مکانیزم ترانسفور ماتور های اندازه گیری ولتاژ الکتریکی : در حالت كلي ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند.این دو گروه عبارتند از: ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی سلفی یا مغناطیسی وترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکیخازنی (CVT-capacitor voltage transformer). در سیستمهای قدرت الکتریکی، تا ولتاژ الکتریکی ۱۴۵ كیلوولت استفاده از ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی سلفی و در سیستمهای قدرت الکتریکی با ولتاژ الکتریکیهای بالاتر، استفاده ازترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی خازنی مقرون به صرفه است.
در عمل، دو نوع مختلف ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی خازنی با خازن بالا وخازن پایین ساخته می‌شود. با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور، در شرایط كار مختلف‌آن، مانند آلودگی محیط و نوسانات، تغییرات فركانس و پاسخ حالت گذاری سیستم، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی خازنی با خازن بالا بهترین انتخاب است. درسیستمهای PLC، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی خازنی، مورد استفاده قرارمی‌گیرند. همان طور كه می‌دانیم با استفاده از سیستمهای PLC می‌توان مانند خطوطمخابراتی، انتقال اطلاعات را با خطوط فشار قوی انجام داد. محدوه كار یك ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی در سیستمهای اندازه‌گیری، بین ۸۰ تا ۱۲۰ درصد ولتاژ الکتریکی نامی و درسیستمهای محافظتی، بین ۰۵/۰ تا ۵/۱ یا ۹/۱ درصد ولتاژ الکتریکی نامی آن سیستم تغییر می‌كند.
در عمل با استفاده از یك مقاومت سری می‌توان محدوده اندازه‌گیری یك ولت متر راافزایش داد این روش معمولا در سیستمهایی كه ولتاژ الکتریکی بالایی ندارند استفاده می‌شود ولی اگرسیستمی ولتاژ الکتریکی بالا داشته باشد این روش مشكلات فراوانی خواهد داشت. در سیستمهای‌ولتاژ الکتریکی بالا، ایزولاسیون مقاومتهای سری موجود در ولت مترها (برای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکیسیستم) مقرون به صرفه نبوده و علی رغم ایزولاسیون مقاومتهای سری، با توجه به ولتاژ الکتریکیبالای سیستم، وصل سیستم فشار قوی به دستگاه اندازه‌گیری بدون استفاده ازترانسفورماتور ولتاژ الکتریکی، كار خطرناكی است. با توجه به موارد فوق در سیستمهای قدرت الکتریکی برای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی، از ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری استفاده می‌كنند.
●ضریب افزایش ولتاژ الکتریکی ترانسفورماتور
در یك سیستم قدرت الکتریکی، ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی سلفی یا خازنی، معمولا بین فاز و زمین قرار می‌گیرد. در سیستم سه فاز در لحظه نوسانات سیستم، ممكن‌است ولتاژ الکتریکی دوسر ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی به ولتاژ الکتریکیهای بالایی افزایش یابد. باتوجه به استاندارد IECضریب افزایش ولتاژ الکتریکیترانسفورماتور معمولا ۲/۱ انتخاب‌می‌شود. یك ترانسفورماتور اندازه‌گیری‌ولتاژ الکتریکی باید به صورت مداوم در ولتاژ الکتریکیی‌مساوی ولتاژ الکتریکی نامی، ضرب در ضریب‌افزایش ولتاژ الکتریکی ترانسفورماتور، به كار خودبدون هیچ مشكلی ادامه داده و در این ولتاژ الکتریکی،ترانسفورماتور تحت هر شرایطی به حالت‌اشباع وارد نشود.
كلاس دقت ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی:
مانند ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری‌جریان، در ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری‌ولتاژ الکتریکی نیز كلاس دقت ترانسفورماتور با توجه‌به مورد استفاده آن در سیستمهای حفاظتی‌یا اندازه‌گیری تغییر می‌كند. درترانسفورماتورهای اندازه‌گیری جریان، هر یك از سیم پیچهای ثانویه ترانسفورماتور در اطراف هسته‌های جداگانه‌ای پیچیده‌می‌شوند. برعكس اگر ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی دارای سیم پیچهای ثانویه‌متعددی باشد تمام این سیم پیچها در اطراف‌یك هسته مشترك قرار می‌گیرند. درترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی، افت‌ولتاژ الکتریکی در سیم پیچ اولیه با مجموع جریان‌بارهای سیم پیچهای ثانویه آن رابطه مستقیم دارد.
●ساختمان ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی:
ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکیمانند ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری جریان،انواع مختلفی ندارند. در سیستمهای ولتاژ الکتریکیخیلی زیاد، معمولا اتصال كاسكادترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی مورداستفاده قرار می‌گیرد. البته تحت شرایط ولتاژ الکتریکیبالا استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ الکتریکی خازنی، مقرون به صرفه است.
●مشخصه‌های انتخاب ترانسفورماتور ولتاژ الکتریکی:
اگر كلاس دقت ترانسفورماتور و توان‌نامی آن خیلی زیاد انتخاب شود، ابعادترانسفورماتور بسیار بزرگ بوده و ساخت آن‌مقرون به صرفه نخواهد بود. در نتیجه‌باتوجه به مورد استفاده مناسب‌ترانسفورماتور باید كلاس دقت و توان آن درنظر گرفته شود.
سیم پیچهای ثانویه یك ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی از همدیگر جدا نبوده و دراطراف یك هسته مشترك، پیچیده می‌شونددر نتیجه اگر یكی از سیم پیچهای ثانویه‌ترانسفورماتور به دستگاه اندازه‌گیری و سیم‌پیچ دیگر به دستگاه حفاظتی (مانند رله)وصل شود در این حالت برای انتخاب توان‌نامی و همچنین كلاس دقت ترانسفورماتورمثالی را در نظر می‌گیریم:
-دستگاه اندازه‌گیری با توان: ۳۰ولت آمپر-كلاس دقت دستگاه اندازه‌گیری: ۵/۰
-دستگاه حفاظتی (رله) باتوان: ۱۲۰ولت‌آمپر
-كلاس دقت دستگاه حفاظتی (رله): ۳P
با توجه به مقادیر داده شده، كلاس دقت‌ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی ۵/۰ و توان‌آن ۱۵۰ ولت آمپر انتخاب می‌شود. در ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی، اگربیش از یك سیم پیچ ثانویه مورد نیاز باشد باتوجه به چگونگی استفاده از بارها(كه درادامه شرح داده می‌شود) و همچنین با در نظر گرفتن كلاس دقت آنها ترانسفورماتور انتخاب می‌شود:
(a): یكی از سیم پیچهای ثانویه باردار بوده وسیم پیچهای دیگر بدون بار باشد.
(b): تمام سیم پیچهای ثانویه باردار باشد.
بار حرارتی یك ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی، با در نظر گرفتن ضریب‌ولتاژ الکتریکی آن، به بیشترین مقدار باری گفته‌می‌شود كه ترانسفورماتور بتواند بدون‌افزایش درجه حرارت از مقدار مشخص‌شده، آن بار را تغذیه كند. با توجه به‌استاندارد IEC-۱۸۶ كلاسهای دقت‌دستگاههای اندازه‌گیری بین ۸۰ تا ۱۲۰درصد ولتاژ الکتریکی نامی و بین ۲۵ تا ۱۰۰ درصد بارنامی و كلاسهای دقت دستگاههای حفاظتی‌بین ۵ درصد ولتاژ الکتریکی نامی تا Vش برابر آن وهمچنین بین ۲۵ تا ۱۰۰ درصد بار نامی‌صادق هستند. دستگاههای اندازه‌گیری و حفاظتی‌مدرن، تلفات كمتری دارند در نتیجه ممكن‌است بار كل ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکیاز ۲۵ درصد مقدار بار نامی آن كوچكتر باشددر نتیجه می‌توان‌گفت كه در این حالت خطای نسبت دورها افزایش خواهد یافت. در ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی، خطای نسبت دورها دربارهای نزدیك به بار نامی ترانسفورماتور به‌مقدار مینیمم خود می‌رسد.
در حالت كلی با توجه به موارد فوق‌می‌توان گفت كه بار نامی ترانسفورماتور ولتاژ الکتریکی بهتر است با مجموع بارهای وصل شده‌به آن برابر باشد.
●خطاهای اندازه‌گیری‌ترانسفورماتور ولتاژ الکتریکی:
در حالت ایده آل، افت ولتاژ الکتریکی در روی‌امپدانس سیم پیچهای اولیه و ثانویه ترانسفورماتور برابر صفر ولت بوده و درنتیجه رابطه بین ولتاژ الکتریکی اولیه و ثانویه آن‌عبارت خواهد بود از:
در ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکیموجودر در عمل، به علت افت ولتاژ الکتریکی در روی مقاومت سیم پیچهای اولیه و ثانویه وهمچنین به علت افت ولتاژ الکتریکی در راكتانسهای‌سیم پیچهای اولیه و ثانویه (ناشی از شارپراكندگی موجود در سیم پیچها)، رابطه اولیه و ثانویه یك ترانسفورماتور حقیقی خواهد بود.
با توجه به مواردی كه مطرح شد،خطای موجود در ترانسفورماتورهای ولتاژ الکتریکیحقیقی را مانند ترانسفورماتورهای جریان باخطای نسبت دورها و خطای زاویه‌ای می‌توان نشان داد.
اگر ولتاژ الکتریکی ثانویه خیلی بزرگ باشد،خطای نسبت دورها مثبت خواهد بود. ازطرفی اگر ولتاژ الکتریکی ثانویه نسبت به ولتاژ الکتریکی اولیه‌پیش فاز باشد خطای زاویه‌ای مثبت‌می‌شود.
برای محاسبه خطای نسبت دورها وخطای زاویه در یك ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی، مدار معادل الكتریكی یك‌ترانسفورماتور حقیقی كه به طرف ثانویه‌انتقال یافته است را در نظر می‌گیریم.
همان طور كه‌می‌دانیم امپدانس معادل سیم‌پیچها ازمجموع مقاومت اهمی سیم‌پیچ و راكتانس‌ناشی از سیل پراكندگی شار اطراف سیم پیچ‌به دست می‌آید. افت ولتاژ الکتریکی در امپدانسهای‌اولیه و ثانویه ترانسفورماتور را در دو حالت‌بارداری و بی باری مورد بررسی قرار می‌دهیم.
از آن جا كه، در حالت بی باری به علت‌جریان كم موجود در مدار، افت ولتاژ الکتریکی درامپدانس سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور مقدارناچیزی است لذا در این قسمت فقط افت‌ولتاژ الکتریکی، در حالت بارداری ترانسفورماتور رامورد بررسی قرار می‌دهیم. در حالت‌بارداری، شدت جریان عبوری از امپدانس معادل هسته، بسیار كوچكتر از شدت جریان‌بار ترانسفورماتور بوده و در نتیجه از امپدانس معادل هسته‌صرف‌نظر شده است.
●تغییرات خطاهای اندازه‌گیری نسبت‌به تغییرات ولتاژ الکتریکی:
در ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ الکتریکی،خطاهای اندازه‌گیری در ولتاژ الکتریکیهای مختلف‌سیستم، مقادیر مختلفی خواهد داشت. این‌تغییرات با توجه به غیر خطی بودن منحنی‌مشخصه مغناطیس شوندگی هسته ترانسفورماتور، حاصل می‌شود. تغییرات خطاهای اندازه‌گیری نسبت به‌تغییرات ولتاژ الکتریکی سیستم را در حالت بارداری وبی باری نشان می‌دهد. با توجه به این شكل‌می‌توان گفت كه تغییرات خطاهای‌اندازه‌گیری در محدوده وسیعی از تغییرات‌ولتاژ الکتریکی سیستم، تغییر چندانی نمی‌كند.
▪ابعاد سیم پیچهای ترانسفورماتور:
در طراحی یك ترانسفورماتور، سطح‌مقطع مس سیم پیچها را با در نظر گرفتن‌كلاس دقت و خطای مشخص شده به دست‌می‌آوریم. هنگام محاسبه سطح مقطع مس‌سیم پیچها، مواردی را در نظر می‌گیریم كه‌عبارتند از: ولتاژ الکتریکی نامی سیم پیچ اولیه وثانویه ، تعداد دور هر یك از سیم پیچها، بارنامی، كلاس دقت، فركانس نامی و ضریب‌ولتاژ الکتریکی نامی ترانسفورماتور.
▪اساس روش فوق به این شرح است:
۱- محاسبه تعداد دور سیم پیچهای‌ترانسفورماتور: برای محاسبه تعداد دورسیم‌پیچهای ترانسفورماتور رابطه (۱۰) را درنظر می‌گیریم:
در این رابطه داریم:
تعداد دور سیم‌پیچ‌اولیه یا ثانویه=N
ولتاژ الکتریکینامی سیم‌پیچ اولیه یا ثانویه=Vn
فركانس نامی ترانسفورماتور=¾
سطح مقطع موثر هسته=Aj
چگالی شار مغناطیسی در ولتاژ الکتریکی نامی= Bnسیم‌پیچ اولیه و یا ثانویه
در حالت كلی می‌توان گفت كه مقدارBn به ضریب ولتاژ الکتریکی نامی ترانسفورماتوربستگی دارد.
۲- محاسبه مقاومت اهمی اتصال كوتاه RK:برای محاسبه مقاومت اهمی اتصال كوتاه.
با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور،مقدار درصد افت ولتاژ الکتریکی مقاومتی به دست‌می‌آید.
۳- سطح مقطع مس سیم پیچهای اولیه وثانویه ترانسفورماتور را با توجه به مقدارRK، انتخاب می‌كنیم.
۴- بعد از محاسبه ابعاد سیم پیچهای‌ترانسفورماتور، راكتاس معادل سیم پیچها را(XK) به دست می‌آوریم.
۵- خطای نسبت دورها و خطای زاویه‌ای‌را محاسبه می‌كنیم. اگر مقادیر به دست آمده‌بزرگ باشد با توجه به كلاس دقت‌ترانسفورماتور، برای به دست آوردن خطای‌مشخص شده، سطح مقطع مس سیم پیچها را افزایش می‌دهیم.
طكلاس دقت و ظرفیت بارترانسفورماتور
در حالت كلی، ظرفیت بارترانسفورماتور به امپدانس كوتاه آن بستگی‌دارد. یعنی می‌توان گفت كه اگر امپدانس‌اتصال كوتاه ترانسفورماتور، مقدار كوچكی‌باشد، ظرفیت بار آن مقدار بزرگی خواهد بودو برعكس. از طرفی ظرفیت بارترانسفورماتور به كلاس دقت آن نیز بستگی‌دارد. به عنوان مثال اگر ظرفیت بار، ۲۰۰ولت آمپر با كلاس دقت ۱ در نظر گرفته شوددر كلاس دقت ۰/۵ ظرفیت بار به ۱۰۰ ولت‌آمپر كاهش خواهد یافت. در یك‌ترانسفورماتور، نسبت كلاس دقت به‌ظرفیت بار، همیشه مقدار ثابتی است.
اين متن به سفارش وبسايت پارسيان الكتريك بخش مقالات برق و الكتريك گرد آوري شده است.شمارگان62