بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و ساخت مدار مولد ميدان مغناطيسي نوساني ميرا براي آزمايش ايمني دستگاه RTU در برابر ميدان مغناطيسي ناشي از پديده سوئيچينگ
واژه هاي کليدي : سوئيچينگ ، ميدان مغناطيسي نوساني ميرا، ١٠-٤-٦١٠٠٠ IEC، مدار مولد ميدان ، پست توزيع برق ، RTU
چکيده
پديده سوئيچينگ در پست هاي برق منجر به توليد نويزهايي از نوع هدايتي و ميداني مي شود که هر يک مي توانند دستگاه هاي مرتبط با تجهيزات قدرت و يا دستگاه هاي نصب شده در نزديکي اين تجهيزات را تحت تاثير يا آسيب جدي قرار دهند. اين مقاله ضمن معرفي ميدان هاي مغناطيسي ايجاد شده توسط پديده سوئيچينگ به ذکر يک تجربه عملي از تاثير اين ميدان در محيط پست توزيع برق بر روي دستگاه RTU مي پردازد. سپس طرح مداري را براي ايجاد اين ميدان و انجام آزمون روي دستگاه ها در زمان طراحي و يا به منظور عيب يابي و رفع آن در زمان وقوع اشکال در محيط واقعي عملکرد، ارائه مي نمايد.
١ مقدمه
باز و بسته شدن کليدهاي قدرت يکي از منابع اصلي ايجاد اغتشاش هاي گذرا در پست هاي برق مي باشد. اين اغتشاش ها ممکن است از نوع هدايتي باشند و از طريق کابل هاي ارتباطي وارد دستگاه شوند و يا ممکن است از طريق ميدان مغناطيسي دستگاه را مورد تاثير قرار دهند. نويز ايجاد شده ممکن است به اندازه اي توان داشته باشد که عملکرد دستگاه را مختل کند و يا باعث خرابي آن گردد. براي مقابله با نويزهاي ميداني بايد در طراحي دستگاه هاي الکترونيکي تمهيدات لازم را انديشيد.
استفاده از شيلد مناسب و روش هاي صحيح زمين کردن دستگاه و کابل هاي ارتباطي آن و هم چنين طراحي مناسب مدار چاپي ها و انتخاب صحيح قطعات براي پايداري در برابر امواج الکترومغناطيسي ضروري مي باشد.
در تجربه اي که به هنگام نصب و راه اندازي يک دستگاه RTU توزيع طراحي شده در پژوهشگاه نيرو در يک پست توزيع برق به دست آمد، مشاهده گرديد که هنگام باز و بسته شدن دژنکتور ترانسفورماتور پست ، يکي از بردهاي هوشمند RTU تحت تاثير قرار مي گيرد. اين برد پس از هر بار باز و بسته شدن دژنکتور، بازنشاني مي شد و بلافاصله مجددا شروع به کار مي کرد. با بررسي هاي انجام شده مشخص گرديد که اين برد تحت تاثير ميدان مغناطيسي ايجاد شده در هنگام سوئيچينگ قرار مي گيرد که با به کارگيري شيلد مناسب مشکل آن حل شد. اما با توجه به حساس تر بودن اين برد نسبت به ساير بردهاي هوشمند RTU تصميم بر آن شد که علت اين حساسيت مشخص گردد.
چون در پست توزيع برق ، باز و بسته کردن دژنکتور به دفعات امکان پذير نيست و هم چنين هيچ آزمايشگاهي در داخل کشور وجود ندارد که آزمون ميدان مغناطيسي ناشي از سوئيچينگ را روي دستگاه انجام دهد، تصميم بر ساخت مدار مولد ميدان مغناطيسي گرفته شد. در ادامه مشاهده خواهد شد که با صرف هزينه اندکي مي توان مدار مولد ميدان موردنظر را ساخت و از آن براي آزمون و عيب يابي دستگاه ها بهره جست .
٢ معرفي ميدان هاي مغناطيسي ناشي از پديده سوئيچينگ
مطابق استانداردهاي سري ٤-٦١٠٠٠ IEC مربوط به سازگاري الکترومغناطيسي (EMC)، دو ميدان مغناطيسي پالسي و نوساني ميرا در اثر پديده سوئيچينگ ايجاد مي گردند.
اين دو ميدان به ترتيب در استانداردهاي [١] ٩-٤-٦١٠٠٠ IEC و [٢] ١٠-٤-٦١٠٠٠ IEC معرفي شده اند. ميدان مغناطيسي پالسي معرفي شده در استاندارد ٩-٤-٦١٠٠٠ IEC داراي شکل موجي با زمان خيز ٦.٤ ميکروثانيه است که زمان رسيدن به نصف مقدار حداکثر آن ١٦ ميکروثانيه مي باشد. هم چنين ميدان مغناطيسي نوساني ميرا، مطابق با استاندارد مربوطه در دو فرکانس 100KHz و 1MHz ايجاد مي گردد و ميرايي آن به صورتي است که موج بين زمان سيکل هاي ٣ تا ٦ به نصف مقدار پيک اوليه مي رسد. لازم به ذکر است که منشاء اصلي ميدان مغناطيسي پالسي در استاندارد، صاعقه و خطا در شبکه عنوان شده و اين احتمال هم داده شده است که در اثر سوئيچينگ نيز ايجاد گردد. هم چنين بايد گفت که در استاندارد [٣] ١-٢-٦٠٨٧٠ IEC مربوط به سازگاري الکترومغناطيسي تجهيزات و سيستم هاي تله متري نظير RTU، انجام آزمون ١٠-٤-٦١٠٠٠ IEC در فرکانس 1MHz براي RTU اجباري است و انجام آزمون ميدان مغناطيسي پالسي ضروري ذکر نگرديده است . به همين دليل به منظور عيب يابي برد و حل مشکل رخ داده ، مدار مولد ميدان مغناطيسي نوساني ميرا با فرکانس MHz١ طراحي و ساخته شده است .
مطابق استاندارد ١٠-٤-٦١٠٠٠ IEC جريان مولد ميدان مغناطيسي نوساني ميرا شکل موجي همانند شکل (١) دارد.
شکل (١) ميدان مغناطيسي نوساني ميرا
سطوح آزمون ميدان مغناطيسي نوساني ميرا با مقدار اولين پيک اين موج مشخص مي شود. در اين استاندارد سطوح ١ و ٢ تعريف نشده است و سطوح ٣، ٤ و ٥ به ترتيب A.m١٠، A.m٣٠ و A.m١٠٠ تعيين گرديده است . البته سطح x هم براي کاربردهاي خاص درنظر گرفته شده است که يک سطح آزاد مي باشد و مقدار پيک موج و دوره تست بايد در مشخصات محصول ارائه شده باشد. دوره تناوب اين موج نوساني و يا مي باشد. يعني اين آزمون در دو فرکانس MHz١ و KHz١٠٠ قابل انجام است . مولد ميدان دستگاهي است که جرياني متناسب با موج شکل (١) در سيم پيچ القاء جاري و اين جريان ميدان نوساني ميرا را مي سازد.
نسبت ميدان توليد شده به وسيله سيم پيچ القاء به جريان آن ضريب سيم پيچ القاء١ ناميده مي شود. در بند ٣ خواهيم ديد که ميزان توان موردنياز براي توليد جريان مشخص و در نتيجه ميدان مغناطيسي موردنظر، بستگي به ظرفيت سيم پيچ القاء دارد. هرچه امپدانس پايين تر باشد، با صرف توان کمتري مي توان جريان موردنظر را ايجاد نمود.
مشخصات مولد ميدان در ادامه آمده است [٢]:
- فرکانس : %١٠ ± KHz١٠٠ و %١٠± MHz١
- نرخ ميرايي ٢: نصف مقدار پيک بين ٣ تا ٦ سيکل
- نرخ تکرار: حداقل ٤٠ موج درثانيه براي فرکانس
MHz١٠٠ حداقل ٤٠٠ موج درثانيه براي فرکانس MHz1
- دوره آزمون : ٢ ثانيه (١٠%+ و ٠%-) يا دائمي
- جريان سيم پيچ القاء مولد از ١٠ تا ١٠٠ آمپر تقسيم بر ضريب سيم پيچ القاء
در استاندارد ١٠-٤-٦١٠٠٠ IEC راجع به شرايط و نحوه اجراي آزمون و هم چنين نحوه انتخاب سطح آزمون توضيحات لازم ارائه شده که در اين مقاله از توضيح آن صرف نظر مي گردد و در ادامه ضمن توضيح طرح تنها نکات ضروري از استاندارد ذکر خواهد گرديد.
٣ طرح مدار مولد ميدان مغناطيسي نوساني ميرا
مي دانيم تخليه يک خازن شارژ شده در يک سلف مي تواند منجر به نوسان گردد و اين نوسان به دليل مقاومت موجود در مدار ميرا شونده خواهد بود. شکل (٢) چنين مداري را نشان مي دهد.
شکل (٢) مدار تخليه يک خازن شارژ شده در يک سلف
با حل معادلات مربوط به مدار شکل (٢) رابطه (١) به دست خواهد آمد.
V0 ولتاژ شارژ خازن و i جريان گذرنده از سلف که مي باشد. شکل موج اين جريان هم به صورت شکل (٣) مي باشد.
شکل (٣) شکل موج جريان مدار شکل (٢)
همان طور که در رابطه (١) مشاهده مي شود فرکانس اين موج مي باشد. با استفاده از مشخصات ارائه شده براي مولد ميدان در بند ٢ و اعمال آنها در رابطه (١) سه معادله به دست خواهد آمد؛ يک معادله مربوط به فرکانس ، يک معادله مربوط به مقدار پيک موج و يک معادله هم مربوط به نرخ ميرايي . البته همان طور که رابطه (١) نشان مي دهد چهار مجهول R،L ،C و V0 وجود دارند.
اساس طراحي مدار مولد ميدان مغناطيسي نوساني ميرا مدار شکل (٢) مي باشد که در آن به جاي سلف L، سيم پيچ مولد ميدان قرار داده شده است . مقاومت R در واقع مقاومت اهمي سيم ها، اتصالات و مقاومت داخلي خازن مي باشد و از قطعه مقاومت در مدار استفاده نشده است . با توجه به اينکه کوچک بودن R سبب کاهش ميرايي مي شود، مقدار R هر چه کوچکتر باشد مناسب تر است .
با توجه به رابطه (١) ملاحظه مي شود که مقدار پيک جريان متناسب با مقدار مي باشد. بنابراين در صورتي که L مقدار L را کاهش دهيم مي توانيم با V0 کوچکتري به جريان موردنظر دست پيدا کنيم . با توجه به استاندارد [٢] و اطلاعاتي که در مورد سيم پيچ مولد ميدان در آن داده شده است ، سيم پيچي به قطر ١ متر به عنوان مولد ميدان مغناطيسي موردنظر ساخته شد و با انجام تغييرات در آن ، کم ترين مقدار سلفي که به دست آمد براب مي باشد.
مدار شکل (٤)، مدار عملي مولد ميدان را نشان مي دهد.
