کاوش در طراحی و کاربرد ترانسформاتورهای جریان نوری در GIS

1. نمونه طراحی و کاربرد ترانسفورماتور جریان نوری در GIS

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

1.1 ایده‌های طراحی و کاربرد ترانسفورماتور جریان نوری

در مرحله اولیه پروژه، تیم پروژه GIS مذاکرات شدیدی درباره طرح قرار گیری ترانسفورماتور جریان نوری داشت. اختلاف اصلی روی این مسئله متمرکز بود: آیا باید آن را در محیط گاز SF₆ یا در محیط هوا معمولی قرار داد.

طرح 1: قرار گیری در محیط گاز هگزافلوئورید سولفور

اگر این طرح انتخاب شود، ترانسفورماتور جریان نوری در محیط گاز هگزافلوئورید سولفور تحت فشار بالا قرار می‌گیرد و اتصال الکتریکی بین آن و اتاق کنترل باید به وسیله لیزرها انجام شود. با این حال، در محیط فشار بالای گاز هگزافلوئورید سولفور، معرفی لیزرها به جعبه کنترل دشوار است. اگر لیزرها باید به صورت پرت‌های مشابه کابل‌ها تبدیل شوند، باید از فناوری لحیم‌کاری بدون جوش استفاده شود؛ اما فرآیند لحیم‌کاری نه تنها مداخله در انتقال سیگنال‌های نوری دارد بلکه مسیر هدایتی تشکیل شده توسط لحیم‌کاری می‌تواند عملکرد عایق الکتریکی ترانسفورماتور جریان را تحت تأثیر قرار دهد و عوامل نامطلوب بسیاری دارد.

طرح 2: قرار گیری در محیط هوا

این طرح نیازی به در نظر گرفتن تأثیر فشار بالا ندارد، بنابراین هیچ نگرانی مرتبط با لحیم‌کاری وجود ندارد. با این حال، باید تمرکز بر این باشد که چگونه چسبندگی ترانسفورماتور جریان را تضمین کنیم و همچنین تأثیر گردابه‌های القایی بر دقت اندازه‌گیری و تأثیرات بالقوه دیگری که ممکن است رخ دهد.

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

2. راه‌حل برای مشکلات طرح
طراحی ساختاری و اتصال

با مقایسه و تحلیل ساختار طراحی ترانسفورماتور جریان نوری با ترانسفورماتور جریان الکترومغناطیسی سنتی، تصمیم گرفته شد ترانسفورماتور جریان نوری را در محیط هوا قرار داده و طراحی‌های زیر را انجام دهد:

تولید یک فلانژ بزرگ مناسب، قرار دادن ترانسفورماتور جریان نوری در داخل فلانژ و خارج کردن لیزر از جانب فلانژ. به این ترتیب، بخش اتصال بین لیزر و ترانسفورماتور جریان نوری در داخل ترانسفورماتور قرار می‌گیرد و این منطقه به فلانژ‌های بزرگ دیگر ترانسفورماتورهای خارجی مجاور است و ترانسفورماتور جریان نوری و گاز هگزافلوئورید سولفور توسط فلز جدا شده‌اند.

از آنجا که در طول عملکرد ترانسفورماتور جریان گردابه‌های القایی ایجاد می‌شوند که می‌توانند دقت اندازه‌گیری و ولتاژ ترانسفورماتور جریان نوری را تحت تأثیر قرار دهند. برای حل این مشکل، از روش پاشش الکتریکی بر روی سطوح تماس فلزی دو فلانژ بزرگ استفاده شده است تا گردابه‌های القایی را مسدود کند و چسبندگی گاز هگزافلوئورید سولفور را تضمین کند.

شبیه‌سازی و تأیید میدان الکتریکی

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

در حال حاضر، این پروژه به مدت طولانی به صورت پایدار در حال اجرا است و نتیجه خوبی دارد. در حال حاضر، پیشرفت‌هایی در تحقیقات ترانسفورماتورهای جریان نوری در چین به دست آمده است. با این حال، در سناریوهای کاربردی سطوح ولتاژ بالا، هنوز مشکلاتی مانند کاهش تأثیر دوگانگی ناشی از تنش و دما، تضمین عملکرد پایدار بلندمدت سیستم و بهبود بیشتر دقت اندازه‌گیری وجود دارد که باید در ادامه حل شوند.

3. نتیجه‌گیری

از طریق بحث درباره کل فرآیند از انتخاب طرح، اجرای آن تا حل مشکلات ترانسفورماتور جریان نوری 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 نوری مزایای واضحی دارد و محدوده کاربرد آن رو به گسترش است. بسیاری از تولیدکنندگان و کاربران آن را اتخاذ کرده‌اند. قابل پیش‌بینی است که در آینده نزدیک، ترانسفورماتور جریان نوری می‌تواند کاملاً جایگزین ترانسفورماتور جریان الکترومغناطیسی شود و با توسعه و رسیدن به مرحله پختگی فناوری، مشارکت بیشتری در پیشرفت فناوری ترانسفورماتورها خواهد داشت.