تنظیم ولتاژ ترانسفورماتورها

تغییر تپ چنجر یکی از ساده ترین روش های تنظیم ولتاژ توسط ترانسفورماتور است. تنظیم ولتاژ ترانسفورتورها از اقدامات روتین به منظور افزایش کیفیت ولتاژ محسوب می شود اما به تنهایی کافی نیست. استاندارد بودن میزان ولتاژ تنها یکی از پارامترهای تعیین کننده ی کیفیت ولتاژ دریافتی از منبع یا Qulity Of Supply Voltage می باشد. طبق قانون؛ ارائه‌ی سطح ولتاژ مناسب در ترمینال‌های نقطه‌ی سرویس به مشترکین ضروری است. به عبارت دیگر دامنه ی ولتاژ و پارامترهای دیگر آن باید به گونه ای باشد تا عملکرد رضایت بخش تجهیزات تضمین شود. از پارامترهای مهم کیفیت ولتاژ دریافتی از شبکه می توان به این موارد اشاره کرد:

• قرار داشتن مقدار ولتاژ و فرکانس در بازه‌ی قانونی و استاندارد
• عدم نوسان و تغییرات سریع در دامنه‌ی مجاز تعیین شده
• عدم قطع به استثنای تعمیرات برنامه ریزی شده یا بعلت رخ دادن خطا در شبکه یا سایر موارد اضطراری
• حفظ شکل موج نزدیک به سینوسی کامل

دامنه‌ی تغییرات مجاز ولتاژ

تغییرات ولتاژ ارائه شده به مشترکین باید در یک بازه ی استاندارد باشد. بازه ی استاندارد ولتاژ به صورت مثبت و منفی اعلام می شود. بخش مثبت به معنی اضافه ولتاژ و بخش منفی به معنی افت ولتاژ مجاز است. در این بخش تنها نگهداری میزان یا دامنه‌ی ولتاژ در بازه ی استاندارد مورد بحث قرار می‌گیرد. شرکت‌های توزیع در بسیاری از کشورها وظیفه دارند تا سطح ولتاژ را در نقطه‌ی سرویس مشترکین فشار ضعیف در محدوده‌ی  \( \pm 5{\rm{\% }}\) حفظ کنند. در برخی موارد این دامنه به \( \pm 6{\rm{\% }}\) نیز می‌رسد. برای کسب اطلاعات بیشتر باید به استانداردهای محلی و منطقه ای مراجعه کرد. استاندارد IEC و اکثر استانداردهای ملی توصیه می‌کنند که تجهیزات LV برای عملکرد رضایت بخش در محدوده‌ی \( \pm 10{\rm{\% }}\)  ولتاژ نامی طراحی و تست شوند. این امر ایجاد کننده‌ی یک حاشیه‌ی ایمن حتی در بدترین شرایط است. بدترین شرایط با تصور 5 درصد افت ولتاژ مجاز در نقطه‌ی سرویس و 5 درصد افت ولتاژ در تاسیسات داخلی مطرح می شود.

علل افت ولتاژ و اضافه ولتاژ در شبکه توزیع

حفظ کیفیت ولتاژ از مهم ترین وظایف شرکت های توزیع در دو سطح MV و LV است. میزان تغییرات ولتاژ در شبکه های توزیع به پارامترهای ثابت و متغیر بستگی دارد. برخی از پارامترهای مهم در میزان ولتاژ تحویلی به مشترکین عبارت اند از:

• سطح ولتاژ دریافتی از پست های فشار قوی یا فوق توزیع
• سطح مقطع و نوع هادی های استفاده شده در شبکه ی فشار متوسط
• طول شبکه ی MV و فاصله ی پست های توزیع از منبع
• موقعیت تپ چنجر ترانس های MV یا فشار متوسط
• میزان بار شبکه و ترانس MV به صورت اکتیو و راکتیو
• وضعیت شبکه ی فشار ضعیف
• موارد دیگر مانند هارمونیک و غیره

شبکه‌های MV از پست‌های فوق توزیع یا انتقال تغذیه می‌شوند. این پست‌ها وظیفه‌ی تبدیل ولتاژهای بالاتر را به MV داشته و اولین نقطه ی تنظیم ولتاژ در شبکه های توزیع محسوب می شوند. ترانس های نصب شده در پست‌های انتقال یا فوق توزیع دارای تپ چنجرهای قابل تغییر تحت بار هستند. تپ چنجر قابل تغییر تحت بار با عنوان OLTC یا On-Load Tap Changer نیز شناخته می شود. موقعیت تپ چنجر ترانس فشار قوی با میزان بار دریافتی از آن رابطه ی مستقیم دارد. با افزایش بار می توان تپ چنجر را به صورت دستی یا اتوماتیک تنظیم کرد تا افت ولتاژ در شبکه ایجاد نگردد. این شرایط در کم باری به صورت عکس انجام شده و از ایجاد اضافه ولتاژ جلوگیری می کند. با توجه به وجود تپ چنجرهای Onload در پست های انتقال یا فوق توزیع، تغییرات ولتاژ ورودی به بوشینگ های ترانسفورماتور MV/LV باید در محدوده‌ی \( \pm 2{\rm{\% }}\)  حفظ شود.

تپ چنچر در ترانسفورماتور توزیع یا فشار متوسط

ترانسفورماتورهای توزیع از نظر تکنولوژی به دو گروه روغنی و خشک تقسیم می شوند. ترانس های فشار متوسط نیز دارای تپ چنجر برای تنظیم ولتاژ خروجی یا LV هستند. تپ چنجر ترانس های MV روی سیم پیچ اولیه بوده و اغلب به شکل Off-Circuit یا DETC است. عبارت DETC به معنی De-Energized Tap Changer یا تپ چنجر غیر قابل تغییر، تحت ولتاژ می باشد. تاکید می شود که برای تنظیم ولتاژ ترانس های فشار متوسط معمولی یا DETC باید آن ها را بی برق کرد. قابل ذکر است که ترانس های خشک و روغنی MV با تپ چنجر On-Load نیز تولید می شوند اما قیمت بالاتری در مقایسه با مدل های DETC دارند. تعداد پله ها، میزان تغییرات ولتاژ و روش تنظیم تپ چنجر ترانس توزیع به مدل و تکنولوژی آن بستگی دارد.

کلید تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور یا تپ چنجر ترانس روغنی

در ترانس های روغنی معمولا از سلکتور سوئیچ 3 یا 5 مرحله ای استفاده می شود. این سوئیچ نزدیک بوشینگ های فشار متوسط قرار داشته و باید در خاموشی کامل ترانس تنظیم شود. تاکید می شود که برای تنظیم کلید ولتاژ در ترانس های MV باید سمت اولیه و ثانویه ی آن به صورت کامل بی برق و در صورت امکان، اتصال زمین گردد. چرخش کلید تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور روغنی به شکل های مختلفی انجام می شود. برخی از  کلیدهای تنظیم ولتاژ دارای مهره یا قسمت های خاصی برای قفل کردن آن در هر پله هستند. توجه کنید که قرار گرفتن تپ چنجر یا کلید تنظیم ولتاژ بین دو پله باعث آسیب شدید به ترانسفورماتور خواهد شد.

اطلاعات مربوط به تعداد پله ها و درصد تغییر ولتاژ در نیم پلیت یا پلاک ترانسفورماتور درج می شود. ترانس های روغنی با توان پائین دارای سیم پیچ زیگزاگ بوده و میزان تغییرات ولتاژ توسط تپ چنجر در آن ها به شکل \( \pm 4{\rm{\% }}\) درصد در سه پله است. در تصویر زیر پلاک یک ترانسفورماتور روغنی 50 کاوا را مشاهده می کنید. میزان ولتاژ اولیه در بخش ولتاژ اسمی V به ترتیب 20800 و 20000 و 19200 ثبت شده است. این مقادیر مربوط به وضعیت کلید تپ چنجر بوده که در پائین پلاک نیز ارائه شده اند. در نظر داشته باشید که موقعیت یا پله ی دوم از تپ چنجر به شکل خنثی بوده و هیچ گونه افزایش یا کاهش ولتاژ را نخواهد داشت.

میزان تغییرات ولتاژ توسط تپ چنجر در ترانس های روغنی با توان بالاتر به \( \pm 5{\rm{\% }}\) درصد می رسد. تعداد پله های تپ چنجر در این ترانس ها می تواند 3 یا 5 عدد باشد. میزان تغییر ولتاژ در مدل سه مرحله ای به شکل \( \pm 5{\rm{\% }}\) درصد است. در این حالت تپ اول معادل 21 کیلو ولت و تپ سوم معادل 19 کیلو ولت در سیم پیچ اولیه است. در تصویر زیر، پلاک یک ترانس 315 کاوا با سیم پیچ Dyn5 را مشاهده می کنید. تغییرات ولتاژ اولیه در بخش ولتاژ اسمی V و جدول تنظیم ولتاژ پلاک ترانس ثبت شده است. در این مدل نیز موقعیت 2 تپ چنجر به شکل خنثی و بدون تغییر در ولتاژ خواهد بود.

میزان تغییر ولتاژ در مدل پنج مرحله ای به شکل دو پله ی \( \pm 2.5{\rm{\% }}\) درصد است. در این حالت تپ اول معادل 21 کیلو ولت، تپ دوم 20.5، تپ چهارم معادل 19.5 و تپ پنجم معادل 19 کیلو ولت در سیم پیچ اولیه است. در تصویر زیر، پلاک یک ترانس 500 کاوا با سیم پیچ Dyn5 را مشاهده می کنید. تغییرات ولتاژ اولیه در جدول تنظیم ولتاژ HV پلاک ترانس ثبت شده است. در این ترانس موقعیت 3 از تپ چنجر به شکل خنثی و بدون تغییر در ولتاژ است.

تپ چنجر ترانس فشار متوسط روی سیم پیچ اولیه ی آن بوده و بر اساس ولتاژ شبکه ی MV تنظیم می شود. این کلید به نحوی طراحی شده که با اضافه ولتاژ یا کاهش ولتاژ در شبکه ی MV بتوان ولتاژ بخش LV یا خروجی ترانس را ثابت نگه داشت. تپ 1 در مدل های پنج مرحله ای به معنی 1 کیلو ولت اضافه ولتاژ در شبکه ی فشار متوسط است. تپ 2 به معنی 500 ولت اضافه ولتاژ در شبکه ی MV یا ورودی ترانس بوده و تپ 3 حالت خنثی دارد. با کاهش ولتاژ در شبکه ی MV می توان تپ چنجر را روی پله های 4 و 5 تنظیم کرد.

ترانس های فشار متوسط روغنی دارای تپ چنجر آف لود هستند. تپ چنجر این مدل از ترانس ها باید در بی برقی کامل تنظیم شود. ترانس های توزیع روغنی می توانند سه یا پنچ پله داشته باشند. این قسمت از ترانس به منظور تنظیم ولتاژ به صورت مثبت و منفی پنج درصد استفاده می شود. در ادامه اطلاعات پلاک و بخش های دیگر را مشاهده می کنید. این ویدئو برگرفته از دوره ی تاسیسات فشار متوسط است.

تپ چنجر ترانس خشک

تپ چنجر ترانس های خشک MV اغلب به شکل Off-Circuit یا DETC می باشد. در ترانسفورماتورهای رزینی از یک زبانه ی فلزی با دو پیچ برای تنظیم ولتاژ هر فاز استفاده می شود. جهت تغییر تپ چنجر ترانس خشک باید آن را کاملا بی برق کرده و زبانه های فلزی را بین ترمینال ها جابجا کرد. وضعیت تپ چنجر و روش اتصال زبانه های فلزی در پلاک ترانسفورماتور شرح داده می شود. در نظر داشته باشید که تغییر تپ باید برای هر سه سیم پیچ به صورت جداگانه انجام شود. ترانسفورماتورهای خشک نیز می توانند تپ چنجر با دامنه ی مثبت و منفی 2.5 یا 5 درصد داشته باشند.

در تصویر زیر پلاک و محل ترمینال های یک ترانسفورماتور خشک 630 کاوا را مشاهده می کنید. این ترانس دارای بازه ی قابل تنظیم به صورت 2 در 2.5 درصد به شکل مثبت و منفی است. به عبارت ساده تر می توان در 2 پله ولتاژ را افزایش و در 2 پله کاهش داد. در جدول پائین پلاک محل اتصال جمپر فلزی با توجه به ولتاژ اولیه شرح داده شده است. به عنوان مثال تپ 1 با اتصال جمپر به ترمینال های 5 و 6 به معنی ولتاژ اولیه ی 21 کیلو ولت می باشد. تپ 3 در این ترانس به شکل خنثی بوده و تغییری در ولتاژ ایجاد نمی کند.

ترانس های قدرت دارای یک کلید تنظیم ولتاژ با عنوان تپ چنجر هستند. تپ چنجر و روش تنظیم آن به قدرت و ولتاژ ترانسفورماتور بستگی دارد. در این ویدئو روش تنظیم ولتاژ در ترانس خشک را مشاهده می کنید.

تنظیم تپ چنجر ترانس

اگر ترانسفورماتور MV/LV نزدیک پست فوق توزیع یا انتقال باشد، دامنه‌ی تغییرات \( \pm 2{\rm{\% }}\)  آن ممکن است بالاتر از ولتاژ نامی شبکه‌ی MV باشد. به عنوان مثال مقدار ولتاژ روی ترمینال‌های MV ترانسفورماتور نصب شده در سیستم 20kV ممکن است \( \pm 2{\rm{\% }}\)  ولتاژ 20.5 kV باشد. برای رفع مشکلات ذکر شده باید ترانسفورماتور توزیع MV/LV دارای تپ چنجر مختص به خود باشد.  بعلت عدم نیاز به تغییرات دائم و کاهش هزینه‌ها؛ تپ چنجر ترانسفورماتورهای توزیع به شکل Offload هستند. با در نظر گرفتن افزایش ولتاژ شبکه مثلا \( \pm 2{\rm{\% }}\)  از مقدار 20.5 kV تپ چنجر ترانس توزیع باید در وضعیت \( + 2.5{\rm{\% }}\) تنظیم شود.

با افزایش فاصله از پست فوق توزیع یا انتقال ممکن است دامنه‌ی تغییرات ولتاژ به کمتر از مقادیر ذکر شده برسد. به عنوان مثال در فاصله‌های بسیار دور میزان ولتاژ می‌تواند \( \pm 2{\rm{\% }}\)  ولتاژ 19.5 kV باشد. این مشکل نیز با تغییر تپ چنچر Offload ترانسفورماتور توزیع در \( – 5{\rm{\% }}\) تا حد زیادی مرتفع می‌شود. وجود سطوح مختلف ولتاژ در شبکه یک امر طبیعی بوده و به الگوی جریان آن بستگی دارد. به صورت کلی این تفاوت‌ها در ولتاژ؛ علت بکار بردن اصطلاح نامی هنگام اشاره به ولتاژ سیستم هستند.

در یک ترانسفورماتور MV/LV که به درستی انتخاب شده و تپ چنجر آن در موقعیت خنثی باشد:

• ولتاژ خروجی ترانس بدون بار در محدوده‌ی \( \pm 2{\rm{\% }}\) ولتاژ بی باری آن حفظ خواهد شد.
• جهت اطمینان از اینکه ترانسفورماتور می‌تواند ولتاژ لازم را در بار کامل حفظ کند، ولتاژ خروجی بدون بار آن باید تاحد ممکن بالا باشد.
• نکته‌ی مهم این است که ولتاژ خروجی بی‌باری نباید بیشتر از محدوده‌ی مجاز یعنی \( + 5{\rm{\% }}\) در این مثال باشد.
• امروزه در عمل نسبت تبدیل سیم پیچ‌ها به گونه‌ای درنظر گرفته می‌شوند که ولتاژ خروجی در بی‌باری حدود \(105{\rm{\% }}\) باشد.

به عنوان مثال ترانسفورماتور طراحی شده طبق استاندارد IEC با ولتاژ 230/400 در حالت بی‌باری ولتاژ 420 ولت یا 105 درصد ولتاژ نامی را خواهد داشت. این شرایط برای مواقعی است که ولتاژ نامی به ترمینال‌های MV اعمال شده و یا توسط تپ چنجر اصلاح شده باشد. در این حالت ولتاژ دارای محدوده‌ای از 105 تا 106 درصد ولتاژ نامی است.

محاسبه افت ولتاژ ترانسفورماتور

ترانسفورماتور توزیع معمولی دارای امپدانس اتصال کوتاه \(5{\rm{\% }}\) است. اگر فرض کنیم ولتاژ مقاومت آن یک دهم این مقدار باشد، افت ولتاژ در بار کامل با ضریب توان 0.8 برابر خواهد بود با:

\[V{\rm{\% }}drop = R\% \cos \varphi  + X\% \sin \varphi  = 0.5 \times 0.8 + 5 \times 0.6 = 0.4 + 3 = 3.4\% \]

طبق توضیحات بخش قبلی، محدوده‌ی تغییرات ولتاژ در ترانسفورماتورها از 102 تا 106 است. با این شرایط تغییرات ولتاژ در این ترانسفورماتور در محدوده‌ی \(\left( {102 – 3.4} \right) = 98.6\% \) تا \(\left( {106 – 3.4} \right) = 102.6\% \) خواهد بود. از طرفی حداکثر افت ولتاژ مجاز در شبکه توزیع معادل 5 درصد است.  در بدترین حالت افت ولتاژ باقی مانده برای کابل‌ها، برابر با  \(98.6{\rm{\% }} – 95 = 3.6{\rm{\% }}\) خواهد بود. طبق محاسبات می‌توان گفت که در عمل یک کابل 240 میلی متری چهار رشته با ولتاژ 230/400 در شبکه‌ی سه فاز چهار سیمه می‌تواند:

• بار کل با توان 292kVA کاوا با ضریب توان 8 سلفی که به صورت مساوی با فاصله‌ی بیش از 306 متر توزیع شده را تغذیه کند.
• همان مقدار بار را با افت ولتاژ مشابه در فاصله‌ی 153 متری از ترانسفورماتور تحویل یک مشترک یا متقاضی دهد.

این کابل می‌تواند به صورت کامل برای فاصله‌های نرمال و مورد نیاز سیستم توزیع بارگذرای شود. از طرفی ضریب توان 0.8 سلفی برای بارهای صنعتی مناسب است. در مناطق نیمه صنعتی ضریب توان 0.85 معمول بوده در حالی که در مناطق مسکونی اغلب مقدار 0.9 در محاسبات لحاظ می‌شود. با این توضیحات می توان دریافت که افت ولتاژ محاسبه شده در این مثال به عنوان بدترین شرایط در نظر گرفته شده است.

مقدار جریان مجاز و در نتیجه افت ولتاژ ناشی از آن در سیستم‌های معمولی LV نشان دهنده‌ی اهمیت ضریب توان است. ضریب توان بالا به معنی کاهش جریان و کاهش افت ولتاژ ناشی از آن خواهد بود. یکی از روش های برطرف کردن افت ولتاژ استفاده از خازن های جبران ساز توان راکتیو است. جبران سازی توان راکتیو می تواند تبادیل جریان با منبع را کاهش داده و از افت ولتاژ جلوگیری کند.

نکته های مهم در خصوص تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور

نسبت تبدیل ترانس بر اساس ولتاژ اولیه و ثانویه ی آن محاسه می شود. به عنوان مثال در ترانس توزیع 20/0.4Kv نسبت تبدیل حاصل تقسیم 20.000 به 400 ولت یعنی 50 خواهد بود. ترانس توزیع به شکل کاهنده بوده و جریان اولیه ی آن کمتر از جریان ثانویه است. تپ چنجر ترانس های توزیع در سیم پیچ اولیه تعبیه شده و میزان تغییرات آن متناسب با ولتاژ ورودی به ترانس بیان می شود. کلید تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور باید پس از نصب و متناسب با وضعیت شبکه ی MV تنظیم شود.

جهت درک بهتر یک ترانسفورماتور با 5 تپ و تغییرات 2 در مثبت و منفی 2.5 درصد را تصور کنید. در صورت نزدیک بودن این ترانس به پست فوق تویع باید از پله های 1 و 2 و در صورت فاصله ی زیاد بین ترانس MV و منبع از پله های 4 و 5 استفاده کنید. به بیان دیگر در صورت بالا بودن ولتاژ فشار ضعیف ترانس می توان از تپ های 1 و 2 برای کاهش ولتاژ کمک گرفت. در صورت وجود افت ولتاژ می توانید تپ چنجر یا کلید تنظیم ولتاژ را روی پله های 4 و 5 تنظیم کنید. جهت تنظیم ولتاژ شبکه ی MV می توان از ادوات دیگری مانند اتو بوستر، بوستر، خازن و غیره نیز استفاده کرد. این تجهیزات برای رفع افت ولتاژ در شبکه ی MV استفاده شده و در اختیار شرکت های توزیع هستند.