اندازه‌گیری جریان با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان صفر فلکس در دستگاه‌های قطع و برش عایق گازی (GIS)

پیچیدگی رو به رشد شبکه برق، به ویژه با ادغام دستگاه‌های مبتنی بر الکترونیک قدرت، نیازمند تکنیک‌های سنجش قابل ردیابی است. این تکنیک‌ها برای تعیین دقیق مؤلفه‌های فرکانس بالا جریان‌های الکتریکی بالا بسیار مهم هستند. در سنجش غیرتهاجمی جریان‌های الکتریکی متناوب و مستقیم، از کوپلینگ مغناطیسی در ترانسفورماتورهای جریان به طور گسترده استفاده می‌شود.

خطای یک ترانسفورماتور جریان به طور مستقیم با مغناطیس شدن هسته آن مرتبط است. این ارتباط ذاتی به طور طبیعی موجب کاوش روش‌های کاهش این جریان مغناطیسی می‌شود. یکی از این روش‌ها، تکنیک بدون جریان مغناطیسی (Zero-flux) است. در این تکنیک، یک جریان جبرانی متعادل معرفی می‌شود تا جریان مغناطیسی صفر را در هسته مغناطیسی القاء کند.

ترانسفورماتورهای جریان بدون جریان مغناطیسی به دسته ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری پایین‌توان (LPITs) تعلق دارند. LPITs مزایای متعددی از جمله حجم کوچک‌تر، مصرف انرژی کمتر، ایمنی بالاتر، دقت بیشتر و قابلیت اطمینان سیگنال بهبود یافته ارائه می‌دهند. با پیاده‌سازی ارتباطات دیجیتال در زیرстанسیون‌ها بر اساس استاندارد IEC61850-9-2، استفاده از LPITs در زیرستانسیون‌های عایق‌بندی گازی (GIS) قرار است بیشتر شود.

پیچه تشخیص مسئول تشخیص جریان مغناطیسی در هسته است. یک سیستم کنترل حلقه بسته شامل یک تقویت‌کننده و یک پیچه بازخورد، یک جریان ثانویه تولید می‌کند. این جریان ثانویه طراحی شده است تا جریان مغناطیسی تولید شده توسط جریان اصلی را خنثی کند و بدین ترتیب یک "ترانسفورماتور جریان بدون جریان مغناطیسی (Zero-flux CT)" ایجاد کند.

سپس جریان ثانویه از طریق یک مقاومت بار دقیق عبور می‌کند و یک سیگنال ولتاژی تولید می‌کند که متناسب با جریان اصلی است. در این ساختار، مواد مغناطیسی هسته غیرفعال می‌مانند و مطمئن می‌شویم که هیسترزیس یا اشباع نشان نمی‌دهند. با این حال، در شرایط جریان مستقیم یا فرکانس پایین، مکانیسم لغو جریان مغناطیسی با چالش‌هایی مواجه می‌شود. پیچه تشخیص قادر به اندازه‌گیری جریان مغناطیسی باقی‌مانده در چنین شرایطی نیست و بنابراین جریان مغناطیسی به طور مؤثری لغو نمی‌شود.

برای رسیدگی به اندازه‌گیری‌های جریان مستقیم، یک حسگر جریان مغناطیسی DC اضافه می‌شود. این می‌تواند یک سوند هال داخل هسته یا یک مدار فلکس‌گیت مجهز به دو پیچه کنترل و تشخیص اضافی باشد. مزایای ترانسفورماتورهای جریان بدون جریان مغناطیسی: حسگرهای بدون جریان مغناطیسی AC خطی بسیار بالا و دقیق هستند. آنها از ویژگی‌های مواد مغناطیسی هسته مستقل هستند و باعث خطای فاز کوچک می‌شوند. دقت این حسگرها عمدتاً توسط دقت مقاومت بار تعیین می‌شود.

اضافه کردن یک سوند هال یا یک حسگر فلکس‌گیت امکان اندازه‌گیری جریان‌های مستقیم را فراهم می‌کند. این حسگرها بسیار مقاوم در برابر تداخل الکترومغناطیسی هستند و عملکرد قابل اعتمادی در محیط‌های مختلف الکترومغناطیسی ارائه می‌دهند. معایب ترانسفورماتورهای جریان بدون جریان مغناطیسی: حسگر نیاز به منبع تغذیه و یک تقویت‌کننده خارجی دارد. یک مدار ثانویه خراب شده می‌تواند ولتاژهای خطرناک تولید کند که خطر ایمنی را افزایش می‌دهد. مثالی از استفاده از ترانسفورماتور جریان بدون جریان مغناطیسی در پروژه Kii-Channel HVDC Link برای GIS 500 kV DC بیرون از ساختمان: در پروژه Kii-Channel، از ترانسفورماتورهای جریان بدون جریان مغناطیسی استفاده شده است.

شکل 2 نمودار بلوکی و جزئیات سخت‌افزاری ترانسفورماتور جریان را نشان می‌دهد. جریان مورد اندازه‌گیری (Ip)، یک جریان مغناطیسی تولید می‌کند که تحت تأثیر جریان (Is) در پیچه ثانویه ((Ns)) قرار دارد. سه هسته حلقه‌ای که در فضای GIS قرار دارند، برای تشخیص جریان مغناطیسی استفاده می‌شوند. هسته‌های (N1) و (N2) مخصوص تشخیص مؤلفه‌های DC جریان مغناطیسی باقی‌مانده هستند، در حالی که (N3) مسئول تشخیص مؤلفه AC است. یک اسیلاتور هسته‌های تشخیص جریان DC ((N1) و (N2)) را به طور متناوب در جهت‌های مخالف به اشباع می‌رساند.

اگر جریان مغناطیسی DC باقی‌مانده صفر باشد، نوک‌های جریان در هر دو جهت برابر خواهند بود. اما اگر جریان مغناطیسی DC غیر صفر باشد، تفاوت بین این نوک‌ها متناسب با جریان مغناطیسی DC باقی‌مانده خواهد بود. با ترکیب مؤلفه AC که توسط (N3) تشخیص داده می‌شود، یک حلقه کنترلی ایجاد می‌شود. این حلقه جریان ثانویه (Is) را به گونه‌ای تولید می‌کند که جریان مغناطیسی کلی را لغو کند. یک تقویت‌کننده توان جریان (Is) را به پیچه ثانویه (Ns) تأمین می‌کند. سپس جریان ثانویه به مقاومت بار منتقل می‌شود که جریان را به یک سیگنال ولتاژی معادل تبدیل می‌کند. دقت اندازه‌گیری توسط مقاومت بار و پایداری تقویت‌کننده دیفرانسیل تعیین می‌شود.

ترانسفورماتورهای جریان بدون جریان مغناطیسی دستگاه‌های دقیقی هستند که برای اندازه‌گیری‌های AC و AC/DC طراحی شده‌اند. در حال حاضر، آنها بیشتر در زیرستانسیون‌های عایق‌بندی گازی (GIS) با جریان مستقیم فشار بالا (HVDC) استفاده می‌شوند. اصل اندازه‌گیری یک ترانسفورماتور جریان بدون جریان مغناطیسی AC در شکل 1 نشان داده شده است.