خصائص وتطبيقات المحولات الجافة

في الوقت الحالي، تُعدّ محولات الطاقة الجافة في الصين في الغالب من سلسلة SC ثلاثية الطور ذات التشكيل الصلب، مثل: محولات اللفائف ثلاثية الطور من سلسلة SCB9، ومحولات الرقائق ثلاثية الطور من سلسلة SCB10، ومحولات الرقائق ثلاثية الطور من سلسلة SCB9. يتراوح مستوى الجهد فيها عمومًا بين 6 و35 كيلوفولت، وتصل سعتها القصوى إلى 25 ميجا فولت أمبير. تُقسم المحولات الجافة بشكل أساسي إلى فئتين: المحولات الجافة المشبعة والمحولات الجافة الراتنجية.

1. محول كهربائي جاف مشبع

يُغطى سلك المحول الجاف المشبع في الصين بسلك زجاجي، وتُضغط الوسادة حرارياً بمادة عازلة مناسبة. ويُستخدم هذا النوع من المحولات في الغالب في محطات الطاقة الكهرومائية والمباني الشاهقة، حيث يتميز بمقاومة جيدة للحريق.

بسبب اختلاف طلاء التشريب، يتم تقسيم عزل المحولات إلى B و F و H و C، والعزل الرئيسي والعزل الرأسي (العزل الرئيسي بين اللفات واللفات وبين اللفات والعزل الأساسي).

يشير العزل الرأسي إلى العزل بين النقاط المختلفة والأجزاء المختلفة من ملفات المحول ذات الجهود المختلفة، ويشمل بشكل أساسي أداء العزل بين اللفات والطبقات وأجزاء الملفات. ويتم استخدام الهواء كوسيط عازل.

يتأثر هذا النوع من المحولات بالبيئة أكثر من المحولات الجافة من نوع الراتنج، كما أن مظهره ووزنه أكبر، ويميل إنتاجه في الداخل والخارج إلى الانخفاض.

يحتوي هذا النوع من المحولات الجافة على مانعات تسرب طرفية في كلا طرفي الملف، مما يجعله مقاومًا للتيارات المائية، ويتمتع بمقاومة عالية للحريق، كما أنه مقاوم للحريق عند درجة حرارة 750 درجة مئوية في الهواء الطلق، وهو نوع جديد نسبيًا من المحولات الجافة. 1.2 يمكن تقسيم المحولات الجافة المصنوعة من الراتنج، والتي تمثل المنتجات الرائدة في مجال محولات صب الراتنج في السوق المحلية اليوم، إلى الفئات الثلاث التالية.

النوع الأول، والذي يُشار إليه باسم محول الصب السلكي، يكون جهده العالي عبارة عن أسطوانة سلكية مكسورة مصبوبة، أما جهده المنخفض فهو عبارة عن أسطوانة سلكية (أو أسطوانة مجزأة) مصبوبة؛ لي تشيان، شركة شانشي الإقليمية للطاقة الكهربائية (المجموعة) المحدودة. ملاحظة: لا يوجد صب حشو.

أما النوع الثاني، والذي يشار إليه باسم محول الصب الملفوف برقائق معدنية، فهو من النوع الملفوف برقائق معدنية مجزأة للجهد العالي، ومن النوع الملفوف برقائق نحاسية (أو رقائق ألومنيوم) للجهد المنخفض؛ ويتم صب الصب باستخدام مادة مالئة.

النوع الثالث، ضغط عالٍ لكسر أسطوانة ملفوفة بالأسلاك، نوع صب منخفض الضغط من رقائق النحاس (أو رقائق الألومنيوم)؛ يتم صب الصب بدون حشو.

تتميز الأنواع الثلاثة المذكورة أعلاه من المنتجات بخصائصها الفريدة في التصنيع والأداء، وتشغل حاليًا حصة سوقية معينة. في هذه المقالة، نركز على مناقشة محولات الصب السلكية.

2. محول مصبوب ملفوف بسلك

2.1. السمات الهيكلية

في محطة الطاقة الثانية في باوجي، بمقاطعة شانشي، جميع المحولات الجافة المستخدمة في المصنع هي محولات صب ملفوفة بالأسلاك، بجهد 6 كيلو فولت، وسعة من 100 كيلو فولت أمبير إلى 1600 كيلو فولت أمبير، وتركيب داخلي.

يتم تصنيع لفائف الجهد العالي والمنخفض للمنتج من سلك نحاسي ملفوف بالكامل، معزز بألياف زجاجية، عازل رقيق، راتنج بدون حشو، مصبوب مشرب تحت حالة فراغ، ويتم معالجته وفقًا لمنحنى معالجة درجة الحرارة المحدد.

تعتمد اللفائف ذات الجهد العالي على بنية أسطوانية مجزأة خاصة، بينما تعتمد اللفائف ذات الجهد المنخفض على نوع الأسطوانة متعددة الطبقات، أو نوع الأسطوانة المجزأة، أو نوع الأسطوانة المجزأة الخاصة وفقًا لمستوى الجهد.

2.2 الميزات التقنية

2.2.1 يعتمد صب الأسلاك المقاومة للصدمات في ملفات المحولات عالية الجهد على بنية أسطوانية مقطعية خاصة، وتعتمد هذه البنية على لفات البكرة المقطعية الشائعة، حيث يرث النوع الأسطواني ذو المقطع الفرعي العادي مزايا مقاومة الصدمات في لفات البكرة، ويحل مشكلة التناقض بين طبقة الجهد العالي في لفات البكرة، وهي بنية لف مثالية، وغالبًا ما تسمى بنية اللف غير الرنانة.

بالمقارنة مع الأسطوانة المجزأة العادية، يمكن للأسطوانة المجزأة الخاصة أن تقلل الجهد بين الطبقات بشكل أكبر، وتحسن توزيع الجهد، وتحسن بشكل كبير قوة الصدمة لتحمل الجهد الزائد الجوي والجهد الزائد التشغيلي.

لا ترتبط مقاومة الصدمات ببنية اللفائف فحسب، بل تعتمد أيضًا على جودة صب اللفائف والخصائص الكهربائية للمادة العازلة.

بعد اكتمال عملية لف المنتج، يتم صبه بالراتنج النقي في حالة فراغ، ولا تتم إضافة أي مواد مالئة، وذلك لضمان عدم انخفاض أداء تدفق الراتنج.

ولأن اللفائف ملفوفة بواسطة سلك، فإن الراتنج يمكن أن يشبع اللفائف تمامًا، بغض النظر عن الاتجاه المحوري أو القطري لللفائف، ولا توجد فقاعات في الداخل.

ملخص: تتناول هذه الورقة تصنيف وخصائص المحولات الجافة، مع التركيز على الخصائص الهيكلية للمحولات المصبوبة ذات الملفات السلكية، والخصائص التقنية، ونظام التبريد، ونظام التحكم في درجة الحرارة، وما إلى ذلك، وتلخص آفاق تطوير المحولات الجافة. الكلمات المفتاحية: المحولات الجافة؛ تصنيف المحولات المصبوبة ذات الملفات السلكية.

يتكون هذا المنتج من راتنج وألياف زجاجية عازلة صلبة، لا تتميز فقط بمقاومة جيدة للصدمات، بل إن التفريغ الموضعي فيها صغير جدًا.

2.2.2. قوة ميكانيكية جيدة ومقاومة عالية للدارة القصيرة. بالنسبة لللفائف السلكية الأسطوانية المجزأة، بعد الصب الفراغي، يمكن تشريب الراتنج بين الطبقات واللفائف وأجزاء اللفائف دفعة واحدة.

بعد التصلب، يتم دمج الراتنج والأسلاك والألياف الزجاجية بإحكام لتشكيل هيكل صلب قوي. وتحدد الخصائص الميكانيكية عالية القوة لهذا الهيكل أن منتجات الصب الملفوفة بالأسلاك تتمتع بمقاومة جيدة للدوائر القصيرة.

يبلغ معامل التمدد الحراري للمادة العازلة المركبة المُشكّلة من الراتنج المُعالَج والألياف الزجاجية (18 ~ 20)×10⁻⁶/كلفن، بينما يبلغ معامل تمدد النحاس المستخدم في اللفائف 17×10⁻⁶/كلفن، وهما قريبان جدًا من القيمتين. يُزيل هذا التصميم الإجهاد الميكانيكي بين موصل اللفائف والمادة العازلة الناتج عن التمدد الحراري والانكماش الحراري أثناء تشغيل المحول، مما يمنع حدوث التشققات من الأساس.

بما أن المنتج يُصنع من الراتنج تحت ضغط عالٍ ومنخفض، ويُغطى قلبه الحديدي بالراتنج، فإنه يتمتع بمقاومة عالية للرطوبة والتآكل. حتى في ظل رطوبة نسبية للهواء تبلغ 100%، فإنه يستمر في العمل لفترة طويلة.

نظراً لأن العزل المركب المكون من الراتنج النقي والألياف الزجاجية يتمتع بقوة كهربائية عالية للغاية، فإن سمك العزل السطحي للمنتج يبلغ 1.5 ~ 2 مم فقط، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة تبديد الحرارة لسطح اللف.

2.3. نظام التبريد والحماية

تُبرَّد المحولات الجافة بواسطة التبريد بالهواء الطبيعي والتبريد بتدوير الهواء القسري. يُعتمد التبريد بالهواء الطبيعي لضمان التشغيل الطبيعي للمحول تحت الحمل المقنن. أما المحولات الجافة المستخدمة في محطة باوجي رقم 2 لتوليد الطاقة، فتُبرَّد جميعها بالهواء القسري بواسطة مروحة شعاعية.

بعد التبريد عن طريق دوران الهواء القسري، يمكن زيادة سعة المحول الجاف الذي تبلغ سعته 800 كيلو فولت أمبير وما دون بنسبة 40٪، ويمكن زيادة سعة المحول الجاف الذي تبلغ سعته 800 كيلو فولت أمبير وما فوق بنسبة 50٪، ويمكن تشغيله بشكل مستمر.

المحولات الجافة تتمتع عمومًا بحماية IP00، أي بدون غلاف، للاستخدام الداخلي، وتستخدم محطة باوجي للطاقة الثانية هذا النوع من الحماية. كما يمكن إضافة غلاف واقٍ حسب متطلبات المستخدم.

يمنع الغلاف المصنف IP20 دخول الأجسام الصلبة الغريبة التي يزيد حجمها عن 12 مم، ويوفر حاجزًا للأجزاء الكهربائية. وعند اعتماد تصنيف الحماية IP23، فإنه بالإضافة إلى وظيفة الحماية IP20، يتميز أيضًا بوظيفة منع تناثر الماء.

2.4. نظام التحكم في درجة الحرارة

يعتمد التشغيل الآمن والموثوق لمحولات الطاقة وعمرها الافتراضي بشكل كبير على سلامة وكفاءة عزل ملفات المحول. وتُعد درجة حرارة الملفات التي تتجاوز درجة حرارة العزل أحد الأسباب الرئيسية لتلف العزل وعدم قدرة المحول على العمل بشكل طبيعي.

تعتمد محولات سلسلة SC المصبوبة ذات الأسلاك الملفوفة نظام الحماية للتحكم التلقائي في درجة الحرارة XMTB. تم تضمين عنصر قياس درجة الحرارة المقاوم للحرارة البلاتيني في اللفة الأولى من سلك اللف ذي الجهد المنخفض للكشف التلقائي عن ارتفاع درجة حرارة اللف، وعرض درجة حرارة اللف ثلاثي الأطوار ذي الجهد المنخفض، وتوفير الحماية الحرارية له.

مع تغير درجة الحرارة المحيطة والحمل، عندما تصل الملفات إلى درجة الحرارة القصوى، سيرسل جهاز التحكم في درجة الحرارة إشارة تلقائيًا للتحكم في بدء تشغيل المروحة (110 درجة مئوية)، وإيقاف المروحة (90 درجة مئوية)، والإنذار (120 درجة مئوية)، والفصل (145 درجة مئوية)، بحيث يتمتع المنتج بحماية موثوقة من الحمل الزائد أثناء التشغيل.

تعتمد محولات الصب السلكية من سلسلة SC3 تقنية M&C الحاصلة على براءة اختراع للكشف عن درجة حرارة ملفات المحول والتحكم فيها، وتنتج وحدة تحكم في درجة الحرارة يمكنها الكشف مباشرة عن درجة حرارة الملفات، وتحقيق التحكم في التبريد القسري بالهواء (AF)، وإنذار ارتفاع درجة الحرارة، وفصل المحول بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

بعد إجراء المعايرة اللازمة لجهاز التحكم في درجة الحرارة، يتم تشغيل المحول أولاً، ثم يتم تزويد جهاز التحكم بالطاقة لبدء التشغيل. يعمل جهاز التحكم في درجة الحرارة تلقائيًا، ويقوم برصد درجة حرارة المحول وحمايته. عندما تتجاوز درجة حرارة الملفات 110 درجة مئوية، يبدأ جهاز التحكم بتشغيل المروحة للتبريد القسري؛ أما إذا انخفضت درجة حرارة الملفات إلى أقل من 90 درجة مئوية أثناء التبريد القسري، تتوقف المروحة عن العمل.

إذا ارتفعت درجة حرارة الملفات أكثر من ذلك، سيصدر جهاز التحكم في درجة الحرارة إنذارًا بارتفاع درجة الحرارة (155 درجة مئوية) وإشارة فصل تلقائي (170 درجة مئوية). عند تعطل جهاز التحكم في درجة الحرارة وعدم إمكانية إزالته مؤقتًا، يمكن إزالة جهاز التحكم، وسيستمر المحول في العمل، مع ضرورة مراقبته والتأكد من أنه في حالة التشغيل الطبيعية.

3. مقارنة بين المحول الجاف والمحول المغمور بالزيت

يصعب استبدال المحولات المغمورة بالزيت بأنواع أخرى من المحولات نظرًا لمزاياها الكبيرة وتكلفتها المنخفضة. وفي متطلبات الحماية من الحرائق في الأماكن العامة، ستظل المحولات المغمورة بالزيت هي الخيار الرئيسي في الوقت الحاضر وفي المستقبل لفترة طويلة.

أما في الأماكن ذات متطلبات الحماية العالية من الحرائق، فيتم استخدام المحولات الجافة أو المحولات التي تعمل بالسوائل غير القابلة للاشتعال. يتميز المحول الجاف بقدرة تحمل أعلى للأحمال الزائدة مقارنةً بالمحول المغمور بالزيت، ويعود ذلك أساسًا إلى انخفاض كثافة التيار فيه، وارتفاع سعته الحرارية، وكبر ثابت زمن لفه.

بالمقارنة مع المحولات المغمورة بالزيت، فإن ظروف تشغيل العزل في المحولات الجافة أفضل. تُستخدم المحولات المغمورة بالزيت في أماكن أكثر، وخاصة في التركيبات الخارجية.

نطاق إمداد الطاقة للمحولات الجافة صغير، والتشغيل الداخلي أكثر شيوعًا. بالمقارنة مع المحولات المغمورة بالزيت، فإنها تعاني من انخفاض سعة جهد البرق، وبطء ارتفاع الموجة، وانخفاض احتمالية حدوث الصواعق.

غالباً ما تتم حماية المحولات الجافة بواسطة مانعات الصواعق المصنوعة من أكسيد المعادن، والتي لا تحد فقط من الجهد الزائد الجوي، ولكنها تحد أيضاً من الجهد الزائد الداخلي.