مقدمه

برای اندازه گیری جریان های نیروگاههای برق و سیستمهای فرعی معمولا از CT القایی با هسته و سیم پیچ استفاده میکنند .

برای اندازه گیری ولتاژ از ترانسفورمر های ولتاژ خازنی نوع تقسیم ولتاژ PD استفاده میکنند .

بنابراین تجهیزات برقی بسوی ولتاژ ها و ظرفیتها ی بالا و ماشینها به سمت حجم زیادتر و سیستمهای حفاظت و کنترل در جهت عملکرد بالا توسعه می یابند .

تقاضاها برای کارایی و تراکم زیاد و دقت بالا برای سنسورها یا ترانسفورمر های نوری برای آشکار سازی جریانها و ولتاژها بعنوان ابزار مهم اطلاعات بکار برده شده در حفاظت و کنترل افزایش مییابد .

از طرفی پیشرفت اخیر تکنولوژی نوری بسیار چشمگیر بوده بطوری که انتظار میرود به وسیله پیشرفت تکنولوژی برای اندازه گیری جریانها و ولتاژهای بالا با تکنولوژی جدید براورده شود . به عبارت دیگر پیشرفت CT-PD نوری تقاضاها را بر اورده میکند .

اصول CT نوری بر اساس اندازه گیری میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریانی که طبق اثر فارادی در مدولاسیون و دمدولاسیون نوری پدید آمده است استوار می باشد .

بنابراین قوانین فوق الذکر برای اندازه گیری جریان DC نیز صدق می کند .

درنتیجه CT های فشرده و سبک وزن بدون اشباع مغناطیسی می تواند طراحی شوند . اگر جنس المان های حسگر فرومغناطیس نباشد .

بنابراین مزایای استفاده از نور برای انتقال سیگنال در ایزولاسیون الکتریکی و کنترل نویز القایی الکترومغناطیسی می باشد .

اگر CT نوری با همان مشخصات توسعه یابد ، هنگام به پایان رسیدن ، با یک ساختار سبک وزن و فشرده قادر خواهند بود ، رنج های دینامیکی را گسترش دهند .

مبانی PD نوری بر اساس اندازه گیری ولتاژ کاربردی در مدولاسیون و دمدولاسیون نوری طبق قانون پاسکال است .

در صورت کاهش اندازه المان حسگر امپدانس ورودی در المانهای حسگر می تواند افزایش پیدا کند . این مسله طراحی یک سیستم اندازه گیری ولتاژ کوچکتر از PT معمولی به وسیله ترکیب PD نوری با خازن مقسم ولتاژ را به دنبال دارد .

بنابراین PD نوری تحت تاثیر نویز قرار نمی گیرد و همچنین باند فرکانسی مجاز تا حد دلخواه گسترش می یابد . از این دیدگاه شرکت برق . الکتریک توشیبا و توکیو – کوژلکس و A.B.B و … برای توسعه PD , CT های نوری کاربردی برای اهداف حفاظت و کنترل آغاز به تحقیقات کردند و دراین راه اهمیت احتمالات و قوانین کاربردی نادیده گرفته شد و ترانسفورمرهای GIS 300 KV و تجهیزات 163 KV ایزولاسیون هوا به عنوان تجهیزات عملی تست انتخاب شدند .

مزایای CT نوری :

اندازه گیری جریان نقش مهمی را در سیستمهای قدرت الکترونیک در قسمت حفاظت و کنترل ایفا می کند اخیراً باافزایش ولتاژ خطوط نیرو توجه قابل ملاحظه ای به ترانسفورماتورهای جریان نوری داده می شود . زیرا CT نوری مزایای زیادی بر ترانسفورماتورهای جریان متداول با هسته آهن و سیم پیچ مسی دارد .

برای مثال تراسفورماتورهای جریان نوری optical curret transform بر خلاف ترانسفورماتورهای جریان معمولی فاقد روغن می باشند و لذا در مواقعی که خطای داخلی باعث بروز جرقه ( flashover ) میگردد منفجر نخواهد شد بعلاوه آنها مشخصات الکترومغناطیسی بمراتب بهتری را برای کنترل الکترونیکی پست تأمین می نمایند .

همچنین CT نوری ، اثرات اشباع وایزوله الکتریکی خوب و نیز اندازه و وزن کم آن در بکارگیری بیشتر آن در وارد کردن PD , CT نوری به سیستم قدرت الکتریکی با ولتاژ بالا و یا در یک swichegear ایزوله گازی ( GIS ) یک تحول جدید را باعث می شود .

این مزایا و سایر برتریها شرکت A.B.B را وادار ساخت تا از اواسط4 دهه 1980 برنامه های مربوط به ترانسفورماتورهای جریان نوری را توسعه دهد دراین مدت چندین ترانسفورماتور جران نوری مراحل تست محلی ( field . test ) را با موفقیت روی سیستم های قدرت 380 کیلو ولت تا 552 کیلو ولت ( CT نوری ) المان گذاری گردید . همچنین نمونه 110 کیلو ولت آن نیز قبلاً بطور آزمایشی در سرویس قرار گرفته بود . آزمایشات نشان می دهد که ترانسفورماتورهای جریان نوری نیازهای کلاس 0.5 را تأمین نموده و پاسخ دینامیکی که به نمایش میگذارند با ترانسفورماتورهای جریان معمولی قابل مقایسه است نیاز سیستمهای حفاظت دیجیتالی و تجهیزات الکترونیکی امروز بیشتر از چند ولت آمپر نمی باشد . با بهره گیری از این مزیت شرکت A.B.B سیستمهای ابتو الکترونیک را که ولت آمپرخروجی کمتری دارند توسعه داده شده و جایگزینی آنها را با ترانسفورماتورهای اندازه گیری معمولی با جریان اینترفیس A 1 درنظر می توان گرفت . ترانسفورماتورهای جریان نوری چندین مزیت عمده نسبت به ترانسفورماتورهای جریان معمولی دارند .

(1) تست محلی ( fild test )

انجام تست د رمحیطی که قسمتی از یک شبکه واقعی بوده و امکانات تجهیزات تقریباً مشابه آزمایشگاههای رسمی ( fabora tories ) در آن محیط برای انجام آزمایشات فراهم گردیده است . و بطورنسبی از طراحی ساده تری برخوردارند که اساساً از انفجار جلوگیری می نماید .

بنابراین امکان بروز خطر به نیروی انسانی و یا یجاد خسارت به دیگر تجهیزات پست دراثر انفجار مقره ( porcelain ) وجود نداشته و احتمال ایجاد آلودگی دراثر نشت روغن نیز از بین رفته است .

پاسخ فرکانسی این ترانسفورماتورهای جریان بدون رزونانس است و دارای مشخصه پایین گذرا low pass می باشد . این خاصیت سازگاری الکترومغناطیسی EMG ترانسورماتورهای جریان را بهبود می بخشد . و تأثیر آنها را روی کنترلهای الکترونیکی درپستها کاهش می دهد در فرکانسهای اینتر فیس بالا ( که مثلاً در اثر عملکرد قطع کننده ها به وجود می آید ) مسائل ناشی از پاسخ کاپاسیتیو ترانسفورماتورهای جریان معمولی ( اندوکتیو ) دیگر وجود ندارد . بنابراین در رابطه با اضافه ولتاژهای گذرا قطعات الکترونیکی به میزان کمتری در معرض آسیب دیدگی می باشند .

2) امروزه CT های نوری دو نوعند :

یک CT نوری حجم دار که د رسنسورهای شیشه ای حلقه ای شکل کاربرد دارد .

و یک CT نوری که در فیبر نوری بعنوان سنسور قرار دارد .

در مورد فوق صرفه جویی د رهزینه و فضای نصب و شکلی ساده که دارای مزایای از قبیل دقت بالاتر می باشد مورد توجه قرار گرفته است . در CT . GIS نوری به دلایل هزینه کم و نصب راحت و کوچک بودن آن مطلوب می باشد .

سنسورجریانی با اندازه کوچک و شکل ساده در پستهای GIS بوسیله CT نوری فراهم می شود .

در این CT های با فیبر نوری ، آنچه مهم است محدود کردن جریان خطی،به منظور جلوگیری از کاهش حساسیت است .

تجربه ها ی جدید در باره کاربردهای حفاظتی ترانس جریان وترانس ولتاژ نوری :

معرفی :

در این صفحه نتیجه نصب دو ترانسفور ماتور نوری جهت کاربردهای حفاظتی د ردو شاخه مورد بررسی قرار گرفته است در هر دو مورد ترانسفور ماتور به رله های حفاظتی متصل است و بازبینی از اجرای این طرح بیش از یک سال طول کشیده است.

در اینجا به توصیف اهداف پروژه ، شکل سیستم و اتصال آن میپردازیم آزمایش میدان و مقایسه با ترانسفورماتورهای قدیمی تر و گزارشهای سوئیچینگ و سپس به شرح شکل موجهای ثبت شده میپردازیم .

نتایج بدست آمده و چگونگی ارتباط آنها با اهداف پروژه را بررسی میکنیم یک جریان الکتریکی آنالوگ و کم مقدار LEA اتصال بین ترانسفورماتور و رله را برقرار میکند . کاربرد این استاندارد برای استفاده عملی و کاربردی مورد بحث قرار خواهد گرفت نمونه های آزمایشی یک جریان الکتریکی دیجیتال را نشان نخواهد داد اخیرا در یک کنفرانس غربی که در مورد رله های حفاظتی برگذار شده به توصیف اصول ترانس نوری و بعضی نتایج حاصله از مراحل آزمایشات اتصال کوتاه و میزان دقت اندازه گیری در حال کار میپردازد این صفحه شامل اطلاعات جدید و نتایج بدست آمده از کاربرد های حفاظتی در حال انجام کار است.

دور نمای قبلی :

سیستمهای اندازه گیری ولتاژ و جریان با سطح انرژی پایین هم اکنون در بعضی موارد استفاده میشود آنها یک مزیتی دارند که هزینه و خطرشان نسبت به تجهیزات قدیمی تر کم تر است مخصوصا تجهیزات عایق دار روغنی .

نتایج بدست آمده از دو آزمایش بیان شده در این صفحه دارای شباهت هایی میباشد در هر دو مورد هدف این بوده است که قابلیت اطمینان ترانسفورماتور در کاربردهای حفاظتی نشان داده شود در مجموع این پروژه به دنبال این بوده که ببیند که این ترانسفورماتورهای بهبود یافته که در مورد حفاظت حساس تر و سریع تر هستند بهتر عمل میکنند یا نه . سوئیچینگ و خطاهای گذرا مقایسه خواهند شد . با استاندارد ( 1 ) که از یک سنسور به پهنای باند فرکانسی وسیع استفاده میشود .

معرفی تکنولوژی جریان نوری و اندازه گیری ولتاژ و جریان الکتریکی LEA:

این پروژه ها ، یک سیستم اندازه گیری جریان Nxct را بکار میگیرند . که در ادامه متن از این عنوان به صورت CT نوری یاد میشود و از تکنولوژی اندازه گیری ولتاژ های ویژه NXVT به صورت VT نوری یاد میشود . در ادامه به بررسی اصول ویژه CT وVT نوری با جزئیات بیشتر میپردازیم

مقدمه :

Nxtphase طراح اندازه گیری دقیق ولتاژ و جریان توسط نور است .

دو سال قبل اصول علمی با پیدایش ابزار عصر جدید در ولتاژ های بالای اندازه گیری قدرت شکل گرفت حدود 100 سال قبل دواثر فارادی و پاکلز کشف شده بودند آنها تغییرات مراحل پلوروزاسیون نور را در حضور میدانهای الکتریکی و مغناطیسی به طور دقیق شرح میدادند کاربردهای آزمایشی برای اندازه گیری ولتاژ وجریان نوری به دو دهه قبل برمیگردد . در هر حال این علم فقط مربوط به چند سال گذشته است که در علوم اندازه گیری ، تکنولوژی فیبر نوری و میکرو الکترونیک مشارکت پیدا کرده اند .

هانی ول بنیانگذار اصلی همه سیستمهای اندازه گیری ژیرسکپی ناو بری است بنابراین آنها دقیقا توانسته اند انقلابی را در هر دو قرن نمایان سازند تیم محققیق کمپانی یک فیبر نوری مشابه را که در تکنولوژی ژیرو استفاده شده بود جهت استفاده در حقوق اشکار و کاربردهای نظامی ناوبری در اندازه گیری جریان توسعه دادند هانی ول سپس تیمی را با اعضاء دانشگاه تگزاس جهت تولید یک سنسور تشکیل دادند سنسوری که به وسیله جریان زیادی که اندازه گیری کرده است ممکن است استاندارد باشد . اولین کاربرد این سنسورهای بسیاردقیق در سرویس عمومی اریزونا در ایستگاه تولید جولا در سال 1997جایی که میزان خطا 3 درصد است نشان داده شده بودند هانی ول یک پتانسیل اقتصادی را در تکنولوژی سنسور جریان شناخته بود . شروع به جستجوی یک شریک مکمل با داشتن تکنولوژی ولتاژ کرد شبیه به دید یک بازاری .

نیمه دیگر داستان با مهندس کارمانا شروع میشود که هر دو یک زوج موفق از دانشگاه British Columbia (UBC) هستند . کارمانا ( UBC) و BC هیدرو جهت توسعه در یک تکنولوژی جامع برای اندازه گیری ولتاژ نوری باهم شریک شدند و این تکنولوژی بر پایه یک سنسور میدان الکتریکی حساس نهاده شده بود این سنسور یک سلول نوری یکپارچه بود که پاکلز نامیده میشد ( IOPC) . شکافهای علمی دانشمندان به سوی ترانس ولتاژهای نوری دقیق سوق داده شده که از تکنولوژی های محیطی دوری می کرد تکنولوژی های محیطی به ، تکنولوژی های معمولی یا نوری متناوب مربوط می شوند . اولین سنسور IOPC ( سلول نوری جامع پالکز ) در کاربردهای اندازه گیری یک فاز در سال 1998 در یک پست BC هیدرو مقرر گشته بود . مدتی بعد کارمانا به دنبال یک شریک سازگار با داشتن تکنولوژی جریان بود علت این امر بهره برداری از تکنولوژی های نهفته در بازار بود . NXT phase همکنون ترانسهای جریان و ولتاژ نوری هدفمندند را در پستها با ولتاژ بالا بکار میبرد . دربازار سنسورها و نیز CT ها و VT های موجود دیگر را که مفید تر بودند را تولید کردند .

این فوائد شامل :

دقت زیاد

پهنای باند بیشتر

رنج های دینامیکی بالاتر

کوچکتر و بلند تر برای مواردی که قابلیت انعطاف لازم است

نداشتن مکانیزمی جهت نقص شدید

امکان استفاده همان وسیله برای اندازه گیری و حفاظت سودمند

ترکیبات سنسورهای ولتاژ و جریان در همان رده

ایمنی بیشتر پرسنل

نداشتن روغن سلولز یا ترکیبات SF6

عمل VT نوری :

تکنولوژی اندازه گیری ولتاژ نوری از اثر Pockels برای حساس کردن میدان الکتریکی استفاده میکند . سه تا سلول کوچک ( سنور های میدان الکتریکی ) به طور خاصی در یک فضای خالی که بوسیله نیتروژن عایق شده قرار گرفته اند . نور تجزیه شده و انتشار یافته و به کریستال electrooptic وارد میشود .

وقتی که یک میدان الکتریکی شکل میگیرد یک اختلاف شتاب القایی بین دو قطب در کریستال بوجود می آید . در انتها یک پلوروزاسیون بیضوی ایجاد میشود . به وسیله اندازه گیری درجه بیضیت ( تفاضل دو قطر)

همانطور که در (شکل 2 ) نشان داده شده است یک اندازه دقیق از میدان الکتریکی نتیجه میشود . سه میدان الکتریکی اندازه گیری میشود سپس باهم ترکیب شده و از یک الگوریتم که مجموع آنها را ثبت میکند جهت اندازه گیری ولتاژ قوی نسبت به زمین استفاده میشود .

تاثیر فاردی

جیسون دی دارفوس

دانشکده فیزیک ، دانشکده وستز ، اهیو 44691 ، اول می سال 1997 یک جزء نور شفاف ( شیشه ) ما بین دو میدان مغناطیسی قرار گرفته است . و به وسیله تغییر مقدار جریان جاری در معرض یک میدان مغناطیسی متغییر قرار گرفته بود . و نور تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گرفت به طوری که نور تجزیه شده و از میان ماده ای عبور کرده که باعث مقداری چرخش در ان شده است . این تاثیر اثر فارادی نامیده میشود . و به طور کمی به وسیله زاویه ای که نور چرخیده ، میتوان میدان مغناطیسی و ضخامت نور را تعیین کرد . یک نسبت تناسب اصلی به عنوان ضریب ثابت شناخته شده است و این ترکیب ثابت به عنوان واحد درجه در هر میدان مغناطیسی است این ضریب ثابت را جیسون اندازه گیری نمود . و برابر گوس بردقیقه ( 122+0/11) x در مقایسه با مقدار قبلی که در سال 1953 بدست امده بود . 0.016 گوس بر دقیقه تغییر کرد .

چرخش فارادی : یک موج پلاریزه شده مسطح میتوند در میان دو موج دوار پلاریزه شده تجزیه شود چرخش مسطح پلوروزاسیون نور به عنوان انتشار سرتاسری ان نور در یک امتداد موازی در یک میدان مغناطیسی است که اثر فارادی یا چرخش فارادی نامیده میشود .

مقدار چرخش بر اساس تجربه بدست آمده است ذاتا = VBL به طوریکه زاویه چرخش است V ضریب ثابت و B مقدار میدان مغناطیسی و L نیز ضخامت است . یک تصویر مدرن از چرخش فارادی ناشی از پاسخ مکانیکی کوانتوم یک اتم به میدان مغناطیسی است . در این تصویر ، جذب هسته ای و انتشار، هر دو به وسیله میدان امیخته می شوند در این مصداق تاثیر فارادی حس میشود . انچنان تاثیری که زیمان هم جذب میشود زیمان ( پدیده ای که هیچ یک از طیفهای خطی با عبور از میدان مغناطیسی تجزیه نمی شوند . )

نظریه :

چرخش ناشی از میدان مغناطیسی ممکن است از شرایط e/m ، نسبت بار به الکترون در یک حجمی ناشی شود . طبق تئوری لورنتز یک الکترون در داخل مدار خود هسته اتم چرخش میکند و فرکانس چرخشش تغییر می کند که در این چرخش موجب ایجاد نور پلاریزه شده مسطح میان میدانی که تحت تاثیرش قرار گرفته شده می شود . این زاویه چرخش به صورت زیر معرفی شده است :

e میزان بار الکترون و m میزان جرم ( رابطه 1 )

و طول موج نور و B نیروی مغناطیسی در اورستد است . نمای مشتق از انحراف نور نسبت به طول موج و V هم ضریب ثابت است .

میزان چرخش متناسب با قدرت میدان مغناطیسی و فاصله نور که باید از میان این واسطه عبور کند .

آزمایش :

آزمایش انجام شده برای اینست که توسط منبع توان dc یک جریان الکتریکی به دو محفظه الکترومغناطیسی با آب سرد همراه با دو قطب مختلف فرستاده شود یک جزء نوری ( یک واسطه جامع شفاف ) ما بین دو قطب مغناطیسی قرار داده شده است مغناطیس ما طوری طراحی شده است که یک پرتو نور می تواند از یک طرف به طرف دیگر فرستاده شود .

ابتدا یک ترکیب از لیزر هلیم و نئون ( 1 m W max ) از میان یک دریچه تجزیه کننده پرتو عبور داده می شود سپس از میان یک میدان مغناطیسی به اندازه یک جزء نوری عبور کرده و پس از اشکار شدن پرتو در میدان مغناطیسی ، پرتو تجزیه شده توسط روزنه توسط میکرو متر اندازه گیری می شود از اینجا پرتو عمود داخل یک فتودیود منتشر کننده کسینوسی انتشار می یابد که این به یک اپتیمتر خطی با تکنولوژی خاص اشکار ساز متصل شده است این میدانهای قوی توسط کاربر با متر گوسی با پروپ اندازه گیری می شود این از موارد ارائه شده توسط ازمایشگاه مغناطیسی است . جهت شروع کار ، میدان مغناطیسی لازم است که کالیبره شود .

هنگام عملکرد جریان این مشاهده شده بود که میدان مغناطیسی متوسط B در نقاط مختلف این قطبها اندازه گیری میشود . در مقابل کمترین مقدار میدان مغناطیسی در مرکز فضا مابین قطبها نیز عدد مشخصی است نسبت این دو تبدیل به صورت فوق است .

این عدد مربوط به میدان جریان کابردی در ابتدای شروع کار است .

به منظور دیدن اینکه چه مقدار پرتو پلاریزه شده چرخیده است و به عنوان یک عمل نیروی میدان مغناطیسی ما نیازمند پیدا کردن این هستیم که چگونه جریان تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرد . میدان مغناطیسی متوسط B ( شکل 3 ) این تناسب را نشان می دهد .

پس ما نیازمند این هستیم که چگونگی چرخش نور تجزیه شده را که تحت تاثیر قرار گرفته است را به عنوان طرز عمل جریان از میان حلقه های مغناطیسی بررسی کنیم . به منظور افزایش یک امپری جریان به وسیله مطالعه چرخش نور بوسیله میکرو متر روی انالیز کننده نور تجزیه شده میزان چرخش نور گزارش شده است . این مقادیر در یک طرح زاویه ای توسط کامپیوتر ترسیم شده اند . ( شکل 4 ) .

و تولید شیبهای شکلهای 3 و 4 پاسخی را در مورد عبارت 4 به ما میدهند .

هدف از تجزیه کننده پرتو و تحلیل گر ترکیبات این بوده است که میزان جرخش پرتو پلاریزه شده به عنوان نتیجه تاثیر میدان مغناطیسی بر روی یک جزء نوری می تواند اندازه گیری شود این عمل به وسیله اندازه گیری دقیق روی ضعیف ترین نور برای هر مقدار جریان از میان میدانهای مغناطیسی است ما میتوانیم تغییر در چرخش را از تحلیلگر پرتو تجزیه شده بخوانیم و این میتواند به زوایای نظیر به نظیر در یک صفحه به وسیله شرکت سازنده تبدیل شود .

چرخش به طور مدور موج نوری تجزیه شده در زمان تاثیر فارادی توسط رابطه یک ارائه شده است . در شرایط ازمایش ما به دنبال ضریب ثابتی از نوع کوچکی از جزء نوری می گردیم یکمرتبه این ضریب بدست آمده ما میتوانیم نوع ماده جزء نوری را مشخص کنیم . به منظور مشخص نمودن اینکه ضریب ثابت چگونه است رابطه بالا که برای پیدا کردن زاویه چرخش فارادی استفاده شده است می تواند دو باره نوشته شود . رابطه 3

در این شرایط ما به دنبال تغییر در هر زاویه ای توسط تغییر در میدان می گردیم . میدان مغناطیسی به عنوان میدان متوسط در سر تاسر فضای باز مابین میدانها که در ان جزء نوری قرار داده شده است بکار گزفته میشود . از این رو چون ما مجموعه زوایای چرخشی را که نتیجه عمل جریان یا میدان مغناطیسی است را شناخته ایم و می تواند روشی برای حل رابطه بالا به صورت ساده تر باشد به طوری که مشتق فوق به صورت زیر شکسته شود . ( رابطه 4 )

در این روش دو طرح از یک زاویه Vs ( حافظه مجازی ) جریان و جریان Vs و میدان مغناطیسی قوی میتواند تولید شود که در ان تولید دو شیب معادل خواهد بود با تغییر در هر زاویه توسط تغییر در میدان مغناطیسی است . این موضوع ان چیزی است که در شکل 4 و 3 نشان داده شده است