امكان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی

دسته: برق ، الکترونیک و مخابرات
بازدید: 75 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 735 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 133

انرژی الكتریكی به وسیله نیروگاههای حرارتی كه معمولاً در كنار ذخایر بزرگ ایجاد می شوند و نیروگاههای آبی كه در نواحی دارای منابع آبی قابل ملاحظه احداث می شوند ، تولید می شود از این رو به منظور انتقال آن به نواحی صنعتی كه ممكن است صدها و هزاران كیلومتر دورتر از نیروگاه باشد ، خطوط انتقال زیادی بین نیروگاهها و مصرف كننده ها لازم است

قیمت فایل فقط 7,900 تومان

امكان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی  

مقدمه

       انرژی الكتریكی به وسیله نیروگاههای حرارتی كه معمولاً در كنار ذخایر بزرگ ایجاد می شوند و نیروگاههای آبی كه در نواحی دارای منابع آبی قابل ملاحظه احداث می شوند ، تولید می شود . از این رو به منظور انتقال آن به نواحی صنعتی كه ممكن است صدها و هزاران كیلومتر دورتر از نیروگاه باشد ، خطوط انتقال زیادی بین نیروگاهها و مصرف كننده ها لازم است .

       در هنگام جاری شدن جریان در طول یك 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 كاهش تلفات تنها از طریق كاهش 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 كاهش توان تلف شده و مصرف فلزات غیر آهنی بكار می رود . ترانسفورماتور در حالیكه توان انتقالی را تغییر نمی دهد با افزایش ولتاژ ، جریان و تلفاتی كه متناسب با توان دوم جریان است را با شیب زیاد كاهش می دهد .

       در ابتدای خط انتقال قدرت ، ولتاژ توسط ترانسفورماتور افزاینده افزایش می یابد و در انتهای خط انتقال توسط ترانسفورماتور كاهنده به مقادیر مناسب برای مصرف كننده 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 كنند . به عبارت دیگر ترانسفورماتور ها در تغذیه شبكه های قدرت كه به منظور انتقال توان در فواصل زیاد به كار گرفته می شوند و توان را بین مصرف كننده ها توزیع می كنند ، ولتاژ را افزایش یا كاهش می دهند . به علاوه ترانسفورماتور های قدرت به خاطر ظرفیت و ولتاژ كاری بالایی كه دارند مورد توجه قرار می گیرند .

       تامین شبكه های 220 كیلو ولت و بالاتر موجب كاربرد وسیع اتو ترانسفورماتور ها شده است كه دو سیم پیچ یا بیشتر از نظر هدایت الكتریكی متصلند ، به طوریكه مقداری از سیم پیچ در مدارات اولیه و ثانویه مشترك است .

       در پستهای فشارقوی به دو منظور اساسی اندازه گیری و حفاظت ، به اطلاع از وضعیت كمیت های الكتریكی ولتاژ و جریان احتیاج است . ولی از آنجا كه مقادیر كمیت 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 كم از كمیت های مزبور كه تا حد بسیار بالایی تمام ویژگیهای كمیت اصلی را داراست ، در اختیار می گذارد ، و كلیه دستگاههای اندازه گیری ، حفاظت و كنترل مانند ولتمتر ، آمپرمتر ، توان سنج ، رله ها دستگاههای ثبات خطاها و وقایع و غیره كه برای ولتاژ و جریان های پایین ساخته می شوند از طریق آنها به كمیت های مورد نظر در پست دست می یابند . بنابراین ترانسفورماتور های جریان و ولتاژ از یك طرف یك 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 ، كنترل و اندازه گیری انتخاب شوند .

        ترانسفورماتور جریان حفاظتی جهت بدست آوردن جریان عبوری از خط انتقال یا تجهیزات دیگر در شبكه قدرت در مقیاس پایین تر به كار می روند و سیم پیچی اولیه آن بطور سری در مدار قرار می گیرد . تفاوت آن با ترانسفورماتور اندازه گیری آن است كه قابلیت آن را دارد كه جریانهای خیلی زیاد را به جریان كم قابل استفاده در رله ها تبدیل كند. از آنجا كه در اختیار گذاشتن جریان به طور مستقیم در ولتاژ های بالا میسر نیست ، و از طرفی چنانچه امكان بدست اوردن ان نیز باشد ، ساخت وسایل حفاظتی كه در جریان زیاد كاركنند 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 كه هم در حالت عادی شبكه و هم در حالت اتصال كوتاه ئ ایجاد خطا بتواند جریان ثانویه لازم و مجاز برای دستگاههای حفاظتی تامین كند .

       ترانسفورماتور ولتاژ حفاظتی ترانسفورماتور هایی هستند كه 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 بكار برده می شود . همچنین از ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ برای رله های حفاظتی كه هب ولتاژ نیاز دارند نظیر رلههای دیستانس ، واتمتری و… استفاده می شود . این ترانسفورماتور از نظر ساختمان به دو نوع تقسیم می شود كه عبارتند از :

         الف- ترانسفورماتور ولتاژاندكتیوی

         ب- ترانسفورماتور ولتاژ خازنی

    همچنین این نوع ترانسفورماتور ها سد عایقی ایجاد می كنند به طوریكه رله هایی كه برای حفاظت تجهیزات فشار قوی استفاده می شود ، فقط نیاز دارند برای یك ولتاژ نامی 600 ولت عایق بندی شوند .

    ترانسفورماتور های اندازه گیری : در بیشتر مدارهای قدرت ، ولتاژ و جریانها بسیار زیادتر از آنستكه 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 كنند . 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 الكتریكی ، حساس و مهم است زیرا اگر در اثر رفتار نا مناسب در سیگنال حفاظتی ، خطایی رخ دهد ، ممكن است باعث عملكرد نادرست رله هل شود . یك ترانسفورماتور حفاظتی نیاز است كه در یك محدوده ای از جریان كه چندین برابر جریان نامی است كار كند و اغلب در معرض شرایطی قرار دارد كه بسیار سنگین تر از شرایطی است كه ممكن است ترانسفورماتور جریان اندازه گیری با آن مواجهه شود . تحت چنین شرایطی چگالی شار تا وضعیت اشباع پیشرفت می كند كه پاسخ، تحت این شرایط و دوره گذرای اندازه گیری اولیه جریان اتصال كوتاه 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 كه انرژی الكتریكی را در یك سیستم متناوب ، از یك مدار به مداری دیگر انتقال  می دهد و در این میان ولتاژ  كم را به ولتاژ زیاد و بالعكس ولتاژ زیاد را به ولتاژ كم تبدیل می نماید .

هر ترانسفورماتوری از دو بخش اصلی تشكیل می گردد :

          1ـ هسته كه از ورقه های نازك فولادی ساخته می شود.

          2ـ دو یا چند سیم پیچ كه با هم رابطه مغناطیسی دارند.

      ترانسفورماتورها دارای انواع گوناگونی هستند كه از آن جمله می توان از ترانسفورماتورهای قدرت و ترانسفورماتورهای اندازه گیری نام برد. ترانسفورماتورهای اندازه گیری از نظر  تئوری عملكرد وتكنیكهای ساخت شباهت فراوانی با ترانسفورماتورهای قدرت دارند . ولی به طور كلی 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 كمتراست .

          3ـ ترانسفورماتورهای قدرت عمدتاً سه فاز می باشند در حالیكه ترانسفورماتورهای اندازه گیری اصولاً تك 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 كه سطح جریان و ولتاژ شبكه را با دقت مناسب و بالایی به سطوح قابل اندازه گیری توسط رله های حفاظتی كاهش 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 كاهش مقدار جریان یا ولتاژ فشار قوی به مقداری كه قابل تحمل رله های   حفاظتی و مدارهای اندازه گیری باشد

          2ـ مجزا نمودن مدار اندازه گیری از ولتاژ فشار قوی اولیه

          3ـ فراهم كردن امكان 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 كرد .

2-3-1  ترانسفور ماتور ولتاژ القایی

       ترانسفورماتوری است كه در آن با استفاده از خاصیت القاء الكترومغناطیسی، ولتاژ مدار ثانویه را به مقدار مناسب برای وسایل اندازه گیری و رله ها تبدیل می كند . این نوع از ترانسفورماتورهای ولتاژ برای ولتاژهای متوسط دارای عایق خشك رزینی هستند. در ولتاژهای بالا از ترانس های ولتاژ مغناطیسی نوع غوطه ور در روغن استفاده می شود كه البته معمولاً تا ولتاژ 132 كیلو ولت رایج بوده و در ولتاژهای بالاتر استفاده از آن مقرون به صرفه نمی باشد و بهتر است كه 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 تشكیل شده است از یك مقسم ولتاژ خازنی(CVD[1]) و یك ترانسفورماتور میانی مغناطیسی(IVT[2]) در شكل (2-1) مدار شماتیك ترانسفورماتور ولتاژ خازنی رسم شده است . سطح ولتاژ IVT معمولاً است و ولتاژ نامی  CVT، نسبت مقسم ولتاژ خازنی را مشخص می كند . استفاده از ترانسفورماتور ولتاژ مغناطیسی در سطوح پایین مناسبتر است و بهتر است كه 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 كه مقدار برابر^kv  شود . بنابراین در ولتاژ های اولیه مختلف فقط متفاوت است و برای كلیه ولتاژهای اولیه، یك ترانسفورماتور میانی استاندارد می تواند مورد استفاده قرار گیرد . IVT همچنین دارای راكتورهایی جهت تنظیم ولتاژ خازنی است . CVT معمولاً دو وظیفه برعهده دارد ، یك وظیفه در اندازه گیری و وظیفه دیگر در مخابرات شبكه قدرت(PLC[3])   است .

شكل (2-1) : دیاگرام اصول كار 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 یك شبكه سه فاز، ولتاژ روی ترانسفورماتورها ممكن است در برخی موارد تا V_fبرابر ولتاژ نامی افزایش یابد . V_fضریب ولتاژ نام دارد . استاندارد IEC ضرایب ولتاژ زیر را مشخص كرده است :

          ـ 9/1، برای سیستمهایی كه 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 كه ترانسفورماتور در دماهای مختلف درست  كاركند . یك ترانسفورماتور القایی در دماهای مختلف دارای انحرافات جزیی است در حالیكه CVT های دارای عایق كاغذ تنها، تغییرات بزرگی را بخاطر تغییرات ظرفیت نشان می دهند . در یك CVT مدرن، عایق از دو نوع ماده مختلف تشكیل می شود ، كاغذ و پلی پروپیلن ، كه دارای مشخصه های حرارتی متضاد هستند و تركیبشان 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 كه 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 كه یك 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 كار مشكلی است همچنانكه اندازه گیری جریانهای خزشی چندان آسان نیست . خازن بزرگتر در مقسم ولتاژ از حسایت نسبی به آلودگی می كاهد .

2-4-3  ظرفیت پراكندگی

      از عوامل دیگر تاثیر گذار روی دقت ، تاثیر ظرفیت پراكندگی ناشی از تجهیزاتی كه نزدیك به هم نصب شده اند است . البته این تاثیر قابل چشم پوشی است مثلاً اگر دوCVT،420 كیلو ولت در فاصله 25/1 متر از هم  نصب شوند خطای نسبت ایجاد شده در یكی 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 تفكر علمی وتكنولوژی راه یافته است . یك رشته كارهای قابل ملاحظه در این زمینه انجام شده و دلایلی برای امید داشتن به چیزهای شگفتی آفرین در افقهای آینده خود نمایی میكند. این علم به اعتبار و سابقه و تعبیری كه بر شالوده ساختار نظریه الكترومغناطیس بنا نهاده شده است ، هرگز مرجعیت خود را از دست نداده است .  در طول تاریخ فیزیك مفاهیم مربوط به نور شناسی توسعه و گسترش فراوانی یافته است به طوریكه در حال حاضر ، دستگاههای نور شناختی بطور فزایندهای در زمینه های پزشكی و بهداشت ، صنعت ، كشاورزی و موارد متعدد دیگر ، مورد استفاده قرار می گیرند . از جمله صنایعی كه در سالهای اخیر ، دستگاههای نور شناختی در آن كاربرد فراوانی پیدا كرده 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 كه نور متشكل از جریان ذرات بسیار ریزی است كه ا زمنابع روشنایی انتشار می یابد . بعداً در سال 1864 ماكسول به شكل تئوری نشان داد كه امواج نوری از جنس امواج الكترو مغناطیسی هستند . به علاوه مشاهده آثار پلاریزاسیون معلوم كرد كه امواج نوری از نوع عرضی هستند یعنی حركت موج عمود  برجهتی است كه در آن موج عبور می كند. امواج نوری زیر مجموعه ای از امواج الكترومغناطیس هستند كه فركانس 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 الكترومغناطیسی از تركیب دو میدان الكتریكی  Eو میدان مغناطیسیB تشكیل می شود . توزیع میدانهای الكتریكی و مغناطیسی در یك ردیف امواج الكترومغناطیس صفحه ای و در یك لحظه معین از زمان، در شكل (3-1) ملاحظه می شود . براساس معادلات ما كسول می توان نشان داد كهE  وB  هر دو بر جهت انتشار موج K  عمودند به علاوه میدانهایE وB خودشان نیز بر یكدیگر عمودند . در این صورت همانطور كه در شكل (3-1) هم مشخص است ، بردارهای E  وB   و K تشكیل بردارهای قائم را می دهند .

شكل (3-1) : توزیع میدانهای امواج الكترومغناطیسی در یك لحظه معین از زمان

3-3 بررسی نور پلاریز ه شده

       همانطور كه قبلاً اشاره شده نور را می توان با نوسانات میدان الكتریكی و میدان مغناطیسی كه بر جهت انتشار موج و نیز بر یكدیگر عمودند نشان داد . بنابر تعریف پلاریزاسیون، مشخصات زمانی و مكانی بردار الكتریكی موج نور، نوع پلاریزاسیون نور را مشخص می كند اگربردار الكتریكی یك پرتو نور همیشه در یك صفحه باشد ، به آن نور پلاریزه خطی می گویند . در این صورت بردار الكتریكی نور روی یك خط ثابت حركت می كند و مقدار و علامت آن تغییر می كند . صفحه ای كه بردار الكتریكی در آن نوسان می كند، را صفحه ارتعاش می نامند. این صفحه علاوه بر بردار الكتریكی شامل بردار انتشار نیز هست و به این صفحه ، صفحه پلاریزاسیون  هم می گویند. توجه به این نكته لازم است كه بدلیل آنكه در موج نور شدت میدانE بزرگتر از میدان B است حالت ، پلاریزاسیون نور با جهت میدان الكتریكیE بیان می شود.

       حال فرض كنید كه دو موج نوری داریم كه بطور خطی پلاریزه شده اند فركانس آنها یكسان است و همچنین در یك راستا در حال حركت هستند اگر بردارهای الكتریكی این دو موج با هم همراستا باشند تركیب دو موج ، موجی با پلاریزاسیون خطی است . اگر میدانهای الكتریكی دو موج برهم عمود باشند پلاریزاسیون موج برایند بستگی به اختلاف فاز نسبی دو موج و دامنه آنها دارد . برای درك بهتر این موضوع، فرض كنید كه بتوان دو موج اشاره شده را بصورت زیر نوشت :

             ( 3-1 )                                                   

             ( 3-2 )                                             

       در اینجاو نشان دهنده دامنه موج وh ثابت انتشار موج است كه برابر l/p2 است و l هم طول موج نور می باشد . همچنینj اختلاف فاز نسبی دو موج است وf p2=wكه f فركانس نورمی باشد . این دو معادله نشان دهنده امواجی هستند كه در جهت محورZ حركت می كنند . در این حال موج بر آیند برابر است :

             ( 3-3 )                                                 

       كهi 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 كنیم .

---

قیمت فایل فقط 7,900 تومان

برچسب ها : امكان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی , انرژی الكتریكی , ترانسهای معمولی , ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری , طرح توجیهی امكان سنجی در طراحی ترانسفورماتورهای ولتاژ نوری و مقایسه آن با ترانسهای معمولی