ترانسفورماتورهای قدرت، بهره‌برداری بهینه، مفاهیم قابلیت اطمینان، انرژی انتظاری تأمین نشده، تلفات توان ترانسفورماتور، خروج عمدی، فرسایش ترانسفورماتور

 
فهرست مطالب
عنوان
صفحه

فصل اول:

مقدمه
1
1-1- پیشگفتار ……………………………………………………………………………………………………………………..
2
1-2- هدف تحقیق   ………………………………………………………………………………………………………………..
3

فصل دوم:

مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه بهره‌برداری از ترانسفورمرهای قدرت
5
2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………
6
2-2- پیشینه‌ی تحقیق ………………………………………………………………………………………………………………
7
2-3- جمع بندی …………………………………………………………………………………………………………………..
11

فصل سوم:

تشریح مدل پیشنهادی بهره برداری از ترانسفورماتورهای قدرت مبتنی بر قابلیت اطمینان
12
3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………….
13
3-2- قابلیت اطمینان دوره نرمال …………………………………………………………………………………………………
13
3-3- مدلسازی قابلیت اطمینان ترانسفورمر ……………………………………………………………………………………..
14
3-3-1- مدل قابلیت اطمینان زیر سیستم 1……………………………………………………………………………………..
14
3-3-2- مدل قابلیت اطمینان زیر سیستم 2 ……………………………………………………………………………………
17
3-3-3- مدل قابلیت اطمینان زیر سیستم 3 ……………………………………………………………………………………
18
3-3-4- مدل قابلیت اطمینان ترانسسفورمر با خنک کننده روغن طبیعی- هوا اجباری …………………………………..
23
3-4- قابلیت اطمینان در دوره فرسایش ………………………………………………………………………………………….
26
3-4-1-اثر بارگذاری حرارتی ……………………………………………………………………………………………………
27
فهرست مطالب
عنوان
صفحه
3-4-2-هسته و سیم پیچ …………………………………………………………………………………………………………
27
3-4-3-عایق ……………………………………………………………………………………………………………………….
228
3-4-4-تلفات توان در ترانسفورمرها ……………………………………………………………………………………………
28
3-4-5- اثرات انتقال حرارت …………………………………………………………………………………………………….
29
3-4-6-دماها و استاندارد های IEEE …………………………………………………………………………………………..
31
3-4-7- بار گذاری ترانسفورمر های بیش از توان نامی …………………………………………………………………….
32
3-4-8-فرسایش عایقی …………………………………………………………………………………………………………..
32
3-4-9-دمای نقطه داغ ترانسفورمر ………………………………………………………………………………………………
36
3-5- روش جدید پیشنهادی ………………………………………………………………………………………………………
41
3-5-1- مدل مارکوف سیستم دو ترانسفورمر موازی همزمان تحت بهره برداری-روش متداول بهره برداری از پست با دو ترانسفورمر موازی ……………………………………………………………………………………………………………..
42
3-5-2-مدل مارکوف سیستم در دوره عمر مفید برای یک سیستم دو ترانسفورمری با یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری به کار – روش جدید بهره برداری از پست با دو ترانسفورمر موازی …………………………………………………
43
3-5-3- احتمال استقرار در حالت های مختلف فضای حالت مارکوف بر حسب زمان ………………………………….
45
3-5-4- محاسبات اقتصادی جهت تصمیم گیری زمان اعمال روش جدید بهره برداری ………………………………….
47
3-5-5- قابلیت اطمینان ترانسفورمر …………………………………………………………………………………………….
51
3-5-6- دمای محیط ………………………………………………………………………………………………………………
61
3-5-7- تاثیر جریان هجومی بر عمر ترانسفورمر ……………………………………………………………………………..
63
3-6- جمع‌بندی ……………………………………………………………………………………………………………………
64

فصل چهارم:

شبیه‌سازی و تحلیل نتایج
65
4-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………….
66
4-2- مدل سازی ترانسفورمرها …………………………………………………………………………………………………..
66
فهرست مطالب
عنوان
صفحه
4-3- داده های بارگذاری ترانسفورمر ……………………………………………………………………………………………
67
4-4- داده های دمای محیط ……………………………………………………………………………………………………….
68
4-5- داده های جریان هجومی ترانسفورمر ……………………………………………………………………………………..
69
4-6- نتایج شبیه سازی ……………………………………………………………………………………………………………
70
/>4-6-1- محاسبات اقتصادی جهت تصمیم گیری اعمال روش جدید بهره برداری ………………………………………..
71
4-6-2- دوره فرسایش و اثر بارگذاری …………………………………………………………………………………………
79
4-6-3- بررسی اثر جریان هجومی بر دمای نقطه‌ی داغ و ضریب تسریع فرسودگی در روش بهره‌برداری جدید ……
93
4-6-4- مقایسه‌ی عددی روش بهره‌برداری جدید و متداول ………………………………………………………………….
95
4-7- جمع‌بندی ……………………………………………………………………………………………………………………
96

فصل پنجم:

جمع‌بندی، نتیجه گیری و پیشنهادات
98
5-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………….
99
5-2- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………….
99
5-3- پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………………….
100

منابع و مآخذ
102

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جداول
عنوان
صفحه

جدول 3-1- انواع سیستم های خنک کنندگی ترانسفورمر …………………………………………………………………….
30
جدول 3-2- ضریب تسریع فرسودگی ………………………………………………………………………………………….
35
جدول 3-3- توان های استفاده شده در روابط تعیین دما ……………………………………………………………………….
41
جدول 4-1- مشخصات ترانسفورمر ……………………………………………………………………………………………..
67
جدول 4-2- خلاصه نتایج روش‌های مختلف بهره‌برداری ……………………………………………………………………
96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل‌ها
عنوان
صفحه

شکل 3-1- مدل فضای حالت مارکوف سیم پیچ …………………………………………………………………………….
14
شکل 3-2- مدل فضای حالت مارکوف هسته، تانک و روغن ………………………………………………………………..
15
شکل 3-3- مدل فضای حالت مارکوف کامل زیر سیستم 1 …………………………………………………………………
16
شکل 3-4- مدل فضای حالت مارکوف معادل زیر سیستم 1 ………………………………………………………………..
16
شکل 3-5- مدل فضای حالت مارکوف زیر سیستم 2 ………………………………………………………………………..
17
شکل3-6- مدل کامل فضای حالت مارکوف دو گروه فن با زیر گروه …………………………………………………….
19
شکل 3-7- مدل پنج حالته دو گروه فن با دو زیر گروه ………………………………………………………………………
19
شکل 3-8- مدل فضای حالت مارکوف سایر اجزای سیستم خنک کننده …………………………………………………..
21
شکل 3-9- مدل کامل فضای حالت مارکوف سیستم خنک کننده …………………………………………………………..
22
شکل 3-10- مدل معادل سیستم خنک کننده (6 حالته) ……………………………………………………………………..
23
شکل 3-11- مدل سه حالته معادل زیر سیستم های 1و2 …………………………………………………………………….
23
شکل 3-12- مدل کامل فضای حالت مارکوف و ترانسفورمر ……………………………………………………………….
24
شکل 3-13- مدل معادل فضای حالت مارکوف 11 حالته ترانسفورمر …………………………………………………….
25
شکل 3-14- فضای حالت نهایی مارکوف دو حالته برای یک ترانسفورمر ………………………………………………..
25
شکل 3-15-هسته ترانسفورمر سه فاز …………………………………………………………………………………………..
27
شکل3-16-انواع سیستم های خنک کنندگی …………………………………………………………………………………..
30
شکل3-17- عمر عایقی ترانسفورمر …………………………………………………………………………………………….
33
شکل 3-18- ضریب تسریع فرسودگی …………………………………………………………………………………………
34
شکل 3-19- فضای حالت ساده نشده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی همزمان در حالت کار ……………………..
42
شکل 3-20- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی با نرخ های برابر همزمان در حالت کار ….
43
شکل 3-21- فضای حالت ساده نشده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی مشابه در روش جدید ……………………..
43
شکل 3-22- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر مشابه در روش جدید ……………………………..
44
شکل 3-23- منحنی وان حمام            ………………………………………………………………………………………………….
51

فهرست شکل‌ها
عنوان
صفحه

شکل3-24- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی برای بدست آوردن قابلیت اطمینان ………
52
شکل 3-25- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر مشابه در سناریو جدید برای بدست آوردن قابلیت اطمینان ……………………………………………………………………………………………………………………..
52
شکل3-26- تابع چگالی احتمال نرمال ……………………………………………………………………………………….
55
شکل 3-27- مدل سیستم با دو عضو موازی یا یک عضو آماده به کار …………………………………………………..
57
شکل 3-28- تغییرات (t)R با افزایش عمر…………………………………………………………………………………..
58
شکل 3-29- توزیع نرمال عمر ترانسفورمر…………………………………………………………………………………..
59
شکل 3-30- نسبت دما، پارامتری برای بدست آوردن دمای ساعتی ………………………………………………………
62
شکل 4-1- نمودار بارگذاری ترانسفورمر نمونه در یک سال ……………………………………………………………..
67
شکل 4-2- دمای بیشینه و کمینه روزانه‌ی سال پایه …………………………………………………………………………
68
شکل 4-3- دمای ساعتی سال پایه …………………………………………………………………………………………….
69
شکل4-4- دسترس‌پذیری سیستم یک و دو ترانسفورمری ………………………………………………………………….
70
شکل 4-5- انرژی انتظاری تامین نشده در بارگذاری سبک – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و

هر دو در حال کار …………………………………………………………………………………………………………………
71
شکل4-6- مجموع تلفات ترانسفورمرها در بارگذاری سبک – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده   به کار و هر دو در حال کار ………………………………………………………………………………………………………………
72
شکل 4-7- مجموع هزینه انرژی انتظاری تامین نشده و تلفات در بارگذاری سبک – یک ترانسفورمر در حال کار و

دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار ……………………………………………………………………………………….
73
شکل 4-8- هزینه‌ی بهره برداری در بارگذاری سبک – روش بهره‌برداری جدید ……………………………………….
74
شکل 4-9- میزان بار پست در هر بار تغییر روش بهره‌برداری- بار گذاری سبک ……………………………………..
75
شکل 4-10- انرژی انتظاری تامین نشده در بارگذاری سنگین – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگریآماده به کار و

هر دو در حال کار …………………………………………………………………………………………………………………
76
شکل 4-11- مجموع تلفات ترانسفورمرها در بارگذاری سنگین – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار …………………………………………………………………………………………………………
77
شکل 4-12- مجموع هزینه انرژی انتظاری تامین نشده و تلفات در بارگذاری سنگین – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار………………………………………………………………………………..
77
فهرست شکل‌ها
عنوان
صفحه

شکل 4-13- هزینه‌ی بهره برداری در بارگذاری سنگین – روش بهره‌برداری جدید ……………………………..
78
شکل 4-14- میزان بار پست در هر بار تغییر روش بهره‌برداری- بار گذاری سنگین ……………………………
79
شکل 4-15- منحنی عمر باقیمانده بدون در نظر گرفتن اثر بارگذاری ………………………………………………
80
شکل4-16- قابلیت اطمینان بدون در نظر گرفتن اثر بارگذاری در دوره فرسایش …………………………………
81
شکل4-17- قابلیت اطمینان ترانسفورمر در دوره عمر نرمال …………………………………………………………
81
شکل 4-18- قابلیت اطیمنان ترانسفورمر بدون در نظر گرفتن اثر بارگذاری ……………………………………….
82
شکل 4-19- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک- روش بهره برداری متداول ………………………………………………………………………………………………………………………….
83
شکل 4-20- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش متداول بهره‌برداری…
84
شکل 4-21- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش متداول بهره‌برداری …………….
84
شکل 4-22- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش بهره برداری جدید …………………………………………………………………………………………………………………………..
86
شکل 4-23- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش جدید بهره‌برداری….
86
شکل 4-24- قابلیت اطمینان دوره عمر نرمال – روش جدید بهره‌برداری ………………………………………….
87
شکل 4-25- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش جدید بهره‌برداری ………………
88
شکل 4-26- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین- روش بهره برداری متداول ………………………………………………………………………………………………………………………….
89
شکل 4-27- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش متداول بهره‌برداری.
90
شکل 4-28- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش متداول بهره‌برداری…………….
90
شکل 4-29- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین- روش بهره برداری جدید …………………………………………………………………………………………………………………………..
91
شکل 4-30- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش جدید بهره‌برداری..
92
شکل 4-31- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش جدید بهره‌برداری …………….
92

 

 

فهرست شکل‌ها
عنوان
صفحه

شکل 4-32- دمای نقطه‌ی داغ ترانسفورمر با در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین ……………………………………………………………………………………………………………..
93
شکل 4-33- دمای نقطه‌ی داغ ترانسفورمر بدون در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین ……………………………………………………………………………………………………………..
94
شکل 4-34- تغییرات ضریب تسریع فرسودگی با در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین ………………………………………………………………………………………………………….
94
شکل 4-35- تغییرات ضریب تسریع فرسودگی بدون در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین ……………………………………………………………………………………………….
95

 

 

 

 

فصل اول

 

مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

پیشگفتار
ترانسفورماتورها از اصلی‌ترین تجهیزات شبکه قدرت جهت تأمین انرژی مشترکین به شمار می روند. با توجه به هزینه‌ی بسیار زیاد تعمیرات و نگهداری ترانسفورماتورهای قدرت و از آنجاییکه تعمیر، تهیه و نصب آن‌ها در صورت خرابی مستلزم صرف زمان طولانی است، رخ دادن خطا و ایجاد خرابی در ترانسفورماتورها باعث قطع طولانی مدت انرژی و متعاقب آن کاهش فروش انرژی و درآمد شرکت‌های برق می‌گردد. از این‌رو بهره‌برداری بهینه از ترانسفورماتورها جهت کاهش هزینه و میزان خرابی آن‌‌ها، از جمله مسائلی است که در حال حاضر پیش‌روی شرکت‌های مدیریت و بهره‌برداری شبکه‌های قدرت در بسیاری از کشورهای دنیا قرار دارد.

تاکنون مطالعات بسیاری در زمینه‌ی بهره‌برداری اقتصادی و بهینه از ترانسفورماتورهای قدرت مبتنی بر دیدگاه‌های متفاوتی انجام شده است. از آن جمله می‌توان به بهره‌برداری اقتصادی از ترانسفورماتورهای قدرت مبتنی بر توان کل و توان راکتیو، مشخصات و پارامترهای فنی ترانسفورماتورها، بهبود ضریب بار، جابجایی بارو … اشاره نمود]7[. این در حالی است که مطالعات و تحقیقات چندانی در زمینه بهره‌برداری اقتصادی ترانسفورماتورهای قدرت با در نظر گرفتن شاخص‌های قابلیت اطمینان صورت نگرفته است. از طرفی در اندک تحقیقات انجام شده، اثر متقابل عوامل تاثیرگذار بر شاخص‌های قابلیت اطمینان و در نهایت اثر تجمعی آنها بر بهره‌برداری بهینه از ترانسفورماتور دیده نشده است.

نکته‌ی چالش بر انگیز در این خصوص اینست که توجه بیش از حد به قابلیت اطمینان باعث هدر رفتن بودجه و سرمایه و افزایش هزینه‌ها خواهد شد و در مقابل توجه نامعقول و غیر منطقی به مسائل اقتصادی و تلاش برای کاهش هزینه بهره‌برداری بدون در نظر گرفتن شاخص‌های قابلیت اطمینان، سیستم را در ناحیه ریسک و خطر قرار خواهد داد، به همین دلیل ایجاد مصالحه و تعادل بین هزینه‌های بهره‌برداری و شاخص‌های قابلیت اطمینان همواره از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین مسائل در مطالعات سیستم‌های قدرت بوده است. از این‌رو مهم‌ترین اصل جهت سیاست‌گذاری در بهره‌برداری بهینه از ترانسفورماتورهای پست‌های فوق توزیع و انتقال مبتنی بر مفاهیم قابلیت اطمینان، یافتن تعادل مناسبی بین هزینه‌ها و قابلیت اطمینان می‌باشد.

از طرفی با توجه به تأثیر تغییر روش بارگذاری ترانسفورماتورها بر عمر آن‌ها، تخمین طول عمر باقیمانده ترانسفورماتورهای قدرت در هر لحظه با حفظ سطح قابل قبولی از قابلیت اطمینان، از دغدغه‌های اصلی اغلب دارندگان این تجهیزات، مخصوصاً در مواقعی که ترانسفورماتور در شرایط اضافه بار پیوسته و دوره‌ای قرار می‌گیرد، می‌باشد.

از عوامل مهم در تعیین عمر متوسط ترانسفورمرها در محدوده ترانسفورمرهای قدرت، فوق توزیع و توزیع، توجه به مسائل عایقی این تجهیزات می‌باشد. عوامل مختلفی در این زمینه وجود دارند که می‌توانند هر یک بر عمر عایقی ترانسفورمر اثرگذار باشند.

زوال عایق تابعی از دمای کار، رطوبت و اکسیژن موجود در عایق می‌باشد. امروزه با سیستم‌های مدرن فرآوری و نگهداری روغن و عایق‌های دیگر ترانسفورمر، اکسیژن و رطوبت عایق‌ها حداقل شده است، از آنجا که توزیع دما در ترانسفورمر یکنواخت نیست، تحقیقات روی تعیین داغ‌ترین نقطه ترانسفورمر (اصطلاحاً نقطه داغ) متمرکز شده است و از آن به عنوان عامل اصلی تعیین فرسایش عایقی یاد می‌شود.

حد بارگذاری ترانسفورمر به صورت جداولی در استانداردهای IEEE به شماره‌های C57.91-1981، C57.92-1982 و C57.115-1991 ارائه شده است. اما در استاندارد C57.91-1995 مربوط به بارگذاری ترانسفورمرهای روغنی، این جداول حذف شده‌اند و به جای آن‌ها مدل انتقال حرارتی ارائه شده است که کاربر می‌تواند بر مبنای روابط حالت گذرای آن و با بهره گرفتن از مشخصات حرارتی ترانسفورمر مورد نظر به دست آمده از آزمایش، دمای نقطه داغ را تعیین کند. برای تعیین دمای نقطه داغ در این مدل حرارتی، بارگذاری وارد روابط می‌شود. از این رو بارگذاری یکی از موارد تأثیرگذار روی دماهای ترانسفورمر مخصوصاً دمای نقطه داغ می‌باشد.

از طرفی تا زمانی که ترانسفورمر به محدوده عمر متوسط وارد نشده صرفاً خرابی‌های اتفاقی اجزاء در دوره عمر مفید در تعیین قابلیت اطمینان نقش دارند [8]. ولی در زمان ورود ترانسفورمر به محدوده عمر متوسط، فرسایش نیز روی قابلیت اطمینان ترانسفورمر تأثیرگذار خواهد بود. مهم‌ترین عامل در تعیین قابلیت اطمینان در مرحله فرسایش، عمر متوسط ترانسفورمر می‌باشد [8،9]. همان طور که ذکر شد عمر متوسط ترانسفورمر متأثر از دمای نقطه داغ و در نتیجه بارگذاری می‌باشد.
هدف تحقیق
ارزیابی دسترس‌پذیری و قابلیت اطمینان پست دارای دو ترانسفورماتور موازی در یک دوره بهره‌برداری بلندمدت و معین با اعمال روش پیشنهادی با فرض خروج عمدی یک ترانسفورماتور آن و قرار دادن آن در حالت آماده به کار.
محاسبه مجموع تلفات ترانسفورماتورها و انرژی انتظاری تأمین نشده[1] و تبدیل آن‌ها به شاخص‌های اقتصادی و مقایسه دو روش بهره‌برداری متداول و روش جدید پیشنهادی با رویکرد حداقل نمودن هزینه کل بهره‌برداری از ترانسفورماتور در افق زمانی معین.
بررسی تأثیر روش جدید بهره‌برداری بر طول عمر ترانسفورماتورها و تخمین طول عمر باقیمانده آن‌ها و همچنین قابلیت اطمینان سیستم در دوره فرسایش.
در این پایان‌نامه با مطالعه موردی روی یکی از پست‌های انتقال کشور نشان داده خواهد شد که بهره‌برداری از ترانسفورماتورهای موازی یک پست بر اساس روش جدید پیشنهادی در این تحقیق چه تأثیری بر هزینه بهره‌برداری، قابلیت اطمینان، طول عمر و زمان شروع فرسایش ترانسفورماتورها خواهد داشت در حالی که تاکنون در هیچ پژوهشی این روش بهره‌برداری مطرح و مورد بررسی قرار نگرفته است.

 

 

 

فصل دوم

 

مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه‌ی بهره‌برداری از ترانسفورماتورهای قدرت

 

 

مقدمه
ترانسفورماتورها در عین حال که از اصلی‌ترین تجهیزات شبکه قدرت جهت تأمین انرژی مشترکین به شمار می‌روند، اما به دلیل تلفات، جزء مصرف کننده‌های شبکه نیز می‌باشند. از طرفی به منظور بهبود قابلیت اطمینان و تأمین بار در زمان پیک، در پست‌های فوق توزیع و انتقال، معمولاً دو یا سه ترانسفورماتور به صورت موازی نصب می‌گردند. با توجه به آمار و اطلاعات موجود، در زمان‌هایی از سال درصد بارگذاری ترانسفورماتورهای قدرت بسیار پایین است، به نظر می‌رسد خروج عمدی یکی از ترانسفورماتورهای موازی پست‌ها و قرار دادن آن در حالت آماده به کار، عامل موثری در کاهش هزینه بهره‌برداری از ترانسفورماتورها خواهد بود. در زمان‌های بارگذاری خیلی کم ترانسفورماتورهای قدرت، تلفات بی باری بخش اعظمی از تلفات کل را به خود اختصاص می‌دهد]10،7[. لذا در این پایان‌نامه روش جدیدی مطرح می‌شود که با خروج عمدی یک ترانسفورماتور در پست‌های دارای دو ترانسفورماتور و قرار دادن آن در حالت آماده به کار[2]، بتوان تلفات بی باری ترانسفورماتورهای موازی را در زمان‌های کم باری کاهش داد و تأثیر این خروج را بر تلفات مسی بررسی نمود. از طرفی از آنجائیکه خروج یک پست فوق توزیع یا انتقال از مدار، موجب قطع تغذیه تعداد زیادی از مشترکین خواهد شد، مهم‌ترین چالش در این روش، سطح قابلیت اطمینان و دسترس‌پذیری ترانسفورماتورهای پست در این حالت و مقایسه‌ی آن با حالت متداول بهره‌برداری است. عوامل بسیاری به صورت متقابل بر قابلیت اطمینان در این حالت اثرگذار خواهند بود و به تبع آن شاخص‌های اقتصادی آن‌ها بهره‌برداری بهینه‌ی ترانسفورماتورها را تحت تأثیر قرار خواهند داد.

برای بررسی روش پیشنهادی جدید، از منابع کتابخانه‌ای، مقالات چاپ شده معتبر و استانداردهای IEEE ، IEC و ملی در تدوین این پایان‌نامه استفاده شده است.

در این فصل به بررسی تحقیقات و مطالعات انجام شده در خصوص مسائل مربوط به بهره‌برداری از ترانسفورماتورهای قدرت پرداخته خواهد شد.

پیشینه‌ی تحقیق

در اینجا به نمونه‌هایی از تحقیقات گذشته که در راستای موضوع این پایان‌نامه بررسی شده‌اند اشاره می‌شود:

در مرجع ]1[ به تعیین قابلیت بارگذاری ترانسفورماتور با در نظر گرفتن عملکرد فوق تحریک می‌پردازد. ابتدا مدل تخمین دمای نقطه داغ استاندارد IEEE معرفی می‌شود و در ادامه شرایط فوق تحریک بررسی می‌گردد و مدل با این شرایط اصلاح می‌گردد و در نهایت با بهره گرفتن از مدل اصلاح‌شده با توجه به نرخ‌های پیری عایق و تغییرات دمای محیط، قابلیت بارگذاری ترانسفورماتور با شبیه‌سازی تعیین و میزان تأثیر فوق تحریک روی بار مجاز ترانسفورماتور مشخص شده است.

در مرجع ]2[ مدلی برای تخمین دمای نقطه داغ ترانسفورماتور ارائه‌ شده است و با بهره گرفتن از آن تأثیر تغییر دمای محیط روی دمای نقطه داغ و عمر عایقی ترانسفورماتور بررسی و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

در مرجع ]3[ دوره برنامه‌ریزی بهینه با توجه به ضریب متوسط بار بیشینه و ارزش واقعی تلفات و قدرت ذخیره برای ترانسفورماتورهای توزیع محاسبه شده است.

در مرجع [4] به تأثیر بارگذاری روی قابلیت اطمینان ترانسفورماتور پرداخته شده است. در ابتدا قابلیت اطمینان دوره عمر مفید بررسی‌شده و سپس با بهره گرفتن از تغییرات عمر مفید در اثر بارگذاری با به‌کارگیری تابع توزیع نرمال قابلیت اطمینان در دوره فرسایش بررسی‌شده است.

مرجع ]5[ به ارزیابی عمر عایقی یک ترانسفورماتور قدرت تحت تنش‌های مختلف حرارتی، الکتریکی و محیطی می‌پردازد. ابتدا به بررسی مدل تنش حرارتی یک ترانسفورماتور قدرت با بهره گرفتن از معادله آرینیوس پرداخته و سپس مدل به دست آمده بر اساس تنش الکتریکی اصلاح می‌گردد. و در پایان با بهره گرفتن از مفهوم پیری عایقی و ضریب تسریع فرسودگی به تخمین مقدار کاهش عمر یک ترانسفورماتور می‌پردازد.

در مرجع ]7[ به بررسی بهره‌برداری اقتصادی از ترانسفورماتور با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان پرداخته شده است. این مقاله بر یافتن یک نقطه بحرانی بار مورد نیاز جهت استفاده از دو ترانسفورماتور پست به طور همزمان استوار است. برای تبدیل شاخص‌های قابلیت اطمینان به شاخص‌های اقتصادی از هزینه قطعی مشترکین استفاده شده و جهت محاسبه انرژی قطعی مشترکین از روش تخمینی استفاده نموده است. در این مرجع تاثیر این شیوه بهره‌برداری بر عمر ترانسفورماتورها بررسی نشده است.

در مرجع ]11[ روشی بر اساس آنالیز هزینه/ فایده قابلیت اطمینان مبتنی بر ارزش قابلیت اطمینان مشترکین جهت بررسی بارگذاری نرمال و تعیین ظرفیت اضطراری با در نظر گرفتن سطوح مختلف بارگذاری ترانسفورماتورها قدرت ارائه‌ شده است. در این مقاله هزینه انرژی انتظاری تأمین نشده به عنوان یک شاخص تأثیرگذار در سناریوهای مختلف محاسبه شده است و با محاسبه هزینه ظرفیت استفاده نشده و نرخ ظرفیت اضطراری ترانسفورماتورها، درصد بهینه بارگذاری ترانسفورماتورها تعیین شده است. این مرجع همچنین ضابطه‌ای جهت تعیین میزان بارگذاری اضطراری ترانسفورماتورهای تحت بهره‌برداری ارائه کرده است.

در مرجع ]12[ روشی برای به دست آوردن کاهش عمر ترانسفورماتور بر اساس آنالیز وابستگی تصادفی بین شرایط بارهای غیرعادی ترانسفورماتور و دمای محیط ارائه‌ شده است. تمرکز این مرجع بر رفتار اتفاقی دمای محیط بر مطالعات کاهش عمر ترانسفورماتور می‌باشد.

در مرجع ]13[ یک مدل هیبریدی خروج وابسته به موقعیت ترانسفورماتور ارائه شده تا قابلیت اطمینان را ارزیابی کند. در این مقاله چهار حالت شکست ترانسفورماتور (مدل دمای نقطه داغ، مدل نقص فرسودگی وابسته به دمای نقطه داغ، مدل نقص اتفاقی وابسته به دمای محیط، مدل خروج به واسطه نقص حفاظت اضافه بار) به صورت ترکیبی بیان شده است. یکی از حالت‌های این مدل خروج به سبب اختلال در حفاظت اضافه بار می‌باشد که با بهره گرفتن از تابع توزیع نرمال قابلیت اطمینان سیستم را بررسی نموده است.

در مرجع ]14[ جهت تعیین ظرفیت بارگذاری ترانسفورماتورها مبتنی بر مسئله‌ی کاهش عمر انتظاری ترانسفورماتور از مدلی احتمالی با در نظر گرفتن عوامل تأثیرگذار بر کاهش عمر انتظاری ترانسفورماتور، از جمله منحنی بار روزانه، نرخ خروج اجباری ترانسفورماتور، مدت زمان خروج‌ها، طول مدت زمان اضافه بار انتظاری استفاده ‌شده است.

در مرجع ]15[ اثر حرارتی بارگذاری به طور کامل شرح داده شده و در مورد شرایط بارگذاری فراتر از مقادیر نامی بحث شده است. روش استفاده از استاندارد IEEE برای محدودیت‌های بارگذاری ترانسفورماتور توضیح داده شده و مدل حرارتی طبق استاندارد برای به دست آوردن دمای نقطه داغ ارائه‌ شده است. در نهایت با بهره گرفتن از یک رله میکرو پروسسوری حفاظت ترانسفورماتور در برابر اضافه بار و محدودیت مجاز حرارتی ترانسفورماتور، طراحی و شبیه‌سازی گردیده است.

در مرجع [16] به بررسی دو مدل در (IEEE Loading Guide) که یکی در بخش هفتم و دیگری در پیوست G این استاندارد مطرح شده است برای محاسبه دمای نقطه داغ پرداخته شده است. در این مقاله مطالعه‌ای مقایسه‌ای بین این دو روش از طریق ارزیابی دمای نقطه داغ چهار ترانسفورماتور با سیستم‌های خنک‌کنندگی ONAN، ONAF، OFAF و ODAF و تحت شرایط بار پایدار، بار روزانه و پروفیل‌های دمای محیط و یک دوره کوتاه اضافه بار، انجام شده است.

در مرجع [17] یک مدل ریاضی یک ترانسفورماتور از دیدگاه گرمایی ارائه‌ شده و در این مدل دمای نقطه داغ[3] برای بارگذاری‌های مختلف و پیوسته بررسی‌شده‌اند.

مرجع [18] به مسئله بارگذاری ترانسفورماتور با رویکرد تحریک بیش از حد پرداخته و در آن یک روش ارزیابی بارگذاری پیشنهاد شده است. داده‌های آن از 50 تست واقعی ترانسفورماتور قدرت بوده و به وسیله آن داده‌ها به تأثیر تحریک اضافی روی عمر ترانسفورماتور پرداخته است.

در مرجع [19] توصیفی جامع از فلسفه اضافه بار[4] و روش‌های محاسبه منحنی عمر ترانسفورماتور ارائه شده و با بهره گرفتن از یک برنامه کامپیوتری این موارد را تشریح نموده است. در این مقاله قابلیت اطمینان ترانسفورماتور مورد مطالعه قرار نگرفته است.

در مرجع [20] روشی برای ارزیابی احتمالات افزایش دمای بیشینه ترانسفورماتور و افت انتظاری عمر ترانسفورماتور با در نظر گرفتن بار گذشته پست و دمای محیطی بیان شده است و همچنین طرح‌های توسعه پست برای مطابقت دادن با بار پیش‌بینی‌شده منطقه بر اساس ارزش اقتصادی در مقابل قابلیت اطمینان مقایسه شده است. ولی فرسایش و میزان عمر ترانسفورماتور مورد ارزیابی قرار نگرفته است.

مرجع [21] تشریح می‌کند که چگونه مشخصات فرسایش می‌تواند از نظر کمی روی محاسبه شاخص‌های قابلیت اطمینان از قبیل انتظار از دست دادن بار[5]، زمان انتظاری قطع بار[6]، فراوانی قطع بار[7]، انرژی انتظاری تأمین نشده در سیستم قدرت تأثیر بگذارد. برای ایجاد سابقه تعمیر و خرابی اجزا روش شبیه‌سازی مونت‌کارلو زنجیره‌ای با بهره گرفتن از مدل کردن فرایند نقطه تصادفی معرفی شده است و از نرم‌افزار MATLAB برای شبیه‌سازی سیستم IEEE RTS، 24 باسه تک منطقه‌ای استفاده ‌شده و در نهایت این شاخص‌ها محاسبه و با هم مقایسه شده‌اند.

در مرجع [22] مدل قابلیت اطمینان ترانسفورماتور برای خرابی اتفاقی اجزا در حالت خنک‌کنندگی روغن طبیعی ـ هوا اجباری ارائه‌ شده است که در آن اجزا ترانسفورماتور را به سه زیرسیستم تقسیم‌بندی کرده و از روش مدل‌سازی مارکوف در 11 حالت قابلیت اطمینان سیستم را تحلیل نموده است. در نهایت مقادیر قابلیت اطمینان را در حالت‌های ظرفیت بار کامل، نیمه ظرفیت و حالت خروج به دست آورده است. در این مقاله قابلیت اطمینان با محوریت خنک‌کنندگی بررسی‌شده است و به بحث‌های بارگذاری و فرسایش ترانسفورماتور پرداخته نشده است.

در مرجع ]23[ در چندین کشور برای ترانسفورماتورهایی که بالای 30 سال عمر داشته و مقدار نامی ولتاژ آن‌ها حداقل 72 کیلوولت بوده، اطلاعات بیش از 1000 خطا در بین سال‌های 1968 تا 1978 جمع‌آوری شد. اطلاعات نشان می‌دهد که نرخ خرابی ترانسفورماتور در حدود 2% در سال می‌باشد. تحقیقات انجام‌گرفته نشان می‌دهد افزایش ولتاژ نامی و دارا بودن تپ چنجر نرخ خطا را افزایش می‌دهد. در این مقاله خرابی‌ها به انواع خرابی‌های الکتریکی، دی الکتریک، مکانیکی و گرمایی و یک بار دیگر به خرابی‌های تولید، طراحی و نگهداری، آذرخش و خطاهای سیستم دسته‌بندی شده‌اند و درصد هر کدام از انواع خطا مشخص شده‌اند. علاوه بر این‌ها در این تحقیق خرابی‌ها بر اساس اجزا آسیب دیده ترانسفورماتور نیز تقسیم‌بندی شده‌اند.

در مرجع ]24[ روش جدیدی برای ارزیابی عمر ترانسفورماتور با توجه به دمای محیط ارائه‌ شده است. این تخمین عمر باقیمانده، می‌تواند زمان تعمیرات و یا جایگزینی ترانسفورماتور را تعیین کند. علاوه بر روش‌های ذکر شده در این مرجع، روش‌های دیگری هم وجود دارند که با بهره گرفتن از تکنیک‌های قابلیت اطمینان به این کار می‌پردازند.
جمع‌بندی
همان‌طور که ملاحظه گردید، در هیچ‌کدام از تحقیقات گذشته مطالعه‌ای بر روی تغییر در نحوه بارگذاری و روش بهره‌برداری ترانسفورماتورها انجام نشده است. از طرفی در بعضی از تحقیقات انجام شده مدل‌های بررسی‌شده مربوط به یک ترانسفورماتور بوده و مطالعه در زمینه‌ی بهره‌برداری از ترانسفورماتورهای موازی یک پست و اثر متقابل