تکنولوژی کالیبراسیون و چالش‌ها و راهکارهای آن برای ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی مستقیم

در سیستم‌های برق مدرن، ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی مستقیم (DC) نقش مهمی ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها نه تنها برای اندازه‌گیری دقیق جریان استفاده می‌شوند بلکه به عنوان ابزارهای کلیدی برای بهینه‌سازی شبکه، شناسایی خطا و مدیریت انرژی عمل می‌کنند. با پیشرفت سریع فناوری انتقال جریان مستقیم با ولتاژ بالا (HVDC) و گسترش گسترده آن در سطح جهان، نیازمندی‌های عملکردی ترانسفورماتورهای جریان DC به طور چشمگیری مشدودتر شده‌اند، به ویژه از نظر دقت اندازه‌گیری و سازگاری سیستم. بنابراین، فناوری کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC به عنوان کلیدی برای تضمین عملکرد ایمن، پایدار و کارآمد سیستم‌های برق شناخته شده است.

1 تحلیل فناوری کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC
1.1 اصول اساسی کالیبراسیون

کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC بر اساس اصل مقایسه جریان DC مغناطیسی و فناوری همزمان‌سازی دیجیتال لیزری استوار است. در این میان، مقایسه جریان DC مغناطیسی از فناوری مدولاسیون مغناطیسی برای اندازه‌گیری مقدار جریان DC استفاده می‌کند. این فناوری بر اثر میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان بر خصوصیات مغناطیسی هسته آهن تکیه دارد. در کاربردهای عملی، زمانی که جریان از رساننده اصلی عبور می‌کند، هسته آهن اطراف را مغناطیسی می‌کند. هسته مغناطیسی شده از طریق تغییرات خود، جریان در سیم‌پیچ ثانویه را تحت تأثیر قرار می‌دهد و این تأثیر می‌تواند به عنوان مبنای اندازه‌گیری مقدار جریان در رساننده اصلی استفاده شود.

1.2 ترکیبات سیستم کالیبراسیون

سیستم کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC عمدتاً شامل منبع جریان DC، اتصال و همزمان‌سازی دستگاه استاندارد و دستگاه تحت آزمایش، و واحد جمع‌آوری داده‌های با دقت بالا است. طراحی و عملکرد هر بخش در دقت و قابلیت اطمینان فرآیند کالیبراسیون نقش تعیین‌کننده‌ای دارد.

• منبع جریان DC مسئول ارائه یک جریان پایدار و قابل تنظیم برای کالیبراسیون است. طراحی آن باید نیازمندی‌های پایداری بالا و خروجی با نوسانات کم را برای شبیه‌سازی عملکرد ترانسفورماتور جریان در شرایط مختلف جریان برآورده کند. برای رسیدن به این هدف، منبع جریان معمولاً از مولفه‌های الکترونیکی قدرت با دقت بالا و یک سیستم کنترل بازخورد حلقه بسته برای تنظیم خروجی در زمان واقعی و حفظ پایداری جریان استفاده می‌کند. حتی در صورت تغییر بار یا نوسانات تغذیه، می‌تواند دقت خروجی جریان را تضمین کند.

• وقتی منبع جریان DC جریان پایه را ارائه می‌دهد، اتصال صحیح و همزمان‌سازی دستگاه استاندارد و دستگاه تحت آزمایش، پیوندهای کلیدی برای تضمین دقت نتایج کالیبراسیون هستند. دستگاه استاندارد معمولاً یک دستگاه با دقت بالا معتبر شده توسط دولت است که مقدار جریان با دقت مشخصی را به عنوان مرجع ارائه می‌دهد؛ دستگاه تحت آزمایش ترانسفورماتور جریان مورد آزمایش است. در طول فرآیند کالیبراسیون، دستگاه استاندارد و دستگاه تحت آزمایش باید در همزمانی دقیق عمل کنند تا مطمئن شویم تمام داده‌های اندازه‌گیری در شرایط عملکرد یکسان به دست آمده‌اند.

1.3 روش‌های کالیبراسیون

در فرآیند کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC، انتخاب روش‌های کالیبراسیون نقش تعیین‌کننده‌ای در دقت و قابلیت اطمینان نتایج اندازه‌گیری دارد. کالیبراسیون محلی و آزمایشگاهی هر کدام مزایا و معایب منحصر به فرد خود را دارند. روش اندازه‌گیری مستقیم دیجیتال با دقت بالا وسیله‌ای مؤثر برای کالیبراسیون فراهم می‌کند. روش‌های کالیبراسیون برای خروجی‌های آنالوگ و دیجیتال به طور خاص برای ترانسفورماتورهای جریان با انواع خروجی متفاوت تنظیم شده‌اند تا به انواع سناریوهای کاربردی تطبیق یابند.

(1) مقایسه بین کالیبراسیون محلی و آزمایشگاهی

تفاوت‌های قابل توجهی بین این دو در مورد روش‌ها و محیط‌ها وجود دارد:

• کالیبراسیون محلی: در محل نصب ترانسفورماتور جریان مستقیماً انجام می‌شود و می‌تواند تأثیر عوامل محیطی مانند دما، رطوبت و تداخل الکترومغناطیسی را منعکس کند. این روش برای تجهیزات بزرگ که محل نصب آنها به سختی قابل جابجایی یا نیاز به تأیید عملکرد دارد مناسب است. با این حال، اگر تعداد زیادی از عوامل نامساعد در محل وجود داشته باشد و متغیرهای محیطی نتوانند به طور موثر کنترل شوند، دقت کالیبراسیون ممکن است تحت تأثیر قرار گیرد.

• کالیبراسیون آزمایشگاهی: محیط می‌تواند به طور موثر کنترل شود و شرایط آزمایشی می‌توانند به طور دقیق تنظیم شوند که تکرارپذیری و دقت کالیبراسیون را افزایش می‌دهد. با این حال، محیط آزمایشگاهی نمی‌تواند کاملاً سناریوی کاری محلی را شبیه‌سازی کند و تحلیل جامع تأثیر محیط محلی بر عملکرد تجهیزات دشوار است.

(2) روش اندازه‌گیری مستقیم دیجیتال با دقت بالا

با کمک تجهیزات اندازه‌گیری دیجیتال با دقت بالا، خروجی ترانسفورماتور جریان مستقیماً خوانده شده و با مقدار استاندارد شناخته شده مقایسه می‌شود تا نتیجه کالیبراسیون به سرعت و کارآمد به دست آید و خطاهای میانی کاهش یابند.

(3) روش‌های کالیبراسیون برای خروجی‌های آنالوگ و دیجیتال

مزیت این روش در در نظر گرفتن کامل خصوصیات خروجی ترانسفورماتورهای جریان مختلف است:

• روش خروجی آنالوگ: از یک دستگاه اندازه‌گیری جریان با دقت بالا برای خواندن مقدار خروجی استفاده می‌شود و سپس با مقدار استاندارد مقایسه می‌شود تا دقت تبدیل و اندازه‌گیری سیگنال آنالوگ تضمین شود.

• روش خروجی دیجیتال: در فرآیند کالیبراسیون، نرم‌افزار تحلیل و فناوری همزمان‌سازی برای انتقال و پردازش داده‌ها ترکیب می‌شوند تا مطمئن شویم دقت کالیبراسیون نیازهای مورد نظر را برآورده می‌کند، که برای نیازهای کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان با خروجی دیجیتال مناسب است.

2 چالش‌ها و راه‌حل‌ها در کاربرد فناوری کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC
2.1 مقاومت در برابر تداخل محلی

در هنگام کاربرد کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC در محل، تداخل الکترومغناطیسی شدیدی رخ می‌دهد. این تداخل از محیط الکترومغناطیسی شبکه ولتاژ بالا ناشی می‌شود، شامل تابش از کابل‌ها/تجهیزات و نویز تولید شده توسط سیستم. چنین تداخلی دقت اندازه‌گیری را تحت تأثیر قرار می‌دهد، منجر به انحراف داده‌های کالیبراسیون در سیستم‌های HVDC و حتی آسیب دیدن مولفه‌ها می‌شود. این امر هم خطاهای فوری و هم مشکلات پایداری و قابلیت اطمینان بلندمدت را به همراه دارد.

برای مقابله با این مشکل، بهینه‌سازی ساختار محافظ مغناطیسی کلیدی است. اصل این است که از مواد با نفوذپذیری بالا برای ساخت لایه محافظ حول بخش‌های حساس استفاده شود تا میدان‌های مغناطیسی خارجی را مسدود کند. در طراحی، محیط واقعی (نوع، شدت و فرکانس تداخل) را ارزیابی کنید زیرا این عوامل روی کارایی محافظ تأثیر می‌گذارند. ساختار لایه‌ای با چند لایه از مواد با نفوذپذیری متفاوت بهتر عمل می‌کند. برای مثال، لایه بیرونی از مواد با نفوذپذیری بالا برای جذب بیشتر میدان‌های مغناطیسی و لایه داخلی از مواد با مقاومت الکتریکی بالا برای مسدود کردن میدان‌های باقی‌مانده استفاده می‌شود. داده‌های طراحی محافظ مغناطیسی بهینه‌شده در جدول 1 آورده شده است.

2.2 دقت همزمان‌سازی دیجیتال

در کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC، دقت همزمان‌سازی بسیار مهم است. کالیبراسیون اغلب نیاز به همزمان‌سازی چندین دستگاه/منبع داده در موقعیت‌های پراکنده دارد. دقت و قابلیت اطمینان داده‌ها به همزمان‌سازی زمانی بستگی دارد؛ انحراف‌های کوچک منجر به عدم دقت می‌شود که تأثیر می‌گذارد بر کارایی و ایمنی سیستم برق. انتخاب و بهینه‌سازی فناوری‌های همزمان‌سازی و مقایسه همزمان‌سازی لیزری و GPS ضروری است.

در انتخاب و بهینه‌سازی، چالش کنترل محیط‌های قدرت پیچیده و توزیع جغرافیایی گسترده برای همزمان‌سازی دقیق است. در محیط‌های با تداخل شدید، روش‌های سنتی ناموفق هستند. راه‌حل‌ها شامل معرفی پروتکل زمان دقیق IEEE1588 و استفاده از زمان‌داری دقیق و ارتباطات مدرن برای همزمان‌سازی است.

همازمان‌سازی لیزری با سرعت بالا و مقاومت در برابر تداخل، برای سناریوهای با دقت بالا (مانند مراکز داده) مناسب است. این روش توسط تداخل الکترومغناطیسی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد و محضیت سیگنال را تضمین می‌کند، اما هزینه‌های نصب بالا دارد. همزمان‌سازی GPS ارزان‌تر است، محدوده گسترده‌ای را پوشش می‌دهد و برای شبکه‌های پراکنده مناسب است. از سیگنال‌های ماهواره‌ای برای زمان‌داری استفاده می‌کند اما در محیط‌های با تداخل شدید کمتر پایدار است. مقایسه دقت همزمان‌سازی در شرایط مختلف تداخل در شکل 1 آورده شده است.

برای مقابله با این چالش‌ها، فناوری همزمان‌سازی مناسب بر اساس محیط کاربرد و نیازهای کالیبراسیون انتخاب شود. برای سناریوهای با EMI کم و دقت بالا، همزمان‌سازی لیزری اولویت داده شود. برای شبکه‌های قدرت پراکنده جغرافیایی، همزمان‌سازی GPS را در نظر بگیرید و مکان قرارگیری گیرنده را بهینه کنید تا تداخل سیگنال کاهش یابد. ترکیب هر دو برای افزودن قابلیت اطمینان و دقت همزمان‌سازی نیز افزایش می‌یابد.

3 نتیجه‌گیری

به طور کلی، با انجام تحقیقات عمیق درباره فناوری کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC و کاربردهای آن، نه تنها برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان ترانسفورماتورهای جریان اهمیت بسیاری دارد، بلکه عامل کلیدی در ترویج نوآوری فنی و توسعه پایدار سیستم‌های برق نیز است. در آینده، در حالی که به بهینه‌سازی فناوری کالیبراسیون ادامه داده می‌شود، باید به عملکرد این فناوری‌ها در کاربردهای عملی نیز توجه شود تا مطمئن شویم که می‌توانند نیازهای استاندارد بالای شبکه‌های برق مدرن را برآورده کنند.