نظر مشغل المحطة الفرعية إلى عداده الإلكتروني اليوم عندما وصلت عاصفة رعدية وغيرت خط الطاقة 110 كيلوفولت من 108 كيلوفولت إلى 116 كيلوفولت. على الرغم من ذلك، أظهر الباص 20 كيلوفولت على الجانب الثانوي قيمًا بين 19.9 و20.1 كيلوفولت في نفس الوقت. الأداة التي تعمل هناك تُسمى مُغير الموصلات تحت الحمل: يتم تصحيح نسبة المحول خطوة بخطوة.
يفسر المقال ما هي نسبة المحول، كيف يتم حسابها، ما هي العلاقة بين نسبة المحول واستقرار الجهد، كيف تجعل مُغيرات الموصلات نسبة المحول مستقرة في تلك اللحظة بالذات، وما هي العواقب التي يمكن أن تحدث إذا كان هناك خطأ في نسبة المحول. تم تقديم أمثلة على الحسابات في الورقة مع الإشارات إلى معايير IEC 60076 وIEEE C57، ونطاق الموصلات النموذجي، وتكلفة مُغيرات الموصلات، وغيرها.
ما هي نسبة المحول؟ (التعريف والصيغة)
نسبة المحول أو نسبة اللفات تعرف نسبة لفات الملف الأول إلى عدد لفات الملف الثانوي. وهي تعادل نسبة الجهد الأول إلى الجهد الثانوي والنسبة العكسية للتيارات الأولية إلى الثانوية في الحالة النظرية.
N1/N2 = V1/V2 = I2/I1.
المحولات الحقيقية ليست مثالية. في المحولات الحقيقية، تؤدي مقاومة التسرب والتفاعل إلى انخفاضات في الجهد مما يجعل الجهد الفعلي أقل من الجهد عند عدم التحميل. الفرق في الجهد بالنسبة المئوية يسمى تنظيم الجهد والذي يكون حوالي 2%-6% اعتمادًا على خصائص المحولات.
يتم استخدام التعريف التالي بالتبادل في العقود:
| مصطلح | المعنى | مثال |
|---|---|---|
| نسبة اللفات | N1 / N2 (هندسة لفات نقية) | 550 / 100 = 5.5 |
| نسبة الجهد | V1 / V2 عند عدم التحميل | 110 كيلوفولت / 20 كيلوفولت = 5.5 |
| التنظيم | انخفاض الجهد من عدم التحميل إلى الحمل الكامل | 2.5%–6% |
كيفية حساب نسبة المحول: أمثلة عملية
تحديد النسبة سهل إذا كان المرء يعرف الجهد أو عدد اللفات.
على سبيل المثال:
يحتوي محول الجهد 110 كيلوفولت/20 كيلوفولت على 110:20 مع 2200 لفة في الأول، مما يعني أن هناك 400 لفة في الثانوي.
في حالة محول الجهد العالي 18 كيلوفولت – 400 كيلوفولت تصبح النسبة (400/18 = 22.2).
عادةً ما يحتوي المحول التوزيعي على نسبة جهد 11 كيلوفولت/0.4 كيلوفولت مما يعني أن النسبة هي 11/0.4 = 27.5:1.
نظرًا لبناء المحول الذاتي الذي يشارك جزءًا من نظام اللفات، فإنه يحتوي على عدد أقل من اللفات لنفس نسبة الجهد 2:1.
في حالة المحولات التي تعمل في نظام ثلاثي الطور، يجب استخدام جهد الخط إلى الخط بينما تعتبر مجموعة المتجهات (Dyn11، YNd11) مهمة من حيث تحديد العلاقة بين انزياح الطور ونسبة الحجم للنظام.
لماذا النسبة هي صمام تنظيم الشبكة
تحدث تقلبات الجهد على خط النقل بسبب عدة عوامل، وهي التعديلات في الحمل، وفشل المولدات، وفقدان الطاقة التفاعلية، والمسافة من المصدر. دون تعديل النسبة، قد يتعرض المغذي لتقلبات جهد تتراوح بين 5% إلى 10% على مدار يوم واحد. تعمل نسبة المحول كوسيلة عملية لتعويض مزايا تباين الجهد، حيث توجد علاقة مباشرة بين عدد اللفات وجهد الخرج، مع أي تغييرات تؤدي إلى تقلبات متCorresponding.
يجب على مشغلي النظام الحفاظ على الجهد ضمن الحدود القانونية المحددة بواسطة اللوائح، والتي تتطلب الحفاظ على الجهد عند ± 5% في قطاع التوزيع و ± 10% في قطاع النقل. الطريقة الأكثر استخدامًا في هذه العملية هي OLTC، التي تعدل نسبة المحول. في الواقع، OLTC مستخدمة على نطاق واسع لدرجة أن وجود محول بدون OLTC يحتاج إلى مبرر كتابي.
محولات التبديل: الآلية التي تعدل النسبة
توجد عائلتان من محولات التبديل، واختيار بينهما هو في الغالب مسألة دورة عمل:
| الجانب | خارج الدائرة (DETC) | تحت الحمل (OLTC) |
|---|---|---|
| التشغيل | غير موصل فقط | تحت الحمل، آلي |
| نطاق التبديل النموذجي | ±2.5% إلى ±5% | ±10% إلى ±16% |
| خطوات | 3–5 | 13–17 (1.25%–2.5% لكل منها) |
| قدرة التنظيم | موسمي فقط | مستمر، آلي (±2% ثابت) |
| سعر إضافي | خط الأساس | +$15,000–$60,000 حسب التصنيف |
| شائع على | محولات التوزيع | محولات الطاقة ≥5 MVA |
بينما تعمل OLTCs مع التيار الكهربائي، فإنها تستخدم المقاومات أو المفاعلات وقواطع الفراغ السريعة لتقليل الشرر الكهربائي على الاتصالات الرئيسية أثناء عملية التبديل من التوصيلات الثابتة. يستغرق OLTC الذي يتم التحكم فيه بواسطة محرك معاصر حوالي 2 إلى 10 ثوانٍ لإنهاء دورة. يمكن ملاحظة أن وحدة التحكم في هذه الحالة تستخدم تغذية راجعة للجهد من الجانب الثانوي للمحول.
مطابقة النسبة للتشغيل المتوازي
عند استخدام محولين لتغذية نفس الحافلة في نفس الوقت، يجب تعديل النسب لتكون متطابقة بشكل وثيق. يولد الفرق في النسب Δ% تيارًا دائريًا يُعرف باسم (يشارك في الدائرة حتى في حالة الخمول).
نصيحة واحدة هي التأكد من أننا نحافظ على التيار المتداول أقل من 10% من سعة المحول الأصغر.
تأثير فرق 1% في النسبة عادة ما يكون تياراً دائراً قدره 2%-5% من سعة محولين بسعة 20 MVA / 110 kV، والذي يعتمد على المقاومة (عادة 10%).
يجب تشغيل المحولات وفقاً لبعض الشروط الأساسية لذلك، وهي: نفس مجموعة المتجهات، يجب أن تتطابق النسبة، ويجب ألا تتغير المقاومة أكثر من 10%، إن وجدت.
لأخذ ذلك في الاعتبار، يحتاج المشغلون إلى تغيير موضع التوصيل لكل محول لجعلها متساوية، والعديد من أجهزة AVR الحديثة لديها نظام رئيسي-تابع لهذا الغرض.
آثار النسبة الخاطئة: التيار المتداول ومشاكل الحماية
يمكن أن تؤدي عملية تشغيل خاطئة للمرحلات، بسبب تصنيف المرحل، إلى تعطل الحمايات مع إعدادات خاطئة للمرحلات مما يؤدي إلى تشغيل الحماية دون وجود عطل صحيح أو الفشل في اكتشاف العيوب الداخلية الحقيقية بسبب أخطاء 2%-5%.
يمكن أن تجبر التغيرات في الجهد الجهد على طول الجدول إلى حدود خارجية.
عدم التوازن في حالة الحمل يعني أن وحدة ذات نسبة أعلى تستهلك حصة كبيرة من كل من الطاقة النشطة والتفاعلية مما يؤدي إلى تسريع شيخوختها.
لهذا السبب أصبحت فحص النسبة واحدة من خطوات التشغيل وفقاً لمتطلبات IEC 60076-1 التي تنص على أن نسبة الجهد على التوصيل الرئيسي يجب أن تختلف بمقدار لا يزيد عن ±0.5% عن القيمة التصميمية ويجب التحقق من كل توصيلة مقابل بيانات لوحة الاسم.
طرق اختبار النسبة والمعايير
الاختبار القياسي الميداني هو اختبار نسبة اللفات الذي يتم إجراؤه باستخدام مقياس نسبة لف المحول (TTR):
| الطريقة | المبدأ | الدقة | الاستخدام الشائع |
|---|---|---|---|
| مقياس TTR (اختبار TTR) | يقارن الجهد المدخل والجهد المستحث على كل توصيلة | ±0.1% | التشغيل، الصيانة الروتينية |
| فحص نسبة الجهد عند عدم التحميل | تطبيق جهد مخفض، قياس كلا الجانبين | ±0.3% | التحقق في الموقع |
| نسبة السعة / اختبار الجهد المنخفض | النسبة المعادلة عبر الاقتران السعوي | ±0.5% | اختبارات المصنع النوعية |
كل من اختبارات المصنع واختبارات الموقع تنبع من IEC 60076-1 وIEEE C57.12.90. يُعتبر اختبار TTR اختباراً تشخيصياً أولياً حيث أن الحركة في النسبة بين الاختبارات المختلفة التي تُجرى على نفس الوحدة غالباً ما تشير إلى وجود لف قصير في الملف، مما يجعل اختبارات النسبة السنوية عنصراً أساسياً في المراقبة.
النسب النموذجية ونطاقات التوصيل حسب التطبيق
| التطبيق | النسبة النموذجية | نطاق التوصيل | محول التوصيل |
|---|---|---|---|
| GSU في محطة الطاقة | 18/400 ك.ف (22.2:1) | ±7.5% في 5 خطوات | خارج الدائرة، أحياناً OLTC |
| محطة تحويل النقل | 220/110 ك.ف (2:1) | ±16% في 17 خطوة | OLTC |
| النقل الفرعي | 110/20 ك.ف (5.5:1) | ±12% في 13 خطوة | OLTC |
| الطاقة الصناعية | 33/11 ك.ف (3:1) | ±10% في 9 خطوات | OLTC أو خارج الدائرة |
| التوزيع | 11/0.4 ك.ف (27.5:1) | ±2.5% خارج الدائرة | خارج الدائرة |
تتطلب محولات التوزيع تعديلات دورية فقط، لذا فإن نقاط التحميل غير المتصلة بخطوات ±2.5% و ±5% كافية لمراعاة تغيرات الحمل الموسمية. بالمقابل، يتم تكوين محولات النقل والنقل الفرعي مع OLTC لأن مجموعات كبيرة من العملاء تتأثر مباشرة بعمل جهد النقل عليهم.
تأثير سعر محول التبديل والمحولات
اختيار محول التبديل هو عنصر حقيقي في أي ميزانية لمحولات. نطاقات التخطيط:
| المحول | بدون OLTC | مع OLTC | متميز |
|---|---|---|---|
| 5 م.ف.أ / 33 ك.ف | $55,000–$90,000 | 75,000–130,000 | +$15,000–$40,000 |
| 20 م.ف.أ / 110 ك.ف | $150,000–$260,000 | $175,000–$320,000 | +$20,000–$60,000 |
| 50 م.ف.أ / 110 ك.ف | $360,000–$700,000 | $400,000–$800,000 | +$25,000–$90,000 |
تختلف الرسوم وفقًا لنوع المواصفات، العلامة التجارية، والمنطقة. التكلفة العالية المرتبطة بالوحدات المتصلة بالشبكة تعود بالنفع في وقت قصير: يمكن لمغير الشد على الحمل (OLTC) استرداد التكلفة بسرعة لأنه يحافظ على تنظيم الجهد ويقلل من خسائر الطاقة في المغذيات.
العلامات التجارية وكيف يختلف تصميم النسبة
تظل رياضيات النسبة كما هي بغض النظر عن الشركة الأصلية - الفيزياء ليست قابلة للتفاوض؛ ومع ذلك، يميز المصنعون أنفسهم بناءً على نوع تصميم مغير الشد، التحكم، إدارة الجودة، والتسعير. يتم تحديد معايير الاعتمادية من قبل مغيرات الشد MR (Maschinenfabrik Reinhausen) وABB حيث تستخدم الشركات الآسيوية بشكل متزايد تصميمات OLTC المرخصة أو المطورة ذاتيًا بأسعار أرخص.
| العلامة التجارية | الدولة | نقاط قوة مغير الشد | السعر الإرشادي (20 MVA/110 kV، مع OLTC) |
|---|---|---|---|
| هيتاشي للطاقة | سويسرا/اليابان | OLTC مملوك، تكامل AVR | $450,000–$700,000 |
| سيمنز للطاقة | ألمانيا | خيارات OLTC MR، التحكم الرقمي | $430,000–$680,000 |
| شنايدر إلكتريك | فرنسا | تركيز على التوزيع، وحدات MV | $280,000–$450,000 |
| TBEA | الصين | OLTC داخلي، مقياس | $180,000–$320,000 |
| شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية | الصين | نسب مخصصة وموصلات، OLTC MR أو داخلي | $160,000–$300,000 |
يتم تحديد التكلفة حسب المواصفات والمنطقة. في المشاريع التي تتطلب مواصفات نسبة وموصلات مخصصة - مجموعات متجهة فريدة، نطاقات موصلات خاصة، أو علامات تجارية معينة من OLTC - تعتبر Jiangsu Subian Electric Power شريكًا موثوقًا: تصنع المحولات التوزيعية والطاقة بسعة من 50 kva إلى 220 kV، وتقدم عروض أسعار لتكوينات موصلات فردية، وتقوم بتركيب مغيرات الشد المطلوبة من MR أو ما شابه. يتم تسليم كل وحدة مع سجلات اختبار النسبة على جميع الموصلات وفقًا لمعيار IEC 60076-1، وعادةً ما تكون الأسعار في المصنع أقل بـ 30%-50% من الأسعار الخاصة بالشركات الأوروبية.
الأسئلة المتكررة
كيف يتم حساب نسبة المحول؟
يتم تحديد نسبة المحول من خلال عدد اللفات في الملف الأولي مقسومًا على عدد اللفات في الملف الثانوي (N1/N2)، وهو ما يعادل نسبة الجهد بدون حمل (V1/V2). على سبيل المثال، سيكون للمحول المستخدم عند 110 kV/20 kV نسبة 5.5:1، بينما بالنسبة لمحول 11 kV/0.4 kV تكون النسبة 27.5:1. بسبب العلاقة العكسية، من الواضح أنه في المحول المعزز (نسبة أقل من واحد؛ مثل 0.045 للمحول بجهد 18/400 kV)، سيكون الجهد الناتج مرتفعًا بينما يكون التيار الناتج منخفضًا.
ما هي التسامحات في نسبة المحول؟
وفقًا لمعيار IEC 60076-1، يجب أن تكون النسبة عند الموصل الرئيسي ضمن ±0.5% من قيمة لوحة الاسم، وينطبق نفس التسامح على كل موضع موصل ما لم يُذكر خلاف ذلك. تقيس أجهزة TTR الميدانية إلى ±0.1%، لذا فإن الانحراف الذي يتجاوز 0.5% في اختبار التشغيل يتطلب التحقيق في اللفات القصيرة أو الاتصال الخاطئ.
لماذا تحتاج المحولات إلى مغيرات الشد لتنظيم الجهد؟
بسبب تقلبات جهد الخط بناءً على الحمل والتوليد والمسافة من المصدر، بدون تعديل النسبة، يمكن أن يتقلب المغذي التوزيعي من 5% إلى 10% على مدار اليوم. يقوم OLTC بتغيير النسبة بمقدار 1.25% إلى 2.5% في خطوات ضمن نطاق ±10% إلى ±16% لتوفير جهد ثانوي يبلغ حوالي ±2% تلقائيًا. هذا يضمن أن تكون المحركات والإلكترونيات ومعدات العملاء آمنة من زيادة الجهد وانخفاضه.
ماذا يحدث إذا كان لدى محولين متوازيين نسب مختلفة؟
يتداول تيار كهربائي بين الوحدتين، حتى عندما لا يوجد حمل قادم من الخارج. بعبارة أخرى، يتدفق تيار دائري في المحول حتى عندما يكون في وضع الاستعداد. عندما نأخذ حالة وحدات 20 MVA/110 kV، حتى عدم تطابق بنسبة 1% سيؤدي إلى تيار دائري يبلغ حوالي 2%-5% من تيار الحمل الكامل. علاوة على ذلك، إذا زاد عدم التطابق، سيزداد التيار الدائري وفقًا لذلك. ستمنع إجراءات المشغلين، الذين يساوون النسبة من خلال عملية اختيار التوصيل، من ارتفاع التيارات الدائرية لأكثر من 10% من تصنيف المحول الصغير.
كم يضيف محول تغيير التوصيل تحت الحمل إلى تكلفة المحول؟
يجعل OLTC عمومًا من الممكن إضافة ما بين $15,000 و $60,000 إلى تكلفة المحولات الكهربائية المصنفة بين 5 MVA و 50 MVA، مع تكاليف أعلى للمحولات ذات التصنيف الأعلى. عادةً ما تعود الاستثمارات بفوائد بسبب تحسين التحكم في الجهد وتقليل خسائر الطاقة بالإضافة إلى غياب أعطال المعدات.
المراجع
- IEC 60076-1: المحولات الكهربائية — عام — يحدد النسبة، والتسامحات، والتوصيلات، ومتطلبات الاختبار.
- IEC 60076-8: دليل التطبيق — إرشادات حول التوصيل، والتشغيل المتوازي، وتطبيق المحولات الكهربائية.
- IEEE C57.12.00: المتطلبات العامة لمحولات السائل المغمورة — المتطلبات الأمريكية الشمالية لمواصفات النسبة والتوصيل.
- مصنع ماكينات راينهوسن (MR) — مرجع صناعي لتصميم وتحكم محولات تغيير التوصيل تحت الحمل.
- IEEE C57.12.90: كود الاختبار للمحولات المغمورة في السوائل، والطاقة، والتنظيم — إجراءات الاختبار بما في ذلك اختبارات النسبة.
- US EPA: برامج كفاءة المحولات — خلفية حول لماذا يعتبر التحكم في الجهد والمحولات الفعالة مهمة على نطاق واسع.
الخاتمة
تعمل نسبة المحول كجهاز تحكم في نظام الطاقة - تغيير دقيق ودقيق في نسبة اللفات التي تقوم بها محولات التوصيل يسمح بالحفاظ على الجهد ضمن الحدود القانونية مع تأمين إمدادات الطاقة عبر مئات الكيلومترات من خطوط الطاقة. تعتبر معرفة قياس النسبة، وحدودها، والتشغيل المتوازي أمرًا حيويًا لجميع المحترفين الذين يحددون أو يختبرون أو يخدمون المحولات.
النسبة هي أيضًا نسبة جهد عدم الحمل. يمكن أن تعمل المحولات التوزيعية بنسبة 5.5:1 حتى 27.5:1.
تقوم المحولات التي تحتوي على محولات تغيير التوصيل تحت الحمل بتعديل النسبة من -10% إلى +16% وتضع ذراع التوصيل في 13-17 خطوة.
يجب أن تكون للمحولات نفس النسبة والمقاومة لمنع تداول التيار. اختبار النسبة إلزامي (IEC 60076-1، تسامح ±0.5%) ويسمح بالكشف عن اللفات القصيرة.
إذا كان مشروعك يتطلب محولًا بنسب محددة، أو نطاق توصيل، أو تكوين OLTC،, شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية يمكننا تصميم وتوريد محولات توزيع وطاقة من 50 kVA إلى فئة 220 kV، مع تقارير اختبار نسبة كاملة على كل وحدة.