هسته های ترانسفورماتور نوع خشک چگونه بارهای اضافه و اتصال کوتاه را کنترل می کنند؟

ترانسفورماتورهای نوع خشک اجزای ضروری در سیستم های توزیع الکتریکی هستند، به ویژه در محیط های تجاری، صنعتی و مسکونی که ایمنی، کارایی و قابلیت اطمینان بسیار مهم هستند. بر خلاف ترانسفورماتورهای روغنی، از ترانسفورماتورهای نوع خشک استفاده می شود هوا به عنوان محیط خنک کننده ، آنها را برای نصب در داخل ساختمان ایمن تر می کند. در قلب این ترانسفورماتورها نهفته است هسته ترانسفورماتور ، که نقش تعیین کننده ای در مدیریت تنش های الکتریکی مانند اضافه بار و اتصال کوتاه .

این مقاله به بررسی چگونگی طراحی هسته‌های ترانسفورماتور نوع خشک برای کنترل اضافه بارها و مدارهای کوتاه می‌پردازد، از جمله مکانیسم‌ها، مواد، ملاحظات طراحی، و اقدامات حفاظتی که عملکرد و طول عمر ترانسفورماتور را تضمین می‌کنند.

1. درک هسته های ترانسفورماتور نوع خشک

ساختار و عملکرد

یک هسته ترانسفورماتور نوع خشک معمولاً از آن ساخته می شود لمینیت های فولادی سیلیکونی با عیار بالا برای تشکیل مسیر مغناطیسی برای عملکرد ترانسفورماتور در کنار هم قرار گرفته اند. هسته چندین عملکرد را انجام می دهد:

• هدایت شار مغناطیسی : شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ اولیه را برای القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه هدایت می کند.
• به حداقل رساندن تلفات : ساخت لمینت تلفات جریان گردابی را کاهش می دهد و راندمان را بهبود می بخشد.
• سیم پیچ های پشتیبانی : پشتیبانی مکانیکی برای سیم پیچ های اولیه و ثانویه را فراهم می کند.

انواع هسته ها

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک را می توان بر اساس ساختار آنها دسته بندی کرد:

1. هسته EI : ورق های چند لایه تشکیل شده به شکل E و I شکل به طور متناوب.
2. C-Core یا Toroidal Core : مسیر مغناطیسی پیوسته با حداقل شکاف هوا، ارائه صدای کم و راندمان بالاتر.

طراحی هسته مستقیماً بر توانایی ترانسفورماتور تأثیر می گذارد تحمل اضافه بار و شرایط اتصال کوتاه .

2. اضافه بار در ترانسفورماتورهای نوع خشک

اضافه بار چیست؟

اضافه بار زمانی رخ می دهد که ترانسفورماتور باری بیش از ظرفیت نامی خود را حمل می کند . این منجر به جریان بیش از حد در سیم پیچ ها می شود که می تواند گرما ایجاد کند و به هسته فشار وارد کند.

پاسخ اصلی به اضافه بارها

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک بار اضافه بار را از طریق چندین مکانیسم کنترل می کنند:

1. اشباع مغناطیسی

   • هسته به گونه ای طراحی شده است که در زیر آن کار کند نقطه اشباع تحت بار معمولی
   • در طول اضافه بار، چگالی شار مغناطیسی افزایش می‌یابد و به اشباع نزدیک می‌شود که افزایش بیشتر جریان را محدود می‌کند.
   • اشباع نوعی محافظت طبیعی ایجاد می کند و از ایجاد جریان های غیرقابل کنترل توسط شار مغناطیسی بیش از حد جلوگیری می کند.

2. اتلاف حرارت

   • اضافه بار تلفات I²R را در سیم پیچ ها افزایش می دهد و گرمایی ایجاد می کند که به هسته منتقل می شود.
   • هسته فولادی چند لایه به طور موثر گرما را هدایت می کند و طراحی خشک به هوا اجازه می دهد هم هسته و هم سیم پیچ را خنک کنید .
   • افزایش دما از طریق کنترل می شود کانال های تهویه، همرفت طبیعی یا خنک کننده هوای اجباری بسته به کلاس ترانسفورماتور.

3. سیستم های حفاظت حرارتی

   • اکثر ترانسفورماتورهای نوع خشک شامل سنسورهای حرارتی در هسته یا سیم پیچ ها تعبیه شده است.
   • این سنسورها دمای بیش از حد ناشی از اضافه بار را تشخیص می دهند و برای جلوگیری از آسیب، آلارم ها را فعال می کنند یا مدارها را قطع می کنند.

ملاحظات طراحی برای حمل اضافه بار

• مواد اصلی : فولاد سیلیکونی با کیفیت بالا با تلفات هیسترزیس کم باعث کاهش تولید گرما می شود.
• ضخامت لمینیت : لایه‌های نازک جریان گردابی را کاهش می‌دهند و گرمای اضافی تحت بار اضافه را به حداقل می‌رسانند.
• طراحی جریان هوا : کانال های اطراف هسته خنک کننده را افزایش می دهند و گرما را به طور موثر دفع می کنند.
• درجه بندی دما : ترانسفورماتورها برای کنترل طراحی شده اند اضافه بارهای کوتاه مدت (معمولاً 120 تا 150 درصد بار نامی) بدون آسیب دائمی.

3. اتصال کوتاه در ترانسفورماتورهای نوع خشک

اتصال کوتاه چیست؟

اتصال کوتاه زمانی رخ می دهد که مقاومت الکتریکی در مدار به شدت کاهش می یابد ، باعث افزایش ناگهانی جریان می شود. در ترانسفورماتورها، اتصال کوتاه می تواند از موارد زیر سرچشمه بگیرد:

• سیم کشی معیوب
• خرابی تجهیزات پایین دست
• خرابی عایق

مدارهای کوتاه هسته ترانسفورماتور و سیم پیچ ها را تحت تأثیر قرار می دهند استرس شدید الکتریکی و مکانیکی ، نیاز به طراحی قوی دارد.

پاسخ اصلی به مدارهای کوتاه

1. استحکام مکانیکی

   • در طول یک اتصال کوتاه، نیروهای الکترومغناطیسی روی سیم‌پیچ‌ها و هسته وارد می‌شوند.
   • هسته باید یکپارچگی ساختاری را حفظ کند جلوگیری از تغییر شکل یا جابجایی که می تواند منجر به شکست سیم پیچ یا آسیب عایق شود.

2. اشباع مغناطیسی Limiting

   • طراحی هسته تضمین می کند که حتی تحت جریان های شدید، شار مغناطیسی از نقطه ای که می تواند تجاوز نمی کند باعث مغناطیسی بیش از حد یا لرزش هسته می شود .
   • به عنوان مثال، هسته های حلقوی به دلیل مسیرهای مغناطیسی پیوسته که نشت شار را کاهش می دهند، جریان های اتصال کوتاه را بهتر مدیریت می کنند.

3. هماهنگی عایق

   • لایه های هسته و سیم پیچ های اطراف عایق بندی شده اند تحمل اضافه ولتاژهای گذرا در طول اتصال کوتاه
   • عایق بندی مناسب مانع می شود اتصال کوتاه بین لمینیت ها یا پیچ های سیم پیچ ، که می تواند منجر به شکست فاجعه بار شود.

ویژگی های طراحی برای دوام اتصال کوتاه

• گیره هسته قوی : لمینیت ها برای مقاومت در برابر نیروهای مکانیکی محکم بسته می شوند.
• سیم پیچ های با مقاومت بالا : هادی های مسی یا آلومینیومی برای مقاومت در برابر تغییر شکل تقویت می شوند.
• پوشش های اپوکسی یا لاک الکل : ترانسفورماتورهای نوع خشک اغلب از رزین آغشته به خلاء برای اتصال سیم پیچ ها و ایمن سازی آنها در برابر نیروهای الکترومغناطیسی استفاده می کنند.
• استانداردهای تست : ترانسفورماتورها تحت تست های مقاومت در برابر اتصال کوتاه برای بررسی یکپارچگی هسته و سیم پیچ.

4. اقدامات حفاظتی

حفاظت داخلی

1. سنسورهای دما : تعبیه شده در سیم پیچ ها و هسته برای تشخیص اضافه بار و فعال کردن آلارم یا مدارهای تریپ.
2. فیوز و مدار شکن : محدود کردن جریان در هنگام اتصال کوتاه، جلوگیری از آسیب به هسته و سیم پیچ.
3. دستگاه های کاهش فشار : برخی از ترانسفورماتورهای نوع خشک دارای دریچه هایی برای آزادسازی گرما و حفظ یکپارچگی سازه هستند.

ملاحظات نصب

• ترخیص کافی : جریان هوا را در اطراف هسته برای دفع گرما تضمین می کند.
• مدیریت بار مناسب : از کارکرد طولانی مدت با حداکثر ظرفیت نامی خودداری کنید.
• تعمیر و نگهداری منظم : تمیز کردن گرد و غبار و زباله ها از گرم شدن بیش از حد جلوگیری می کند و کارآمدی اتصال کوتاه را تضمین می کند.

5. مدل سازی حرارتی و الکتریکی

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک مدرن با استفاده از طراحی شده اند مدل سازی حرارتی و الکترومغناطیسی :

• تحلیل المان محدود (FEA) اشباع هسته و توزیع شار را تحت بارهای اضافه و اتصال کوتاه پیش بینی می کند.
• شبیه سازی حرارتی اطمینان حاصل کنید که هات اسپات ها در محدوده ایمن هستند.
• شبیه سازی های مکانیکی ارزیابی تغییر شکل هسته و سیم پیچ تحت نیروهای الکترومغناطیسی.

این تکنیک‌های مدل‌سازی به مهندسان کمک می‌کند تا هسته‌هایی را طراحی کنند مقاومت در برابر تنش های اضافه جریان و در عین حال حفظ کارایی .

6. مزایای ترانسفورماتورهای نوع خشک در شرایط اضافه بار و اتصال کوتاه

• ایمنی : روغن قابل اشتعال ندارد، خطر آتش سوزی را در هنگام بارگذاری اضافه یا اتصال کوتاه کاهش می دهد.
• خنک کننده سریع : خنک کننده هوا باعث دفع سریعتر گرما از هسته می شود.
• عملکرد قابل پیش بینی : سنسورهای حرارتی نظارت در زمان واقعی را ارائه می دهند.
• ساخت و ساز قوی : هسته های چند لایه و سیم پیچ های تقویت شده تنش های مکانیکی را تحمل می کنند.
• تعمیر و نگهداری کم : خطر آلودگی یا نشت کمتر در مقایسه با انواع روغنی.

7. بهترین روش ها برای به حداکثر رساندن طول عمر هسته

1. از اضافه بار مداوم اجتناب کنید : در صورت امکان زیر ظرفیت نامی کار کنید.
2. مانیتور دما : از سنسورهای حرارتی یا سیستم های نظارت بر دمای خارجی استفاده کنید.
3. بررسی آسیب دیدگی : به طور منظم لایه های هسته و سیم پیچ ها را برای علائم تغییر شکل یا خرابی عایق بررسی کنید.
4. از تهویه مناسب اطمینان حاصل کنید : جریان هوا را برای جلوگیری از تجمع گرما حفظ کنید.
5. از وسایل حفاظتی مناسب استفاده کنید : کلیدهای مدار و فیوزها باید با مشخصات ترانسفورماتور مطابقت داشته باشند.
6. برای شرایط اتصال کوتاه برنامه ریزی کنید : طراحی سیستم های الکتریکی با هماهنگی مناسب برای به حداقل رساندن نوسانات جریان.

8. خلاصه رفتار محوری

9. نتیجه گیری

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک مهندسی شده اند کنترل اضافه بار و اتصال کوتاه از طریق ترکیبی از انتخاب مواد، طراحی لمینیت، هماهنگی عایق و اقدامات حفاظتی. هسته‌های چند لایه آن‌ها تلفات جریان گردابی را کاهش می‌دهند و در عین حال استحکام مکانیکی را فراهم می‌کنند و طراحی هوا خنک آن‌ها اتلاف گرمای کارآمد را در هنگام بارهای اضافه تسهیل می‌کند. دستگاه های حفاظتی مانند سنسورهای حرارتی، قطع کننده های مدار و فیوزها بیشتر تضمین می کنند که اضافه بار و اتصال کوتاه منجر به خرابی فاجعه آمیز نمی شود.

اصول طراحی هسته های ترانسفورماتور نوع خشک تاکید دارد ایمنی، قابلیت اطمینان و کارایی ، آنها را برای کاربردهای داخلی که در آن اتلاف سریع گرما و مقاومت در برابر تنش های الکتریکی و مکانیکی بسیار مهم است، ایده آل می کند. نصب مناسب، تعمیر و نگهداری منظم و پیروی از دستورالعمل های عملیاتی، توانایی ترانسفورماتور را در مقاومت در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه به حداکثر می رساند و عملکرد طولانی مدت و ایمنی عملیاتی را تضمین می کند.

بنابراین هسته های ترانسفورماتور نوع خشک تعادل حیاتی را نشان می دهند مهندسی برق، علم مواد و مهندسی ایمنی ، به سیستم های الکتریکی مدرن اجازه می دهد تا تحت شرایط چالش برانگیز به طور موثر عمل کنند.