หม้อแปลงไฟฟ้าถือเป็นกระดูกสันหลังที่ไม่มีใครรู้จักของระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ ช่วยให้สามารถส่งพลังงานไฟฟ้าระยะไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสำหรับการส่งและลดแรงดันไฟฟ้าสำหรับการจ่ายและการใช้งาน หากไม่มีหม้อแปลงไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ เสถียรภาพของระบบไฟฟ้า การจ่ายไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ และการควบคุมแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งเครือข่ายการผลิต การส่ง และการกระจายไฟฟ้าคงเป็นไปไม่ได้ ในบรรดาหม้อแปลงไฟฟ้าประเภทต่างๆ  หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมัน ยังคงเป็นโซลูชันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าปานกลางและสูง เนื่องจากความน่าเชื่อถือที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ความสามารถในการรับความร้อนสูง และตัวเลือกการออกแบบที่ยืดหยุ่น บทความนี้จะพิจารณาความหมายและโครงสร้างพื้นฐานของ  หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันอธิบายหลักการระบายความร้อนและฉนวน เปรียบเทียบกับหม้อแปลงไฟฟ้าแบบแห้ง และสำรวจสถานการณ์การใช้งานทั่วไป 

หม้อแปลงจุ่มน้ำมันคืออะไร?

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมัน คือ หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขดลวดและแกนกลางจุ่มอยู่ในน้ำมันแร่ฉนวน (หรือของเหลวฉนวนอื่นๆ) น้ำมันทำหน้าที่สำคัญสองประการ ได้แก่ ฉนวนไฟฟ้าและการถ่ายเทความร้อน โดยการหุ้มขดลวดตัวนำและแกนแม่เหล็ก น้ำมันจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกระหว่างส่วนประกอบต่างๆ และระบายความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานผ่านการพาความร้อนและการนำความร้อนไปยังถังหม้อแปลงและพื้นผิวระบายความร้อนภายนอก โดยทั่วไปหม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันจะมีตั้งแต่หม้อแปลงไฟฟ้าระบบจำหน่ายขนาดเล็กไปจนถึงหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดใหญ่ที่มีกำลังไฟฟ้าหลายร้อยเมกะวัตต์สำหรับสถานีย่อยในระบบสายส่งไฟฟ้า

ส่วนประกอบโครงสร้างหลัก

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันเป็นส่วนประกอบทางวิศวกรรมที่ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายชิ้นที่เชื่อมต่อกัน ส่วนประกอบหลักๆ ประกอบด้วย:

แกนแม่เหล็ก (แกนเหล็ก)

แกนกลางเป็นเส้นทางแม่เหล็กที่มีความฝืดต่ำสำหรับการเชื่อมต่อฟลักซ์ระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ โดยทั่วไปแล้วแกนกลางจะสร้างขึ้นจากแผ่นเหล็กไฟฟ้าแบบเกรนโอเรียนเต็ดที่เรียงซ้อนกันเพื่อลดการสูญเสียจากกระแสเอ็ดดี้และฮิสเทอรีซิส การออกแบบแกนกลาง (แบบแกนกลางเทียบกับแบบเปลือก) มีผลต่อการกระจายฟลักซ์ ปฏิกิริยาการรั่วไหล และพฤติกรรมการลัดวงจร

ขดลวด (ปฐมภูมิและทุติยภูมิ)

ขดลวดเป็นตัวนำทองแดงหรืออะลูมิเนียมที่จัดเรียงเพื่อให้ได้อัตราส่วนรอบที่ต้องการ รูปทรง (แบบชั้น แบบแผ่น แบบเกลียว) จะถูกเลือกตามระดับแรงดันไฟฟ้า ความต้องการในการระบายความร้อน และความสามารถในการทนต่อการลัดวงจร ฉนวนระหว่างขดลวด ชั้น และขดลวดถึงแกนกลางทำได้โดยใช้กระดาษฉนวน แผ่นไม้อัด และน้ำมันฉนวน

ถังและที่ปิด

ถังเป็นภาชนะเหล็กที่ป้องกันการรั่วซึม ประกอบด้วยแกนกลางและขดลวด และบรรจุน้ำมันฉนวน ถังอาจเป็นแบบเรียบหรือติดตั้งด้วยแผ่นลูกฟูกและหม้อน้ำเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวภายนอกสำหรับการระบายความร้อน สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าระบบจำหน่าย มักใช้ถังขนาดกะทัดรัด ส่วนหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดใหญ่ จะใช้ถังเก็บน้ำมัน หม้อน้ำ และท่อน้ำมันแยกต่างหาก

น้ำมันฉนวนไฟฟ้า (น้ำมันหม้อแปลง)

โดยทั่วไปแล้ว น้ำมันแร่ (น้ำมันปิโตรเลียมกลั่น) ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการเป็นฉนวนและระบายความร้อน บางครั้งมีการใช้น้ำมันทางเลือก (เอสเทอร์สังเคราะห์ เอสเทอร์ธรรมชาติ และน้ำมันซิลิโคน) เพื่อเพิ่มความปลอดภัยจากอัคคีภัยหรือความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ความบริสุทธิ์ของน้ำมัน ปริมาณความชื้น และความเป็นฉนวนไฟฟ้าได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดผ่านการกรองและการทดสอบ

อุปกรณ์เสริมและการป้องกัน

ส่วนประกอบเสริมได้แก่ บูชสำหรับการเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าสูง ถังอนุรักษ์ (สำหรับการขยายตัวของน้ำมัน) ชุดระบายอากาศเพื่อควบคุมความชื้นที่เข้ามา อุปกรณ์ระบายแรงดัน ปั๊มน้ำมัน (ในระบบน้ำมันบังคับ) หม้อน้ำหรือพัดลม ONAN/ONAF ตัวเปลี่ยนแท็ปสำหรับการปรับแรงดันไฟฟ้าขณะรับหรือขณะจ่าย และอุปกรณ์ตรวจสอบ (มาตรวัดอุณหภูมิ รีเลย์ก๊าซในน้ำมัน พอร์ตวิเคราะห์ก๊าซที่ละลาย (DGA))

หลักการระบายความร้อนและการกระจายความร้อนในหม้อแปลงจุ่มน้ำมัน

การจัดการความร้อนถือเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบ เนื่องจากการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า (การสูญเสียพลังงานจากแกนกลางและการสูญเสียพลังงานจากโหลด) จะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน การกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพช่วยรักษาอุณหภูมิของขดลวดและฉนวนให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพเร็วขึ้น

การเกิดความร้อน

การสูญเสียแกน:  เกิดจากฮิสเทรีซิสแม่เหล็กและกระแสน้ำวนในแกนแบบแผ่น การสูญเสียส่วนใหญ่ไม่ขึ้นอยู่กับโหลดและเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ใช้

การสูญเสียทองแดง (โหลด):  การสูญเสีย I²R ในขดลวดที่เพิ่มขึ้นตามกระแสโหลด

กลไกการถ่ายเทความร้อน

การนำความร้อน:  ความร้อนจะเคลื่อนที่จากพื้นผิวขดลวดที่ร้อนไปยังน้ำมันโดยรอบโดยผ่านการสัมผัสโดยตรง

การพาความร้อนตามธรรมชาติ:  น้ำมันที่อุ่นกว่าจะมีความหนาแน่นน้อยลงและลอยขึ้น ไหลไปยังพื้นผิวที่เย็นกว่า (ผนังถัง หม้อน้ำ) น้ำมันที่เย็นกว่าจะจมลงและหมุนเวียนกลับรอบขดลวด การหมุนเวียนนี้จะนำความร้อนออกจากบริเวณขดลวด

การพาความร้อนแบบบังคับ:  พัดลมหรือปั๊ม (ในระบบ ONAF/OFWF) จะเร่งการไหลของน้ำมันเพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนเมื่อการพาความร้อนตามธรรมชาติไม่เพียงพอที่ภาระงานสูง

การแผ่รังสีและการพาความร้อนที่ผิวถัง:  ความร้อนสุดท้ายจะถูกระบายออกจากถังและหม้อน้ำไปสู่บรรยากาศโดยรอบ

การจำแนกประเภทการทำความเย็น

มาตรฐานอุตสาหกรรมกำหนดโหมดทำความเย็นต่างๆ เช่น ONAN (Oil Natural Air Natural), ONAF (Oil Natural Air Forced), OFAF (Oil Forced Air Forced) และ OFWF (Oil Forced Water Forced) การเลือกโหมดทำความเย็นขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าที่กำหนด สภาพแวดล้อม และความสามารถในการรับน้ำหนักเกินที่กำหนด

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างฉนวนและอุณหภูมิ

อายุการใช้งานของวัสดุฉนวนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก หลักการทั่วไปคืออุณหภูมิใช้งานที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 6-10°C จะทำให้อายุการใช้งานของฉนวนลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง ดังนั้น ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการยืดอายุการใช้งานของหม้อแปลง โดยการควบคุมอุณหภูมิของจุดร้อน

ข้อดีเมื่อเทียบกับหม้อแปลงชนิดแห้ง

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันมักได้รับความนิยมในหลายสถานการณ์ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางไฟฟ้า การจัดการความร้อน และความคุ้มค่า ข้อดีหลักๆ มีดังนี้:

ความสามารถในการทำความเย็นที่เหนือกว่า

การแช่น้ำมันช่วยระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอากาศ ช่วยให้รับน้ำหนักต่อเนื่องได้ดีขึ้น และทนต่อการโอเวอร์โหลดระยะสั้นได้ดีขึ้น

ความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้าสูงขึ้น

น้ำมันช่วยเติมเต็มช่องว่างและปรับปรุงสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้ารอบๆ ขดลวดและชุดแกนกลาง เพิ่มขอบเขตแรงดันไฟฟ้าพังทลายและลดความเสี่ยงการคายประจุบางส่วน

ความกะทัดรัดและประสิทธิภาพด้านต้นทุน

สำหรับการจัดอันดับที่กำหนด หม้อแปลงจุ่มน้ำมันโดยทั่วไปจะมีขนาดทางกายภาพที่เล็กกว่าและมีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าเมื่อเทียบกับหม้อแปลงชนิดแห้งที่เทียบเท่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่แรงดันไฟฟ้าปานกลางและสูง

อายุการใช้งานยาวนานขึ้นเมื่อได้รับการบำรุงรักษาอย่างดี

การบำรุงรักษา การกรอง และการตรวจสอบน้ำมันที่เหมาะสม (เช่น DGA) ช่วยตรวจจับข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นได้เร็วและยืดอายุการใช้งาน

ความยืดหยุ่นในการออกแบบ

หน่วยจุ่มน้ำมันสามารถออกแบบได้สำหรับเครื่องเปลี่ยนแทปแบบโหลด พิกัดความจุขนาดใหญ่ และรูปแบบฉนวนเฉพาะสำหรับการใช้งานกริดที่มีความต้องการสูง

อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องยอมรับถึงข้อดีข้อเสีย: หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันมีความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้สูงกว่าหากใช้น้ำมันแร่ จำเป็นต้องมีการจัดการน้ำมันและการป้องกันสิ่งแวดล้อม และอาจจำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานของสถานที่ปฏิบัติงานที่เข้มงวดกว่า ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยจากอัคคีภัยที่เข้มงวด เช่น พื้นที่ภายในอาคารที่จำกัด เหมืองแร่ หรืออาคารสูง หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแห้งหรือของเหลวทางเลือก (เช่น เอสเทอร์ธรรมชาติ) อาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่า

สถานการณ์การใช้งานทั่วไป

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันถูกนำไปใช้งานในหลากหลายภาคส่วนที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงและการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ตัวอย่างการใช้งานประกอบด้วย:

สถานีไฟฟ้าส่งและจำหน่ายไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังสูง (HV/MV) ในสถานีย่อยส่วนใหญ่จะจุ่มอยู่ในน้ำมัน เนื่องจากมีความจุสูงและต้องมีการระบายความร้อนและการควบคุมแรงดันไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ

ระบบไฟฟ้าอุตสาหกรรม

อุตสาหกรรมหนัก (เหล็ก ปิโตรเคมี ซีเมนต์ การทำเหมืองแร่) ต้องใช้หม้อแปลงที่แข็งแรงทนทานสำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่และโหลดกระบวนการ การออกแบบที่จุ่มน้ำมันสามารถจัดการกับโหลดสูงและความเค้นชั่วคราวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การบูรณาการพลังงานหมุนเวียนและการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า

ฟาร์มพลังงานลมและโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ใช้หม้อแปลงจุ่มน้ำมันที่จุดรวบรวมส่วนกลางและสถานีเพิ่มแรงดันเพื่อเชื่อมต่อกับโครงข่ายส่งไฟฟ้า

เครือข่ายจำหน่ายสาธารณูปโภค

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบติดเสาหรือบนแท่นที่ใช้ในพื้นที่พักอาศัยและเชิงพาณิชย์ มักใช้น้ำมันเพื่อความกะทัดรัดและประสิทธิภาพความร้อน

แพลตฟอร์มทางทะเลและนอกชายฝั่ง

หม้อแปลงจุ่มน้ำมันที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษ (พร้อมของเหลวทนไฟเมื่อจำเป็น) ใช้สำหรับไฟฟ้าบนเรือและการติดตั้งนอกชายฝั่ง

ศูนย์ข้อมูลและวิทยาเขตเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่

ในกรณีที่พื้นที่ ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญ จะมีการใช้หน่วยที่จุ่มน้ำมัน โดยบางครั้งอาจมีมาตรการความปลอดภัยจากอัคคีภัยเพิ่มเติมหรือของเหลวทางเลือกเพื่อให้เป็นไปตามกฎหมายท้องถิ่น

บทสรุปและข้อเสนอแนะ

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันยังคงเป็นรากฐานสำคัญของการส่งกำลังไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ในภาคสาธารณูปโภค อุตสาหกรรม และพาณิชย์ การจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ พฤติกรรมไดอิเล็กทริกที่แข็งแกร่ง และตัวเลือกการออกแบบที่ยืดหยุ่น ทำให้หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันเป็นตัวเลือกหลักสำหรับการใช้งานกำลังไฟฟ้าปานกลางและสูง ความสำเร็จในการใช้งานไม่ได้ขึ้นอยู่กับการออกแบบเบื้องต้นเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับการบำรุงรักษาอย่างมีวินัย การตรวจสอบสภาพ และหากเหมาะสม การเลือกของเหลวฉนวนที่ทันสมัยและเทคโนโลยีการตรวจสอบแบบดิจิทัล