خصائص الأداء والتصميم الهيكلي لقواطع الدائرة الفراغية المثبتة على أعمدة في الهواء الطلق
من عام 2009 إلى 2010، كانت شبكة الدولة في مرحلة التجربة التخطيطية للشبكة الذكية، مع التركيز على تطوير خطة تطوير الشبكة الذكية القوية، وإجراء الأبحاث والتطوير للتكنولوجيات الرئيسية والتصنيع المعداتي، وتنفيذ مشاريع تجريبية في مختلف القطاعات. الفترة من 2011 إلى 2015 كانت مرحلة البناء الشاملة، حيث تم تشكيل نظام التحكم التشغيلي والخدمات التفاعلية للشبكة الذكية بشكل أولي، وتم تحقيق اختراقات كبيرة في التكنولوجيات والمعدات الرئيسية مما أدى إلى تطبيقها الواسع.
من عام 2016 إلى 2020، دخلت المرحلة الرائدة والتحديثية، حيث تم إنشاء شبكة ذكية موحدة وقوية بالكامل، والتكنولوجيات والمعدات وصلت إلى مستويات متقدمة دولياً. بحلول ذلك الوقت، ستكون قدرة الشبكة على تحسين تخصيص الموارد قد تحسنت بشكل كبير. للاستجابة لأهداف التنمية الوطنية للشبكة الذكية، يجب أن يتمكن الفاصل الكهربائي الفراغي المثبت على الأعمدة الخارجية للمشتقات الرئيسية من تحقيق الحماية الذكية ذات الحساسية العالية باستخدام الكمبيوتر الدقيق، وهذا يعني قيمة أقل لتيار التشغيل الأساسي الأولي.
لذلك، بالإضافة إلى تجهيز كل من الثلاث مراحل بمتحول تيار منفصل للحماية التفاضلية، يحتاج الفاصل الكهربائي الفراغي المثبت على الأعمدة الخارجية أيضاً إلى تركيب محولات تيار متبقية للحماية الدقيقة لتوفير حماية تسرب دقيقة للحاسوب الدقيق. المحولات المتبقية التقليدية كبيرة الحجم وثقيلة الوزن وقليلة الدقة.
تأثراً بعوامل مثل المساحة المحدودة للتركيب ودوائر التوصيل الثانوية الطويلة، يصعب عليها أن تلبي متطلبات الحماية الدقيقة للفواصل الكهربائية الفراغية المثبتة على الأعمدة الخارجية. حالياً، جميع الفواصل الكهربائية الخارجية التي تستوفي متطلبات الشبكة الذكية الوطنية تنتج من قبل الشركات الأجنبية، مما يؤدي إلى تكاليف عالية. للتكيف مع متطلبات التنمية الوطنية للشبكة الذكية، من الضروري تطوير فواصل كهربائية خارجية تلبي احتياجات الشبكة الذكية الوطنية.
حالياً، التحدي التقني الرئيسي الذي نحتاج إلى التعامل معه هو تطوير محولات تيار متبقية للحماية الدقيقة يمكن استخدامها مع هذه الفواصل الكهربائية، والتي تلبي متطلبات التركيب في المساحات الصغيرة والحماية الدقيقة للتسرب بحساسية عالية والتشغيل الدقيق، وأولًا تحقيق التوطين لمحولات التيار المتبقية للحماية الدقيقة.
تطبيقات ومطالب الأداء لمحولات التيار المتبقية للحماية الدقيقة
محول التيار المتبقى (محول التيار الصفر) هو محول تيار متخصص صمم لتحويل التيار المتبقى (التيار الصفر). يستخدم لحماية التأريض الأحادي في الأنظمة المحايدة المعزولة. تمر ثلاث مراحل الموصلات عبر نافذة النواة للمحول في نفس الوقت، وتكون كلفة الطرف الأول للمحول.
عند تشغيل النظام بشكل طبيعي، يكون مجموع المتجهات للتيارات الثلاث مساوياً للصفر، ولا يوجد أي خرج من الجانب الثانوي لمحول التيار المتبقى. عند حدوث عطل تأريض أحادي في خط معين، يصل التيار الأولي لمحول التيار المتبقى إلى التيار التشغيلي الأدنى للتابع أو الحماية الدقيقة، مما يثير عمل جهاز الحماية.
وإلا فإنه يظل غير نشط. في المحولات المتبقية التقليدية، يكون الجانب الثانوي متصل مباشرة بالتابع. بما أن عدد دورات الطرف الأول للمحول عادة ما يكون 1، فإن عدد دورات الطرف الثانوي يكون قليل جداً. التيار التشغيلي الأولي الأدنى للمحولات المتبقية التقليدية يتراوح غالباً بين 2.4A و 10A، ويتم اختيار التيار الأولي المحدد للمحولات المتبقية التقليدية عادة في نطاق 15A إلى 300A. لتحقيق متطلبات الدقة، يتم تصميم مساحة المقطع العرضي للنواة بحيث تكون كبيرة نسبياً، مما يؤدي إلى حجم كبير وزن ثقيل ودقة منخفضة وحمل ثانوي صغير.
عندما يكون تيار العطل أقل من 2.4A، فإن التيار الخارج من المحول التقليدي غير كافٍ لتحفيز التابع، مما يخلق "منطقة ميتة". لذلك، لكي يمكن للمحول تقديم حماية دقيقة للحاسوب الدقيق في نطاق واسع من التيارات التشغيلية دون منطقة ميتة، فمن الضروري تصميم محول تيار متبقى خاص يمكن استخدامه مع الحماية الدقيقة.
مع التقييدات المفروضة على مساحة تركيب الفاصل الكهربائي، يجب أن يكون المحول المتبقى الخاص المستخدم مع الحماية الدقيقة صغير الحجم وخفيف الوزن، وكذلك يتطلب خرج ثانوي عالي الدقة وحمل ثانوي كبير. عادةً، يتم طلب أن يكون التيار التشغيلي الأولي للمحول بين 0.2A و 10A. إذا كان المحول يمكنه ضمان الخطية الجيدة والحساسية تحت ظروف الخرج الثانوي الكبير للحمل، فإنه يمكنه تلبية متطلبات الحماية الدقيقة وتتجنب حدوث "منطقة ميتة".
تصميم هيكلي لمحولات التيار المتبقية للحماية الدقيقة
اختيار معلمات الحمل المحدد للمحول
عادة ما يتم تركيب الفواصل الكهربائية الفراغية المثبتة على الأعمدة الخارجية في الهواء الطلق وبعيداً عن أجهزة الأتمتة الداعمة. ومع ذلك، فإن الحمل المطلوب للحماية الدقيقة نفسه منخفض جداً. عند تصميم محول التيار المتبقى، يتم النظر في الحمل المحدد أساساً للحمل الثانوي لدائرة التوصيل الثانوية للمحول. نظرًا لأن جهاز الحماية الدقيقة عادة ما يكون بعيداً عن الفاصل الكهربائي المثبت على العمود الخارجي، يتم اختيار الحمل المحدد للمحول ليكون عادةً أكبر، مع الوصول إلى حوالي 200Ω (يمكن تحديد هذا الحمل وفقاً للوضع الفعلي للمستخدم).
اختيار عدد دورات الطرف الأول والثاني والنوع والمواد للنواة
تحتاج محولات التيار المتبقية للحماية الدقيقة إلى حساسية عالية جداً ويجب أن تستجيب بسرعة ودقة. الحساسية تعني قدرة الطرف الثانوي للمحول على الاستجابة لتيار التسرب، ويمكن وصفها كما يلي: تحت كمية معينة من تيار التسرب، كلما كان الجهد الكهربائي المושרَّح للمحولات المختلفة أعلى، كلما كانت حساسيتها أعلى.
الحساسية مرتبطة بعدد دورات الطرف الأول والثاني للمحول. كلما زاد عدد دورات الطرف الثانوي، كلما ارتفعت الحساسية. يتم تركيب محول التيار المتبقى مباشرة على الموصلات الأولية الثلاثية، وسلك الطرف الأول هو الخط المحمي، مع عدد دورات الطرف الأول يساوي 1. زيادة عدد دورات الطرف الأول ليست عملية.
الجهد الكهربائي المولد للطرف الثانوي، U2=4.44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S، حيث:
I1 يمثل التيار الأولي المحدد.
S هي مساحة المقطع العرضي للنواة.
muis هي النفاذية المغناطيسية.
f هي التردد.
N2 هو عدد دورات الطرف الثانوي.
كما يمكن رؤيته من المعادلة، بسبب القيود المفروضة على موقع تركيب المحول، لا يمكن أن تكون الأبعاد الخارجية للمحول كبيرة جداً. وبالتالي، تكون مساحة المقطع العرضي للنواة للمحول صغيرة نسبياً. لتعزيز حساسية المحول، من الضروري إما زيادة عدد دورات الطرف الثانوي أو تحسين النفاذية المغناطيسية للنواة للمحول.
التيار الأولي المحدد للفواصل الكهربائية الخارجية هو أساساً 630A أو أقل. مع الأخذ في الاعتبار مساحة المقطع العرضي الصغيرة للنواة للمحول، ولضمان حساسية عالية، من خلال التجارب، يتم وضع عدد دورات الطرف الثانوي عادةً بين 1500 و 2000 دورات. يمكن تحديد العدد الدقيق للدورات وفقاً للحمل الثانوي والجهد الكهربائي الخارجي للمحول المطلوب من الحاسوب الدقيق.
بعد تحديد مساحة المقطع العرضي للنواة وعدد الدورات والحمل الثانوي، فإن المعلمة التي تؤثر على الجهد الكهربائي الخارجي الثانوي (أي الحساسية) للمحول مرتبط فقط بالنفاذية المغناطيسية للنواة. لذا، فإن تحديد المواد المستخدمة للنواة في المحول يعتبر أمراً بالغ الأهمية. الخطية والخصائص المتبقية للمحول المذكورة لاحقاً مرتبطة أيضًا بمواد النواة.
تحليل البيانات في الجدول 1، كلا من سبيكة النانو البلورية ومتجلس لديهما أعلى نفاذية مغناطيسية. ومع ذلك، لدى متجلس كثافة تشبع مغناطيسية منخفضة نسبياً وهو باهظ الثمن في السوق. بناءً على التحليل الشامل، نفضل اختيار سبيكة النانو البلورية كمادة.حساسية المحول ليست فقط متناسبة طردياً مع النفاذية المغناطيسية للنواة ولكن لها علاقة مباشرة أيضاً بشكل النواة وطول الدائرة المغناطيسية.
بشكل عام، بالإضافة إلى استخدام مواد عالية النفاذية المغناطيسية للنواة لتعزيز حساسية المحول، نحاول قدر الإمكان تقليص دائرة النواة المغناطيسية لتقليل تسرب المجال المغناطيسي وضمان معدل استخدام النواة. في الظروف العادية، يكون للنواة الدائرية أقصر دائرة مغناطيسية. ومع ذلك، بما أن الموصلات الأولية الثلاثية للفاصل الكهربائي الخارجي المثبت على العمود مرتّبة بجانب بعضها البعض في خط، عندما يسمح به المساحة، يجب تصميم النواة على شكل بيضاوي بناءً على ترتيب الشكل وتباعد الموصلات الأولية الثلاثية للفاصل الكهربائي. الشكل المحول والعلاقة المكانية بينه وبين الموصل الأولي موضح في الشكل 1.
يجب أن يكون محول التيار المتبقى قادرًا على الاستجابة السريعة للأوضاع غير الطبيعية للتسرب في الدائرة وتقديم إشارة جهد قابلة للتنفيذ لجهاز الحماية الدقيقة. يجب أن يتمتع المحول بخطية جيدة ليعكس بدقة حالة تشغيل الدائرة. الخطية تعني أن نسبة التغيير في تيار الإدخال إلى التغيير في جهد الإخراج للمحول ثابتة، كما هو موضح في الشكل 2.
المحول مرتبط فقط بالنفاذية المغناطيسية للنواة. لذا، فإن تحديد المواد المستخدمة للنواة في المحول يعتبر أمراً بالغ الأهمية. الخطية والخصائص المتبقية للمحول المذكورة لاحقاً مرتبطة أيضًا بمواد النواة.
في الدائرة، يتم طلب أن يكون التيار التشغيلي الأولي الأدنى للفاصل الكهربائي عموماً أقل من 10A. لذا، يتم طلب عادةً أن يكون عندما يكون التيار الأولي للمحول أقل من 10A، كلما كانت نسبة التغيير في تيار الإدخال إلى التغيير في جهد الإخراج للمحول أكثر خطية، كلما استوفى متطلبات الاستخدام. تتطلب الخطية للمحول اختبارات متكررة.
تحت ظروف النفاذية المغناطيسية المحددة للنواة والحمل الثانوي، يتم ضمان تغيير جهد الإخراج للمحول بشكل خطي من خلال ضبط مساحة المقطع العرضي للنواة أو عدد دورات الطرف الثانوي. ومع ذلك، في الدوائر الفعلية، هناك عادةً عوامل أخرى تؤثر على قدرة المحول على توفير إشارة جهد دقيقة لجهاز الحماية الدقيقة.
عند تركيب المحول، يجب أن يتم تغليفه حول الموصلات الثلاثية المرتّبة بجانب بعضها البعض في خط. عندما يمر التيار الأولي المحدد عبر الموصل الأولي، سيتم تداخل محول التيار المتبقى بواسطة المجالات المغناطيسية المتولدة من التيارات الثلاثية، وسيزداد كثافة التدفق المغناطيسي المحلية للنواة. إذا أصبحت الجزء المحلي من النواة مشبعة بشكل زائد، ستتدهور الخطية للمحول، مما يؤثر بشكل كبير على قيمة جهد الإخراج الثانوي. نتيجة لذلك، قد يحدث خلل في الحماية الدقيقة أو عدم تشغيلها.
خلال التشغيل الفعلي، بعد تعرض محول التيار المتبقى لموجة تيار تأريض كبيرة، وبعد اكتمال العمل الحامي واستعادة التغذية للمتابعة، إذا لم تتمكن معلمات المحول التقنية من العودة إلى الحالة السابقة للتأثير، أي وجود مغناطيسية متبقية في النواة للمحول، سيؤثر بشكل كبير على التشغيل الدقيق للحماية ضد التسرب في المرة القادمة.
عند تصميم هذا المحول المتبقى، يجب مراعاة النقاط التالية:
يفضل أن تكون النواة مصنوعة من سبيكة النانو البلورية ذات النفاذية المغناطيسية العالية والباقي المغناطيسي المنخفض. هذه المادة تتميز بخصائص تحميل جيدة ويمكن أن تعود بسهولة إلى الحالة المغناطيسية الأولية تحت تأثير التيار الزائد. يمكن السيطرة على الجهد المتبقى للمحول وكشفه حتى لا يكون كبيراً جداً عن طريق محاكاة مرور أنواع مختلفة من تيارات التأريض على الجانب الأول. ومع ذلك، عادةً ما يزداد الجهد المتبقى للمحول مع زيادة التيار الأولي المحدد. ولكن بعد وصول النواة إلى التشبع المغناطيسي، سيزداد الجهد المتبقى على الجانب الثانوي للمحول بشكل حاد.
عند تصميم المحول، من أجل تقليل تأثير التيار الأولي على قيمة الجهد المتبقى لمحول التيار المتبقى، عند اختيار سبيكة النانو البلورية ذات النفاذية المغناطيسية العالية والباقي المغناطيسي المنخفض لصنع النواة، يمكن اتخاذ تدابير مثل زيادة مساحة المقطع العرضي للنواة أو تقليل مقاومة التفريغ الداخلية للطرف الثانوي بشكل مشترك لتقليل الجهد المتبقى لمحول التيار المتبقى.
