آکادمی و موسسه علمی پژوهشی ابن سینا

بيان مسأله

از مهمترین تجهیزاتی که در شبکه های انتقال و توزیع سیستم قدرت مورد استفاده قرار می گیرد ترانسفورماتورها می‌باشند. قابلیت اطمینان، کیفیت و هزینه انرژی تولیدی به سالم بودن ترانسفوماتورها بستگی دارد. پس با توجه به اهمیت زیاد ترانسفورماتور در فرایند انرژی رسانی به مصرف کنندها، باید سالم بودن آنها بطور پیوسته رصد شود تا در صورتی که اشکالی در عملکرد طبیعی آن ایجاد شد، بلافاصله قبل از گسترش این عیب، آن را رفع نماییم. خطاهای داخلی(عیب های اولیه) از جمله اشکالاتی هستند که اگر بموقع شناسایی گردند می توان از گسترش آنها جلوگیری نمود اما شناسایی خطاهای داخلی به راحتی ممکن نسیت. برای این منظور روش هایی توسط سازندگان ترانسفورماتورها ارائه شده و مورد استفاده قرار می گیرد. در اکثر این روش ها از تغییر امپدانس که متناسب با نوع خطا است، استفاده می شود. در انجام این پایان نامه ما قصد داریم با مدل سازی سیم پیچ های ترانسفوماتور با استفاده از مدل خط انتقال اقدام به بررسی خطاهای داخلی ترانسفورماتور نماییم.

سوابق مربوط 

محاسبات اندوکتانس برای تحلیل خطاهای داخلی و تنظیم رله های محافظ ترانسفورماتورهای قدرت ضروری است. یک مدل جدید شامل چندین فاکتور مهم که در روش های قبلی در نظر گرفته نشده، برای محاسبات اندوکتانس ترانسفوماتورهای قدرت پیشنهاد شده است. یکی از این فاکتورهای کلیدی، اختلاف بین میدان مغناطیسی نشتی توزیع شده تحت عملکرد در شرایط نرمال و تحت شرایط خطا است. در مدل پیشنهادی، اندوکتانس یک ترانسفوماتور خطادار در ابتدا توسط یک میدان مغناطیسی  متقارن کمکی محاسبه می شود و سپس مطابق با قیدهای آمپردور تعادلی اصلاح می گردد. مقایسه بین امپدانس اندازه گیری شده در یک ترانسفوماتور مدل سازی شده خطادار نشان می دهد که مدل ارائه شده ضمن داشتن انعطاف و راحتی، دارای نتایجی به حد کافی دقیق در تحلیل خطاهای داخلی ترانسفوماتورهای قدرت است[1].

مدل سازی خطاهای ترانسفوماتورهای قدرت و بکارگیری آنها در ارزیابی کارایی الگوریتم های دیجیتالی حفاظتی اهداف مورد نظر هستند. یک الگوریتم که می تواند برای شبیه سازی خطای داخلی حلقه به زمین در هر کدام از سمت های اولیه یا ثانویه ترانسفوماتور مورد استفاده قرار گیرد، ارائه شده است. در این مقاله همچنین روش شبیه سازی خطاهای خارجی رخ داده در ترمینال ترانسفوماتور شرح داده شده است. نتایج شبیه سازی نشان دهنده صحت مدل پیشنهاد شده است[2].

رفتار ترانسفوماتور سه فاز با خطای داخلی در حالت سینوسی و غیر سینوسی مورد مطالعه قرار گرفته است. رفتار ترمینال ترانسفوماتور توسط کوپلینگ مدل المان محدود ترانسفوماتورهای فیزیکی با روابط مدار معادل الکتریکی خارجی مورد مطالعه قرار گرفته است. دو نوع خطای داخلی حلقه به زمین و حلقه به حلقه با و بدون آرک مدل سازی شده است. سپس یک پروسه تبدیل موج گسسته(DWT) مورد استفاده قرار گرفته تا خصیصه های جریان خطای ترانسفوماتور را استخراج نماید. مزیتهای کلیدی DWT قابلیت در تولید یک نمایش سیگنال جریان محلی برای حالت های نرمال و خطادار و نیز قابلیت استفاده در سیگنال های خطای دستی نامتغییر است. این خصیصه ها ما را به یک راه موثر در طراحی و ارزیابی یک الگوریتم برای خطاهای داخلی ترانسفورماتورها و سیستمی که آنها در آن عمل می کنند، هدایت می کنند[3].

جریان‌های اتصال کوتاه یا نیروهای ایجاد شده در خلال گذره ها می تواند باعث تغییر مکان مکانیکی سیم پیچ های ترانسفوماتور گردند. از مدل تابع تبدیل به عنوان یک ابزار برای کشف این جابجایی ها استفاده شده است. به منظور ارزیابی سنجش ها، ارتباط بین مشخصه های تابع تبدیل و آسیب های ممکن باید شناخته شود. جابجایی های محوری و شعاعی سیم پیچی های ترانسفوماتور در این کار تحقیقاتی برای دو ترانسفوماتور تست مورد مطالعه قرار گرفته است. سیم پیچی اولیه ترانسفوماتور اول برای جابجایی محوری دارای 31 زوج دیسک سیم پیچی(1.3 MVA, 10 kV) و سیم پیچی ثانویه یک سیم پیچی چهار لایه است. ترانسفوماتور دوم تحت مطالعه جابجایی محوری دارای 30 زوج دیسک سیم پیچ (1.3 MVA, 10 kV) به عنوان اولیه و یک تک لایه سیم پیچ به عنوان سیم پیچ ثانویه دارد. مدل های مشروح ریاضی برای اهداف تست استفاده شده و یک مقایسه بین نتایج اندازه گیری و محاسبات ارائه شده است. در این مقاله نشان داده شده است که این مدل می تواند رفتار سیم پیچی ترانسفوماتور در حوزه فرکانس در شرایط جابجایی ارائه نماید[4].

یک طرح جدید برای تفکیک بین جریان خطای داخلی و جریان هجومی ترانسفوماتور قدرت ارائه شده است. در روش پیشنهادی، تحلیل بردار فضایی سیگنال های تفاضلی و شکل مشخصه های زمانی در مدل پارک به عنوان یک طبقه بندی کننده هسته مورد استفاده است تا تفکیک بین جریان هجومی مغناطیس کننده و خطای داخلی ترانسفوماتورهای قدرت انجام شود. در روش سنتی مولفه هارمونیک دوم به طور مشترک برای بلوکه کردن رله دیفرانسیل در حفاظت دیفرانسیل ترانسفوماتورهای قدرت استفاده می شود. یک مقایسه کارایی بین روش پیشنهادی و روش سنتی (ممانعت کنند هارمونیکی) ارائه شده است. مطالعات شبیه سازی در PSCAD/EMTDC  و MATLAB انجام گرفته تا کارایی روش پیشنهادی را اثبات نماید[5]. 

 یک تکنیک جدید برای حفاظت ترانسفوماتورهای سه فاز ارائه شده است. این روش به طور موثری جریان مغناطیس کننده را از جریان خطای داخلی ترانسفوماتور شناسایی می کند. این تکنیک توسط مولفه های متقارن به کار گرفته شده است. زمانی که ترانسفوماتور سویچ می شود، جریان هجومی ظاهر می گردد. این جریان تعدادی خصیصه دارد که برای شناسایی آن کافی است. با استفاده از استخراج این خصیصه ها یک معیار جدید برای تمایز جریان هجومی از جریان خطای داخلی ترانسفوماتورهای قدرت پیشنهاد شده است. در زمان های خطا، مانند کلید زنی یا اتصال کوتاه، مقدار توالی منفی برای جریان تفاضلی متفاوت با مقدار توالی مثبت است. با استفاده از این خصیصه یک معیار جدید برای شناسایی معرفی می گردد. نتایج شبیه سازی این معیار نشان می دهد که در شرایط شار بالا و اشباع CT نیز به خوبی کار می کند. همچنین نتایج ارائه شده به روشنی نشان می دهد که الگوریتم پیشنهادی به دقت بین خطای داخلی و جریان هجومی مغناطیس کننده در ترانسفوماتورهای قدرت تفکیک قائل می شود[6].
با ظهور تجدید ساختار، ترانسفورماتور اهمیت بیشتری برای پیشگیری از قطعی های ناخواسته پیدا کرده است. همانگونه که قبلا نیز بیان شد، برای کشف و تشخیص یک خطای داخلی به مدل ترانسفوماتور برای

شبیه سازی این خطا نیاز داریم. تحلیل المان محدود را برای خطاهای داخلی ترانسفورماتور توزیع معرفی کرده است. ترانسفوماتور با یک خطای حلقه به زمین یا حلقه به حلقه با استفاده از کوپلینگ مغناطیسی به روش المان محدود مدل سازی شده است. رفتار ترمینال ترانسفوماتور با یک کوپل غیر مستقیم روش المان محدود و شبیه سازی مداری مورد بررسی قرار گرفته است. فرایند تشخیص با استفاده از نرم افزارهای تجاری در دسترس انجام شده است. حالت نرمال و چندین حالت خطادار شبیه سازی شده اند و رفتار ترمینال ترانسفوماتور در مقایسه با نتایج آزمایشی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج مقایسه درستی مدل المان محدود در شبیه سازی خطاهای داخلی در ترانسفورماتور توزیع را نشان می دهد[7].

نشان داده می شود که می توان از تابع انتقال سیم پیچ برای مکان یابی  محل تخلیه جزئی استفاده نمود. برای این منظور لازم است که توابع تبدیل از تمام نقاط داخلی سیم پیچ تا دو سر سیم پیچ را در اختیار داشته باشیم. از آنجایی که پالس های تخلیه جزئی بسیار تیز هستند، طیف فرکانسی آنها بازه ای وسیع را شامل می شود. مطالعات انجام شده نشان می دهد که اگر مدل بکارگرفته شده در بازه فرکانسی عرض باند سیستم اندازه گیری تخلیه جزئی معتبر باشد، نتایج خوبی برای یافتن محل تخلیه جزئی ترانسفوماتور خواهد داشت[8].

از دیگر مدل های استفاده شده برای مدل سازی سیم پیچی های ترانسفوماتور، مدل مشروح می باشد. در این مدل معمولا هر دیسک از سیم پیچ به عنوان واحد مدل در نظر گرفته می شود، لذا محاسبات مدل ساده است اما چون در این مدل طول واحد های سیم پیج با طول موج عبوری از آنها قابل ملاحظه می شود، بازه اعتبار مدل به حدود یک مگاهرتز محدود می شود. این بازه فرکانسی برای بررسی نحوه انتشار سیگنال های تخلیه جزئی کافی نیست[9].

تکنیک TLMبیشتر برای مدل سازی خطاهای داخلی ترانسفورماتور مورد استفاده قرار می گیرد. این روش در اوایل 1970 برای مدل سازی مسائل دو بعدی توسعه داده شد. سپس برای پوشش مسائل سه بعدی و شبیه سازی مدارت گسترش داده شد. این تکنیک به حل روابط انتگرالی-دیفرانسیلی تحلیل مدارات کمک کرد. هدف، شرح یک تکنیک برای مدل سازی خطاهای داخلی ترانسفورماتور با استفاده از مدل خط انتقال(TLM) می باشد. در این تکنیک یک مدل برای شبیه سازی ترانسفوماتور تک فاز دوسیم پیچه در نظر گرفته شده تا برای مدل سازی خطای داخلی در هر کدام از سیم پیچها مناسب باشد. از مطالعه زمان واقعی(Real time) این نتیجه به دست آمده که اگر یک خطای داخلی روی سیم پیچ اولیه یا ثانویه اتفاق بیافتد، جریان اولیه مقداری تغییر می کند و جریان ثانویه تغییر زیادی نمی کند. با این وجود در پیچک اتصال کوتاه شده یک جریان چرخشی بزرگ جاری می گردد. این پدیده نیازمند یک مدل سازی مشروح مانند شبیه سازی  TLMاست. بنابراین محاسبه تفضیلی اندوکتانس شامل نشتی ها در شبیه سازی در نظر گرفته شده است که یک نقطه مهمی در تست و ارزیابی رله های حفاظتی است. از آنجایی که شار باقی مانده در شروع شبیه سازی TLMدر هسته ترانسفوماتور مشخص نیست، همه شرایط اولیه TLMصفر در نظر گرفته می شود[10].

اهداف تحقيق 

هدف از انجام این پایان نامه کارشناسی ارشد برق شناسایی سریع و دقیق خطاهای داخلی ترانسفورماتورهای قدرت می باشد.

جنبة نوآوري و جديد بودن انجام این پایان نامه ارشد / رساله دکتری در چيست؟ 

•    مدل سازی ترانسفوماتور با استفاده از روش TLM
•    بررسی استفاده از این مدل در افزایش سرعت شناسایی خطاهای داخلی ترانسفورماتور
•    بررسی استفاده از این مدل در افزایش دقت شناسایی خطاهای داخلی ترانسفورماتور

روش كار 

روش کلی انجام این پایان نامه در حالت کلی به صورت زیر خواهد بود:

1.    بررسي پيشينه تحقيق
2.    آشنايي با ساختمان ترانسفورماتورها(نحوه قرار گیری سیم پیچ ها و ...)
3.    مطالعه نحوه مدل سازي ترانسفورماتور به روش TLM
4.    مدلسازي ترانسفورماتور به روش TLM 
5.    مطالعه موردي بر روي يك ترانسفورماتور نمونه 
6.    تهیه گزارش و انجام کارهای پایان نامه 

روش گردآوري اطلاعات(ميداني، كتابخانه‌اي):

روش جمع آوری اطلاعات به صورت کتابخانه‌ای است.

ابزار گردآوري اطلاعات (پرسشنامه، مصاحبه، مشاهده، آزمون، فيش، جدول، نمونه‌برداري، تجهيزات آزمايشگاهي و بانك‌هاي اطلاعاتي و شبكه‌هاي كامپيوتري و ماهواره‌اي و غيره):

استفاده از سایت های معتبر علمی از جمله IEEE و Elsivier

روش تجزيه و تحليل اطلاعات:

روش شامل مطالعات کتابخانه ای و سپس شبیه سازی با ابزاری بنام نرم افزار  MATLABانجام خواهد شد.

فهرست منابع و مآخذ (فارسي و غير فارسي) مورد استفاده درانجام پايان‌نامه ارشد و رساله دکتری به شرح زير:

[1]. W. Zanji, L. Xiucheng, C. Xianghui, W. Zhongdong, “A Novel Method to Determine Leakage Inductance For Internal Fault Analysis in Power Transformer,” IEEE Conference Publication, 2000, VOL. 2, pp. 795-800

[2]. A.I. Megahed, “A MODEL FOR SIMULATING INTERNAL EARTH FAULTS IN TRANSFORMERS,” IEE 2001, Conference Publication N0.479, pp. 359-362

[3]. N.Y. Abed, O.A. Mohammed, “Modeling and Characterization of Transformers Internal Faults Using Finite Element and Discrete Wavelet Transforms,” IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, APRIL 2007, VOL. 43, NO. 4, pp 1425-1428

[4]. E. Rahimpour, J. Christian, K. Feser, H. Mohseni, “Transfer Function Method to Diagnose Axial Displacement and Radial Deformation of Transformer Windings,” IEEE Transactions on Power delivery, 2003, VOL. 18, NO. 2, pp. 493-505

[5]. S. Ala, M. Tripathy, A.K. Singh, “Identification of Internal Faults in Power Transformer Using Symmetrical Components and Park’s Plots,” 2009, Third International Conference on Power Systems(ICPS), Kharagpur, INDIA, Paper No: 315.

[6]. H. Abniki, A. Majzoobi, H. Monsef, H. Dashti, H. Ahmadi, P. Khajavi, “ Identifying Inrush Currents from Internal Faults using Symmetrical Components in Power Transformers,” Modern Electric Power Systems(MEPS),  2010, Wroclaw, Poland, pp. 1-6.

[7]. H. Wang, K.L. Butler, “Finite Element Analysis of Internal Winding Faults in Distribution Transformers,” IEEE Transactions on Power delivery, 2001, VOL. 16, NO. 3, pp. 422-428

[8]. A. Akbari, P.Werle, H.Borsi, E. Gockenbach, “Transfer function-based partial discharge localization in power transformers: A feasibility study”, IEEE Electrical Insulation Magazine, 2002, VOL. 18, NO. 5, pp. 22-32.

[9]. G.B. Gharehpetian, H. Mohseni, K. Moller, “Hybrid modeling of inhomogeneous transformer windings for very fast transient overvoltage studies”, IEEE Transactions on Power delivery, 1998, VOL. 13, NO.1, pp.157-163.

[10]. O. Ozgonenel, D.W.P. Thomas, C. Christopoulos, “TLM modeling of transformer with internal short circuit faults, “The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 2007, VOL. 26 NO. 5, pp. 1304-1323.

در صورت داشتن هرگونه سوال و یا نیاز به مشاوره در زمینه انجام پایان نامه کارشناسی ارشد و رساله دکتری برق قدرت با ما همراه باشید.