دانلود مقاله بررسی و امکان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی

بخشی از مقاله

مقدمه
انرژي الكتريكي به وسيله نيروگاههاي حرارتي كه معمولاً در كنار ذخاير بزرگ ايجاد مي شوند و نيروگاههاي آبي كه در نواحي داراي منابع آبي قابل ملاحظه احداث مي شوند ، توليد مي شود . از اين رو به منظور انتقال آن به نواحي صنعتي كه ممكن است صدها و هزاران كيلومتر دورتر از نيروگاه باشد ، خطوط انتقال زيادي بين نيروگاهها و مصرف كننده ها لازم است .
در هنگام جاري شدن جريان در طول يك خط انتقال مقداري از قدرت انتقالي به صورت حرارت در هاديهاي خط انتقال تلف مي شود . اين تلفات با افزايش جريان و مقاومت خط افزايش مي يابد .تلاش براي كاهش تلفات تنها از طريق كاهش مقاومت ، به صرفه اقتصادي نيست زيرا لازم است افزايش اساسي در سطح مقطع هاديها داده شود و اين مستلزم مصرف مقدار زيادي فلزات غير آهني است .
ترانسفورماتور براي كاهش توان تلف شده و مصرف فلزات غير آهني بكار مي رود . ترانسفورماتور در حاليكه توان انتقالي را تغيير نمي دهد با افزايش ولتاژ ، جريان و تلفاتي كه متناسب با توان دوم جريان است را با شيب زياد كاهش مي دهد .
در ابتداي خط انتقال قدرت ، ولتاژ توسط ترانسفورماتور افزاينده افزايش مي يابد و در انتهاي خط انتقال توسط ترانسفورماتور كاهنده به مقادير مناسب براي مصرف كننده ها پايين آورده مي شود و به وسيله ترانسفورماتور هاي توزيع پخش مي شود .
امروزه ترانسفورماتور هاي قدرت ، در مهندسي قدرت نقش اول را بازي مي كنند . به عبارت ديگر ترانسفورماتور ها در تغذيه شبكه هاي قدرت كه به منظور انتقال توان در فواصل زياد به كار گرفته مي شوند و توان را بين مصرف كننده ها توزيع مي كنند ، ولتاژ را افزايش يا كاهش مي دهند . به علاوه ترانسفورماتور هاي قدرت به خاطر ظرفيت و ولتاژ كاري بالايي كه دارند مورد توجه قرار مي گيرند .
تامين شبكه هاي 220 كيلو ولت و بالاتر موجب كاربرد وسيع اتو ترانسفورماتور ها شده است كه دو سيم پيچ يا بيشتر از نظر هدايت الكتريكي متصلند ، به طوريكه مقداري از سيم پيچ در مدارات اوليه و ثانويه مشترك است .
در پستهاي فشارقوي به دو منظور اساسي اندازه گيري و حفاظت ، به اطلاع از وضعيت كميت هاي الكتريكي ولتاژ و جريان احتياج است . ولي از آنجا كه مقادير كميت هاي مذبور در پستها و خطوط فشارقوي بسيار زياد است و دسترسي مستقيم به آنها نه اقتصادي بوده و نه عملي است ، لذا از ترانسفورماتور هاي جريان و ولتاژ استفاده مي شود . ثانويه اين ترانسفورماتور ها نمونه هايي با مقياس كم از كميت هاي مزبور كه تا حد بسيار بالايي تمام ويژگيهاي كميت اصلي را داراست ، در اختيار مي گذارد ، و كليه دستگاههاي اندازه گيري ، حفاظت و كنترل مانند ولتمتر ، آمپرمتر ، توان سنج ، رله ها دستگاههاي ثبات خطاها و وقايع و غيره كه براي ولتاژ و جريان هاي پايين ساخته مي شوند از طريق آنها به كميت هاي مورد نظر در پست دست مي يابند . بنابراين ترانسفورماتور هاي جريان و ولتاژ از يك طرف يك وسيله فشار قوي بوده و بنابراين مي بايستي هماهنگ با ساير تجهيزات فشار قوي انتخاب شوند و از طرف ديگر به تجهيزات فشار ضعيف پست ارتباط دارند ، لذا لازم است مشخصات فني آنها بطور هماهنگ با تجهيزات حفاظت ، كنترل و اندازه گيري انتخاب شوند .
ترانسفورماتور جريان حفاظتي جهت بدست آوردن جريان عبوري از خط انتقال يا تجهيزات ديگر در شبكه قدرت در مقياس پايين تر به كار مي روند و سيم پيچي اوليه آن بطور سري در مدار قرار مي گيرد . تفاوت آن با ترانسفورماتور اندازه گيري آن است كه قابليت آن را دارد كه جريانهاي خيلي زياد را به جريان كم قابل استفاده در رله ها تبديل كند. از آنجا كه در اختيار گذاشتن جريان به طور مستقيم در ولتاژ هاي بالا ميسر نيست ، و از طرفي چنانچه امكان بدست اوردن ان نيز باشد ، ساخت وسايل حفاظتي كه در جريان زياد كاركنند به لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نيست لذا اين عمل عمدتاً توسط ترانسفورماتور هاي جريان انجام مي شود . همچنين ترانسفورماتور جريان بايد طوري انتخاب شود كه هم در حالت عادي شبكه و هم در حالت اتصال كوتاه ئ ايجاد خطا بتواند جريان ثانويه لازم و مجاز براي دستگاههاي حفاظتي تامين كند .
ترانسفورماتور ولتاژ حفاظتي ترانسفورماتور هايي هستند كه در آن ولتاژ ثانويه متناسب و هم فاز با اوليه بوده و به منظور افزايش درجه بندي اندازه گيري ولتمتر ها ، واتمترها و نيز به منظور ايزولاسيون اين وسايل از ولتاژ فشار قوي بكار برده مي شود . همچنين از ثانويه ترانسفورماتور ولتاژ براي رله هاي حفاظتي كه هب ولتاژ نياز دارند نظير رلههاي ديستانس ، واتمتري و… استفاده مي شود . اين ترانسفورماتور از نظر ساختمان به دو نوع تقسيم مي شود كه عبارتند از :
الف- ترانسفورماتور ولتاژاندكتيوي
ب- ترانسفورماتور ولتاژ خازني
همچنين اين نوع ترانسفورماتور ها سد عايقي ايجاد مي كنند به طوريكه رله هايي كه براي حفاظت تجهيزات فشار قوي استفاده مي شود ، فقط نياز دارند براي يك ولتاژ نامي 600 ولت عايق بندي شوند .
ترانسفورماتور هاي اندازه گيري : در بيشتر مدارهاي قدرت ، ولتاژ و جريانها بسيار زيادتر از آنستكه بشود با دستگاههاي اندازه گيري معمولي اندازه گرفت . از اين رو ترانسهاي اندازه گيري بين اين مدارها و وسايل اندازه گيري قرار مي گيرند تا ايمني ايجاد كنند . در ضمن مقدير اندزه گيري شده در ثانويه ، معمولاً براي سيم پيچ هاي جريان A 1يا A 5 و براي سيم پيچ هاي ولتاژ 120 ولت است . رفتار ترانسفورماتور هاي ولتاژ و جريان در طول مدت رخداد خطا و پس از آن در حفاظت الكتريكي ، حساس و مهم است زيرا اگر در اثر رفتار نا مناسب در سيگنال حفاظتي ، خطايي رخ دهد ، ممكن است باعث عملكرد نادرست رله هل شود . يك ترانسفورماتور حفاظتي نياز است كه در يك محدوده اي از جريان كه چندين برابر جريان نامي 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 مواجهه شود . تحت چنين شرايطي چگالي شار تا وضعيت اشباع پيشرفت مي كند كه پاسخ، تحت اين شرايط و دوره گذراي اندازه گيري اوليه جريان اتصال كوتاه مهم است ، در نتيجه به هنگام گزينش ترانسفورماتور هاي ولتاژ يا جريان مناسب ، مسائلي مانند دورة گذرا و اشباع نيز بايد در نظر گرفته شود .

2-1 مقدمه
ترانسفورماتور وسيله اي است كه انرژي الكتريكي را در يك سيستم متناوب ، از يك مدار به مداري ديگر انتقال مي دهد و در اين ميان ولتاژ كم را به ولتاژ زياد و بالعكس ولتاژ زياد را به ولتاژ كم تبديل مي نمايد .
هر ترانسفورماتوري از دو بخش اصلي تشكيل مي گردد :
1ـ هسته كه از ورقه هاي نازك فولادي ساخته مي شود.
2ـ دو يا چند سيم پيچ كه با هم رابطه مغناطيسي دارند.
ترانسفورماتورها داراي انواع گوناگوني هستند كه از آن جمله مي توان از ترانسفورماتورهاي قدرت و ترانسفورماتورهاي اندازه گيري نام برد. ترانسفورماتورهاي اندازه گيري از نظر تئوري عملكرد وتكنيكهاي ساخت شباهت فراواني با ترانسفورماتورهاي قدرت دارند . ولي به طور كلي مي توان تفاوتهاي زير را بين اين دو قايل شد :
1ـ نسبت تبديل اوليه به ثانويه در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري خيلي بيشتر از ترانسفورماتورهاي قدرت است .
2ـ توان انتقالي در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري نسبت به ترانسفورماتورهاي قدرت، خيلي كمتراست .
3ـ ترانسفورماتورهاي قدرت عمدتاً سه فاز مي باشند در حاليكه ترانسفورماتورهاي اندازه گيري اصولاً تك فاز هستند .
4ـ دقت تبديل در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري پارامتر مهمي در انتخاب آنهاست.
بدلايل فوق ترانسفورماتورهاي اندازه گيري در مقايسه با ترانسفورماتورهاي قدرت از دقت بالاتر و پيچيدگي بيشتري در ساخت برخوردار هستند .
در اين فصل ساختمان ترانسفورماتورهاي اندازه گيري وانواع آنها را بطور خلاصه شرح دهيم .

2-2- معرفي ترانسفورماتورهاي اندازه گيري
ترانسفورماتورهاي اندازه گيري وسايلي هستند كه سطح جريان و ولتاژ شبكه را با دقت مناسب و بالايي به سطوح قابل اندازه گيري توسط رله هاي حفاظتي كاهش مي دهند اين ترانسفورماتورها در صورت تغيير در سطح جريان بنام ترانسفورماتور جريان و در صورت تغيير در سطح ولتاژ به نام ترانسفورماتور ولتاژ شناخته مي شوند و به دسته هاي زير تقسيم مي شوند :
1ـ ترانسفورماتور جريان با علامت اختصاري CT
2ـ ترانسفورماتور ولتاژ
ـ القايي با علامت اختصاري‏PT
ـ خازني با علامت اختصاري CVT
وظايف اصلي ترانسفورماتورهاي اندازه گيري عبارتند از :
1ـ كاهش مقدار جريان يا ولتاژ فشار قوي به مقداري كه قابل تحمل رله هاي حفاظتي و مدارهاي اندازه گيري باشد
2ـ مجزا نمودن مدار اندازه گيري از ولتاژ فشار قوي اوليه
3ـ فراهم كردن امكان استاندارد نمودن رله ها و تجهيزات در چند مقدار نامي جريان و ولتاژ .

2-3 ترانسفورماتورهاي ولتاژ و انواع آن
ترانسفورماتورهاي ولتاژ را مي توان به دو دسته مغناطيسي و خازني تقسيم كرد .

2-3-1 ترانسفور ماتور ولتاژ القايي
ترانسفورماتوري است كه در آن با استفاده از خاصيت القاء الكترومغناطيسي، ولتاژ مدار ثانويه را به مقدار مناسب براي وسايل اندازه گيري و رله ها تبديل مي كند . اين نوع از ترانسفورماتورهاي ولتاژ براي ولتاژهاي متوسط داراي عايق خشك رزيني هستند. در ولتاژهاي بالا از ترانس هاي ولتاژ مغناطيسي نوع غوطه ور در روغن استفاده مي شود كه البته معمولاً تا ولتاژ 132 كيلو ولت رايج بوده و در ولتاژهاي بالاتر استفاده از آن مقرون به صرفه نمي باشد و بهتر است كه از ترانسفورماتور خازني استفاده شود .

2-3-2 ترانسفورماتور ولتاژ خازني (CVT )
اندازه ترانسفورماتورهاي ولتاژ مغناطيسي براي ولتاژهاي بالا، بطور قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد و قيمت آن نيز افزايش مي يابد . لذا راه حل اقتصادي استفاده از ترانسفورماتورهاي خازني است .
CVT تشكيل شده است از يك مقسم ولتاژ خازني(CVD ) و يك ترانسفورماتور مياني مغناطيسي(IVT ) در شكل (2-1) مدار شماتيك ترانسفورماتور ولتاژ خازني رسم شده است . سطح ولتاژ IVT معمولاً است و ولتاژ نامي CVT، نسبت مقسم ولتاژ خازني را مشخص مي كند . استفاده از ترانسفورماتور ولتاژ مغناطيسي در سطوح پايين مناسبتر است و بهتر است كه از CVT در ولتاژهاي بالا استفاده شود . نسبت مقسم ولتاژ خازني برابر است با :
( 2-1 )
نسبت ترانسفورماتور ولتاژ مياني برابر است با :
( 2-2 )
بنابراين ضريب نسبت برابر است با :
( 2-3 )
معمولاً طوري انتخاب مي شود كه مقدار برابرkv شود . بنابراين در ولتاژ هاي اوليه مختلف فقط متفاوت است و براي كليه ولتاژهاي اوليه، يك ترانسفورماتور مياني استاندارد مي تواند مورد استفاده قرار گيرد . IVT همچنين داراي راكتورهايي جهت تنظيم ولتاژ خازني است . CVT معمولاً دو وظيفه برعهده دارد ، يك وظيفه در اندازه گيري و وظيفه ديگر در مخابرات شبكه قدرت(PLC ) است .

شكل (2-1) : دياگرام اصول كار ترانسفورماتور ولتاژ خازني
2-4 مسايل جنبي ترانسفورماتورهاي ولتاژ
2-4-1 ضريب ولتاژ
هر دو نوع ترانسفورماتور ولتاژ القايي و خازني معمولاً بين فاز و زمين وصل مي شوند . با وقوع اختلال در يك شبكه سه فاز، ولتاژ روي ترانسفورماتورها ممكن است در برخي موارد تا Vfبرابر ولتاژ نامي افزايش يابد . Vfضريب ولتاژ نام دارد . استاندارد IEC ضرايب ولتاژ زير را مشخص كرده است :
ـ 9/1، براي سيستمهايي كه خوب زمين نشده اند.
ـ 5/1، براي سيستمهايي با صفر خوب زمين شده
هسته ترانسفورماتور نبايد در ضريب ولتاژ اشباع شود . در اندازه گيريهاي دقيق، مهم است كه ترانسفورماتور در دماهاي مختلف درست كاركند . يك ترانسفورماتور القايي در دماهاي مختلف داراي انحرافات جزيي است در حاليكه CVT هاي داراي عايق كاغذ تنها، تغييرات بزرگي را بخاطر تغييرات ظرفيت نشان مي دهند . در يك CVT مدرن، عايق از دو نوع ماده مختلف تشكيل مي شود ، كاغذ و پلي پروپيلن ، كه داراي مشخصه هاي حرارتي متضاد هستند و تركيبشان حداقل انحراف را بدست ميدهد به اين ترتيب ميزان انحراف به حدود موارد مربوط به ترانسفور در القايي محدود مي شود .

2-4-2 آلودگي
از مسايل ديگر مربوط به CVTها آلودگي محيط است كه روي دقت آنها تاثير منفي مي گذارد به دليل آلودگي روي مقره ها جريانهاي خزش جاري شده ، مي توانند دقت CVT را تحت تاثير قرار دهند . هنگامي كه يك مقره چيني به قسمتهاي متعددي تقسيم شده ، جريانهاي خزشي مختلفي در قسمتهاي مختلف CVT جاري مي شود . اين جريانها بر تقسيم ولتاژ در خازن اثر گذاشته و باعث بروز خطاي نسبت مي گردد . تخمين ميزان اين خطاها كار مشكلي است همچنانكه اندازه گيري جريانهاي خزشي چندان آسان نيست . خازن بزرگتر در مقسم ولتاژ از حسايت نسبي به آلودگي مي كاهد .

2-4-3 ظرفيت پراكندگي
از عوامل ديگر تاثير گذار روي دقت ، تاثير ظرفيت پراكندگي ناشي از تجهيزاتي كه نزديك به هم نصب شده اند است . البته اين تاثير قابل چشم پوشي است مثلاً اگر دوCVT،420 كيلو ولت در فاصله 25/1 متر از هم نصب شوند خطاي نسبت ايجاد شده در يكي از CVT ها ناشي از ديگري %01/0 خواهد بود . فاصله معمول فازها خيلي بيشتر از اين مقدار است . خازن زياد مقسم ولتاژ در اينجا هم تاثير مثبتي روي دقت دارد .

3-1 مقدمه
در سالهاي اخير، مبحث نورشناسي به صف مقدم تفكر علمي وتكنولوژي راه يافته است . يك رشته كارهاي قابل ملاحظه در اين زمينه انجام شده و دلايلي براي اميد داشتن به چيزهاي شگفتي آفرين در افقهاي آينده خود نمايي ميكند. اين علم به اعتبار و سابقه و تعبيري كه بر شالوده ساختار نظريه الكترومغناطيس بنا نهاده شده است ، هرگز مرجعيت خود را از دست نداده است . در طول تاريخ فيزيك مفاهيم مربوط به نور شناسي توسعه و گسترش فراواني يافته است به طوريكه در حال حاضر ، دستگاههاي نور شناختي بطور فزايندهاي در زمينه هاي پزشكي و بهداشت ، صنعت ، كشاورزي و موارد متعدد ديگر ، مورد استفاده قرار مي گيرند . از جمله صنايعي كه در سالهاي اخير ، دستگاههاي نور شناختي در آن كاربرد فراواني پيدا كرده است ، صنعت برق است . در اين صنعت براي انتقال اطلاعات استفاده از فيبر نوري رايج است و استفاده از المانهاي نوري براي اندازه گيري جريان و ولتاژ هم در حال گسترش است . در اين فصل براي آشنايي با دستگاههاي نوري ، مروري بر و ماهيت و مباني نور مي شود و به تعدادي از پديده هاي مربوط به انتشار نور در محيط هاي مادي پرداخته مي شود .

3-2 ماهيت نور
در طول تاريخ مفاهيم مربوط به ماهيت نور دچار تغييرات چند ي شده است ، تا اوايل قرن هفدهم عقيده بر اين بود كه نور متشكل از جريان ذرات بسيار ريزي است كه ا زمنابع روشنايي انتشار مي يابد . بعداً در سال 1864 ماكسول به شكل تئوري نشان داد كه امواج نوري از جنس امواج الكترو مغناطيسي هستند . به علاوه مشاهده آثار پلاريزاسيون معلوم كرد كه امواج نوري از نوع عرضي هستند يعني حركت موج عمود برجهتي است كه در آن موج عبور مي كند. امواج نوري زير مجموعه اي از امواج الكترومغناطيس هستند كه فركانس آنها در محدوده 1014*9/3 تا 1014*9/7 قرار دارد به طور معادل طيف نوري در فضاي آزاد با طول موج nm380 تا nm760 مشخص مي شود.
هر موج الكترومغناطيسي از تركيب دو ميدان الكتريكي Eو ميدان مغناطيسيB تشكيل مي شود . توزيع ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي در يك رديف امواج الكترومغناطيس صفحه اي و در يك لحظه معين از زمان، در شكل (3-1) ملاحظه مي شود . براساس معادلات ما كسول مي توان نشان داد كهE وB هر دو بر جهت انتشار موج K عمودند به علاوه ميدانهايE وB خودشان نيز بر يكديگر عمودند . در اين صورت همانطور كه در شكل (3-1) هم مشخص است ، بردارهاي E وB و K تشكيل بردارهاي قائم را مي دهند .

شكل (3-1) : توزيع ميدانهاي امواج الكترومغناطيسي در يك لحظه معين از زمان

3-3 بررسي نور پلاريز ه شده
همانطور كه قبلاً اشاره شده نور را مي توان با نوسانات ميدان الكتريكي و ميدان مغناطيسي كه بر جهت انتشار موج و نيز بر يكديگر عمودند نشان داد . بنابر تعريف پلاريزاسيون، مشخصات زماني و مكاني بردار الكتريكي موج نور، نوع پلاريزاسيون نور را مشخص مي كند اگربردار الكتريكي يك پرتو نور هميشه در يك صفحه باشد ، به آن نور پلاريزه خطي مي گويند . در اين صورت بردار الكتريكي نور روي يك خط ثابت حركت مي كند و مقدار و علامت آن تغيير مي كند . صفحه اي كه بردار الكتريكي در آن نوسان مي كند، را صفحه ارتعاش مي نامند. اين صفحه علاوه بر بردار الكتريكي شامل بردار انتشار نيز هست و به اين صفحه ، صفحه پلاريزاسيون هم مي گويند. توجه به اين نكته لازم است كه بدليل آنكه در موج نور شدت ميدانE بزرگتر از ميدان B است حالت ، پلاريزاسيون نور با جهت ميدان الكتريكيE بيان مي شود.
حال فرض كنيد كه دو موج نوري داريم كه بطور خطي پلاريزه شده اند فركانس آنها يكسان است و همچنين در يك راستا در حال حركت هستند اگر بردارهاي الكتريكي اين دو موج با هم همراستا باشند تركيب دو موج ، موجي با پلاريزاسيون خطي است . اگر ميدانهاي الكتريكي دو موج برهم عمود باشند پلاريزاسيون موج برايند بستگي به اختلاف فاز نسبي دو موج و دامنه آنها دارد . براي درك بهتر اين موضوع، فرض كنيد كه بتوان دو موج اشاره شده را بصورت زير نوشت :
( 3-1 )
( 3-2 )
در اينجا و نشان دهنده دامنه موج وh ثابت انتشار موج است كه برابر /2 است و  هم طول موج نور مي باشد . همچنين اختلاف فاز نسبي دو موج است وf 2=كه f فركانس نورمي باشد . اين دو معادله نشان دهنده امواجي هستند كه در جهت محورZ حركت مي كنند . در اين حال موج بر آيند برابر است :
( 3-3 )
كهi و j بردارهاي واحد محورهايx و y هستند . موج برآيند با توجه به حالتهاي معادلات (3-1) و (3-2) مي تواند داراي پلاريزاسيون خطي يا دايره يا بيضوي باشد در ادامه اين حالتها را بررسي مي كنيم .