مشکلات و راه‌حل‌های SPD برای مدارهای ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ

این مقاله وضعیت فوق را به طور جامع تحلیل کرده و اقدامات فنی برای حل مشکلات را خلاصه می‌کند.

1. مشکلات اصلی محصولات SPD در مدارهای ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ

در حال حاضر، در داخل و خارج از کشور، SPD های بدون جریان باقیمانده (شیرهای ضربه‌ای) موجود هستند. مدارهای تخلیه اصلی آنها از لوله‌های تخلیه/فاصله استفاده می‌کنند که ظرفیت جریان تخلیه بالایی دارند (بیشتر از واریستورهای اکسید روی). با این حال، آنها نقص‌های فاتح دارند: محدود کردن ولتاژ ضعیف، ولتاژ کشیدن قوس الکتریکی و زمان پاسخ طولانی (تا 100 نانوثانیه). این موارد مانع از محافظت صحیح تجهیزات مدار ثانویه می‌شوند. بدتر از آن، ولتاژ کشیدن قوس الکتریکی معمولاً ولتاژ مدار ثانویه ترانسفورماتور (100 ولت) را به چند ولت کاهش می‌دهد، که باعث می‌شود سیستم اندازه‌گیری و کنترل خطای از دست دادن ولتاژ خط بالا را نشان دهد. بنابراین، شیرهای ضربه‌ای قابل استفاده نیستند.

2. راه‌حل‌ها و محتوای اصلی

عناصر تخلیه هسته‌ای SPD متداول در بازار شامل لوله تخلیه CDT، واریستور اکسید روی MOV و مهارکننده ولتاژ موقت TVD هستند. TVD پاسخ بسیار سریع (1 نانوثانیه)، محدود کردن ولتاژ خوب و جریان باقیمانده کم (پایین‌تر از 1 میکروآمپر) دارد؛ پس از آسیب دیدن سوزانده و قطع می‌شود و بدون کشیدن مدار کوتاه می‌شود. اما جریان تخلیه آن پایین است (1 کیلوآمپر). همچنین، CDT، GAP و TVD توان تحمل ضربه ولتاژ بالاتری نسبت به MOV دارند و بدون آسیب ساختاری می‌توانند ضربه‌های 10 کیلوولت را تحمل کنند.

با ترکیب مزایای این عناصر و استفاده از مدار ترکیبی، محصولی (MOV در سری با CDT موازی و TVD) طراحی شده است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1: اصل تخلیه

وقتی جریان صاعقه از نقطه A وارد می‌شود، MOV ابتدا غیررسانا می‌ماند. با این حال، جریان باقیمانده MOV پتانسیل بین نقاط A و B را مساوی می‌کند. در این لحظه، TVS در 1 نانوثانیه فعال می‌شود و مسیر مستقیمی بین نقاط B و C ایجاد می‌کند. بنابراین، تمام ولتاژ صاعقه بین نقاط A و B روی MOV اعمال می‌شود. چون ولتاژ فعال‌سازی MOV (Um) فقط 50٪ ولتاژ فعال‌سازی مدار ترکیبی (Uc) است، ولتاژ بالا فعال‌سازی MOV را تسریع می‌کند و زمان پاسخ معمولی آن را از حدود 25 نانوثانیه به حدود 12.5 نانوثانیه کاهش می‌دهد. در این مدت، در حالی که جریان تخلیه هنوز در حال افزایش است، مسیر مستقیم از A به B بیشتر ولتاژ صاعقه را بین نقاط B و C (که ظرفیت جریان ماکسیمم TVD حدود 1 کیلوآمپر است) متمرکز می‌کند.

از دیدگاه طراحی، ولتاژ فعال‌سازی CDT 50٪ کمتر از Uc است. علاوه بر این، مقاومت داخلی (RL) MOV که نیمه رسانا است، کاهش ولتاژی ایجاد می‌کند که ولتاژ نقطه B را بالاتر از ولتاژ اولیه صاعقه می‌برد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این مورد زمان فعال‌سازی CDT را از 100 نانوثانیه به 15 نانوثانیه کاهش می‌دهد و موجب می‌شود که کل مدار در 25 نانوثانیه کاملاً رسانا شود—همانند زمان پاسخ MOV منفرد.

پس از تخلیه، جریان باقیمانده ناچیز TVD و قطع کامل CDT مشکلات جریان باقیمانده MOV را حذف می‌کند و از خطرات بالقوه جلوگیری می‌کند. برای عملکرد محدود کردن ولتاژ، فعال‌سازی دقیق TVD (که ولتاژ فعال‌سازی برابر با ولتاژ محدود کردن است) مطمئن می‌شود که آستانه محدود کردن پایین باشد. با توجه به Um = 0.5Uc، ولتاژ محدود کردن MOV در مدار 1.5Uc است که باعث می‌شود ولتاژ محدود کردن کلی مدار ترکیبی 2Uc شود—که به طور قابل توجهی بهتر از نسبت 3 برابر مدول‌های MOV منفرد است.

مدار نظارتی اضافی برای تشخیص خرابی اجزا ادغام شده است. وقتی عناصر داخلی تخریب می‌شوند، گره نظارتی از باز به بسته تغییر وضعیت می‌کند و خرابی SPD را اعلام می‌کند. جدول 1 عملکرد مدول‌های MOV منفرد را با SPD مدار ترکیبی تحت شرایط یکسان مقایسه می‌کند.

این نوع جدید SPD جریان باقیمانده دارد، اما می‌تواند ولتاژ بیش از حد را در سطح بسیار پایین (پایین‌تر از 10 میکروآمپر) کنترل کند. علاوه بر این، می‌تواند پارامترهای جریان باقیمانده را بدون تغییر نگه دارد و پس از ناپدید شدن ولتاژ بیش از حد به سرعت قطع شود. این یک محصول ایده‌آل برای مدار ثانویه ترانسفورماتورهای ولتاژ است.

SPD از مدار ترکیبی تخلیه برای جایگزینی مدول منفرد واریستور اکسید روی استفاده می‌کند و اقدامات فنی محافظت از ولتاژ بیش از حد برای مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ ارائه می‌دهد. این می‌تواند مشکل افزایش جریان باقیمانده قدیمی پس از تأثیر چندین بار صاعقه یا ولتاژ بیش از حد عملیاتی را بر مدار SPD را جلوگیری کند. همچنین، در صورت تخریب و خرابی، پدیده مدار کوتاه نخواهد بود. اگر SPD دارای مکان‌های خرابی مانند تخریب و مدار کوتاه باشد، عملیات و نگهداری می‌توانند از طریق نقطه تماس هشدار SPD مطلع شوند و از وقوع مشکلات عملیات محافظت نادرست یا عدم عملیات محافظت جلوگیری کنند.

3. نتیجه‌گیری

در فرآیند استفاده واقعی، مقدار جریان باقیمانده SPD با مدار ترکیبی از آغاز تا خرابی (بعد از خرابی، مستقیماً قطع می‌شود) تقریباً ثابت می‌ماند و می‌تواند زیر 3 میکروآمپر کنترل شود. علاوه بر این، SPD می‌تواند به راحتی از طریق مدار ترکیبی نقطه تماس نظارتی خرابی ارائه دهد که برای عملیات و نگهداری آسان است.

با استفاده از تکنولوژی مهار ولتاژ بیش از حد برای مدار ثانویه ترانسفورماتور ترکیبی، خطر عملیات محافظت نادرست یا عدم عملیات محافظت ناشی از خطرات زمین‌گذاری SPD در مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ جلوگیری می‌شود. این واقعاً محافظت از صاعقه و ولتاژ بیش از حد عملیاتی در مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ را تضمین می‌کند و عملیات ایمن تجهیزات ثانویه برق در محیط‌های آب و هوایی سخت و شرایط حادثه را تضمین می‌کند.