ลักษณะเฉพาะของหม้อแปลงแบบจุ่มน้ำมันสำหรับระบบไฟฟ้าเป็นอย่างไร

โครงสร้างแกนและระบบฉนวน: น้ำมันและเซลลูโลสทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อให้เกิดการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่เชื่อถือได้

องค์ประกอบโครงสร้างหลัก: แกน, ขดลวด, ถัง, ถังขยาย, และรีเลย์บุชโฮลซ์

หม้อแปลงน้ำมันจุ่มพึ่งพาส่วนประกอบสำคัญห้าชิ้นที่ทำงานร่วมกัน ส่วนกลางของระบบนี้คือแกนแม่เหล็ก ซึ่งโดยทั่วไปสร้างขึ้นจากแผ่นเหล็กซิลิคอนหลายชั้น ชิ้นส่วนนี้ทำหน้าที่สร้างเส้นทางที่มีประสิทธิภาพสำหรับฟลักซ์แม่เหล็กระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ตัวขดลวดเองมักทำจากทองแดงหรืออลูมิเนียม และเป็นส่วนที่ทำให้เกิดกระบวนการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าขึ้นได้จริงผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ชิ้นส่วนทั้งหมดเหล่านี้ตั้งอยู่ภายในภาชนะเหล็กที่ปิดสนิทและเต็มไปด้วยน้ำมันไดอิเล็กทริก ด้านบนถังหลักนี้มีส่วนประกอบสำคัญอีกชิ้นหนึ่งเรียกว่า ถังขยาย (conservator tank) หน้าที่ของมันค่อนข้างตรงไปตรงมาแต่มีความสำคัญมาก นั่นคือ การจัดการการขยายตัวและหดตัวของน้ำมันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เพื่อรักษาระดับความดันให้คงที่และป้องกันไม่ให้อากาศเข้ามาในระบบ นอกจากนี้ยังมีรีเลย์บุชโฮลซ์ (Buchholz relay) ซึ่งทำหน้าที่เหมือนระบบแจ้งเตือนล่วงหน้าสำหรับปัญหาที่อาจเกิดขึ้น เมื่อมีบางสิ่งผิดพลาดภายในหม้อแปลง เช่น การปล่อยประจุบางส่วน การเกิดอาร์ก หรือแม้แต่การสลายตัวของน้ำมัน อุปกรณ์ความปลอดภัยนี้จะตรวจจับก๊าซที่เกิดขึ้นและส่งสัญญาณเตือนหรือตัดวงจรก่อนที่สถานการณ์จะเลวร้ายลง

ความร่วมมือระหว่างน้ำมันกับเซลลูโลส: บทบาทคู่ขนานด้านไดอิเล็กทริกและเทอร์มอลต่อความน่าเชื่อถือของหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงน้ำมันแช่ตัวพึ่งพาการทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดระหว่างน้ำมันฉนวนและวัสดุฉนวนแข็งที่ทำจากเซลลูโลส ส่วนประกอบที่เป็นกระดาษและแผ่นอัดทำหน้าที่หลายประการ ทั้งยึดส่วนต่าง ๆ ให้อยู่ด้วยกันในเชิงกลศาสตร์ รักษาระยะห่างของตัวนำไฟฟ้าไม่ให้สัมผัสกัน และทนทานต่อการแตกตัวทางไฟฟ้าตามธรรมชาติ แม้จะได้รับความร้อนต่อเนื่องที่ประมาณ 105 องศาเซลเซียส น้ำมันแร่ซึมเข้าไปในวัสดุเหล่านี้ได้เหมือนน้ำซึมเข้าไปในฟองน้ำ ทำให้เติมเต็มช่องว่างจิ๋วต่าง ๆ และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบในการจัดการกับไฟฟ้าอย่างปลอดภัย การทดสอบในห้องปฏิบัติการยืนยันเรื่องนี้ โดยแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงความสามารถในการต้านทานแรงดันไฟฟ้าประมาณสองในสามเมื่อเทียบกับวัสดุเซลลูโลสแห้งเพียงอย่างเดียว อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทำให้น้ำมันหม้อแปลงมีค่ามากคือบทบาทในการระบายความร้อน โดยประมาณเจ็ดในสิบของความร้อนทั้งหมดที่เกิดจากแกนและขดลวดหม้อแปลงจะถูกดูดซับโดยน้ำมัน จากนั้นน้ำมันจะพาความร้อนนี้ออกไปยังส่วนของแผงระบายความร้อนผ่านการไหลเวียนตามธรรมชาติ (convection currents) ความสามารถในการจัดการความร้อนนี้เองที่ทำให้หม้อแปลงสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องและเชื่อถือได้ในระยะยาว โดยไม่เกิดภาวะร้อนเกิน

ระบบเชิงซินเนอร์จีนี้สนับสนุนการทำงานที่มั่นคงภายใต้สภาวะภาระที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และมีส่วนสำคัญโดยตรงต่ออายุการให้บริการที่ยาวนานเกิน 30 ปี ทำให้ฉนวนน้ำมัน-เซลลูโลสกลายเป็นมาตรฐานสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่ 85% ทั่วโลก

ชั้นการระบายความร้อน (ONAN ถึง OFWF): การจับคู่ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของหม้อแปลงกับความต้องการของระบบกริด

จากการระบายความร้อนแบบธรรมชาติสู่การระบายความร้อนแบบบังคับ: หลักการทำงานและผลกระทบต่อความสามารถในการรับภาระ

ระดับการระบายความร้อนของหม้อแปลงไฟฟ้าที่แตกต่างกันนั้นบ่งบอกถึงวิธีที่ความร้อนถูกนำออกจากแกนและขดลวดภายใน ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการรองรับภาระได้อย่างปลอดภัย และความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน โดยพิจารณาจาก ONAN ก่อน (ย่อมาจาก Oil Natural Air Natural) ซึ่งทำงานแบบพาสซีฟโดยอาศัยการไหลเวียนตามธรรมชาติ โดยน้ำมันร้อนจะเคลื่อนที่ขึ้นผ่านช่องทางไปยังแผงระบายความร้อน และเย็นลงเองตามธรรมชาติด้วยอากาศรอบข้าง เทคนิคนี้ใช้ได้ดีกับหม้อแปลงขนาดเล็กถึงกลางที่มีกำลังไม่เกินประมาณ 20 MVA เมื่อภาระคงที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ แต่ไม่เหมาะกับการเกินภาระมากนัก เพราะสามารถรองรับได้เพียงประมาณ 120% ของกำลังเป็นเวลาสูงสุดไม่เกิน 30 นาที ก่อนที่จะเริ่มมีความเสี่ยง เมื่อยกระดับขึ้นมาเราจะพบกับ ONAF (Oil Natural Air Forced) ซึ่งใช้พัดลมช่วยเพิ่มการไหลของอากาศผ่านแผงระบายความร้อน ทำให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น และทำให้หม้อแปลงเหล่านี้สามารถทำงานที่ค่าความต่อเนื่องสูงขึ้นประมาณ 30% จึงมักพบเห็นในสถานีไฟฟ้าย่อยขนาดกลาง ส่วนระบบระดับสูงสุดคือ OFWF (Oil Forced Water Forced) ที่สูบน้ำมันผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ระบายความร้อนด้วยน้ำภายนอก ทำให้รองรับกำลังขนาดใหญ่มากได้ถึง 500 MVA สิ่งที่ทำให้ระบบเหล่านี้พิเศษคือความสามารถในการรองรับภาระเกินถึง 150% ได้อย่างต่อเนื่องหลายชั่วโมง ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมจึงเป็นส่วนประกอบสำคัญในส่วนหลักของโครงข่ายไฟฟ้า โดยรวมแล้ว เทคนิคการระบายความร้อนที่ดีขึ้นเหล่านี้ช่วยลดอุณหภูมิบริเวณฮอตสปอตลงได้ประมาณ 25% ทำให้อายุการใช้งานของหม้อแปลงยืดออกไปได้อีก 15 ถึง 25% เมื่อเทียบกับรุ่นเก่าที่ใช้การระบายความร้อนแบบ ONAN พื้นฐานเพียงอย่างเดียว

ความสามารถในการปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมและความทนทานต่อภาระเกินในวิธีการระบายความร้อนทุกประเภท

ประสิทธิภาพของระบบระบายความร้อนมีการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมากขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ติดตั้ง ตัวอย่างเช่น ระบบ ONAN ขึ้นอยู่กับอากาศภายนอกเป็นหลัก ทำให้ไม่เหมาะสำหรับพื้นที่ที่มีอากาศร้อนจัด เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 40 องศาเซลเซียส ระบบนี้มักจำเป็นต้องทำงานที่ประมาณ 80% ของกำลังการผลิตปกติ แต่ในทางกลับกัน ระบบ ONAF มีพัดลมความเร็วแปรผันที่สามารถรักษาผลผลิตได้ประมาณ 95% ของค่าที่กำหนดไว้ แม้ในสภาพทะเลทรายที่ร้อนจัด ส่วนระบบ OFWF มีระบบหมุนเวียนน้ำแบบวงจรปิด ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้น ฝุ่น หรือสิ่งเจือปนอื่นๆ ในพื้นที่ชายฝั่งหรือพื้นที่อุตสาหกรรม ขณะที่เกิดปัญหาในระบบไฟฟ้า หน่วย ONAF สามารถรองรับภาระได้ถึง 140% ของภาระปกติเป็นเวลาประมาณสองชั่วโมง หากเปิดพัดลมเป็นขั้นตอน ส่วนระบบ OFWF กลับมีประสิทธิภาพดีกว่าภายใต้ภาวะเครียดระยะสั้น โดยสามารถทำงานได้ถึง 160% ของกำลังการผลิต เนื่องจากระบบนี้สามารถถ่ายเทความร้อนออกไปได้เร็วกว่า อย่างไรก็ตาม การบำรุงรักษาระบบจะซับซ้อนมากขึ้นเมื่อการระบายความร้อนมีความเข้มข้นมากขึ้น ONAF จำเป็นต้องตรวจสอบพัดลมทุกสามเดือน ในขณะที่ OFWF ต้องคอยตรวจสอบปั๊มและคุณภาพน้ำอย่างสม่ำเสมอ ถึงกระนั้น อุปกรณ์ระบายความร้อนแบบบังคับสามารถป้องกันการเสียหายจากการร้อนเกินได้ประมาณ 70% ตามข้อมูลอุตสาหกรรมจากงานศึกษาของ IEEE

รูปแบบการออกแบบและการประยุกต์ใช้: เครื่องแปลงแรงดันน้ำมันแบบแกนหลัก (Core-Type) เทียบกับแบบเปลือก (Shell-Type)

สิ่งที่ทำให้เครื่องแปลงแรงดันน้ำมันแบบแกนหลักแตกต่างจากแบบเปลือก คือ รูปร่างของวงจรแม่เหล็กและผลที่ตามมาในด้านสมรรถนะ โดยในรุ่นแบบแกนหลัก ขดลวดจะพันรอบแผ่นเหล็กซ้อนแนวตั้ง ซึ่งสร้างเส้นทางแม่เหล็กรูปแบบเปิด การจัดเรียงเช่นนี้ช่วยให้น้ำมันไหลผ่านระบบได้ดีขึ้น และทำให้การผลิตง่ายขึ้นด้วย จึงเห็นการใช้งานอย่างแพร่หลายในสถานีไฟฟ้าย่อยแรงดันสูง เช่น 220 ถึง 400 กิโลโวลต์ ที่การระบายความร้อนและการควบคุมต้นทุนถือเป็นสิ่งสำคัญที่สุด นอกจากนี้ เครื่องแปลงแบบแกนหลักมักถูกเลือกใช้ในระบบกำลังขนาดใหญ่มากเกินกว่า 500 เมกะวอลต์แอมแปร์ เนื่องจากสามารถขยายขนาดได้ดี และทำงานร่วมกับวิธีการระบายความร้อนหลากหลายรูปแบบที่มีอยู่ในปัจจุบันได้อย่างเหมาะสม

ในหม้อแปลงแบบเปลือก (shell type) ขดลวดจะถูกพันอยู่ภายในเปลือกเหล็กที่มีหลายแกน ซึ่งทำให้เกิดโครงสร้างที่แน่นหนากว่าและมีการป้องกันสนามแม่เหล็กในตัว สิ่งที่ทำให้การออกแบบประเภทนี้ดีคือสามารถลดฟลักซ์รั่วได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทนต่อกระแสไฟฟ้ากระชากสูงในช่วงเกิดข้อผิดพลาดได้ดีกว่า ความทนทานเช่นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานที่เช่นเตาอาร์กไฟฟ้า หรือสถานีแปลงไฟฟ้าสำหรับระบบรถไฟรางต่างๆ แน่นอนว่าหม้อแปลงแบบเปลือกมีต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่า และอาจมีความยุ่งยากในการระบายความร้อนให้เหมาะสม แต่ก็สามารถทนต่อภาวะลัดวงจรได้ดีกว่าทางเลือกอื่น ๆ และยังสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยกว่าด้วย สำหรับการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมจำนวนมาก ความทนทานเพิ่มเติมนี้ถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ แม้ว่าจะต้องจ่ายเงินมากขึ้นในตอนแรกและเผชิญกับความท้าทายในการระบายความร้อนไปด้วย

ข้อพิจารณาในการดำเนินงาน: เหตุใดหม้อแปลงแช่น้ำมันจึงโดดเด่นในระบบกริดแรงดันสูง—และจุดใดที่ต้องมีการป้องกันเพิ่มเติม

ข้อได้เปรียบที่พิสูจน์แล้ว: ประสิทธิภาพ, อายุการใช้งานยาวนาน, และการแปลงแรงดันสูงที่คุ้มค่า

เมื่อพูดถึงการส่งไฟฟ้าแรงสูง หม้อแปลงน้ำมันยังคงเป็นมาตรฐานเนื่องจากให้ข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในด้านประสิทธิภาพ ความทนทาน และต้นทุนโดยรวมที่คุ้มค่าตลอดอายุการใช้งาน เมื่อทำงานภายใต้ภาระที่เหมาะสม รุ่นใหม่เหล่านี้สามารถมีการสูญเสียพลังงานขณะรับภาระเต็มที่เพียงประมาณ 0.3 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งดีกว่าตัวเลือกแบบแห้งในทุกระดับที่สูงกว่า 100 กิโลโวลต์ สิ่งที่ทำให้หม้อแปลงเหล่านี้ทำงานได้ดีคือระบบฉนวนน้ำมัน-เซลลูโลส ระบบนี้ช่วยให้การทำงานเย็นอยู่เสมอแม้ภายใต้สภาวะเครียด และสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผู้ผลิตส่วนใหญ่ระบุว่าอายุการใช้งานเกิน 40 ปี ซึ่งนานเกือบสองเท่าของหน่วยแบบแห้งที่ใช้งานในโครงข่ายขนาดใหญ่ จากมุมมองของบริษัทไฟฟ้า ความสามารถในการใช้งานระยะยาวเช่นนี้หมายถึงการประหยัดต้นทุนรวมประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ต่อเมกะโวลต์แอมแปร์ตลอดอายุการใช้งาน นั่นจึงเป็นเหตุผลที่บริษัทไฟฟ้าส่วนใหญ่ยังคงเลือกใช้หม้อแปลงน้ำมันสำหรับสายส่งระยะไกลที่สำคัญ ซึ่งการมีกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีการหยุดชะงักนั้นมีความสำคัญมาก

ข้อพิจารณาสำคัญ: ความเสี่ยงจากไฟไหม้, ความไวต่อความชื้น, และการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม

หม้อแปลงน้ำมันจุ่มมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มาพร้อมกับความเสี่ยงที่ต้องจัดการอย่างระมัดระวัง น้ำมันไดอิเล็กทริกภายในสามารถลุกไหม้ได้หากเกิดปัญหา ซึ่งหมายความว่าการปฏิบัติตามมาตรฐาน NFPA 850 มีความสำคัญอย่างยิ่ง ช่างติดตั้งจำเป็นต้องจัดให้มีสิ่งต่าง ๆ เช่น กำแพงกันไฟรอบอุปกรณ์ พื้นที่กักเก็บที่เหมาะสม และระบบตรวจจับก๊าซที่จะทำงานเตือนเมื่อเริ่มเกิดปัญหา หนึ่งในปัญหาใหญ่ที่ช่างเทคนิคมักพบคือ ความชื้นเข้าสู่ระบบ หากปล่อยทิ้งไว้ ความชื้นนี้สามารถลดความสามารถในการเป็นฉนวนของน้ำมันลงได้ประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ต่อปี ทำให้วัสดุเซลลูโลสเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมถังขยายชนิดปิดสนิทและตัวกรองซิลิกาเจลจึงมีความสำคัญในการรักษาความแห้ง กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมจากหน่วยงานอย่างสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อม (EPA) ก็มีบทบาทตรงนี้ด้วย โดยเฉพาะในเรื่องประเภทของของเหลวที่ใช้และการกักเก็บสารหกไหลระหว่างการทำงานบำรุงรักษา การรวมมาตรการป้องกันทั้งหมดเหล่านี้เข้ากับการตรวจสอบน้ำมันเป็นประจำ การทดสอบวิเคราะห์ก๊าซที่ละลายอยู่ และวาล์วปล่อยแรงดันที่ตั้งค่าอย่างเหมาะสม ย่อมส่งผลต่างอย่างมาก งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าแนวทางโดยรวมเช่นนี้สามารถลดการหยุดทำงานที่ไม่คาดคิดได้ประมาณสองในสาม ส่งผลให้ดำเนินงานได้อย่างราบรื่นและรักษาความปลอดภัยของพนักงานในทุกด้าน

ส่วน FAQ

รีเลย์บุชโฮลซ์ช่วยป้องกันการเกิดขัดข้องของหม้อแปลงไฟฟ้าได้อย่างไร

รีเลย์บุชโฮลซ์ทำหน้าที่เป็นระบบแจ้งเตือนล่วงหน้า โดยตรวจจับก๊าซที่เกิดจากปัญหาต่างๆ เช่น การปล่อยประจุบางส่วนหรือการสลายตัวของน้ำมันภายในหม้อแปลงไฟฟ้า และจะส่งสัญญาณแจ้งเตือนหรือตัดวงจรเพื่อป้องกันความเสียหายร้ายแรง

เซลลูโลสสำคัญอย่างไรในหม้อแปลงไฟฟ้า

เซลลูโลสมีหลายหน้าที่ ได้แก่ การยึดส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกันในเชิงกล การแยกตัวนำไฟฟ้าออกจากกันทางกายภาพ และการต้านทานการแตกหักทางไฟฟ้า โดยเฉพาะเมื่อสัมผัสกับความร้อน

หม้อแปลงแบบแกน (core-type) กับแบบเปลือก (shell-type) ต่างกันอย่างไร

หม้อแปลงแบบแกนมีขดลวดพันรอบแผ่นเหล็กแนวตั้ง ซึ่งให้เส้นทางแม่เหล็กแบบเปิดและระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่หม้อแปลงแบบเปลือกมีขดลวดอยู่ภายในเปลือกเหล็ก ทำให้ควบคุมการกระจายสนามแม่เหล็กได้ดีกว่าและทนต่อกระแสลัดวงจรได้ดีขึ้น

ชนิดการระบายความร้อนที่ใช้กับหม้อแปลงไฟฟ้ามีอะไรบ้าง และทำไมจึงสำคัญ

ชั้นการระบายความร้อน เช่น ONAN, ONAF และ OFWF ใช้เพื่อจัดการการกระจายความร้อนในหม้อแปลงไฟฟ้า โดยส่งผลต่อความสามารถในการรับภาระ ความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน และอายุการใช้งาน เนื่องจากช่วยลดอุณหภูมิของจุดร้อนและเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อน

ควรใช้มาตรการใดบ้างเพื่อลดความเสี่ยงจากไฟไหม้และความชื้นในหม้อแปลงแบบจุ่มน้ำมัน

มาตรการที่ควรดำเนินการ ได้แก่ การปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยจากอัคคีภัย การใช้พื้นที่กักเก็บ การติดตั้งระบบตรวจจับก๊าซ การปิดผนึกถังขยายน้ำมัน การใช้เครื่องหายใจซิลิกาเจล และการตรวจสอบบำรุงรักษาเป็นประจำ เพื่อป้องกันความเสี่ยงจากความชื้นและไฟไหม้