فصل اول
انواع خطاها و رله های مربوط
1-1- مقدمه
دستیابی به یک سیستم قدرت با امنیت کاری مناسب ازاهداف ضروری و بسیار مهم صنعت برق می باشد.از طرفی بروز اختلالات بزرگ و تهدید آمیز برای این سیستم اجتناب ناپذیر است. لذا چگونگی پرهیز از این مشکل و رسیدن به نقطه کار مناسب پس از وارد شدن اختلال به سیستم برای مهندسان برق به صورت دقدقه ای جدی در آمده است.
گستردگی شبکه های برق و مدل های پیچیده عناصر قدرت پایداری سیستم را از حالت ساده شبکه های کوچک خارج ساخته و عوامل مختلفی را دراثر گذاری بر پایداری این شبکه ها دخیل نموده است .
عملکرد و رفتار یک سیستم قدرت در یک رژیم کاری مشخص متشکل از کلیه ویژگی های رفتاری می باشد که سیستم از خود نشان می دهد و با شناخت آن ها می توان عملکرد سیستم را بررسی نمود. برای یک سیستم قدرت در حال بهره برداری چنانچه کلیه متغیر های بهره برداری از قبیل دامنه ولتاژ شین ها-زاویه فاز شین ها – جریان و توان عبوری از خطوط – توان تولیدی ژ نراتورها و… نسبتا ثابت باشند در این صورت گوییم که سیستم قدرت در حالت تعا دل بوده و این حالت کاری را حالت کار در رژیم ماندگار گوییم.
اما چنانچه در یک سیستم قدرت به طور ناگهانی امپدانس اتصال دو نقطه از شبکه نسبت به زمین کاهش یافته و برابر یا نزدیک صفر گردد اصطلاحا گویند که در آن نقطه از شبکه اتصال کوتاه اتفاق افتاده و سیستم قدرت از رژیم ماندگاری به رژیم گذرای اتصال کوتاه منتقل گردیده است.
همچنین اگر در یک سیستم در حال بهره برداری بطور نا گهانی خطا واختلالی روی دهد که برای یک دوره بسیار کوتاه باعث افزایش ویا کاهش انرژی جنبشی ژنراتورهای سنکرون گردد و پس از رفع خطا در یک نقطه تعادل جدید مستقر گردد به این دوره تغیرات انرژی جنبشی واحدها و برقراری تعادل جدید در آنها دوره و رژیم کاری پایداری گذرا گفته می شود. در هنگام وقوع پدیده های ذکر شده تغیراتی در شبکه صورت خواهد گرفت که در این رابطه مهندسان باید بتوانند به سوالات کلی که در مورد چگونگی برخورد با این پدیده ها ایجاد می شود پاسخ دهند .
به عنوان مثال :
اگر خط شماره یک یا ترانس شماره2 از مدار خارج شود چه اتفاق یا تغیراتی در سیستم صورت خواهد رفت و چه پیامدهایی برای شبکه خواهد داشت؟
برای پاسخ دادن به این سوالات ابتدا باید تعاریفی از پدیده خروج در شبکه داشته باشیم که عبارتند از :
1- خروج بر طبق برنامه زمانبندی
بر اساس ساعت کارکرد و همچنین فصول و شرایط مختلف بار لازم است که بعضی از عناصر ویا نیروگاه ها جهت تعمیر و نگهداری بر اساس جدول زمانی از مدار خارج شوند. در این گونه موارد به کمک پخش بار می توان شرایط امنیت و پایداری سیستم را پس از خروج عناصر و با توجه به داشتن زمان کافی و مناسب پیش بینی کرد.
2- خروج اضطراری و ناگهانی
هنگام وقوع حوادث که موجب خروج ناگهانی عناصر از شبکه در حالت ماندگار می شود. سرعت در تصمیم گیری امری ضروری می باشد. در هنگام خروج اضطراری عناصر و ایجاد یک اغتشاش سیستم دچار تغییر ونوسان می شود. با توجه به بزرگ بودن شبکه قدرت و همچنین ترکیبهای مختلف از خروج عناصر شبکه انجام محاسبا ت و پیش بینی کلیه حالات امری بسیار اساسی و مهم ودر عین حال دشوار خواهد بود. در مطالعات پایداری گذرا برای شبیه سازی یک اغتشاش بزرگ معمولا از خطا اتصال کوتاه (سه فاز) استفاده می شود. ساده ترین روش برای بررسی پایدار گذرا روش قدم به قدم حل معا دله دیفرانسیل است. در این روش معا دلات حالات قبل از خطا حین خطا و پس از خطای سیستم با یک روش عددی مناسب حل می شوند و تغیرات زوایای بار واحدهای مختلف به دست می ایند.از انجایی که معمولا اغتشاش وارد شده به سیستم بزرگ است در اکثر مواقع رفع خطا با عملکرد سیستم های حفاظتی همراه است. به هر حال وقوع شرایط خطا و غیرعادی در سیستم های قدرت اجتناب ناپذیر است. به منظور کاهش عواقب حا صل از این شرایط همچون آسیب دیدن تجهیزات مهم و گران قیمت جدا شدن بخشی از شبکه و یا دربد ترین حالت از دست رفتن پایداری سیستم که می تواند منجربه خاموشی های منطقه ای یا سراسری شود لازم است اقداماتی صورت پذیرد از جمله مهمترین این اقدامات به کارگیری سیستم ها و طرحهای حفاظتی است. حفاظت تجهیزات و دستگاه های سیستم قدرت درمقابل عیوب و اتصالیها ، به وسیله کلید قدرت انجام می گیرد قبل از اینکه کلید قدرتبتواند باز شود ، سیم پیچی عمل کننده آن باید تغذیه شود این تغذیه به وسیله رله هایحفاظتی انجام می پذیرد . رله به دستگاهی گفته می شود که در اثر تغییر کمیت الکتریکیمانند ولت و جریان و یا کمیت فیزیکی مثل درجه حرارت و حرکت روغن ( در رله بوخهولس(تحریک شده و باعث به کار افتادن دستگاههای دیگر و نهایتاً قطع مدار به وسیله کلیدقدرت ( در سیستم تولید و انتقال و توزیع ) یا دژنکتور می گردد . بنابراین به وسیلهرله محل وقوع عیب از شبکه جدا سازی شده باعث می شود که سایر قسمتهای سالم شبکه همچنان به کار خود ادامه دهند و پایداری و ثبات شبکه به همان حالت قبلی محفوظ بماند . · تجهیزات و دستگاهها در مقابل عیوب و اتصالی ها محافظت شده و میزان خسارات واردهبه آنها محدود گردد . سبب به وجود آمدن اتصالی ها و تاثیرات آن به دو علت زیراتصالی ها می توانند به وجود آیند :
الف – تاثیرات داخلی: تاثیرات داخلی که باعثخراب شدن و از بین رفتن دستگاهها یا خطوط انتقال و توزیع می شود عبارتند از : فاسدشدن قسمتهای عایق در یک مولد ، ترانسفورماتور ، خط ، کابل و غیره . این ضایعات وامکانات ممکن است مربوط به عمر عایق ، عدم تنظیم صحیح ، عدم ساخت صحیح و یا عدم نصبصحیح عایق باشد .
ب – تاثیرات خارجی :تاثیرات خارجی شامل تاثیرات زیادی است از آنجمله رعد و برق ، اضافه بار که باعث به وجود آمدن حرارت شود ، برف و باران ، باد وطوفان ، شاخه درختها ، حیوانات و پرندگان ، سقوط اشیاء اشتباه در عملیات وخسارتهایی که یه وسیله مردم وارد می شود و غیره . وقتی که یک اتصالی در مداری رخدهد ، جریان افزایش یافته و ولتاژ ( اختلاف پتانسیل ) نقصان پیدا می کند افزایشجریان حرارت زیادی را به وجود آورده که ممکن است منجر به آتش سوزی یا انفجار شود. اگر اتصالی به صورت جرقه باشد ممکن است خسارت زیادی به بار آورد . برای مثال اگرجرقه ای بر روی خط انتقال نیرو به وجود آمده و سریعاً بر طرف نشود خط را سوزانده وباعث پاره شدن آن خواهد شد و نتیجه سبب قطع برق برای مدت طولانی خواهد شد . نقصانولتاژ که در اثر یک اتصالی به وجود آید می آید برای دستگاههای الکتریکی بسیار زیانآور است و اگر این ولتاژ ضعیف برای چند ثانیه ایی ادامه داشته باشد ، موتورهایمشترکین از کار باز ایستاده ، دوران مولدهای برق نامنظم و نا مرتب خواهد شد پس درصورت وقوع جریان شدید و ولتاژ ضعیف به سبب اتصالی در مدار می بایست به فوریت اتصالیکشف و برطرف گردد و جریان ولتاژ به حالت عادی باز گردانده شود.
2-1- انواع اتصالی
الف- اتصال فاز به زمین و فاز به فاز:
گرچه اتصالیدرسیستم سه فاز مربوط به فازها است ولی بیشتر مربوط به وصل نبودن سیم زمین می باشدجریان در یک اتصالی بین فاز به زمین کمتر از جریان در یک اتصالی فاز به فاز است واین امر به علت مقاومت بیشتر زمین است به همین جهت در بیشتر موارد رله های جدا گانهایی برای اتصالیهای فاز به زمین و فاز به فاز در نظر گرفته می شود.
ب- اتصالیهای سهفاز:
اتصالی سه فاز با هم شدید ترین نوع اتصالی بوده و اتصالی بین یک فاز و زمینخفیف ترین نوع اتصالی است.
رله ها از نظر طرز اتصال به شبکه رله ها از نظر طرزاتصال به شبکه به دو نوع اولیه و ثانویه تقسیم می شوند .
الف- رله اولیه سیم پیچیرله مستقیماً در مدار قرار می گیرد منظور از مستقیماً یعنی اینکه از ترانس جریان وترانس ولتاژ برای رله سیم نمی بریم .
ب -رله ثانویه سیم پیچی رله مستقیماً در مدارقرار نمی گیرد منظور این است که روی خط ترانس جریان یا ولتاژ می بندیم و سپس دو سرآن را برای رله می بریم در سیستم قدرت از رله ثانویه استفاده می شود تاکنون در ساخترله ها پیشرفتهای قابل ملاحظه ای حاصل شده است که به ترتیب می توان از رله هایالکترومغناطیسی و اندکسیونی رله های نیمه الکترونیک رله ها ی الکترونیکی و بالا خرهرله های دیجیتالی حافظه دار میکروپروسوری با استفاده از مدارات مجتمع آی سی نامبرد.
فصل دوم
ماهیت و مکانیزم ایجاد خطا در شبکه های قدرت
1-2- مقدمه
از دیر بازمسئله امنیت و پایداری سیستم های قدرت به صورت مسئله ای جدی مورد توجه بوده است. زیرا هر چند طراحان سیستم قدرت با فراهم کردن فواصل اطمینانی مناسب نسبت به ظرفیت تولید ژنراتورها ظرفیت انتقال خطوط ترانس ها و …سعی درطراحی سیستمی کارا بر اساس فرضیات مهندسی داشته اند اما حوادث پیش بینی نشده گاهی عملکرد سیستم را دچار اختلال نموده است.
مسئله خروج المان های سیستم قدرت ( خروج با برنامه ریزی یا خروج اتفاقی) شرایط مختلفی از نظر کاری برای سیستم ایجاد می نماید. در صورتی که این خروج ها بدون برنامه ریزی و ناگهانی باشد خروج یک المان ممکن است به دلیل عدم هماهنگی لازم در بین المان های شبکه (ژنراتورها – ترانس ها خطوط وبارها و…) باعث خروج المان های دیگر گردد. این روند به گونه ای پیش خواهد رفت که بعد از خروج چند المان با عملکرد مناسب, سیستم حفاظتی بقیه شبکه پایداری خواهد ماند یا اینکه سیستم دچار اختلا لات بیشتری شده و ادامه این روند باعث ایجاد خاموشی ناحیه ای یا سراسری خواهد شد. با توجه به مواردی که در بالا به آن اشاره شد لازم است تا در ادامه ابتدا شرایط مختلف کاری سیستم قدرت را تشریح نماییم و بعد از آن عواملی که باعث ایجاد خاموشی در شبکه می شوند را تو ضیح دهیم.
2-2- حالت های کاری سیستم قدرت
به منظور درک بهتر از سیستم قدرت وشرایط که در اثر یک پدیده برای آن پیش خواهد آمد مفید است که حالت های کاری سیستم قدرت تشریح گردد. حالت بهره برداری سیستم که به چند حالت عادی و هشدار و بحرانی و فوق بحرانی و بازیابی تقسیم می نماییم .شکل (2-1) این حالتها ونیز نحوه انتقال از یک حالت به حالت دیگر را نشان می دهد. در شرایط عادی تمام متغیرهای سیستم در محدوده مجاز واقع شده اند بر هیچ یک از تجهیزات اضافه باری تحمیل نشده است. سیستم در حالتی مطمئن بهره برداری می شود وقادر است اغتشاش را بدون اینکه انحرافی از قیود ایجاد شود تحمل نماید. اگر قابلیت اطمینان کمتر از حد مشخص وقابل قبولی گردد ویا اینکه امکان بروز اغتشاش نظیر شرایط بد آب وهوایی (مانند طوفان های شدید) افزایش یابد سیستم وارد مرحله هشدار می شود. در این وضع هنوز متغییرهای سیستم در محدوده مجاز واقع شده اند و تمام قیود رعایت گردیده اند. با وجود این سیستم تا حدی تضعیف شده که ممکن است بروز یک اغتشاش باعث اضافه بار تجهیزات ودر نتیجه وارد شدن سیستم به حالت بحرانی گردد.اگر اغتشاش خیلی شدید باشد ممکن است سیستم مستقیما از وضعیت هشدار به وضعیت فوق بحرانی برود.
برای بازیابی سیستم به وضع عادی می توان اعمالی را از جمله جابجایی تولید یا افزایش ظرفیت ذخیره به کار بست. اگر اینگونه اعمال موفق نباشد سیستم همچنان در وضعیت هشدار باقی می ماند . اگر زمانی که سیستم در وضعیت هشدار است اغتشاشی سخت اتفاق بیافتد سیستم وارد مرحله بحرانی می شود. در این حالت ولتاژ بسیاری از شین ها کاهش یافته ویا بارگذاری تجهیزات از حد نامی اضطراری کوتاه مدت فراتر رفته است. در این وضع سیستم هنوز حالت فعال خود را حفظ کرده واگر بتوان با اعمال کنترلی لازم نظیر رفع خطا – کنترل سیستم تحریک و بار زدایی و… بکمک آن شتافت ممکن است سیستم به حالت هشدار منتقل شود اگر اعمال فوق اجرا نشود ویا اجرای آن موفقیت آمیز نباشد ویا با تاخیر صورت گیرد سیستم وارد مرحله فوق بحرانی می گردد که در نتیجه آن وقفه های متوالی و احتمالا خاموشی بخش عمده ای از سیستم خواهد بود. در این وضع اعمال کنترلی از قبیل بارزدایی و قطع ناحیه ها از یکدیگر تحت کنترل سیستم باید اجرا شود تا حتی المقدور بتوان آن را ازیک خاموشی سراسری نجات داد.
حالت بازیابی وضعیتی را نشان می دهد که در آن اعمال کنترلی به منظور وصل مجدد تجهیزات و بارها انجام می پذیرد و ممکن است سیستم را از این مرحله بسته به وضعیت به حالت هشدار یا عادی منتقل کند.
تقسیم حالات کاری یک سیستم قدرت به پنج حالت فوق چارچوبی را فراهم می آورد که در آن می توان روشهای کنترلی مناسب را برگزید و اعمال اپراتور را به منظور برخورد موثر با هر یک از آن ها تنظیم ومشخص کرد.
برای سیستمی که به آن اغتشاش وارد شده و درجه قابلیت اطمینان آن کاهش یافته کنترل کننده های سیستم قدرت به اپراتور کمک می کنند تا سیستم را به وضع عادی باز گرداند. اگر اغتشاش کوچک باشد کنترل کننده ها ممکن است خود قادر به انجام این کار باشند در غیر این صورت ممکن اعمالی نظیر جابجایی تولید یا کلید زنی اجزایی از سیستم ضروری باشد تا سیستم به وضعیت عادی باز گردد. همچنین در شکل زیر می توانیم بازه های زمانی کنترل سیستم قدرت برای جلوگیری از گسترش اغتشاش بوجود آمده را مشاهده نماییم. در این شکل مدت زمان اعمال کنترل برای ناپایداری گذرا بین 10 تا 1000 میلی ثانیه و جلوگیری از عدم توازن شدید بین تولید ومصرف از 1تا 60ثانیه و جلوگیری از ناپایداری دینامیکی و قطع خطوط به واسطه اضافه بار شدن سیستم به شدت حادثه از چند ثانیه تا چند دقیقه به طول می انجامد.
در صورتیکه این اعمال کنترلی در بازه مشخص نشان داده شده صورت گیرد از بوجود آمدن اغتشاشات دیگر و ناپایداری سیستم جلوگیری خواهد شد ولی عدم عملکرد در بازه زمانی ویا تاخیر در آن باعث گسترش اغتشاش واز دست رفتن پایداری شبکه در کل یا قسمتی از آن می شود.
شکل(2-1): حالات بهره برداری از سیستم قدرت
3-2- اغتشاش در سیستم قدرت وآثار آن
هر تغییری در شبکه که برنامه ریزی نشده باشد یک اغتشاش نامیده می شود. اغتشاش توسط یک خطای سیستم یا یک خطای غیر سیستم ویا یک خطای شبکه می تواند بوجود آید. خطای سیستم شامل انواع اتصال کوتاه (سه فاز -تکفاز و…) پارگی وقطع خط ومسایلی از این قبیل می باشد.اما اگر به عنوان مثال کلیدی قطع کند در حالتی که هیچ خطایی در شبکه وجود نداشته باشد اغتشاش بر اساس خطای غیر سیستمی یعنی خطا در سیستم حفاظت حاصل شده است. اما اگر یک اضافه بار یا نوسان ویا افت ولتاژ یا فرکانس در شبکه وجود نداشته باشد اغتشاش بر اثر خطای غیر سیستمی یعنی خطا در سیستم حفاظت حاصل شده است.
اما اگر یک اضافه بار یا نوسان ویا افت ولتاژ یا فرکانس در شبکه بوجود آید آنگاه یک خطای شبکه اتفاق افتاده است. اغتشاشات شدید بروی توانایی سیستم برای تغذیه مصرف کنندگان با ولتاژ و فرکانس مطلوب تاثیر بیشتری می گذارد بنابراین رابطه بین خطا در سیستم قدرت و اغتشاشات شبکه رابطه مستقیمی وجود دارد. در شرایط اغتشاش سیستم قدرت بطور معمول قادر به انجام کار خود یعنی تغذیه انرژی با کیفیت مطلوب به مصرف کننده ها نیست. در برخی از شرایط سیستم قدرت می تواند کار خود را انجام دهد ولی در اثر مقادیر غیر عادی کمیت های الکتریکی تجهیزات به نوعی تحت فشار قرار گیرند که پیامد آن وقوع خطای پی در پی می باشد.
بنابراین در این شرایط اگر روشهای پیشگیری از جمله جدا کردن بخش معیوب از بقیه سیستم بکار گرفته نشود سیستم تحت فشار شدید تری قرار گرفته فروپاشی و خاموشی از عواقب آن خواهد بود.
4-2- عوامل ایجاد یک اغتشاش
خطا واغتشاش در همه شبکه ها اتفاق می افتد. امکان طراحی شبکه ای که هرگز خطایی در آن صورت نگیرد وجود ندارد یا از نظر اقتصادی این ممکن نیست. عوامل ایجاد خطا از کشوری به کشور دیگر و از ناحیه ای به ناحیه دیگر متفاوت است. عوامل متعددی می تواند در ایجاد یک اغتشاش یا گسترش آن دخیل باشد که آن ها را به دو دسته کلی عوامل غیر سیستمی و عوامل سیستمی تقسیم می نمایم:
1-4-2-عوامل غیر سیستمی
آب وهوا: رعد وبرق و افزایش یا کاهش چشمگیر درجه حرارت هوا و طوفان و… از عوامل خارجی مهم در خرابی تجهیزات یا اتصال کوتاه در بین خطوط می باشند. شرایط آب و هوایی به عنوان عامل تحریک کننده و یا به عنوان عامل اصلی در ایجاد و گسترش یک اغتشاش نقش دارد. به عنوان مثال در شرایطی که درجه حرارت هوا افزایش یا کاهش قابل ملاحظه ای دارد مصرف کننده ها بیشتر از لوازم حرارتی و برودتی مخصوصا برقی استفاده می نمایند . این عامل اگرچه به صورت مستقیم نقشی در ایجاد یک اغتشاش ندارد ولی شرایط شبکه را در وضعیتی قرار می دهد تا نزدیک به مرزهای امنیتی سیستم مورد بهره برداری قرار گیرد (وضعیت هشدار). حال با بروز یک اختلال کوچک سیستم می تواند به وضعیت بحرانی یا مستقیما به حالت فوق بحرانی برود. اما در جایی دیگر شرایط آب وهوایی می تواند نقش اصلی را در ایجاد یک اغتشاش ایفا نماید. به عنوان مثال در حادثه خاموشی 1965 در آمریکا برخورد دو صاعقه با برجهای خطوط انتقال و قطع این دو خط در فاصله زمانی کمتر از 20ثانیه سیستم را به حالت فوق بحرانی برد.این در حالی بود که قبل از برخورد این دوصاعقه با برجها سیستم به دلیل افزایش درجه حرارت هوا تقریبا با حداکثر ظرفیت خود در حال کار بود که با بروز حوادث بعدی سیستم نتوانست شرایط جدید را تحمل نموده و شبکه دچار فروپاشی شد.