تحديات تقنية التسوية وتدابير مواجهتها لمحولات التيار الكهربائي المستمرة

في الأنظمة الكهربائية الحديثة، تلعب المحولات الإلكترونية الحالية المستمرة دورًا حاسمًا. فهي لا تُستخدم فقط لقياس التيار بدقة عالية ولكنها أيضًا أداة رئيسية لتحسين الشبكة وكشف العيوب وإدارة الطاقة. مع التطور السريع للتكنولوجيا الناقلة للتيار المباشر ذو الجهد العالي (HVDC) وانتشارها على نطاق واسع حول العالم، أصبحت متطلبات الأداء للمحولات الحالية المستمرة أكثر صرامة، خاصة فيما يتعلق بدقة القياس ومتوافقية النظام. لذلك، أصبحت تقنية المعايرة للمحولات الإلكترونية الحالية المستمرة هي المفتاح لضمان التشغيل الآمن والاستقرار والكفاءة لأنظمة الطاقة.

1 تحليل تقنية المعايرة للمحولات الإلكترونية الحالية المستمرة
1.1 المبادئ الأساسية للمعايرة

تعتمد معايرة المحولات الإلكترونية الحالية المستمرة على مبدأ المقارنة بين التيار المستمر باستخدام التعديل المغناطيسي والتزامن الرقمي عبر الألياف الضوئية. من بينها، يستخدم مقارن التيار المستمر بتقنية التعديل المغناطيسي لقياس حجم التيار المستمر. تعتمد هذه التقنية على تأثير المجال المغناطيسي المتولد من التيار على خصائص الحديد المغناطيسية. في التطبيقات العملية، عندما يتدفق التيار عبر الموصل الرئيسي، فإنه يغناطيس الحديد المحيط. يؤثر الحديد المغناطيس على التيار في ملف ثانوي من خلال تغييراته، ويمكن استخدام هذا التأثير كأساس لقياس حجم التيار في الموصل الرئيسي.

1.2 تركيب نظام المعايرة

يتكون نظام المعايرة للمحولات الإلكترونية الحالية المستمرة بشكل أساسي من مصدر التيار المستمر، والتوصيل والتزامن بين الجهاز القياسي والجهاز تحت الاختبار، ووحدة الاستشعار عالية الدقة. تصميم ووظيفة كل جزء تلعب دورًا حاسمًا في دقة ومعولية عملية المعايرة.

• يقوم مصدر التيار المستمر بتوفير تيار مستقر وقابل للتعديل لعملية المعايرة. يجب أن يكون تصميمه يلبي متطلبات الاستقرار العالي والإخراج المنخفض للأمواج لمحاكاة أداء المحول تحت ظروف مختلفة للتيار. لتحقيق هذا الهدف، عادةً ما يتم استخدام مكونات إلكترونية دقيقة ونظام تحكم بردود الفعل ذات الحلقة المغلقة لتغيير الإخراج في الوقت الحقيقي والحفاظ على استقرار التيار. حتى عند تغير الحمل أو التقلبات في التغذية، يمكن ضمان دقة التيار الخارج.

• عندما يقدم مصدر التيار المستمر التيار الأساسي، فإن التوصيل الصحيح والتزامن بين الجهاز القياسي والجهاز تحت الاختبار هما روابط أساسية لضمان دقة نتائج المعايرة. يعتبر الجهاز القياسي عادةً جهازًا دقيقًا معتمدًا من الدولة، يوفر قيمة تيار معروفة الدقة كمرجع؛ بينما يكون الجهاز تحت الاختبار هو المحول الذي سيتم اختباره. أثناء عملية المعايرة، يجب تشغيل الجهاز القياسي والجهاز تحت الاختبار بشكل متشابك تمامًا لضمان الحصول على جميع بيانات القياس تحت نفس شروط التشغيل.

1.3 طرق المعايرة

في عملية معايرة المحولات الإلكترونية الحالية المستمرة، يلعب اختيار طرق المعايرة دورًا حاسمًا في دقة ومعولية نتائج القياس. لكل من المعايرة على الموقع والمعايرة في المختبر مزايا وعيوب فريدة. توفر طريقة القياس الرقمي المباشر عالية الدقة وسيلة فعالة للمعايرة. يتم تعديل طرق المعايرة للإخراج التناظري والإخراج الرقمي خصيصًا لمحولات التيار المختلفة لنوع الإخراج لتكييفها مع سيناريوهات التطبيق المختلفة.

(1) مقارنة بين المعايرة على الموقع والمعايرة في المختبر

هناك اختلافات كبيرة بينهما من حيث الطرق والبيئة:

• المعايرة على الموقع: تتم مباشرة في موقع تركيب المحول ويمكن أن تعكس تأثير عوامل البيئة مثل درجة الحرارة والرطوبة والتشويش الكهرومغناطيسي. تناسب المعدات الكبيرة التي يكون موقع تركيبها صعب الحركة أو يحتاج إلى تحقق من أدائها. ومع ذلك، إذا كان هناك العديد من العوامل غير المواتية على الموقع ولا يمكن السيطرة على المتغيرات البيئية بشكل فعال، فمن المرجح أن تكون دقة المعايرة متأثرة.

• المعايرة في المختبر: يمكن السيطرة على البيئة بشكل فعال ويمكن تنظيم شروط الاختبار بدقة، مما يحسن من القابلية للتكرار ودقة المعايرة. ومع ذلك، لا يمكن للبيئة المختبرية محاكاة سيناريو العمل على الموقع بشكل كامل، ويصعب تحليل تأثير البيئة على أداء المعدات بشكل شامل.

(2) طريقة القياس الرقمي المباشر عالية الدقة

بمساعدة معدات القياس الرقمية عالية الدقة، يتم قراءة الإخراج من المحول مباشرة ومقارنته بالقيمة القياسية المعروفة، مما يسمح بتحقيق نتيجة المعايرة بسرعة وكفاءة وتقليل الخطأ في الوصلات الوسيطة.

(3) طرق المعايرة للإخراج التناظري والإخراج الرقمي

تكمن ميزة هذه الطريقة في اعتبار خصائص الإخراج لمختلف أنواع محولات التيار:

• طريقة الإخراج التناظري: يتم استخدام جهاز قياس التيار عالي الدقة لقراءة قيمة الإخراج، ثم يتم مقارنتها بالقيمة القياسية للمعايرة لضمان دقة تحويل وإجراء القياس التناظري.

• طريقة الإخراج الرقمي: في عملية المعايرة، يتم الجمع بين برامج التحليل والتزامن التكنولوجي لنقل ومعالجة البيانات لضمان أن دقة المعايرة تلبي المتطلبات، وهي مناسبة لاحتياجات المعايرة لمحولات التيار ذات الإخراج الرقمي.

2 التحديات والحلول في تطبيق تقنية معايرة محولات التيار الإلكترونية المستمرة
2.1 مقاومة التداخل على الموقع

عند تطبيق معايرة محولات التيار الإلكترونية المستمرة على الموقع، يحدث تداخل كهرومغناطيسي شديد. ينشأ من بيئة الشبكة ذات الجهد العالي، بما في ذلك الإشعاع من الكابلات/المعدات والضوضاء المنبعثة من النظام. هذا التداخل يؤثر على دقة القياس، مما يؤدي إلى انحرافات في بيانات المعايرة في أنظمة HVDC وحتى تلف المكونات. يتسبب في أخطاء فورية ومشاكل طويلة الأمد في الاستقرار والموثوقية.

لمواجهة ذلك، تعتبر تحسين بنية الدروع المغناطيسية أمرًا حاسمًا. المبدأ هو استخدام مواد ذات النفاذية المغناطيسية العالية لبناء طبقة درع حول الأجزاء الحساسة، مما يحجب المجالات المغناطيسية الخارجية. عند التصميم، يجب تقييم البيئة الفعلية (نوع التداخل، الشدة، التردد) حيث تؤثر هذه العوامل على فعالية الدروع. تعمل الهيكلة الطباقية مع مواد ذات نفاذية مغناطيسية مختلفة بشكل أفضل. على سبيل المثال، تستخدم الطبقة الخارجية مواد ذات نفاذية مغناطيسية عالية لامتصاص معظم المجالات المغناطيسية، بينما تستخدم الطبقة الداخلية مواد ذات مقاومة عالية لمنع المجالات المتبقية. توجد بيانات تصميم الدروع المغناطيسية المحسنة في الجدول 1.

2.2 دقة التزامن الرقمي

في معايرة محولات التيار الإلكترونية المستمرة، تعتبر دقة التزامن أمرًا حاسمًا. غالبًا ما تتطلب المعايرة مزامنة عدة أجهزة ومصادر بيانات في مواقع متباعدة. تعتمد دقة ومعولية البيانات على التزامن الزمني؛ حيث يمكن أن تسبب الانحرافات الصغيرة عدم الدقة، مما يؤثر على كفاءة وأمان نظام الطاقة. اختيار وتحسين تقنية التزامن ومقارنة التزامن عبر الألياف الضوئية وGPS أمر حاسم.

في اختيار وتحسين، التحدي يكمن في السيطرة على بيئات الطاقة المعقدة والتوزيع الجغرافي الواسع لتحقيق التزامن الدقيق. في البيئات ذات التداخل الشديد، تفشل الطرق التقليدية. الحلول تشمل تقديم بروتوكول وقت دقيق IEEE1588 واستخدام التوقيت الدقيق والاتصال الحديث للتزامن.

تزامن الألياف الضوئية، بسرعته العالية ومقاومته للتداخل، يناسب السيناريوهات عالية الدقة (مثل مراكز البيانات). فهو غير متأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي، مما يضمن نقاء الإشارة، ولكنه يكلف الكثير في التنشر. التزامن عبر GPS اقتصادي، يغطي مناطق واسعة، ومناسب للشبكات المنتشرة. يستخدم إشارات الأقمار الصناعية للتوقيت ولكن أقل استقرارًا تحت التداخل الشديد. مقارنة دقة التزامن تحت تداخلات مختلفة موجودة في الشكل 1.

لمواجهة هذه التحديات، يجب اختيار تقنية التزامن المناسبة بناءً على بيئة التطبيق ومتطلبات المعايرة. يفضل استخدام التزامن عبر الألياف الضوئية في السيناريوهات ذات التداخل الكهرومغناطيسي المنخفض ودقة عالية. بالنسبة للشبكات الكهربائية المنتشرة جغرافيًا، يجب النظر في التزامن عبر GPS وتحسين وضع المستقبل لتقليل تداخل الإشارة. الجمع بين كلا الطريقتين يضيف احتياطية ويحسن من دقة التزامن ومعولية النظام.

3 الخاتمة

في الختام، من خلال إجراء بحث عميق حول تقنية معايرة محولات التيار الإلكترونية المستمرة وتطبيقاتها، ليس لها أهمية كبيرة فقط في تحسين أداء ومعولية محولات التيار، بل هي أيضًا عاملاً رئيسيًا في دفع الابتكار التكنولوجي والتنمية المستدامة لأنظمة الطاقة. في المستقبل، بينما يستمر في تحسين تقنية المعايرة، يجب أيضًا الانتباه لأداء هذه التقنيات في التطبيقات العملية لضمان أنها تستوفي المتطلبات القياسية العالية لأنظمة الشبكات الكهربائية الحديثة.