آشنایی با ترانسفورماتور فشار قوی (ترانس ولتاژ + ترانس جریان)
- حمید زینالی
- شبکه برق, طراحی و تجهیزات پست فشار قوی, وبلاگ
- 1405/02/14
- این مقاله بروزرسانی شده 13 خرداد 1405
انواع ترانسفورماتور فشار قوی
1. ترانسفورماتورهای ولتاژ
در ترانسفورماتور فشار قوی، ترانسفورماتورهای ولتاژ که ولتاژ سیستم را به اندازه مناسب کاهش میدهند، در هر سیستمی به دلایل زیر مورد نیاز هستند:
۱) نمایش ولتاژ
۲) اندازهگیری ولتاژ یا تبادل انرژی
۳) رلهگذاری
۴) سنکرونیزاسیون
به علت هزینه و خطرات ناشی از استفاده از ولتاژ بالا در سیستم، تجهیزات نمایشگر، اندازهگیری و رلهها برای ولتاژهایی که از سمت ثانویه ترانسفورماتورهای ولتاژ قابل دستیابی است طراحی میشوند؛ اما کالیبراسیون تجهیزات نمایشگر و دستگاههای اندازهگیری مطابق با ولتاژ اولیه ترانسفورماتورهای ولتاژ صورت میگیرد.
دستهبندی ترانسفورماتورهای ولتاژ
ترانسفورماتورهای ولتاژ به دستههای زیر تقسیمبندی میشوند:
الف) نوع مغناطیسی
ب) نوع خازنی که با نام ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع خازنی (CVT) نیز شناخته میشوند.
ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع مغناطیسی
ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع مغناطیسی بر اساس اصول ترانسفورماتورهای قدرت کار میکنند، اما طراحی آنها متفاوت است.
ولتآمپری که میبایست توسط ترانسفورماتور ولتاژ انتقال داده شود، بستگی به اهدافی که ترانسفورماتور ولتاژ به خاطر آن استفاده میشود، کاملاً محدود است. ولتآمپر ثانویه عموماً به چند صد ولتآمپر محدود میشود. هدف اصلی در طراحی ترانسفورماتور ولتاژ، حداقل نمودن خطاهای زاویه فاز و نسبت تبدیل است.
این خطاها به دلایل زیر رخ میدهند:
۱) افت ولتاژ در سیمپیچی اولیه به خاطر جریان تحریک
۲) افت ولتاژ در هر دو سیمپیچی به خاطر جریان بار
مبدل، خطاها را در بار صفر و در شیب منحنیهای زاویه فاز و نسبت در نظر میگیرد. از آنجایی که جریان بار برای یک ولتآمپر ثانویه داده شده ثابت است، افت ایجاد شده فقط میتواند با کاهش مقاومت و راکتانس ترانسفورماتور کاهش یابد.
این کار با استفاده از تعداد دور کمتر و سطح مقطع بزرگی از آهن و مس انجام میشود. بنابراین امپدانس اولیه کم ایجاد شده، افت بیباری کوچکی را موجب میشود.
در ولتاژهای پایین، بخش فعال ترانسفورماتورهای ولتاژ در یک محفظه فلزی قرار گرفته و ترمینال اولیه از طریق یک بوشینگ بیرون آورده شده است. در سیستمهای با ولتاژ بالاتر از ۶۶ کیلوولت، عموماً قسمت فعال در یک محفظه چینی قرار میگیرد.
تفاوت مهم دیگر بین ترانس ولتاژ تکفاز و ترانس قدرت تکفاز این است که در حالت تبدیل، فقط یک ترمینال سیمپیچ اولیه برای اتصال خط بیرون آورده میشود؛ ترمینال دوم همراه با هسته و محفظه فلزی زمین میگردد.
ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع خازنی
ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع خازنی در شبکههای انتقال ولتاژ بالا برای اندازهگیری ولتاژهای خیلی زیاد، بهویژه برای سیستمهایی با ولتاژ ۱۳۲ کیلوولت و بالاتر که استفاده از آنها بسیار اقتصادیتر است، مورد استفاده قرار میگیرند.
این نوع ترانسفورماتور، اندازهگیری ولتاژ خط به زمین را با تدارک همزمان برای کوپلاژ فرکانس کریر (Carrier) امکانپذیر میسازد که در شبکههای فشار قوی مدرن برای تلهمتری، کنترل از راه دور و اهداف ارتباطات تلفنی کاربرد گستردهای دارد.
ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع خازنی به دو نوع تقسیم میشوند:
الف) نوع خازن کوپلاژ
ب) نوع بوشینگی
ترانسفورماتور ولتاژ نوع خازن کوپلاژ
شکل زیر، یک نمودار تکخطی از ترانسفورماتور نوع خازن کوپلاژ را نشان میدهد. خازنهای C1 و C2 از کاغذ آغشته به روغن و ورقهای آلومینیومی ساخته شدهاند. هر خازن از تعداد زیادی المان که با کنتاکتهای خاصی برای اتصالات سری فراهم شده، تشکیل شده است و بهگونهای نصب میشود که اندوکتانس خازنی کوچک باقی بماند. یک تپ (Tap) نیز برای اتصال ترانسفورماتور ولتاژ مغناطیسی در نظر گرفته میشود.
در عمل برای طراحی ترانسفورماتور مغناطیسی، از ولتاژ اولیه استاندارد ۵، ۱۰، ۱۵ و ۲۰ کیلوولت با توجه به کلاس دقت و ولتآمپر ثانویه استفاده میکنند. به عنوان مثال، فرض کنید یک ترانسفورماتور ولتاژ خازنی با ظرفیت کل خازنی ۱۰۰۰ پیکوفاراد در یک سیستم ۶۶ کیلوولت استفاده شده است.
ولتآمپر ثانویه 100VA در کلاس دقت استاندارد ۵ میباشد. همچنین ترانسفورماتور مغناطیسی برای ولتاژ استاندارد ۵ کیلوولت 3√/5000 طراحی شده است. از آنجایی که ترانسفورماتور ولتاژ مغناطیسی برای ولتاژ اولیه ۵۰۰۰ ولت طراحی میشود.
ترانسفورماتور مغناطیسی فقط با ولتاژ اولیه 3√/5000 فرض شده است، زیرا کلاس دقت پایین میباشد. برای کلاس دقت بهتر و یا در جایی که نیاز به ولتآمپر ثانویه بیشتری باشد، طراحی برای ولتاژ اولیه بالاتر (3√/10000 یا 3√/20000 ولت) صورت میگیرد.
المانهای در مدار کمکی
۱) سیمپیچ القایی خنثیکننده (جبرانی)
2) امپدانس میرایی
۳) مقاومت
۴) فاصله هوایی جرقهگیر
سیمپیچ القایی جبرانکننده بهصورت سری با اولیه ترانسفورماتور واسطه، افت ولتاژ روی مقسم ولتاژ خازنی را جبران میکند. امپدانس میراشونده در مدار ثانویه از پدیده فرورزونانس جلوگیری کرده و مقاومت و جرقهگیر نیز حفاظت لازم را در برابر اضافهولتاژ فراهم میکنند.
ترانسفورماتور ولتاژ خازنی نوع بوشینگی
بوشینگهای نوع خازنی در ابتدا با لاک و لعاب پیچانده شده و لایههای کاغذ اشباعشده تحت فشار و حرارت قرار میگیرند؛ در این میان، پوششهای فلزی (شامل ورق آلومینیوم یا اندودی از گرافیت) بین لایههای کاغذ قرار داده میشوند. توزیع ولتاژ بین لایههای مختلف بهطور مناسبی طراحی و از پیش تعیین میگردد.
ظرفیت پایین خازنی، محدودیتهای جدی بر توان خروجی این نوع CVTها تحمیل میکند؛ به همین دلیل بهندرت برای سنکرونسازی و نمایش ولتاژ به کار میروند.
از آنجایی که در یک پست فشار قوی، نیازهای دیگری با ولتآمپر بالاتر وجود دارد، این نوع از CVTها معمولاً کاربرد زیادی ندارند؛ لذا برای مقایسه با ترانسفورماتور ولتاژ نوع مغناطیسی، باید CVTهای نوع کوپلاژ را در نظر گرفت.
مشخصات ترانسفورماتورهای ولتاژ
مشخصات استانداردهای IS 3165 در چهار بخش مطابق موارد زیر است:
- قسمت I: نیازهای عمومی
- قسمت II: ترانسفورماتورهای ولتاژ اندازهگیری
- قسمت III: ترانسفورماتور ولتاژ حفاظتی نوع الکترومغناطیسی
- قسمت IV: ترانسفورماتورهای ولتاژ خازنی
مضاف بر این، مؤسسه استاندارد هند استانداردهای زیر را نیز منتشر کرده است:
- IS 4146:1967: راهنمای کاربردی ترانسفورماتورهای ولتاژ
- IS 5547:1969: راهنمای کاربردی برای ترانسفورماتورهای ولتاژ خازنی
1. ولتاژ ثانویه نامی ترانس ولتاژ
در استانداردهای هندی، ولتاژهای ثانویه مجاز ۱۱۰ و 3√/110 ولت است. مقادیر ولتاژ ثانویه باقیمانده نامی در ترانسفورماتور ولتاژ باقیمانده باید برابر با ۶۳.۵ ولت یا برابر با ۱۹۰ ولت باشد. این ولتاژها به ولتاژ نامی هر سیمپیچ، از جمله اتصال مثلث باز، اشاره دارند.
ترانسفورماتور ولتاژ باقیمانده با اتصال مثلث باز، برای تولید ولتاژ باقیمانده مورد نیاز است تا ارتباط هر فاز با نشتی جریان در زمان وقوع خطای زمین را حفظ کند. در این موارد، لزوم بهکارگیری رلههای خطای زمین جهتدار ولتاژ پلاریزه مطرح میشود.
همچنین اتصال مثلث باز ممکن است برای تحریک یک نشانگر جهت نمایش حضور خطای زمین در سیستمهای زمیننشده بهکار رود.
تحت شرایط سهفاز متعادل، ولتاژ دو سر مثلث باز بسیار ناچیز است. در هنگام وقوع خطای زمین در سیستم، ولتاژی بین 3√110 تا ۱۱۰ ولت در دو سر سیمپیچ مثلث باز ظاهر میشود که بستگی به نوع زمین کردن نقطه خنثی سیستم و زمین کردن نقطه خنثی اولیه ترانسفورماتور ولتاژ دارد.
ترانسفورماتور ولتاژ مورد نیاز برای چنین کاربردی ممکن است شامل سه واحد تکفاز یا یک واحد سهفاز پنجشاخه باشد. کاربرد متعارف دیگر سیمپیچ مثلث باز، در حفاظت نامتعادلی برای اتصال ستاره بانکهای خازنی زمیننشده است.
در صورتی که سیمپیچ دوم روی V.Tها موجود نباشد و به یک منبع ولتاژ پلاریزه برای رلههای جهتدار نیاز باشد، میتوان مطابق شکل زیر، از یک ترانسفورماتور واسطه برای این منظور استفاده کرد. شرط لازم برای چنین آرایشی این است که V.Tهای اصلی یا بهصورت سهفاز پنجشاخه باشند و یا از سه واحد تکفاز تشکیل شده باشند.
2. خروجیهای نامی ترانس ولتاژ
خروجیهای نامی که طبق استاندارد IS 3156 ترجیحاً استفاده میشوند، شامل مقادیر ۱۰، ۲۵، ۵۰، ۷۵، ۱۰۰، ۱۵۰، ۲۰۰ و ۵۰۰ ولتآمپر در هر فاز میباشند. در صورتی که ترانسفورماتورهای ولتاژ دارای دو سیمپیچ ثانویه در هر فاز باشند، این مقادیر نشاندهنده مجموع خروجیهای نامی هر دو سیمپیچ است.
3. کلاس دقت ترانس ولتاژ
کلاس دقت، طبقهبندیای را برای ترانسفورماتورهای ولتاژ تعریف میکند و خطاهایی را که در محدوده مشخصشده، تحت شرایط معین بهرهبرداری رخ میدهند، معرفی مینماید. این پارامتر برای ترانسفورماتور ولتاژ اندازهگیری، بر اساس بالاترین درصد خطا در ولتاژ نامی طراحی شده است.
کلاسهای دقت استاندارد و خطای مجاز نسبت تبدیل و جابهجایی فاز در فرکانس نامی برای ترانسفورماتور ولتاژ نوع اندازهگیری، در محدوده ولتاژ بین ۸۰ تا ۱۲۰ درصد ولتاژ مجاز و یا ولتآمپر در محدوده بین ۲۵ تا ۱۰۰ درصد بار مجاز، با ضریب قدرت ۰٫۸ پیشفاز، در جدول زیر داده شده است.
کلاسهای دقت استاندارد برای ترانسفورماتورهای ولتاژ نوع خازنی (CVT) عبارتند از: ۰.۵، ۱، ۳ و ۵.
خطای نسبت تبدیل و جابهجایی فاز در کلاس دقت مربوطه نباید از مقادیر ذکر شده در جدول فراتر رود. لازم به ذکر است که کلاس دقت ۱۰ فقط در مورد ترانسفورماتورهای ولتاژ خازنی دارای سیمپیچ ولتاژ باقیمانده صدق میکند.
ترانسفورماتورهای ولتاژ دومنظوره
در مواردی که ترانسفورماتور ولتاژ تنها یک سیمپیچ ثانویه دارد اما مقرر است بهصورت دومنظوره (هم برای اندازهگیری و هم برای حفاظت) استفاده شود، باید الزامات هر دو کاربرد را برآورده سازد. اما در صورتی که ترانسفورماتور فشار قوی دارای دو سیمپیچ ثانویه مجزا باشد (یکی برای اندازهگیری و دیگری برای حفاظت)، هر کدام باید طبق استانداردهای مربوط به وظیفه خود عمل کنند.
4. فاکتورهای ولتاژ مجاز
این پارامتر بر اساس حداکثر ولتاژ بهرهبرداری تعیین میشود که خود به شرایط زمین کردن سیستم و سیمپیچ اولیه ترانسفورماتور ولتاژ فشار قوی بستگی دارد. فاکتورهای ولتاژ متناسب با شرایط زمین کردن و مدت زمان مجاز تحمل حداکثر ولتاژ، در جدول زیر قابل مشاهده است.
5. سطوح عایقی مجاز
اصول تئوری و بهرهبرداری ترانسفورماتورهای جریان
۱. ساختار و مبانی عملکردی
ترانسفورماتورهای جریان از نظر ساختار مشابه ترانسفورماتورهای قدرت تکفاز هستند و از قوانین اساسی ترانسفورماتورها تبعیت میکنند. با این وجود، یک تفاوت کلیدی وجود دارد: جریان اولیه در ترانسفورماتور جریان، توسط قدرت مورد نیاز مدار ثانویه کنترل نمیشود، بلکه توسط سیستم تغذیه اولیه به ترانسفورماتور تحمیل میگردد.
۲. مکانیسم القای مغناطیسی و تعادل آمپر دور
آمپر دور اولیه، یک فلوی مغناطیسی در هسته آهنی ایجاد میکند که موجب القای نیروی محرکه الکتریکی (EMF) در سیمپیچ ثانویه میشود. این EMF باعث پیدایش جریانی میگردد که از طریق بار متصل به پایانه ثانویه جاری میشود.
در همین حال، آمپر دور تولیدی توسط جریان ثانویه در تضاد با آمپر دور اولیه قرار گرفته و به این ترتیب، توازن بین سیستم آمپر دور دو سیمپیچ برقرار میگردد.
3. وابستگی شار مغناطیسی به ولتاژ و بار ثانویه
شار مغناطیسی در ترانسفورماتور جریان فشار قوی، تابع مستقیم ولتاژ ثانویه است. این موضوع نشان میدهد که شار مغناطیسی و چگالی شار بیشینه در هسته، مقادیری متغیر هستند که با توجه به رفتار عملیاتی ترانسفورماتور جریان فشار قوی، اهمیت بسیار زیادی در عملکرد دقیق دستگاه دارند.
تفاوت اساسی دیگر ترانسفورماتور جریان فشار قوی با ترانسفورماتور قدرت تکفاز در این است که اگرچه شرایط شبکه، جریان اولیه را کنترل میکند، اما ولتاژ القا شده در سیمپیچ ثانویه و چگالی شار هسته مغناطیسی، مستقیماً به جریان ثانویه و امپدانس بار (Burden) بستگی دارد.
4. تحلیل جریان بیباری و انحراف از حالت ایدهآل
در عمل، رابطه I1*N1 = I2*N2 بهطور کامل برقرار نمیشود. مشابه ترانسفورماتورهای قدرت، جریانی تحت عنوان جریان بیباری وجود دارد که تعادل این رابطه را برهم میزند، اما ماهیت ظهور آن در ترانسفورماتور جریان فشار قوی متفاوت است. جریان بیباری باید در سیمپیچ اولیه جاری شود تا شار مغناطیسی مورد نیاز جهت تحریک هسته و جبران تلفات آهنی را فراهم کند.
در ترانسفورماتور قدرت، سیمپیچ اولیه متناسب با بار ثانویه، جریان اضافی از شبکه میکشد تا تعادل آمپر دور برقرار شود؛ اما در ترانسفورماتور جریان فشار قوی، کل جریان منبع تغذیه (خط) اجباراً از سیمپیچ اولیه عبور میکند.
در این حالت، بخشی از این جریان تحمیلی، صرف تأمین جریان بیباری و ایجاد شار مورد نیاز میشود و مابقی آن به ثانویه منتقل میگردد.
جریان اولیه در سیمپیچ اولیه که بهصورت سری در مدار خط قرار گرفته است، جاری میشود و سیمپیچ ثانویه، جریان متناسب را به تجهیزات اندازهگیری و رلههای حفاظتی تحویل میدهد.
نمودار برداری (شکل فوق)، عملکرد ترانسفورماتور فشار قوی را در حالتی که شار مغناطیسی مشترک بین دو سیمپیچ وجود دارد، نشان میدهد. شار مغناطیسی، نیروی محرکه الکتریکی E2 را در ثانویه ایجاد کرده و سبب جاری شدن جریان I2 از طریق امپدانس بار (Z2) میگردد.
این شار توسط مولفهای از جریان بیباری تولید میشود؛ در این میان، مولفه عمودی جریان بیباری موجب بروز تلفات در ترانسفورماتور میگردد.
نقش جریان تحریک در تعادل آمپر دور
بخشی از آمپر دور اولیه صرف تحریک هسته جهت القای ولتاژ کافی در سیمپیچ ثانویه میشود؛ این ولتاژ باید به اندازهای باشد که جریان نامی ثانویه بتواند از امپدانس کل مدار ثانویه (شامل امپدانس داخلی سیمپیچ و امپدانس بار: Zs + Z2) عبور کند.
مقادیر نامی ترانسفورماتور جریان فشار قوی
1. جریان اولیه نامی
جریان نامی اولیه باید از میان مقادیر استاندارد ارائه شده در جدول زیر انتخاب شود. انتخاب دقیق این مقدار با توجه به حداکثر جریان بار در نقطه نصب و سطح خطاهای احتمالی صورت میگیرد.
2. جریان ثانویه نامی
جریان نامی سیمپیچ ثانویه بهطور استاندارد ۵ آمپر است، اما در برخی موارد از مقادیر ۱ آمپر و ۲ آمپر نیز استفاده میشود؛ برای مثال:
الف) در مواردی که تعداد دورهای ثانویه بسیار کم باشد و نتوان با کاهش یا افزایش یک دور، به محدودههای دقت مورد نیاز دست یافت.
ب) زمانی که طول سیمهای رابطِ ثانویه (کابلهای اتصال) زیاد باشد و باعث افزایش افت ولتاژ و توان خروجی ثانویه گردد.
3. فرکانس و جریان حرارتی
فرکانس استاندارد: فرکانس نامی عملکرد باید برابر با ۵۰ هرتز باشد.
جریان حرارتی پیوسته: چنانچه مقدار خاصی مشخص نشده باشد، این جریان برابر با جریان نامی اولیه در نظر گرفته میشود.
4. توان نامی (Burden)
توان نامی عبارت است از مقدار توان ظاهری بر حسب ولت آمپر (VA) در یک ضریب توان مشخص که ترانسفورماتور جریان در مدار ثانویه تامین میکند. مقادیر استاندارد خروجی نامی شامل ۲.۵، ۵، ۷.۵، ۱۰، ۱۵ و ۳۰ ولت آمپر است. این مقادیر برای اطمینان از عملکرد بهینه در کاربردهای مختلف انتخاب میشوند.
5. مقادیر نامی جریان زمان کوتاه
یک ترانسفورماتور جریان باید قادر باشد جریان قابل تحمل زمان کوتاه را برای مدت زمانی مشخص تحمل نماید. مقدار این جریان نباید از سطح جریان اتصال کوتاه شبکه که توسط کلیدهای قدرت (دژنکتورها) قطع میشود، کمتر باشد.
6. جریان نامی دینامیکی
مقدار پیک (Peak) جریان دینامیکی نامی نباید کمتر از ۲.۵ برابر جریان حرارتی نامی زمان کوتاه باشد، مگر آنکه مقدار دیگری در پلاک مشخصات ترانسفورماتور جریان قید شود. این پارامتر نشاندهنده استقامت مکانیکی ترانسفورماتور در برابر نیروهای ناشی از جریانهای شدید اتصال کوتاه است.
7. کلاس دقت نامی
برای ترانسفورماتورهای جریان نوع اندازهگیری، کلاسهای دقت و مقادیر مجاز خطای جریان و جابهجایی فاز در جدول زیر ارائه شده است.
مقادیر دقیق خطا در درصدهای مختلف جریان (۵٪، ۲۰٪، ۱۰۰٪ و ۱۲۰٪) مطابق استانداردهای مربوطه در متن کامل جدول لحاظ میگردد.
8. کلاس دقت ترانسفورماتورهای جریان حفاظتی
در ترانسفورماتورهای جریان نوع حفاظتی، کلاس دقت بر اساس “خطای مرکب” در جریان حد دقت نامی طراحی شده و با حرف P (مخفف Protection) مشخص میشود. کلاسهای دقت استاندارد و محدودههای خطای جریان و جابهجایی فاز متناظر با آنها در جدول زیر آورده شده است.
ترانسفورماتورهای حفاظتی که برای کاربردهای خاص (مانند حفاظت دیفرانسیل) در نظر گرفته میشوند، در کلاس PS طراحی میگردند. این ترانسفورماتورها عمدتاً به دو دسته تقسیم میشوند:
الف) نوع با راکتانس کم
ب) نوع با راکتانس بالا
برای ترانسفورماتورهای جریان کلاس PS از نوع راکتانس کم، تعیین مشخصات فنی زیر الزامی است:
۱. جریان اولیه نامی
۲. نسبت تبدیل دورها
۳. ولتاژ نقطه زانو
۴. حداکثر جریان مغناطیسکنندگی در ولتاژ نقطه زانو یا در درصد معینی از آن
۵. مقاومت اهمی سیمپیچ ثانویه در دمای مرجع ۷۵ درجه سانتیگراد.
شایان ذکر است که بازده و پارامترهای عملیاتی ترانسفورماتورهای جریان حفاظتی از نوع راکتانس بالا، بر اساس توافق میان خریدار و سازنده تعیین میگردد.
9. سطح عایقبندی نامی
سطح عایقبندی یک ترانسفورماتور جریان برای یک ولتاژ نامی مشخص، مشابه مقادیری است که برای ترانسفورماتورهای ولتاژ در نظر گرفته میشود.
تفاوت میان ترانسفورماتورهای جریان حفاظتی و اندازهگیری
ترانسفورماتورهای جریان بر اساس نیازهای بهرهبرداری، به دو گروه اصلی حفاظتی و اندازهگیری طبقهبندی میشوند. از آنجایی که ویژگیهای عملکردی و الزامات طراحی این دو نوع ترانسفورماتور با یکدیگر متفاوت است، شناخت دقیق رفتار آنها جهت انتخاب و بهکارگیری صحیح در شبکه قدرت ضرورت دارد.
1. ترانسفورماتورهای جریان اندازهگیری
با گسترش سیستمهای تولید انرژی و بهویژه در نقاط تبادل توان بین شبکههای مختلف قدرت، اهمیت دقت در اندازهگیری و سنجش الکتریکی بهشدت افزایش یافته است. در تبادلات انرژی با مقیاس وسیع، اشتباهات کوچک در اندازهگیری میتواند منجر به پیامدهای مالی قابلتوجهی شود.
از این رو، ضرورت دارد که جریان اولیه نامی با دقت بسیار بالا سنجیده و به مدارات ثانویه منتقل گردد. ترانسفورماتورهای این گروه بهگونهای طراحی میشوند که در محدوده جریانهای نرمال بار، کمترین خطای نسبت و فاز را داشته باشند.
ویژگیهای عملکردی ترانسهای اندازهگیری
ترانسفورماتورهای جریان نوع اندازهگیری نیازمند دقت بالا (کلاسهایی نظیر ۵ یا ۱۰ درصد) در محدوده ۵ تا ۱۲۵ درصد جریان نامی هستند و خطاهای آنها باید در محدودهی استانداردهای ذکر شده در جداول فنی باقی بماند.
یکی از ویژگیهای کلیدی این ترانسها، رفتار هسته در جریانهای بالا است؛ منحنی مشخصه تحریک هسته در ترانسهای اندازهگیری باید تا حدود ۱۲۵ یا ۱۵۰ درصد جریان نامی بهصورت خطی باشد.
فراتر از این مقدار، نه تنها دقت اهمیت خود را از دست میدهد، بلکه ترجیح داده میشود هسته بهسرعت به اشباع برود. این پدیده باعث میشود در زمان وقوع اتصال کوتاه، جریان ثانویه بهشدت محدود شده و از آسیب دیدن دستگاههای حساس نظیر آمپرمترها، واتمترها و کنتورها جلوگیری شود.
مطابق شکل فوق، در یک ترانس اندازهگیری ایدهآل، حتی با افزایش شدید جریان اولیه، جریان ثانویه تنها به مقدار اندکی افزایش مییابد که این امر موجب حفاظت از تجهیزات اندازهگیری در برابر جریانهای خطای شبکه میگردد.
2. ترانسفورماتورهای جریان حفاظتی
برخلاف ترانسفورماتورهای نوع اندازهگیری، وظیفه اصلی ترانسهای حفاظتی حفظ دقت بالا در محدوده جریانهای عادی بار نیست. در این تجهیزات، اولویت اصلی این است که مقدار خطای جریان و خطای زاویه در محدودههای گستردهتری که متناظر با جریانهای خطا (اتصال کوتاه) است، در حد مجاز و استاندارد باقی بماند تا رلههای حفاظتی بتوانند عملکرد صحیحی داشته باشند.
ساختار ترانس جریان
ساختار اساسی ترانسفورماتورهای جریان بر اساس طراحی سیمپیچ اولیه به دو دسته کلی تقسیم میشود:
۱. نوع میلهای
۲. نوع سیمپیچی شده
انتخاب هر یک از این دو نوع ساختار، بستگی مستقیمی به جریان نامی اولیه و توان نامی ثانویه (VA) مورد نیاز دستگاه دارد.
ترانسفورماتور جریان نوع میلهای
برای جریانهای اولیه بزرگ، ساختار نوع میلهای گزینهای ایدهآل محسوب میشود؛ زیرا این طراحی میتواند الزامات مربوط به کلاس دقت و ولت آمپر ثانویه را بهخوبی تأمین کند. همچنین، این نوع ساختار از نظر استقامت در برابر تنشهای حرارتی و نیروهای مکانیکی ناشی از جریانهای دینامیکی (در زمان خطا)، پایداری بسیار بالایی دارد.
انواع متداول این ساختار عبارتند از:
الف) سیمپیچ اولیه میلهای: که در آن اولیه تنها شامل یک دور (یک شمش یا میله عبوری) است.
ب) ثانویه سیمپیچی شده با یک هسته: شامل یک سیمپیچ ثانویه با تعداد دور مشخص که بر روی یک هسته مغناطیسی قرار گرفته است.
ج) ثانویه سیمپیچی شده با دو هسته: در این حالت، دو هسته مجزا (مثلاً یکی برای اندازهگیری و دیگری برای حفاظت) در یک محفظه قرار میگیرند که سیمپیچهای ثانویه مختص به خود را دارند.
ترانسفورماتورهای جریان نوع بوشینگی
این نوع ترانسفورماتور در اصل از مقره (بوشینگ) ترانسفورماتورهای قدرت یا کلیدهای فشار قوی بهعنوان عایق اولیه استفاده میکند.
در این نوع ترانسفورماتور در اصل از مقره (بوشینگ) ترانسفورماتورهای قدرت یا کلیدهای فشار قوی بهعنوان عایق اولیه استفاده میکند.
این مدل محدودیتهای جدی در میزان توان خروجی (VA) و کلاس دقت دارد.
در این حالت، آمپر دور اولیه دقیقاً برابر با جریان اولیه است (چون اولیه یک دور است). برای جریانهای حدود ۴۰۰ آمپر، توان خروجی معمولاً در حدود ۱۵ ولت آمپر برای کلاس ۰.۵، یا ۱۰ الی ۲۰ ولت آمپر برای کلاسهای حفاظتی در نظر گرفته میشود.
در جریانهای پایینتر، ولت آمپر نامی کاهش مییابد، مگر آنکه ضریب حد دقت (ALF) را کم در نظر بگیریم.
ترانسفورماتورهای نوع جدا سوار شده
این ترانسها بهصورت یک تجهیز مستقل در پستهای فشار قوی نصب میشوند. در برخی مدلها حفظ خطاهای اندازهگیری در محدودهی استاندارد دشوار است. برای حل این مشکل، گاهی از هستههایی با آلیاژ آهن نیکل (به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی بالا) یا طراحی هستههای استوانهای بلند استفاده میشود تا به نتایج مطلوب در کلاس دقت دست یافته شود.
ترانسفورماتور جریان نوع سیمپیچی شده
در این مدل، سیمپیچ اولیه دارای چندین دور است (عموماً تا ۵ دور). تعداد دورها بهگونهای انتخاب میشود که حاصلضرب جریان در دور (آمپر-دور) به مقدار بهینه (معمولاً حدود ۱۲۰۰ آمپر دور) برسد.
اگرچه با این روش میتوان به هر ولت آمپر یا کلاس دقتی دست یافت، اما از نظر فنی محدودیتهایی وجود دارد. نکته حائز اهمیت این است که هرچه تعداد دورهای سیمپیچ اولیه بیشتر شود، استقامت تجهیز در برابر اثرات حرارتی و نیروهای دینامیکی ناشی از جریانهای اتصال کوتاه کاهش مییابد؛ بنابراین در طراحی باید بین “دقت” و “استقامت مکانیکی” تعادل برقرار شود.
ترانسفورماتورهای جریان چندهستهای
ترانسفورماتورهای نوع بوشینگی ساختار سادهای دارند؛ شامل یک هسته و یک سیمپیچ ثانویه هستند که هادی عبوری از میان بوشینگ (متصل به کلید قدرت)، نقش تکدور اولیه را ایفا میکند. با این حال، استفاده از ترانسهای کاملاً مجزا برای هر یک از کاربردهای حفاظتی و اندازهگیری از نظر اقتصادی مقرونبهصرفه نیست.
برای حل این چالش، ترانسفورماتورهای جریان بهصورت چندهستهای طراحی میشوند. در این ساختار:
سیمپیچ اولیه: برای تمامی هستهها مشترک است.
هستهها و ثانویهها: دو یا چند هسته مجزا در یک محفظه قرار میگیرند که هر کدام سیمپیچ ثانویه مخصوص به خود را دارند.
عملکرد: یک ترانسفورماتور دوهستهای دقیقاً مانند دو ترانسفورماتور مستقل با جریان اولیه یکسان عمل میکند. با تغییر آرایش سیمپیچی اولیه، نسبت تبدیل در تمام هستهها تغییر مییابد، اما میتوان تعداد دورهای متفاوتی برای سیمپیچهای ثانویه هر هسته در نظر گرفت.
ترانسفورماتورهای ترکیبی
برخی سازندگان برای بهینهسازی فضا و کاهش هزینهها، ترانسفورماتورهای جریان (CT) و ولتاژ (VT) را در یک مجموعه واحد میسازند. در این تجهیزات، اگرچه هر دو واحد در یک محفظه فیزیکی قرار دارند، اما از نظر الکتریکی کاملاً مستقل از یکدیگر عمل میکنند.
معیارهای انتخاب ترانسفورماتور جریان
برای انتخاب صحیح یک ترانسفورماتور جریان در شبکه قدرت، باید پارامترهای زیر را بهدقت لحاظ کرد:
۱. نوع ترانسفورماتور
۲. تعداد هستههای ثانویه
۳. کلاس دقت هر یک از سیمپیچهای ثانویه
۴. توان نامی ثانویه (VA)
۵. ضریب حد دقت (ALF)
۶. جریان اتصال کوتاه عبوری
۷. سطح عایقبندی: شامل ولتاژ استقامت فرکانس قدرت و ولتاژ استقامت در برابر ضربه
1. تعداد سیمپیچهای ثانویه
ترانسفورماتورهای جریان عموماً دارای حداقل دو هسته ثانویه هستند: یکی برای مقاصد اندازهگیری و دیگری برای مقاصد حفاظتی.
در سطوح ولتاژی بالاتر یا سیستمهای حساس، استفاده از سه هسته ثانویه نیز متداول است (بهعنوان مثال: یک هسته برای اندازهگیری، یک هسته برای حفاظت اصلی مانند دیفرانسیل، و هسته سوم برای حفاظت پشتیبان مانند دیستانس). بهطور کلی، تعداد ثانویهها بر اساس استراتژیهای حفاظتی و نیازهای سنجش شبکه تعیین میگردد.
2. انتخاب ولت آمپر نامی ثانویه
توان خروجی یا ولت-آمپر ثانویه کل یک ترانسفورماتور جریان (که تحت عنوان بار یا Burden شناخته میشود) از مجموع موارد زیر تشکیل میگردد:
۱. تلفات ناشی از مقاومت داخلی سیمپیچ ثانویه CT
۲. ولت آمپر مصرفی تجهیزات اندازهگیری
۳. ولت آمپر مصرفی رلههای حفاظتی
۴. بار ناشی از سیمهای رابط
3. مقاومت سیمپیچ ثانویه CT
مقادیر مقاومت سیمپیچ ثانویه بر اساس استانداردهای سازندگان در جداول فنی (نظیر جدول زیر) قید میشود. در این خصوص توجه به نکات زیر ضروری است:
توان خروجی قابل دسترسی در ترانسفورماتورهای نوع بوشینگی بهدلیل ساختار هسته، محدود است.
مقاومت ثانویه در ترانسفورماتورهای با جریان ثانویه ۱ آمپر بهطور قابلتوجهی با ترانسفورماتورهای ۵ آمپر متفاوت است (معمولاً در نوع ۱ آمپری مقاومت بسیار بالاتر است تا ولتاژ مورد نیاز تأمین شود).
4. ولت آمپر تجهیزات اندازهگیری
تجهیزات اندازهگیری (نظیر آمپرمتر، واتمتر و …) هر کدام بار مشخصی را به ثانویه تحمیل میکنند. مقادیر عمومی این بارها در جریان نامی ۵ آمپر و فرکانس ۵۰ هرتز در جداول استاندارد (مانند جدول زیر) ارائه میشود.
5. ولت آمپر رلههای حفاظتی
توان مصرفی رلهها معمولاً بر حسب ولت آمپر (VA) توسط سازنده اعلام میشود. در کاربردهای خاص مانند حفاظت دیفرانسیل و دیستانس، دانستن مقدار مقاومت اهمی رلهها ضروری است.
6. ولت آمپر کابلهای کنترل
مقاومت کابلهای رابط بین ترانسفورماتور جریان و تابلوهای حفاظتی/اندازهگیری معمولاً بر حسب اهم مشخص میشود. برای محاسبه توان مصرفی (ولت آمپر) این کابلها، مقدار مقاومت مسیر در مجذور جریان ثانویه ضرب میشود.
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
