انتخاب مدار اصلی تایید و اندازه‌گیری پارامتر برای ترانسفورماتورهای جریان GIS UHV

در GIS UHV، ترانسفورماتورهای جریان نقش کلیدی در اندازه‌گیری انرژی الکتریکی دارند. دقت آنها تعیین‌کننده تسویه حساب‌های برق است، بنابراین بررسی خطای محلی بر اساس JJG1021 - 2007 لازم است. در محل، از منابع تغذیه، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و بوستر جریان استفاده می‌شود. به دلیل پوشش در GIS، مدارهای آزمون از طریق نوک‌های زمین‌کشی، بوشینگ‌ها و هادی‌های بازگشتی ساخته می‌شوند؛ مدارهای صحیح سیم‌کشی را ساده‌تر می‌کنند و دقت را افزایش می‌دهند.

چالش‌هایی مانند جریان آزمون بزرگ، مدارهای طولانی و امپدانس بالا وجود دارد، اما جبران واکنش (با استفاده از واکنش القایی بالاتر در مدارهای اصلی GIS) نیاز به ظرفیت تجهیزات را کاهش می‌دهد. اندازه‌گیری دقیق پارامترهای مدار اصلی کلیدی است. روش‌های موجود برای مدارهای اصلی GIS مناسب نیستند، بنابراین این مقاله: ساختارها و ویژگی‌های مدارهای اصلی ترانسفورماتورهای جریان GIS UHV را مرتب می‌کند تا مدارهای آزمون را انتخاب کند؛ روش‌های هوشمند را توسعه می‌دهد تا هوشمندسازی و خودکارسازی اندازه‌گیری پارامترها را افزایش دهد.

1 انتخاب مدار اصلی برای ترانسفورماتورهای جریان GIS UHV
1.1 ساختار و ویژگی‌ها

GIS تجهیزات اصلی زیرстанیون (به جز ترانسفورماتورها) را در هشت مؤلفه (مانند قطعک، جداکننده) یکپارچه می‌کند. GIS در پوسته‌های فلزی پوشیده شده و مزایایی مانند کوچک‌سازی (با استفاده از SF₆)، کم‌فضایی؛ قابلیت اطمینان بالا (اجزای زنده بسته شده مقاوم در برابر محیط و زلزله)؛ ایمنی (بدون خطر صدای الکتریکی و آتش‌سوزی)؛ عملکرد فوق‌العاده (محافظ در برابر میدان مغناطیسی/استاتیک، بدون تداخل)؛ نصب کوتاه (montage کارخانه‌ای کاهش زمان محلی)؛ نگهداری آسان و بازرسی طولانی (ساختار خوب، خاموش‌کننده قوس پیشرفته) ارائه می‌دهد.

1.2 انتخاب مدار

قطعک‌ها در میان خطوط لوله GIS قرار دارند، با ترانسفورماتورهای جریان در دو طرف. جداکننده‌ها در خارج هستند، به علاوه نوک‌های زمین‌کشی برای محافظت. خطوط لوله از SF₆ استفاده می‌کنند و ترانسفورماتورها از رزین اپوکسی نیمه‌جوش شده. به دلیل پوشش، از نوک‌های زمین‌کشی و بوشینگ‌های آشکار + هادی‌های بازگشتی استفاده می‌شود. چهار گزینه وجود دارد: نوک‌های زمین‌کشی در انتهای قطعک‌ها، پوسته‌های خط لوله GIS، هادی‌های جریان بزرگ یا خطوط GIS مجاور به عنوان بازگشت. پس از حل جبران واکنش، خطوط GIS مجاور (امن، ساده، قابل اجرا) برای بررسی محلی انتخاب می‌شوند.

2 پژوهش درباره سیستم‌های اندازه‌گیری هوشمند مدارهای اصلی GIS
2.1 تحلیل روش اندازه‌گیری پارامترها

مدارهای اصلی GIS مقاومت معادل R و واکنش القایی Z_L دارند. روش‌های معمول (اندازه‌گیری R، اعمال AC، محاسبه امپدانس پیچیده Z سپس Z_L) نیاز به تجهیزات زیاد، عملیات پیچیده و محاسبات سنگین دارند. این مقاله سیستم‌های هوشمند را توسعه می‌دهد. وظایف کلیدی: طراحی سیستم (تطابق اجزا، برنامه‌ریزی فرآیند)؛ تعیین جمع‌آوری سیگنال (نقاط، روش‌ها، مدارهای ولتاژ/جریان)؛ یافتن محاسبه اختلاف فاز ولتاژ-جریان؛ انتخاب روش‌های پارامترهای خط (از دامنه/اختلاف فاز، مقاومت معادل/واکنش القایی را بدست آورید)؛ غلبه بر هارمونیک‌ها/تداخل برای دقت.

2.2 طراحی کلی سیستم اندازه‌گیری هوشمند

سیستم اندازه‌گیری هوشمند حول سیستم کامپیوتری مبتنی بر میکروکنترلر مرکزی شده است، با دکمه‌ها، نمایشگر، چاپگر و دیگر دستگاه‌های جانبی مجهز شده. سیگنال‌های ولتاژ و جریان توسط سیستم جمع‌آوری سیگنال ضبط می‌شوند، سپس از طریق فیلتر، سوئیچ چندگانه، تقویت‌کننده سیگنال خودکار و مبدل آنالوگ-به-دیجیتال (A/D) قبل از رسیدن به میکروکنترلر برای پردازش سیگنال ارسال می‌شوند. اصل سخت‌افزاری در شکل 1 نشان داده شده است.

اجزای سیستم

• سیستم جمع‌آوری سیگنال: ولتاژ و جریان سیگنال‌ها را از مدار ضبط می‌کند.

• فیلتر: سیگنال‌های تداخل را حذف می‌کند.

• سوئیچ چندگانه: امکان مشارکت ولتاژ و جریان سیگنال‌ها در یک مبدل A/D را فراهم می‌کند و هزینه‌های سخت‌افزاری را کاهش می‌دهد.

• تقویت‌کننده سیگنال خودکار: بر اساس قدرت سیگنال تقویت را خودکار تنظیم می‌کند تا خروجی ثابت را تضمین کند.

• مبدل A/D: سیگنال‌های آنالوگ را به فرمت دیجیتال برای پردازش میکروکنترلر تبدیل می‌کند.

• نمایشگر: از صفحه نمایش دیجیتال مستقیم برای مشاهده آسان داده‌ها استفاده می‌کند.

• دکمه‌ها: با کنترل‌های کاربرپسند عملیات سیستم را ساده می‌کنند.

• چاپگر: نتایج اندازه‌گیری را بر اساس درخواست خروجی می‌دهد.

فرآیند عملیاتی

سیگنال‌های ضبط شده پردازش و به میکروکنترلر ارسال می‌شوند، که برنامه‌های پردازش سیگنال نصب شده را اجرا می‌کند. سیستم داده‌ها را از طریق نرم‌افزار اختصاصی تحلیل می‌کند، نتایج را محاسبه می‌کند و آن‌ها را روی صفحه نمایش می‌گذارد.

2.3 طراحی مدار جمع‌آوری سیگنال

به دلیل عدم نیاز به جریان‌های بزرگ برای اندازه‌گیری پارامترهای مدار اصلی، سیستم از منبع تغذیه تنظیم‌شده با خروجی 200A استفاده می‌کند. پس از عبور از بوستر جریان، جریان القایی در طرف خط کمتر از جریان اسمی GIS است، که نیاز به تجهیزات با ظرفیت بزرگ را کاهش می‌دهد. این تنظیمات جریان را در محدوده عملیاتی ایمن GIS و نوک‌های زمین‌کشی نگه می‌دارد.

گزینه‌های مدار

مدار جمع‌آوری سیگنال می‌تواند هر یک از سه مدار آزمون مورد بحث (به جز مدار مبتنی بر نوک زمین‌کشی که تمام خط GIS را پوشش نمی‌دهد) را بگیرد. استفاده همزمان از چند روش می‌تواند دقت اندازه‌گیری را افزایش دهد. در هنگام آزمون، ترانسفورماتورهای ولتاژ و جریان نصب می‌شوند تا مقادیر بالای طرف اول را به سیگنال‌های قابل مدیریت طرف دوم برای سیستم جمع‌آوری تبدیل کنند.

طراحی مدار برای هادی بازگشتی خط GIS مجاور

هنگام استفاده از خط GIS با جریان بالا مجاور به عنوان هادی بازگشتی:

• یک ترانسفورماتور ولتاژ را موازی با طرف خط بوستر جریان متصل کنید.

• یک ترانسفورماتور جریان را سری بین طرف خط بوستر جریان و بوشینگ ورودی GIS نصب کنید.

• سیگنال‌های ولتاژ و جریان طرف دوم را به سیستم جمع‌آوری ارسال کنید.

مدار جمع‌آوری سیگنال طراحی شده در شکل 2 نشان داده شده است. داده‌های ولتاژ و جریان جمع‌آوری شده مربوط به مقادیر کل مدار هستند.

2.4 انتخاب روش محاسبه اختلاف فاز ولتاژ و جریان

این سیستم اندازه‌گیری از روش زاویه فاز عبور صفر برای اندازه‌گیری اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان استفاده می‌کند. روش مذکور امواج اصلی ولتاژ و جریان جمع‌آوری شده را به امواج مربعی شکل می‌دهد، پالس‌های عبور صفر آن‌ها را از طریق مدار دیفرانسیلی به دست می‌آورد، زمان تفاوت بین دو پالس را اندازه‌گیری می‌کند و سپس اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان را محاسبه می‌کند.

فرض کنید زمان لبه صعودی موج مربعی ولتاژ τ₁ و زمان لبه صعودی موج مربعی جریان τ₂ است. سپس فرمول محاسبه اختلاف فاز φ بین دو سیگنال به شرح زیر است:

که در آن: T دوره ولتاژ و جریان است. چون فرکانس ولتاژ و جریان 50 Hz است، دوره آن 0.02 s است. فرمول محاسبه اختلاف فاز ولتاژ و جریان می‌تواند ساده‌سازی شود به:

2.5 روش محاسبه پارامترهای خط

این فرآیندهای محاسبه به حافظه میکروکنترلر برنامه‌ریزی شده‌اند. نرم‌افزار پردازش سیگنال تخصصی برای مدیریت خودکار داده‌ها استفاده می‌شود و نتایج در نمایشگر دستگاه نمایش داده می‌شوند. برای راحتی تحلیل، ولتاژ و جریان ذکر شده به طور پیش‌فرض به ولتاژ و جریان طرف اول تبدیل شده‌اند.

فرض کنید دامنه ولتاژ کل خط جمع‌آوری شده توسط سیستم جمع‌آوری سیگنال U و دامنه جریان خط I است. سپس مقاومت کل خط R₁ و القایی L₁ از فرمول‌های زیر به دست می‌آیند:

اگر مقاومت رسانه اتصال بین بوشینگ‌های خط خروجی GIS اندازه‌گیری شود ρ، مساحت مقطع مؤثر s و طول رسانه l اندازه‌گیری شود، فرمول محاسبه امپدانس این رسانه به شرح زیر است:

با نادیده گرفتن سایر رسانه‌های اتصال، مقاومت معادل R و القایی معادل L خط اصلی لوله GIS از فرمول‌های زیر به دست می‌آیند.

کنترل خطا و بهینه‌سازی

هر روش اندازه‌گیری باید 3 بار در فاصله‌های مختلف تکرار شود تا خطا کاهش یابد. اگر ممکن است، همه 3 روش را همزمان استفاده کنید و نتایج را مقایسه کنید:

• نتایج یکسان: مقدارها را میانگین بگیرید.

• یک ناهماهنگی: برای اتصال‌های آزاد یا خطاهای سیم‌کشی چک کنید؛ اگر مشکلات ادامه داشته باشد، ناهماهنگی را حذف کنید.

• نتایج ناهماهنگ: برای تداخل چک کنید. اگر لازم باشد مدار را اصلاح کنید؛ اگر اختلاف‌ها باقی بمانند پارامترهای نظری را اصلاح کنید.

برای کاهش تداخل و هارمونیک‌ها:

• فیلترهای سخت‌افزاری در مدار جمع‌آوری سیگنال نصب کنید.

• از نرم‌افزار FFT برای استخراج اجزای موج اصلی برای محاسبه استفاده کنید.

3. نتیجه‌گیری

GIS UHV تجهیزات اصلی را در دیواره‌های فلزی بسته‌بندی می‌کند که ایمنی در برابر عوامل محیطی، قابلیت اطمینان بالا و فضای کم را ارائه می‌دهد. برای تأیید ترانسفورماتورهای جریان، استفاده از خطوط GIS مجاور به عنوان هادی بازگشتی سیم‌کشی را ساده می‌کند و ایمنی را تضمین می‌کند، که آن را برای مدارهای آزمون اصلی مناسب می‌کند.

این مطالعه یک سیستم اندازه‌گیری هوشمند برای مدارهای اصلی GIS معرفی می‌کند که اندازه‌گیری دقیق مقاومت معادل و القایی را ممکن می‌سازد. رابط کاربری آسان، دقت بالا و قابلیت‌های ضد تداخل قوی سیستم، خودکارسازی در تأیید GIS را پیش می‌برد. آزمون‌های میدانی بیشتر برای تأیید و بهبود توصیه می‌شود.