بهره‌برداري بهينه از ترانسفورماتورهاي قدرت مبتني به مفاهيم قابليت اطمينان....



چکيده

ترانسفورماتور یکی از مهم‌ترین اجزا سیستم قدرت بوده و به علت گران‌قیمت بودن و اهمیت عملکرد ترانسفورماتور در سیستم قدرت و زمان‌بر بودن جایگزینی آن، فرایند بررسی و انتخاب روش بهره‌برداری بهینه و مطلوب برای ترانسفورماتورها با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و قابلیت اطمینان همواره از مهم‌ترین و ضروری‌ترین مسائل سیستم‌های قدرت بوده است. از این‌رو در این پایان‌نامه یک روش جدید احتمالی برای تعیین محدوده بهره‌برداری اقتصادی ترانسفورماتور ارائه شده است. ایده اصلی این پایان‌نامه بر خروج عمدی یکی از ترانسفورماتورهای موازی پست‌های فوق توزیع یا انتقال و قرار دادن آن در وضعیت آماده به کار استوار بوده و شامل پنج مرحله اصلی است: 1) محاسبه دسترس‌پذیری و عدم دسترس‌پذیری بر اساس مدل مارکوف و تبدیل آن به شاخص اقتصادی با استفاده از مفهوم انرژی انتظاری تأمین نشده؛ 2) محاسبه مجموع تلفات بی‌باری و مسی ترانسفورماتور بر اساس اطلاعات بارگذاری و تبدیل آن به شاخص اقتصادی؛ 3) تعیین یک نقطه بار بحرانی برای پست و تعیین محدوده‌‌ی اقتصادی بهره‌برداری بر اساس مراحل 1 و 2. 4) بررسی اثر روش جدید بهره‌برداری بر عمر متوسط ترانسفورماتور. 5) محاسبه قابلیت اطمینان سیستم در دوره فرسایش با استفاده از مدل حرارتی و رابطهٔ تسریع فرسودگی و استفاده از تابع توزیع نرمال. به منظور مطالعه موردی، شبیه‌سازی‌های لازم بر اساس اطلاعات واقعی یکی از پست‌های 63/230 کیلوولت شبکه برق ایران انجام گردیده است. نتایج مطالعه موردی حاکی از کارایی روش پیشنهادی جدید می‌باشد. بطوریکه باعث صرفه‌جویی اقتصادی، افزایش چشمگیر عمر متوسط ترانسفورماتورها و افزایش فرصت تعمیرات پیشگیرانه خواهد شد. همچنین از شبیه‌سازی‌های انجام شده در این پایان‌نامه می‌توان برای پایش قابلیت اطمینان و عمر باقیمانده ترانسفورماتور به صورت بر خط (On-line) استفاده نمود.

 واژه‌های کليدی:

ترانسفورماتورهای قدرت، بهره‌برداری بهینه، مفاهیم قابلیت اطمینان، انرژی انتظاری تأمین نشده، تلفات توان ترانسفورماتور، خروج عمدی، فرسایش ترانسفورماتور

 

فهرست مطالب

عنوان

صفحه

   

فصل اول:

 

مقدمه

1

1-1- پیشگفتار ......................................................................................................................................

2

1-2- هدف تحقیق ................................................................................................................................

3

   

فصل دوم:

 

مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه بهره‌برداری از ترانسفورمرهای قدرت

5

2-1- مقدمه ..........................................................................................................................................

6

2-2- پیشینه‌ی تحقیق ..............................................................................................................................

7

2-3- جمع بندی ...................................................................................................................................

11

   

فصل سوم:

 

تشریح مدل پیشنهادی بهره برداری از ترانسفورماتورهای قدرت مبتنی بر قابلیت اطمینان

12

3-1- مقدمه ...........................................................................................................................................

13

3-2- قابلیت اطمینان دوره نرمال ...............................................................................................................

13

3-3- مدلسازی قابلیت اطمینان ترانسفورمر ..................................................................................................

14

3-3-1- مدل قابلیت اطمینان زیر سیستم 1..................................................................................................

14

3-3-2- مدل قابلیت اطمینان زیر سیستم 2 ................................................................................................

17

3-3-3- مدل قابلیت اطمینان زیر سیستم 3 ................................................................................................

18

3-3-4- مدل قابلیت اطمینان ترانسسفورمر با خنک کننده روغن طبیعی- هوا اجباری .........................................

23

3-4- قابلیت اطمینان در دوره فرسایش .......................................................................................................

26

3-4-1-اثر بارگذاری حرارتی ..................................................................................................................

27

 فهرست مطالب

عنوان

صفحه

3-4-2-هسته و سیم پیچ ........................................................................................................................

27

3-4-3-عایق ........................................................................................................................................

228

3-4-4-تلفات توان در ترانسفورمرها .........................................................................................................

28

3-4-5- اثرات انتقال حرارت ...................................................................................................................

29

3-4-6-دماها و استاندارد های IEEE ........................................................................................................

31

3-4-7- بار گذاری ترانسفورمر های بیش از توان نامی ...............................................................................

32

3-4-8-فرسایش عایقی ..........................................................................................................................

32

3-4-9-دمای نقطه داغ ترانسفورمر ............................................................................................................

36

3-5- روش جدید پیشنهادی .....................................................................................................................

41

3-5-1- مدل مارکوف سیستم دو ترانسفورمر موازی همزمان تحت بهره برداری-روش متداول بهره برداری از پست با دو ترانسفورمر موازی .............................................................................................................................

42

3-5-2-مدل مارکوف سیستم در دوره عمر مفید برای یک سیستم دو ترانسفورمری با یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری به کار - روش جدید بهره برداری از پست با دو ترانسفورمر موازی .........................................................

43

3-5-3- احتمال استقرار در حالت های مختلف فضای حالت مارکوف بر حسب زمان ........................................

45

3-5-4- محاسبات اقتصادی جهت تصمیم گیری زمان اعمال روش جدید بهره برداری ........................................

47

3-5-5- قابلیت اطمینان ترانسفورمر ..........................................................................................................

51

3-5-6- دمای محیط ..............................................................................................................................

61

3-5-7- تاثیر جریان هجومی بر عمر ترانسفورمر .........................................................................................

63

3-6- جمع‌بندی ....................................................................................................................................

64

   

فصل چهارم:

 

شبیه‌سازی و تحلیل نتایج

65

4-1- مقدمه ...........................................................................................................................................

66

4-2- مدل سازی ترانسفورمرها .................................................................................................................

66

 فهرست مطالب

عنوان

صفحه

4-3- داده های بارگذاری ترانسفورمر .........................................................................................................

67

4-4- داده های دمای محیط ......................................................................................................................

68

4-5- داده های جریان هجومی ترانسفورمر ..................................................................................................

69

4-6- نتایج شبیه سازی ...........................................................................................................................

70

4-6-1- محاسبات اقتصادی جهت تصمیم گیری اعمال روش جدید بهره برداری ...............................................

71

4-6-2- دوره فرسایش و اثر بارگذاری ......................................................................................................

79

4-6-3- بررسی اثر جریان هجومی بر دمای نقطه‌ی داغ و ضریب تسریع فرسودگی در روش بهره‌برداری جدید ......

93

4-6-4- مقایسه‌ی عددی روش بهره‌برداری جدید و متداول ............................................................................

95

4-7- جمع‌بندی ....................................................................................................................................

96

   

فصل پنجم:

 

جمع‌بندی، نتيجه گيري و پيشنهادات

98

5-1- مقدمه ...........................................................................................................................................

99

5-2- نتیجه گیری ..................................................................................................................................

99

5-3- پیشنهادات .....................................................................................................................................

100

   

منابع و مآخذ

102

   
   
   
   
   
   
   

 

فهرست جداول

عنوان

صفحه

   

جدول 3-1- انواع سیستم های خنک کنندگی ترانسفورمر ...............................................................................

30

جدول 3-2- ضریب تسریع فرسودگی .......................................................................................................

35

جدول 3-3- توان های استفاده شده در روابط تعیین دما ..................................................................................

41

جدول 4-1- مشخصات ترانسفورمر ...........................................................................................................

67

جدول 4-2- خلاصه نتایج روش‌های مختلف بهره‌برداری ..............................................................................

96

   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

 

فهرست شکل‌ها

عنوان

صفحه

   

شکل 3-1- مدل فضای حالت مارکوف سیم پیچ ........................................................................................

14

شکل 3-2- مدل فضای حالت مارکوف هسته، تانک و روغن ..........................................................................

15

شکل 3-3- مدل فضای حالت مارکوف کامل زیر سیستم 1 ...........................................................................

16

شکل 3-4- مدل فضای حالت مارکوف معادل زیر سیستم 1 ..........................................................................

16

شکل 3-5- مدل فضای حالت مارکوف زیر سیستم 2 ...................................................................................

17

شکل3-6- مدل کامل فضای حالت مارکوف دو گروه فن با زیر گروه .............................................................

19

شکل 3-7- مدل پنج حالته دو گروه فن با دو زیر گروه .................................................................................

19

شکل 3-8- مدل فضای حالت مارکوف سایر اجزای سیستم خنک کننده ...........................................................

21

شکل 3-9- مدل کامل فضای حالت مارکوف سیستم خنک کننده ....................................................................

22

شکل 3-10- مدل معادل سیستم خنک کننده (6 حالته) ................................................................................

23

شکل 3-11- مدل سه حالته معادل زیر سیستم های 1و2 ...............................................................................

23

شکل 3-12- مدل کامل فضای حالت مارکوف و ترانسفورمر .........................................................................

24

شکل 3-13- مدل معادل فضای حالت مارکوف 11 حالته ترانسفورمر .............................................................

25

شکل 3-14- فضای حالت نهایی مارکوف دو حالته برای یک ترانسفورمر ........................................................

25

شکل 3-15-هسته ترانسفورمر سه فاز ........................................................................................................

27

شکل3-16-انواع سیستم های خنک کنندگی ...............................................................................................

30

شکل3-17- عمر عایقی ترانسفورمر ..........................................................................................................

33

شکل 3-18- ضریب تسریع فرسودگی ......................................................................................................

34

شکل 3-19- فضای حالت ساده نشده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی همزمان در حالت کار ..........................

42

شکل 3-20- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی با نرخ های برابر همزمان در حالت کار ....

43

شکل 3-21- فضای حالت ساده نشده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی مشابه در روش جدید ..........................

43

شکل 3-22- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر مشابه در روش جدید ...................................

44

شکل 3-23- منحنی وان حمام ................................................................................................................

51

 

فهرست شکل‌ها

عنوان

صفحه

   

شکل3-24- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر موازی برای بدست آوردن قابلیت اطمینان .........

52

شکل 3-25- فضای حالت ساده شده مدل مارکوف دو ترانسفورمر مشابه در سناریو جدید برای بدست آوردن قابلیت اطمینان ......................................................................................................................................

52

شکل3-26- تابع چگالی احتمال نرمال ....................................................................................................

55

شکل 3-27- مدل سیستم با دو عضو موازی یا یک عضو آماده به کار ...........................................................

57

شکل 3-28- تغییرات (t)R با افزایش عمر...............................................................................................

58

شکل 3-29- توزیع نرمال عمر ترانسفورمر...............................................................................................

59

شکل 3-30- نسبت دما، پارامتری برای بدست آوردن دمای ساعتی ...............................................................

62

شکل 4-1- نمودار بارگذاری ترانسفورمر نمونه در یک سال .......................................................................

67

شکل 4-2- دمای بیشینه و کمینه روزانه‌ی سال پایه ....................................................................................

68

شکل 4-3- دمای ساعتی سال پایه ..........................................................................................................

69

شکل4-4- دسترس‌پذیری سیستم یک و دو ترانسفورمری ............................................................................

70

شکل 4-5- انرژی انتظاری تامین نشده در بارگذاری سبک – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و

هر دو در حال کار .................................................................................................................................

71

شکل4-6- مجموع تلفات ترانسفورمرها در بارگذاری سبک – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار ..............................................................................................................................

72

شکل 4-7- مجموع هزینه انرژی انتظاری تامین نشده و تلفات در بارگذاری سبک – یک ترانسفورمر در حال کار و

دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار ....................................................................................................

73

شکل 4-8- هزینه‌ی بهره برداری در بارگذاری سبک – روش بهره‌برداری جدید ..............................................

74

شکل 4-9- میزان بار پست در هر بار تغییر روش بهره‌برداری- بار گذاری سبک ............................................

75

شکل 4-10- انرژی انتظاری تامین نشده در بارگذاری سنگین – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگریآماده به کار و

هر دو در حال کار .................................................................................................................................

76

شکل 4-11- مجموع تلفات ترانسفورمرها در بارگذاری سنگین – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار ........................................................................................................................

77

شکل 4-12- مجموع هزینه انرژی انتظاری تامین نشده و تلفات در بارگذاری سنگین – یک ترانسفورمر در حال کار و دیگری آماده به کار و هر دو در حال کار............................................................................................

77

 

 

فهرست شکل‌ها

عنوان

صفحه

   

شکل 4-13- هزینه‌ی بهره برداری در بارگذاری سنگین – روش بهره‌برداری جدید ...................................

78

شکل 4-14- میزان بار پست در هر بار تغییر روش بهره‌برداری- بار گذاری سنگین .................................

79

شکل 4-15- منحنی عمر باقیمانده بدون در نظر گرفتن اثر بارگذاری ......................................................

80

شکل4-16- قابلیت اطمینان بدون در نظر گرفتن اثر بارگذاری در دوره فرسایش .......................................

81

شکل4-17- قابلیت اطمینان ترانسفورمر در دوره عمر نرمال ..................................................................

81

شکل 4-18- قابلیت اطیمنان ترانسفورمر بدون در نظر گرفتن اثر بارگذاری ..............................................

82

شکل 4-19- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک- روش بهره برداری متداول ...........................................................................................................................................

83

شکل 4-20- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش متداول بهره‌برداری...

84

شکل 4-21- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش متداول بهره‌برداری ................

84

شکل 4-22- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک - روش بهره برداری جدید ............................................................................................................................................

86

شکل 4-23- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش جدید بهره‌برداری....

86

شکل 4-24- قابلیت اطمینان دوره عمر نرمال – روش جدید بهره‌برداری .................................................

87

شکل 4-25- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سبک – روش جدید بهره‌برداری ..................

88

شکل 4-26- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین- روش بهره برداری متداول ...........................................................................................................................................

89

شکل 4-27- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش متداول بهره‌برداری.

90

شکل 4-28- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش متداول بهره‌برداری................

90

شکل 4-29- منحنی عمر باقیمانده ترانسفورمر ها با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین- روش بهره برداری جدید ............................................................................................................................................

91

شکل 4-30- قابلیت اطمینان دوره فرسایش با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش جدید بهره‌برداری..

92

شکل 4-31- قابلیت کل سیستم با در نظر گرفتن اثر بارگذاری سنگین – روش جدید بهره‌برداری ................

92

   

 

 

فهرست شکل‌ها

عنوان

صفحه

   

شکل 4-32- دمای نقطه‌ی داغ ترانسفورمر با در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین .............................................................................................................................

93

شکل 4-33- دمای نقطه‌ی داغ ترانسفورمر بدون در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین .............................................................................................................................

94

شکل 4-34- تغییرات ضریب تسریع فرسودگی با در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین .........................................................................................................................

94

شکل 4-35- تغییرات ضریب تسریع فرسودگی بدون در نظر گرفتن افزایش دمای سیم‌پیچ در اثر جریان هجومی در بارگذاری سنگین .............................................................................................................

95

 فصل اول

 مقدمه

 1-1- پيشگفتار

ترانسفورماتورها از اصلی‌ترین تجهیزات شبکه قدرت جهت تأمین انرژی مشترکین به شمار می روند. با توجه به هزینه‌ی بسیار زیاد تعمیرات و نگهداری ترانسفورماتورهای قدرت و از آنجاییکه تعمیر، تهیه و نصب آن‌ها در صورت خرابی مستلزم صرف زمان طولانی است، رخ دادن خطا و ایجاد خرابی در ترانسفورماتورها باعث قطع طولانی مدت انرژی و متعاقب آن کاهش فروش انرژی و درآمد شرکت‌های برق می‌گردد. از این‌رو بهره‌برداری بهینه از ترانسفورماتورها جهت کاهش هزینه و میزان خرابی آن‌‌ها، از جمله مسائلی است که در حال حاضر پیش‌روی شرکت‌های مدیریت و بهره‌برداری شبکه‌های قدرت در بسیاری از کشورهای دنیا قرار دارد.

تاکنون مطالعات بسیاری در زمینه‌ی بهره‌برداری اقتصادی و بهینه از ترانسفورماتورهای قدرت مبتنی بر دیدگاه‌های متفاوتی انجام شده است. از آن جمله می‌توان به بهره‌برداری اقتصادی از ترانسفورماتورهای قدرت مبتنی بر توان کل و توان راکتیو، مشخصات و پارامترهای فنی ترانسفورماتورها، بهبود ضریب بار، جابجایی بارو ... اشاره نمود]7[. این در حالی است که مطالعات و تحقیقات چندانی در زمینه بهره‌برداری اقتصادی ترانسفورماتورهای قدرت با در نظر گرفتن شاخص‌های قابلیت اطمینان صورت نگرفته است. از طرفی در اندک تحقیقات انجام شده، اثر متقابل عوامل تاثیرگذار بر شاخص‌های قابلیت اطمینان و در نهایت اثر تجمعی آنها بر بهره‌برداری بهینه از ترانسفورماتور دیده نشده است.

نکته‌ی چالش بر انگیز در این خصوص اینست که توجه بیش از حد به قابلیت اطمینان باعث هدر رفتن بودجه و سرمایه و افزایش هزینه‌ها خواهد شد و در مقابل توجه نامعقول و غیر منطقی به مسائل اقتصادی و تلاش برای کاهش هزینه بهره‌برداری بدون در نظر گرفتن شاخص‌های قابلیت اطمینان، سیستم را در ناحیه ریسک و خطر قرار خواهد داد، به همین دلیل ایجاد مصالحه و تعادل بین هزینه‌های بهره‌برداری و شاخص‌های قابلیت اطمینان همواره از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین مسائل در مطالعات سیستم‌های قدرت بوده است. از این‌رو مهم‌ترین اصل جهت سیاست‌گذاری در بهره‌برداری بهینه از ترانسفورماتورهای پست‌های فوق توزیع و انتقال مبتنی بر مفاهیم قابلیت اطمینان، یافتن تعادل مناسبی بین هزینه‌ها و قابلیت اطمینان می‌باشد.

از طرفی با توجه به تأثیر تغییر روش بارگذاری ترانسفورماتورها بر عمر آن‌ها، تخمین طول عمر باقیمانده ترانسفورماتورهای قدرت در هر لحظه با حفظ سطح قابل قبولی از قابلیت اطمینان، از دغدغه‌های اصلی اغلب دارندگان این تجهیزات، مخصوصاً در مواقعی که ترانسفورماتور در شرایط اضافه بار پیوسته و دوره‌ای قرار می‌گیرد، می‌باشد.

ازعواملمهمدرتعیینعمرمتوسطترانسفورمرها درمحدودهترانسفورمرهای قدرت،فوقتوزیعوتوزیع،توجهبهمسائلعایقی اینتجهیزاتمی‌باشد. عواملمختلفیدراینزمینهوجوددارندکهمی‌توانندهریکبرعمرعایقیترانسفورمراثرگذارباشند.

زوالعایقتابعیازدمایکار،رطوبتواکسیژنموجوددر عایقمی‌باشد. امروزهباسیستم‌هایمدرنفرآوریو نگهداریروغنوعایق‌هایدیگرترانسفورمر،اکسیژنو رطوبتعایق‌هاحداقلشدهاست،ازآنجاکهتوزیعدمادرترانسفورمریکنواختنیست، تحقیقاترویتعیینداغ‌تریننقطهترانسفورمر(اصطلاحاً نقطهداغ)متمرکزشدهاستوازآنبهعنوانعاملاصلی تعیین فرسایش عایقی یاد می‌شود.

حد بارگذاری ترانسفورمر به صورت جداولی در استانداردهای IEEE به شماره‌های C57.91-1981، C57.92-1982 و C57.115-1991 ارائه شده است. اما در استاندارد C57.91-1995 مربوط به بارگذاری ترانسفورمرهای روغنی، این جداول حذف شده‌اندوبهجایآن‌هامدلانتقالحرارتیارائهشدهاست که کاربرمی‌تواندبرمبنایروابطحالتگذرایآنوبااستفاده ازمشخصاتحرارتیترانسفورمرموردنظر به دستآمده ازآزمایش،دمای نقطه داغ راتعیینکند. برای تعیین دمای نقطه داغ در این مدل حرارتی، بارگذاری وارد روابط می‌شود. از این رو بارگذاری یکی از موارد تأثیرگذار روی دماهای ترانسفورمر مخصوصاً دمای نقطه داغ می‌باشد.


خرید و دانلود بهره‌برداري بهينه از ترانسفورماتورهاي قدرت  مبتني به مفاهيم قابليت اطمينان....

افزایش فالوور اینستاگرام