده اند که انرژی باد را در فرآیند تجزیه آب (هیدرولیز) بکار می برد و از هیدروژن به دست آمده برای تولید انرژی و گرما استفاده می کند. این پروژه قسمتی از یک برنامه تحقیقاتی در زمینه تبدیل انرژی های تجدید پذیر به هیدروژن جهت ذخیره انرژی می باشد.

نیروگاه 6مگاواتی پرنزلاو (Prenzlau) درماه اکتبر  ،دو سال پس از آغاز ساختمان آن، تمام شد تا از باد هیدروژن بگیرد. این تکنولوژی مبتکرانه توسط شرکت سوئدی واتنفال هدایت شد و شرکتهای انرتاگ، توتال، زیمنس و دفتر تحقیقات و بودجه آلمان و سازمانهای محیط زیستی را به همراه خود دارد.

این نیروگاه شامل یک واحد بیوگاز، سه دستگاه توربین 2 مگاوات، دو تولید کننده مرکب گرما و انرژی و یک واحد هیدرولیز می باشد. زمانی که باد قوی باشد و نیاز اندکی به انرژی باشد هیدروژن ایجاد و ذخیره می گردد تا در روزهای بدون باد ،به همراه بیوگاز، برای تولید حرارت و الکتریسیته سوزانده شود. بر اساس اطلاعاتی که واتنفال منتشر کرده است این هیدروژن را می توان مستقیما در ماشینهایی که از سلولهای سوختی استفاده می کنند بکار برد.

به غیر از چند مشکل فنی، بزرگترین مشکل این پروژه هزینه بالای آن است. هزینه ساخت این نیروگاه 27.3 میلیون دلار بوده است و برآورد می شود که هر مگاوات برق تولیدی در آن هزینه ای بالغ بر 4.6 میلیون دلار داشته باشد. این مبلغ خیلی بیشتر از نیروگاه های گازی یا حرارتی معمولی است که هزینه تولید هر مگاوات برق در آنها بین 1.3 تا 1.95 میلیون دلار می باشد. یک گزارش دولت آلمان می گوید که برای ادامه توسعه این پروژه باید از هزینه های تولید کاسته شود.

با وجود قیمت بالا، واتن فال و شرکایش تصمیم دارند تا فعالیتهای آزمایشی خود برای ذخیره انرژی باد توسط تولید هیدروژن را در چند پروژه بزرگ دیگر ،که یکی از آنها در براندنبورگ آلمان واقع شده است، گسترش دهند. اولیور وینمان ، رییس یکی از واحدهای واتنفال مستقر در آلمان می گوید:" امروزه هیچ سیستمی برای جبران کردن تفاوت بین تولید و مصرف در حوزه انرژی های تجدید پذیر طراحی نشده است. اما این پروژه به ما اجازه می دهد تا یک تعادل در این سیستم ایجاد کنیم و همچنین بازار خوبی بیابیم."

پروژه پرنزلاو چند ابتکار جدید برای تولید و ذخیره هیدروژن ، به علاوه تولید برق، را بکار گرفته است. اقدامهای مشابهی در پروژه آزمایشی فنوسا در اسپانیا (2008) صورت گرفته است. در آن نیروگاه از یک واحد هیدرولیز هیدروژن استفاده شد که می توانست در ساعت 60 متر مکعب هیدروژن با استفاده از نیروی توربینهای بادی تولید کند. این هیدروژن پس از افزایش فشار ذخیره می شد و بعد در یک ژنراتور 60 کیلووات به مصرف می رسید.

آزمایشگاه ملی انرژی های نوین در آمریکا به همراه شرکت انرژی اکسل در سال 2007 یک پروژه برای اثبات توانایی ساخت نیروگاه باد-هیدروژن در مرکز ملی باد بولدر را انجام دادند. این پروژه توربینهای بادی را به دستگاه هیدرولیز وصل می کرد تا آب به اکسیژن و هیدروژن تبدیل شود. هیدروژن به دست آمده را می توان بعدا در یک موتور درون سوز یا سلول سوختی بکارگرفت.

همزمان، دیگر شرکتها گامی فراتر نهاده اند. آنها سعی دارند تا با استفاده از هیدروژن و دی اکسید کربن در مجاورت یک کاتالیزور متان تولید کنند. برجسته ترین مراکز در این حوزه، مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی در ورتمبرگ (اشتوتگارت آلمان) و انیستیتو فرانهوفر در کاسل (آلمان) می باشند. این موسسات پیشرو برای ساخت یک تأسیسات آزمایشی با کارآیی 80 درصد با شرکت سولار فیول تکنولوژی اتریش شریک شده اند. این شرکتها گفته اند به محض اینکه بتوانند گاز متان را در مقیاس صنعتی تولید کنند متان تولید شده را برای ذخیره سازی به مراکز ذخیره سازی آلمان خواهند فرستاد.

منبع 

http://www.powermag.com/renewables/wind/European-Firms-Complete-Wind-to-Hydrogen-Power-Plant_4317.html

آلودگی های محیطی و نقش آن در محاسبه طول مقره ها و بوشینگها

بر اساس جزوه طراحی خطوط انتقال دکترسیدحسین حسینیان(دانشیار دانشگاه صنعتی امیر کبیر)

ولتاژ نامی شبکه اصلی ترین عامل برای انتخاب مقره ها و بوشینگها می باشد. هرچه ولتاژ خط انتقال بالاتر باشد باید مقره ها بلندتری را بکار گرفت چرا که با افزایش ولتاژ خطر تخلیه جزئی و در نتیجه خراب شدن مقره ها بیشتر شده و همچنین در صورت ایجاد ولتاژهای ناخواسته ،مانند اصابت صاعقه و یا ولتاژهای موجی در هنگام کلید زنی، احتمال از دست رفتن مقاومت عایقی وجود دارد.

اما علاوه بر ولتاژ نامی عوامل دیگری هم هستند که در انتخاب مقره باید مد نظر قرار بگیرند. یکی از عوامل مهم در انتخاب طول مقره آلودگی محیط نصب خطوط فشار قوی است. آلودگی ها به دلیل گرد نمکهای طبیعی (CaCl,NaCl) یا مصنوعی به وجود می آیند که توسط باد بر روی مقره می نشیند و در صورت وجود رطوبت مقاومت عایقی مقره را به صورت معنا داری کاهش می دهد. وجود آلودگی سبب ایجاد جریانی به نام  جریان خزنده (Creapage current یاLeakage current) می شود. این جریان بر سطح مقره بین سیمهای حامل جریان و پایه های مقره برقرار شده و نهایتا سبب تخلیه جزئی در نقاط مختلف مقره شده و مقره را خراب و از کار افتاده می کند. مناطقی که به کارخانه ها، شهرها و دریاها نزدیک تر هستند آلودگی بیشتری دارند و برای نصب مقره در خطوط فشار قوی در این گونه مناطق باید تمهیدهای خاصی را مد نظر قرار داد.

درجه سختی  آلودگی

برای سنجش میزان آلودگی محیطهای مختلف و پیداکردن راهکاری برای مقابله با آن ناچاریم تا آلودگی و میزان شدت آن را تعریف کنیم. واحد اصلی برای اندازه گیری سختی آلودگی  SDD(Salt deposit density)است که به صورت استاندارد برای اندازه گیری شدت آلودگی نمک طعام (NaCl) استفاده می شود. برای موادی غیر از نمک طعام از ESDD استفاده می شود که معادل و هموزن آلودگی با نمک طعام توسط ماده مورد نظر می باشد. واحدهای اندازه گیری آلودگی عبارتند از:

1.     µS(میکرو زیمنس)

2.     mg/cm^2

3.     kg/m^3

استانداردهای سختی آلودگی

استاندارهای گوناگون برای مقایسه شدت آلودگی محیطهای مختلف محیطهای آلوده را به 7 دسته تقسیم می کنند که میزان آلودگی آنها از غیرآلوده تا خیلی آلوده متغیر است. واحد اندازه گیری این طبقه بنده (mg/cm^2) می باشد. جدول زیر طبقه بندی محیطهای آلوده را بر اساس استانداردهای مختلف بیان می کند:

IEC815	IEEE	CIGRE	ESDD
-	-	0.0075-0.05	None
-	0-0.03	0.015-0.03	Very Light
0.03-0.06	0.03-0.06	0.03-0.06	Light
0.1-0.2	0.06-0.1	0.06-0.12	Average
0.3-0.4	>0.1	0.12-0.24	Heavy
-	-	0.24-0.48	Very Heavy
-	-	>0.48	Exceptional

جدول-1 استانداردهای سختی آلودگی

محاسبه تعداد زنجیره مقره بر اساس آلودگی

برای محاسبه تعداد زنجیره مقره در یک محیط آلوده باید سختی آلودگی محیط را بدانیم. با دانستن سختی آلودگی و تعیین نوع مقره ای که قرار است بکار ببریم (Iشکل یا V شکل) از جدول 2 برای محاسبه استقامت عایقی (CFO) استفاده می کنیم:

مقره I شکل	CFO(kv/m)=72.3+1.64/C	0.04>C>0.02
مقره I شکل	CFO(kv/m)=64.4+1.96/C	C>0.04
مقره Vشکل	CFO(kv/m)=1.6+1.22/C	0.04>C>0.02
مقره Vشکل	CFO(kv/m)=87.6+1.96/C	C>0.04

جدول-2 محاسبه CFO براساس سختی آلودگی

شکل-1 انواع مقره های I شکل

شکل-2 مقره V شکل

قابل ذکر است که مقره استاندارد دارای ارتفاع 146میلیمتر و قطر 254 میلیمتر می باشد و طول خزش آن 305 میلیمتر در نظر گرفته می شود.

تعداد مقره برای مقره استاندارد(بر اساس سختی آلودگی) از روی فرمول زیر محاسبه می شود:

(1-1)                                    N=V_LG/(0.146×V₃)

باید به خاطر داشته باشید که در صورتی که از مقره ای غیر از مقره استاندارد استفاده می کنید ارتفاع آن را به جای 0.146 در فرمول 1-1 بکارببرید.

مثال1

خط انتقالی با ولتاژ 230 کیلوولت موجود است با آلودگی  (mg/cm² 0.05  ) و مقره I شکل تعداد مقره های استاندارد برای زنجیره مقره مورد نیاز را محاسبه کنید.

جواب

ابتدا بر اساس ولتاژ نامی شبکه حداکثر ولتاژ شبکه را با تلرانس 5% به دست می آوریم:

V_n=230

V_max=V_n+5%=242

حداکثر ولتاژ خط به زمین عبارت است از:

V_LGmax=242/1.7= 139Kv

برای مقره I شکل و بر اساس جدول 2 داریم:

CFO=64.6+1.96/0.05=103.8Kv/m

بافرض ϐ=0.1CFO خواهیم داشت:

V₃=CFO-3ϐ

V₃=0.7CFO

V₃=0.7CFO=0.7×103.8=72.66kv/m

و دست آخر بر اساس فرمول 1-1 داریم:

N=139.7/(72.66×0.146)=13.1

پس تعداد 13 مقره استاندارد باید برای تشکیل زنجیره مقره بکار رود.

لازم به یادآوری است که V₃ و ϐ بر اساس توزیع احتمالی نرمال (شکل-3) تعریف می شوند. V₃ یا CFO-3ϐ ولتاژی است که در صورت رسیدن ولتاژ خط به آن، احتمال جرقه زدن و در نتیجه شکسته شدن مقاومت عایقی مقره صفر است. یعنی مقره باید دست کم توانایی تحمل این ولتاژ را داشته باشد.

شکل-3 توزیع نرمال و استقامت عایقی

محاسبه ارتفاع مقره و بوشینگ بر اساس طول خزش(Creap Distance)

عامل دیگری که باید در محاسبه طول زنجیره مقره در نظر گرفته شود طول خزش یا طول جریان خزش است. بر اساس میزان آلودگی و فرمولهای داده شده طول خزش به دست می آید و این طول خزش باید از طول خزش مقره کمتر باشد تا جریان خزشی بر روی مقره بوجود نیاید.

الف- محاسبات بر اساس mg/cm²

اگر از واحد اندازه گیری mg/cm²  برای اندازه گیری سختی آلودگی استفاده کنیم با استفاده از جدول 3 و نوع مقره اعداد A و b را استخراج می کنیم و در فرمول 2-1 قرار می دهیم:

	b	A	mg/cm2
استاندارد IEEE	0.374	86.6	0.02 تا 0.1	مقره Iشکل
استاندارد IEEE	0.58	51.4	0.1 تا 0.3
استاندارد IEEE	0.274	52.9	0.02 تا 0.1	مقره Vشکل
استاندارد IEEE	0.123	37.1	0.1 تا 0.3
استاندارد CIGRE	0.223	66	0.02 تا 0.4	مقره Iشکل
استاندارد CESI	0.22	48	0.02 تا 0.4
استاندارد NGK	0.232	54.4	0.02 تا 0.4

جدول-3 طول خزش بر اساس mg/cm²

(2-1)                                     LS(mm/Kv)=A_(mg/cm^2)^b

ب- محاسبات بر اساس µS

اگر محاسبات سختی آلودگی بر اساس واحد میکرو زیمنس باشد باید از جدول-4 و فرمول 3-1 استفاده کنیم تا طول خزش را بدست آوریم:

	b	A	µS
استاندارد CIGRE	0.387	14.2	2.5تا 80	مقره Iشکل
استاندارد CESI	0.28	14.2	2.5تا 80

جدول-4 طول خزش بر اساس µS

(3-1)                                      LS(mm/Kv)=A_(µS)^b

ج- محاسبات بر اساس kg/m³

و دست آخر اگر محاسبات بر حسب واحد  kg/m^3 باشد می توانیم اعداد A و b را از جدول-5 و فرمول 4-1 بدست بیاوریم:

	b	A	kg/m3
استاندارد CIGRE	0.387	14.2	3.5تا100	مقره Iشکل
استاندارد CESI	0.28	14.2	3.5تا100

جدول-5

(4-1)                                    LS(mm/Kv)=A_(kg/m^3)^b

 البته تمام این واحدها را می توان بر اساس فرمول 5-1 به یکدیگر تبدیل کنیم:

(5-1)                                  1mm/cm²=140 kg/m³=100µS

محاسبه طول خزش برای بوشینگ ها

برای محاسبه طول خزش در یک بوشینپ باید ابتدا قطر متوسط آن را به دست آوریم که البته به بسته به شکل فیزیکی بوشینگ از فرمول 6-1 یا 7-1 استفاده می کنیم و پس از آن اعداد A و b را از جدول-6 استخراج می کنیم و درفرمول 3-1 قرار می دهیم:

شکل-4 بوشینگ استوانه ای شکل برای فرمول 6-1

(6-1)                              D_ave=(D+d)/2

شکل-5 بوشینگ مخروطی شکل برای فرمول 7-1

(7-1)              D_ave=(D1+D2+d1+d2)/4

b	A	Dave
0.22	63	200
0.226	75.8	300
0.229	78.4	400
0.24	103.2	500
0.24	115.6	600

جدول-6 طول خزش برای بوشینگها

تعداد مقره بر اساس طول خزش از روی فرمول 8-1 محاسبه می شود. این فرمول برای مقره های استاندارد است و اگر مقره ای غیر از این را استفاده کنیم باید طول خزش آن را در مخرج به جای 305 میلیمترقرار دهیم.

N=(LS×V_LG)/305                                  (8-1)

مثال2

خط انتقالی با ولتاژ 230 کیلوولت موجود است. با آلودگی (mg/cm^2) 0.1  و مقره V شکل تعداد مقره های استاندارد برای زنجیره مقره مورد نیاز را محاسبه کنید.

جواب

بازهم حداکثر ولتاژ خط به زمین را محاسبه می کنیم:

V_n=230

V_max=V_n+5%=242

V_max=242/1.7= 1.139Kv

پس از آن طول زنجیره مقره را بر اساس آلودگی (جدول-2) محاسبه می کنیم:

CFO=87.6+1.96/0.1=107.2 Kv/m

V3=0.7×CFO=0.7×107.2=75 kv/m

و تعداد مقره های زنجیر مقره بر اساس آلودگی را بر اساس فرمول 1-1 به دست می آوریم:

N₁=139.7/(75×0.146)=12.8

در مرحله بعدی طول خزش را از جدول-3 به دست می آوریم:

LS=52.9^0.274=28 mm/Kv

حال تعداد مقره های زنجیره مقره را بر اساس طول خزش برای مقره استاندارد به دست می آوریم. هر کدام از N₁ یا N₂ بیشتر بودند باید به همان تعداد مقره برای زنجیره مقره بکار ببریم:

N₂=(LS×VLG)/305=(28×139.7)/12.8

همانطور که دیده می شود در هر دو حالت تعداد مقره های محاسبه شده برای یک زنجیره مقره 13 عدد بود.

اثر ارتفاع بر CFO و LS

زمانی که خطوط انتقال در ارتفاعات نصب می شوند باید پس از به دست آوردن استقامت عایقی و طول خزش از جداول مخصوص اقدام به اصلاح آنها کرد. بدین منظور ضریب  ارتفاع δ تعریف می شود که باید قبل از تأثیر دادن آن را به توان 0.5 ( برای مقره های استاندارد) یا 0.8 ( برای مقره های مهی) برسانیم. خود ضریب δ بر اساس ارتفاع تعریف می شود:

δ=1.03×e ^(-A/8.65)  (9-1)                 

که در فرمول 9-1 A ارتفاع از سطح دریا می باشد. پس از آن استقامت عایقی و طول خزش در ارتفاع A بر اساس فرمولهای 10-1 و 11-1 به دست می آیند.

 CFO_A=CFO×δ^m(10-1)                         

LS_A=LS/ δ^m                                          (11-1)

مثال3

برای طول خزش 20mm/Kv در ارتفاع دریا مقدار LS در ارتفاع 2000 متر چقدر است. تعداد مقره های را در ارتفاع جدید برای مقره های استاندارد و مقره های مهی بدست آورید.

جواب

ابتدا ضریب ارتفاع δ را بر اساس فرمول 9-1 به دست می آوریم:

δ=1.03×e^(-2000/8.65)=0.8174

پس از آن δ را به توان 0.5 یا 0.8 می رسانیم

δ^m=0.904          (برای مقره استاندارد)

δ^m=0.851       (برای مقره مهی)

و بر اساس فرمول 11-1 طول خزش را محاسبه می کنیم:

LS=22/0.904=22.1 mm/Kv                 (مقره استاندارد)

LS=22/0.851=23.5 mm/Kv                       (مقره مهی)

در انتها، تعداد مقره های مورد نیاز برای ساختن زنجیره مقره را بر اساس فرمول 8-1 محاسبه می کنیم.

N=(139.7×22.1)/305=10.1        (مقره استاندارد)            

N=(139.7×23.5)/305=10.7            (مقره مهی)

پس در ارتفاع 2000 متر برای ساختن زنجیره مقره استاندارد نیاز به 10 مقره و برای ساختن زنجیره مقره مهی به 11 مقره نیاز خواهیم داشت.

ملاحظات طراحی و ساخت ترانسفورماتورهای WTSU

مایک دیکینسون

مقدمه

تبدیل انرژی باد به توان الکتریکی یکی از صنایعی است که با سرعت در حال رشد است. تنها در آمریکا، توان حاصله از نیروگاه های بادی در 5 سال به طور متوسط گذشته 29 درصد رشد کرده است و اکنون این انرژی بیش از یک درصد انرژی مورد نیاز این کشور را تأمین می کند.

مانند دیگر سیستمهای انتقال و پخش توان الکتریکی، ترانسفورماتورهای قدرت قلب تولید انرژی توسط نیروگاه های بادی هستند. طراحی اولیه یک ترانسفورماتور می تواند در سوددهی نیروگاه های بادی تأثیری به سزا داشته باشد و بنابر این فرض می شود که طراحی و ساخت ترانسفورماتورها ، به ویژه برای استفاده در نیروگاه های بادی شامل ترانسفورماتورهای افزاینده توربینهای بادی، اهمیتی حیاتی دارد.

با اینکه تکنولوژی تهیه انرژی از باد در چند سال گذشته بهبود بسیار یافته است، چند مشکل مهم در طراحی، کنترل و بهره برداری هنوزهم حل نشده باقی مانده اند. اگر این موارد به صورتی شایسته در زمان صحیح عنوان نشوند، ممکن است که موجب اختلال های زیادی در سیستم ،به ویژه هنگامی که نیروگاه به شبکه سراسری متصل می شود، بشوند.

توربین بادی

توربین بادی نشانه ای برجسته از بازار بزرگ انرژی های قابل تجدید می باشد. باد پره های توربین را می چرخاند، که آن هم محور یک ژنراتور را به حرکت در می آورد و برق تولید می کند. یک ترانسفورماتور محلی برای افزایش ولتاژ تولید شده لازم است تا برق از طریق خطوط انتقال و توزیع به مصرف کننده عمومی انتقال یابد. این توربینها عموما هنگامی که سرعت باد در حدود 8 مایل بر ساعت یا بیشتر است برق تولید می کنند. هنگامی که سرعت باد از 55-60 مایل بر ساعت بیشتر می شود این توربینها به دلایل امنیتی خاموش می شوند. توربینهای بادی مدرن معمولا از یک روتور و 3 پره بلند استفاده می کند که قطری بین 40 تا 80 متر دارند تا بتوانند بیشترین انرژی ممکن را از باد دریافت کنند. پره ها را در زوایای مختلف قرار می دهند تا بتوانند خود را با سرعتهای مختلف باد هماهنگ کنند، و ژنراتور و پره های می توانند برای قرارگرفتن در جهت صحیح باد بچرخند. توربین های بادی بر روی برجهایی با ارتفاع 40 تا 100 متر نصب می گردند تا بتوانند از باد قدرت بگیرند. این توربینها در اندازه های مختلف ساخته می شوند و می توانند در تأسیسات بزرگ و کوچک به کار گرفته شوند. یک توربین کوچک ،با توانی در حدود 300 کیلووات، را می توان برای مصارف گوناگونی چون شارژ باتری، برق رسانی به خانه های موقت، ایستگاه های تلفن سیار، مزارع یا کارخانه ها بکار گرفت. توربینهای بکارگرفته شده در نیروگاه های بادی ممکن است که با ظرفیت 500 کیلووات با بیشتر باشند. این توربینها اغلب در مزارع بادی یا نیروگاه های بادی برای تغذیه برق شبکه کنارهم نصب می شوند. با نصب یک مزرعه بادی امکان دارد تا برق به صورت اقتصادی تری و با ظرفیت بیشتر تولید شود. این امر همچنین تعمیرات و بهره برداری از آنها را مقرون به صروف می سازد.

چرا ترانسفورماتورهای افزاینده؟

یک ترانسفورماتور افزاینده جهت توربین بادی (WTSU) نقشی حیاتی در تبدیل سطح ولتاژ خروجی توربین به سطح انتقال و عبور از شبکه های انتقال تا رسیدن به مصرف کننده بازی می کند. ولتاژ خروجی توربینهای بادی نوعا بین 480 تا 690 ولت است. این ولتاژ به ترانسفورماتور WTSU داده میشود و به ولتاژی بین 13.8 تا 46 کیلوولت تبدیل می شود. نقش این ترانسفورماتورهای حیاتی است  و لازم است که طرحی قوی داشته باشند. ترانسفورماتورهای امروی باید از پس نیازهای مختلفی چون مسائل زیر برآیند:

• بارهای گوناگون و مختلف.

• بارهای دارای هارمونی و غیرسینوسی تولید شده توسط عناصر کنترلی الکترونیک و ژنراتورها.

• حفاظت در برابر ولتاژ بالا/پایین یا اضافه بار.

• توانایی تحمل جریانهای گذارا و خطاها.

نیاز به طراحی مخصوص و ملاحظات ساخت

محلهای دارای باد مناسب اغلب در مکانهای دورافتاده هستند و مقادیر مختلفی از انرژی را دریافت می کنند. این عوامل باد را به یک منبع انرژی به شدت دارای نوسان تبدیل کرده است که خروجی آن می تواند تا 25 درصد بازی کند. در حدود 10 درصد از زمان کار توربین، باد می تواند توربین را با 5 تا 20 درصد ظرفیت نامی اش به حرکت درآورد. این تغییرات می تواند تأثیر منفی بر روی شبکه بگذارد. ترانسفورماتورهای توزیع و ترانسفورماتورهای قدرت معمولا در حوالی بار کامل خود بکارگرفته می شوند. این چنین است که فشارهای حرارتی بر روی عایقهای این نوع ترانسفورماتورها  طبیعتا بیشتر می شود. ترانسفورماتورهای WTSU دچار چنین اشکالی نمی شوند اما بار متغیر آنها مشکلات دیگری را برایشان ایجاد می کند مانند:

تلفات هسته

تلفات هسته می تواند به صورت یک عامل مهم اقتصادی در زمانی که ترانسفورماتورها بی بار هستند یا بارکمی دارند درآید. استفاده از ترانسفورماتور با 30 تا 35 درصد بار کامل فرمولهای معمولی تخمین قیمت را به هم می ریزد.

نوسانات حرارتی

کم و زیاد شدن بار فشار حرارتی زیادی را به سیم پیچهای ترانسفورماتور، سازه های نگهدارنده، درزگیرها و نشت بندها وارد می کند. همچنین، نوسانات حرارتی موجب ایجاد گاز نیتروژن در روغن ترانسفورماتور شده که در زمان خنک شدن روغن به صورت حباب در آمده و در اطراف عایقها و سیم پیچها تجمع می کنند که سبب تخلیه جزئی و خراب شدن عایقها می شوند. ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت نمی توانند با این مشکل به خوبی رویاروی شوند و حوادث ناشی از عایقها در آنها دیده می شود.

راه حل: ترانسفورماتورها سفارشی ساخته شوند

یک ترانسفورماتور سفارشی برای نیروگاه بادی می تواند از ابتدا با در نظر گرفتن مشکلات خاص این نیروگاه ها طراحی شود. استفاده از هسته های صلیبی شکل، سیم پیچ ها و سازه ی قوی تر، درزگیرها و نشت بندهای مخصوص و ابزارهای حفاظتی که از ایجاد نقاط داغ و در نتیجه تخلیه جزئی جلوگیری می کنند می توانند سبب افزایش طول عمر ترانسفورماتور و بهبود کارایی آن شوند.

مانند بیشتر ترانسفورماتورهای یکسوساز، ترانسفورماتورهای WTSU باید برای مقابله با هارمونیها و اضافه بار طراحی شوند تا از انتقال هارمونی ها بین اولیه و ثانویه ترانسفورماتور جلوگیری کنند.

مترجم رضا کیانی موحد

منبع

http://ezinearticles.com/?Design-and-Construction-Considerations-For-WTSU-Transformers&id=3529140