ترانسفورماتور جریان یا Current Transformer (CT) یکی از مهم‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری و حفاظت در شبکه‌های قدرت است که وظیفه تبدیل جریان‌های بسیار بزرگ سیستم قدرت به مقادیر استاندارد و قابل اندازه‌گیری را بر عهده دارد. عملکرد صحیح این تجهیز برای دقت اندازه‌گیری، عملکرد صحیح رله‌های حفاظتی و ایمنی تجهیزات الکتریکی اهمیت بسیار زیادی دارد. با این حال، یکی از مهم‌ترین پدیده‌هایی که می‌تواند باعث کاهش دقت اندازه‌گیری و ایجاد خطا در سیستم‌های حفاظتی شود، اشباع هسته ترانسفورماتور جریان است. در این شبیه‌سازی، رفتار یک ترانسفورماتور جریان در شرایط مختلف بهره‌برداری مورد بررسی قرار گرفته و اثرات اشباع هسته و همچنین اضافه ولتاژ ناشی از باز شدن مدار ثانویه تحلیل می‌شود.

معرفی سیستم مورد مطالعه

در این شبیه‌سازی، یک ترانسفورماتور جریان برای اندازه‌گیری جریان یک راکتور شنت که به یک شبکه فشار قوی 120 کیلوولت متصل شده است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان برابر با 2000 آمپر به 5 آمپر بوده و توان نامی آن نیز برابر با 5 ولت‌آمپر است. سیم‌پیچ اولیه تنها از یک دور تشکیل شده که به صورت عبوری از داخل هسته حلقوی CT عبور کرده و به صورت سری با راکتور شنت قرار گرفته است.

راکتور شنت مورد استفاده دارای مشخصات زیر است:

• توان راکتیو نامی: 69.3 Mvar
• ولتاژ نامی: 69.3 kV (معادل 120kV تقسیم بر √3)
• جریان نامی: 1000 آمپر RMS

سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور جریان دارای 400 دور است که از نسبت تبدیل 2000/5 به دست می‌آید. این سیم‌پیچ توسط یک مقاومت بار یک اهم اتصال کوتاه شده است و یک حسگر ولتاژ نیز روی این مقاومت قرار دارد تا ولتاژی متناسب با جریان اولیه اندازه‌گیری کند.

در شرایط عملکرد عادی، جریان ثانویه برابر خواهد بود با:

1000 × 5 / 2000 = 2.5 A

در نتیجه، ولتاژ دو سر مقاومت یک اهم نیز برابر با 2.5 ولت RMS یا حدود 3.54 ولت پیک خواهد بود که توسط بلوک اندازه‌گیری ولتاژ ثبت می‌شود.

مدل اشباع ترانسفورماتور جریان

در این مدل، رفتار غیرخطی هسته مغناطیسی نیز در نظر گرفته شده است. فرض شده است که ترانسفورماتور جریان در مقدار 10 پریونیت (10 pu) وارد ناحیه اشباع می‌شود. برای مدل‌سازی اشباع، از یک منحنی مغناطیس‌شوندگی ساده شامل دو ناحیه خطی استفاده شده است که رفتار هسته را قبل و بعد از نقطه زانویی اشباع توصیف می‌کند.

در محیط Matlab/Simulink، شار مغناطیسی توسط بلوک Multimeter اندازه‌گیری شده و سپس به مقدار پریونیت تبدیل می‌شود. مقدار یک پریونیت شار مطابق رابطه زیر تعریف شده است:

1 pu Flux = 5.63 × 10^-5 V.s

همچنین جریان منعکس شده در سمت ثانویه و ولتاژ دو سر مقاومت بار به کانال اول اسکوپ ارسال شده و مقدار شار هسته نیز در کانال دوم نمایش داده می‌شود.

کلید مدار ثانویه

در مسیر سیم‌پیچ ثانویه یک کلید قرار داده شده است که در شرایط عادی بسته است. این کلید در بخش سوم شبیه‌سازی باز خواهد شد تا اثرات بسیار خطرناک باز شدن مدار ثانویه ترانسفورماتور جریان بررسی شود. این آزمایش اهمیت رعایت اصول بهره‌برداری از CT را به خوبی نشان می‌دهد.

شبیه‌سازی اول: عملکرد عادی ترانسفورماتور جریان

در اولین آزمایش، کلید قدرت اولیه در لحظه‌ای بسته می‌شود که ولتاژ منبع در مقدار بیشینه خود قرار دارد. زمان کلیدزنی برابر با 1.25 سیکل در نظر گرفته شده است. انتخاب این لحظه باعث می‌شود که جریان هجومی بدون مؤلفه DC قابل توجه ایجاد شود و بنابراین عدم تقارن جریان مشاهده نگردد.

پس از اجرای شبیه‌سازی مشاهده می‌شود که جریان اولیه و ولتاژ خروجی ترانسفورماتور جریان تقریباً کاملاً سینوسی هستند. اختلاف بسیار ناچیزی بین جریان واقعی و مقدار اندازه‌گیری شده وجود دارد که ناشی از مقاومت سیم‌پیچ‌ها و راکتانس نشتی ترانسفورماتور است. این خطا در کاربردهای معمول تقریباً قابل صرف‌نظر کردن است.

همچنین شار مغناطیسی هسته دارای یک مؤلفه DC کوچک است اما مقدار آن هرگز از حد اشباع 10 پریونیت عبور نمی‌کند؛ بنابراین هسته در ناحیه خطی باقی مانده و CT با دقت مناسبی جریان را اندازه‌گیری می‌کند.

تحلیل نتایج عملکرد عادی

در این شرایط، نسبت تبدیل ترانسفورماتور به خوبی حفظ شده و ولتاژ اندازه‌گیری شده کاملاً متناسب با جریان اولیه است. شکل موج خروجی بدون اعوجاج بوده و تمامی تجهیزات اندازه‌گیری و حفاظتی اطلاعات صحیحی از وضعیت شبکه دریافت می‌کنند. این حالت، شرایط ایده‌آل عملکرد یک ترانسفورماتور جریان را نمایش می‌دهد.

شبیه‌سازی دوم: اشباع CT بر اثر عدم تقارن جریان

در مرحله دوم، تنها زمان بسته شدن کلید قدرت تغییر داده می‌شود. این بار کلید دقیقاً در لحظه عبور ولتاژ از صفر و در زمان 1/50 ثانیه وصل می‌شود. این نوع کلیدزنی باعث ایجاد بیشترین میزان مؤلفه DC در جریان راکتور شنت شده و جریان اولیه کاملاً نامتقارن خواهد بود.

در ابتدای فرآیند، یعنی تقریباً طی سه سیکل اول، مقدار شار هنوز کمتر از نقطه اشباع باقی می‌ماند. در این بازه زمانی، ولتاژ خروجی CT همچنان جریان اولیه را با دقت مناسب دنبال می‌کند و خطای اندازه‌گیری بسیار ناچیز است.

اما با گذشت چند سیکل، مؤلفه DC موجود در جریان باعث افزایش تدریجی شار مغناطیسی هسته می‌شود. زمانی که شار از مقدار 10 پریونیت عبور می‌کند، هسته وارد ناحیه اشباع شده و رفتار غیرخطی آن ظاهر می‌شود.

در این وضعیت، نسبت تبدیل ترانسفورماتور دیگر ثابت نبوده و ولتاژ خروجی ثانویه به شدت دچار اعوجاج می‌شود. شکل موج دیگر سینوسی نیست و قسمت‌هایی از آن بریده شده یا تغییر شکل پیدا می‌کند. بنابراین اطلاعاتی که سیستم حفاظتی دریافت می‌کند دیگر نمایانگر جریان واقعی شبکه نیست.

اثرات اشباع ترانسفورماتور جریان

اشباع هسته ترانسفورماتور جریان پیامدهای مهمی در سیستم قدرت ایجاد می‌کند. کاهش دقت اندازه‌گیری، عملکرد نادرست رله‌های حفاظتی، تأخیر در تشخیص خطا، عملکرد اشتباه تجهیزات حفاظتی و افزایش احتمال آسیب به تجهیزات از مهم‌ترین نتایج این پدیده هستند. به همین دلیل در طراحی سیستم‌های حفاظتی همواره کلاس دقت، نقطه اشباع و مشخصات مغناطیسی CT با دقت زیادی انتخاب می‌شود.

شبیه‌سازی سوم: اضافه ولتاژ ناشی از باز شدن مدار ثانویه

در سومین آزمایش، ابتدا زمان بسته شدن کلید اولیه مجدداً روی مقدار 1.25/50 ثانیه قرار داده می‌شود تا عدم تقارن شار وجود نداشته باشد. سپس کلید موجود در مدار ثانویه در زمان 0.1 ثانیه باز می‌شود.

پس از اجرای شبیه‌سازی مشاهده می‌شود که بلافاصله پس از باز شدن مدار ثانویه، ولتاژ بسیار بزرگی در دو سر سیم‌پیچ ثانویه ظاهر می‌شود. علت این پدیده آن است که دیگر جریانی در سیم‌پیچ ثانویه برقرار نیست تا شار هسته را متعادل کند. در نتیجه تقریباً تمام جریان مغناطیس‌کننده وارد هسته شده و شار مغناطیسی به سرعت افزایش می‌یابد.

در این شرایط، شکل موج شار تقریباً به صورت مربعی درآمده و در مقادیر مثبت و منفی 10 پریونیت بریده می‌شود. هنگام تغییر جهت شار، نرخ تغییر شار (dφ/dt) بسیار بزرگ شده و بر اساس قانون فاراده ولتاژ القایی بسیار بزرگی تولید می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که مقدار این ولتاژهای لحظه‌ای می‌تواند به حدود 250 ولت برسد؛ مقداری که برای تجهیزات اندازه‌گیری، عایق سیم‌پیچ‌ها و حتی اپراتور بسیار خطرناک است.

اهمیت باز نکردن مدار ثانویه CT

یکی از مهم‌ترین اصول بهره‌برداری از ترانسفورماتورهای جریان آن است که هیچ‌گاه مدار ثانویه آن‌ها در هنگام عبور جریان اولیه باز نشود. در صورت نیاز به خارج کردن تجهیزات اندازه‌گیری یا رله‌ها از مدار، ابتدا باید ثانویه CT اتصال کوتاه شده و سپس تجهیزات جدا شوند. رعایت این اصل از ایجاد ولتاژهای بسیار بالا، آسیب به تجهیزات و خطر برق‌گرفتگی جلوگیری می‌کند.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی رفتار واقعی یک ترانسفورماتور جریان را در سه وضعیت مهم شامل عملکرد عادی، اشباع ناشی از عدم تقارن جریان و باز شدن مدار ثانویه بررسی می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که تا زمانی که شار هسته در ناحیه خطی باقی بماند، CT قادر است جریان اولیه را با دقت بسیار خوبی اندازه‌گیری کند. اما ایجاد مؤلفه DC در جریان یا افزایش بیش از حد شار، باعث ورود هسته به ناحیه اشباع شده و اعوجاج قابل توجهی در خروجی اندازه‌گیری ایجاد می‌کند. همچنین باز شدن مدار ثانویه یکی از خطرناک‌ترین شرایط بهره‌برداری از ترانسفورماتور جریان محسوب می‌شود که می‌تواند موجب ایجاد اضافه ولتاژهای شدید و آسیب جدی به تجهیزات گردد. شبیه‌سازی این پدیده در محیط Matlab ابزار ارزشمندی برای درک بهتر رفتار غیرخطی ترانسفورماتور جریان، آموزش مهندسان قدرت و ارزیابی عملکرد سیستم‌های حفاظتی در شرایط گذرا به شمار می‌آید.