ویژگی‌های عملکردی و طراحی ساختاری شیرآلات خلا پرتابه‌ای مونتاژ شده روی ستون در فضای باز
از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۰، شبکه برق کشور در مرحله آزمایشی برنامه‌ریزی شبکه هوشمند بود و به توسعه طرح شبکه هوشمند قوی متمرکز شد، تحقیقات و توسعه فناوری‌ها و تجهیزات کلیدی را انجام داد و پروژه‌های آزمایشی در حوزه‌های مختلف اجرا کرد. دوره ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۵ نشان‌دهنده مرحله ساخت کامل بود که در آن سیستم کنترل عملیاتی و خدمات تعاملی برای شبکه هوشمند اولیه شکل گرفت و پیشرفت‌های مهمی در فناوری‌ها و تجهیزات کلیدی به دست آمد که منجر به استفاده گسترده از آن‌ها شد.
از سال ۲۰۱۶ تا ۲۰۲۰، وارد مرحله رهبری و به‌روزرسانی شد، با تشکیل کامل یک شبکه هوشمند یکپارچه و قوی، و فناوری‌ها و تجهیزات به سطح پیشرفته بین‌المللی رسیدند. در آن زمان، توانایی بهینه‌سازی تخصیص منابع شبکه به طور قابل توجهی بهبود یافت. برای پاسخ به اهداف توسعه شبکه هوشمند ملی، مداربرهای خلاء ستونی خارجی که روی شبکه‌های بزرگ نصب شده‌اند باید محافظت هوشمند با کامپیوتر با حساسیت بالا داشته باشند، که به معنای حداقل مقدار جریان عملیاتی اولیه کم است.
بنابراین، علاوه بر اینکه هر یک از سه مرحله با یک ترانسفورماتور جریان جداگانه برای محافظت دیفرانسیلی تجهیز شده‌اند، مداربرهای خلاء ستونی خارجی نیز باید با ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای محافظت کامپیوتری تجهیز شوند تا محافظت لکه‌ای دقیق برای کامپیوتر ارائه دهند. ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده سنتی اندازه بزرگ، وزن سنگین و دقت کم دارند.
تحت تأثیر عواملی مانند فضای نصب محدود و مسیرهای طولانی مدار ثانویه، آن‌ها تقریباً نمی‌توانند نیازهای محافظت کامپیوتری مداربرهای خلاء ستونی خارجی را برآورده کنند. در حال حاضر، تمام مداربرهای خارجی که می‌توانند نیازهای شبکه هوشمند ملی را برآورده کنند توسط شرکت‌های خارجی تولید می‌شوند که منجر به هزینه‌های بالا می‌شود. برای تطبیق با نیازهای توسعه شبکه هوشمند ملی، لازم است مداربرهای خارجی که نیازهای شبکه هوشمند ملی را برآورده می‌کنند توسعه یابند.
در حال حاضر، چالش فنی اصلی که باید حل کنیم توسعه ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای محافظت کامپیوتری است که می‌توانند با این مداربرها همراه شوند، نیازهای نصب در فضاهای کوچک، محافظت لکه‌ای با حساسیت بالا و عملکرد دقیق را برآورده کنند و ابتدا محلی‌سازی ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای محافظت کامپیوتری را به دست آورند.
کاربردها و نیازهای عملکردی ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای محافظت کامپیوتری
ترانسفورماتور جریان باقیمانده (ترانسفورماتور جریان صفر) یک ترانسفورماتور جریان تخصصی است که برای تبدیل جریان باقیمانده (جریان صفر) طراحی شده است. این ترانسفورماتور برای محافظت از زمین‌گذاری تک‌فاز در سیستم‌های خنثی عایق‌بندی شده استفاده می‌شود. سه رسانه فاز همزمان از پنجره هسته ترانسفورماتور عبور می‌کنند و به عنوان پیچش اولیه ترانسفورماتور عمل می‌کنند.
هنگامی که سیستم به طور عادی عمل می‌کند، مجموع فازی جریان‌های سه فاز صفر است و خروجی از طرف ثانویه ترانسفورماتور جریان باقیمانده وجود ندارد. هنگامی که خطای زمین‌گذاری تک‌فاز در یک خط خاص رخ می‌دهد، جریان اولیه ترانسفورماتور جریان باقیمانده به حداقل جریان عملیاتی رله یا محافظت کامپیوتری می‌رسد و دستگاه محافظت را فعال می‌کند.
در غیر این صورت، غیرفعال می‌ماند. در ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده سنتی، طرف ثانویه مستقیماً به یک رله متصل می‌شود. از آنجا که تعداد پیچش‌های پیچش اولیه ترانسفورماتور معمولاً ۱ است، تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه بسیار کم است. حداقل جریان عملیاتی اولیه ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده سنتی بیشتر بین ۲٫۴A تا ۱۰A است و جریان اسمی اولیه ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده سنتی معمولاً در محدوده ۱۵A تا ۳۰۰A انتخاب می‌شود. برای برآورده کردن نیازهای دقت، مساحت مقطع هسته ترانسفورماتور طراحی شده است که نسبتاً بزرگ باشد، که منجر به اندازه بزرگ، وزن سنگین، دقت کم و بار ثانویه کوچک می‌شود.
وقتی که جریان خطا کمتر از ۲٫۴A است، جریان خروجی ترانسفورماتور سنتی برای فعال کردن رله کافی نیست که "منطقه مرده" ایجاد می‌کند. بنابراین، برای اینکه ترانسفورماتور بتواند محافظت دقیق برای کامپیوتر در محدوده گسترده‌ای از جریان‌های عملیاتی بدون منطقه مرده ارائه دهد، لازم است یک ترانسفورماتور جریان باقیمانده خاص طراحی شود که می‌تواند با محافظت کامپیوتری همراه شود.
محدود به فضای نصب مداربر، ترانسفورماتور جریان باقیمانده خاص مورد استفاده با محافظت کامپیوتری نه تنها باید اندازه کوچک و وزن کم داشته باشد بلکه نیاز به خروجی ثانویه با دقت بالا و بار ثانویه بزرگ دارد. معمولاً، جریان عملیاتی اولیه ترانسفورماتور بین ۰٫۲A تا ۱۰A مورد نیاز است. اگر ترانسفورماتور بتواند خطی بودن و حساسیت خوب را تحت شرایط بار ثانویه خروجی بزرگ تضمین کند، می‌تواند نیازهای محافظت کامپیوتری را برآورده کند و ایجاد یک "منطقه مرده" را جلوگیری کند.
طراحی ساختاری ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای محافظت کامپیوتری
انتخاب پارامترهای بار اسمی ترانسفورماتور
مداربرهای خلاء ستونی خارجی معمولاً خارج از ساختمان نصب می‌شوند و دور از دستگاه‌های خودکار پشتیبان هستند. با این حال، بار مورد نیاز برای محافظت کامپیوتری خود بسیار کم است. در طراحی ترانسفورماتور جریان باقیمانده، بار اسمی عمدتاً بار مدار ثانویه ترانسفورماتور را در نظر می‌گیرد. از آنجا که دستگاه محافظت کامپیوتری معمولاً دور از مداربر ستونی نصب شده در خارج از ساختمان است، بار اسمی ترانسفورماتور معمولاً نسبتاً بزرگ انتخاب می‌شود، با حداکثر حدود ۲۰۰Ω (این بار می‌تواند بر اساس وضعیت واقعی کاربر تعیین شود).
انتخاب تعداد پیچش‌های پیچش اولیه و ثانویه، شکل و ماده هسته
ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای محافظت کامپیوتری نیاز به حساسیت بسیار بالا دارند و باید به سرعت و دقیق واکنش نشان دهند. حساسیت به توانایی پیچش ثانویه ترانسفورماتور در پاسخ به جریان لکه‌ای اشاره دارد که می‌توان آن را به این صورت توصیف کرد: در یک مقدار مشخص از جریان لکه‌ای، هرچه القای الکتروموتوریکی ترانسفورماتورهای مختلف بیشتر باشد، حساسیت آن‌ها بالاتر است.
حساسیت با تعداد پیچش‌های پیچش اولیه و ثانویه ترانسفورماتور مرتبط است. هرچه تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه بیشتر باشد، حساسیت بالاتر است. ترانسفورماتور جریان باقیمانده مستقیماً روی رسانه‌های سه فاز اولیه نصب می‌شود و سیم اولیه خط محافظت است با تعداد پیچش اولیه ۱. افزایش تعداد پیچش‌های اولیه عملی نیست.
القای الکتروموتوریکی پیچش ثانویه U2=4.44f·N2·μ·I1·S، که:
I1 نشان‌دهنده جریان اسمی اولیه است.
S مساحت مقطع هسته است.
μ نفوذپذیری مغناطیسی است.
f فرکانس است.
N2 تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه است.
همان‌طور که از فرمول مشخص است، به دلیل محدودیت‌های موقعیت نصب ترانسفورماتور، ابعاد خارجی ترانسفورماتور نمی‌تواند بسیار بزرگ باشد. بنابراین، مساحت مقطع هسته ترانسفورماتور نسبتاً کوچک است. برای افزایش حساسیت ترانسفورماتور، باید یا تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه را افزایش داد یا نفوذپذیری مغناطیسی هسته ترانسفورماتور را بهبود بخشید.
جریان اسمی اولیه مداربرهای خارجی به طور کلی ۶۳۰A یا کمتر است. با توجه به مساحت مقطع کوچک هسته ترانسفورماتور، برای تضمین حساسیت بالا، از طریق آزمایش‌ها، تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه معمولاً در ابتدا بین ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ پیچش تنظیم می‌شود. تعداد پیچش‌های خاص می‌تواند بر اساس بار ثانویه و ولتاژ خروجی ثانویه ترانسفورماتور مورد نیاز کامپیوتر تعیین شود.
پس از تعیین مساحت مقطع هسته، تعداد پیچش‌ها و بار ثانویه، پارامتری که بر القای الکتروموتوریکی ثانویه (یعنی حساسیت) ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد فقط مربوط به نفوذپذیری مغناطیسی هسته است. بنابراین، تعیین ماده هسته مورد استفاده در ترانسفورماتور از اهمیت بالایی برخوردار است. خطی بودن و ویژگی‌های باقیمانده ترانسفورماتور که بعداً ذکر می‌شود نیز به ماده هسته مرتبط است.
با تجزیه و تحلیل داده‌های جدول ۱، هر دو آلیاژ نانومیکی و Metglas دارای بالاترین نفوذپذیری مغناطیسی هستند. با این حال، Metglas دارای شدت القایی اشباع نسبتاً کم است و همچنین در بازار گران است. با در نظر گرفتن موارد فوق، ما به ترجیح آلیاژ نانومیکی را به عنوان ماده انتخاب می‌کنیم. حساسیت ترانسفورماتور نه تنها متناسب با نفوذپذیری مغناطیسی هسته است بلکه رابطه مستقیمی با شکل هسته و طول مدار مغناطیسی دارد.
به طور کلی، علاوه بر استفاده از مواد با نفوذپذیری بالا برای هسته برای افزایش حساسیت ترانسفورماتور، سعی می‌کنیم مدار مغناطیسی هسته را تا حد ممکن کوتاه کنیم تا نشت مغناطیسی را کاهش دهیم و بهره‌وری هسته را تضمین کنیم. در شرایط عادی، هسته دایره‌ای دارای کوتاه‌ترین مدار مغناطیسی است. با این حال، چون رسانه‌های سه فاز مداربر ستونی خارجی به صورت خطی کنار هم قرار دارند، وقتی فضا اجازه می‌دهد، باید هسته را بر اساس شکل و فاصله رسانه‌های سه فاز مداربر به شکل بیضی طراحی کنیم. شکل ترانسفورماتور و رابطه موقعیتی آن با رسانه اولیه در شکل ۱ نشان داده شده است.
ترانسفورماتور جریان باقیمانده باید بتواند به سرعت به وضعیت‌های ناهماهنگ لکه‌ای در مدار پاسخ دهد و یک سیگنال ولتاژ قابل اجرا به دستگاه محافظت کامپیوتری ارائه دهد. ترانسفورماتور باید خطی بودن خوبی داشته باشد تا وضعیت عملیاتی مدار را به طور واقعی نشان دهد. خطی بودن به نسبت تغییر جریان ورودی به تغییر ولتاژ خروجی ترانسفورماتور که یک ثابت است، اشاره دارد، همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده شده است.
ترانسفورماتور تنها مربوط به نفوذپذیری مغناطیسی هسته است. بنابراین، تعیین ماده هسته مورد استفاده در ترانسفورماتور از اهمیت بالایی برخوردار است. خطی بودن و ویژگی‌های باقیمانده ترانسفورماتور که بعداً ذکر می‌شود نیز به ماده هسته مرتبط است.
در مدار، حداقل جریان عملیاتی اولیه مداربر معمولاً کمتر از ۱۰A مورد نیاز است. بنابراین، معمولاً مورد نیاز است که هنگامی که جریان اولیه ترانسفورماتور کمتر از ۱۰A است، نسبت تغییر جریان ورودی به تغییر ولتاژ خروجی ترانسفورماتور خطی‌تر باشد، بیشتر می‌تواند نیازهای استفاده را برآورده کند. نیاز خطی بودن ترانسفورماتور نیاز به تست‌های تکراری دارد.
در شرایطی که نفوذپذیری مغناطیسی هسته و بار ثانویه مشخص است، خروجی ولتاژ ترانسفورماتور با تعدیل مساحت مقطع هسته یا تعداد پیچش‌های ثانویه تضمین می‌شود که خطی تغییر کند. با این حال، در مدارهای واقعی، معمولاً عوامل دیگری وجود دارند که ترانسفورماتور را از ارائه یک سیگنال ولتاژ دقیق به دستگاه محافظت کامپیوتری مختل می‌کنند.
هنگام نصب ترانسفورماتور، باید روی رسانه‌های سه فاز که به صورت خطی کنار هم قرار دارند، جوش شود. هنگامی که رسانه اولیه جریان اسمی را عبور می‌دهد، ترانسفورماتور جریان باقیمانده توسط میدان‌های مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان‌های سه فاز همزمان مختل می‌شود و تراکم مغناطیسی محلی هسته افزایش می‌یابد. اگر بخش محلی هسته اشباع شود، خطی بودن ترانسفورماتور بدتر می‌شود و به طور جدی بر مقدار ولتاژ خروجی ثانویه تأثیر می‌گذارد. در نتیجه، محافظت کامپیوتری ممکن است عملکرد نادرست یا عدم عملکرد داشته باشد.
در عمل، پس از تاثیر گرفتن ترانسفورماتور جریان باقیمانده از جریان زمین‌گذاری در مقیاس بزرگ، و پس از اتمام عملکرد محافظت و ادامه تأمین برق برای ادامه عملکرد، اگر پارامترهای فنی ترانسفورماتور نتوانند به وضعیت قبل از تاثیر گرفتن بازگردند، یعنی مغناطیس باقیمانده در هسته ترانسفورماتور وجود دارد، به طور جدی عملکرد دقیق محافظ لکه‌ای در بار بعدی را مختل می‌کند.
در طراحی این ترانسفورماتور جریان باقیمانده، باید به نکات زیر توجه کرد:
هسته بهترین ماده با نفوذپذیری مغناطیسی بالا و مغناطیس باقیمانده کم است. این ماده دارای ویژگی‌های بار بیش از حد خوبی است و می‌تواند به راحتی به وضعیت مغناطیسی اولیه تحت تاثیر جریان بیش از حد بازگردد. ولتاژ باقیمانده ترانسفورماتور می‌تواند با شبیه‌سازی عبور جریان‌های زمین‌گذاری مختلف در طرف اول کنترل و آزمایش شود. با این حال، ولتاژ باقیمانده ترانسفورماتور معمولاً با افزایش جریان اولیه اسمی افزایش می‌یابد. اما پس از اشباع مغناطیسی هسته، ولتاژ باقیمانده در طرف ثانویه ترانسفورماتور به طور شدید افزایش می‌یابد.
در طراحی ترانسفورماتور، برای کمینه کردن تأثیر جریان اولیه بر مقدار ولتاژ باقیمانده ترانسفورماتور جریان باقیمانده، هنگام انتخاب آلیاژ نانومیکی با نفوذپذیری مغناطیسی بالا و مغناطیس باقیمانده کم برای ساخت هسته، می‌توان اقداماتی مانند افزایش مساحت مقطع هسته یا کاهش مقاومت داخلی پیچش ثانویه به طور مشترک انجام داد تا ولتاژ باقیمانده ترانسفورماتور جریان باقیمانده را کاهش دهد.
