ویژگی‌های عملکردی و طراحی ساختاری شیربرق خلاء مونتاژ دار پرده‌ای خارج از ساختمان
از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۰، شبکه برق کشور در مرحله آزمایشی برنامه‌ریزی شبکه هوشمند بود و به توسعه برنامه توسعه شبکه هوشمند قوی متمرکز شد، پژوهش 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 آن‌ها شد.
از سال ۲۰۱۶ تا ۲۰۲۰، وارد مرحله رهبری و به‌روزرسانی شد، با ایجاد یک شبکه هوشمند یکپارچه و قوی که فناوری‌ها و تجهیزات آن به سطح پیشرفته بین‌المللی رسید. 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 بیرونی نصب شده روی شبکه‌های بزرگ باید حفاظت هوشمند با حساسیت بالا را با حداقل مقدار جریان عملیاتی اولیه کمی داشته باشند.
بنابراین، علاوه بر اینکه هر یک از سه مرحله با یک ترانسفورماتور جریان جداگانه برای حفاظت دیفرانسیل مجهز شده‌اند، مداربرهای خلاء ستونی بیرونی نیاز به ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای حفاظت میکروکامپیوتری دارند تا محافظت دقیق از نشتی برای میکروکامپیوتر ارائه دهند. ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده سنتی اندازه بزرگی دارند، وزن زیادی دارند و دقت کمی دارند.
با توجه به محدودیت فضای نصب و مسیرهای طولانی مدارهای ثانویه، آن‌ها تقریباً نمی‌توانند نیازهای کاربرد حفاظت میکروکامپیوتری برای مداربرهای خلاء ستونی بیرونی را برآورده کنند. در حال حاضر، تمام مداربرهای بیرونی که می‌توانند نیازهای شبکه هوشمند ملی را برآورده کنند توسط شرکت‌های خارجی تولید می‌شوند که باعث هزینه‌های بالا می‌شود. برای تطبیق با نیازهای توسعه شبکه هوشمند ملی، لازم است مداربرهای بیرونی 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 حفاظت میکروکامپیوتری است که می‌توانند با این مداربرها همراه شوند، نیازهای نصب در فضاهای کوچک، حفاظت میکروکامپیوتری با حساسیت بالا و عملکرد دقیق را برآورده کنند و ابتدا محلی‌سازی ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای حفاظت میکروکامپیوتری را انجام دهند.
کاربردها و نیازهای عملکردی ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای حفاظت میکروکامپیوتری
ترانسفورماتور جریان باقیمانده (ترانسفورماتور جریان صفر) یک ترانسفورماتور جریان تخصصی است که برای تبدیل جریان باقیمانده (جریان صفر) طراحی شده است. این ترانسفورماتور برای حفاظت از زمین‌شدن تک‌فاز در سیستم‌های خنثی عایق‌بندی شده استفاده می‌شود. سه فاز رسانا همزمان از پنجره هسته ترانسفورماتور عبور می‌کنند و به عنوان پیچش اولیه ترانسفورماتور عمل می‌کنند.
هنگامی که سیستم به طور طبیعی عمل می‌کند، مجموع برداری جریان‌های سه فاز صفر است و خروجی از طرف ثانویه ترانسفورماتور جریان باقیمانده وجود ندارد. هنگامی که خطا در زمین‌شدن تک‌فاز در خط خاصی رخ می‌دهد، جریان اولیه ترانسفورماتور جریان باقیمانده به حداقل جریان عملیاتی رله یا حفاظت میکروکامپیوتری می‌رسد و دستگاه حفاظتی 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 اولیه اسمی ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده سنتی معمولاً در محدوده ۱۵A تا ۳۰۰A انتخاب می‌شود. برای برآورده کردن نیازهای دقت، مساحت مقطعی هسته ترانسفورماتور طراحی شده است که نسبتاً بزرگ باشد که منجر به اندازه بزرگ، وزن سنگین، دقت کم و بار ثانویه کم می‌شود.
وقتی که جریان خطا کمتر از ۲.۴A است، جریان خروجی ترانسفورماتور سنتی برای فعال کردن رله کافی نیست و "منطقه مرده" ایجاد می‌شود. بنابراین، برای اینکه ترانسفورماتور بتواند محافظت دقیق از میکروکامپیوتر را در محدوده گسترده‌ای از جریان‌های عملیاتی بدون منطقه مرده ارائه دهد، لازم است یک ترانسفورماتور جریان باقیمانده خاص طراحی شود که می‌تواند با حفاظت میکروکامپیوتری همراه شود.
با توجه به محدودیت فضای نصب مداربر، ترانسفورماتور جریان باقیمانده خاص که با حفاظت میکروکامپیوتری همراه است، نیاز به اندازه کوچک و وزن کم دارد و همچنین نیاز به خروجی ثانویه با دقت بالا و بار ثانویه بزرگ دارد. معمولاً، جریان عملیاتی اولیه ترانسفورماتور باید بین ۰.۲A تا ۱۰A باشد. اگر ترانسفورماتور بتواند خطی بودن و حساسیت خوب را تحت شرایط خروجی بار ثانویه بزرگ تضمین کند، می‌تواند نیازهای حفاظت میکروکامپیوتری را برآورده کند و ایجاد "منطقه مرده" را جلوگیری کند.
طراحی ساختاری ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای حفاظت میکروکامپیوتری
انتخاب پارامترهای بار اسمی ترانسفورماتور
مداربرهای خلاء ستونی بیرونی معمولاً بیرون نصب می‌شوند و از دستگاه‌های خودکار پشتیبانی که در فاصله دوری قرار دارند، دور هستند. اما بار مورد نیاز برای حفاظت میکروکامپیوتری خود بسیار کم است. در طراحی ترانسفورماتور جریان باقیمانده، بار اسمی عمدتاً بار مدار ثانویه ترانسفورماتور را در نظر می‌گیرد. از آنجا که دستگاه حفاظت میکروکامپیوتری معمولاً از مداربر ستونی بیرونی که بیرون نصب شده است، دور است، بار اسمی ترانسفورماتور معمولاً نسبتاً بزرگ انتخاب می‌شود که حداکثر به حدود ۲۰۰Ω می‌رسد (این بار می‌تواند بر اساس وضعیت واقعی کاربر تعیین شود).
انتخاب تعداد پیچش‌های پیچش اولیه و ثانویه، شکل و مواد هسته
ترانسفورماتورهای جریان باقیمانده برای حفاظت میکروکامپیوتری نیاز به حساسیت بسیار بالا دارند و باید به طور سریع و دقیق واکنش نشان دهند. حساسیت به توانایی پیچش ثانویه ترانسفورماتور در واکنش به جریان نشتی اشاره دارد که می‌توان آن را به این صورت توصیف کرد: با یک مقدار مشخص از جریان نشتی، هر چه القای الکتروموتوریک ترانسفورماتورهای مختلف بیشتر باشد، حساسیت آن‌ها بیشتر است.
حساسیت مرتبط با تعداد پیچش‌های پیچش اولیه و ثانویه ترانسفورماتور است. هر چه تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه بیشتر باشد، حساسیت بیشتر است. ترانسفورماتور جریان باقیمانده مستقیماً روی سه فاز رسانا اولیه نصب می‌شود و رسانه اولیه خط محافظت شده است با تعداد پیچش اولیه ۱. افزایش تعداد پیچش‌های اولیه عملی نیست.
القای الکتروموتوریک پیچش ثانویه، U2=4.44f·N2·μ·I1·S، که:
I1 نشان‌دهنده جریان اولیه اسمی است.
S مساحت مقطعی هسته است.
μ نفوذپذیری مغناطیسی است.
f فرکانس است.
N2 تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه است.
همان‌طور که از فرمول مشخص است، به دلیل محدودیت موقعیت نصب ترانسفورماتور، ابعاد خارجی ترانسفورماتور نمی‌تواند بسیار بزرگ باشد. بنابراین، مساحت مقطعی 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 اولیه اسمی مداربرهای بیرونی عموماً ۶۳۰A یا کمتر است. با توجه به مساحت مقطعی کوچک هسته ترانسفورماتور، برای تضمین حساسیت بالا، از طریق آزمایش‌ها، تعداد پیچش‌های پیچش ثانویه معمولاً ابتدا بین ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ پیچش تنظیم می‌شود. تعداد پیچش‌های خاص می‌تواند بر اساس بار ثانویه و ولتاژ خروجی ثانویه ترانسفورماتور مورد نیاز میکروکامپیوتر تعیین شود.
هر چه مساحت مقطعی هسته، تعداد پیچش‌ها و بار ثانویه تعیین شد، پارامتری که القای الکتروموتوریک ثانویه (یعنی حساسیت) ترانسفورماتور را تحت تاثیر قرار می‌دهد فقط مرتبط با نفوذپذیری مغناطیسی هسته است. بنابراین، تعیین ماده هسته ترانسفورماتور از اهمیت بالایی برخوردار است. خطی بودن و ویژگی‌های باقیمانده ترانسفورماتور که بعداً ذکر خواهد شد نیز به ماده هسته بستگی زیادی دارند.
تحلیل داده‌های جدول ۱، هر دو آلیاژ نانوبلوری و متگلاس دارای بالاترین نفوذپذیری مغناطیسی هستند. اما متگلاس دارای شدت القایی اشباع نسبتاً کمتری است و همچنین در بازار گران است. با توجه به موارد مذکور، ما به طور اولیه آلیاژ نانوبلوری 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.
معمولاً، علاوه بر استفاده از مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا برای هسته به منظور افزایش حساسیت ترانسفورماتور، سعی می‌کنیم تا حد امکان طول مدار مغناطیسی هسته را کوتاه کنیم تا نشت مغناطیسی را کاهش دهیم و از بهره‌وری هسته تأمین کنیم. در شرایط معمول، هسته دایره‌ای دارای کوتاه‌ترین مدار مغناطیسی است. اما چون سه فاز رسانا اولیه مداربر ستونی بیرونی در یک خط کنار هم قرار دارند، هنگامی که فضا اجازه می‌دهد، هسته باید بر اساس شکل و فاصله سه فاز رسانا اولیه مداربر به شکل بیضی طراحی شود. شکل ترانسفورماتور و رابطه مکانی آن با رسانا اولیه در شکل ۱ نشان داده شده است.
ترانسفورماتور جریان باقیمانده باید بتواند به سرعت به وضعیت‌های نشتی ناهماهنگ در مدار واکنش نشان دهد و یک سیگنال ولتاژ قابل اجرا به دستگاه حفاظت میکروکامپیوتری 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 اشاره دارد که یک ثابت است، همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده شده است.
ترانسفورماتور فقط مرتبط با نفوذپذیری مغناطیسی هسته است. بنابراین، تعیین ماده هسته ترانسفورماتور از اهمیت بالایی برخوردار است. خطی بودن و ویژگی‌های باقیمانده ترانسفورماتور که بعداً ذکر خواهد شد نیز به ماده هسته بستگی زیادی دارند.
در مدار، حداقل جریان عملیاتی اولیه مداربر معمولاً باید زیر ۱۰A باشد. بنابراین، معمولاً مورد نیاز است که وقتی جریان اولیه ترانسفورماتور زیر ۱۰A باشد، نسبت تغییر جریان ورودی به تغییر ولتاژ خروجی ترانسفورماتور به طور خطی بهتر باشد، بیشتر می‌تواند نیازهای استفاده را برآورده کند. نیاز خطی بودن ترانسفورماتور نیاز به تست‌های مکرر دارد.
در شرایطی که نفوذپذیری مغناطیسی هسته و بار ثانویه معین است، ولتاژ خروجی ترانسفورماتور با تعدیل مساحت مقطعی هسته یا تعداد پیچش‌های ثانویه تضمین می‌شود که به طور خطی تغییر کند. اما در مدارهای واقعی، معمولاً عوامل دیگری وجود دارند که ترانسفورماتور را از ارائه یک سیگنال ولتاژ دقیق به دستگاه حفاظت میکروکامپیوتری مختل می‌کنند.
هنگام نصب ترانسفورماتور، باید روی سه فاز رسانا که در یک خط کنار هم قرار دارند، گذاشته شود. هنگامی که رسانا اولیه جریان اسمی را عبور می‌دهد، ترانسفورماتور جریان باقیمانده توسط میدان‌های مغناطیسی تولید شده توسط جریان‌های سه فاز همزمان مختل می‌شود و چگالی مغناطیسی محلی هسته افزایش می‌یابد. اگر بخش محلی هسته اشباع شود، خطی بودن ترانسفورماتور بدتر می‌شود و به طور جدی مقدار ولتاژ خروجی ثانویه را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در نتیجه، حفاظت میکروکامپیوتری ممکن است به طور نادرست عمل کند یا عمل نکند.
در طی عملیات واقعی، پس از تاثیر گرفتن ترانسفورماتور جریان باقیمانده از جریان زمین‌شدن در مقیاس بزرگ و پس از اتمام عملیات حفاظتی و ادامه تامین برق، اگر پارامترهای فنی ترانسفورماتور نتوانند به حالت قبل از تاثیر گرفتن بازگردند، یعنی هسته ترانسفورماتور دارای مغناطیس باقیمانده است، به طور جدی عمل دقیق محافظ نشتی بار دیگر را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
در طراحی این ترانسفورماتور جریان باقیمانده، نکات زیر باید مورد توجه قرار گیرد:
هسته بهتر است از آلیاژ نانوبلوری با نفوذپذیری مغناطیسی بالا و مغناطیس باقیمانده کم ساخته شود. این ماده دارای خصوصیات بارگیری خوبی است و می‌تواند به راحتی به حالت مغناطیسی اولیه بازگردد پس از تاثیر گرفتن از جریان بیش از حد. ولتاژ باقیمانده ترانسفورماتور می‌تواند با شبیه‌سازی عبور جریان‌های زمین‌شدن مختلف در طرف اولیه کنترل و تشخیص داده 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 قابل توجهی افزایش می‌یابد.
در طراحی ترانسفورماتور، برای کاهش تاثیر جریان اولیه بر مقدار ولتاژ باقیمانده ترانسفورماتور جریان باقیمانده، هنگام انتخاب آلیاژ نانوبلوری با نفوذپذیری م
