چرا مفهوم "ولتاژ نقطه زانو" برای حفاظت از عملکرد ترانسفورماتور جریان حیاتی است؟

16 10, 2025

در دنیای پیچیده سیستم های قدرت الکتریکی، ایمنی و قابلیت اطمینان صرفاً ویژگی های مطلوب نیستند. آنها الزامات اساسی و غیرقابل مذاکره هستند. در قلب این زیرساخت حفاظتی یک دستگاه به ظاهر ساده نهفته است: ترانسفورماتور جریان حفاظتی . وظیفه اصلی آن کاهش دقیق جریان های اولیه بالا به مقادیر ثانویه استاندارد و سطح پایین است که سیگنال ایمن و قابل کنترل برای رله های محافظ ارائه می دهد. با این حال، اندازه گیری واقعی a ترانسفورماتور جریان حفاظتی عملکرد آن در شرایط عملیاتی عادی نیست، بلکه رفتار آن در طول شدیدترین و غیرعادی‌ترین رویدادها است – زمانی که جریان‌های خطا، که می‌تواند ده‌ها برابر بیشتر از حالت عادی باشد، از سیستم عبور می‌کنند. در این شرایط شدید است که مفهوم ولتاژ نقطه زانو انتقال از مشخصات فنی در برگه داده به عامل تعیین کننده بین یک رویداد حفاظتی موفق و یک خرابی سیستم فاجعه بار.

درک عملکرد اصلی ترانسفورماتور جریان حفاظتی

قبل از تشریح ولتاژ نقطه زانو، درک کامل نقش حیاتی خود دستگاه ضروری است. الف ترانسفورماتور جریان حفاظتی یک ترانسفورماتور ابزاری است که برای جداسازی و تامین یک کپی کاهش یافته و متناسب از جریان اولیه به رله های محافظ و سایر تجهیزات جانبی طراحی شده است. بر خلاف همتای خود، اندازه گیری ترانسفورماتور جریان ، که برای دقت در یک باند باریک از جریان های بار معمولی بهینه شده است ترانسفورماتور جریان حفاظتی برای اهداف بسیار متفاوتی طراحی شده است. عملکرد آن با توانایی آن در بازتولید صادقانه شکل موج جریان اولیه حتی زمانی که سیستم در معرض جریان‌های خطای گذرا و با بزرگی بالا قرار می‌گیرد، ارزیابی می‌شود. این سیگنال بازتولید شده تنها منبع اطلاعات رله است که مغز سیستم حفاظتی است. رله این سیگنال را تجزیه و تحلیل می کند و قضاوت قاطع را در مورد قطع یا عدم قطع کردن یک قطع کننده مدار انجام می دهد و در نتیجه خطا را جدا می کند.

محیط عملیاتی برای الف ترانسفورماتور جریان حفاظتی بنابراین به طور استثنایی خواستار است. باید در طول چندین دهه خدمات معمولی غیرفعال و دقیق باقی بماند، اما در عرض چند میلی ثانیه پس از وقوع خطا، به عملکرد بی عیب و نقص و با وفاداری بالا تبدیل شود. هر گونه اعوجاج یا خرابی در سیگنال جریان ثانویه می تواند منجر به عملکرد نادرست رله شود. چنین عملکردهای نادرست می تواند دو شکل خطرناک داشته باشد: یک سفر نادرست، که در آن بخش سالمی از شبکه به طور غیر ضروری قطع می شود و باعث خرابی و استرس احتمالی تجهیزات می شود. یا قطع نشدن خطا، در جایی که یک خطای واقعی برطرف نشده است، که به آن اجازه می‌دهد باقی بماند و آسیب زیادی به ترانسفورماتورها، تابلو برق و سایر دارایی‌های پرهزینه وارد کند. یکپارچگی کل زنجیره حفاظتی به این بستگی دارد ترانسفورماتور جریان حفاظتی توانایی او برای اجتناب از حالتی که به عنوان اشباع شناخته می شود، و این دقیقاً جایی است که ولتاژ نقطه زانو به شخصیت اصلی روایت تبدیل می شود.

تعریف ولتاژ نقطه زانو: یک مفهوم اساسی

به زبان ساده، ولتاژ نقطه زانو یک مقدار ولتاژ خاص در منحنی مشخصه تحریک a است ترانسفورماتور جریان حفاظتی که انتقال از ناحیه خطی به ناحیه اشباع شده از عملکرد مغناطیسی هسته را نشان می دهد. برای درک این موضوع، باید عملکرد داخلی ترانسفورماتور را تجسم کرد. جریان اولیه یک شار مغناطیسی در هسته ایجاد می کند که سپس جریان ثانویه را در سیم پیچ القا می کند. با این حال، بخش کوچکی از جریان اولیه برای "تحریک" خود هسته استفاده می شود - این جریان مغناطیسی است.

وقتی ولتاژ ثانویه کم است، هسته از اشباع دور است. جریان مغناطیسی ناچیز است و تقریباً کل جریان اولیه به سمت ثانویه تبدیل می شود. این منطقه عملیاتی خطی یا متناسب است. همانطور که ولتاژ ثانویه افزایش می یابد - معمولاً به دلیل جریان خطای اولیه بالا که از بار متصل (رله و امپدانس سیم کشی) عبور می کند - هسته به جریان مغناطیسی بیشتری نیاز دارد. را ولتاژ نقطه زانو طبق استانداردهای بین المللی مانند IEC 61869، به طور رسمی به عنوان نقطه ای در منحنی تحریک تعریف شده است که در آن افزایش 10٪ در ولتاژ ثانویه نیاز به افزایش 50٪ در جریان هیجان انگیز دارد. فراتر از این نقطه، هسته شروع به اشباع شدن می کند.

وقتی هسته اشباع می شود، نفوذپذیری آن به طور چشمگیری کاهش می یابد. دیگر نمی تواند افزایش قابل توجهی در شار مغناطیسی را پشتیبانی کند. در نتیجه، حتی برای افزایش اندک شار، یک افزایش عظیم در جریان مغناطیسی مورد نیاز است. این جریان مغناطیسی عملاً یک تلفات است. دیگر برای تبدیل شدن به جریان ثانویه در دسترس نیست. نتیجه یک شکل موج جریان ثانویه به شدت تحریف شده است که شباهت کمی به جریان خطای اولیه دارد. رله که این سیگنال تحریف شده را دریافت می کند، ممکن است نتواند به درستی عیب را شناسایی کند، که منجر به خرابی احتمالی در کار می شود. بنابراین، ولتاژ نقطه زانو فقط یک عدد نیست. آستانه ولتاژی است که حد بالای بازتولید سیگنال وفادار را برای یک مشخصه مشخص می کند. ترانسفورماتور جریان حفاظتی .

ارتباط مستقیم بین ولتاژ نقطه زانو و اشباع

رابطه بین ولتاژ نقطه زانو و اشباع مستقیم و علی است. اشباع پدیده ای است که الف ترانسفورماتور جریان حفاظتی به طور خاص برای جلوگیری یا تأخیر تا زمانی که رله کار کند طراحی شده است. را ولتاژ نقطه زانو پارامتر کلیدی طراحی است که تعیین می کند این اشباع در یک مجموعه شرایط مشخص چه زمانی رخ می دهد.

ولتاژ توسعه یافته در پایانه های ثانویه a ترانسفورماتور جریان حفاظتی حاصل ضرب جریان ثانویه و بار کل متصل است (V _س = من _س × Z _ب ). در طول یک خطا، جریان ثانویه (I _س ) می تواند بسیار بالا باشد. اگر بار کل (Z _ب ) که شامل امپدانس رله و مقاومت سیم های اتصال است، قابل توجه است، ولتاژ ثانویه حاصل (V _س ) می تواند قابل توجه باشد. اگر این V را محاسبه کرد _س در شرایط حداکثر خطا به ترانسفورماتور نزدیک می شود یا از آن فراتر می رود ولتاژ نقطه زانو ، هسته وارد حالت اشباع می شود.

پس از اشباع، شکل موج جریان ثانویه به شدت بریده می شود. به جای یک موج سینوسی تمیز، رله یک شکل موج با قله های مسطح و مقدار زیادی هارمونیک را می بیند. این اعوجاج اثرات مخرب متعددی بر عملکرد حفاظت دارد. به عنوان مثال، رله های الکترومکانیکی ممکن است کاهش گشتاور را تجربه کنند و از بستن تماس هایشان جلوگیری کند. رله های دیجیتال یا عددی ، که اغلب برای الگوریتم های خود به مؤلفه اصلی جریان متکی هستند، ممکن است اندازه گیری های نادرست دریافت کنند. الگوریتم هایی برای حفاظت دیفرانسیل که جریان‌ها را در دو سر یک منطقه حفاظت شده مقایسه می‌کنند، اگر یکی باشد، می‌توانند از تعادل خارج شوند ترانسفورماتور جریان اشباع می شود و دیگری نمی کند، که منجر به یک سفر نادرست می شود. را ولتاژ نقطه زانو بنابراین، به عنوان یک بافر عمل می کند. به اندازه کافی بالا ولتاژ نقطه زانو تضمین می کند که ولتاژ ثانویه مورد نیاز برای هدایت جریان خطا از طریق بار به خوبی در منطقه عملیاتی خطی هسته باقی می ماند و از اشباع جلوگیری می کند و سیگنال جریان دقیق را برای اولین سیکل های بحرانی خطا در زمانی که رله باید تصمیم خود را اتخاذ کند تضمین می کند.

نقش حیاتی در طرح های حفاظتی خاص

اهمیت از ولتاژ نقطه زانو هنگامی که در چارچوب طرح‌های حفاظتی خاص و با عملکرد بالا مورد بررسی قرار می‌گیرد، بیشتر بزرگ‌تر می‌شود. طرح های مختلف حساسیت های متفاوتی نسبت به آن دارند ترانسفورماتور جریان عملکرد، ساخت مشخصات صحیح ولتاژ نقطه زانو یک تصمیم مهندسی حیاتی

در حفاظت دیفرانسیل که برای محافظت از ژنراتورها، ترانسفورماتورها و شینه ها استفاده می شود، اصل بر اساس قانون فعلی Kirchhoff است: مجموع جریان های وارد شده به یک منطقه حفاظت شده باید صفر باشد. اگر الف ترانسفورماتور جریان حفاظتی در یک طرف در طول یک خطای خارجی اشباع می شود (یک خطا در خارج از منطقه)، جریان به طور کاذب کم یا اعوجاج ایجاد می کند. رله عدم تعادلی را مشاهده می کند که تقلید از یک خطای داخلی است و ممکن است دستور تریپ نادرست را صادر کند. برای جلوگیری از این امر، ولتاژ نقطه زانو از همه ترانسفورماتور جریانs در یک طرح دیفرانسیل باید به اندازه کافی بالا باشد و به طور مناسب مطابقت داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که همه آنها تحت شرایط خطای یکسان رفتار می کنند و در نتیجه ثبات را حفظ می کنند.

برای حفاظت از راه دور رله که در خطوط انتقال استفاده می شود، فاصله تا خطا را بر اساس ولتاژ و جریان اندازه گیری شده محاسبه می کند. ترانسفورماتور جریان اشباع می تواند ورودی جریان را مخدوش کند و منجر به محاسبه امپدانس اشتباه شود. این امر می‌تواند باعث کم‌دستی رله (عدم مشاهده خطا در منطقه تعیین‌شده) یا بیش از حد دسترسی (به خطای فراتر از منطقه آن) شود، که انتخاب‌پذیری سیستم حفاظتی را به خطر می‌اندازد. بالا ولتاژ نقطه زانو تضمین می کند که سیگنال جریان برای اندازه گیری دقیق امپدانس خالص باقی می ماند.

علاوه بر این، در برنامه های کاربردی شامل حفاظت شینه با امپدانس بالا ، اصل عملکرد خود متکی است ولتاژ نقطه زانو . این طرح به گونه ای طراحی شده است که برای خطاهای خارجی پایدار باشد، حتی اگر یک یا چند مورد ترانسفورماتور جریانs اشباع، با استفاده از یک مقاومت تثبیت کننده و یک مقاومت تنظیم کننده ولتاژ. انتخاب این اجزا به طور مستقیم بر اساس ولتاژ نقطه زانو از ترانسفورماتور جریانs در مدار استفاده می شود. در این مورد، ولتاژ نقطه زانو فقط یک عامل محدود کننده نیست، بلکه بخشی جدایی ناپذیر از طراحی و هماهنگی الگوریتم حفاظت است.

عوامل کلیدی موثر در انتخاب ولتاژ نقطه زانو

انتخاب الف ترانسفورماتور جریان حفاظتی با مناسب ولتاژ نقطه زانو یک فرآیند سیستماتیک است که نیاز به تجزیه و تحلیل کامل برنامه دارد. موضوع صرفاً انتخاب بالاترین ارزش موجود نیست، زیرا این امر می تواند منجر به تجهیزات بزرگ و گران قیمت غیرضروری شود. انتخاب بر اساس در نظر گرفتن دقیق چندین عامل وابسته به یکدیگر است که برای وضوح می توان آنها را در جدول زیر خلاصه کرد.

محاسبه کلی برای اطمینان از ترانسفورماتور جریان حفاظتی اشباع نمی‌شود مستلزم تأیید اینکه آن است ولتاژ نقطه زانو بزرگتر از حاصل ضرب حداکثر جریان خطای ثانویه و بار کل است. این تضمین می کند که ولتاژ مورد نیاز برای هدایت جریان خطا از طریق بار زیر آستانه اشباع باقی می ماند. برنامه ریزان سیستم و مهندسین حفاظت این مطالعات را با دقت انجام می دهند تا درست را مشخص کنند ولتاژ نقطه زانو ، حصول اطمینان از ترانسفورماتور جریان حفاظتی در بدترین شرایط خطای سیستم وظیفه خود را انجام خواهد داد.

عواقب تعیین نادرست ولتاژ نقطه زانو

عواقب غفلت از ولتاژ نقطه زانو در طول فرآیند مشخصات و انتخاب می‌تواند شدید باشد و مستقیماً منجر به مصالحه در امنیت و قابلیت اطمینان سیستم شود. یک به اشتباه مشخص شده است ولتاژ نقطه زانو یک نقص نهفته است که ممکن است برای سالها پنهان بماند، تنها در هنگام یک خطای بزرگ زمانی که سیستم حفاظتی بیشتر مورد نیاز است خود را نشان می دهد.

ولتاژ نقطه زانو نامشخص: این خطرناکتر از این دو خطا است. اگر ولتاژ نقطه زانو برای برنامه خیلی کم است، ترانسفورماتور جریان حفاظتی در طول یک گسل با قدر بالا، زودرس اشباع می شود. همانطور که بحث شد، جریان ثانویه منحرف شده می‌تواند باعث عملکرد نادرست رله شود. قطع نشدن می تواند منجر به تخریب تجهیزات توسط انرژی دائمی خطا شود و به طور بالقوه منجر به آتش سوزی، انفجار و قطعی برق طولانی شود. یک سفر نادرست می‌تواند شبکه را بی‌ثبات کند، باعث قطعی غیرضروری برای مشتریان شود و به طور بالقوه منجر به خرابی آبشاری در سراسر شبکه شود. هزینه اقتصادی چنین رویدادهایی، از آسیب تجهیزات گرفته تا درآمد از دست رفته ناشی از خرابی، می تواند نجومی باشد.

ولتاژ بیش از حد مشخص شده در نقطه زانو: در حالی که بلافاصله نسبت به مواردی که مشخص نشده خطرناک تر است، بسیار زیاد است ولتاژ نقطه زانو همچنین دارای اشکالاتی است. یک بالاتر ولتاژ نقطه زانو معمولاً به سطح مقطع هسته بزرگتر یا استفاده از مواد هسته پیشرفته تر نیاز دارد. این به طور مستقیم به بزرگ‌تر، سنگین‌تر و گران‌تر ترجمه می‌شود ترانسفورماتور جریان حفاظتی . همچنین می‌تواند منجر به جریان هیجان‌انگیز بالاتر در ولتاژهای عملیاتی معمولی شود، که اگرچه معمولاً برای برنامه‌های حفاظتی مشکلی ندارد، می‌تواند یک محرک هزینه غیر ضروری باشد. بنابراین، هدف مهندس به حداکثر رساندن آن نیست ولتاژ نقطه زانو ، اما برای بهینه سازی آن - برای انتخاب مقداری که حاشیه ایمن بالاتر از بدترین سناریو را بدون متحمل شدن هزینه های غیرضروری مواد و نصب فراهم می کند.

نتیجه گیری: سنگ اصلی قابلیت اطمینان حفاظت

در conclusion, the ولتاژ نقطه زانو بسیار بیشتر از یک پارامتر فنی باطنی است که در برگه داده ترانسفورماتور یافت می شود. این مشخصه اساسی طراحی است که مرز عملکرد a را مشخص می کند ترانسفورماتور جریان حفاظتی . این عامل مهمی است که تعیین می‌کند آیا دستگاه یک حسگر شفاف و با وفاداری بالا باقی می‌ماند یا به منبع اعوجاج سیگنال خطرناک در آسیب‌پذیرترین لحظات سیستم قدرت تبدیل می‌شود. با دیکته شروع اشباع هسته، ولتاژ نقطه زانو به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان، امنیت و سرعت کل سیستم حفاظتی تأثیر می گذارد.

درک عمیق این مفهوم برای همه ذینفعان درگیر در صنعت برق، از طراحان سیستم و مهندسین حفاظت گرفته تا خریداران و عمده فروشانی که این اجزای حیاتی را مشخص و عرضه می کنند، ضروری است. مشخص کردن الف ترانسفورماتور جریان حفاظتی با مناسب ولتاژ نقطه زانو محاسبه شده بر اساس تجزیه و تحلیل کامل از حداکثر جریان خطا، بار متصل و پارامترهای سیستم، یک گام غیرقابل مذاکره برای اطمینان از ایمنی پرسنل، حفاظت از دارایی های ارزشمند و پایداری کلی شبکه برق است. این سنگ کلیدی است که حفاظت الکتریکی قابل اعتماد بر روی آن ساخته شده است.