روغن ترانسفورماتور چیست؟ مرور صنعتی، خواص، پایش و نوآوری‌ها

چکیده

روغن ترانسفورماتور که با نام روغن عایق نیز شناخته می‌شود، یکی از اجزای کلیدی و تعیین‌کننده در عملکرد ترانسفورماتورهای قدرت محسوب می‌گردد. این سیال وظایف متعددی از جمله تأمین عایق الکتریکی، انتقال حرارت، خاموش‌سازی قوس الکتریکی و ایفای نقش به‌عنوان محیط تشخیصی از طریق آنالیز گازهای محلول را بر عهده دارد. قابلیت اطمینان، راندمان و طول عمر بهره‌برداری ترانسفورماتورها ارتباط مستقیمی با پایداری فیزیکوشیمیایی روغن و تعامل آن با عایق‌های جامد به‌ویژه کاغذ سلولزی دارد. این مقاله با رویکردی صنعتی و دانشگاهی، به بررسی جامع انواع روغن‌های ترانسفورماتور، نقش‌های عملکردی، خواص کلیدی، سازوکارهای تخریب، روش‌های پایش و تشخیص، پروتکل‌های نگهداری، فناوری‌های احیای روغن، مهندسی فرمولاسیون و روندهای نوآوری آینده می‌پردازد.

1. مقدمه

از ابتدای توسعه شبکه‌های قدرت الکتریکی، روغن ترانسفورماتور همواره نقش محوری در تضمین عملکرد ایمن و پایدار تجهیزات ایفا کرده است. برخلاف بسیاری از مواد عایقی جامد، روغن ترانسفورماتور یک محیط پویا و فعال است که خواص آن به‌طور مداوم تحت تأثیر تنش‌های حرارتی، الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی تغییر می‌کند. به همین دلیل، کیفیت و وضعیت روغن به‌عنوان شاخصی مستقیم از سلامت کلی سیستم عایقی ترانسفورماتور تلقی می‌شود.

در شبکه‌های قدرت مدرن، خرابی ترانسفورماتور پیامدهای گسترده اقتصادی، ایمنی و زیست‌محیطی در پی دارد. آمارهای بهره‌برداری نشان می‌دهد که بخش قابل‌توجهی از خرابی‌های ترانسفورماتورها ریشه در تخریب سیستم عایقی دارد؛ سیستمی که روغن، بخش جدایی‌ناپذیر آن است. از این منظر، روغن ترانسفورماتور دیگر یک ماده مصرفی ساده نیست، بلکه یک دارایی مهندسی است که نیازمند پایش مستمر و مدیریت هوشمند می‌باشد.

روغن ترانسفورماتور برخلاف بسیاری از مواد عایقی جامد، یک محیط پویا و فعال است که رفتار آن تابع مکانیسم‌های انتقال حرارت، تنش‌های برشی، خواص رئولوژیک و برهم‌کنش‌های سطحی می‌باشد؛ مفاهیمی که ریشه در اصول روانکاری و رفتار سیالات مهندسی‌شده دارند.

2.نقش‌های عملکردی روغن ترانسفورماتور

 2.1  عایق الکتریکی

مهم‌ترین نقش روغن ترانسفورماتور، ایجاد عایق الکتریکی مطمئن میان اجزای برقدار، سیم‌پیچ‌ها و بخش‌های متصل به زمین است. این سیال با حذف هوا از فضاهای خالی و نفوذ کامل در عایق‌های جامد، شدت میدان الکتریکی موضعی را کاهش داده و احتمال شکل‌گیری مسیرهای تخلیه الکتریکی را محدود می‌کند. استقامت دی‌الکتریک روغن به‌شدت تحت تأثیر مقدار رطوبت، گازهای محلول و ذرات معلق قرار دارد، به‌گونه‌ای که حتی آلودگی‌های جزئی می‌توانند افت محسوسی در ولتاژ شکست ایجاد کنند. ازاین‌رو، حفظ خلوص روغن نقش کلیدی در جلوگیری از تخلیه جزئی و بروز نارسایی‌های الکتریکی در ترانسفورماتور ایفا می‌کند.

 2.2 انتقال حرارت و خنک‌کاری

در حین کارکرد، تلفات مسی در سیم‌پیچ‌ها و تلفات آهنی در هسته منجر به تولید حرارت می‌شوند. روغن ترانسفورماتور با گردش طبیعی یا هدایت‌شده، این حرارت را جذب کرده و به رادیاتورها یا سیستم‌های خنک‌کننده منتقل می‌کند. ویسکوزیته روغن نقش کلیدی در راندمان این فرآیند ایفا می‌کند؛ به‌گونه‌ای که ویسکوزیته بالا باعث کاهش جریان همرفتی و افزایش دمای نقاط داغ می‌شود.

 2.3 جذب رطوبت و گاز

روغن محیطی برای جذب رطوبت آزادشده از عایق کاغذی و همچنین گازهای حاصل از تخریب حرارتی یا الکتریکی است. این ویژگی اگرچه از یک سو امکان تشخیص خطا از طریق آنالیز گازهای محلول را فراهم می‌کند، اما از سوی دیگر تجمع بیش‌ازحد رطوبت و گاز موجب افت خواص عایقی می‌شود(شکل 1).

شکل ۱

3. طبقه‌بندی روغن‌های ترانسفورماتور

3.1  روغن‌های معدنی

روغن‌های معدنی متداول‌ترین نوع سیالات عایقی هستند که از پالایش نفت خام به‌دست می‌آیند. این روغن‌ها به دو دسته نفتنیک و پارافینیک تقسیم می‌شوند. روغن‌های نفتنیک دارای نقطه ریزش پایین و پایداری اکسیداسیون مناسب بوده و برای مناطق سردسیر گزینه مطلوبی محسوب می‌شوند. در مقابل، روغن‌های پارافینیک دارای نقطه اشتعال بالاتر و مقاومت حرارتی بهتر هستند، اما در بلندمدت مستعد تشکیل لجن می‌باشند.

 3.2 استرهای سنتزی

استرهای سنتزی سیالات مهندسی‌شده‌ای هستند که با هدف افزایش ایمنی آتش‌سوزی، پایداری حرارتی و قابلیت تجزیه‌پذیری زیستی طراحی شده‌اند. این روغن‌ها عمدتاً در ترانسفورماتورهای دربسته یا محیط‌های با ریسک آتش بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 3.3 استرهای طبیعی

استرهای طبیعی از منابع گیاهی نظیر سویا، کلزا یا روغن‌های نخل مشتق می‌شوند. این سیالات دارای قابلیت جذب رطوبت بالاتر نسبت به روغن‌های معدنی هستند و همین ویژگی باعث کاهش نرخ تخریب عایق سلولزی می‌شود. با این حال، ویسکوزیته بالا در دماهای پایین، استفاده از آن‌ها را در مناطق سرد محدود می‌کند.

 3.4 روغن‌های سیلیکونی

روغن‌های سیلیکونی به دلیل پایداری حرارتی و مقاومت بسیار بالای آتش، در کاربردهای خاص نظیر تجهیزات داخلی ترانسفورماتور یا مناطق حساس استفاده می‌شوند. هزینه بالا و خواص انتقال حرارت ضعیف‌تر نسبت به روغن‌های معدنی از محدودیت‌های این سیالات است.

 4. خواص فیزیکوشیمیایی و شاخص‌های عملکرد

 4.1 ویسکوزیته

ویسکوزیته نقش حیاتی در عملکرد انتقال حرارت مایعات عایق ترانسفورماتور ایفا می‌کند، زیرا ویسکوزیته پایین‌تر، گردش بهتر روغن و خنک‌کاری مؤثرتری را فراهم می‌آورد. روغن‌های معدنی متداول معمولاً ویسکوزیته کینماتیکی در محدوده ۸ تا ۱۰ سانتی‌استوکس در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد دارند که در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به حدود ۲ تا ۳ سانتی‌استوکس کاهش می‌یابد و این ویژگی، همرفت طبیعی و هدایت‌شده مؤثری را ممکن می‌سازد. در مقابل، مایعات عایق استر طبیعی (بر پایه گیاهی) عموماً ویسکوزیته بالاتری دارند که در محدوده ۳۵ تا ۵۰ سانتی‌استوکس در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد است، هرچند در دماهای عملیاتی معمول ترانسفورماتور به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. ویسکوزیته بیش از حد بالا می‌تواند جریان مایع را محدود کند، دمای سیم‌پیچ‌ها و نقاط داغ را افزایش دهد، پیری عایق را تسریع نماید و در نهایت کارایی کلی ترانسفورماتور را کاهش دهد. استانداردهای بین‌المللی، مانند IEC 60296 برای روغن‌های معدنی، عمدتاً حداکثر حد ویسکوزیته را در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد (≤۱۲ سانتی‌استوکس) تعیین می‌کنند تا عملکرد قابل اطمینانی در شرایط حرارتی متنوع تضمین شود.

4.2 ولتاژ شکست BDV

ولتاژ شکست یکی از شاخص‌های اساسی برای ارزیابی استقامت دی‌الکتریک روغن عایق و توانایی آن در تحمل تنش‌های الکتریکی بدون بروز شکست محسوب می‌شود. این پارامتر به‌شدت نسبت به میزان رطوبت، آلودگی‌های ذره‌ای و وجود حباب‌های گاز محلول یا محبوس حساس است، زیرا این عوامل موجب بی‌نظمی میدان الکتریکی و آغاز زودهنگام تخلیه می‌شوند. در روغن‌های معدنی، مقدار ولتاژ شکست تحت شرایط استاندارد معمولاً بیش از ۳۰ کیلوولت طبق آزمون  ASTM D877 است، درحالی‌که روغن‌های پایه گیاهی ممکن است در ابتدا مقادیر پایین‌تری نشان دهند که با استفاده از افزودنی‌های مناسب قابل بهبود است. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد افزایش اسیدیته یا رطوبت به‌طور مستقیم باعث افت ولتاژ شکست می‌شود.

4.3 نقطه اشتعال و آتش

نقطه اشتعال یکی از پارامترهای ایمنی مهم روغن ترانسفورماتور است که دمایی را مشخص می‌کند که در آن بخارات روغن، در حضور منبع جرقه، به‌طور لحظه‌ای قابل اشتعال می‌شوند. بالا بودن نقطه اشتعال بیانگر کاهش احتمال اشتعال بخارات در شرایط بهره‌برداری عادی یا وقوع خطا است، اما به‌طور کامل از بروز آتش‌سوزی جلوگیری نمی‌کند. روغن‌های معدنی معمولاً دارای نقطه اشتعال بالاتر از ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد هستند، درحالی‌که سیالات استری دارای نقاط اشتعال و آتش به‌مراتب بالاتری بوده و ایمنی حریق بیشتری، به‌ویژه در محیط‌های حساس، فراهم می‌کنند. ازاین‌رو، نقطه اشتعال باید به‌عنوان یک عامل کاهنده ریسک آتش‌سوزی و نه یک تضمین مطلق ایمنی در نظر گرفته شود.

4.4 نقطه ریزش

نقطه ریزش پایین تضمین‌کننده عملکرد مناسب روغن در دماهای پایین محیطی است.

4.5 اسیدیته و پایداری اکسیداسیو

افزایش عدد اسیدی نشان‌دهنده اکسیداسیون روغن و تولید ترکیبات خورنده است که به تخریب کاغذ عایق و تشکیل لجن منجر می‌شود.

اسیدیته با پیری افزایش می‌یابد و خوردگی را تسریع کرده و استحکام دی‌الکتریک را کاهش می‌دهد. اعداد خنثی‌سازی باید زیر ۰.۰۳ میلی‌گرم KOH بر گرم برای روغن‌های جدید باقی بمانند. رطوبت، حتی در ۲۰-۳۰ ppm، می‌تواند ولتاژ شکست را به نصف به دلیل هیدرولیز کاهش دهد، روغن‌های گیاهی رطوبت بیشتری جذب می‌کنند اما اکسیداتیو کندتر تخریب می‌شوند. آزمایش منظم از طریق تیتراسیون کارل فیشر برای حفظ کارایی ضروری است.

4.6 تحمل رطوبت

استرها قادرند مقادیر بسیار بیشتری رطوبت را بدون افت شدید خواص دی‌الکتریک در خود حل کنند، در حالی‌که روغن‌های معدنی در غلظت‌های پایین رطوبت نیز دچار افت عملکرد می‌شوند.

4.7 کشش بین‌سطحی (IFT)

کشش بین‌سطحی یکی از شاخص‌های حساس برای ارزیابی خلوص و پایداری شیمیایی روغن عایق محسوب می‌شود. مقادیر بالای کشش بین‌سطحی، معمولاً بیش از ۴۰ میلی‌نیوتن بر متر، نشان‌دهنده روغنی پاک با میزان اندک ترکیبات قطبی، محصولات اکسیداسیون و آلودگی‌های سطح‌فعال است. با افزایش عمر کاری روغن و تجمع موادی مانند اسیدها، پیش‌سازهای لجن و رطوبت، کشش بین‌سطحی کاهش می‌یابد. اگرچه این پارامتر به‌طور مستقیم تعیین‌کننده استقامت دی‌الکتریک نیست، اما افت آن نشانه‌ای قابل‌اعتماد از آغاز فرآیندهای تخریبی در روغن به‌شمار می‌رود. حفظ مقدار مناسب کشش بین‌سطحی از طریق کنترل آلودگی و اکسیداسیون، به‌صورت غیرمستقیم موجب بهبود کارایی ترانسفورماتور شده و با حفظ پاکیزگی سیستم عایقی، از بروز ناپایداری و توقف‌های ناخواسته در بهره‌برداری جلوگیری می‌کند.

5. مسیرهای تخریب روغن

تخریب روغن ترانسفورماتور نتیجه ترکیب چند عامل هم‌زمان است. اکسیداسیون حرارتی در دماهای بالا موجب تشکیل اسیدها و لجن می‌شود. تخلیه جزئی و قوس الکتریکی باعث شکسته‌شدن مولکول‌ها و تولید گازهای قابل تشخیص می‌گردد. همچنین برهم‌کنش روغن با عایق کاغذی، فرایندی دوسویه است که در آن تخریب هر یک، دیگری را تسریع می‌کند.

6. استانداردها و کنترل کیفیت

برای تضمین عملکرد پایدار، روغن‌های ترانسفورماتور باید مطابق استانداردهای بین‌المللی مورد آزمایش قرار گیرند. این استانداردها معیارهایی برای روغن نو، روغن در حال بهره‌برداری و روغن احیاشده تعریف می‌کنند. پایبندی به این الزامات، بخشی جدایی‌ناپذیر از مدیریت دارایی تجهیزات قدرت است.

استانداردها شامل:

– IEC 60296  روغن نو 

– IEC 60422 پایش روغن در سرویس 

-IEEE C57.104تحلیل گازهای محلول در روغن

– IEC 60156 / ASTM D1816 آزمون BDV 

– ASTM D1533 تعیین رطوبت 

– ASTM D445  ویسکوزیته 

– ASTM D92 نقطه اشتعال 

ASTM D974-عدد اسیدی

– IEC 61099 استرهای سنتزی 

7. تشخیص و پایش آنلاین

پایش پیوسته وضعیت روغن ترانسفورماتور یکی از ارکان اصلی حفظ استحکام دی‌الکتریک، کاهش تخریب عایق سلولزی و افزایش عمر بهره‌برداری ترانسفورماتور محسوب می‌شود. آزمون استقامت دی‌الکتریک (BDV) به‌عنوان شاخص غربالگری اولیه کیفیت روغن، افت عملکرد ناشی از نفوذ رطوبت، آلودگی ذرات و محصولات اکسیداسیون را نشان می‌دهد. در کنار آن، اندازه‌گیری اسیدیته، مقدار رطوبت و کشش بین‌سطحی (IFT) همراه با آنالیز گازهای محلول (DGA) امکان شناسایی زودهنگام نواقص اولیه نظیر داغی موضعی، تخلیه جزئی و قوس الکتریکی را فراهم می‌سازد. اعتبار نتایج آزمون‌ها به‌طور مستقیم به صحت نمونه‌برداری وابسته است و رعایت اصولی مانند استفاده از ظروف تمیز، جلوگیری از تماس با هوا و برداشت از نقاط دارای گردش مناسب روغن برای جلوگیری از تشخیص نادرست ضروری است. در شرایط بهره‌برداری، انجام فیلتراسیون دوره‌ای برای حذف آلاینده‌های جامد و خشک‌سازی خلأیی جهت کاهش رطوبت، به بازیابی استحکام دی‌الکتریک و پایداری اکسیداتیو کمک می‌کند. در صورت مشاهده تخریب پیشرفته که با افزایش اسیدیته، کاهش IFT، تشکیل لجن یا الگوهای بحرانی DGA مشخص می‌شود، انتخاب میان احیای کامل روغن، شامل خاک‌رنگ‌بر، فیلتراسیون عمیق(چندلایه) و بازسازی خواص شیمیایی، یا تعویض کامل آن، بر اساس شدت تخریب، وضعیت عایق کاغذی و تحلیل هزینه چرخه عمر انجام می‌گیرد. به‌کارگیری سامانه‌های پایش آنلاین چندپارامتری و یکپارچه‌سازی داده‌ها، مبنای نگهداری مبتنی بر وضعیت و راهبردهای پیش‌بینانه را فراهم کرده و به‌طور چشمگیری قابلیت اطمینان و پایداری عملیاتی ترانسفورماتورها را افزایش می‌دهد(شکل 2).

شکل ۳

8. نگهداری و مدیریت مبتنی بر وضعیت

نگهداری مبتنی بر وضعیت (CBM) بر استفاده از داده‌های لحظه‌ای برای پیش‌بینی خطا پیش از وقوع استوار است. ترکیب اطلاعات حاصل از DGA آنلاین، سنسورهای رطوبت، دما و شاخص‌های کیفیت روغن، امکان برنامه‌ریزی بهینه تعمیرات را فراهم می‌سازد. این رویکرد ضمن کاهش تعمیرات غیرضروری، ریسک خروج ناگهانی از مدار را کاهش داده و عمر بهره‌برداری ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد.

برای کاهش سرعت تخریب اکسیداتیو، حفظ پایداری شیمیایی روغن، و جلوگیری از افت خواص دی‌الکتریک، کنترل هم‌زمان دما، رطوبت و آلودگی ذرات امری حیاتی است؛ شرح عملی این راهبردها و تجربه‌های صنعتی مرتبط با آن‌ها در راهنمای عملی پیشگیری از تخریب روغن‌های صنعتی به‌صورت کاربردی ارائه شده است.

9. احیای روغن و افزایش عمر بهره‌برداری

فرآیندهای احیای روغن با هدف بازیابی کیفیت سیال عایق و افزایش طول عمر آن به‌کار می‌روند. استفاده از خلأ و گرمایش، رطوبت و گازهای محلول را حذف می‌کند. جاذب‌هایی مانند آلومینای فعال و خاک رنگ‌بَر برای حذف اسیدها، ترکیبات قطبی و محصولات اکسیداسیون استفاده می‌شوند. فیلتراسیون، آلودگی‌های جامد را جدا کرده و افزودن مجدد بازدارنده‌ها، حفاظت آنتی‌اکسیداسیونی روغن را بازمی‌گرداند. روش‌های پیشرفته احیای کاتالیستی و هیدروپروسس(روش فرآورش هیدروژنی) نیز پایداری و خلوص روغن را بهبود می‌دهند. روغن احیاشده در صورت انطباق با الزامات استاندارد  IEC 60296 می‌تواند مجدداً مورد استفاده قرار گیرد.

10. مقایسه روغن معدنی و جایگزین‌ها

روغن معدنی به دلیل هزینه پایین، ویسکوزیته مناسب و سابقه عملکرد قابل اعتماد، سال‌ها سیال اصلی عایق و خنک‌کننده ترانسفورماتورها بوده است. با این حال، افزایش حساسیت نسبت به ایمنی و ملاحظات زیست‌محیطی باعث شده است که گزینه‌های جایگزین مورد توجه بیشتری قرار گیرند. استرهای سنتزی به دلیل ایمنی آتش بسیار بالا و پایداری حرارتی، برای کاربردهای با شرایط سخت مناسب هستند. استرهای طبیعی با تجزیه‌پذیری بالا و توان جذب رطوبت بیشتر، می‌توانند به افزایش عمر عایق کاغذی کمک کنند. سیالات سیلیکونی نیز پایداری شیمیایی و مقاومت آتش عالی دارند، هرچند هزینه آن‌ها استفاده گسترده را محدود می‌کند. شناخت مزایا و محدودیت‌های هر گروه، انتخاب سیال مناسب را بر اساس نیازهای ایمنی، شرایط عملیاتی و الزامات محیط‌زیستی امکان‌پذیر می‌سازد.

11. مهندسی فرمولاسیون و نوآوری

افزودنی‌ها نقش کلیدی در افزایش پایداری و طول عمر سیالات عایق دارند. آنتی‌اکسیدان‌های فنولی و آمینی تشکیل اسید و لجن را مهار می‌کنند، کاهنده‌های نقطه ریزش عملکرد در دماهای پایین را بهبود می‌بخشند و افزودنی‌های ضدلجن و غیرفعال‌کننده‌های فلزی با کاهش واکنش‌های مخرب و کاتالیزوری، پایداری شیمیایی و دی‌الکتریک روغن را افزایش می‌دهند. در کنار این موارد، توسعه سیالات ترکیبی و استرهای پیشرفته، همراه با رویکردهای نوین نانومهندسی و پایش لحظه‌ای، مسیر صنعت را به‌سوی سیالات ایمن‌تر، پایدارتر و بادوام‌تر هموار کرده است.

12. ملاحظات ایمنی و زیست‌محیطی

افزایش حساسیت نسبت به ایمنی آتش‌سوزی و حفاظت از محیط زیست، انتخاب روغن ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار داده است. استرهای طبیعی و سنتزی در این زمینه مزایای قابل‌توجهی ارائه می‌دهند، اما ارزیابی کامل چرخه عمر آن‌ها ضروری است.

13. چشم‌انداز آینده

آینده روغن‌های ترانسفورماتور در تلفیق مواد پیشرفته، پایش هوشمند و مدیریت داده‌محور نهفته است. با افزایش نیاز به شبکه‌های پایدار و کارآمد، نقش سیالات عایقی بیش از پیش برجسته خواهد شد.

14. جمع‌بندی

روغن ترانسفورماتور نقشی کلیدی در قابلیت اطمینان شبکه‌های قدرت ایفا می‌کند و با فراهم‌سازی عایق الکتریکی، انتقال حرارت، خاموش‌سازی قوس و امکان پایش وضعیت از طریق گازهای محلول، عملکرد ایمن ترانسفورماتورها را تضمین می‌نماید. در این میان، روغن‌های معدنی به دلیل مزیت اقتصادی همچنان پرکاربردند، در حالی که استرها به سبب ایمنی آتش و سازگاری زیست‌محیطی و سیالات سیلیکونی برای کاربردهای خاص مورد توجه قرار دارند. پایش مبتنی بر استانداردهای IEC، IEEE و ASTM، به‌ویژه آنالیز گازهای محلول و سامانه‌های پایش آنلاین، نگهداری پیش‌بینی‌کننده را ممکن ساخته و در کنار احیا و فرمولاسیون‌های پیشرفته، عمر مفید و پایداری روغن را افزایش می‌دهد. در نهایت، توسعه سیالات ترکیبی و سامانه‌های هوشمند، پاسخگوی الزامات آینده شبکه‌های قدرت مدرن و ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر خواهد بود.

پرسش‌های متداول

منابع

·  Heathcote, M. J. (2007). The J & P Transformer Book (13th ed.).

·  Oommen, T. V. (2002). Vegetable oils for liquid-filled transformers. IEEE Electrical Insulation Magazine, 18(1), 6–11.

·  Fernández, I., et al. (2013). Comparative evaluation of alternative fluids for power transformers. Electric Power Systems Research, 98, 58–69.

·  AXA XL Risk Consulting. (2020). Transformer Dielectric Fluids—Fire and Risk Considerations.

·  Cargill. (2020). Transformer power factor and FR3 fluid – Reference Data.

·  MGM Transformers. (2025). Installation, Operation & Maintenance Manual – Liquid Filled Transformers.