پایان نامه ساختمان ، استانداردهای طراحی و بررسی اشباع موضعي ترانسفورماتورهاي جريان و اثرات آن بر حفاظت سيستم قدرت
مقدمه:
ترانسفورماتور جريان () بخوبي در تجهيزات سيستم قدرت جا افتاده است. اما بطور كلي صرفاً به عنوان وسيله اي كه جريان اوليه را در يك سطح كاهش يافته بازسازي ميكند، شناخته مي شود. يك ترانسفورماتور جريان طراحي شده براي مقاصد اندازه گيري در يك محدوده جريان تا مقدار نامي مشخصي كه معمولاً مطابق با جريان نامي مدار است، كار مي كند و مقدار مشخصي خطاي اندازه گيري دارد. از طرف ديگر يك ترانسفورماتور جريان حفاظتي نياز است كه در يك محدوده اي از جريان كه چندين برابر جريان نامي مدار است كار كند و اغلب در معرض شرايطي قرار دارد كه بسيار سنگين تر از شرايطي است كه ممكن است ترانسفورماتور جريان اندازه گيري با آن مواجه شود. تحت چنين شرايطي چگالي شار تا وضعيت اشباع پيشرفت مي كند كه پاسخ تحت اين شرايط و دوره گذاري اندازه گيري اوليه جريان اتصال كوتاه مهم است.
بنابراين تصديق مي شود كه روش تعيين مشخصه ترانسفورماتور جريان براي مقاصد اندازه گيري لزوماً براي مقاصد حفاظتي رضايت بخش نخواهد بود. علاوه بر اين كه شناخت عميقي از طرز كار ترانسفورماتور جريان موردنياز است تا عملكرد حفاظتي آن را پيش بيني نمود. ترانسفورماتورهاي جريان دوعمل مهم را انجام مي دهند:
- ترانسفورماتورهاي جريان شرايط جريان اوليه را در يك سطح بسيار پايين تر توليد مي كنند، بطوري كه جريان ثانويه بتواند به وسيله كابل هاي با سطح مقطع هاي كوچك، مناسب براي سيم كشي پانل و رله ها حمل شود.
- آنها يك سد عايقي ايجاد مي كنند به طوري كه رله هايي كه براي حفاظت تجهيزات فشارقوي استفاده مي شوند فقط نياز دارند براي يك ولتاژ نامي 600 ولت عايق بندي شوند.
مقادير استاندارد شده جريان ها اوليه و ثانويه ترانسفورماتورهاي جريان مطابق نشريهشماره 185 سال 1996 به شرح زير است:
جريان اوليه 75-60-50-40-30-25-20-15-5/12-10 آمپر و مضارب 10 مقادير فوق بوده و جريان ثانويه 5-2-1 آمپر مي باشد.
1-2- ساختمان ترانسفورماتور جريان نوع حلقوي
نوار فولادي جهت داده شده در این نوع ترانسفورماتور به صورتي پيچيده مي شود كه يك هسته را تشكيل دهد و با يك لايه عايقي پوشانده مي شود. سيم پيچي ثانويه بر روي اين هسته پيچيده مي شود و تعداد دور تشكيل دهنده آن طوري انتخاب مي شود كه نسبت مورد نياز را توليد كند. و سطح مقطع سيم آن بايد داراي اندازه كافي جهت عبور جريان باشد و همچنين با يك لايه عايق بندي ديگر سيم پيچي ثانويه پوشانده مي شود. هادي اوليه، كه به صورت يك سيم پيچي تك حلقه است طوري نصب مي شود كه از مركز هسته حلقوي عبور نمايد. توليد هسته با روي هم قرار دادن لايه هاي دايره اي شكل اكنون به جاي نوع پيچي جايگزين شده است.
1-3- طراحي
ترانسفورماتورهاي جريان مطابق با معادله نيروي محركه الكترومغناطيسيترانسفورماتورهاي معمولي طراحي مي شوند كه در آنها ولتاژ متوسط القا شده مساوي با حاصل ضرب تعداد دورها و نرخ تغييرشار مغناطيسي () مي باشند. معيار طراحي معمولي محدود كردن شار به مقداري كه اشباع آغاز مي شود، كه به شار نقطه زانو معروف است، مي باشد و بنابراين برابر حداكثر مقدار جريان مغناطيس كننده اي است كه اين شار را توليد مي كند.
چگالي شار صفحه فولادي در حدود 5/1 تسلا در نقطه زانو است كه براي يك ترانسفورماتور جريان نوع حلقوي با داشتن نسبت آن به راحتي ولتاژ نقطه زانو را مي توان تخمين زد، اگر ابعاد تقريبي هسته دانسته فرض شود.
به عنوان مثال يك نسبت با يك سطح هسته 30 *40 ميلي متر داراي شار نقطه زانوي خواهد بود، كه در يك سيستم 50هرتز توليد يك ولتاژ زانوي را مي نمايد.
1-4- بعضي تعاريف و نكات مربوط به ترانسفورماتورهاي جريان
1- جريان اسمي
جريان هاي اسمي يك ترانسفورماتور، جريان هاي اوليه و ثانويه اي است كه براي آن مقادير، ترانسفورماتور طراحي گرديده است. مقادير استانداردشده اين جريان ها قبلاً ذكر گرديده است.
2- نسبت تبديل اسمي
نسبت تبديل اسمي نسبت جريان اسمي اوليه به جريان اسمي ثانويه است.
3- جريان حرارتي اسمي دائمي
جريان حرارتي اسمي دائمي حداكثر جريان اوليه اي است كه ترانسفورماتور مي تواند موقعي كه به طور دائم كار مي كند تحمل نمايد بدون اينكه درجه حرارت آن از حد نرمال تجاوز نمايد.
4- جريان حرارتي اسمي موقتي ()
آن مقدار از جريان اوليه بر حسب كيلوآمپر مي باشد كه ترانسفورماتور با سيم پيچ ثانويه اتصال كوتاه شده، مي تواند بدون صدمه ديدن براي مدت يك ثانيه تحمل نمايد.
5- بردن
بار ترانسفورماتور جريان بردن ناميده مي شود و مي تواند به صورت يك بار ولت آمپري () و يا يك امپدانس بيان شود. در حالت اول ولت آمپر كشيده شده در جريان نامي ثانويهدر نظر گرفته مي شود. همه بردن ها بطور سري متصل مي شوند و افزايش امپدانس، بردن ترانسفورماتور جريان را افزايش مي دهد. يك ترانسفورماتور جريان وقتي بي بار است كه سيم پيچي ثانويه آن اتصال كوتاه شده باشد، زيرا در اين صورت بردن ولت آمپري صفر است. خطاهاي نسبت تبديل ترانسفورماتور جريان بستگي به زاويه بردن علاوه بر امپدانس آن دارد.
6- قدرت اسمي
قدرت اسمي ترانسفورماتور جريان قدرت ظاهري بر حسب ولت آمپر و همراه با ضريب قدرت است كه ترانسفورماتور جريان مي تواند در جريان اسمي و بردن اسمي به مدار ثانويه تحويل دهد.
7- قدرت خروجي اسمي
قدرت خروجي اسمي مساوي با حاصل ضرب جريان ثانويه اسمي و افت ولتاژ مدار خارجي ثانويه حاصل از اين جريان مي باشد. مقادير استاندارد شده قدرت هاي خروجي تا 30 ولت آمپر عبارتند از:
قدرت هاي بالاتر از 30 ولت آمپر بسته به مورد لزوم انتخاب مي شوند.
8- رابطه بين فركانس و قدرت خروجي در ترانسفورماتورهاي جريان
ترانسفورماتورهاي جريان طراحي شده براي فركانس 50 هرتز و قدرت خروجي موقعي كه با فركانس كاركند قدرت خروجي اش مطابق فرمول زير به دست مي آيد:
كه درآنمصرف داخلي سيم پيچ ثانويه مي باشد. اگر قدرت خروجي در مقايسه با قدرت بزرگ باشد قدرت اغلب متناسب با فركانس تغيير مي كند.
9- خطاي جريان (خطاي تبديل)
خطاي جريان () يك ترانسفورماتور جريان براي يك جريان اوليه مشخص ، درصد انحراف جريان ثانويه از مقدار تئوري مي باشد.خطاي جريان بر حسب درصد به صورت زير بيان مي شود:
كه در آنخطاي جريان بر حسب درصد، نسبت تبديل اسمي،جريان اوليه برحسب آمپر وجريان ثانويه بر حسب آمپر مي باشند. خطاي جريان موقعي كه مقدار حقيقي جريان ثانويه از مقدار تئوري اش بيشتر باشد مثبت است.
10- جابجايي فاز (خطاي فاز)
جابجايي فاز، جابجايي فاز جريان ثانويه نسبت به جريان اوليه است. روابط اوليه بر اين فرض است كه در صورت عدم خطا جابجايي صفر است (نه 180درجه). زاويه فاز بر حسب دقيقه قوس است و در صورتي كه ثانويه از اوليه جلو بيفتد اين جابجايي مثبت است.
11- خطاي كلي (مركب)
خطاي كلي يك ترانسفورماتور جريان از رابطه زير بدست مي آيد:
كه در آن خطاي كلي بر حسب درصد، مقدار مؤثر جريان اوليه بر حسب آمپر،مقدار لحظه اي جريان اوليه بر حسب آمپر، مقدار لحظه اي جريان ثانويه بر حسب آمپر و نسبت تبديل اسمي هستند.
اين تعريف در صورت حضور هارمونيك ها در جريان ثانويه و مغناطيس كننده به كار مي رود چون در اين حالت ديگر راه حل برداري مورد قبول نمي باشد.
1-5- ترانسفورماتور جريان مدار بازشده
اگر امپدانسدر مدار معادلي در قبل آمد خيلي بالا باشد در آن صورت ولتاژ محاسبه شده از رابطه خيلي بزرگ خواهد شد و بالاتر از مقدار زانو قرار مي گيرد، در نتيجهدر معادله تعادل آمپر- دور به طور قابل ملاحظه اي بزرگ مي شود. حد نهايي آن وقتي است كه سيم پيچ ثانويه مدار باز شده وبرابر با صفر شود. همه آمپر- دور ورودي به عنوان آمپر- دورهاي مغناطيس كنندگي به كار مي روند و ترانسفورماتور جريان را اشباع مي كنند. چنانكه در نموداربر حسب بالا ديده مي شود افزايش زياد جريان مغناطيس كنندگي باعث افزايش چنداني در ولتاژ متوسط نمي شود وليكن اين تغيير در شار از صفر تا مقدار نقطه زانو در ربع سيكل حاصل نمي شود، بلكه شايد در يك صدم اين زمان اتفاق بيفتد بنابراين نرخ تغيير شار و در نتيجه ولتاژ القايي در اين فاصله زماني حدود 100 برابر ولتاژ زانو خواهد شد. در اثر اين ولتاژ زياد كوتاه مدت و اضافه حرارت ايجاد شده در اثر افزايش شديد در تلفات آهني، عايق بندي مي تواند آسيب جدي ببيند.
1-6- ضريب زمان كوتاه (short-time factor)
وقتي يك ترانسفورماتور جريان در يك سيستم قدرت به كار مي رود ممكن است در معرض جريان خطايي چندبرابر بزرگ تر از جريان نامي اوليه اش قرار بگيرد و بنابراين بايد قادر به تحمل اثرات اين جريان براي مدت زماني كه متحمل است ادامه يابد، باشد. حداكثر جرياني كه ترانسفورماتور جريان مي تواند بدون هيچ گونه آسيب حرارتي و مكانيكي تحمل نمايد به صورت ضريبي از جريان نامي آن بيان مي شود و به عنوان ضريب زمان كوتاه ناميده مي شود. به عنوان مثال يك ترانسفورماتور جريان 5/200 كه قادر به تحمل جرياني، مثلاً 13000 آمپر، مي باشد، يك ضريب زمان كوتاه 65 خواهد داشت. چنين ضريب زمان كوتاه هميشه همراه با دور زماني جريان مثلاً 3 ثانيه مي باشد. جريان هاي كمتر مجازند براي زمان هاي طولاني تري عبور كنند زيرا زمان مجاز يا مجذور كاهش در جريان افزايش مي يابد. وليكن جريان هاي بزرگ تر لزوماً براي هيچ دوره زماني مجاز به عبور نيستند، زيرا نيروهاي الكترومغناطيسي نيز بايد در نظر گرفته شوند.
1-7- ضريب حد دقت (Accuracy-Limit Factor)
وقتي كه يك ترانسفورماتور جريان براي تغذيه يك رله حفاظتي به كار مي رود، بايد نسبت مشخصه خود را تا چندبرابر جريان نامي خود حفظ كند. اين ضريب، كه وابسته به نوع و مشخصه هاي حفاظتي است، مي تواند 10، 20 يا حتي مقادير بيشتر باشد و به عنوان ضريب حد دقت شناخته مي شود.
خطاي نسبت كوچكي كه به وسيله جريان مغناطيس كننده در ترانسفورماتورهاي جريان اندازه گيري به وجود مي آيد، كه اغلب با تغيير مختصري در نسبت دورهاي اوليه به ثانويه نسبت به حالت نامي جبران مي شود. به عنوان مثال يك ترانسفورماتور جريان 1/100 مي تواند يك دور اوليه و 98 دور ثانويه داشته باشد بطوري كه نسبت تبديل به صورت 100 به 02/1 آمپر ظاهر شود، اما وقتي كه براي تغذيه بردن نامي به كار مي رود جريان ثانويه از مقدار 02/1 آمپر به يك آمپر به وسيله تلفات مغناطيس كنندگي كاهش مي يابد.
با وجود اين كه بردن يك آرايش حفاظتي فقط چند ولت آمپر در جريان نامي است، اما اگر ضريب حد دقت زياد باشد جريان خروجي مورد نياز از ترانسفورماتور جريان مي توان قابل ملاحظه باشد. از طرف ديگر ترانسفورماتور جريان ممكن است در معرض بردن خيلي بالايي قرار گيرد. به عنوان مثال عناصر حفاظت اضافه جريان و خطاي زمين يك رله كه داراي مصرف ولت آمپر مشابهي در تنظيم هستند، اگر عناصر اضافه جريان در صددرصد تنظيم شوند، تنظيم عنصر خطاي زمين در 10 درصد داراي امپدانسي به مقدار 100 برابر امپدانس عناصر اضافه جريان خواهد شد.
با وجود اين كه اشباع عناصر رله تا حدي اين موضوع را تعديل مي كند، ولي ديده خواهد شد كه عنصر خطاي زمين بردن شديدي خواهد داشت و ترانسفورماتور جريان ممكن است در معرض خطاي قابل توجهي در اين حالت قرار گيرد. به اين دليل تصحيح دور براي ترانسفورماتورهاي جرياني كه براي مقاصد حفاظتي به كار مي روند زياد مفيد نخواهد بود و معمولاً ساده تر و رضايت بخش تر است كه آنها را طبق دور نامي خود سيم پيچي نمود.
1-8- مشخصه ترانسفورماتورهاي جريان
يك روش براي مشخص نمودن ترانسفورماتورهاي جريان براي مقاصد حفاظتي در استاندارد داده شده است. در اين مشخصه آنها بر اساس بردن نامي، كلاس دقت و حد دقت تعريف مي گردند. مقادير استاندارد بردن نامي ولت آمپر هستند. دو كلاس دقت وتعريف شده كه بترتيب يك خطاي تركيبي 5درصد و10درصد را درجريان نامي بيان مي كنند.ضرايب حد دقت استاندارد عبارتند از: روش توصيف يك ترانسفورماتور جريان كه به صورت مي باشد، بدان معني است كه بردن نامي آن 15 ولت آمپر است و بيش از 5 درصد خطا در 20 برابر جريان نامي نخواهد داشت.
اغلب راحت تر است كه مستقيماً به حداكثر ولتاژ مفيد قابل دسترسي رجوع شود. در اين ارتباط نقطه زانوي منحني مغناطيس شوندگي به عنوان نقطه اي تعريف مي شود كه در آن يك افزايش 10درصدي در ولتاژ ثانويه باعث افزايش جريان مغناطيس كنندگي به ميزان 50 درصد مي شود. نيازهاي طراحي براي ترانسفورماتورهاي جريان براي مقاصد حفاظتي عمومي اغلب به صورت ولتاژ نقطه زانو، جريان مغناطيس كنندگي در زانو يا در نقطه اي ديگر، و مقاومت ثانويه بيان مي گردند. اين ترانسفورماتورها عموماً به عنوان ترانسفورماتورهاي جريان كلاسشناخته مي شوند.
1-9- جريان نامي ثانويه
ترانسفورماتورهاي جريان معمولاً طوري طراحي مي شوند كه جريان نامي ثانويه آنها يك آمپر و يا 5 آمپر باشد. بسياري از بردن ها يك مقدار مشخص از ولت آمپر در جريان نامي نياز دارند و در نتيجه امپدانسي خواهد داشت كه بطور معكوس با مجذور جريان نامي تغيير مي كند، به طوري كه به نظر نمي رسد كه مقدار نامي جريان ثانويه مهم باشد. وليكن بسياري از بردن ها در فاصله نسبتاً دوري از ترانسفورماتور جريان مربوطه قرار گرفته اند، از آنجايي كه اندازه سيم اتصال دهنده معمولاً به اندازه كافي براي انتقال جريان توليدي يك ترانسفورماتور جريان با هرمقدار نامي ثانويه است، سيم ها داراي مقاومت مشخصي هستند و بنابراين بردن بيشتري در جريان هاي نامي بزرگ تر را توليد مي كنند.
به عنوان مثال يك سيم اتصال دهنده با مقاومت يك اهم در جريان نامي ثانويه 5 آمپر، بردن 25 ولت آمپر را توليد ميكند، در حاليكه براي جريان نامي ثانويه يك آمپري همين سيم توليد بردن يك ولت آمپري مي كند. واضح است كه در تمام مواردي كه مقاومت سيم ها مي تواند قابل ملاحظه باشد مزيت بيشتري در استفاده از ترانسفورماتور جريان با جريان نامي كوچك تر است. در كاربردهاي نوين استفاده از جريان نامي ثانويه يك آمپري مورد توجه است.
1-10- امپدانس سيم پيچي ثانويه
با در نظر گرفتن اين موضوع كه ممكن است نياز باشد كه يك ترانسفورماتور جريان حفاظتي مقدار بالايي از جريان ثانويه را تحويل دهد، مطلوب خواهد بود كه مقاومت سيم پيچي ثانويه تا حد امكان كوچك باشد تا تلفات مسي و در نتيجه تلفات حرارتي را محدود كند. در حالت ترانسفورماتورهاي جريان با اوليه سيم پيچي شده راكتانس سيم پيچي نيز ايجاد خواهد شد، هر چند اندازه گيري و تعريف دقيق آن نسبتاً مشكل است. ترانسفورماتورهاي جريان نوع حلقوي با يك هادي متقارن و سيم پيچي ثانويه توزيع شده يكنواخت داراي راكتانس ثانويه قابل صرفنظر كردن مي باشند.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.