No. 3-F-TRN-766 جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی محمد حامد صمیمی سلمان محسنی حسین محسنی موسسە پژوهشی فشارقوي الکتریکی دانشکدة مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه تهران تهران ایران m.h.samimi@ut. ac.ir چکیده لزوم انجام آزمایشهاي جریان بالا بر روي تجهیزات شبکە قدرت به منظور احراز صحت عملکرد آنها در شرایط اتصال کوتاه بر کسی پوشیده نیست. جریان ثانویه که داراي مقدار بزرگی است باید با روشهاي خاص انجام شود. این مقاله پس از مطرح کردن روشهاي متفاوت براي این کار به مراحل طراحی کویل روگوفسکی و انتگرالگیر مربوط به آن میپردازد. عوامل مهمی که باید در طراحی مد نظر قرار بگیرد مشخص شده است و یک نمونه بر اساس پارامترهاي مناسب ساخته شده است. نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که مجموعە ساختهشده براي جریان فرکانس قدرت مناسب است و دقت بهتر از % را برآورده میکند. واژههاي کلیدي جریانهاي بزرگ آزمایشگاهی کویل روگوفسکی آزمایش جریان قوي مقدمه. مجموعە یکی از حوادث شبکه قدرت اتصال کوتاه میباشد. در هنگام اتصال کوتاه جریان بسیار زیادي در سیستم به وجود تجهیزات نیز عبور میکند و میتواند و میآید این جریان از باعث آسیب به تجهیزات شود. تا زمان قطع شدن جریان اتصال کوتاه توسط کلید قدرت این جریان از سایر تجهیزات در حال عبور است و این تجهیزات باید بدون آسیب بتوانند این جریان را تحمل کنند. مدت زمان تحمل اتصال کوتاه و همچنین حد تحمل جریان براي هر تجهیز در استاندارد مربوط به آن مشخص شده است. به طور کلی استرسهاي اصلی ناشی از جریان زیاد را میتوان به دو دسته استرس حرارتی و استرس مکانیکی تقسیم کرد []. استرس مکانیکی به دلیل نیروهاي ناشی از جریان و میدان مغناطیسی ایجاد میشود و فقط وابسته به پیک جریان اتصال کوتاه میباشد. اتصال کوتاههاي شبکه قدرت معمولا با مو لفە DC میرا شونده همراه است [2] و در نتیجه بیشترین پیک ناشی از اتصال کوتاه معمولا در اولین پریود جریان به وجود میآید. تحمل مکانیکی تجهیز بر اساس همین مقدار پیک تعیین میشود. از سوي دیگر استرس حرارتی مربوط به گرماي ناشی از جریان میباشد که با توان دوم جریان و زمان عبور جریان از تجهیز رابطه دارد. در این مورد مدت زمان عبور جریان از تجهیز و مقدار موثر جریان مهم خواهد بود. به دلیل اهمیت و قیمت بالاي تجهیزات در شبکه قدرت لازم است تا تجهیزات پیش از نصب آزمایشهاي گوناگونی را پشت سر بگذارند و از قابلیت آنها اطمینان حاصل شود. از جمله این آزمایشها آزمایش مربوط به اتصال کوتاه میباشد. تستهاي مربوط به اتصال کوتاه در آزمایشگاههاي جریان قوي یا توان بالا انجام میشود. براي تولید جریان بزرگ لازم براي تست اتصال کوتاه روشهایی وجود دارد که از رایجترین آنها استفاده از ترانسفورماتور جریان بالاست. این ترانسفورماتور تعداد دور ثانویه کمتري نسبت به تعداد دور اولیه دارد و جریان خروجی را افزایش میدهد. براي معتبرسازي تست لازم است تا جریانی که به تجهیز تزریق میشود به دقت ثبت شود و پارامترهایی نظیر پیک آن مدت زمان اعمال و مقدار موثر جریان مشخص باشد. یکی از روشها براي جریان انجام این کار در سمت اولیه ترانسفورماتور جریان بالاست. در اولیه حداکثر جریان به چند هزار آمپر محدود میشود و میتوان با تجهیزات معمول آن را این پژوهش با حمایت دفتر امور تحقیقات برق شرکت توانیر انجام شده است.
را جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی کرد اما جریان باید در ثانویه و با دقت بالا نیز شود زیرا به دلیل مواردي مثل جریان هجومی جریان اولیه و ثانویه بر هم منطبق نیستند. براي جریان ثانویه که مقدار آن در حدود چند ده هزار آمپ ر است از روشهاي خاصی استفاده میشود که بتواند جری انهاي بزرگ را با دقت مناسب و هزینه معقول ساخت کند. در ادامه پارهاي از ای ن روشها به طور خلاصه معرفی شده است. 2.روشهاي جریانهاي بزرگ در جریانهاي بزرگ به علت میدان مغناطیسی قوي معمولا از هسته استفاده نمیشود زیرا هسته به اشباع میرود و دقت خود را از دست میدهد. براي جلوگیري از اشباع هسته میتوان اندازه هسته بزرگتر کرد ولی با توجه به مقدار بالاي جریان که در حدود ka است این موضوع سبب هزینە بسیار بالاي تجهیز خواهد شد. یکی دیگر از روشهاي جلوگیري از اشباع هسته استفاده از هسته با فاصلە هوایی است. در این صورت فاصله هوایی باید در طول هسته توزیع شده باشد چرا که در غیر این صورت میدان مغناطیسی موضعی سبب اشباع هسته خواهد شد. بدین معنی که هسته در بخشی که فاصله هوایی قرار دارد در معرض شار مغناطیسی کمتري خواهد بود و اشباع نمیشود ولی در جایی که دورتر از فاصله هوایی است هسته به اشباع میرود. بنابراین هسته وضعیت یکسانی را از لحاظ شار نخواهد داشت. ایجاد فواصل هوایی متعدد نیز هزینه قابلملاحظهاي در بر دارد لذا معمولا براي جریانهاي بزرگ از هسته استفاده نمیشود. یکی از روشه يا جریانهاي بزرگ استفاده از کویل روگوفسکی است. کویل روگوفسکی یک سیمپیچ بدون هستە آهنی است. این سیمپیچ بر روي هسته به گونهاي طراحی میشود که شارهاي پراکندگی اثر بسیار کمی داشته باشند. جری انهاي زیاد با فرکانسهاي بالاست [3.] تزویج مغناطیسی جریانهاي کم نیاز به کاربرد اصلی کویل روگوفسکی در بین اولیه و ثانویه اندك است و لوازم جانبی با دقت بالایی دارد. به دلیل عدم وجود در خروجی کویل روگوفسکی به صورت معمول ولتاژ است که این ولتاژ مشتق جریان مورد است و در صورتی که بتوان این ولتاژ را بدون نویز به اتاق کنترل منتقل کرد میتوان را با دقت بالایی را انجام داد. همچنین در مواردي انتگرالگیري به همراه تقویتکننده در مسیر ولتاژ قرار میدهند Rogowski coil که در این صورت تقویتکننده باید در بازه مورد نیاز به صورت خطی عمل کند تا بتوان با دقت بالا را انجام داد. ولی در جریانهاي بزرگ به علت میدان مغناطیسی بالا کویل روگوفسکی به خوبی عمل و میکند خروجی قابلتوجهی خواهد داشت. در این حالت دقت معمولا بالاست. از نظر فرکانسی نیز غیر از فرکانس صفر یعنی روگوفسکی عملکرد مناسبی دارد. این کویل میتواند مو لفه DC کویل DC میرا شونده را با دقت خوبی منتقل کند چرا که مو لفه DC میرا شونده فرکانس صفر ندارد بلکه شامل فرکانسهاي غیر صفر میباشد. این روش معمولا هزینه زیادي ندارد و داراي دقت یکی دیگر از روشه يا بالایی است. جری انهاي بزرگ استفاده از مبدلهاي نوري جریان است [4]. در این تجهیزات یک اشعه تکفام لیزري از طریق فیبر نوري به محل ارسال میشود. این نور از یک ماده اپتیکی که از خود اثر فارادي نشان میدهد عبور میکند. چرخش زاویه میدان الکتریکی یک موج الکترومغناطیسی در یک ماده در حضور میدان مغناطیسی را اثر فارادي زاویه میدان الکتریکی پرتو نور میگویند. پس از عبور نور از ماده اپتیکی و چرخش از طریق فیبر نوري به تجهیز کنترل و بازگردانده میشود. میزان چرخش اثر فارادي متناسب با میدان مغناطیسی است و در نتیجه با میزان چرخش میتوان به شدت میدان مغناطیسی در محل صورتی پی برد. نقطهنظر از که بر روي نور لیزر مدولاسیون انجام شود این روش فرکانسی در میتواند فرکانس صفر را نیز کند ولی معمولا در فرکانسهاي بالاتر از چند کیلوهرتز دقت به تدریج از دست خواهد رفت. در کاربرد آزمایشگاه جریان قوي ولتاژ خروجی سمت ثانویه ترانسفورماتور اندك و در حد 5 V میباشد. در نتیجه نیاز به عایقکاري در مورد کویل روگوفسکی نخواهد بود. یکی دیگر از مقاومت شنت است. روشه يا جری انهاي بزرگ استفاده از مقاومت شنت جریان عبوري را تبدیل به سیگنال ولتاژي میکند و میتواند این سیگنال را به اتاق کنترل انتقال داد و آن را کرد. در زمانی که قرار است در ولتاژ بالا انجام شود معمولا سیگنال ولتاژ را تبدیل به سیگنال نوري میکنند و آن را از طریق فیبر نوري انتقال [5]. میدهند مقاومت شنت طراحی خاص خود را دارد. در فرکانسهاي بالا طراحی مقاومت شنت باید به گونهاي باشد که سلف مسیر آن بسیار اندك باشد تا بتواند فرکانسهاي بالا را نیز با دقت کند. ولی در فرکانس قدرت مهمترین عامل آلیاژ 2
مقاومت شنت میباشد. جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی این آلیاژ باید به گونهاي باشد که با عبور جریان زیاد مقاومت آن تغییر قابلتوجهی نکند در نتیجه آلیاژ مق اومت شنت باید داراي ضریب تغییر مقاومت کوچکی در اثر حرارت باشد. از سوي دیگر مقاومت آن باید به اندازهاي کم باشد که هم ولتاژ زیادي تولید نکند و هم در اثر عبور جریان مقدار زیادي گرم نشود. چون در آزمایشگاه در ولتاژ پایین انجام میشود سیگنال ولتاژ میتواند به صورت الکتریکی منتقل شود. مقاومتهاي شنت به علت طراحی خاصشان داراي قیمت بالایی میباشند و ساخت آنها به دلیل آلیاژ خاص آنها دشوار میباشد. براي جریانهاي بزرگ روشهاي دیگري نظیر استفاده از ابررسانایی[ 6 7] استفاده از اشباع هسته مغناطیسی و هارمونیک دوم [8] نیز در مراجع مطرح شده است. از بین راهکارهاي موجود کویل روگوفسکی سادهترین و کمهزینهترین روش است. همچنین براي ساخت آن به ادوات با تکنولوژي بالا احتیاج نیست و مواد آن به راحتی در دسترس استفاده از کویل است. روگوفسکی براي فرکانسهاي بالا و همچنین در حالت کار با ولتاژ بالا مشکلاتی را به همراه دارد ولی در طرح حاضر که ولتاژ ثانویه اندك است و همچنین فرکانس 5 Hz اهمیت دارد استفاده از کویل روگوفسکی بهترین گزینه است. 3.تاریخچە کویل روگوفسکی کویل روگوفسکی که به نام مخترع آن نامگذاري شده است به صورت چنبرهاي و با هستە هوایی ساخته میشود و میتواند براي جریان متناوب مطابق قانون فارادي به کار رود. این نوع از مبدل براي اولین بار در سال 887 پیشنهاد شد زمانی کهChattock.A.P از دانشگاه بریستول از یک کویل بلند پیچیده شده بر روي یک لاستیکی براي میلە رلوکتانس مغناطیسی در مدارهاي آهنی استفاده کرد [9]. در سال 92.W و Rogowski W. Steinhaus پتانسیل مغناطیسی استفاده کردند از تکنیک Chattock.[] براي در آن زمان این کویل به واسطە خروجی کوچک آن فقط میتوانست براي جریانهاي بزرگ با تغییرات سریع به کار رود چون خروجی این کویل در جریانهاي کوچک براي کارکرد صحیح تجهیزات در آن زمان مناسب نبود. اما با تجهیزات میکروپروسسوري امروزي این کار قابل انجام است []. این کویل برخلاف ترانسفورماتورهاي جریان با هستە آهنی رفتاري بسیار خطی دارد که باعث میشود بتوان آن را در بازههاي وسیع دامنە جریان و فرکانس به کار برد. این موضوع اجازة در کاربردهاي با حالت گذراي سریع و جریان بالا را میدهد نظیر کوره و جریان صاعقه. جریان ترانسفورماتور در مواردي که دامنە جریان مورد بزرگ است خروجی کویل روگوفسکی داراي مقدار سیگنال به نویز بالایی است که سبب میشود با روشهاي ساده بتوان آ ن را فیلتر و تقویت کرد. خروجی کویل روگوفسک ی غالبا مقدار اندکی است و احتیاج به مدار تقویتکنندة دقیقی دارد. این موضوع به همراه اینکه خروجی کویل روگوفسکی متناسب با مشتق جریان ورودي است و نه خود جریان دو مورد منفی در مورد کویل روگوفسکی است. ولی در سایر موارد نظیر هزینه و خطی بودن بر ترانسفورماتورهاي سنتی ترجیح دارد کرد: [. 2] فواید کویل روگوفسکی را میتوان به طور خلاصه به صورت زیر لیست توانایی جریان در یک بازة بزرگ را بدون اشباع دارا هستند که این موضوع به خاطر طبیعت غیر مغناطیسی هستە آن است این بازه شامل چند میلیآمپر تا یک مگاآمپر میشود به خاطر انعطافپذیري و وزن کم به راحتی قابلاستفاده هستند هزینە اندکی را به همراه دارند طبیعت غیر مداخلهگرانهاي دارند زیرا توانی را از مدار اصلی مورد نمیکشند و امپدانسی که به سیستم اعمال میشود در حد چند میکروهانري است پهناي باند بسیار گستردهاي واسطە ورود این تجهیز به دارند به طوري که به صورت معمول میتوانند از / Hz تا GHz را پوشش دهند. این موضوع سبب میشود تا این کویل بتواند کند در حد تغییرات 4 ka/μs جریانهاي با پیشانی بسیار تیز را نیز بسیار ایمن هستند زیرا هیچ ارتباط الکتریکی مستقیمی با مدار اصلی وجود ندارد [. 3].4 مبناي عملکرد کویل روگوفسکی در یک حلقه در میدان مغناطیسی متغیر B ولتاژي القا میشود که طبق قانون فارادي برابر: d u( t) B ( t) da ( dt ) است. براي به دست آوردن میدان مغناطیسی یا به عبارت دیگر جریانی که این میدان را ایجاد کرده است یک شبکە انتگرالگیر باید به این حلقه اضافه 3
جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی شود. کویل روگوفسکی در حقیقت تعداد زیادي از این حلقهها است که با یکدیگر سري شدهاند. در حالتی که کویل روگوفسکی به صورت بسته باشد یعنی کاملا جریان را در بر بگیرد حلقە کویل روگوفسکی میتواند هر شکلی را به خود بگیرد زیرا میدان مغناطیسی که حلقهها را در بر میگیرد توسط قانون آمپر تعیین میشود و انتگرال میدان مغناطیسی روي هر مسیر بستهاي اطراف جریان برابر همان جریان میشود. این موضوع همچنین مکان قرار گرفتن هادي اولیه را نسبت به کویل بیاثر میکند. این موضوع سبب میشود تا کویل روگوفسکی یک گزینه روگوفسکی کویل را براي کاهش تا ثیرپذیري قابلانعطاف باشد. کویل از شارهاي پراکندگی در کویل انتهاي از بین سیمپیچیها عبور میدهند و دو سر کویل از یک نقطه خارج میکنند [4]. در این حالت میتوان کویل روگوفسکی را از انتهاي آن جدا کرد. این موضوع سبب میشود تا بتوان در مواردي که امکان جداسازي مدار جریان اولیه فراهم نیست به راحتی بتوان کویل روگوفسکی را بر روي مسیر جریان قرار داده و را انجام داد. نحوة مستقل از قرارگیري کویل نسبت به جریان اولیه ولتاژ القا شده در پایانە یک کویل روگوفسکی نوشت: میتوان براي 5.ساخت کویل روگوفسکی کویل روگوفسکی مورد نظر باید توانایی جریان در بازه تا ka را داشته باشد. در طرح ساختهشده براي مغزي که کویل بر روي آن سیمپیچی میشود از لولە پلاستیکی منعطف و توخالی استفاده شده است. انعطاف لوله باعث میشود که بتوان انتهاي کویل را به راحتی جدا کرده و بر روي مسیر جریان با شکلهاي مختلف نصب شود. همچنین توخالی بودن کویل سبب میشود تا به راحتی بتوان مسیر برگشت را از درون سیمپیچی عبور داد. براي سیمپیچی از سیم مسی لاکی به قطر /75 mm استفاده شده است. طول کویل برابر 3 cm است و در این طول تعداد 6 دور سیمپیچی انجام شده است. قطر لولهاي که سیمپیچی بر روي آن انجام شده است برابر 2/2 cm است. با این پارامترها اندوکتانس متقابل بین کویل و هادي جریان اولیه برابر است با: 2 NA 6. M.59 H. ( 3) S m.3 براي چنین آرایشی اگر جریان اولیه داراي پیک ka و 5 Hz باشد مقدار پیک ولتاژ القا شده در ثانویه برابر است با: di uˆ M.59 6 3.85 V ( 4) dt و NA di ( t) u( t), ( 2) Sm dt که در آن N تعداد کل دورهاي سیمپیچی در کویل A سطح مقطع هر حلقه S m مسیر متوسط کل کویل روگوفسکی است. این پارامترها در شکل براي یک آرایش نامتقارن کویل روگوفسکی نشان داده شده است. این موارد مهمترین پارامترهاي کویل روگوفسکی هستند که با تنظیم میتوان آنها مقدار خروجی را تغییر داد. در حقیقت ضریب ثابت موجود در (2) همان اندوکتانس متقابل بین کویل و هادي حامل جریان اولیه است. البته عدد فوق تنها حدود ولتاژ خروجی را در اختیار قرار میدهد و براي دقت کافی لازم است تا کل مجموعه در نهایت کالیبره شود. 6.طراحی مدار انتگرالگیر براي انتگرالگیر کویل روگوفسکی چندین راه متفاوت وجود دارد. انتگرالگیر کویل میتواند از نوع مقاومتی خازنی باشد. براي دقت بالاتر انتگرالگیري آنالوگ میتواند به جاي مدار RC از تقویتکنندة عملیاتی استفاده کند. با استفاده از تقویتکنندههاي با جریان ورودي بسیار کم میتوان به صورت دقیقی انتگرال گرفت. معمولا انتگرالگیري به کمک مدار RC براي فرکانسهاي بسیار بالا MHz) <) و انتگرالگیري به کمک عملیات براي تقویتکنندة فرکانسهاي پایین (< مناسب است MHz) [5]. یکی دیگر از روشهاي ممکن انتقال سیگنال با استفاده از یک مبدل شکل - پارامترهاي کویل روگوفسکی []. آنالوگ به دیجیتال به کامپیوتر است. پردازش سیگنال هم در کامپیوتر به کمک نرمافزارهاي میتوان سیگنال را به صورت دیجیتالی فیلتر و تقویت 4
جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی کرد و هم میتوان فرآیند ا نتگرالگیري را انجام داد. این روش انتگرالگیري براي فرکانسهاي میانی بسیار مناسب است. اگر مدار کویل روگوفسکی به وسیلە مقاومت کوچکی بسته شود کویل به صورت خود انتگرالگیر خواهد بود [2] زیرا در این حالت سلف کویل غالب خواهد بود و جریانی که از ثانویە کویل عبور میکند انتگرال ولتاژ القا شده خواهد بود. در این صورت جریان عبوري از ثانویە کویل روگوفسکی و ولتاژي که بر روي مقاومت کوچک افت میکند متناسب با جریان ورودي خواهد بود. در این حالت کارکرد کویل روگوفسکی نظیر یک ترانسفورماتور جریان سنتی است خروجی آن ولی میباشد. کوچک از بین موارد فوق گزینە استفاده از مدار RC و تقویتکنندة عملیاتی سادهترین گزینهها هستند. انتگرالگیر کویل روگوفسکی باید علاوه بر پوشش یک رنج فرکانسی وسیع داراي ثابت زمانی چندین برابر ثابت زمانی مدار اولیه باشد ولی پیادهسازي چنین انتگرالگیري به کمک مدار RC محدو دیتهایی دارد. از جمله: الف) براي مثال یک انتگرالگیر RC که ثابت زمانی ثانیه دارد میتواند توسط یک مقاومت MΩ و یک خازن μf پیادهسازي شود. ولی این انتگرالگیر به واسطە خازنهاي پراکندگی موازي با مقاومت و همچنین به خاطر تلفات خازن پاسخ فرکانسی مناسبی را نمیتواند اراي ه دهد. ب) نسبت سیگنال خروجی به ورودي براي چنین انتگرالگیري بسیار کوچک است. مثلا بهرة انتگرالگیر RC قبل در فرکانس 5 Hz در حدود /38 میباشد. با توجه به اینکه تزویج خود کویل روگوفسکی به واسطە هستە هوایی کوچک است چنین بهرة کوچکی میتواند را بسیار سخت کند. با وجود چنین مشکلاتی و همچنین نیاز به تقویت کردن خروجی کویل روگوفسکی به نظر میرسد که انتگرالگیري براي جریانهاي فرکانس قدرت به وسیلە تق ویتکنندة عملیاتی گزینە بهتري باشد. نشان تصویر مدار پایە انتگرالگیر به کمک تقویتکنندة عملیاتی در شکل 2 داده شده است. 2 اگر R از این مدار حذف شود ثابت زمانی انتگرال- (G ) خواهد بود که در آن G بهرة حلقە باز تقویت کننده گیر برابر R C است. این بهره در تقویتکنندههاي خوب به 5 نیز میرسد. این موضوع سبب میشود تا بروز هر گونه عدم تعادل با این بهره تقویتشده و به سرعت خروجی تقویتکننده به اشباع مثبت یا منفی برود. با قرار دادن R مقاومت بهرة DC تقویتکننده به مقدار R / R کاهش مییابد. 2 اگر منبع ورودي به پایە منفی متصل باشد نظیر آنچه در شکل 2 نشان داده شده است ولتاژ خروجی عکس خواهد بود و در نهایت لازم است که معکوس شود. مرجع [6] یک مدار انتگرالگیر را پیشنهاد داده است که ولتاژ ورودي به پایە مثبت اعمال میشود. در چنین انتگرالگیري ولتاژ خروجی هم علامت انتگرال منبع ورودي است اما مشکل چنین تقویتکنندهاي آن است که در یک فرکانس بالا فرآیند انتگرالگیري متوقف میشود به عبارت دیگر چنین مداري انتگرالگیري را در یک بازه انجام میدهد. این در حالی است که مدار شکل 2 از فرکانسی به بالا تا فرکانس کاري Op-Amp مثبت متصل باشد انتگرالگیري را انجام میدهد. R مقاومت اگر منبع ورودي به سر فرکانس شروع انتگرالگیري و مقاومت فرکانس پایان انتگرالگیري را تعیین میکند. همچنین این دو مقاومت مقدار بهرة تقویتکننده را تعیین میکند بنابراین تغییر هم بازة انتگرالگیري و هم بهره را تغییر میدهد و در نتیجه داراي انعطافپذیري زیادي نیست. اگر منبع ورودي همانند شکل 2 به سر منفی متصل باشد مقاومت شروع انتگرالگیري و مق اومت میتوان مقدار شکل - 2 مدار انتگرالگیر پایه توسط تقویتکنندهي عملیاتی [6]. R فرکانس مقدار بهره را تعیین میکند بنابراین را براي دستیابی به بهرههاي مختلف در بازههاي مختلف جریان تغییر داد بدون اینکه بازة انتگرالگیري دچار تغییر شود. به همین خاطر انتگرالگیر طرح ساختهشده بر اساس شکل 2 طراحی شده است. در طراحی انتگرالگیر توجه به دو نکته لازم است. اول اینکه مقدار بهرة تقویتکننده باید به گونهاي باشد که ولتاژ خروجی در کمترین جریان به اندازة کافی بزرگ باشد و همچنین در بیشترین جریان دچار اشباع نشود. شکل - 3 مشخصهي فرکانسی عمومی انتگرالگیر به کمک تقویتکننده [6]. 5
جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی.5 Input Output Magnitude (V).5 -.5 دوم آنکه اگر انتگرالگیر بخواهد علاوه بر فرکانس نامی قادر به انتگرالگیري مو لفە میراشوندة DC نیز باشد لازم است تا فرکانس شروع انتگرالگیري کوچک در نظر گرفته شود. 3 شکل مشخصه فرکانسی عمومی تقویتکننده را نشان میدهد. فرکانس شروع انتگرالگیري یعنی ساختهشده با انتخاب برابر f 2 RC R M و R2 k است. در طراحی برابر DC بهرة حاصل شده است. با این بهره تغییر چندین میکروولت در ورودي به تغییر چندین میلی ولت در خروجی منجر میشود که براي حاشیە اشباع V و - V قابل پذیرش است. با انتخاب f C برابر Hz F + /6 میشود. با انتگرالگیري در این فرکانس پایین مو لفە DC میراشونده نیز به درستی انتگرال گرفته میشود. مدار انتگرالگیر با پارامترهاي فوق در نرمافزار Pspice شبیهسازي شده است و مشخصە فرکانسی آن استخراج شده است که با آنچه که در بالا بیان شد تطابق دارد. همچنین به ورودي آن مشتق یک شکل موج با مو لفە DC داده شده و خروجی آن با مقدار مورد انتظار مقایسه شده است. شکل موج جریانی که از آن مشتق گرفته شده و به ورودي انتگرالگیر داده شده است به همراه خروجی مدار در شکل 4 نشان داده شده است. این شکل نشان میدهد که مداري با پارامترهاي فوق میتواند به درستی مو لفە DC میراشونده را نیز انتگرالگیري کند و شکل موج جریان اصلی دچار اعوجاج نمیشود. با پارامترهاي فوق مقدار بهرة تقویتکننده در فرکانس قدرت برابر انتگرالگیر تا جریان 5 ka /7.7 شکل - 6 ترانسفورماتور جریان قوي و کویل روگوفسکی در ثانویە آن. است که باعث میشود اشباع نشود. نتایج آزمایشگاهی تا براي احراز صحت عملکرد مجموعە کویل روگوفسکی و انتگرالگیر آن سه سري آزمایش انجام شده است. در آزمایش اول از یک ترانسفورماتور با خروجی تا جریان 5 A استفاده شده است. کویل روگوفسکی ساختهشده بر روي ثانویە این ترانسفورماتور نصب شده است و مقدار ولتاژ خروجی انتگرالگیر به ازاي جریانهاي مختلف قراي ت شده است. براي جریان نیز از ترانسفورماتور جریان نوع کلمپی استفاده شده است. شکل 5 نتیجە این آزمایش را نشان میدهد. در شکل 5 یک خط نیز به مجموعە دادهها برازش شده است. هرچه دادههاي به حالت خطی Inte grator Output (mv) 7 6 5 4 3 2 Integrator output Linear fit 5 5 2 25 3 35 4 45 5 Current (A) شکل - 7 خروجی کویل روگوفسکی و خط برازش شده به آن براي جریانهاي از 5 A تا 5. A نتایج با دقت بهتر از /5% خطی هستند. Integr ator Output (mv) 8 6 4 2 -.2.4.6.8..2.4.6.8.2 Integrator output Linear fit Time (sec) شکل - 4 جریان داراي مو لفە DC و خروجی انتگرالگیر. تطابق دو شکل موج نشان میدهد که مدار میتواند به درستی مو لفە DC را انتگرالگیري کند. 2 3 4 5 Current (A) شکل 5 -خروجی کویل روگوفسکی و خط برازش شده به آن براي جریانهاي کمتر از 5. A نتایج با دقت بهتر از % خطی هستند. 6
جریانهاي بزرگ در آزمایشگاه جریان قوي با استفاده از کویل روگوفسکی طراحیشده توانایی مو لفە DC میراشونده را به درستی داراست. در نهایت نتایج آزمایشهاي مربوط به مجموعە کویل روگوفسکی و انتگرالگیر گزارش شده است و نشان میدهد که کویل ساختهشده داراي دقت بهتر از % است که براي مقاصد در آزمایشگاه جریان قوي کافی است. مجموعە ساختهشده میتواند براي بازههاي جریان و فرکانس گستردهتر بهبود یابد. Current (ka) 2 - -2 Sample number شکل 8 -خروجی کویل روگوفسکی در آزمایش جریان قوي. نزدیکتر باشد دقت کویل روگوفسکی بیشتر خواهد بود. نتایج این آزمایش با دقت بهتر از % خطی میباشد. در آزمایش دوم از یک ترانسفورماتور جریان قوي براي تولید جریان تا 5 ka استفاده شده است. در این آزمایش جریانها به کمک یک مقاومت شنت شده است. شکل 6 ترانسفورماتور جریان قوي و کویل روگوفسکی را در خروجی آن هنگام تست نشان میدهد. نتایج مربوط به این آزمایش در شکل 7 آمده است. نتایج در این مرحله با دقت بهتر از /5% خطی هستند. تا زمانی که انتگرالگیر مربوط به کویل اشباع نشود عملکرد خطی کویل همچنان ادامه دارد. شکل 8 نیز جریان شده توسط کویل روگوفسکی را در آزمایش سوم نشان میدهد. ولتاژ خروجی انتگرالگیر توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ثبت شده است. در این آزمایش مقدار موثر جریان 4 ka به یک تجهیز اعمال شده است. همانطور که در شکل مشخص است مولفە DC میراشونده نیز به درستی شده است. نتایج نشان میدهد که مجموعە ساختهشده از دقت مناسبی براي جریان در آزمایشهاي جریان قوي برخوردار است. 8.جمعبندي در این مقاله ابتدا لزوم آزمایشهاي جریان قوي و جریان تجهیز مورد آزمایش تبیین شد. سپس روشهاي متف اوت جریانهاي بزرگ معرفی شد و علت ترجیح استفاده از کویل روگوفسکی توضیح داده شد. در ادامه تي وري نحوة عملکرد کویل روگوفسکی مطرح و طراحی انجامشده بر اساس آن معرفی شد. سپس به روشهاي متفاوت انتگرالگیري پرداخته شد و انتگرالگیر با استفاده از تقویتکنندة عملیاتی به عنوان بهترین گزینه انتخاب شد. فرآیند طراحی و نکاتی که باید در ساخت انتگرالگیر به آن توجه شود به تفصیل بیان شد و پارامترهاي نهایی انتگرالگیر ساختهشده بیان شد. همچنین به کمک شبیهسازي نشان داده شد که انتگرالگیر 9.منابع [] AC high-voltage circuit breakers rated on a symmetrical current basis - preferred ratings and related required preferred ratings and related capabilities., ANSI C37-6, IEEE, 997. [2] I. Kasicki, Short circuits in power systems, Weinheim, Germany, Wiley- VCH Verlag-Gmbh, 22. [3] A. L. Kojovic, "Applications of Rogowski coils for advanced power system soloutions," in 8 th Int. Conf. and Exhibition Electricity Distribution, Turin, CIRED 25, 6-9 June, 25. [4] W. Li, W. Bowen, W. Ling, W. Zhihua, and H. Wenmei, "Large current measurements using a fibre optics current sensor," in proc. th World Congr. Intelligent Control and Automation, Beijing, WCICA, 6-8 July, 22, pp. 4337-434. [5] X. Han, Y. Xu, C. Fu, and H. Rao, "Research about measurement performance of optic-electric DC current transformer in 5 kv HVDC power system," in Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conf., Wuhan, APPEEC 29, 27-3 March, 29. [6] S. L. Hays, B. Claypool, and G. W. Foster, The Amp DC power supply for a staged hadron collider superferric magnet, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 6, pp. 626-629, June 26. [7] C. Berriaud and A. Donati, A device for measuring high current at cryogenic temperatures, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 2, pp. 264-268, March 22. [8] R. Shiyan, A A high precision on-site m easurement calibration device for heavy direct current, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 39, pp. 9-22, Feb. 99. [9] C. Xianghu, Z. Xiangjun, D. Feng, and L. Ling, "Novel PCB sensor based on rogowski coil for transmission lines fault detection," in IEEE Power & Energy Society General Meeting, Calgary, PES 9, 26-3 July, 29. [] M. Rigoni et al. Rogowski coil current meters, IEEE Potentials, vol. 27, pp. 4-45, Aug. 28. [] L. Kojovic, PCB Rogowski coils benefit relay protection, IEEE Comput. Appl. Power, vol. 5, pp. 5-53, Aug. 22. [2] A. M. Lucianio and M. Savastano, "Wide band transformer based on a split-conductor current sensor and a Rogowski coil for high current measurement," in IEEE Proc. Integrating Intelligent Instrumentation and Control Instrumentation and Measurement Technology Conf., Waltham, IMTC/95, 24-26 April, 995. [3] I. A. Metwally, Self-integrating Rogowski coil for high-impulse current measurement, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 59, pp. 353-36, Feb. 2. [4] H. Bluhm, Pulsed power systems, principles and applications, Berlin, Springer, 26. [5] I. M. Shafiq, L. Kutt, M. Lehtonen, T. Niem inen, and M. Hashmi, Parameters identification and modeling of high frequency current transducer for partial discharge measurements, IEEE Sensors J., vol. 3, pp. 8-9, March 23. [6] J. A. J. Pettinga, and J. Siersem a, A poly phase 5 ka current measuring system with Rogowski coils, IEE Proc. Electric Power Applicat., vol. 3, pp. 36-363, Sep. 983. 55 6 65 7 75 8 85 9 95 7