مسائل و راه‌حل‌های مربوط به SPD در مدارهای ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ

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

۱. مشکلات اصلی محصولات SPD در مدارهای ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ

در حال حاضر، دستگاه‌های SPD بدون جریان باقیمانده (موتورهای ضربه‌ای نوع سوئیچ) در داخل و خارج کشور موجود هستند. مدارهای تخلیه اصلی آنها از لوله‌های تخلیه/شکاف استفاده می‌کنند که ظرفیت جریان تخلیه بالایی دارند (بیشتر از واریستور اکسید روی). با این حال، آنها نقص‌های مرگباری دارند: محدودسازی ولتاژ ضعیف، ولتاژ کشیدن قوس الکتریکی و زمان پاسخ طولانی (تا ۱۰۰ نانوثانیه). این موضوع‌ها از محافظت صحیح تجهیزات مدار ثانویه جلوگیری می‌کنند. بدتر از آن، ولتاژ کشیدن قوس الکتریکی معمولاً ولتاژ مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ (۱۰۰ ولت) را به چند ولت کاهش می‌دهد که سیستم اندازه‌گیری و کنترل نشان‌دهنده افت ولتاژ خط ولتاژ بالا می‌شود. بنابراین، موتورهای ضربه‌ای نوع سوئیچ قابل استفاده نیستند.

۲. راه‌حل‌ها و محتوای اصلی

عناصر تخلیه اصلی SPD موجود در بازار شامل لوله تخلیه CDT، واریستور اکسید روی MOV و مهارکننده ولتاژ موقت TVD هستند. TVD دارای پاسخ بسیار سریع (۱ نانوثانیه)، محدودسازی ولتاژ خوب و جریان باقیمانده کم (کمتر از ۱ میکروآمپر) است؛ پس از آسیب دیدن سوخته و قطع می‌شود و بدون کمربند کوتاه شدن. اما جریان تخلیه آن کم (۱ کیلوآمپر) است. همچنین، CDT، GAP و TVD توان تحمل ضربه ولتاژ بالاتر از MOV دارند و قادر به تحمل ضربات ۱۰ کیلوولت بدون آسیب ساختاری هستند.

با ترکیب مزایای این عناصر و استفاده از مدار ترکیبی، محصولی (MOV سری با موازی CDT و TVD) طراحی شده است، مانند آنچه در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل ۱: اصل تخلیه

هنگامی که جریان برق از نقطه A وارد می‌شود، MOV ابتدا هدایت‌کننده نیست. با این حال، جریان باقیمانده MOV پتانسیل بین نقاط A و B را مساوی می‌کند. در این لحظه، TVS در ۱ نانوثانیه فعال می‌شود و مسیر مستقیمی بین نقاط B و C ایجاد می‌کند. در نتیجه، تمام ولتاژ برق بین نقاط A و B روی MOV اعمال می‌شود. چون ولتاژ فعال‌سازی MOV (Um) فقط ۵۰٪ ولتاژ فعال‌سازی مدار ترکیبی (Uc) است، ولتاژ بالا فعال‌سازی MOV را تسریع می‌کند و زمان پاسخ معمولی آن را از حدود ۲۵ نانوثانیه به حدود ۱۲.۵ نانوثانیه کاهش می‌دهد. در طول این دوره، در حالی که جریان تخلیه هنوز در حال افزایش است، مسیر مستقیم از A به B بیشترین ولتاژ برق را بین نقاط B و C (که ظرفیت جریان ماکزیمم TVD حدود ۱ کیلوآمپر است) اعمال می‌کند.

از دیدگاه طراحی، ولتاژ فعال‌سازی CDT ۵۰٪ کمتر از Uc است. علاوه بر این، مقاومت داخلی (RL) MOV نیمه هدایت‌کننده یک افت ولتاژ ایجاد می‌کند که ولتاژ نقطه B را بیشتر از ولتاژ اولیه برق می‌کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این موضوع زمان فعال‌سازی CDT را از ۱۰۰ نانوثانیه به ۱۵ نانوثانیه کاهش می‌دهد و موجب می‌شود که کل مدار در ۲۵ نانوثانیه کاملاً هدایت‌کننده شود—همانند زمان پاسخ MOV منفرد.

پس از تخلیه، جریان باقیمانده کم TVD و قطع کامل CDT مشکلات جریان باقیمانده MOV را حذف می‌کند و از خطرات احتمالی جلوگیری می‌کند. برای عملکرد محدودسازی ولتاژ، فعال‌سازی دقیق TVD (که ولتاژ فعال‌سازی برابر با ولتاژ محدودسازی است) معتدل‌کننده ولتاژ پایینی را تضمین می‌کند. با توجه به Um = ۰.۵Uc، ولتاژ محدودسازی MOV در مدار ۱.۵Uc است که نتیجتاً ولتاژ محدودسازی کل مدار ترکیبی ۲Uc است—به طور قابل توجهی بهتر از نسبت ۳ برابر مدلهای MOV منفرد.

مدار نظارتی اضافی برای تشخیص خرابی‌های المان‌ها ادغام شده است. وقتی المان‌های داخلی تخریب می‌شوند، گره نظارتی از باز به بسته تغییر وضعیت می‌کند و خرابی SPD را اعلام می‌کند. جدول ۱ عملکرد مدلهای MOV منفرد را با SPD مدار ترکیبی تحت شرایط یکسان مقایسه می‌کند.

این نوع جدید SPD جریان باقیمانده دارد، اما می‌تواند ولتاژ اضافه را در سطح بسیار پایین (زیر ۱۰ میکروآمپر) کنترل کند. علاوه بر این، می‌تواند پارامترهای جریان باقیمانده را ثابت نگه دارد و پس از از بین رفتن ولتاژ اضافه به سرعت قطع شود. این محصول ایده‌آل برای مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ است.

SPD از مدار ترکیبی تخلیه برای جایگزینی ماژول واریستور اکسید روی منفرد استفاده می‌کند و اقدامات فنی محافظت از ولتاژ اضافه برای مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ ارائه می‌دهد. این می‌تواند مشکل افزایش جریان باقیمانده پس از تأثیر چندین بار برق یا ولتاژ اضافه عملیاتی بر روی مدار SPD را جلوگیری کند. همچنین، در صورت تخریب و خرابی، پدیده کوتاه‌شدن وجود نخواهد داشت. اگر SPD محل‌های خرابی مانند تخریب و کوتاه‌شدن داشته باشد، پرسنل 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.

۳. نتیجه‌گیری

در فرآیند استفاده واقعی، مقدار جریان باقیمانده SPD با مدار ترکیبی از آغاز تا خرابی (پس از آسیب دیدن، به طور مستقیم قطع می‌شود) تقریباً ثابت است و می‌تواند زیر ۳ میکروآمپر کنترل شود. علاوه بر این، SPD می‌تواند به راحتی از طریق مدار ترکیبی نقطه تماس نظارتی خرابی ارائه دهد که برای پرسنل عملیات و نگهداری راحت است.

با استفاده از فناوری مهار ولتاژ اضافه برای مدار ثانویه ترانسفورماتور ترکیبی، خطر عملیات محافظت امنیتی نادرست یا عدم عملیات محافظت ناشی از خطر زمین‌گذاری SPD در مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ جلوگیری می‌شود. این به طور واقعی محافظت برابر برق و ولتاژ اضافه عملیاتی در مدار ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ را تحقق می‌بخشد و اطمینان از عملکرد ایمن تجهیزات ثانویه برق در شرایط آب و هوای سخت و حوادث را فراهم می‌کند.