ترانسفورماتور و گروه های برداری

مقدمه

ترانسفورماتورها به عنوان یکی از اجزای کلیدی در سیستم های برق، نقشی حیاتی در انتقال و توزیع انرژی الکتریکی ایفا میکنند. در میان انواع مختلف ترانسفورماتورها، ترانسفورماتورهای سه فاز به دلیل کارایی بالا و ویژگی های متنوع خود، به طور گسترده ای در صنایع و سیستم های قدرت مورد استفاده قرار میگیرند. درک نحوه عملکرد و تنظیمات این تجهیزات، به ویژه در زمینه اتصالات، گروه های برداری، و حفاظت، برای مهندسان و تکنسین ها ضروری است. این مقاله به بررسی اصول عملکرد ترانسفورماتور سه فاز، انواع اتصالات، و اهمیت گروه های برداری در سیستم های قدرت میپردازد.

ترانسفورماتور سه فاز و اتصالات آن

در ترانسفورماتور، زمانی که ولتاژ AC به سیم پیچ اولیه وارد میشود، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میشود. این میدان مغناطیسی به نوبه خود ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا میکند.نحوه پیچیدن سیم پیچ‌ها به دور هسته آهنی بر فاز و ویژگی های ولتاژ القا شده تأثیرگذار است. نوع اتصال سیم پیچ‌ها و طراحی ساختار ترانسفورماتور میتواند فاز ولتاژهای ورودی و خروجی را تغییر دهد.

ترانسفورماتور سه فاز از سیم پیچ های بیشتری تشکیل شده است که هرکدام به دور یک هسته آهنی پیچیده شده اند، به طوری که هر سیم پیچ برای خود هسته جداگانه ای دارد. این امر به معنای وجود گزینه های مختلف برای نحوه اتصال سیم پیچ‌ها است. نوع اتصال سیم پیچ ها میتواند رابطه فاز بین دو ولتاژ را تغییر دهد.

تنظیمات ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتور سه فاز دارای سه سیم پیچ اولیه و سه سیم پیچ ثانویه است که هر یک به دور یک هسته آهنی پیچیده شده اند و توان مورد نیاز سیستم سه‌فاز را تأمین میکنند. این پیکربندی میتواند به‌صورت یکپارچه یا با اتصال سه ترانسفورماتور تک‌فاز به یکدیگر به دست آید.

سیم پیچ های هر سمت (اولیه یا ثانویه) میتوانند به دو روش دلتا یا ستاره متصل شوند. در اتصال دلتا، انتهای یک سیم پیچ به انتهای سیم پیچ دیگر وصل میشود و یک حلقه بسته میان سه سیم پیچ تشکیل میگردد که نقاط اتصال مشترک به عنوان فازها عمل میکنند.

در اتصال ستاره، انتهای غیرقطب دار سیم پیچ ها به یکدیگر متصل میشوند تا یک نقطه خنثی ایجاد شود و انتهای قطب دار به عنوان ترمینال های فاز استفاده میشود. با تغییر ترکیب اتصال سیم پیچ های اولیه و ثانویه، چهار نوع تنظیم دلتا-دلتا، ستاره-ستاره، دلتا-ستاره و ستاره-دلتا ایجاد میشود.

اتصالات مشابه (دلتا-دلتا یا ستاره-ستاره) باعث هم فازی ولتاژ اولیه و ثانویه میشوند. اما در اتصالات متفاوت (دلتا-ستاره یا ستاره-دلتا)، ولتاژ ثانویه با یک تغییر فاز ۳۰ درجه نسبت به ولتاژ اولیه ایجاد میشود.

در هنگام اتصال موازی ترانسفورماتورهای سه فاز، اطمینان از تطابق فازها بسیار مهم است. هرگونه تفاوت فازی میتواند به ایجاد اتصال کوتاه در هنگام روشن شدن ترانسفورماتور منجر شود و عملکرد سیستم را مختل کند.

طراحی اتصالات سیم پیچ با استفاده از گروه های برداری

از بخش بالا، مهم است که اتصالات سیم پیچ های داخلی یک ترانسفورماتور سه فاز را درک کنیم. کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک (IEC) گروه های برداری را برای حل مشکل طبقه بندی ترانسفورماتورهای سه فاز معرفی کرده است. گروه های برداری برای تعیین اطلاعات اتصال سیم پیچ ها (ولتاژ پایین و ولتاژ بالا) و رابطه فاز بین آنها استفاده میشود.

تغییر فاز بین سیم پیچ های HV و LV

گروه های برداری اطلاعاتی درباره نحوه پیکربندی سیم پیچ ها و روابط فازی بین دو سیم پیچ ارائه میدهند. بخش مربوط به پیکربندی نسبتاً ساده است، اما دانستن نحوه استفاده از نماد گروه برداری برای یافتن جابجایی فاز بین سیم پیچ ها اهمیت زیادی دارد.

بردار سیم پیچ ولتاژ بالا به عنوان بردار مرجع استفاده میشود تا جابجایی فاز در سمت ولتاژ پایین مشخص شود. زاویه جابجایی بین دو بردار با چرخش پادساعتگرد در موقعیت های ساعت مشخص میشود و برای توصیف جابجایی فاز بین سیم پیچ ها استفاده میگردد.

بر اساس استاندارد IS 2026 (بخش IV)-1977، 26 نوع اتصال مختلف مانند ستاره-ستاره، ستاره-دلتا، ستاره-زیگزاگ، دلتا-دلتا و غیره وجود دارد. جابجایی بردار سیم پیچ ولتاژ پایین میتواند از صفر تا 330- درجه در مراحل 30- درجه متغیر باشد که به روش اتصال بستگی دارد. با این حال، به ندرت از تمام 26 نوع اتصال استفاده میشود. بیشتر ترانسفورماتورها طوری متصل میشوند که جابجایی فازی برابر با 0، 30-، 180- و 330- درجه ایجاد کنند که به ترتیب با موقعیت های ساعت 0، 1، 6 و 11 مطابقت دارند.

در این گروه ها، بردار سیم پیچ ولتاژ بالا در موقعیت ساعت 0 قرار میگیرد و بردارهای ولتاژ پایین موقعیت های زیر را نشان میدهند:

• عدد 0 = هر دو بردار سیم پیچ هم فاز هستند.
• عدد 1 = بردار LV از بردار HV به اندازه 30 درجه عقب تر است.
• عدد 5 = بردار LV از بردار HV به اندازه 150 درجه عقب تر است.
• عدد 6 = بردار LV از بردار HV به اندازه 180 درجه عقب تر است.
• عدد 11 = بردار LV از بردار HV به اندازه 330 درجه عقب تر است.

فرمول “30 × مقدار ساعت” برای محاسبه تغییر فاز بین دو سیم پیچ استفاده میشود. اکنون، یکی از نمادهای فازور را در شکل بالا انتخاب میکنیم تا نوع تنظیمات سیم پیچ های استفاده شده و مقدار تغییر فاز را بررسی کنیم.

مثال – Dyn1

برای شناسایی گروه برداری ترانسفورماتورها، از قوانین زیر استفاده میشود:

1. نماد اول: همیشه یک حرف بزرگ (مانند D، S، Z یا N) است که نشان دهنده نوع اتصال سیم پیچ سمت ولتاژ بالا میباشد. این نمادها به ترتیب به اتصال دلتا، ستاره، ستاره متصل یا خنثی اشاره دارند.
2. نماد دوم: همیشه یک حرف کوچک (مانند d، s، z یا n) است که نوع اتصال سیم پیچ سمت ولتاژ پایین را نشان میدهد. این نمادها نیز به ترتیب بیانگر اتصال دلتا، ستاره، ستاره‌متصل یا خنثی هستند.
3. نماد سوم: تغییر فاز بین دو سیم پیچ را با عددی به شکل ساعت (مانند 1، 6 یا 11) نشان میدهد. این نماد تغییر فاز را بر اساس استانداردهای ساعت گرد توصیف میکند.
4. در صورت وجود نقطه خنثی در اتصال ستاره، از نماد n برای نشان دادن آن استفاده میشود.

با استفاده از این قوانین، میتوان نتیجه گرفت که در گروه برداری Dyn1:

• سیم پیچ ولتاژ بالا به صورت دلتا (D) متصل است.
• سیم پیچ ولتاژ پایین به صورت ستاره (y) متصل شده و نقطه خنثی (n) آن به بیرون آورده شده است.
• تغییر فاز 30 درجه عقب تر (1 ساعت) در مسیر انتقال توان از سمت ولتاژ بالا به ولتاژ پایین وجود دارد.

این ویژگی ها نشان دهنده آن است که این ترانسفورماتور، یک ترانسفورماتور دلتا-ستاره است.

برای سیم پیچ های اضافی، مانند یک ترانسفورماتور ستاره-ستاره-دلتا با ولتاژ 220/66/11 کیلوولت، اطلاعات مربوط به سیم پیچ ها را میتوان در گروه برداری با استفاده از نمادهای سیم پیچ ها و بر اساس توالی کاهش ولتاژ نمایش داد. این بدان معناست که گروه برداری باید به دو بخش تقسیم شود برای یک تنظیم ستاره-ستاره 220/66 کیلوولت و یک تنظیم ستاره-دلتا 220/11 کیلوولت، که هر دو به همان بردار ولتاژ بالا 220 کیلوولت اشاره دارند. گروه برداری حاصل در این سناریو Yy0 – Yd11 خواهد بود؛ Yy0 (ستاره-ستاره، بنابراین هیچ تغییر فازی وجود ندارد)، Yd11 (سیم پیچ LV دلتا دارای تأخیر 330 درجه یا پیشرفت 30 درجه است).

اتصال دو ترانسفورماتور سه فاز به صورت موازی

هنگام اتصال دو ترانسفورماتور سه فاز به صورت موازی، دانستن گروه های برداری دو ترانسفورماتور بسیار مهم است. ترانسفورماتورها تنها در صورتی باید به هم متصل شوند که گروه های برداری یکسانی داشته باشند. در غیر این صورت، جریان های بزرگ چرخشی بین سیم پیچ های ثانویه دو ترانسفورماتور در هنگام روشن شدن ترانسفورماتورها جاری خواهد شد. سازنده گروه برداری یک ترانسفورماتور سه فاز را بر روی برچسب ترانسفورماتور نشان میدهد تا ویژگی های ترانسفورماتور به راحتی و سریع تعیین شود. ما میتوانیم با نگاهی به برچسب ترانسفورماتور و پیدا کردن نماد فازور مناسب، تنظیمات ترانسفورماتور را به سرعت شناسایی کنیم. ترانسفورماتورهایی که از استانداردهای ANSI پیروی میکنند ممکن است چنین گروه های برداری نداشته باشند و به جای آن، رابطه نمودار برداری از سیم پیچ ها و فازها را نمایش دهند.

نکات کلیدی

روش IEC گروه های برداری را برای طبقه بندی تنظیمات سیم پیچ های ترانسفورماتور سه فاز معرفی میکند. سیم پیچ ها ممکن است به صورت دلتا، ستاره یا زیگزاگ متصل شوند. قطب داری سیم پیج ها نیز مهم است زیرا بر رابطه فاز آنها تأثیر میگذارد. تمام این اطلاعات میتواند به راحتی از طریق گروه های برداری ارائه شود. همیشه قبل از اتصال ترانسفورماتور به سیستم قدرت، آنها را در برچسب های ترانسفورماتور مطالعه کنید.

نتیجه گیری

در نهایت، شناخت و درک گروه های برداری و نحوه اتصال ترانسفورماتورهای سه فاز، برای اطمینان از عملکرد صحیح و ایمن سیستم های برق ضروری است. اتصالات نادرست می تواند منجر به مشکلات جدی مانند جریان های چرخشی و آسیب به تجهیزات شود. بنابراین، مطالعه دقیق برچسب های ترانسفورماتور و رعایت استانداردهای مربوطه، از جمله استانداردهای IEC و ANSI، برای هر مهندس و تکنسینی که با ترانسفورماتورها کار میکند، الزامی است. با توجه به این نکات، میتوانیم از کارایی و ایمنی سیستم های برق خود اطمینان حاصل کنیم.

برای اطلاعات بیشتر درباره ترانسفورماتور ، به https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer مراجعه کنید.