چالش‌های فناوری کالیبراسیون و راهکارها برای ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی مستقیم
در سیستم‌های برق مدرن، ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی مستقیم (DC) نقش مهمی ایفا می‌کنند. این ترانسفورماتورها 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 گسترده شدن آن در سطح جهانی، الزامات 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 عامل 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 مستقیم مغناطیسی و فناوری همزمان‌سازی دیجیتالی لیزری استوار است. در این میان، مقایسه‌گر جریان مستقیم مغناطیسی از فناوری مدولاسیون مغناطیسی برای اندازه‌گیری مقدار جریان DC استفاده می‌کند. این فناوری بر اثر میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان بر ویژگی‌های مغناطیسی هسته آهن تکیه می‌کند. در کاربردهای عملی، زمانی که جریان از رساننده اصلی می‌گذرد، هسته آهن اطراف را مغناطیسی می‌کند. هسته آهن مغناطیسی از طریق تغییرات خود بر جریان در سیم‌پیچ ثانویه تأثیر می‌گذارد و این تأثیر می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای اندازه‌گیری مقدار جریان در رساننده اصلی استفاده شود.
1.2 ترکیبات سیستم کالیبراسیون
سیستم کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC عموماً شامل منبع جریان DC، اتصال و همزمان‌سازی دستگاه استاندارد و دستگاه تحت آزمایش، و واحد گرفتن داده با دقت بالا است. طراحی و عملکرد هر قسمت در دقت و قابلیت اطمینان فرآیند کالیبراسیون نقش تعیین‌کننده‌ای دارد.
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 کالیبراسیون آزمایشگاهی هر کدام مزایا و معایب منحصر به فرد خود را دارند. روش اندازه‌گیری مستقیم دیجیتال با دقت بالا وسیله‌ای کارآمد برای کالیبراسیون فراهم می‌کند. روش‌های کالیبراسیون برای خروجی‌های آنالوگ و دیجیتال به طور خاص برای ترانسفورماتورهای جریان با انواع خروجی مختلف تنظیم شده‌اند تا به سناریوهای کاربردی متنوع تطبیق یابند.
(1) مقایسه کالیبراسیون محلی و کالیبراسیون آزمایشگاهی
تفاوت‌های قابل توجهی بین دو روش از نظر روش‌ها و محیط‌ها وجود دارد:
(2) روش اندازه‌گیری مستقیم دیجیتال با دقت بالا
با کمک تجهیزات اندازه‌گیری دیجیتال با دقت بالا، خروجی ترانسفورماتور جریان به طور مستقیم خوانده شده و با مقدار استاندارد شناخته شده مقایسه می‌شود، به طوری که نتیجه کالیبراسیون به سرعت و کارآمد به دست می‌آید و خطای واسطه‌ها کاهش می‌یابد.
(3) روش‌های کالیبراسیون برای خروجی‌های آنالوگ و دیجیتال
مزیت این روش در توجه کامل به ویژگی‌های خروجی ترانسفورماتورهای جریان مختلف است:
2 چالش‌ها و راهکارها در کاربرد فناوری کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC
2.1 مقاومت در برابر تداخل در محل
هنگام کاربرد کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC در محل، تداخل الکترومغناطیسی شدیدی رخ می‌دهد. این تداخل از محیط الکترومغناطیسی شبکه با ولتاژ بالا ناشی می‌شود، از جمله تشعشعات از کابل‌ها/تجهیزات و نویز تولید شده توسط سیستم. این تداخل بر دقت اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد و باعث انحراف داده‌های کالیبراسیون در سیستم‌های HVDC می‌شود و حتی ممکن است مؤلفه‌ها را آسیب ببیند. این تداخل هم خطاهای فوری و هم مسائل بلندمدت پایداری و قابلیت اطمینان را ایجاد می‌کند.
برای مقابله با این مسئله، بهینه‌سازی ساختار محافظ مغناطیسی کلیدی است. اصل این است که از مواد با نفوذپذیری بالا برای ساخت یک لایه محافظ حول قسمت‌های 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 بر روی کارایی محافظ تأثیر می‌گذارند. ساختار لایه‌ای با لایه‌های چندگانه از مواد با نفوذپذیری مختلف بهتر کار می‌کند. به عنوان مثال، لایه بیرونی از مواد با نفوذپذیری بالا استفاده می‌کند تا بیشتر میدان‌های مغناطیسی را جذب کند و لایه داخلی از مواد با مقاومت الکتریکی بالا برای مسدود کردن میدان‌های باقی‌مانده استفاده می‌کند. 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 معمولاً نیاز به همزمان‌سازی چند دستگاه/منبع داده در مکان‌های پراکنده دارد. دقت و قابلیت اطمینان داده‌ها به همزمان‌سازی زمانی بستگی دارد؛ انحراف‌های کوچک باعث عدم دقت می‌شوند و تأثیرات آن بر کارایی و ایمنی سیستم برق را می‌گذارد. انتخاب و بهینه‌سازی فناوری‌های همزمان‌سازی و مقایسه همزمان‌سازی لیزری و GPS ضروری است.
در انتخاب و بهینه‌سازی، چالش کنترل محیط‌های پیچیده برق و توزیع جغرافیایی گسترده برای همزمان‌سازی دقیق است. در محیط‌های با تداخل قوی، روش‌های سنتی ناکام می‌شوند. راه‌حل‌ها شامل معرفی پروتکل زمان دقیق IEEE1588 و استفاده از زمان‌گذاری دقیق و ارتباطات مدرن برای همزمان‌سازی هستند.
همزمان‌سازی لیزری با سرعت بالا و مقاومت در برابر تداخل برای سناریوهای با دقت بالا (مثلاً مراکز داده) مناسب است. این روش توسط تداخل الکترومغناطیسی تأثیر نمی‌پذیرد و خلوص سیگنال را تضمین می‌کند، اما هزینه‌های نصب بالاست. همزمان‌سازی GPS از نظر هزینه‌ای اقتصادی است، محدوده گسترده‌ای را پوشش می‌دهد و برای شبکه‌های پراکنده مناسب است. این روش از سیگنال‌های ماهواره‌ای برای زمان‌گذاری استفاده می‌کند اما در محیط‌های با تداخل شدید کمتر پایدار است. مقایسه دقت همزمان‌سازی در تداخل‌های مختلف در شکل 1 آورده شده است.
برای مقابله با این چالش‌ها، بر اساس محیط کاربرد و نیازهای کالیبراسیون، فناوری همزمان‌سازی مناسب را انتخاب کنید. برای سناریوهای با EMI کم و دقت بالا، اولویت همزمان‌سازی لیزری را دهید. برای شبکه‌های برق پراکنده جغرافیایی، همزمان‌سازی GPS را در نظر بگیرید و مکان گیرنده‌ها را بهینه کنید تا تداخل سیگنال را کاهش دهید. ترکیب هر دو برای افزودن اضافه‌بار همچنین دقت همزمان‌سازی و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
3 نتیجه‌گیری
به طور خلاصه، با انجام تحقیقات عمیق در فناوری کالیبراسیون ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی DC و کاربردهای آنها، این موضوع نه تنها اهمیت بسیاری در بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان ترانسفورماتورهای جریان دارد بلکه عامل کلیدی در تحریک نوآوری فناوری و توسعه پایدار سیستم‌های برق است. در آینده، در حالی که به بهینه‌سازی فناوری کالیبراسیون ادامه می‌دهیم، باید به عملکرد این فناوری‌ها در کاربردهای عملی نیز توجه کنیم تا مطمئن شویم که می‌توانند الزامات استاندارد بالای شبکه‌های برق مدرن را برآورده کنند.
