کاوش در طراحی و کاربرد ترانسفورماتورهای جریان نوری-الکتریکی در GIS

1. نمونه طراحی و کاربرد ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک در GIS

این مقاله با استفاده از یک پروژه 126kV GIS به عنوان مثال خاص، به بررسی عمیق ایده‌های طراحی و کاربرد عملی ترانسفورماتورهای جریان فتوئلكتریک در سیستم GIS می‌پردازد. از زمان راه‌اندازی رسمی این پروژه GIS، سیستم برق همواره پایدار بوده و هیچ خرابی بزرگی رخ نداده و وضعیت عملکرد آن نسبتاً مطلوب است.

1.1 ایده‌های طراحی و کاربرد ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک

در مرحله اولیه پروژه، تیم پروژه GIS بحث‌های شدیدی درباره طرح چیدمان ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک داشت. اختلاف اصلی حول این بود که آیا باید آن را در محیط گاز SF₆ یا در محیط هوا قرار داد.

طرح 1: قرار دادن در محیط گاز شش فلوئورید سولفور

اگر این طرح انتخاب شود، ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک در محیط گاز شش فلوئورید سولفور تحت فشار بالا قرار خواهد گرفت و اتصال الکتریکی بین آن و اتاق کنترل باید از طریق لیزرهای نوری انجام شود. اما در محیط فشار بالای گاز شش فلوئورید سولفور، معرفی لیزرهای نوری به جعبه کنترل بسیار دشوار است. اگر لیزرهای نوری باید به صورت پرت‌ها مشابه کابل‌ها درآیند، باید از فناوری لحام بی‌شکاف حرفه‌ای استفاده شود؛ اما فرآیند لحام نه تنها مداخله در انتقال سیگنال‌های نوری خواهد داشت بلکه مسیر هدایتی ایجاد شده توسط لحام می‌تواند عملکرد عایق الکتریکی ترانسفورماتور جریان را تحت تأثیر قرار دهد و عوامل نامساعد بسیاری وجود دارد.

طرح 2: قرار دادن در محیط هوا

این طرح نیازی به در نظر گرفتن تأثیر فشار بالا ندارد، بنابراین نگرانی‌های مربوط به لحام وجود ندارد. اما باید تمرکز بر این باشد که چگونه محکم بودن ترانسفورماتور جریان را تضمین کنیم، همچنین تأثیر گردش‌های القایی بر دقت اندازه‌گیری و تأثیرات بالقوه دیگری که ممکن است رخ دهد.

بعد از تحلیل و مقایسه دقیق، تیم پروژه GIS در نهایت طرح 2 را انتخاب کرد. این طرح ایمنی، قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد سیستم را به عنوان در نظر گرفته و به طور کامل عملکرد عملیاتی را در هنگام اجرای طرح در نظر گرفته است.

2. راه‌حل برای مشکلات طرح
طراحی ساختاری و اتصال

با مقایسه و تحلیل ساختار طراحی ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک با ترانسفورماتور جریان الکترومغناطیسی سنتی، تصمیم گرفته شد ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک را در محیط هوا قرار داده و کارهای طراحی زیر را انجام داد:

تولید یک فلانژ بزرگ مناسب، قرار دادن ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک در داخل فلانژ و خروج لیزر از کنار فلانژ. به این ترتیب، بخش اتصال بین لیزر و ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک در داخل ترانسفورماتور قرار می‌گیرد و این منطقه در کنار فلانژ‌های بزرگ ترانسفورماتورهای خارجی قرار دارد و ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک و گاز شش فلوئورید سولفور با فلز جدا شده‌اند.

از آنجا که گردش‌های القایی در طول عملکرد ترانسفورماتور جریان تولید می‌شوند که مداخله در دقت اندازه‌گیری و ولتاژ ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک خواهد داشت. برای حل این مشکل، از پوشش الکترواستاتیک روی سطوح تماس فلزی دو فلانژ استفاده شده تا حلقه گردش القایی بسته شود و محکم بودن گاز شش فلوئورید سولفور تضمین شود.

شبیه‌سازی و تأیید میدان الکتریکی

به دلیل استفاده از ساختار فلانژ در طراحی، توزیع میدان الکتریکی ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک تغییر خواهد کرد. برای تأیید اثربخشی طرح، لازم است از ابزارهای شبیه‌سازی محاسباتی پیشرفته (مانند نرم‌افزار ANSYS) برای انجام آزمایش و تحلیل استفاده شود. با استفاده از ANSYS آزمایش‌های شدت میدان بر روی حلقه‌های فلزی و هادی‌های دو فلانژ انجام شد. ولتاژ ضربه‌ای برق که در آزمایش استفاده شد 150kV بود. با تحلیل دقیق توسط نرم‌افزار ANSYS، نتیجه گرفته شد که شدت میدان در بخش‌های لبه‌ای فلانژ و پوشش محافظ بیشترین مقدار را دارد و مقدار ماکسیمم به 20kV/mm می‌رسد. این نتیجه بعد از تحقیقات عمیق و شبیه‌سازی‌های علمی و دقیق توسط تیم پروژه تأیید شده است.

در حال حاضر، این پروژه به طور پایدار برای مدت طولانی در حال اجرا است و نتیجه خوبی دارد. در حال حاضر، در تحقیقات مربوط به ترانسفورماتورهای جریان فتوئلكتریک در چین دستاوردهایی به دست آمده است. اما در سناریوهای کاربردی سطح ولتاژ بالا، هنوز مشکلاتی مانند کاهش تأثیر دوگانگی ناشی از تنش و دما، تضمین عملکرد پایدار بلندمدت سیستم و افزایش دقت اندازه‌گیری بیشتر وجود دارد که باید در ادامه حل شود.

3. نتیجه‌گیری

با بررسی کلیه مراحل از انتخاب طرح، اجرای طرح تا حل مشکلات ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک در سیستم GIS، می‌توان دید که نتایج قابل توجهی در زمینه طراحی و کاربرد GIS به دست آمده است. در مقایسه با ترانسفورماتور جریان الکترومغناطیسی سنتی، ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک مزایای واضحی دارد و محدوده کاربرد آن به طور مداوم گسترده‌تر می‌شود. بسیاری از سازندگان و کاربران آن را به کار گرفته‌اند. قابل پیش‌بینی است که در آینده نزدیک، ترانسفورماتور جریان فتوئلكتریک می‌تواند به طور کامل ترانسفورماتور جریان الکترومغناطیسی را جایگزین کند و با توسعه مداوم و رسیدن به зрیلیت فناوری، مشارکت بزرگتری در پیشرفت فناوری ترانسفورماتور خواهد داشت.