حفاظت ترانسفورماتور

مترجم: مهندس رضا حاجی زاد

ترانسفورماتورها ،با اندازه و پیکربندی های متفاوتی که دارند، قلب  سیستمهای قدرت هستند. به عنوان یک جزء حیاتی و  گران قیمت سیستمهای قدرت، ترانسفورماتورها نقش مهمی را در تحویل قدرت بازی می کنند ویکپارچگی سیستم های قدرت بستگی به آنها دارد. به هرحال، ترانسفورماتورها محدودیتهایی دارند که رفتن به فراسوی آنها می تواند سبب از بین رفتن ترانسفورماتور یا کاهش عمر آن شود. اگر ترانسفورماتور دچار اشکال شود موقعیت سیستم وتجهیزات آن می توانند به خطر بیافتند، علاوه بر اینکه قطع  سرویس برای مشتری نمی تواند تحمل پذیر باشد. از آنجایی که تعمیر و جایگزینی ترانسفورماتور ها معمولا خیلی طول می کشد، بنابراین محدود کردن خطا در آنها می تواند بهترین روش برای جلوگیری از صدمه دیدن ترانسفورماتورمی باشد.

تاثیر اقتصادی یک ترانسفورماتور معیوب

1-    تاثیر مستقیم اقتصادی تعمیر یا جایگزین کردن ترانسفورماتور می باشد.

2-    تاثیر غیرمستقیم اقتصادی از دست دادن محصول می باشد.

شرایط عملکرد خطا همانند اضافه بار ترانسفورماتور، خطاها وغیره ، غالبا سبب معیوب شدن ترانسفورماتور می شوند و احتیاج به حفاظت ترانسفوماتور مانند حفاظت تحریک و حفاظت حرارتی را افزایش می دهد. افزایش شرایط غیرعادی که عبارتند از خطاها واضافه بارها ،که در یک ترانسفورماتور در حال کار کردن اتفاق می افتند، می توانند عمرمفید یک ترانسفورماتور را کاهش دهند. باید حفاظت مناسبی برای جداکردن سریع ترانسفوماتور از شبکه تحت چنین شرایطی فراهم باشد. کاربرد این نوع از حفاظت باید مدت زمان قطع را هنگامی که درترانسفورماتور خطایی ایجاد می شود کاهش دهد تا ریسک حوادث فاجعه بار و هزینه تعمیرات کاهش یابد.

خطا درترانسفورماتور

 خطر عیب در ترانسفورماتور دارای دو بعد می باشد: تعداد خطا و شدت خطا. اکثر خطاهای ترانسفورماتور نتیجه اشکال در عایقها هستند. این موارد شامل نقص یا معیوب بودن نصب، معیوب بودن عایق، اتصال کوتاه، و آسیبهای ناشی از ولتاژ ضربه ای (مانند صاعقه) می باشند.

خطاهای داخلی  ترانسفورماتور را  می توان طبقه بندی کرد

1-    خطاهای سیم پیچ که بیشتر در اثر اتصال کوتاه اتفاق می افتند( خطای چرخشی ،خطای فازبه فاز، فازبه زمین، خطای سیم باز) .

2-    خطای هسته (معیوب بودن عایق هسته، قطع شدن ورقه های ترانس).

3-    خطاهای ترمینالی (اتصالات آزاد، اتصال کوتاه).

4-    خطای تعویض تپ زیر بار یا تپ چنجر(مکانیکی ، الکتریکی ،اتصال کوتاه).

5-    عملکرد وضعیت غیرعادی( اضافه شار،اضافه ولتاژ، اضافه بار).

6-    خطاهای خارجی.

علل دیگری که باعث معیوب شدن ترانسفورماتور می شوند

اضافه بار: اگر بار ترانسفورماتورها از بار نامی  تجاوز کند در این صورت خطایی که به وجود می آید ناشی از اضافه بار می باشد.

ولتاژ هجومی خط: خطاهای ناشی از کلید زنی ، ولتاژهای سوزنی ،صاعقه ها، خطاهای خط، و دیگر عدم تعادل های انتقال و توزیع  که نیاز به مراقبت بیشتر دارند و باید از حفاظت ولتاژ ناگهانی یا محدود کننده سیم پیچ و مقاومت اتصال کوتاه در برابر آنها استفاده کرد.

اتصالات شل:  اتصالات شل، اتصال فلزات ناهمگون، درست نپیچیدن اتصالات پیچی وغیره می توانند همچنین ترانسفوماتور را به سمت خطا هدایت کنند.

آلوده شدن روغن: آلوده شدن روغن دراثر رسوب گل و لای ، باقیماندن کربن دراثر تخلیه الکتریکی و زیاد بودن رطوبت روغن اغلب می تواند سبب شود که در ترانسفورماتور خطا رخ دهد.

خطای طراحی کارخانه: همچنین این وضعیت شامل : آزاد شدن یا حمایت نشدن فاز ،شل بودن قفل و بستها، نامرغوب بودن جوش، مناسب نبودن عایق هسته، قوی بودن اتصال کوتاه،  و اشیا اضافی خارج از مخزن می شود.

تعمیر و نگهداری ناقص:  بهره برداری و نگهداری نامساعد یکی از علتهای اصلی خطا در ترانس می باشد. قطع شدن یا کنترل نامناسب ترانسفورماتور شامل تلفات خنک کنندگی ، جمع شدن گرد و خاک و روغن ،و فرسودگی می با شد.

عوامل بیرونی: چندین عامل خارجی مانند طغیان کردن ، آتش سوزی و انفجار، صاعقه و رطوبت می تواند باعث شود که خطا در ترانسفورماتور اتفاق بیافتد.

بهترین روش حفاظت ترانسفورماتور

با دقت در اندازه صحیح رساناها و تجهیزات، و حفاظت زمین کافی می توان باعث جلوگیری یا کمترشدن خرابی ها و به خطر افتادن ترانسفورماتور شد. نصب نادرست ترانسفوماتور می تواند باعث آتش سوزی در اثر حفاظت نادرست، به علاوه اضافه ولتاژ الکتریکی به دلیل نامناسب بودن  زمین شود.

·        زمانی که ترانسفوماتور نصب می شود، تانک روغن آن باید با یک سیم مناسب زمین شده باشد و زمین آن  به طور پایدار باشد.

·        راه دسترسی به ماده جمع شده در مخزن ترانسفورماتور درشرایطی که رطوبت یا باران زیاد است باید محدود باشد.

·        اگر رطوبت از 70% تجاوز کند هوای خشک باید به صورت پیوسته در داخل فضای گاز پمپ شود.

·        حفاظت معین ترانسفوماتور دربرابر باران باید طوری باشد که آب درون آن نفوذ نکند.

·        تجهیزاتی که در جابجایی مایع کاربرد دارند (ظرفها ، پمپ ها،و غیره) باید تمیز و خشک باشد. اگرمایع عایق شده برای بررسی بیرون کشیده شده است ،سطح روغن درون ترانسفورماتور نباید از بالای سیم پیچ ها کمتر شود.

·        هنگامی که ترانسفورماتور روغنی در فضای باز نصب می شود، فشار گاز کافی باید فراهم شود تا درون تانک روغن همیشه فشار مثبت 1 تا 2 پاسکال را داشته باشیم (حتی در درجه حرارت کم).

·        بررسی نهایی ترانسفورماتور قبل از اینکه برقدار شود ضروری است. همه اتصالات الکتریکی ،بوشینگها و غیره باید چک شود.

·        بمحض بارگرفتن از ترانسفوماتور مراقبت از دستگاه در هنگام ساعت بارگیری انجام شود. همه درجه حرارت ها وفشارها در مخزن ترانسفورماتور در مدت زمان نخستین هفته عملکرد باید چک شود.

·        برق گیرها باید نصب شود و اتصالات به بوشینگ و ترمینال های ترانسفورماتور با دستگاه تست اتصال کوتاه تست شود تا از دستگاه در برابر ضربه کلید زنی و صاعقه جلوگیری کند.

مایک دیکنسون

DC در برابر AC

جنه ولف رییس سابق IEEE

مترجم:رضاکیانی موحد

گاهی وقتها پیشرفتهای فنی نه در یک حوزه جدید بلکه برای بهبود تکنولوژی هایی است که در دسترس می باشند. اگرچه جریان های مستقیم و متناوب مانند دو تکنولوژی رقیب آغاز به کار کردند، اما آنها واقعا مکمل هم هستند و این متأسفانه واقعیتی است که از چشم بسیاری به دور مانده است.

به صورت عجیبی داستان این دو در هنگام شروع گسترش صنعت برق شبیه قسمتهایی از فیلم هری پاتر است. یک نبرد حماسی بین دو جادو برای افزایش حوزه نفوذشان وجود داشت؛ جادوی منلوپارک ( جریان مستقیم توماس ادیسون) و جادوی غرب (جریان متناوب نیکلا تسلا). تضادها به جایی رسید که حتی ادیسون یک فیل را به برق متصل کرد تا خطرناک بودن جریان متناوب را نسبت به جریان مستقیم ثابت کند. نتیجه، بکارگیری صندلی الکتریکی برای مجازات محکومین به اعدام بود.

زمان همه چیز است

اولین دیناموی تجاری ،ژنراتور مستقیم، تقریبا همان زمان با اختراع لامپ الکتریکی توسط ادیسون وارد بازار شد و ثابت شد که اختراع جدید به خوبی با آن همساز است. در نتیجه، ادیسون تعداد زیادی از وسایلی که با جریان مستقیم کار می کردند را اختراع کرد یا بهبود بخشید و در نتیجه حق انحصاری جریان مستقیم را به دست آورد. در زمانی کوتاه بیشتر از 200 کارخانه برق در شمال آمریکا بکار افتادند که همگی از جریان مستقیم استفاده می کردند و ناچار بودند که به ادیسون حق امتیاز بپردازند.

ادیسون با گسترش امپراطوری برقی اش یک مهندس جوان از اروپا را استخدام کرد تا تجهیزات توزیع انرژی الکتریکی را بهبود بخشد. نام این جوان نیکلا تسلا بود. تسلا دینامو را بهبود داد و همچنین بعضی از افکار پیشروی خود درباره تکنولوژی جدید ،برق متناوب، را با ادیسون درمیان گذاشت. لازم به ذکر نیست که ادیسون کمتر هواخواه تسلا و جریان متناوبش بود و غرق در جریان مستقیم شده بود. 

نیاز سیستم جریان مستقیم به سیم های جداگانه برای سطوح ولتاژ مختلف سبب شده بود تا شهرها به صورت شبکه ای از تارعنکبوتها به نظر برسند  

جادوگرها راهشان را از یکدیگر جدا کردند و برای افزایش حوزه نفوذشان به رقابت با یکدیگر برخواستند. تسلا برای نشان داد تکنولوژی جدید یک سیستم کامل از جریان متناوب را ایجاد کرد. او 7 حق امتیاز در آمریکا برای موتورهای جریان چند فاز متناوب و تجهیزات انتقال و توزیع برق متناوب به دست آورد. در همین زمان جرج وستنیگهاوس وارد معرکه شد. او به جریان متناوب ایمان داشت و قراردادی با تسلا منعقد کرد و حق امتیازهایش را از وی خرید. "جنگ جریان ها" ، آنگونه که تاریخ نگاران آن را نام نهاده اند، در حال آغاز بود.

اقتصادی

نهادن نام "جنگ" بر روی این رقابت شاید اندکی خیال پردازانه باشد اما وضعیت را به خوبی نمایش می دهد. زمانی که سیستم متناوب وستینگهاوس-تسلا برای برق رسانی نمایشگاه بین المللی 1893 شیکاگو انتخاب شد غوغایی برخواست. سیستم تولید و انتقال متناوب تسلا در حدود نصف قیمت سیستم جریان مستقیم هزینه در بر داشت و زیرساخت های کمتری را می طلبید. 

 

رقابت بین جریان مستقیم و متناوب در سال ۱۸۹۳ برای روشن کردن نمایشگاه جهانی شیکاگو با  پیروزی جریان متناوب وستینگهاوس-تسلا خاتمه یافت.

از این نقطه به بعد، بیش از 80 درصد تجهیزات الکتریکی در آمریکا از جریان متناوب استفاده می کردند. درحالی که جریان متناوب به عنوان بهترین راه انتقال انرژی الکتریکی در جهان معرفی می شد، جریان مستقیم هیچ گاه عرصه رقابت را خالی نکرد. از همان ابتدای رقابت مهندسین فهمیده بودند که این دو جریان بیشتر از اینکه رقیب هم باشند می توانند مکمل همدیگر باشند اما یک توافق بزرگ بین آن لازم بود.

تحقیق و توسعه

قبل از اینکه جریان مستقیم بتواند جریان متناوب را تکمیل کند لازم است تا با جریان متناوب سازگار شود. طرفداران جریان مستقیم می دانستند که بهترین راه برای موفقیت جریان مستقیم این است که آن را با جریان متناوب به صورت یکپارچه درآوردند. تحقیقات آغازشد و احتمالا بزرگترین موفقیت زمانی حاصل شد که گروهی از مهندسی شرکت ABB توانستند زیر نظر دکتر انو لام یک یکسوساز قوسی-جیوه ای را تکمیل کنند.

یکسوساز قوسی-جیوه ای توانست جریان مستقیم فشار قوی (HVDC) را به ارمغان آورد. این یکسوسازها برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم و برعکس بکارگرفته شدند. از این پس انرژی به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا انتقال می یافت و سپس دوباره به صورت متناوب تبدیل می شد و کاهش می یافت تا مصرف کنندگان بتوانند از آن استفاده کنند. 

 

اولین یکسوساز قوسی-جیوه ای تجاری جهان در جزیره ژوتلند ۱۹۵۴

ABB یکسوسازهای قوسی-جیوه ای را با کابلهای زیرآبی ترکیب کرد تا جزیره ژوتلند را به خاک اصلی سوئد وصل نماید و اولین تجهیزات با تکنولوژی جدید را معرفی کند. فاصله ژوتلند تا سوئد 97 کیلومتر و دورتر از آن بود که یک خط انتقال متناوب بتواند برای آن بکار برود اما برای خط انتقال HVDC متناسب بود. این خط ظرفیتی برابر با 20 مگاوات داشت. از این نقطه (1950 تا اواخر دهه 1970) به بعد یکسوسازهای قوسی-جیوه ای به صورت اسب باری خطوط انتقال مستقیم درآمدند.

تولیدکنندگان دیگر مزایای این سیستم جدید انتقال را دریافتند اما نیاز به رقابت در حوزه صنعت داشتند. ABB این نیاز را دریافت و حق امتیاز خود را به دیگر تولیدکنندگان تجهیزات الکتریکی واگذار کرد. از این به بعد تکنولوژی جدید تبدیل به کسب و کار جدید شد.

وضعیت جامد

در میانه دهه 1950 دانشمندان آلمانی کارخانه زیمنس در حال کار بر روی نیمه هادی های سیلکونی بودند. اندکی بعد، این مواد راه خود را به آزمایشگاه های شرکت جنرال الکتریک در آن سوی اقیانوس بازکردند. در نتیجه این انتقال، تریستور ساخته شد: یک نیمه هادی دو قطبی یکسوساز که قابل کنترل بود. در حقیقت، تریستور یک کلید یکسوساز بود. تریستور امکان ساختن یکسوسازهای کنترل شونده سیلیکونی را فراهم کرد و الکترنیک قدرت بر پایه قطعات وضعیت جامد متولد شد.

زمانی که نیمه هادی ها وارد معرکه شدند تریستورها نیز در خطوط HVDC بکارگرفته شدند. یکسوسازهای قوسی-جیوه ای پردردسر و برای ساخت بسیار پیچیده بودند. در ضمن، آنها نیاز به نگهداری و مراقبت زیادی داشتند تا عملیاتی بمانند. با توسعه تریستورها همه چیز ساده شد و خطوط HVDC در جهان بیشتر گسترش یافت. اما یکبار دیگر تولید کنندگان نیاز به رقابت داشتند و این بار جنرال الکتریک بود که حق امتیاز خود را به دیگر شرکتها واگذار کرد. 

 

کنورتر ساخت زیمنس با استفاده از تریستور

اولین تجهیزات HVDC با استفاده از تریستور توسط ABB در ژوتلند ساخته شد تا 10 مگاوات توان را انتقال دهد. این تکنولوژی با ساخت اولین ایستگاه تبدیل 320 مگاواتی تمام تریستوری توسط جنرال الکتریک در ال ریور دنبال شد.

پایه های HVDC

قبل از اینکه بخواهیم بحث را بیشتر ادامه بدهیم لازم است که مروری بر تکنولوژی HVDC داشته باشیم. به صورت ساده توان متناوب چیزی است که برای تغذیه کنورترها بکار می رود. یکسوسازها این جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کنند و به همین دلیل آنها را کنورتر می نامند.

توان متناوب از طریق یک رسانا ،کابل یا باس بار، به کنورتر دوم منتقل می شود. این کنورتر به عنوان اینورتر عمل می کند و دارای خروجی متناوب است. توان خروجی اینورتر با فرکانس و فاز مصرف کننده هماهنگ است.

بدون اینکه بخواهیم وارد جزئیات بحث بشویم باید بدانیم که 3 پیکربندی اساسی برای کنورترهای HVDC وجود دارد:

·        تک قطبی

·        دو قطبی

·        پشت به پشت

سیستم HVDC تک قطبی عموما شامل یک یا چند پل تمام موج 3 فاز با نام "پل 6 پالس" یا "پل گراتز" در مرحله انتهایی است. جریان توسط یک رسانا منتقل می شود و از طریق زمین مدار خود را می بندد.

پیکربندی دو قطبی ترکیب دو سیستم تک قطبی می باشد. قطبها از یک یا چند پل 12 پالسی به صورت سری یا موازی ساخته شده اند. این پیکربندی را می توان به همراه بازگشت از طریق زمین ،یک مسیر بازگشت با هادی اختصاصی، یا بدون مسیر اختصاصی بازگشت استفاده شده برای عملیات تک قطبی طراحی کرد.

کنورتر پشت به پشت یک انطباق مخصوص اتصال تک قطبی است بدون خط انتقال مستقیم. یکسوساز و اینورتر هر دو در یکجا واقع شده اند و توسط باس بار به هم متصل می باشند. این پیکربندی عمدتا برای اتصال دو شبکه متناوب با فرکانسهای متفاوت بکار می رود.

مزایا و معایب

به دلیل اینکه ترانسفورماتورهای جریان متناوب به سادگی در دسترس می باشند جریان متناوب برای انتقال در خطوط قدرت بیشتر ترجیح داده می شود. ترانسفورماتور اجازه می دهد تا توان تولید شده در ولتاژهای پایین را برای انتقال دادن به ولتاژهای بالاتر تبدیل شود و دوباره این ولتاژ را برای استفاده مصرف کننده کاهش دهند. اما این روش انتقال هم هزینه هایی در بر دارد.

متأسفانه، جریان متناوب دارای بعضی مشکلات ذاتی است که آن را برای شبکه های انتقال نامناسب می سازد. عناصر رآکتیو (سلف و خازن) ظاهرشده در خطوط انتقال و کابلها ظرفیت خطوط انتقال را کاهش می دهند. همچنین این خطوط به وسایل جبران کننده ای ماننده خازنهای سری و رآکتورهای موازی نیز نیازمند هستند.

علاوه بر همه اینها، اتصال چند شبکه برق متناوب خود به خود مشکل زاست. همیشه بین این شبکه ها اختلاف فاز وجود دارد. حتی اگر شبکه ها دارای فرکانس مشابه باشند اتصال آنها به یکدیگر مسبب مشکلاتی چون ناپایداری، افزایش جریان اتصال کوتاه و پخش بار نامطلوب خواهدشد.

خطوط HVDC این مشکلات را برطرف می کنند و چند مزایای دیگر نیز در بردارند. توان منتقل شده از طریق این خطوط را می توان کنترل کرد و به صورت دقیق اندازه گرفت. قابل کنترل بودن پخش بار خود یک مزیت بسیار بزرگ است. تراکم بالای توان منتقل شده می تواند با توانایی تزریق توان به نقطه ای که مورد نیاز است نادیده گرفته شود.

مورد دیگری که باید مد نظر باشد تأثیر HVDC بر روی کیفیت توان است. از آنجاییکه HVDC قادر است تا ولتاژ و فرکانس خروجی متناوب را کنترل کند می تواند کیفیت توان شبکه متناوب را بهبود بخشد. این مسئله همچنین مسئله ای که به عنوان "چشمک زدن" شناخته می شود را کاهش می دهد. چشمک زدن می تواند بر روی سیستمهای روشنایی تأثیر منفی بگذارد و در تجهیزات الکترونیکی والکتریکی تلفات حرارتی ایجادکند.

مزیت دیگر بکارگیری شبکه های HVDC استفاده از سیستمهای چند ترمینالی است. این سیستمها بسیار پیچیده تر از سیستمهای نقطه به نقطه هستند اما در عوض مزایای بیشماری دارد. اولین سیستم  چندترمینالی بین سالهای 1987 تا 1992 به همراه تکنولوژی مبدل کموتاتور خط (LCC) در آمریکا ساخته شد. این سیستم یک خط انتقال 2000 مگاوات است که در اصل دارای 5 خروجی متصل به بار در کانادا و آمریکا می باشد.

مزایای زیست محیطی

از دید محیط زیست، شبکه های HVDC مزایایی چون نیاز به زمین کمتر، آلودگی کمتر و نگهداری کمتر دارد. البته ایستگاه های تبدیل نیاز به زمین دارند اما یک خط انتقال HVDC می تواند توان بیشتری را نسبت به خطوط متناوب انتقال دهد.

یک شبکه انتقال نوعی 6000 مگاوات 500 کیلوولت به 7 خط انتقال نیاز دارد. این مقدار توان را می توان با تنها دو خط 600 کیلوولت یا یک خط 800کیلوولت HVDC انتقال داد که مقدار زیادی صرفه جویی در پی دارد. به علاوه، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط خطوط HVDC نسبت به میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط خطوط انتقال متناوب قابل چشم پوشی هستند.

طراحی ایستگاه های HVDC

امروزه برای طراحی یک شبکه HVDC چند توپولوژی وجود دارد که دو تا از شایع ترین آنها مبدل کموتاتور خط (LCC) و مبدل منبع ولتاژ خودکموتاتور (VSC) می باشند. LCC به عنوان یک طراحی کلاسیک محسوب می شود که از تریستور در آن استفاده می شود.

در این روش از پل 12 پالس به همراه ولتاژ کنترل شده و جریان یکسوشده (جریان بدون توجه به جهت پخش بار در یک جهت جاری می شود) استفاده می شود. متأسفانه، LCC توان رآکتیو مصرف می کند اما نمی تواند این توان را منتقل کند. 

 

یک ایستگاه کنورتر HVDC نوعی به همراه اجزای آن

این طرح همچنین ایجاد هارمونیک در شکل موج خروجی می کند و نیاز به فیلترهایی به   جهت از بین بردن
این هارمونیکها دارد. به علاوه، LCC به ترانسفورماتورهای مبدل مخصوصی نیاز دارد که عایق بندی قوی برای جریان ایجاد شده داشته باشند. بزرگترین مزیت LCC توانایی آن در انتقال توانهای خیلی زیاد در طول خطوط انتقال است.

از سوی دیگر، ایستگاه های VSC از تکنولوژی "ترانزیستورهای دو قطبی با گیت عایق شده" استفاده می کند. این دو تکنولوژی خیلی شبیه به یکدیگر هستند اما VSC انعطاف پذیری بیشتری نسبت به LCC دارد. یکی از مزایای بزرگ اصلی  طرح VSC توانایی انتقال توان رآکتیو و ساده بودن تغییر جهت جریان در پخش بار است. از آنجایی که ایستگاه VSC به هیچ سیستم راه انداز ولتاژی نیاز ندارد توانایی خودراه اندازی[1] دارد.

شرکت ABB تکنولوژی VSC را در دهه 1990 توسعه داد. اولین خط انتقال VSC در سال 1999 با اتصال یک نیروگاه بادی در جنوب جزیره ژوتلند به شهر ویسبی به شبکه پیوست. این طراحی با یک طرح پشت به پشت 36 مگاوات که شبکه مکزیک را به آمریکا وصل می کرد دنبال شد.

توسعه فعلی HVDC

شبکه های HVDC از اولین روزها بحثهای زیادی را درباره نقش شان در شبکه های انتقال ایجادکرده اند. از دیدگاه تاریخی HVDC عملکردی جذاب داشته است. این تکنولوژی از توفق به رکود و از رکود به فراز رسیده است.

ممکن است که HVDC اولین نوع انتقال بوده باشد اما شبکه های متناوب جایگزین آن شدند و علاقه به آنها کاهش یافت. به هرحال، در سالهای اخیر مزایای این تکنولوژی جرقه هایی از علاقه را به وجود آورده است. این تکنولوژی اکنون به نقطه ای رسیده است که با افزایش دانش درباره توانایی های بالقوه آن می تواند سهم مهمی در انتقال انرژی بازی کند.

به علاوه، چند بازار رو به توسعه، مانند منابع تجدید پذیر یکپارچه، شبکه های انتقال طولانی و پیوند دهنده[2] ها سبب شده اند تا توجه بیشتری به HVDC معطوف شود.

منبع

http://tdworld.com/go-grid-optimization/transmission/power_war_currents_update/

---

[1] - black-start

[2] -interconnector

یکسوساز قوسی-جیوه ای

ترجمه و تحقیق: رضاکیانی موحد

یکسوساز قوسی-جیوه ای در برمونستر سوئیس.

یکسوساز قوسی-جیوه ای نوعی یکسوساز است که برای تبدیل جریان متناوب ولتاژ بالا به جریان مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع یکسوسازها  در موتورهای صنعتی، قطارهای برقی، ترامواهای شهری و شبکه های انتقال HVDC مورد استفاده قرار می گیرند. قبل از ورود یکسوسازهای سیلیکونی به بازار یکسوسازهای قوسی-جیوه ای مطرح ترین یکسوساز در مصارف صنعتی بوده است.

یکسوساز قوسی-جیوه در دهه 1940

یکسوساز قوسی-جیوه ای در سال 1902 توسط پیتر کوپر هویت اختراع شد و در دهه های 1920 و 1930 در اروپا و آمریکای شمالی تکمیل شد. به نوعی می توان آغاز علم الکترونیک را به اختراع این قطعه نسبت داد.

کاربردها

با معمول شدن یکسوسازهای فلزی در دهه 1920 برای استفاده در ولتاژهای پایین، کاربرد یکوسازهای قوسی-جیوه ای به ولتاژهای بالاتر ،و به ویژه کاربرد در توانهای بالا، محدود شد.

یکسوسازهای قوسی-جیوه ای به صورت گسترده ای در دهه 1960 برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم در صنایع بکارگرفته شده اند. موارد استعمال آنها در منابع تغذیه ترامواهای برقی، قطارهای برقی، منبع ولتاژ متغیر برای رادیو بود. این یکسوسازها تا دهه 1950 برای تهیه جریان مستقیم در شبکه های توزیع جریان مستقیم در شهرها بکار برده می شدند. به هر حال، در دهه 1960 یکسوسازهای سیلیکونی ،دیود و تریستور، در تمام یکسوسازهای ولتاژ پایین و قدرت پایین جایگزین یکسوسازهای قوسی-جیوه ای شدند. در نهایت، در حدود 1975 یکسوسازهای سیلیکونی حتی در مواردی مانند خطوط انتقال مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) نیز یکسوسازهای قوسی-جیوه ای را از رده خارج کردند.

در حال حاضر یکسوسازهای قوسی-جیوه ای فقط در بعضی از معادن آفریقای جنوبی و کنیا و تعداد کمی از خطوط انتقال HVDC بکارگرفته می شوند.

طراحی

یکسوساز قوسی-جیوه ای در حباب شیشه ای

معروف ترین نوع یکسوساز قوسی-جیوه ای از یک حباب شیشه ای تخلیه شده از هوا به همراه یک حوضچه جیوه ای در کف آن ساخته می شود. این حوضچه جیوه ای نقش کاتد را بازی می کند. در این حباب شیشه ای بخار جیوه نقش اساسی را در یکسوسازی جریان متناوب بازی می کند. حباب شیشه ای دارای یک یا چند بازوی گرافیتی (کربنی) است که به عنوان آند بکار می روند. تعداد این بازوها بستگی به کاربرد یکسوساز قوسی-جیوه ای دارد. برای یکسوسازی یک جریان تک فاز از دو بازو استفاده می شود که به خروجی های ثانویه یک ترانسفورماتور سر وسط متصل می شوند. برای یکسوسازی جریان سه فاز از 3 یا 6 آند استفاده می شود تا ولتاژ خروجی یک دست تری حاصل شود. استفاده از یکسوسازی 6 فاز می تواند بازده ترانسفورماتور را بالاتر برده و خروجی صافتری تحویل دهد. در طی کار، قوس الکتریکی از کاتد به سمت آندی که ولتاژ بیشتری دارد جریان پیدا می کند. طراحی بازوها و حباب شیشه ای به صورتی است که قوسی بین آندها ایجاد نشود. ایجاد شدن قوس بین آندها اصطلاحا "آتش برگشتی" نام دارد و یک عامل اساسی در طراحی یکسوسازهای قوسی-جیوه ای می باشد.

چنین حبابی می توند صدها کیلووات قدرت را به صورت یکسو تحویل دهد. یک یکسوساز 6 فاز 150 آمپری دارای حبابی در ابعاد تقریبی 600 میلیمتر ارتفاع و 300 میلیمتر قطر خارجی است. چنین یکسوسازی می تواند شامل چند کیلوگرم جیوه باشد. اندازه بزرگ حباب به دلیل رسانایی اندک شیشه اجباری است. بخار جیوه در قسمت بالایی حباب باید حرارت خود را از دست بدهد تا دوباره به صورت مایع درآمده و به حوضچه جیوه در پایین حباب سرازیر شود.

ظرفیت جریان یکسوساز قوسی-جیوه ای به وسیله قطر سیمهایی که به آندها و کاتد یکسوساز متصل هستند محدود می شود.

برای یکسوسازهای بزرگ از یک مخزن فلزی به همراه عایق سرامیکی برای ایجاد حوضچه جیوه استفاده می شود. این یکسوسازها دارای پمپهای تخلیه ای هستند که به صورت منظم هوایی که از محیط به درون حباب نشت می کند را از درون آن تخلیه می کنند. چنین یکسوسازهایی برای جریان 1800 آمپر و ولتاژ 150 کیلوولت طراحی شده اند.

هر دو یکسوساز شیشه ای و فلزی ممکن است که دارای شبکه های کنترل بین آند و کاتد باشند. این شبکه های اجازه می دهند تا یکسوساز تحت کنترل باشد، برای مثال، برای ایجاد یک تأخیر لحظه ای در زمانی که قوس از یک آند به آند دیگر منتقل می شود این شبکه خروجی ولتاژ را کنترل می کند. این گونه یکسوسازهای کنترل شونده قسمت اساسی یک اینورتور را تشکیل می دهند.

حرارت حباب شیشه ای ای باید به دقت کنترل شود. یک یکسوساز قوسی-جیوه ای نوعی دارای درجه حرارت 40 درجه سانتیگراد و فشار بخار جیوه در حدود 7 میلی پاسکال می باشد.

نحوه کارکرد

کارکرد یکسوساز قوسی-جیوه ای بر اساس یک تخلیه الکتریکی بین الکترودهای آند و کاتد از طریق بخار جیوه موجود در حباب شیشه ای می باشد. حوضچه جیوه به مانند یک کاتد خودبسنده عمل می کند که در طول زمان فرسوده نمی شود. جیوه می تواند الکترونها را به صورت آزادانه منتشرکند در صورتی که آندهای کربنی ،حتی اگر داغ هم شده باشند، قادر به این کار نیستند بنابراین عمل یکسوسازی اتفاق می افتد.

زمانی که یک قوس الکتریکی ایجاد شد الکترونها از سطح حوضچه جیوه جدا شده و سبب می شوند که بخار جیوه موجود در فضای حباب یونیزه شود. در نتیجه، یونها مسیری بین کاتد و آند ایجاد می کنند که جریان از طریق آن می تواند بسته شود. یونهای بخار جیوه به سوی حوضچه بازمی گردند و حرارت جیوه را بالا می برند. یونهای جیوه در هنگام یونیزاسیون سبب ایجاد نور مرئی و مقدار بیشتری اشعه ماورابنفش می شوند.

کاتد به بار متصل شده است و بار نیز به سر وسطی یک ترانسفورماتور سروسط متصل شده است. سرهای دیگر ترانسفورماتور به دو آند یکسوساز متصل هستند. هنگامی که ولتاژ در هر یک از آندها مثبت باشد جریان از طریق آن آند به سمت کاتد بسته می شود. به دلیل اینکه هر یک از آندها از یک سر ترانسفورماتور سر وسط تغذیه شده اند زمانی که یکی از آندها مثبت می شود دیگری منفی است و بالعکس.

یکسوساز قوسی-جیوه ای تک فاز کمتر مورد استفاده قرار می گیرد چرا که هر زمان که ولتاژ متناوب از نقطه صفر عبور می کند قوس الکتریکی خاموش می شود. به علاوه، ولتاژ خروجی این یکسوساز رایپل خیلی زیادی دارد که آن را برای بسیاری از موارد غیرقابل استفاده می کند. در نتیجه، در صنعت بیشتر از یکسوسازهای 2،3 یا 6 فاز استفاده می شود که ولتاژ خروجی صافتری ایجاد می کنند و کارایی بالاتری هم دارند.

استارت

یک یکسوساز قوسی-جیوه ای معمولی به وسیله یک قوس الکتریکی ولتاژ بالا که بین کاتد و الکترود استارت برقرار می شود شروع به کار می کند. به عبارت دیگر، الکترود استارت به کاتد وصل می شود (توسط بخار جیوه) و اجازه می دهد که جریان از یک مدار اندوکتیو عبور کند. هنگامی که جریان کاتد قطع شود یک ولتاژ القایی زیاد ایجاد می شود.اتصال موقت بین الکترود استارت و کاتد ممکن است به وسیله یک سیم پیچ خارجی ایجاد شود. این سیم پیچ می تواند نقش اندوکتانس استارت را باز یکند.

تحریک

به دلیل قطع موقت ولتاژ در نقطه صفر یا کاهش جریان خروجی ممکن است که قوس الکتریکی درون حباب خاموش شود. به همین دلیل بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه ای دارای یک الکترود اضافی هستند که یک قوس الکتریکی دائم ایجاد می کنند. نوعا، یک منبع تغذیه 2 یا 3 فاز چند آمپری به آندها کوچک تحریک متصل هستند. یک ترانسفورماتور موازی به قدرت چند ولت آمپر برای تغذیه این مدار استفاده می شود. تحریک یا "زنده نگه داشتن" جریان برای بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه ای ولتاژ بالا مورد نیاز است.

کنترل

استفاده از یک شبکه کنترل بین آند و کاتد اجازه می دهد تا جریان جاری شده بین این دو کنترل شود. در یکسوسازهایی که شبکه کنترل ندارند ممکن است که شروع فلوی جریان در زمانی که قوس الکتریکی ایجاد شده است به تأخیر بیافتد. شبکه کنترل اجازه می دهد تا ولتاژ خروجی چند یکسوساز با تغییر نقطه آتش تنظیم شوند و اجازه می دهد که یکسوساز قوسی-جیوه ای را به عنوان یک عنصر فعال در اینورتورهایی که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کنند بکارببریم.

یک یکسوساز قوسی-جیوه ای 150 کیلوولت 1800 آمپری در ایستگاه تبدیل مانیتوبا هیدرو رادیسون آگوست 2003

مشکلات زیست محیطی

جیوه ماده ای به شدت سمی است که برای سلامتی انسان و محیط زیست زیان آور می باشد. استفاده از مقادیر زیاد جیوه در یکسوساز قوسی-جیوه ای و خطر نشت آن در صورت شکسته شدن حباب شیشه ای یک خطر بالقوه برای محیط زیست است. در بسیاری از ایستگاه های فشار قوی HVDC باید عملیات نظافت محوطه به دلیل نشت جیوه به صورت دوره ای انجام گیرد. در ضمن یکسوسازهای دارای مخزن فلزی نیز نیاز به پمپهای تخلیه دارند که سبب ورود بخار جیوه به هوای محیط می شوند.