اصل سنجش ترکیب و آزمون ترانسفورماتورهای الکترونیکی ترکیبی

1 اصل اندازه‌گیری در ترانسفورماترهای الکترونیکی ترکیبی
1.1 اصل اندازه‌گیری ولتاژ

ترانسفورماترهای الکترونیکی با استفاده از روش تقسیم کندانسانسی ولتاژ اندازه‌گیری می‌کنند. چون ولتاژ روی یک کندانسور نمی‌تواند به طور ناگهانی تغییر کند، ولتاژ ثانویه که مستقیماً از طریق تقسیم کندانسانسی به دست می‌آید، پاسخ فازی ضعیف و دقت اندازه‌گیری پایینی دارد. برای بهبود دقت اندازه‌گیری، یک مقاومت نمونه‌برداری دقیق موازی با کندانسور ولتاژ پایین متصل می‌شود. اصل آن در شکل 1 نشان داده شده است.

در شکل 1، تحت شرایطی که

ولتاژ خروجی کندانسور تقسیم‌کننده با مشتق زمانی ولتاژ اندازه‌گیری شده متناسب است. با اضافه کردن یک لینک ادغام، می‌توان ولتاژ اولیه را اندازه‌گیری کرد.

در شکل 1، چون بیشتر تغییر ولتاژ در C₁ اتفاق می‌افتد، نیاز به عایق‌بندی بالایی برای کندانسور C₁ وجود دارد. در ترانسفورماترهای ولتاژ الکترومغناطیسی، عموماً از کندانسورهای قدرت استفاده می‌شود، در حالی که در ترانسفورماترهای ولتاژ الکترونیکی، از کندانسورهای قدرت استفاده نمی‌شود؛ بلکه از کندانسورهای معادل استفاده می‌شود.

ساختار کندانسور تقسیم‌کننده به گونه‌ای است که یک استوانه ساخته شده از ماده عایق‌بندی روی یک میله هادی قرار می‌گیرد. سپس یک برد مداری انعطاف‌پذیر دو لایه به بیرون استوانه متصل می‌شود. مقاومت دقیق یک مقاومت چیپ است که به لایه بیرونی برد مداری انعطاف‌پذیر متصل می‌شود. نمودار ساختاری کندانسور تقسیم‌کننده در شکل 2 نشان داده شده است.

ظرفیت C₁ توسط لایه داخلی استوانه تشکیل می‌شود. میله هادی معادل یک صفحه الکترود است و فیلم مسی داخلی برد مداری انعطاف‌پذیر معادل صفحه الکترود دیگر است، با ماده عایق‌بندی به عنوان دی الکتریک. ظرفیت C₂ توسط لایه بیرونی استوانه تشکیل می‌شود. فیلم‌های مسی دوطرفه برد مداری انعطاف‌پذیر دو لایه معادل صفحات الکترود هستند و مواد پایه برد مداری انعطاف‌پذیر، مانند پلی‌ایمید، به عنوان دی الکتریک عمل می‌کند. نمودار برشی شعاعی آن در شکل 3 نشان داده شده است. ظرفیت معادل C می‌تواند با استفاده از فرمول محاسبه شود.

در فرمول: r₁ شعاع داخلی استوانه است؛ r₂ شعاع بیرونی استوانه است؛ H طول برد مداری چاپی انعطاف‌پذیر است؛ ε_r ثابت دی الکتریک نسبی الکترولیت است؛ ε₀ ثابت دی الکتریک خلاء است.

1.2 اصل اندازه‌گیری جریان

ترانسفورماترهای الکترونیکی از کویل‌های روگوسکی برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌کنند. رابطه بین ولتاژ خروجی ثانویه و جریان ورودی اولیه به صورت زیر است:

در فرمول، M یک ثابت است که به موقعیت جریان اندازه‌گیری شده بستگی ندارد. ولتاژ خروجی کویل روگوسکی با مشتق جریان اندازه‌گیری شده متناسب است. بنابراین، با اضافه کردن یک لینک ادغام پس از خروجی کویل روگوسکی، جریان اندازه‌گیری شده می‌تواند بازسازی شود.

در این پروژه، کویل روگوسکی از یک برد مداری چاپی ساخته شده است. حساسیت، دقت اندازه‌گیری، پایداری عملکرد، قابلیت تعویض محصول و کارایی تولید آن از کویل‌های پیچشی سنتی برتر است.

برای کاهش تداخل میدان مغناطیسی پیوسته و بهبود دقت اندازه‌گیری، کویل روگوسکی ساخته شده از برد مداری چاپی معمولاً از دو کویل متصل به هم به صورت ورودی دیفرانسیلی استفاده می‌کند. جهت پیچش این دو کویل PCB متفاوت است. یکی بر اساس قانون دست راست پیچش یافته و دیگری بر اساس قانون دست چپ. به این ترتیب، دو ولتاژ القایی با قطبیت‌های مخالف ایجاد می‌شود و ولتاژ خروجی اتصال سری دو برابر ولتاژ یک کویل روگوسکی واحد است، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

1.2 اصل اندازه‌گیری جریان (ادامه)

به دلیل ضرایب انبساط حرارتی مختلف فیلم مس و زیربنای PCB، مقدار تغییر شکل آنها وقتی دمای تغییر می‌کند متفاوت است. برای کاهش خطاهای ناشی از تغییر شکل و جلوگیری از شکست فیلم مس، کویل‌های PCB تولید شده از طریق یک فرآیند پیری حرارتی می‌گذرند. این فرآیند یک‌سویه فشار داخلی کویل‌ها را آزاد می‌کند تا خطاهای را کاهش دهد و از طرف دیگر، کویل‌ها را انتخاب می‌کند.

با اینکه کویل‌های روگوسکی با خروجی دیفرانسیلی توانایی قوی در سرکوب حالت مشترک دارند، تداخل میدان الکتریکی 10 kV همچنان قابل توجه است. بنابراین، لازم است کویل‌های روگوسکی با فоль مسی پوشانده شوند و فоль مسی به زمین متصل شود.

2 اصل ترکیب ترانسفورماترهای الکترونیکی ترکیبی
2.1 نمودار بلوکی ترانسفورماترهای الکترونیکی ترکیبی

نمودار بلوکی ترانسفورماتر الکترونیکی ترکیبی در شکل 5 نشان داده شده است. ولتاژ و جریان اولیه توسط کندانسور و کویل روگوسکی به سیگنال‌های ثانویه تبدیل می‌شوند. با ادغام و تغییر فاز سیگنال‌های ثانویه، سیگنال‌هایی متناسب با سیگنال‌های اولیه به دست می‌آید. برای بهبود دقت، ادغام و جبران فاز سیگنال‌های اندازه‌گیری می‌تواند از طریق روش‌های پردازش سیگنال دیجیتالی انجام شود. با این حال، پردازش سیگنال دیجیتالی تأخیری دارد و نمی‌تواند سیگنال‌های اولیه را به طور واقعی نشان دهد. بنابراین، این روش پردازش برای سیگنال‌های حفاظتی مناسب نیست. چون سیگنال‌های حفاظتی نیاز کمتری به دقت اندازه‌گیری دارند، می‌توان از مدارهای آنالوگ برای تقویت، ادغام و جبران فاز استفاده کرد.

2.2 ساختار سنسور ترانسفورماتر الکترونیکی ترکیبی

ترانسفورماتر الکترونیکی ترکیبی واحد اندازه‌گیری ولتاژ و واحد اندازه‌گیری جریان را به ساختاری که در شکل 6 نشان داده شده است، با ریزش اپوکسی در خلاء ریخته می‌کند.

کویل روگوسکی روی باربر جریان ریخته می‌شود. پس از تقویت، سیگنال خروجی کویل از طریق یک خط سیگنال به ترمینال خروجی ارسال می‌شود. چون تقویت‌کننده به تغذیه دوطرفه نیاز دارد، 3 از خطوط سیگنال چند هسته‌ای برای انتقال تغذیه استفاده می‌شوند.

از آنجا که جریانی از میله هادی ترانسفورماتر ولتاژ نمی‌گذرد و برای افزایش فاصله ابریشمی، یک ساختار که در آن میله هادی و باربر جریان عمود بر هم هستند، استفاده می‌شود.

به دلیل اینکه سنسور فعال است، عمر قطعات الکترونیکی به طور جدی عمر سنسور ترانسفورماتر الکترونیکی را محدود می‌کند. بنابراین، تمام قطعات قبل از استفاده باید از طریق یک فرآیند پیری انتخاب شوند.

برای بهبود نسبت سیگنال به نویز، سیگنال‌های جریان و ولتاژ در داخل سنسور تقویت می‌شوند. مدار تقویت‌کننده سیگنال جریان روی کویل PCB و مدار تقویت‌کننده سیگنال ولتاژ روی برد مداری انعطاف‌پذیر است. از تقویت‌کننده‌های ابزاری با عملکرد بالا برای تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

3 تست ترانسفورماتر الکترونیکی ترکیبی

بر اساس اصول و ساختار ذکر شده، به همراه استانداردهای IEC 60044-7 و IEC 60044-8، یک پروتاتایپ ترانسفورماتر الکترونیکی ترکیبی 10 kV/600 A طراحی شده است. برای ترانسفورماتر ولتاژ، دقت اندازه‌گیری کلاس 0.5 و سطح حفاظت 3P است؛ برای ترانسفورماتر جریان، دقت اندازه‌گیری کلاس 0.2 و دقت حفاظت 5P20 است.

در طول تست، جریان‌های مختلف از طریق ترانسفورماتر الکترونیکی عبور می‌کنند و ولتاژ‌های مختلف به آن اعمال می‌شود. خروجی ثانویه از طریق یک پورت دیجیتال خروجی داده می‌شود. پس از نمایش توسط واحد نمایش دیجیتال، با ترانسفورماتر جریان مرجع و ترانسفورماتر ولتاژ مرجع مقایسه می‌شود. دقت اندازه‌گیری آن مطابق با نیازهای طراحی است.

هم‌زمان، تست‌های تحمل ولتاژ فرکانس قدرت، تخلیه محلی، ضربه برق و سازگاری الکترومغناطیسی بر روی پروتاتایپ انجام می‌شود. موفقیت در این تست‌ها نشان‌دهنده صحیح بودن طرح طراحی است.

4 نتایج

(1) با استفاده از کندانسور تقسیم‌کننده ساخته شده از کندانسورهای معادل و کویل روگوسکی ساخته شده از برد مداری چاپی به عنوان سنسورهای ولتاژ و جریان، ساختار ساده، قابلیت تعویض محصول خوب و دقت اندازه‌گیری بالا دارد.

(2) با استفاده از تکنولوژی‌های برد مداری چاپی و برد مداری انعطاف‌پذیر، می‌توان مدار تقویت‌کننده را در داخل سنسور ساخت و نسبت سیگنال به نویز سیگنال اندازه‌گیری را بهبود بخشید.

(3) ترکیب ترانسفورماتر ولتاژ الکترونیکی و ترانسفورماتر جریان الکترونیکی در یک ترانسفورماتر ولتاژ-جریان ترکیبی نه تنها هزینه تجهیزات اولیه را کاهش می‌دهد، بلکه دقت و ظرفیت مدار ثانویه برای ولتاژ خط تکی را نیز بهبود می‌بخشد. این به نیازهای جدید اندازه‌گیری و حفاظت ثانویه پاسخ می‌دهد و همچنین با مفهوم کنترل سیستم‌های قدرت مدرن که از فواصل تجهیزات برشی به عنوان واحد استفاده می‌کند، مطابقت دارد.