جداسازی لرزه ای ترانسفورمرها

۰۷ بهمن ۱۳۹۷| بانک مقالات| نویسنده: |

انسان از آغاز خلقت همواره با موضوع بلایای طبیعی مواجه بوده و تلاش نموده است تا ضمن کنترل حوادث و سوانح طبیعی، زندگی خود ‏را از این خطرات ایمن و محفوظ دارد. در میان بلایای طبیعی، زلزله از ویژگی ­های خاصی برخوردار بوده و در قرن گذشته اهمیت بیشتری ‏به مدیریت بحران زلزله داده شده است. کشور‎ ‎پهناور‎ ‎ایران‎ ‎یکی‎ ‎از‎ ‎مناطق‎ ‎زلزله خیز‎ ‎جهان‎ ‎به‎ ‎شمار‎ ‎می ­رود‎ ‎که‎ ‎در‎ ‎مسیر‎ ‎کمربند‎ ‎زلزله‎ ‎آلپ‎-‎هیمالیا‎ ‎قرار‎ ‎دارد. ‎وجود‎ ‎گسل­ های‎ ‎فراوان‎ ‎در‎ ‎سراسر پوسته ایران، واقعیتی‎ ‎است‎ ‎که‎ ‎سبب شده است کنترل سازه ­ها و تجهیزات مهم غیر سازه ­ای، از طریق کاهش ارتعاشات و ‏نیرو­های ناشی از تحرکات لرزه ­ای، از اهمیت ویژه ­ای برخوردار شود. در این میان شبکه انتقال و توزیع برق از جمله مهم ­ترین شریان­ های ‏حیاتی می­ باشد، که حفظ پایداری و بهره ­برداری بی ­وقفه از این شریان با توجه به خسارات ثانویه ناشی از قطعی برق در مناطق زلزله­ زده اهمیت به ­سزایی دارد. جداسازی لرزه ای روشی است که می تواند ضمن جلوگیری از ورود خسارات به ترانسفورمرها عملکرد خدمت رسانی بی وقفه را تأمین کرده و از هزینه های هنگفت ناشی از قطع سرویس دهی ترانس ها جلوگیری کند. بر همین اساس آشنایی بیشتر با جداسازی لرزه ای ترانسفورمرها حائز اهمیت است.

شبکه برق

 

جوامع مدرن امروزی به منظور حفظ رفاه و توسعه، به عرضه ­ی سازگار و بدون وقفه برق وابسته ­اند. اصطلاح عرضه شامل فرآیند های ‏تولید، انتقال و توزیع برق به مشتریان عمومی و صنعتی می باشد، که عموما با استفاده از عملیات خطوط بحرانی، به عنوان سیستم های قدرت ‏الکتریکی انجام می ­پذیرد. شکل (۱)، طرح کلی از عناصر یک سیستم قدرت الکتریکی را نشان می ­دهد.

نمای کلی یک سیستم برق قدرت - جداسازی لرزه ای می تواند سرویس دهی بدون وقفه این سیستم را تأمین کند
شکل (۱) نمای کلی یک سیستم برق قدرت

ایستگاه تولیدی شکل (۱)، به طور کلی نیروگاهی است که از منابع انرژی موجود برای تولید برق استفاده می کند. نیروگاه ­ها اغلب در ‏فواصل زیاد از مناطق پر جمعیت و در نزدیکی منابع قابل اشتعال نظیر زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی  یا در مجاورت منابع غیر ‏قابل احتراق نظیر سوخت ­های خورشیدی، آبی و هسته ­ای قرار می ­گیرند. یک شبکه انتقال و توزیع که شامل بخش بزرگی از سیستم ‏قدرت می ­باشد، وظیفه انتقال برق تولید شده از نیروگاه به صنایع و جوامع را بر عهده دارد. به منظور کاهش تلفات حرارتی در هادی ­ها و صرفه جویی در مصرف برق در فواصل طولانی انتقال، بایستی ولتاژ شبکه انتقال نیرو افزایش یابد. در ادامه مسیر شبکه، برق یا ‏به مصرف­کننده ­های فشار قوی و مشتریان صنعتی ارسال می ­شود یا وارد شبکه توزیع می شود. ولتاژ شبکه چندین بار کاهش می­‏یابد تا به ولتاژ مد نظر مصرف­کننده­ های متقاضی ولتاژ پایین­تر و در نهایت مشتریان مسکونی برسد. فرآیند افزایش یا کاهش سطح ولتاژ در ‏داخل پست ­های الکتریکی انجام می ­پذیرد. پست ­های برق در واقع نیروگاه ­های واقع در گره های مختلف در امتداد شبکه برق می باشند، ‏که شامل تجهیزاتی نظیر ترانسفورماتور، ترانس‎ ‎جریان، رآکتور، ترانس‎ ‎ولتاژ، شکننده‎ ‎جریان و غیره برای تغییر سطح ولتاژ و توزیع برق می ­باشند. هسته مرکزی این مجموعه، ترانسفورماتور قدرت می ­باشد که تغییرات موردنیاز ولتاژ به شبکه را اعمال می ­کند. اشکال (۲) و (۳) ‏شماتیک کلی و اعضای یک ترانسفورماتور را نشان می­ دهد.‏

شکل (۲) ‏شماتیک یک ترانسفورماتور برق
جداسازی لرزه ای ترانسفورمر برق
شکل (۳) اعضای اصلی یک ترانسفورماتور برق قدرت

با‎ ‎توجه‎ ‎به‎ ‎آسیب‎ ‎پذیر‎ ‎بودن‎ ‎پست های‎ ‎برق‎ ‎در‎ ‎جریان‎ ‎زلزله و تعداد زیاد پست ها در امتداد شبکه، که خود نشان دهنده اهمیت آن­ ها در ‏عملکرد سامانه برق شهری می باشد، همچنین‎ ‎نقش کلیدی این پست ها‎ ‎در‎ ‎مدیریت بحران‎ ‎پس از‎ ‎زلزله،‎ ‎بررسی‎ ‎آسیب پذیری‎ ‎و‎ ‎کنترل‎ ‎خسارات‎ ‎وارده‎ ‎به‎ ‎آن ها‎ ‎را‎ ‎امری ضروری ساخته‎ ‎است. در این میان کنترل ارتعاشات ترانسفورماتور های قدرت در حین زلزله، به عنوان هسته مرکزی یک پست برق را می توان یکی از مهمترین استراتژی ها در راستای حفظ پایداری و بهره برداری بی وقفه شبکه انتقال و توزیع برق تلقی کرد.

خرابی های ترانسفورماتورهای برق در زلزله های گذشته

 

تجربیات زلزله های قبلی مانند زلزله نورثریج در سال ۱۹۹۴، زلزله ایزمیت در سال ۱۹۹۹ در ترکیه، زلزله سیچوآن در سال ۲۰۰۸ و زلزله شیلی در سال ۲۰۱۰ نشان داده اند که ترانسفورماتورها بسیار آسیب پذیر هستند. در زلزله نورثریج به طور تقریبی ۲۵ عدد بوشینگ ۲۳۰ کیلوولت به طور کامل تخریب شد. پیش از زلزله سیچوآن (که در سال ۲۰۰۸ با بزرگای گشتاوری ۷٫۹ در ناحیه سیچوآن چین رخ داد) اغلب ترانسفورماتورها بر روی پی بتنی بدون هیچ گونه آرماتور گذاری نصب می شدند. در بسیاری از موارد آن ها برروی ریل قرار می گرفتند (شکل ۴). با وجود این که اتصال پایه ترانسفورماتورها به پی با پیچ یا جوش از روش های رایج برای گیرداری و تقویت اتصال ترانسفورماتور به پی محسوب می شود، موارد بسیاری از برش و شکست پیچ یا جوش اتصالات در زلزله های گذشته وجود دارد (شکل ۵).

شکل (۴) قرارگیری ترانسفورماتور ها برروی ریل
شکل (۵) برش اتصال پیچی ترانسفورماتور به پی

نمونه هایی از خرابی های ترانسفورماتور ها را در زلزله های گذشته

با جداسازی لرزه ای ترانسوفرماتورها می توان تقاضای زلزله بر روی پست قدرت را کاهش داد
نمونه ای از واژگونی ترانسفورماتور در اثر زلزله
جداسازی لرزه ای ترانسفور ماتورها - جداسازی لرزه ای پست های قدرت و ترنسفورمرها می تواند مانع بروز این خسارات شود
نمونه ای از خسارات وارده به پست های انتقال قدرت (ترانسفورماتور) در زلزله
خسارت وارده به یک ترنسفورماتور در اثر زلزله
خسارت وارده به یک ترنسفورماتور در اثر زلزله
نمونه ای از خسارات وارده به ترانسفورماتور در اثر زلزله
نمونه ای از خسارات وارده به ترانسفورماتور در اثر زلزله

مد های خرابی ترانسفورماتور های قدرت را براساس مشاهدات زلزله های قبلی به طور کلی می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:

۱- چرخش به دلیل عدم مهارشدگی ترانسفورماتور یا واژگونی آن؛

۲- لغزش ترانسفورماتور برروی پایه؛

۳- ترک خوردن و خرابی بوشینگ­ها که منجر به نشت روغن از اتصالات بوشنیگ می شود؛

۴- خرابی رادیاتور که باعث نشت روغن و درنهایت منجربه از کار افتادن سیستم خنک کننده می شود؛

۵- خرابی داخلی در مخزن ترانسفورماتور (جابجایی سیم پیچ های مجاور و افزایش فشار داخلی به علت تولید گاز داخل مخزن ترانسفورماتور).

جدول زیر به طور خلاصه مد ­های خرابی ترانسفورماتور ها را طی زلزله های گذشته نشان می دهد.

مدهای خرابی پست های انتقال قدرت در یک زلزله - جداسازی لرزه ای پست های قدرت می تواند از این خسارات جلوگیری کند
نمونه ای از یک ترانسفورمر حداسازی لرزه ای شده - یک پست قدرت مجهز به جداساز لرزه ای
شکل (۷) نمونه ای از یک ترانسفورماتور جداسازی لرزه ای شده
یک ترانسفورمر جداسازی لرزه ای شده با جداساز اصطکاکی پاندولی
یک ترانسفورمر مجهز به جداساز لرزه ای اصطکاکی پاندولی (FPS)

کنترل ارتعاشات لرزه ای ترانسفورماتور ها

 

بهسازی و تقویت اتصالات ترانسفورماتورهای قدرت ولتاژ بالا، با توجه به مدل های متنوع، پیکربندی های مختلف بوشینگ ها و پیچیدگی های زیاد در سیستم ساخت ترانسفورماتور های قدرت، پیچیده و پرهزینه می باشد. به عنوان مثال، افزایش سختی جانبی یک مخزن ترانسفورماتور قدرت به خاطر محدودیت های فضا، همیشه یک راه حل عملی برای بهسازی آن ها نمی تواند باشد؛ محدودیت موجود برای جوش کاری در بدنه مخزن و  پایه های کوتاه برای اتصال ورق های سخت کننده عرضی از دیگر مشکلات بهسازی ترانسفورماتور هاست. علاوه بر این افزایش سختی ترانسفورماتور ها در راستای بهسازی آن ها لزوما به معنی تقویت آن ها در برابر زلزله نیست؛ چرا که افزایش سختی ترانسفورماتور ها، در انتها منجربه افزایش تقاضای لرزه ای آن ها می شود. از طرف دیگر، افزایش سختی ملحقات ترانسفورماتور ها، نظیر بوشینگ ها ممکن است شکست ناشی از ارتعاشات لرزه ای را به دیگر اجزای ترانسفورماتور منتقل کند. بنابراین، نیاز به اقدامات حفاظتی دیگری وجود دارد که به طور کلی از ترانسفورماتور های قدرت و اجزای آن محافظت کند.

جداسازی لرزه ای یک روش عملی برای کنترل ارتعاشات لرزه ای ترانسفورماتورهای قدرت و کاهش میزان خسارت های وارده به آن ها می باشد (شکل ۷). عملکرد رضایت بخش ساختمان های متداول نظیر ساختمان های بزرگ و پل ها که در آن ها از سیستم جداساز لرزه ای استفاده شده است، در زلزله های اخیر و پژوهش های گسترده ای که در این زمینه در طول ۳۰ سال گذشته انجام شده، محبوبیت این سامانه کنترلی را افزایش داده است. جداسازی لرزه ای با به کارگیری اجزای انعطاف پذیر میان سازه و پی آن، سازه را از آثار تخریبی ارتعاشات زمین جدا می­کند. تحقیقات  تحلیلی و تجربی نشان داده است، که جداساز لرزه ای می تواند برای تجهیزات الکتریکی بسیار مفید باشد.

اولین کاربرد شناخته شده ی جداساز لرزه ای در تجهیزات الکتریکی را می توان در پژوهش کرچر و همکارانش در سال ۱۹۷۹ یافت. آن ها یک کلید حفاظتی ۲۳۰ کیلو ولتی با توزیع نامتقارن جرم را با استفاده از جداسازهای لرزه ای الاستومری با میرایی پایین، جداسازی لرزه ای نمودند. کلید حفاظتی جداسازی لرزه ای شده آن ها توانست ارتعاشات ناشی از زلزله ای متوسط که نیمی از کلید های حفاظتی جداسازی لرزه ای نشده را که در سوویچ ازکار انداخته بود، تحمل کند. سوزوکی و همکاران در سال ۱۹۸۷ یک دستگاه جداساز لرزه ای چندگانه برای بهسازی ترانسفورماتورهای قدرت الکتریکی شامل یک سطح کششی صاف همراه با روانکاری جامد برای اتلاف انرژی و یک حلقه لاستیک طبیعی برای بازیابی نیروی جانبی تولید کردند. آن ها آزمایش میز لرزه یک جهته را با استفاده از سه رکورد زلزله بر روی  بوشینگ جداسازی شده یک ترانسفورماتور قدرت ۲۵۷ کیلو ولت انجام دادند. درخلال آزمایش آن ها بیشینه شتاب ناشی از زلزله به میزان ۷۵ درصد کاهش یافت. ایروسی و همکاران در سال ۲۰۰۱ کاربرد جداساز لرزه ای اصطکاکی پاندولی (FPS) را در ترانسفورماتور های برق قدرت مطرح کردند. آن ها مدل ترانسفورماتور با سقف انعطاف پذیر شامل بوشینگ را تحت آزمایش میز  لرزه قرار دادند. آزمایش آن ها در دو حالت تکیه گاه گیردار و جداسازی شده توسط لاستیک های آونگی اصطکاکی شده انجام پذیرفت. آن ها نشان دادند که بیشینه شتاب، با درنظر گرفتن جابه جایی محدود جداساز، به میزان ۶۰ درصد کاهش می یابد. موروتا و همکاران نیز در سال ۲۰۰۶ آزمایش تست لرزش ترانسفورماتورهای قدرت جداسازی شده را انجام دادند. آن ها یک ترانسفورماتور تقویت شده با سیستم های جداساز که شامل یاتاقان های الاستومری چند طبقه با میرایی بالا یا یاتاقان های کشویی الاستومری متحرک را مورد آزمایش قرار دادند. آن ها نشان دادند شتاب های ثبت شده در مدل جدا سازی شده به طور قابل توجهی کمتر از مدل های غیر جداسازی شده بوده است.

مطالب مرتبط

 

معرفی روش جداسازی لرزه ای

جداساز سربی لاستیکی (LRB)

جداساز اصطکاکی پاندولی (FPS)