امکان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی
| دسته بندی | برق ، الکترونیک و مخابرات |
| بازدید ها | 0 |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 735 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 133 |
امکان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی
مقدمه
انرژی الکتریکی به وسیله نیروگاههای حرارتی که معمولاً در کنار ذخایر بزرگ ایجاد می شوند و نیروگاههای آبی که در نواحی دارای منابع آبی قابل ملاحظه احداث می شوند ، تولید می شود . از این رو به منظور انتقال آن به نواحی صنعتی که ممکن است صدها و هزاران کیلومتر دورتر از نیروگاه باشد ، خطوط انتقال زیادی بین نیروگاهها و مصرف کننده ها لازم است .
در هنگام جاری شدن جریان در طول یک خط انتقال مقداری از قدرت انتقالی به صورت حرارت در هادیهای خط انتقال تلف می شود . این تلفات با افزایش جریان و مقاومت خط افزایش می یابد .تلاش برای کاهش تلفات تنها از طریق کاهش مقاومت ، به صرفه اقتصادی نیست زیرا لازم است افزایش اساسی در سطح مقطع هادیها داده شود و این مستلزم مصرف مقدار زیادی فلزات غیر آهنی است .
ترانسفورماتور برای کاهش توان تلف شده و مصرف فلزات غیر آهنی بکار می رود . ترانسفورماتور در حالیکه توان انتقالی را تغییر نمی دهد با افزایش ولتاژ ، جریان و تلفاتی که متناسب با توان دوم جریان است را با شیب زیاد کاهش می دهد .
در ابتدای خط انتقال قدرت ، ولتاژ توسط ترانسفورماتور افزاینده افزایش می یابد و در انتهای خط انتقال توسط ترانسفورماتور کاهنده به مقادیر مناسب برای مصرف کننده ها پایین آورده می شود و به وسیله ترانسفورماتور های توزیع پخش می شود .
امروزه ترانسفورماتور های قدرت ، در مهندسی قدرت نقش اول را بازی می کنند . به عبارت دیگر ترانسفورماتور ها در تغذیه شبکه های قدرت که به منظور انتقال توان در فواصل زیاد به کار گرفته می شوند و توان را بین مصرف کننده ها توزیع می کنند ، ولتاژ را افزایش یا کاهش می دهند . به علاوه ترانسفورماتور های قدرت به خاطر ظرفیت و ولتاژ کاری بالایی که دارند مورد توجه قرار می گیرند .
تامین شبکه های 220 کیلو ولت و بالاتر موجب کاربرد وسیع اتو ترانسفورماتور ها شده است که دو سیم پیچ یا بیشتر از نظر هدایت الکتریکی متصلند ، به طوریکه مقداری از سیم پیچ در مدارات اولیه و ثانویه مشترک است .
در پستهای فشارقوی به دو منظور اساسی اندازه گیری و حفاظت ، به اطلاع از وضعیت کمیت های الکتریکی ولتاژ و جریان احتیاج است . ولی از آنجا که مقادیر کمیت های مذبور در پستها و خطوط فشارقوی بسیار زیاد است و دسترسی مستقیم به آنها نه اقتصادی بوده و نه عملی است ، لذا از ترانسفورماتور های جریان و ولتاژ استفاده می شود . ثانویه این ترانسفورماتور ها نمونه هایی با مقیاس کم از کمیت های مزبور که تا حد بسیار بالایی تمام ویژگیهای کمیت اصلی را داراست ، در اختیار می گذارد ، و کلیه دستگاههای اندازه گیری ، حفاظت و کنترل مانند ولتمتر ، آمپرمتر ، توان سنج ، رله ها دستگاههای ثبات خطاها و وقایع و غیره که برای ولتاژ و جریان های پایین ساخته می شوند از طریق آنها به کمیت های مورد نظر در پست دست می یابند . بنابراین ترانسفورماتور های جریان و ولتاژ از یک طرف یک وسیله فشار قوی بوده و بنابراین می بایستی هماهنگ با سایر تجهیزات فشار قوی انتخاب شوند و از طرف دیگر به تجهیزات فشار ضعیف پست ارتباط دارند ، لذا لازم است مشخصات فنی آنها بطور هماهنگ با تجهیزات حفاظت ، کنترل و اندازه گیری انتخاب شوند .
ترانسفورماتور جریان حفاظتی جهت بدست آوردن جریان عبوری از خط انتقال یا تجهیزات دیگر در شبکه قدرت در مقیاس پایین تر به کار می روند و سیم پیچی اولیه آن بطور سری در مدار قرار می گیرد . تفاوت آن با ترانسفورماتور اندازه گیری آن است که قابلیت آن را دارد که جریانهای خیلی زیاد را به جریان کم قابل استفاده در رله ها تبدیل کند. از آنجا که در اختیار گذاشتن جریان به طور مستقیم در ولتاژ های بالا میسر نیست ، و از طرفی چنانچه امکان بدست اوردن ان نیز باشد ، ساخت وسایل حفاظتی که در جریان زیاد کارکنند به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست لذا این عمل عمدتاً توسط ترانسفورماتور های جریان انجام می شود . همچنین ترانسفورماتور جریان باید طوری انتخاب شود که هم در حالت عادی شبکه و هم در حالت اتصال کوتاه ئ ایجاد خطا بتواند جریان ثانویه لازم و مجاز برای دستگاههای حفاظتی تامین کند .
ترانسفورماتور ولتاژ حفاظتی ترانسفورماتور هایی هستند که در آن ولتاژ ثانویه متناسب و هم فاز با اولیه بوده و به منظور افزایش درجه بندی اندازه گیری ولتمتر ها ، واتمترها و نیز به منظور ایزولاسیون این وسایل از ولتاژ فشار قوی بکار برده می شود . همچنین از ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ برای رله های حفاظتی که هب ولتاژ نیاز دارند نظیر رلههای دیستانس ، واتمتری و… استفاده می شود . این ترانسفورماتور از نظر ساختمان به دو نوع تقسیم می شود که عبارتند از :
الف- ترانسفورماتور ولتاژاندکتیوی
ب- ترانسفورماتور ولتاژ خازنی
همچنین این نوع ترانسفورماتور ها سد عایقی ایجاد می کنند به طوریکه رله هایی که برای حفاظت تجهیزات فشار قوی استفاده می شود ، فقط نیاز دارند برای یک ولتاژ نامی 600 ولت عایق بندی شوند .
ترانسفورماتور های اندازه گیری : در بیشتر مدارهای قدرت ، ولتاژ و جریانها بسیار زیادتر از آنستکه بشود با دستگاههای اندازه گیری معمولی اندازه گرفت . از این رو ترانسهای اندازه گیری بین این مدارها و وسایل اندازه گیری قرار می گیرند تا ایمنی ایجاد کنند . در ضمن مقدیر اندزه گیری شده در ثانویه ، معمولاً برای سیم پیچ های جریان A 1یا A 5 و برای سیم پیچ های ولتاژ 120 ولت است . رفتار ترانسفورماتور های ولتاژ و جریان در طول مدت رخداد خطا و پس از آن در حفاظت الکتریکی ، حساس و مهم است زیرا اگر در اثر رفتار نا مناسب در سیگنال حفاظتی ، خطایی رخ دهد ، ممکن است باعث عملکرد نادرست رله هل شود . یک ترانسفورماتور حفاظتی نیاز است که در یک محدوده ای از جریان که چندین برابر جریان نامی است کار کند و اغلب در معرض شرایطی قرار دارد که بسیار سنگین تر از شرایطی است که ممکن است ترانسفورماتور جریان اندازه گیری با آن مواجهه شود . تحت چنین شرایطی چگالی شار تا وضعیت اشباع پیشرفت می کند که پاسخ، تحت این شرایط و دوره گذرای اندازه گیری اولیه جریان اتصال کوتاه مهم است ، در نتیجه به هنگام گزینش ترانسفورماتور های ولتاژ یا جریان مناسب ، مسائلی مانند دورة گذرا و اشباع نیز باید در نظر گرفته شود .
2-1 مقدمه
ترانسفورماتور وسیله ای است که انرژی الکتریکی را در یک سیستم متناوب ، از یک مدار به مداری دیگر انتقال می دهد و در این میان ولتاژ کم را به ولتاژ زیاد و بالعکس ولتاژ زیاد را به ولتاژ کم تبدیل می نماید .
هر ترانسفورماتوری از دو بخش اصلی تشکیل می گردد :
1ـ هسته که از ورقه های نازک فولادی ساخته می شود.
2ـ دو یا چند سیم پیچ که با هم رابطه مغناطیسی دارند.
ترانسفورماتورها دارای انواع گوناگونی هستند که از آن جمله می توان از ترانسفورماتورهای قدرت و ترانسفورماتورهای اندازه گیری نام برد. ترانسفورماتورهای اندازه گیری از نظر تئوری عملکرد وتکنیکهای ساخت شباهت فراوانی با ترانسفورماتورهای قدرت دارند . ولی به طور کلی می توان تفاوتهای زیر را بین این دو قایل شد :
1ـ نسبت تبدیل اولیه به ثانویه در ترانسفورماتورهای اندازه گیری خیلی بیشتر از ترانسفورماتورهای قدرت است .
2ـ توان انتقالی در ترانسفورماتورهای اندازه گیری نسبت به ترانسفورماتورهای قدرت، خیلی کمتراست .
3ـ ترانسفورماتورهای قدرت عمدتاً سه فاز می باشند در حالیکه ترانسفورماتورهای اندازه گیری اصولاً تک فاز هستند .
4ـ دقت تبدیل در ترانسفورماتورهای اندازه گیری پارامتر مهمی در انتخاب آنهاست.
بدلایل فوق ترانسفورماتورهای اندازه گیری در مقایسه با ترانسفورماتورهای قدرت از دقت بالاتر و پیچیدگی بیشتری در ساخت برخوردار هستند .
در این فصل ساختمان ترانسفورماتورهای اندازه گیری وانواع آنها را بطور خلاصه شرح دهیم .
2-2- معرفی ترانسفورماتورهای اندازه گیری
ترانسفورماتورهای اندازه گیری وسایلی هستند که سطح جریان و ولتاژ شبکه را با دقت مناسب و بالایی به سطوح قابل اندازه گیری توسط رله های حفاظتی کاهش می دهند این ترانسفورماتورها در صورت تغییر در سطح جریان بنام ترانسفورماتور جریان و در صورت تغییر در سطح ولتاژ به نام ترانسفورماتور ولتاژ شناخته می شوند و به دسته های زیر تقسیم می شوند :
1ـ ترانسفورماتور جریان با علامت اختصاری CT
2ـ ترانسفورماتور ولتاژ
ـ القایی با علامت اختصاریPT
ـ خازنی با علامت اختصاری CVT
وظایف اصلی ترانسفورماتورهای اندازه گیری عبارتند از :
1ـ کاهش مقدار جریان یا ولتاژ فشار قوی به مقداری که قابل تحمل رله های حفاظتی و مدارهای اندازه گیری باشد
2ـ مجزا نمودن مدار اندازه گیری از ولتاژ فشار قوی اولیه
3ـ فراهم کردن امکان استاندارد نمودن رله ها و تجهیزات در چند مقدار نامی جریان و ولتاژ .
2-3 ترانسفورماتورهای ولتاژ و انواع آن
ترانسفورماتورهای ولتاژ را می توان به دو دسته مغناطیسی و خازنی تقسیم کرد .
2-3-1 ترانسفور ماتور ولتاژ القایی
ترانسفورماتوری است که در آن با استفاده از خاصیت القاء الکترومغناطیسی، ولتاژ مدار ثانویه را به مقدار مناسب برای وسایل اندازه گیری و رله ها تبدیل می کند . این نوع از ترانسفورماتورهای ولتاژ برای ولتاژهای متوسط دارای عایق خشک رزینی هستند. در ولتاژهای بالا از ترانس های ولتاژ مغناطیسی نوع غوطه ور در روغن استفاده می شود که البته معمولاً تا ولتاژ 132 کیلو ولت رایج بوده و در ولتاژهای بالاتر استفاده از آن مقرون به صرفه نمی باشد و بهتر است که از ترانسفورماتور خازنی استفاده شود .
2-3-2 ترانسفورماتور ولتاژ خازنی (CVT )
اندازه ترانسفورماتورهای ولتاژ مغناطیسی برای ولتاژهای بالا، بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و قیمت آن نیز افزایش می یابد . لذا راه حل اقتصادی استفاده از ترانسفورماتورهای خازنی است .
CVT تشکیل شده است از یک مقسم ولتاژ خازنی(CVD[1]) و یک ترانسفورماتور میانی مغناطیسی(IVT[2]) در شکل (2-1) مدار شماتیک ترانسفورماتور ولتاژ خازنی رسم شده است . سطح ولتاژ IVT معمولاً است و ولتاژ نامی CVT، نسبت مقسم ولتاژ خازنی را مشخص می کند . استفاده از ترانسفورماتور ولتاژ مغناطیسی در سطوح پایین مناسبتر است و بهتر است که از CVT در ولتاژهای بالا استفاده شود . نسبت مقسم ولتاژ خازنی برابر است با :
( 2-1 )
نسبت ترانسفورماتور ولتاژ میانی برابر است با :
( 2-2 )
بنابراین ضریب نسبت برابر است با :
( 2-3 )
معمولاً طوری انتخاب می شود که مقدار برابرkv شود . بنابراین در ولتاژ های اولیه مختلف فقط متفاوت است و برای کلیه ولتاژهای اولیه، یک ترانسفورماتور میانی استاندارد می تواند مورد استفاده قرار گیرد . IVT همچنین دارای راکتورهایی جهت تنظیم ولتاژ خازنی است . CVT معمولاً دو وظیفه برعهده دارد ، یک وظیفه در اندازه گیری و وظیفه دیگر در مخابرات شبکه قدرت(PLC[3]) است .
شکل (2-1) : دیاگرام اصول کار ترانسفورماتور ولتاژ خازنی
2-4 مسایل جنبی ترانسفورماتورهای ولتاژ
2-4-1 ضریب ولتاژ
هر دو نوع ترانسفورماتور ولتاژ القایی و خازنی معمولاً بین فاز و زمین وصل می شوند . با وقوع اختلال در یک شبکه سه فاز، ولتاژ روی ترانسفورماتورها ممکن است در برخی موارد تا Vfبرابر ولتاژ نامی افزایش یابد . Vfضریب ولتاژ نام دارد . استاندارد IEC ضرایب ولتاژ زیر را مشخص کرده است :
ـ 9/1، برای سیستمهایی که خوب زمین نشده اند.
ـ 5/1، برای سیستمهایی با صفر خوب زمین شده
هسته ترانسفورماتور نباید در ضریب ولتاژ اشباع شود . در اندازه گیریهای دقیق، مهم است که ترانسفورماتور در دماهای مختلف درست کارکند . یک ترانسفورماتور القایی در دماهای مختلف دارای انحرافات جزیی است در حالیکه CVT های دارای عایق کاغذ تنها، تغییرات بزرگی را بخاطر تغییرات ظرفیت نشان می دهند . در یک CVT مدرن، عایق از دو نوع ماده مختلف تشکیل می شود ، کاغذ و پلی پروپیلن ، که دارای مشخصه های حرارتی متضاد هستند و ترکیبشان حداقل انحراف را بدست میدهد به این ترتیب میزان انحراف به حدود موارد مربوط به ترانسفور در القایی محدود می شود .
2-4-2 آلودگی
از مسایل دیگر مربوط به CVTها آلودگی محیط است که روی دقت آنها تاثیر منفی می گذارد به دلیل آلودگی روی مقره ها جریانهای خزش جاری شده ، می توانند دقت CVT را تحت تاثیر قرار دهند . هنگامی که یک مقره چینی به قسمتهای متعددی تقسیم شده ، جریانهای خزشی مختلفی در قسمتهای مختلف CVT جاری می شود . این جریانها بر تقسیم ولتاژ در خازن اثر گذاشته و باعث بروز خطای نسبت می گردد . تخمین میزان این خطاها کار مشکلی است همچنانکه اندازه گیری جریانهای خزشی چندان آسان نیست . خازن بزرگتر در مقسم ولتاژ از حسایت نسبی به آلودگی می کاهد .
2-4-3 ظرفیت پراکندگی
از عوامل دیگر تاثیر گذار روی دقت ، تاثیر ظرفیت پراکندگی ناشی از تجهیزاتی که نزدیک به هم نصب شده اند است . البته این تاثیر قابل چشم پوشی است مثلاً اگر دوCVT،420 کیلو ولت در فاصله 25/1 متر از هم نصب شوند خطای نسبت ایجاد شده در یکی از CVT ها ناشی از دیگری %01/0 خواهد بود . فاصله معمول فازها خیلی بیشتر از این مقدار است . خازن زیاد مقسم ولتاژ در اینجا هم تاثیر مثبتی روی دقت دارد .
3-1 مقدمه
در سالهای اخیر، مبحث نورشناسی به صف مقدم تفکر علمی وتکنولوژی راه یافته است . یک رشته کارهای قابل ملاحظه در این زمینه انجام شده و دلایلی برای امید داشتن به چیزهای شگفتی آفرین در افقهای آینده خود نمایی میکند. این علم به اعتبار و سابقه و تعبیری که بر شالوده ساختار نظریه الکترومغناطیس بنا نهاده شده است ، هرگز مرجعیت خود را از دست نداده است . در طول تاریخ فیزیک مفاهیم مربوط به نور شناسی توسعه و گسترش فراوانی یافته است به طوریکه در حال حاضر ، دستگاههای نور شناختی بطور فزایندهای در زمینه های پزشکی و بهداشت ، صنعت ، کشاورزی و موارد متعدد دیگر ، مورد استفاده قرار می گیرند . از جمله صنایعی که در سالهای اخیر ، دستگاههای نور شناختی در آن کاربرد فراوانی پیدا کرده است ، صنعت برق است . در این صنعت برای انتقال اطلاعات استفاده از فیبر نوری رایج است و استفاده از المانهای نوری برای اندازه گیری جریان و ولتاژ هم در حال گسترش است . در این فصل برای آشنایی با دستگاههای نوری ، مروری بر و ماهیت و مبانی نور می شود و به تعدادی از پدیده های مربوط به انتشار نور در محیط های مادی پرداخته می شود .
3-2 ماهیت نور
در طول تاریخ مفاهیم مربوط به ماهیت نور دچار تغییرات چند ی شده است ، تا اوایل قرن هفدهم عقیده بر این بود که نور متشکل از جریان ذرات بسیار ریزی است که ا زمنابع روشنایی انتشار می یابد . بعداً در سال 1864 ماکسول به شکل تئوری نشان داد که امواج نوری از جنس امواج الکترو مغناطیسی هستند . به علاوه مشاهده آثار پلاریزاسیون معلوم کرد که امواج نوری از نوع عرضی هستند یعنی حرکت موج عمود برجهتی است که در آن موج عبور می کند. امواج نوری زیر مجموعه ای از امواج الکترومغناطیس هستند که فرکانس آنها در محدوده 1014*9/3 تا 1014*9/7 قرار دارد به طور معادل طیف نوری در فضای آزاد با طول موج nm380 تا nm760 مشخص می شود.
هر موج الکترومغناطیسی از ترکیب دو میدان الکتریکی Eو میدان مغناطیسیB تشکیل می شود . توزیع میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در یک ردیف امواج الکترومغناطیس صفحه ای و در یک لحظه معین از زمان، در شکل (3-1) ملاحظه می شود . براساس معادلات ما کسول می توان نشان داد کهE وB هر دو بر جهت انتشار موج K عمودند به علاوه میدانهایE وB خودشان نیز بر یکدیگر عمودند . در این صورت همانطور که در شکل (3-1) هم مشخص است ، بردارهای E وB و K تشکیل بردارهای قائم را می دهند .
شکل (3-1) : توزیع میدانهای امواج الکترومغناطیسی در یک لحظه معین از زمان
3-3 بررسی نور پلاریز ه شده
همانطور که قبلاً اشاره شده نور را می توان با نوسانات میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که بر جهت انتشار موج و نیز بر یکدیگر عمودند نشان داد . بنابر تعریف پلاریزاسیون، مشخصات زمانی و مکانی بردار الکتریکی موج نور، نوع پلاریزاسیون نور را مشخص می کند اگربردار الکتریکی یک پرتو نور همیشه در یک صفحه باشد ، به آن نور پلاریزه خطی می گویند . در این صورت بردار الکتریکی نور روی یک خط ثابت حرکت می کند و مقدار و علامت آن تغییر می کند . صفحه ای که بردار الکتریکی در آن نوسان می کند، را صفحه ارتعاش می نامند. این صفحه علاوه بر بردار الکتریکی شامل بردار انتشار نیز هست و به این صفحه ، صفحه پلاریزاسیون هم می گویند. توجه به این نکته لازم است که بدلیل آنکه در موج نور شدت میدانE بزرگتر از میدان B است حالت ، پلاریزاسیون نور با جهت میدان الکتریکیE بیان می شود.
حال فرض کنید که دو موج نوری داریم که بطور خطی پلاریزه شده اند فرکانس آنها یکسان است و همچنین در یک راستا در حال حرکت هستند اگر بردارهای الکتریکی این دو موج با هم همراستا باشند ترکیب دو موج ، موجی با پلاریزاسیون خطی است . اگر میدانهای الکتریکی دو موج برهم عمود باشند پلاریزاسیون موج برایند بستگی به اختلاف فاز نسبی دو موج و دامنه آنها دارد . برای درک بهتر این موضوع، فرض کنید که بتوان دو موج اشاره شده را بصورت زیر نوشت :
( 3-1 )
( 3-2 )
در اینجاو نشان دهنده دامنه موج وh ثابت انتشار موج است که برابر l/p2 است و l هم طول موج نور می باشد . همچنینj اختلاف فاز نسبی دو موج است وf p2=wکه f فرکانس نورمی باشد . این دو معادله نشان دهنده امواجی هستند که در جهت محورZ حرکت می کنند . در این حال موج بر آیند برابر است :
( 3-3 )
کهi و j بردارهای واحد محورهایx و y هستند . موج برآیند با توجه به حالتهای معادلات (3-1) و (3-2) می تواند دارای پلاریزاسیون خطی یا دایره یا بیضوی باشد در ادامه این حالتها را بررسی می کنیم .