بررسي اجمالي مواد آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور توزيع (مقاله)

بررسي اجمالي مواد آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور توزيع
مهندس هوشنگ عليويرديلو- مهندس الهام امين‌نيا<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

اولين آلياژهاي با ساختار غير كريستالي در سال 1950 ميلادي توسط اداره ملي استاندارد آمريكا گزارش شد. از آن زمان تاكنون فعاليت‌هاي زيادي در جهت ارتقاء كيفيت اين نوع مواد و روش‌هاي بهينه توليد و اقتصادي‌تر كردن آن صورت گرفته است.
معرفي و توسعه فرآيند انجماد سريع (Rapid Solidification) در سال 1960 كه در آن سرعت انجماد فلز به حدود k/s 106 مي‌رسد،‌باعث شد كه امكان توليدنوارهاي باريك آلياژي آمورف فراهم شود. ضخامت اين نوارها حدود µm50-25 توليد تجاري اولين نوار آمورف با عرض mm7/1 توسط شركت Allied Chemical انجام پذيرفت كه اين امر به سال 1971 باز مي‌گردد. امروزه اين نوارها به صورت آزمايشگاهي تا ضخامت حدود mm300 و به صورت تجاري تا ضخامت حدود mm213 توليد شده‌اند.
از دهه هفتاد ميلادي به بعد با معرفي تجاري مواد مغناطيسي آمورف،‌تحولي در نوع ماده مورد استفاده در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع پديد آمد. آلياژ آمورف باتركيب آهن، بر و سيليس داراي مقاومت الكتريكي و استحكام بالا ولي حد اشباع مغناطيسي پايين و نيز محدوديت‌ دماي كاري در مقايسه با فولاد سيليكوني است.
در سال 1982 شركت جنرال الكتريك در آمريكا اولين ترانسفورماتور ساخته شده با مواد آمورف رابرق‌دار كرد. متعاقب آن چند شركت ديگر اقدام به ساخت انواعي از اين نوع ترانسفورماتورها كردند. از آن زمان تاكنون فعاليت‌هاي فراواني از سوي توليد‌كنندگان بسيار محدود مواد آمورف در جهت اقتصادي‌كردن روش‌هاي توليد اين نوع ماده و معرفي كردن آن به عنوان يك جايگزين مطمئن و مناسب به جاي ورق‌هاي سيليكوني انجام پذيرفته است. استفاده از فلزات آمورف باعث كاهش حدود 70-60 درصدي تلفات هسته اين نوع ترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورهاي داراي هسته فولاد سيليكوني مي‌شود.
طبق گزاش ارايه شده توسط انجمن تحقيقات موادآمريكا در حال حاضر حدود 000/250/1 ترانسفورماتور توزيع با هسته آمورف در كل جهان نصب شده است كه گسترش اين مساله كمك شاياني به بازده انتقال و توزيع برق در جهان خواهد كرد. البته بايد توجه كرد كه اين ترانسفورماتورها از نوع كوچك بوده وهنوز انواع بزرگ آنها چندان توسعه پيدا نكرده است.
در حال حاضر در آمريكا حدود 5درصد سفارشات ترانسفورماتور توزيع از نوع هسته آمورف است.

مشخصات فني
مواد آمورف نوع جديدي از مواد هستند كه داراي ساختار كريستالي نيستند. اين موضوع به اين معناست كه اتمها به صورت منظم در كنار يكديگر قرار نگرفته‌اند.
حد اشباع مغناطيسي مواد آمورف در محدوده 5/1 تسلا و در فولادهاي الكتريكي سيليكوني 1/2 تسلا است و اين يك محدوديت براي استفاده از اين نوع مواد در ترانسفورماتورهاي بزرگ است.
فلز آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور نازكتر، سخت‌تر و شكننده‌تر از فولاد سيليكوني است و با همه اين شرايط بايد براي كاركرد سي‌ساله در ترانسفورماتور توزيع سازگار شود.
اين مواد علاوه بر سختي بالا، داراي خواص مغناطيسي عالي هستند. همچنين تلفات هسته آمورف 50-25 درصد فولاد الكتريكي سيليكوني از نوع M4 است.

تكنولوژي و فرآيند توليد مواد آمورف
تكنولوژي توليداين نوع مواد پيچيده بوده وبه طور كلي شامل موارد ذيل است:
- مواد اوليه به خوبي مخلوط ودرداخل يك كوره القايي ريخته مي‌شوند.
- موادمذاب به داخل يك محفظه متراكم كننده هدايت مي‌شود.
- جريان باريكي از مواد بر روي يك قالب تزريق مي‌شود. سرعت انجماد در اين قالب بسيار بالا ودر حدود يك ميليونيم ثانيه است. محصول اين بخش نوار باريك آمورف است.
- ابعاد (صخامت و عرض) نوارهاي توليدي در بخشهاي D1 و D2 كنترل شده و نهايتاً نوار توليد به صورت رول پيچيده مي‌شود.

مزايا و معايب استفاده از مواد آمورف
به طور كلي مزاياي اين نوع مواد را به شرح ذيل مي‌توان بيان كرد.
1- كاهش تلفات هسته بيشتر نسبت به فولادهاي سيليكوني به دليل بيشتر بودن مقاومت الكتريكي (حدود 3 برابر) آنها و نيز كاهش ضخامت (حدود 0،1) در مجموع به ميزان حدود 60 درصد.
2- كاهش آلودگي محيط‌زيست به دليل كاهش مصرف انرژي در نيروگاه.
يكي از مزاياي استفاده از ترانسفورماتورهاي با هسته آمورف كمك به كاهش مشكلات زيست‌محيطي و آلودگي هواست. چرا كه كاهش تلفات در ترانسفورماتور كه بواسطه استفاده از اين نوع مواد ايجادمي‌شود مستقيماً باعث كاهش مصرف مواد سوختي كه انرژي از آنها حاصل مي‌شود شده ونهايتاً الودگي محيط زيست كمتر مي‌شود.

1- حد اشباع شار مغناطيسي پايين.
حداشباع مغناطيسي مواد آمورف در محدوده 5/1 تسلا و در فولادهاي الكتريكي جهت‌دار،‌1/2 تسلا است و اين موضوع در راستاي استفاده از نوارهاي آمورف در ترانسفورماتورهاي بزرگتر از محدوده توزيع، محدوديت ايجاد مي‌كند.

2- مشكلات توليد و نيز توليد‌كنندگان بسيار محدود مواد آمورف
نرخ سرعت انجماد (K/S) 106 بسيار بالا نيز يكي ديگر از مسائلي است كه در مجموع فرآيند توليد آنرا با مشكل روبرو ساخته است.

3- عدم امكان سهولت در برش به دليل سختي بسيار بالا
سختي نوارهاي آمورف زياد است.همين مساله باعث محدوديت برش در نوارهاي توليدي است. سختي اين نوارها به طور متوسط 4 تا 5 بار بيشتر از سختي فولادهاي الكتريكي سيليكوني است. كه اين مساله باعث مي‌شود نرخ سايش در ابزار برش چنين موادي حدود 1000 بار بيشتر از نرخ سايش فولادهاي الكتريكي سيليكوني باشد. براي برش چنين نوارهايي بايد از روشهاي نوين نظير روش ليزري ويا EDM استفاده كرد.

4- فاكتور چينش كم
ضخامت نوار آمورف به طور متوسط 1/0 ورق سيليكوني است. به همين دليل فاكتور چينش ورق‌هاي آمورف حدود 85-75 درصد و در ورق‌هاي فولادي سيليكوني حدود 95 درصد است لذا اين مساله باعث افزايش حجم هسته مي‌شود.

5- حساسيت ويژه در حين استفاده به دليل ضخامت بسيار كم
اعمال هرگونه نيروي نامناسب باعث ايجاد تنشهاي پسماند در اين نوارها و نهايتاً افزايش تلفات خواهد شد.

6- افزايش قيمت اوليه ترانسفورماتور
قيمت مواد آمورف حدود 3-2 برابر ورقهاي الكتريكي سيليكوني است. همچنين به دليل ضخامت كم مواد آمورف نهايتاً قطر هسته افزايش يافته و ميزان مواد مصرفي مانند مس، مواد عايقي و ... افزايش مي‌يابد. اين موضوع باعث افزايش قيمت اوليه ترانسفورماتور مي‌شود.

7- عدم كاهش قابل توجه در كل تلفات شبكه
از آنجا كه در مقايسه باتلفات شبكه صرفه‌جويي انجام شده آنچنان قابل ملاحظه نيست بنابراين متقاضيان ترانسفورماتور آنچنان رغبتي براي سفارش ترانسفورماتورهاي هسته آمورف ندارند.

مقايسه اقتصادي مواد آمورف و فولاد سيليكوني
در ساليان اخير برخي منابع در خصوص ميزان صرفه‌جويي حاصله از استفاده مواد آمورف درمقايسه بافولاد سيليكوني اطلاعاتي مانند موارد ذيل را ارايه كرده‌اند:
- در آمريكا انرژي الكتريكي اتلاف شده در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع kwh 109×50 در سال تخمين زده مي‌شود و اگر به طور متوسط هزينه توليد هر كيلووات ساعت برق حدود075، 0 دلار (5/7 سنت) در نظر گرفته شود، انرژي اتلاف شده در حدود 3750 ميليون دلار ارزش دارد.
- مطابق برآوردهاي انجام شده در سال 1990 در آمريكا در صورتي كه ترانسفورماتورهاي پست با هسته فولادي سيليكوني تا توان KVA2500 با ترانسفورماتورهاي با هسته آمورف جايگزين شوند حدود Mwh 2500 كاهش تلفات مي‌توانست وجود داشته باشد و اين مقدار كاهش تلفات به معناي كاهش هزينه‌هاتا حدود 2 ميليارد دلار است.
- در آمريكا تخمين زده شده است كه اگر تمام ترانسفورماتورهاي توزيع موجود با ترانسفورماتورهايي كه داراي هسته آمورف هستند جايگزين شوند سالانه Billion kWh 14-6 انرژي ذخيره خواهد شد.
- نتيجه يك بررسي در انگلستان بر روي دو عدد ترانسفورماتور kVA 800 و 100 آمورف نشان مي‌دهد قيمت كل يك ترانسفورماتور آمورف در طول دوره عمر آن حدود 14 درصد كمتر از مورد مشابه با هسته فولاد سيليكوني است.
همانگونه كه مي‌دانيم قيمت تمام شده يك ترانسفورماتور به صورت زير محاسبه مي‌شود:
قيمت تلفات بار (سيم‌پيچ) در طول عمر + قيمت تلفات بي‌باري (هسته) در طول عمر + قيمت خريد= قيمت تمام شده
برخي مطالعات انجام شده نشان مي‌دهند كه قيمت نهايي خريد و تلفات يك ترانسفورماتور هسته آمورف طي دوره عمر آن (30 سال) كمتر از قيمت همان نوع ولي با هسته فولاد سيليكوني است.
قيمت خريد ترانسفورماتورهاي با هسته آمورف بيشتر است ولي از آنجايي ميزان تلفات مواد آمورف كمتر است و براي محاسبه قيمت يك ترانسفورماتور بايدمجموع تلفات در كل دوره عمر يك ترانسفورماتور محاسبه شود،‌بنابراين مشاهده مي‌شود كه از نظر اقتصادي نيز قيمت يك ترانسفورماتور با هسته آمورف در مجموع كمتر است.
با توجه به افزايش قيمت جهاني انواع سوخت در سالهاي اخير و پيش‌بيني روند رو به رشد قيمت‌ها در سالهاي آينده، استفاده از مواد آمورف كه تلفات هسته كمتري دارند و نهايتاً‌ باعث مصرف سوخت كمتري در مراكز توليد نيرو مي‌شوند، توجيهي براي استفاده در اين نوع ترانسفورماتور پيدا كرده است.
در مجموع مي‌توان گفت گرچه چنين اطلاعاتي در برخي از منابع وجود داردولي عمدتاً به يك مساله كمتر توجه شده است و آن اين است كه به سود سالانه اختلاف قيمت خريد ترانسفورماتور هسته آمورف و فولاد سيليكوني كمتر توجه شده است. همانگونه كه مشاهده مي‌شود آنچه كه توليد‌كنندگان بر روي آن تاكيد دارند قيمت نهايي ترانسفورماتور در طول يك مدت 30 ساله و لحاظ كردن قيمت تلفات ترانسفورماتور در قيمت نهايي است. حال آنكه اگر سود اختلاف قيمت اوليه 2 نوع ترانسفورماتور در كشورهايي مانندايران كه نرخ سود (بهره) بسيار بالاست را در نظر بگيريم توجيه ارايه شده، توجيهي مناسب نخواهد بود. بنابراين تا زماني كه مشكلات و معايب برشمرده شده در مواد آمورف رفع نشوند اميد زيادي به توسعه اين نوع از ترانسفورماتورها نمي‌توان داشت.

تجارب كسب شده در اين زمينه در دنيا و برنامه‌هاي پيش‌رو
اولين ترانسفورماتور KVA25 باهسته آمورف در سال 1982 توسط شركت جنرال‌الكتريك ساخته و در آمريكا نصب شد. متعاقب آن در سال 1983 تعداد 25 عدد از اين نوع ترانسفورماتور ساخته و در بخش‌هاي مختلف آمريكا نصب شد. بررسي‌ها نشان داد كه اين ترانسفورماتورها حدود 50-40 درصد تلفات هسته كمتري نسبت به انواع قبلي خود داشتند. بعد ازانجام مطالعات سه ساله بر روي ترانسفورماتورهاي نصب شده،تعداد 1000 ترانسفورماتور جديد در سراسر آمريكا نصب شد. اين ترانسفورماتورها به طور متوسط حدود 70 درصد تلفات هسته و 60 درصد جريان تحريك كمتري نسبت به ترانسفورماتورهايي كه از هسته فولاد الكتريكي سيليكوني استفاده كرده بودند، داشتند.
اولين ترانسفورماتورهاي KVA50 و 20 آمورف به صورت تجاري در سال 1986 ساخته شدند. همچنين در سال 1990 يك ترانسفورماتور آمورف KVA750 توسط شركت جنرال‌الكتريك ساخته شد. تا سال 1990 توان ترانسفورماتورهاي توليدي به حدود KVA1000 رسيد و شركت‌هاي ABB, Howard, Kuhlman, (Westinghouse), GE اقدام به توليد اين نوع از ترانسفورماتورها در آمريكا كردند. بنا بر ادعاي شركت Metglass هم‌اكنون امكان توليد ترانسفورماتورهاي آمورف 10-6000KVA تا KV22 است.
به دليل سختي بيش از حد نوارهاي آمورف هنوز هسته‌هاي چينشي (laminate) آمورف آنچنان تجاري نشده‌اند ولي نوع پيچشي آن در ترانسفورماتورهاي مختلف توزيع استفاده شده است.
ترانس KVA50 ساخته شده توسط شركت GEC Alstham در انگلستان با هسته چينشي، كاهش تلفاتي به ميزان 25 درصد را نسبت به هسته‌هاي فولاد الكتريكي سيليكوني نشان مي‌دهد.
اگرچه در حال حاضر امكان استفاده از مواد آمورف به عنوان هسته ترانسفورماتور وجود دارد ولي به دلايل مختلف فني از جمله سختي بالا و شكننده بودن، تكنولوژي توليد هسته پيچش (Wound Core) براي ترانسفورماتورهاي توزيع تجاري شده است. لذا به دلايل برشمرده شده سازمان ملي انرژي آمريكا هسته مغناطيسي چينشي (laminate) را مورد توجه قرار نداده و آنرا از حوزه مطالعات تحليلي خود خارج كرده است.
در سال 1983 موسسه تحقيقات برق آمريكا با همكاري شركت جنرال الكتريك يك تحقيق ميداني دوساله را جهت بررسي و مقايسه دو نوع ترانسفورماتور KV25 و KVA25 با هسته فولاد الكتريكي سيليكوني و آمورف را انجام داد.
همچنين نتايج يك بررسي بر روي دو ترانسفورماتور KVA250 با هسته آمورف و فولاد سيليكوني توسط انجمن تحقيق و توسعه برق هند (ERDA) نشان مي‌دهد كه تلفات در يك تراسنفورماتور باهسته آمورف به مراتب كمتر از تراسنفورماتور با هسته فولاد سيليكوني است.
برخي از برنامه‌هاي آتي جهت توليد گسترده‌تر ترانسفورماتورهاي با هسته آمورف به شرح ذيل است:
- ارتقاء و بهينه‌سازي ترانسفورماتورها (بهينه‌سازي مواد آمورف و بهينه‌سازي روش توليد).
- كاهش قيمت تمام شده
- افزايش توان ترانسفورماتورها
- استفاده از هسته‌هاي چينشي (Stacked core)

نتيجه‌گيري:
اگر چه فلز آمورف (پايه آهن)‌در ترانسفورماتورهاي توزيع به عنوان يك جايگزين مورد استفاده قرارگرفته است ولي تاكنون نتوانسته به عنوان يك جايگزين آسان و قطعي مطرح باشد.
عليرغم مزايايي چون كاهش قابل ملاحظه تلفات و كاهش آلودگي محيط‌زيست به دليل كاهش مصرف سوخت در نيروگاهها،‌مسائل متعددي از قبيل قيمت اوليه زياد، مشكلات توليد نوارهاي آمورف و دسترسي كم به آنها، حساسيت‌ و مشكلات ويژه در استفاده از ورقهاي آمورف و غيره باعث عدم استقبال جهت استفاده گسترده از اين نوع ترانسفورماتورها در سطح جهان شده است.

بررسي اجمالي مواد آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور توزيع (مقاله)

مطالب مشابه :

شکل شبکه ی کریستالی Bcc

پرسلن دنداني

بدون برق و باطری رادیو بسازید!

آ شناي با تر موستات و طرز كا رآن

انواع سنگ

گام به گام از خواستگاري تا پاتختي-تزيين نقل‌هاي يادبود

كنترل و كاهش مواجهه با گردوغبار سيليس در كارگاهها و كارخانجات داراي پتانسيل آلايندگي

بررسي اجمالي مواد آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور توزيع (مقاله)

پارامتر شبکه در مواد