محطات في عالم فحص محولات القدرة الكهربائية- الجزء السادس

المحطة الأولى

• حدود تحميل المحول الزيتي وفق درجة حرارة البيئة:

سنوضح في هذه المحطة الإمكانيات المتوفرة في تحميل محول القدرة الزيتي وفق درجات حرارة البيئة المحيطة بالمحول ونظام التبريد المستخدم، حيث يجب أن يكون نظام تبريد ذا كفاءة عالية، وكذلك يجب أن نتأكد من خلو الزيت والملفات من الرطوبة إلى أدنى ما يمكن، علماً أن نسبة الرطوبة في الملفات تكون أكبر بكثير من نسبتها في الزيت، وكذلك خلو الزيت من الأوحال التي تؤثر في سريان الزيت وسط قنوات الملف بهدف التبريد إضافةً إلى مقدار سعة المحول وإمكانية التحميل الزائد وعلاقة نظام التبريد بذلك.
نظام العزل الحراري للمحول الزيتي هو CLASS A- 105°C.

النوع الأول: نظام عزل حراري مصمم للعمل وفق درجة حرارة فوق درجة حرارة البيئة 55 درجة مئوية.
النوع الثاني: نظام عزل حراري مصمم للعمل وفق درجة حرارة 65 درجة مئوية.

درجة الحرارة العظمى في المحول: 
يعتمد العمر التشغيلي لمحول القدرة الزيتي على نسبة التحميل العالي خارج النطاق الطبيعي لتحميل المحول
فدرجة الحرارة العظمى = درجة حرارة نظام التبريد +درجة حرارة الملفات + أعلى درجة حرارة موضعية في قمة الجزء العلوي للجزء الفعال في المحول (ملفات + القلب الحديدي).

لغرض تحميل المحول بكامل سعته أي 100%، يجب توفر الشروط التالية:

• درجة حرارة البيئة 40 درجة مئوية، ومعدل الحرارة خلال 24 ساعة لا يتجاوز 30 درجة مئوية.
• سعة المحول أيضاً تحدد من تحميل المحول فالمحول المصمم على درجة حرارة 65 درجة مئوية، ستكون المفاقيد فيه أعلى من ذلك المحول المصمم للعمل على درجة 55 درجة مئوية، حيث تكون العوازل في النوع الأول مصممة لتحمل درجات الحرارة العالية مع متوسط عمر تشغيلي اعتيادي بحدود 30- 40 سنة.

 العوامل المؤثرة في العمر التشغيلي للمحول: 

1. مدى ارتفاع الحرارة عن درجة حرارة البيئة.
2. درجة حرارة سائل أو هواء التبريد.
3. زمن التحميل العالي للمحول.
4. مقدار أعلى درجة حرارة في قمة سطح HOT TEEST SPOT TEMPERATURE كمحدد لدرجة الحرارة دون الاعتماد على معدل ارتفاع حرارة الملفات، فالمحول يمكن ان يعمل باستمرار في درجة:

95°C- 55°C) temperature rise)
110°C- 65°C) temperature rise)

مرفق أدناه مخطط توضيحي لتحميل المحول في حالة التبريد الطبيعي وحالة التبريد القسري، وعلى إخواني المهندسين مراعاة المعدلات الطبيعية لحرارة الجو ومن ثم إجراء التحميل، والبلدان التي تصل درجة حرارة البيئة فيها أعلى من 50 درجة مئوية لا تنطبق عليها أحكام التحميل في درجة 40 درجة مئوية، حيث تظهر التأثيرات التالية على المحول:

1. زيادة في كثافة الفيض المغناطيسي المتسرب.
2. زيادة في القوى الناتجة من دائرة القصر short circuit forces increases.
3. زيادة في قوى الإجهادات على عوازل المحول.
4. صعوبة تحديد أعلى درجة حرارة للمحول بصورة دقيقة وصحيحة.

إن محولات القدرة ذات السعات العالية تكون أكثر تأثراً في حالة تحميلها بأكثر من سعتها المحددة في لوحة بيانات المحول، مما يؤدي الى فشلها بالعمل، في حين أن محولات التوزيع ذات السعات القليلة على خلاف ذلك.

وعلى ضوء ما ذكر أعلاه فإن محولات التوزيع يجب فيها مراعاة حالة الحرارة الموضعية والمتغيرات الحرارية الأخرى في المحول، كحرارة الزيت وحرارة الملفات، وكذلك بالنسبة للمحولات ذات السعات المتوسطة ذات السعات أقل من 200 ميجا فولت امبير فان ذلك سيؤثر على الفيض المتسرب، أما المحولات ذات السعات العالية (أكبر من 200 ميجا فولت امبير) تظهر حالة   STRAY LEAKAGE FLUX وهذا مما يؤدي إلى حالة الفشل في عمل المحول.

مقدار الفقد حسب درجة الحرارة standard 65°C temperature rise كما يلي:

The loss of life increases from 0.001% per hour at 100°C to 0.05% per hour at 140°C and 1.0% per hour at 180°C translated into time span the expected insulation life would be

• 4 سنوات عند 100 درجة مئوية.
• 83 يوم 140 درجة مئوية.
• 100 ساعة عند  180 درجة مئوية.

ويبدو واضحا ضرورة الاهتمام اليومي بدرجات حرارة المحول أثناء التشغيل، وضرورة التحميل وفق المعدلات الطبيعية وحسب درجة حرارة البيئة المحيطة بالمحول.

• أدناه مخطط توضيحي بخط يدوي من الكاتب:

المحطة الثانية

• كفاءة محول القدرة الكهربائي:

يمكن تعريف كفاءة المحول بأنها: “النسبة بين الطاقة الخارجة إلى الطاقة الداخلة في المحول”.

Efficiency = Output energy / Input energy

وتكون محولات القدرة الكهربائية ذات كفاءة عالية ما بين ( 95-99.97 )%، ولأنها كذلك فإن الطاقة الداخلة والطاقة الخارجة متقاربتان في القيمة حسب المفاقيد في المحول، والتي تشمل المفاقيد الحديدية والمفاقيد النحاسية وعليه من الخطأ أن نحسب الكفاءة حسب العلاقة أعلاه وإنما بموجب العلاقة أدناه:

100×{(Efficiency={( 1- Total Losses)\(Power Factor × Load Factor × KVA

حيث معامل القدرة Power Factor= 0.8

• معامل التحميل load factor يكون حسب نسبة تحميل المحول.
• نحصل على أعظم كفاءة للمحول عندما تتساوى تقريباً المفاقيد الحديدية والمفاقيد النحاسية.

Copper losses = ّIron losses

• كفاءة اليوم الكامل لمحول القدرة all –day efficiency of power transformer، كما أشرنا بأن الكفاءة الاعتيادية لأي جهاز كهربائي يمكن صياغتها بالعلاقة التالية:

(Ordinary Efficiency =(Output in watts or kilowatts)/(Input in watts or kilowatts

ولكن لا يمكن أن نحكم على كفاءة محولات التوزيع بهذه العلاقة لكونها تكون تحت تأثير الجهد الداخل إليها في كل فترة التجهيز – لكن الاحمال المربوطة عليها تختلف من وقت لآخر خاصة في المناطق السكنية – ففي هذه الحالة فإن الأحمال ستكون قليلة في بعض الأوقات وعالية في أوقات أخرى.

• إن تصنيع محول ذو كفاءة عالية يوفر الخصائص التالية:

1. تقليل تكلفة الكهرباء بشكل كبير.
2. زيادة الاعتمادية.
3. تقليل الحرارة والمفاقيد.
4. تقدم تكلفة أقل لدورة الحياة.
5. دمج خيارات الصيانة الوقائية الآمنة والفعالة (رفع الكفاءة).

إن الفرق بين محولات التوزيع ومحولات القدرة في شبكات نقل الطاقة في محطات التوليد ومحطات النقل هو أن محولات التوزيع مصممة للعمل بأعلى كفاءة عند معامل التحميل (load Factor: (60%– 70% ، لكون هذه المحولات لا تعمل بتحميل عالي على عكس محولات شبكات نقل الطاقة الكهربائية التي تعمل بعامل تحميل Load Factor : 100%.

 تأثير الكفاءة في التحميل
إن محول القدرة الكهربائي يعمل وفق خاصية المغنطة Magnetizing Phenomenon، ولا يوجد فيه أجزاء دوارة عليه فإن كفاءة المحول تكون عالية ودائماً تكون أعلى من 95% لكون سريان الحمل في الشبكة عالي، مما يؤدي إلى خسائر أو مفاقيد في الحديد الكهربائي للمحول وفي أسلاك النحاس لملفات المحول  Copper losses، وعليه فإن العلاقة الصحيحة لحساب كفاءة المحول هي كالتالي:

Efficiency(%)= (1- ( total losses)\(P.F L.F KVA)) × 100

F-Power Factor

F-Load Factor

كفاءة محولات الجهد الفائق 
إن كفاءة محول الجهد الفائق تكون ذات قيمة عالية تصل إلى قيمة 99.75% في حالة التحميل العالي full load 100٪،
وفي المرفق أدناه قيم كفاءة المحول لمختلف السعات في محطات التوليد والنقل والتوزيع.
كفاءة المحول في حالة تحميل المحول 100% و 50% ، ومقدار الخسائر في حالة التحميل 100% او 50%.

جدول 1: كفاءات ومفاقيد المحولات الصغيرة والضخمة

وفي المرفق التالي نتائج فحص كفاءة محول قدرة ضغط فائق 250 ميجا فولت أمبير بجهد تحويل(400kV\18KV) العاملة في منظومة توليد الشبكة العراقية :

عند معامل قدرة = 1.0

عند معامل قدرة = 0.8

وفي المرفق أدناه نتائج فحص كفاءة محول قدرة سعة 63 ميجا فولت أمبير بجهد (132\33\11.5) كيلو فولت في منظومة شبكة نقل الطاقة الكهربائية لمنظومة الشبكة العراقية:

عند معامل قدرة = 1.0

عند معامل قدرة = 0.8

وفي المرفق أدناه نتائج فحص كفاءة محول قدرة سعة 5 ميجا فولت أمبير بجهد (33\11.5) كيلو فولت في منظومة شبكة توزيع الطاقة الكهربائية لمنظومة الشبكة العراقية:

عند معامل قدرة = 1.0

عند معامل قدرة = 0.8

في المرفق أدناه كفاءة محولات التوزيع ذات السعات (1000-630-400-250-100) كيلو فولت أمبير بجهد تحويل (11\0.4) كيلو فولت:

عند معامل قدرة = 0.8

المحطة الثالثة

• تكاليف سعر محول القدرة الكهربائي:

كما هو معروف أن محول القدرة الكهربائي ذو أهمية قصوى في المنظومة الكهربائية، وعليه فإن تصميم عمله يجب أن يكون محكماً وبدون تجاوز أي مواصفة ضرورية في بناء وتركيب المحول، لكي يحقق الفائدة المرجوة بنقل الطاقة الكهربائية من خلال رفع الجهد إلى قيم عالية بهدف نقل الطاقة إلى مسافات بعيدة أو من خلال خفض الجهد إلى قيم منخفضة بهدف توزيعها على المستهلكين، وهذا العمل يستمر فيه المحول لعشرات السنين (30  إلى 40 سنة)، وعليه فإن شراء أي محول قدرة يجب أن يتضمن ليس فقط السعر الأولي وإنما تكاليف التشغيل والصيانة والمفاقيد الكلية عبر عمر المحول التشغيلي (Transformer Life –Cycle Cost (Total Owing Cost TOC إن المصطلح TOC يعني التالي :

TOC= Initial cost of transformer + Cost of no-load Losses + Cost of Load Losses

إن العلاقة أعلاه تشير إلى السعر الكلي لشراء محول القدرة الكهربائي، والذي يشمل السعر الأولي وكلف تكاليف المفاقيد الحديدية والمفاقيد النحاسية التي ستصرف عبر تشغيل المحول خلال عمره التشغيلي.
إن الكلفة التشغيلية للمفاقيد الحديدية والنحاسية للمحول على مدى 30 او 40 سنة تعادل عدة مرات كلفة السعر الأولي للمحول، وكلما كانت تلك الكلفة قليلة فإن هذا يعني بأن المحول يبقى في الخدمة فترة أطول وبدون مشاكل في العمل، حيث أن المفاقيد الكلية قليلة – وهذا يعني أن حرارة المحول ضمن المدى الطبيعي التي لا تؤثر في خواص عوازل المحول – وعليه فإن إدراج كلف تشغيل المحول يصبح أمراً ضرورياً لغرض إعداد جدول مقارنة عند دراسة عروض شراء محول قدرة .
إن كفاءة المحول الجيدة تعني بأن المفاقيد الحديدية المصممة من خلال استخدام حديد كهربائي ذو مواصفات جيدة، وكذلك المفاقيد النحاسية ضمن السماحات المصممة لها من خلال استخدام أسلاك نحاسية قليلة المقاومة تتوافق مع مساحة مقطع السلك التي لا تؤدي إلى زيادة في مساحة مقطع القلب الحديدي، وهذا مما يعني تقليل الخسائر الحديدية.
إن مصممي محولات القدرة الكهربائية قد قاموا بعدة دراسات لغرض تقليل مفاقيد الحديد السليكوني المستخدم في تصنيع القلب الحديدي، وبنسبة 60% في السنوات الثلاثين الأخيرة حيث قاموا بإنجاز ما يلي:

1. العمل على تحسين تركيب الحديد السليكون من خلال إضافة نسب معينة من السليكون (3% سليكون و97% حديد)، حيث إن السليكون يقلل المفاقيد الحديدية بتقادم سنين عمل المحول ويقلل ايضاً مقاومة المغنطة للقلب وكذلك التخلفية Hysteresis وكذلك استخدام الدرفلة على البارد في طبقات القلب الحديدي وطلاء تلك الطبقات بمادة كيميائية خاصة لعزل الطبقات بعضها عن بعض .
2. استخدام مكائن مبرمجة في تقطيع شرائح القلب الحديدي وفق قياسات مضبوطة من حيث الأبعاد والسُّمك.
3. تطوير أساليب تجميع القلب الحديدي.
4. تطوير إجراء حسابات المفاقيد الحديدية من خلال استخدام الحاسوب.

إن شراء محول قدرة بسعر عالي ذو كفاءة عالية يوفر الكثير من الأموال والكلف خلال العمر التشغيلي للمحول، وعليه فإن الكفاءة العالية للمحول لها علاقة وثيقة بالمفاقيد الكلية total losses من خلال العلاقة التالية:

Efficiency (%) =1- (total losses) / (power factor x load factor x KVA) x 100

وعليه فإن معرفة قيم المفاقيد النحاسية والمفاقيد الحديدية ضروري جداً قبل اتخاذ أي قرار بشراء المحول ويتم ذلك من خلال العاملين (Factor A – Factor B) :

• Factor A : يمثل الكلفة التخمينية للمفاقيد الحديدية والتي ستصرف أو ستفقد في مستقبل العمر الإفتراضي.
• Factor B : يمثل الكلفة التخمينية للمفاقيد النحاسية والتي ستصرف أو ستفقد في مستقبل العمر الإفتراضي للمحول، وعند إجراء المفاضلة لمختلف تصاميم المحولات فإن العاملان أعلاه يؤخذان بنظر الإعتبار في تقرير كفاءة المحول لغرض الشراء.

إن القطاع الخاص يفضل استخدام محول غير كفء  non- efficient transformer لأنه أرخص بمقدار 21% من المحول الكفء وأن الأموال المستثمرة في شراء المحول يمكن استرجاعها خلال فترة أربع سنوات من بدء التشغيل، أما القطاع الحكومي فإنه يفضل استخدام محول كفء لأنه ذو جدوى إقتصادية أفضل.

ولإثراء الموضوع هناك معادلات و طرق أخرى للحساب وجميعها تعتمد نفس المعطيات، وهذه طريقة أخرى للحساب بحيث يتم احتساب الفائدة والتكاليف الرأسمالية الأخرى من ضمن سعر الوحدة (كيلو واط ساعة) :

• السعر النهائي للمحول بإضافة فاقد الأجهزة المساعدة من ضمن Load Losses including Transformer Auxiliaries Losses والتي في كثير من الأقطار يجب حسابها وإضافتها إلى المعادلة بشكل منفصل مضروبة بمعامل سعر لكل كيلو واط ساعة عادة أقل من الأسعار الأخرى.

Total Owning Cost TOC = C + A x NLL + B x LL

[$] (C = initial capital cost (purchasing costs
[A = no-load loss evaluation factor[$/KW
[B = load loss evaluation factor[$/KW
[NLL = no-load loss at nominal voltage [KW
[LL = load loss at 75°C [KW

لحساب حسب المعادلات الأتية A & B:

(A = f [p + ( 8760 x q ) ]                    (1
(B= f x D2 [ p + ( 8760 x q x LLF) ]      (2
(f = (100/r) x [ 1 – ( 1 + r ) –t ]          (3
p = Annualized charge per kW of maximum demand
[q = Energy cost [$/kWh
t = Expected transformer life
D = Max. demand / Trans. rated power = 0.65
LLF = Loss load factor
LF = Load factor
LF =Average load / Maximum Load = 0.75
LLF = 0.5 LF + 0.5 LF2

وهناك الكثير من الهيئات والوزارات التي تمتلك خبرات متراكمة ممتازة بحيث تحدد لكل نوع من المحولات في المواصفات الفنية القيم المطلوبة، فمثلا كما في الجدول المفصل أدناه من هيئة المياه والكهرباء في دبي DEWA وذلك لضمان جودة التصميم وجودة المواد المستعملة لأنه بكل بساطة:

• أعلى مفاقيد تعني أقل تكلفة تصميم High Losses means Low-Cost Design.
• أقل مفاقيد تعني أعلى تكلفة تصميم Low Losses means High-Cost Design.

Since, the designer controls the price of a transformer since the Production Cost (PC) relates to the no-load losses (NLL) and load losses (LL) as:
(PC = X / ( NLL x LL
where X is a factor which depends on particular transformer size and type. Lower transformer losses increase its production cost and selling price

– transformers is given below the maximum values of no load loss and load loss considered for the Transformer rating No load loss (kW) Load Loss including Fan losses (kW)
35/50 MVA 132/12 kV 14 260
60/90 MVA 132/35.5 kV 25 320
60/90 MVA 132/35 kV 25 320
60/75 MVA 132/33 kV 22 280

:The admissible tolerances for component and total losses for each transformer shall be as given in IEC 60076 whic

+ 10% for the total losses
+ 15% for each component loss, provided that the tolerance for total losses is not exceeded

Each transformer with losses within the above mentioned tolerance limits will be accepted subjected to the conditions that a sum will be deducted from the contract price equal to

Fe losses: 36,000 Dhs/kW within 5% in excess of guarantee
Dhs/kW above 5% in excess of guarantee 72,000

Cu losses: 7,200 Dhs/kW within 5% in excess of guarantee
14,400 Dhs/kW above 5% in excess of guarantee

– Bidding and Penalty Values
– In addition to giving loss evaluation values, the bid ********s should also have penalty values that the manufacturer is to be charged for every kilowatt by which the actual tested transformer losses exceed the guaranteed losses upon which the bids are evaluated.
– It is important to have such penalty values in order to give an incentive to the manufacturers to provide the most accurate guaranteed loss values possible. The penalty values should be expressed in the same dollars per kW manner as the bid evaluation values but should be somewhat higher.
– An increment of approximately 20 percent is recommended.

في حالة ان المفاقيد ما بين الحدود المسموح بها :

The tolerance permitted is +10% of the evaluated guaranteed total losses mentioned in the offer – any transformer with total losses more than +10% will be rejected—for transformer with total losses within +5% of the evaluated guaranteed losses no penalty shall be made – for transformer where the total losses between 105% to 110%of the total evaluated guaranteed losses the contract price shall be reduced by the cost of the difference between the total losses and the 100%of the total evaluated guaranteed losses according to the following
Total penalty =Q x ((measured Ie- guaranteed Ie) x price\KW+( measured CU- guaranteed CU)) x price\KW
Q – number of transformers
– for any transformer with total losses less than 100% of the guaranteed losses NO variation to the contract price shall be made

ومن حق المشتري أن يرفض المحول في حالة وجود ما يلي:

1. i) No load losses or load losses exceed the guaranteed value.
   ii) Impedance value exceeds the guaranteed value by + 10% or more.
   iii) Oil or winding temperature rise exceeds the specified value by 5 deg. C.
   iv) Transformer fails on impulse test.
   v) Transformer fails on power frequency voltage withstand test.
   vi) The difference in impedance values of any two phase during single phase
   short circuit impedance test exceeds 2% of the average value guaranteed
   by the manufacturer / contractor.
   vii) Transformer is proved to have been manufactured not in accordance with specification.
2. على سبيل المثال حساب قيمة الشراء لمحول ذو خدمة 15 سنة:

TOC = purchase price + present value of future no load losses + present value of future load losses
Cost of Standard Transformer (over 15 years) = purchase price +(((value of load loss) + (value of no-load loss)] x 15

في حالة تجاوز الحدود المسموح بها للمفاقيد النحاسية والحديدية:

Excess Losses and Penalty
15.1clause– The transformer losses shall be within the following limits of tolerance:
No load loss: not more than +10%
No load loss + Load loss: not more than +6%
Individual transformers with losses beyond the limits will be rejected unless the supplier agrees to increase his guaranteed value as mentioned in clause 15.3.

معادلة اخرى Transformer Evaluated Cost :

For the purpose of bid comparison, the transformer unit cost and losses shall be evaluated to obtain the transformer evaluated cost according to the formula below:
5^(A = B +7,121C +2,939(D
Where
A = Evaluated cost of transformer in US dollar
B = Unit cost of transformer converted in US Dollar according to the evaluation clause specified in the bid condition
C = No load loss at room temperature not more than 30°C in kW
D = Load loss in kW
For dual primary voltage transformers, the losses at higher voltage connection shall be applied

قيمة كل كيلو واط للمفاقيد الحديدية والنحاسية لعدة دول:

Average transformer loss rates from a total of 385 replies
No-load loss Load loss
Austria 9,62€/W 2,41€/W
Belgium 5,37€/W 1,69€/W
Denmark 9,86€/W 3,05€/W
Finland 7,66€/W 2,39€/W
France 7,21€/W 2,35€/W
Germany 6,12€/W 1,81€/W
Hungary 10,41€/W 2,85€/W
Ireland 6,34€/W 1,14€/W
Italy 6,20€/W 2,97€/W
Latvia 1,44€/W 0,23€/W
Netherlands 7,71€/W 2,59€/W
Norway 5,75€/W 3,03€/W
Portugal 6,12€/W 0,89€/W