بخشی از مقاله
چکیده
پدیده سوئیچینگ در پستهاي برق منجر به تولید نویزهایی از نوع هدایتی و میدانی میشود که هر یک میتوانند دستگاه هاي مرتبط با تجهیزات قدرت و یا دستگاه هاي نصب شده در نزدیکی این تجهیزات را تحت تاثیر یا آسیب جدي قرار دهند. این مقاله ضمن معرفی میدان هاي مغناطیسی ایجاد شده توسط پدیده سوئیچینگ به ذکر یک تجربه عملی از تاثیر این میدان در محیط پست توزیع برق بر روي دستگاه RTU می پردازد. سپس طرح مداري را براي ایجاد این میدان و انجام آزمون روي دستگاهها در زمان طراحی و یا به منظور عیبیابی و رفع آن در زمان وقوع اشکال در محیط واقعی عملکرد، ارائه مینماید.
1 مقدمه
باز و بسته شدن کلیدهاي قدرت یکی از منابع اصلی ایجاد اغتشاش هاي گذرا در پست هاي برق می باشد. این اغتشاش ها ممکن است از نوع هدایتی باشند و از طریق کابل هاي ارتباطی وارد دستگاه شوند و یا ممکن است از طریق میدان مغناطیسی دستگاه را مورد تاثیر قرار دهند. نویز ایجاد شده ممکن است به اندازه اي توان داشته باشد که عملکرد دستگاه را مختل کند و یا باعث خرابی آن گردد. براي مقابله با نویزهاي میدانی باید در طراحی دستگاه هاي الکترونیکی تمهیدات لازم را اندیشید.
استفاده از شیلد مناسب و روش هاي صحیح زمین کردن دستگاه و کابل هاي ارتباطی آن و هم چنین طراحی مناسب مدار چاپی ها و انتخاب صحیح قطعات براي پایداري در برابر امواج الکترومغناطیسی ضروري میباشد. در تجربه اي که به هنگام نصب و راه اندازي یک دستگاه RTU توزیع طراحی شده در پژوهشگاه نیرو در یک پست توزیع برق به دست آمد، مشاهده گردید که هنگام باز و بسته شدن دژنکتور ترانسفورماتور پست، یکی از بردهاي هوشمند RTU تحت تاثیر قرار می گیرد. این برد پس از هر بار باز و بسته شدن دژنکتور، بازنشانی می شد و بلافاصله مجدداً شروع به کار می کرد.
با بررسی هاي انجام شده مشخص گردید که این برد تحت تاثیر میدان مغناطیسی ایجاد شده در هنگام سوئیچینگ قرار می گیرد که با به کارگیري شیلد مناسب مشکل آن حل شد. اما با توجه به حساس تر بودن این برد طراحی و ساخت مدار مولد میدان مغناطیسی نوسانی میرا براي آزمایش ایمنی دستگاه RTU در برابر میدان مغناطیسی ناشی از پدیده سوئیچینگ نسبت به سایر بردهاي هوشمند RTU تصمیم بر آن شد که علت این حساسیت مشخص گردد.
چون در پست توزیع برق، باز و بسته کردن دژنکتور به دفعات امکان پذیر نیست و هم چنین هیچ آزمایشگاهی در داخل کشور وجود ندارد که آزمون میدان مغناطیسی ناشی از سوئیچینگ را روي دستگاه انجام دهد، تصمیم بر ساخت مدار مولد میدان مغناطیسی گرفته شد. در ادامه مشاهده خواهد شد که با صرف هزینه اندکی می توان مدار مولد میدان موردنظر را ساخت و از آن براي آزمون و عیبیابی دستگاهها بهره جست.
2 معرفی میدانهاي مغناطیسی ناشی از پدیده سوئیچینگ
مطابق استانداردهاي سري IEC 61000-4 مربوط به سازگاري الکترومغناطیسی - EMC - ، دو میدان مغناطیسی پالسی و نوسانی میرا در اثر پدیده سوئیچینگ ایجاد می گردند. این دو میدان به ترتیب در استانداردهاي IEC 61000-4-9 [1] و IEC 61000-4-10 [2] معرفی شدهاند. میدان مغناطیسی پالسی معرفی شده در استاندارد IEC 61000 -4-9 داراي شکل موجی با زمان خیز 6/4 میکروثانیه است که زمان رسیدن به نصف مقدار حداکثر آن 16 میکروثانیه می باشد.
هم چنین میدان مغناطیسی نوسانی میرا، مطابق با استاندارد مربوطه در دو فرکانس 100KHz و 1MHz ایجاد می گردد و میرایی آن به صورتی است که موج بین زمان سیکل هاي 3 تا 6 به نصف مقدار پیک اولیه می رسد. لازم به ذکر است که منشاء اصلی میدان مغناطیسی پالسی در استاندارد، صاعقه و خطا در شبکه عنوان شده و این احتمال هم داده شده است که در اثر سوئیچینگ نیز ایجاد گردد.
هم چنین باید گفت که در استاندارد IEC 60870-2-1 [3] مربوط به سازگاري الکترومغناطیسی تجهیزات و سیستم هاي تلهمتري نظیر RTU، انجام آزمون IEC 61000- 4-10 در فرکانس 1MHz براي RTU اجباري است و انجام آزمون میدان مغناطیسی پالسی ضروري ذکر نگردیده است. به همین دلیل به منظور عیب یابی برد و حل مشکل رخ داده، مدار مولد میدان مغناطیسی نوسانی میرا با فرکانس 1MHz طراحی و ساخته شده است.
مطابق استاندارد IEC 61000- 4-10 جریان مولد میدان مغناطیسی نوسانی میرا شکل موجی همانند شکل - 1 - دارد. سطوح آزمون میدان مغناطیسی نوسانی میرا با مقدار اولین پیک این موج مشخص می شود. در این استاندارد سطوح 1 و 2 تعریف نشده است و سطوح 3، 4 و 5 به ترتیب 10A/m، 30A/m و 100A/m تعیین گردیده است. البته سطح x هم براي کاربردهاي خاص درنظر گرفته شده است که یک سطح آزاد میباشد و مقدار پیک موج و دوره تست باید در مشخصات محصول ارائه شده باشد.
دوره تناوب این موج نوسانی 1μs و یا 10μs می باشد. یعنی این آزمون در دو فرکانس 1MHz و 100KHz قابل انجام است. مولد میدان دستگاهی است که جریانی متناسب با موج شکل - 1 - در سیم پیچ القاء جاري و این جریان میدان نوسانی میرا را می سازد. نسبت میدان تولید شده به وسیله سیم پیچ القاء به جریان آن ضریب سیم پیچ القاء1 نامیده می شود. در بند 3 خواهیم دید که میزان توان موردنیاز براي تولید جریان مشخص و در نتیجه میدان مغناطیسی موردنظر، بستگی به ظرفیت سیم پیچ القاء دارد. هرچه امپدانس پایین تر باشد، با صرف توان کمتري میتوان جریان موردنظر را ایجاد نمود. مشخصات مولد میدان در ادامه آمده است :[2]
- فرکانس: 100KHz ± 10% و 1MHz ±10%
- نرخ میرایی:2 نصف مقدار پیک بین 3 تا 6 سیکل
- نرخ تکرار: حداقل 40 موج درثانیه براي فرکانس 100MHz حداقل 400 موج درثانیه براي فرکانس 1MHz طراحی و ساخت مدار مولد میدان مغناطیسی نوسانی میرا براي آزمایش ایمنی دستگاه RTU در برابر میدان مغناطیسی ناشی از پدیده سوئیچینگ
- دوره آزمون: 2 ثانیه +%10 - و - -%0 یا دائمی
- جریان سیم پیچ القاء مولد از 10 تا 100 آمپر تقسیم بر ضریب سیم پیچ القاء در استاندارد IEC 61000- 4-10 راجع به شرایط و نحوه اجراي آزمون و همچنین نحوه انتخاب سطح آزمون توضیحات لازم ارائه شده که در این مقاله از توضیح آن صرف نظر می گردد و در ادامه ضمن توضیح طرح تنها نکات ضروري از استاندارد ذکر خواهد گردید.
3 طرح مدار مولد میدان مغناطیسی نوسانی میرا
می دانیم تخلیه یک خازن شارژ شده در یک سلف می تواند منجر به نوسان گردد و این نوسان به دلیل مقاومت موجود در مدار میرا شونده خواهد بود. شکل - 2 - چنین مداري را نشان میدهد. با استفاده از مشخصات ارائه شده براي مولد میدان در بند 2 و اعمال آنها در رابطه - 1 - سه معادله به دست خواهد آمد؛ یک معادله مربوط به فرکانس، یک معادله مربوط به مقدار پیک موج و یک معادله هم مربوط به نرخ میرایی. البته همان طور که رابطه - 1 - نشان می دهد چهار مجهول R، L، C و V0 وجود دارند.
اساس طراحی مدار مولد میدان مغناطیسی نوسانی میرا مدار شکل - 2 - می باشد که در آن به جاي سلف L، سیم پیچ مولد میدان قرار داده شده است. مقاومت R در واقع مقاومت اهمی سیم ها، اتصالات و مقاومت داخلی خازن می باشد و از قطعه مقاومت در مدار استفاده نشده است. با توجه به اینکه کوچک بودن R سبب کاهش میرایی می شود، مقدار R هر چه کوچکتر باشد مناسبتر است.
با توجه به رابطه - 1 - ملاحظه می شود که مقدار پیک جریان C متناسب با مقدار V0 L می باشد. بنابراین در صورتی که مقدار L را کاهش دهیم می توانیم با V0 کوچکتري به جریان موردنظر دست پیدا کنیم. با توجه به استاندارد [2] و اطلاعاتی که در مورد سیم پیچ مولد میدان در آن داده شده است، سیم پیچی به قطر 1 متر به عنوان مولد میدان مغناطیسی موردنظر ساخته شد و با انجام تغییرات در آن، کم ترین مقدار سلفی که به دست آمد برابر 3/21μH میباشد. مدار شکل - 4 - ، مدار عملی مولد میدان را نشان میدهد.
