در حالت كلي ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند.اين دو گروه عبارتند از: ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ سلفي يا مغناطيسي وترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژخازني (CVT-capacitor voltage transformer). در سيستمهاي قدرت، تا ولتاژ 145 كيلوولت استفاده از ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ سلفي و در سيستمهاي قدرت با ولتاژهاي بالاتر، استفاده ازترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني مقرون به صرفه است.
در عمل، دو نوع مختلف ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني با خازن بالا وخازن پايين ساخته مي‌شود. با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور، در شرايط كار مختلف‌آن، مانند آلودگي محيط و نوسانات، تغييرات فركانس و پاسخ حالت گذاري سيستم، ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني با خازن بالا بهترين انتخاب است. درسيستمهاي PLC، ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني، مورد استفاده قرارمي‌گيرند. همان طور كه مي‌دانيم با استفاده از سيستمهاي PLC مي‌توان مانند خطوطمخابراتي، انتقال اطلاعات را با خطوط فشار قوي انجام داد. محدوه كار يك ترانسفورماتوراندازه‌گيري ولتاژ در سيستمهاي اندازه‌گيري، بين 80 تا 120 درصد ولتاژ نامي و درسيستمهاي محافظتي، بين 05/0 تا 5/1 يا 9/1 درصد ولتاژ نامي آن سيستم تغيير مي‌كند.
در عمل با استفاده از يك مقاومت سري مي‌توان محدوده اندازه‌گيري يك ولت متر راافزايش داد اين روش معمولا در سيستمهايي كه ولتاژ بالايي ندارند استفاده مي‌شود ولي اگرسيستمي ولتاژ بالا داشته باشد اين روش مشكلات فراواني خواهد داشت. در سيستمهاي‌ولتاژ بالا، ايزولاسيون مقاومتهاي سري موجود در ولت مترها (براي اندازه‌گيري ولتاژسيستم) مقرون به صرفه نبوده و علي رغم ايزولاسيون مقاومتهاي سري، با توجه به ولتاژبالاي سيستم، وصل سيستم فشار قوي به دستگاه اندازه‌گيري بدون استفاده ازترانسفورماتور ولتاژ، كار خطرناكي است. با توجه به موارد فوق در سيستمهاي قدرت براي اندازه‌گيري ولتاژ، از ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري استفاده مي‌كنند.
ضريب افزايش ولتاژ ترانسفورماتور
در يك سيستم قدرت، ترانسفورماتوراندازه‌گيري ولتاژ سلفي يا خازني، معمولا بين فاز و زمين قرار مي‌گيرد. در سيستم سه فاز در لحظه نوسانات سيستم، ممكن‌است ولتاژ دوسر ترانسفورماتور اندازه‌گيري ولتاژ به ولتاژهاي بالايي افزايش يابد. باتوجه به استاندارد IECضريب افزايش ولتاژترانسفورماتور معمولا 2/1 انتخاب‌مي‌شود. يك ترانسفورماتور اندازه‌گيري‌ولتاژ بايد به صورت مداوم در ولتاژي‌مساوي ولتاژ نامي، ضرب در ضريب‌افزايش ولتاژ ترانسفورماتور، به كار خودبدون هيچ مشكلي ادامه داده و در اين ولتاژ،ترانسفورماتور تحت هر شرايطي به حالت‌اشباع وارد نشود.
كلاس دقت ترانسفورماتورهاي‌اندازه‌گيري ولتاژ:
مانند ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري‌جريان، در ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري‌ولتاژ نيز كلاس دقت ترانسفورماتور با توجه‌به مورد استفاده آن در سيستمهاي حفاظتي‌يا اندازه‌گيري تغيير مي‌كند. درترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري جريان، هر يك از سيم پيچهاي ثانويه ترانسفورماتور در اطراف هسته‌هاي جداگانه‌اي پيچيده‌مي‌شوند. برعكس اگر ترانسفورماتورهاي‌اندازه‌گيري ولتاژ داراي سيم پيچهاي ثانويه‌متعددي باشد تمام اين سيم پيچها در اطراف‌يك هسته مشترك قرار مي‌گيرند. درترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ، افت‌ولتاژ در سيم پيچ اوليه با مجموع جريان‌بارهاي سيم پيچهاي ثانويه آن رابطه مستقيم دارد.
ساختمان ترانسفورماتورهاي‌اندازه‌گيري ولتاژ:
ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژمانند ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري جريان،انواع مختلفي ندارند. در سيستمهاي ولتاژخيلي زياد، معمولا اتصال كاسكادترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ مورداستفاده قرار مي‌گيرد. البته تحت شرايط ولتاژبالا استفاده از ترانسفورماتورهاي ولتاژ خازني، مقرون به صرفه است.
مشخصه‌هاي انتخاب ترانسفورماتور ولتاژ:
اگر كلاس دقت ترانسفورماتور و توان‌نامي آن خيلي زياد انتخاب شود، ابعادترانسفورماتور بسيار بزرگ بوده و ساخت آن‌مقرون به صرفه نخواهد بود. در نتيجه‌باتوجه به مورد استفاده مناسب‌ترانسفورماتور بايد كلاس دقت و توان آن درنظر گرفته شود.
سيم پيچهاي ثانويه يك ترانسفورماتوراندازه‌گيري ولتاژ از همديگر جدا نبوده و دراطراف يك هسته مشترك، پيچيده مي‌شونددر نتيجه اگر يكي از سيم پيچهاي ثانويه‌ترانسفورماتور به دستگاه اندازه‌گيري و سيم‌پيچ ديگر به دستگاه حفاظتي (مانند رله)وصل شود در اين حالت براي انتخاب توان‌نامي و همچنين كلاس دقت ترانسفورماتورمثالي را در نظر مي‌گيريم:
-دستگاه اندازه‌گيري با توان: 30ولت آمپر-كلاس دقت دستگاه اندازه‌گيري: 5/0
-دستگاه حفاظتي (رله) باتوان: 120ولت‌آمپر
-كلاس دقت دستگاه حفاظتي (رله): 3P
با توجه به مقادير داده شده، كلاس دقت‌ترانسفورماتور اندازه‌گيري ولتاژ 5/0 و توان‌آن 150 ولت آمپر انتخاب مي‌شود. در ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ، اگربيش از يك سيم پيچ ثانويه مورد نياز باشد باتوجه به چگونگي استفاده از بارها(كه درادامه شرح داده مي‌شود) و همچنين با در نظر گرفتن كلاس دقت آنها ترانسفورماتور انتخاب مي‌شود:
(a): يكي از سيم پيچهاي ثانويه باردار بوده وسيم پيچهاي ديگر بدون بار باشد.
(b): تمام سيم پيچهاي ثانويه باردار باشد.
بار حرارتي يك ترانسفورماتوراندازه‌گيري ولتاژ، با در نظر گرفتن ضريب‌ولتاژ آن، به بيشترين مقدار باري گفته‌مي‌شود كه ترانسفورماتور بتواند بدون‌افزايش درجه حرارت از مقدار مشخص‌شده، آن بار را تغذيه كند. با توجه به‌استاندارد IEC-186 كلاسهاي دقت‌دستگاههاي اندازه‌گيري بين 80 تا 120درصد ولتاژ نامي و بين 25 تا 100 درصد بارنامي و كلاسهاي دقت دستگاههاي حفاظتي‌بين 5 درصد ولتاژ نامي تا Vش برابر آن وهمچنين بين 25 تا 100 درصد بار نامي‌صادق هستند. دستگاههاي اندازه‌گيري و حفاظتي‌مدرن، تلفات كمتري دارند در نتيجه ممكن‌است بار كل ترانسفورماتور اندازه‌گيري ولتاژاز 25 درصد مقدار بار نامي آن كوچكتر باشددر نتيجه مي‌توان‌گفت كه در اين حالت خطاي نسبت دورها افزايش خواهد يافت. در ترانسفورماتورهاي‌اندازه‌گيري ولتاژ، خطاي نسبت دورها دربارهاي نزديك به بار نامي ترانسفورماتور به‌مقدار مينيمم خود مي‌رسد.
در حالت كلي با توجه به موارد فوق‌مي‌توان گفت كه بار نامي ترانسفورماتور ولتاژ بهتر است با مجموع بارهاي وصل شده‌به آن برابر باشد.
خطاهاي اندازه‌گيري‌ترانسفورماتور ولتاژ:
در حالت ايده آل، افت ولتاژ در روي‌امپدانس سيم پيچهاي اوليه و ثانويه ترانسفورماتور برابر صفر ولت بوده و درنتيجه رابطه بين ولتاژ اوليه و ثانويه آن‌عبارت خواهد بود از:
در ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژموجودر در عمل، به علت افت ولتاژ در روي مقاومت سيم پيچهاي اوليه و ثانويه وهمچنين به علت افت ولتاژ در راكتانسهاي‌سيم پيچهاي اوليه و ثانويه (ناشي از شارپراكندگي موجود در سيم پيچها)، رابطه اوليه و ثانويه يك ترانسفورماتور حقيقي خواهد بود.
با توجه به مواردي كه مطرح شد،خطاي موجود در ترانسفورماتورهاي ولتاژحقيقي را مانند ترانسفورماتورهاي جريان باخطاي نسبت دورها و خطاي زاويه‌اي مي‌توان نشان داد.
اگر ولتاژ ثانويه خيلي بزرگ باشد،خطاي نسبت دورها مثبت خواهد بود. ازطرفي اگر ولتاژ ثانويه نسبت به ولتاژ اوليه‌پيش فاز باشد خطاي زاويه‌اي مثبت‌مي‌شود.
براي محاسبه خطاي نسبت دورها وخطاي زاويه در يك ترانسفورماتور اندازه‌گيري ولتاژ، مدار معادل الكتريكي يك‌ترانسفورماتور حقيقي كه به طرف ثانويه‌انتقال يافته است را در نظر مي‌گيريم.
همان طور كه‌مي‌دانيم امپدانس معادل سيم‌پيچها ازمجموع مقاومت اهمي سيم‌پيچ و راكتانس‌ناشي از سيل پراكندگي شار اطراف سيم پيچ‌به دست مي‌آيد. افت ولتاژ در امپدانسهاي‌اوليه و ثانويه ترانسفورماتور را در دو حالت‌بارداري و بي باري مورد بررسي قرار مي‌دهيم.
از آن جا كه، در حالت بي باري به علت‌جريان كم موجود در مدار، افت ولتاژ درامپدانس سيم پيچ اوليه ترانسفورماتور مقدارناچيزي است لذا در اين قسمت فقط افت‌ولتاژ، در حالت بارداري ترانسفورماتور رامورد بررسي قرار مي‌دهيم. در حالت‌بارداري، شدت جريان عبوري از امپدانس معادل هسته، بسيار كوچكتر از شدت جريان‌بار ترانسفورماتور بوده و در نتيجه از امپدانس معادل هسته‌صرف‌نظر شده است.
تغييرات خطاهاي اندازه‌گيري نسبت‌به تغييرات ولتاژ:
در ترانسفورماتور اندازه‌گيري ولتاژ،خطاهاي اندازه‌گيري در ولتاژهاي مختلف‌سيستم، مقادير مختلفي خواهد داشت. اين‌تغييرات با توجه به غير خطي بودن منحني‌مشخصه مغناطيس شوندگي هسته ترانسفورماتور، حاصل مي‌شود. تغييرات خطاهاي اندازه‌گيري نسبت به‌تغييرات ولتاژ سيستم را در حالت بارداري وبي باري نشان مي‌دهد. با توجه به اين شكل‌مي‌توان گفت كه تغييرات خطاهاي‌اندازه‌گيري در محدوده وسيعي از تغييرات‌ولتاژ سيستم، تغيير چنداني نمي‌كند.
ابعاد سيم پيچهاي ترانسفورماتور:
در طراحي يك ترانسفورماتور، سطح‌مقطع مس سيم پيچها را با در نظر گرفتن‌كلاس دقت و خطاي مشخص شده به دست‌مي‌آوريم. هنگام محاسبه سطح مقطع مس‌سيم پيچها، مواردي را در نظر مي‌گيريم كه‌عبارتند از: ولتاژ نامي سيم پيچ اوليه وثانويه ، تعداد دور هر يك از سيم پيچها، بارنامي، كلاس دقت، فركانس نامي و ضريب‌ولتاژ نامي ترانسفورماتور.
اساس روش فوق به اين شرح است:
1- محاسبه تعداد دور سيم پيچهاي‌ترانسفورماتور: براي محاسبه تعداد دورسيم‌پيچهاي ترانسفورماتور رابطه (10) را درنظر مي‌گيريم:
در اين رابطه داريم:
تعداد دور سيم‌پيچ‌اوليه يا ثانويه=N
ولتاژنامي سيم‌پيچ اوليه يا ثانويه=Vn
فركانس نامي ترانسفورماتور=¾
سطح مقطع موثر هسته=Aj
چگالي شار مغناطيسي در ولتاژ نامي= Bnسيم‌پيچ اوليه و يا ثانويه
در حالت كلي مي‌توان گفت كه مقدارBn به ضريب ولتاژ نامي ترانسفورماتوربستگي دارد.
2- محاسبه مقاومت اهمي اتصال كوتاه RK:براي محاسبه مقاومت اهمي اتصال كوتاه.
با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور،مقدار درصد افت ولتاژ مقاومتي به دست‌مي‌آيد.
3- سطح مقطع مس سيم پيچهاي اوليه وثانويه ترانسفورماتور را با توجه به مقدارRK، انتخاب مي‌كنيم.
4- بعد از محاسبه ابعاد سيم پيچهاي‌ترانسفورماتور، راكتاس معادل سيم پيچها را(XK) به دست مي‌آوريم.
5- خطاي نسبت دورها و خطاي زاويه‌اي‌را محاسبه مي‌كنيم. اگر مقادير به دست آمده‌بزرگ باشد با توجه به كلاس دقت‌ترانسفورماتور، براي به دست آوردن خطاي‌مشخص شده، سطح مقطع مس سيم پيچها را افزايش مي‌دهيم.
كلاس دقت و ظرفيت بارترانسفورماتور
در حالت كلي، ظرفيت بارترانسفورماتور به امپدانس كوتاه آن بستگي‌دارد. يعني مي‌توان گفت كه اگر امپدانس‌اتصال كوتاه ترانسفورماتور، مقدار كوچكي‌باشد، ظرفيت بار آن مقدار بزرگي خواهد بودو برعكس. از طرفي ظرفيت بارترانسفورماتور به كلاس دقت آن نيز بستگي‌دارد. به عنوان مثال اگر ظرفيت بار، 200ولت آمپر با كلاس دقت 1 در نظر گرفته شوددر كلاس دقت 0/5 ظرفيت بار به 100 ولت‌آمپر كاهش خواهد يافت. در يك‌ترانسفورماتور، نسبت كلاس دقت به‌ظرفيت بار، هميشه مقدار ثابتي است.
دكتر مرتضي فرسادي
ماهنامه صنعت برق