انتخاب مدار اصلی تأیید و اندازه‌گیری پارامترها برای ترانس‌های جریان GIS با ولتاژ بسیار بالا

در GIS UHV، ترانسفورماتورهای جریان کلیدی در اندازه‌گیری انرژی الکتریکی هستند. دقت آنها تعیین‌کننده سازش‌های مالی برق است، بنابراین بررسی خطا در محل بر اساس JJG1021 - 2007 ضروری 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 رسانه‌های بازگشتی عرضه شده؛ مدارهای صحیح ساده‌سازی سیم‌کشی و افزایش دقت را فراهم می‌کنند.

چالش‌هایی مانند جریان آزمون بزرگ، مدارهای طولانی و مقاومت بالا وجود دارد، اما جبران واکنشی (با استفاده از واکنش القایی بالاتر در مدارهای اصلی GIS) نیاز به ظرفیت تجهیزات را کاهش می‌دهد. اندازه‌گیری دقیق پارامترهای مدار اصلی کلیدی برای جبران 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 تأیید را انتخاب کند؛ روش‌های هوشمندانه را توسعه می‌دهد تا هوشمندی و خودکاری اندازه‌گیری پارامتر را افزایش دهد.

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

GIS تجهیزات اصلی زیرстан را (به جز ترانسفورماتورها) در هشت مؤلفه (مانند CB، DS) یکپارچه می‌کند. GIS در پوسته‌های فلزی قرار داده شده و مزایای زیر را ارائه می‌دهد: کوچک‌سازی (با استفاده از SF₆)، کم‌فضایی)، قابلیت اطمینان بالا (اجزای زنده مسدود شده مقاوم به محیط و زلزله)، ایمنی (بدون ریسک صدای الکتریکی/حریق)، عملکرد فوق‌العاده (واکنش‌پذیری EM/استاتیک، بدون تداخل)، نصب کوتاه (ساخت کارخانه‌ای زمان نصب در محل را کاهش می‌دهد)، نگهداری آسان و بازرسی طولانی (ساختار خوب، خاموشی قوس پیشرفته).

1.2 انتخاب مدار

قطع‌کننده‌های مدار در وسط خطوط GIS قرار دارند، با ترانسفورماتورهای جریان در دو طرف. جداکننده‌ها در خارج قرار دارند، همراه با کلیدهای زمین‌کشی برای حفاظت. خطوط از (SF₆) استفاده می‌کنند و ترانسفورماتورها نیمه‌ریزه اپوکسی دارند. به دلیل پوشش، از کلیدهای زمین‌کشی و بوشینگ‌های علنی + رسانه‌های بازگشتی استفاده می‌شود. چهار گزینه وجود دارد: کلیدهای زمین‌کشی در انتهای قطع‌کننده‌ها، پوسته‌های خط GIS، رسانه‌های جریان بزرگ، یا مجاورت با لاین‌های GIS به عنوان بازگشت. پس از حل جبران واکنشی، لاین‌های GIS مجاور (ایمن، ساده، قابل اجرایی) برای تأیید در محل انتخاب می‌شوند.

2 تحقیق درباره سیستم‌های اندازه‌گیری هوشمند مدارهای اصلی GIS
2.1 تحلیل روش اندازه‌گیری پارامتر

مدارهای اصلی GIS مقاومت معادل R و واکنش القایی Z_L دارند. روش‌های معمول (اندازه‌گیری R، اعمال AC، محاسبه میانگین مقاومت Z سپس Z_L) نیاز به تعداد زیادی دستگاه، عملیات پیچیده و محاسبات سنگین دارند. این مقاله سیستم‌های هوشمند را توسعه می‌دهد. وظایف کلیدی: طراحی سیستم (تطابق مؤلفه‌ها، برنامه‌ریزی فرآیند)، تعیین جمع‌آوری سیگنال (نقاط، روش‌ها، مدارهای ولتاژ/جریان)، یافتن تفاوت فاز ولتاژ-جریان، انتخاب روش‌های پارامتر خط (از تفاوت دامنه/فاز، به دست آوردن مقاومت معادل/واکنش القایی)، غلبه بر هارمونیک‌ها/تداخل برای دقت.

2.2 طراحی کلی سیستم اندازه‌گیری هوشمند

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

مؤلفه‌های سیستم

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

• فیلتر: سیگنال‌های تداخلی را حذف می‌کند.

• کلید چندگانه: امکان مشترک استفاده از ولتاژ و جریان از یک مبدل A/D را فراهم می‌کند و هزینه سخت‌افزاری را کاهش می‌دهد.

• تقویت‌کننده سیگنال خودکار: بر اساس قدرت سیگنال به صورت خودکار تقویت می‌کند تا خروجی پایدار 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 دوستانه کاربر عملیات سیستم را ساده می‌کند.

• چاپگر: نتایج اندازه‌گیری را درخواستی خروجی می‌دهد.

فرآیند عملیاتی

سیگنال‌های جمع‌آوری شده پردازش شده و به میکروکنترلر منتقل می‌شوند، که برنامه‌های پردازش سیگنال پیش‌نصب شده را اجرا می‌کند. سیستم داده‌ها را از طریق نرم‌افزار اختصاصی تجزیه و تحلیل می‌کند، نتایج را محاسبه می‌کند و آن‌ها را روی صفحه نمایش می‌نمایاند.

2.3 طراحی مدار جمع‌آوری سیگنال

با توجه به اینکه اندازه‌گیری پارامترهای مدار اصلی نیاز به جریان‌های بالا ندارد، سیستم از منبع تغذیه تنظیم‌شده با خروجی 200A استفاده می‌کند. پس از عبور از بوستر جریان، جریان القایی در سمت خطی به مراتب کمتر از جریان اسمی GIS است، که نیاز به تجهیزات با ظرفیت بالا را کاهش می‌دهد. این تنظیم جریان را در محدوده عملیاتی ایمن GIS و کلیدهای زمین‌کشی نگه می‌دارد.

گزینه‌های مدار

مدار جمع‌آوری سیگنال می‌تواند هر یک از سه مدار آزمون بحث شده (به جز مدار مبتنی بر کلید زمین‌کشی که تمام خط GIS را پوشش نمی‌دهد) را اتخاذ کند. استفاده همزمان از چندین روش می‌تواند دقت اندازه‌گیری را افزایش دهد. در طول آزمون، ترانسفورماتورهای ولتاژ و جریان نصب می‌شوند تا مقادیر بالای سمت اولیه را به سیگنال‌های قابل مدیریت در سمت ثانویه برای سیستم جمع‌آوری تبدیل کنند.

طراحی مدار برای رسانه بازگشتی لاین GIS مجاور

هنگام استفاده از لاین GIS با جریان بالا مجاور به عنوان رسانه بازگشتی:

• یک ترانسفورماتور ولتاژ را موازی با سمت خطی بوستر جریان متصل کنید.

• یک ترانسفورماتور جریان را در سری بین سمت خطی بوستر جریان و بوشینگ ورودی GIS نصب کنید.

• سیگنال‌های ولتاژ و جریان سمت ثانویه را به سیستم جمع‌آوری وارد 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 تفاوت فاز ولتاژ و جریان

این سیستم اندازه‌گیری از روش زاویه فاز عبور صفر برای اندازه‌گیری تفاوت فاز بین ولتاژ و جریان استفاده می‌کند. روش زاویه فاز عبور صفر شامل شکل‌دهی به مولفه‌های اساسی سیگنال‌های جمع‌آوری شده ولتاژ و جریان به موج مربعی، به دست آوردن پالس‌های عبور صفر آن‌ها از طریق مدار مشتق، اندازه‌گیری تفاوت زمان بین دو پالس و سپس محاسبه تفاوت فاز بین ولتاژ و جریان است.

فرض کنید زمان لبه صعودی موج مربعی ولتاژ τ₁ و زمان لبه صعودی موج مربعی جریان τ₂ است. سپس، فرمول محاسبه تفاوت 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 ثانیه است. فرمول محاسبه تفاوت فاز ولتاژ و جریان می‌تواند به صورت زیر ساده شود:

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 سمت اولیه 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 واسطه بین بوشینگ‌های لاین خروجی GIS اندازه‌گیری شود ρ، مساحت مقطع مؤثر s و طول رسانه l باشد، سپس فرمول محاسبه امپدانس این واسطه به شرح زیر است:

با نادیده گرفتن سایر واسطه‌ها، مقاومت معادل R و القایی معادل L مدار اصلی خط GIS از فرمول‌های زیر به دست می‌آیند:

کنترل خطا و بهینه‌سازی

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

• نتایج یکسان: مقادیر را میانگین کنید.

• یک ناهماهنگی: برای اتصالات و سیم‌کشی‌های آزاد بررسی کنید؛ اگر مشکلات ادامه دارد، ناهماهنگی را حذف کنید.

• نتایج ناهماهنگ: برای تداخل بررسی کنید. اگر لازم باشد مدار را اصلاح کنید؛ اگر اختلافات ادامه دارد، پارامترهای نظری را بازنگری کنید.

برای کاهش تداخل و هارمونیک‌ها:

• فیلترهای سخت‌افزاری در مدار جمع‌آوری سیگنال نصب کنید.

• از نرم‌افزار FFT برای استخراج مولفه‌های اساسی و محاسبه استفاده کنید.

3. نتیجه‌گیری

GIS UHV تجهیزات اصلی را در تانک‌های فلزی مسدود شده یکپارچه می‌کند، که ایمنی در برابر عوامل محیطی، قابلیت اطمینان بالا و حداقل فضای مورد نیاز را ارائه می‌دهد. برای تأیید ترانسفورماتورهای جریان، استفاده از لاین‌های GIS مجاور به عنوان رسانه بازگشتی سیم‌کشی را ساده می‌کند و ایمنی را تضمین می‌کند، که آن را برای مدارهای تشخیص اولیه مناسب می‌کند.

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