32
1
موضوع پروژه:
بررسی اضافه ولتاژها درسیستم های قدرت
32-2
2
فصل اول:
مقدمه
32
3
1-1- کلیات
در سیستمهای قدرت و شبکه های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، تک تک تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبکه، اتصال کوتاه و قطع برق را به همراه دارد. خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه های هنگفتی را به شبکه تحمیل می نماید. لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی کشور جلوگیری به عمل می آید.
در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبکه های قدرت پرداخته می شود، سپس برقگیرها به عنوان یکی از تجهیزات مهم برای محدود کردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبکه مورد بحث قرار می گیرد.
32
4
فصل دوم:
بررسی انواع اضافه ولتاژها در سیستمهای قدرت و علل پیدایش آنها
32
5
سطح ایزولاسیون به عنوان یکی از پارامترهای مهم در طراحی شبکه مطرح می باشد و ارتباط مستقیمی با اضافه ولتاژهای موجود در شبکه دارد.
افزایش ولتاژ از مقدار نامی خود، به اضافه ولتاژ در شبکه موسوم می باشد. از آنجائیکه ظهور اضافه ولتاژ در شبکه اجتناب ناپذیر است، لذا احتمال بروز قوس در ایزولاسیون و ماده ایزوله در شبکه همراه وجود دارد.
کاهش درصد بروز قوس ها و اتصالی ها مستلزم شناخت کامل اضافه ولتاژها، انواع مختلف آنها، شرایط ایجاد و پدید آمدن آنها و همچنین نحوه تاثیر آنها در ایزولاسیون شبکه می باشد و در صورت برخورداری از چنین شناختی، انتخاب مشخصات مناسب شبکه و تجهیزات موجود در آن امکان پذیر می گردد.
32
6
2-2- انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبکه:
اضافه ولتاژهای صاعقه
اضافه ولتاژهای کلیدزنی
اضافه ولتاژهای موقتی
شکل (2-1) : انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبکه
32
7
اضافه ولتاژ های صاعقه
در پی تخلیه جوی الکتریکی بر قسمتهای مختلف شبکه، بارهای الکتریکی انباشته در ابرها و فصل از طریق کانال یونیزه تشکیل شده در فضا بصورت قوس مرئی رعد و برق در قسمتهای مختلف شبکه تخلیه گشته ، اصطلاحاً به تخلیه جوی الکتریکی موسوم می باشد.
اضافه ولتاژهای موجی رعد و برق حداکثر سرعت افزایش را در میان انواع مختلف اضافه ولتاژهای موجی دارا می باشند. سرعت افزایش آنها در حدود 5000-500 کیلوولت بر میکروثانیه متغیر می باشد.
32
8
اضافه ولتاژهای کلید زنی (قطع و وصل)
اضافه ولتاژهای قطع و وصل به صورت موج در شبکه ظاهر گردیده و از نظر شکل و تغییرات لحظه ای خود، کاملاً مشابه اضافه ولتاژهای موجی تخلیه جوی می باشند. تفاوت عمده در زمان پیشانی و زمان استهلاک یا کاهش دامنه موج بوده، سرعت افزایش دامنه ولتاژهای موجی قطع و وصل به حدود چند کیلوولت بر میکروثانیه بالغ می گردد. چون این اضافه ولتاژها از عوامل و تجهیزات داخلی شبکه ناشی می گردند لذا به اضافه ولتاژهای داخلی موسوم می باشند.
دامنه موجهای اضافه ولتاژ قطع و وصل به مشخصات شبکه، مشخصات کلید، نوع دستگاههای مورد قطع و وصل بستگی دارد. مهمترین عامل در افزایش دامنه موجها، ولتاژ اسمی شبکه می باشد. در ولتاژهای پایین این موجها محدود بوده و از حدود ایزولاسیون پیش بینی شده شبکه تجاوز نمی نمایند.
32
9
موج استاندارد قطع و وصل یا کلید زنی
به منظور تامین توانایی سیستم ایزولاسیون شبکه و سایر تجهیزات فشار قوی در قبال موجهای اضافه ولتاژ گذرای قطع و وصل، موج استاندارد با شکل مشخص به عنوان موج ولتاژ استاندارد قطع و وصل تعیین گردیده است که منحنی آن در شکل زیر آورده شده است.
شکل (2-3) : موج استاندارد قطع و وصل یا کلید زنی
در استاندارد آمریکا و IEC مقدار معمول آن به ترتیب در حدود 250 و 2500 میکروثانیه مشخص گردیده است.
32
10
علل بروز اضافه ولتاژهای کلید زنی:
اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی جریان های سلفی و خازنی:
الف) قطع جریان های سلفی، مثلا هنگامی که جریان مغناطیس کننده یک ترانسفورماتور یا راکتور قطع می شود.
ب) کلید زنی و عملکرد یک کوره قوس الکتریکی و ترانسفورماتور آن ممکن است باعث برش جریان شود.
ج) کلید زنی کابلهای بی بار و بانکهای خازنی.
د) قطع جریان با فیوزهای ولتاژ بالا.
اضافه ولتاژهای کلید زنی ناشی از تغییرات ناگهانی بار
در اثر تغییرات ناگهانی بار ممکن است اضافه ولتاژهای کلید زنی که توسط اضافه ولتاژهای موقتی دنبال می شوند بوجود آیند.
32
11
اضافه ولتاژهای موقت
اضافه ولتاژهای موقت، نوعی اضافه ولتاژ نوسانی فاز به زمین، یا فاز به فاز می باشند، که نسبتا طولانی مدت و یا نامیرا هستند و یا بطور ضعیفی میرا می شوند. از آنجا که اضافه ولتاژهای موقت از نظر کار برقگیر حائز اهمیت فراوان هستند (برقگیرها باید بتوانند اضافه ولتاژهای موقت را تحمل کنند)، لازم است درصد اضافه ولتاژهای موقت شبکه محاسبه گردد. اضافه ولتاژهای موقت از علل زیر نشات می گیرند:
خطاها.
تغییرات ناگهانی بار.
اثر فرانتی.
رزونانس خطی.
فرورزونانس.
قطع هادی (پارگی خط).
رزونانس ناشی از مدارهای کوپل شده.
32
12
اثر فرانتی:
ولتاژ دائمی در انتهای باز یک خط انتقال جبران نشده، همیشه بالاتر از ولتاژ در ابتدای خط است، این پدیده به اثر فرانتی مشهور می باشد. افزایش ولتاژ از شرایط خازنی خط و بار راکتیو آن در بی باری ناشی می گردد.
شکل زیر دامنه های تقریبی اضافه ولتاژهای ناشی از اثر فرانتی را نشان می دهد. عمل جبران سازی برای اثر فرانتی ممکن است با اندوکتانس شنت متعادل یا خازن سری متعادل بدست آید.
بدون جبران سازی
با جبران سازی
جبران سازی توسط 50% خازن سری و 70% راکتور شنت
32
13
تشدید در شبکه
یکی از انواع اضافه ولتاژهای موقت که ممکن است بر روی یک سیستم انتقال بوقوع بپیوندد، از تشدید ناشی می شود. در شکل ساده شده سیستم، مدار مشتمل است بر یک منبع، یک کلید و یک مدار تشدید، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. به وضوح ملاحظه می گردد که اگر مدار LC سری دارای تلفات کمی بوده و المانهای آن با فرکانس قدرت تنظیم شده باشند پس از بستن کلید ولتاژ به طور نامعینی از طریق سلف یا خازن افزایش خواهد یافت. در عمل اثرات تلفات و اشباع هسته ترانسفورماتورها و راکتورها این نوع اضافه ولتاژها را محدود می کنند .
شکل (2-6) مدار رزونانس سری
32
14
فصل سوم:
نحوه تعیین پارامترهای برقگیر جهت حفاظت از شبکه در مقابل اضافه ولتاژها
32
15
مقدمه
جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای ایجاد شده در سیستم از خازن های سری و راکتورهای شنت و برقگیر استفاده می شود. از خازن های سری و راکتورهای شنت جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای موقتی استفاده می شود. از برقگیرها جهت حفاظت تجهیزات الکتریکی در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و کلیدزنی) استفاده می شود.
برقگیرها در سه نوع میله ای، سیلیکون کاباید و اکسید روی وجود دارند. که امروزه در سیستمهای انتقال بیشتر از برقگیرها اکسید روی استفاده می شود.
در این فصل نحوه تعیین پارامترها و مشخصات برقگیرهای اکسید روی جهت حفاظت مناسب از شبکه در مقابل اضافه ولتاژها به تفصیل شرح داده شده است.
32
16
– برقگیرهای اکسید روی
برقگیرهای غیرخطی اکسید روی عبارت از ستون مقاومتهای غیرخطی می باشند که در فاصله هوایی فاز – زمین نصب شده و بر خلاف برقگیرهای با فاصله هوایی هیچگونه فاصله هوایی بصورت فاصله ایزولاسیون بین ستون مقاومتها و هادی تحت ولتاژ موجود نمی باشد. با ظهور اضافه ولتاژهای موجی، مقاومتهای غیر خطی در چند میکروثانیه تغییر ماهیت داده، از قابلیت هدایت الکتریکی قابل ملاحظه ای برخوردار شده، جریان از هادیهای فاز به زمین را تا حدود چندین کیلوآمپر برقرار می سازند.
32
17
مشخصات برقگیرهای اکسید روی :
ولتاژ مرجع (Uref)
قابلیت تحمل انرژی
ولتاژ نامی (Ur)
جریان دائم برقگیر (IC)
حداکثر ولتاژ کار دائم (Uc)
فرکانس نامی
ولتاژ تخلیه (Ures)
نسبت حفاظتی
جریان تخلیه نامی برقگیر ((In
حاشیه حفاظت2
کلاس تخلیه برقگیر
مقدار حقیقی ولتاژ بهره برداری
مشخصه حفاظتی برقگیر
32
18
برقگیرها
به منظور انتخاب نوع مناسب برقگیرها با توجه به مشخصات شبکه صورت گرفته، توصیه های لازم به عمل آمده اند. بر طبق دستور العمل ارائه شده از طرف کنفرانس برق CIGRE1 و نتایج تجربی، مشخصات برقگیرها به منظور انتخاب به منظور انتخاب آنها به شرح زیر می باشد:
تعیین و ارائه فاصله سطحی ، ایزولاسیون خارجی ستون مقره برقگیر (mm)
جریان اسمی تخلیه (KA)
سطح محافظت برقگیر یا (KV) P.L
ولتاژ اسمی یا Urated ((KV
ولتاژ دائمی یا (KV ) Ucov
کلاس تخلیه
کلیه مشخصات فوق به جز سطح محافظت برقگیر (P.L) در روی پلاک یا Name Plate برقگیر ذکر می شوند و سطح محافظت برقگیر با توجه به سطوح عایقی L.I.W.L و S.I.W.L تعیین می گردد.
32
19
انتخاب ولتاژ نامی و ولتاژ کار دائم برقگیر:
برقگیر با ظرفیت جذب انرژی بالاتر احتمال بروز خطا را کاهش می دهد.
برقگیر باید از نظر حرارتی بتواند ولتاژ شبکه را بطور دائم تحمل نماید که چنانچه Uc > Uca انتخاب شود این شرط برقرار خواهد شد.
برقگیر ظرفیت جذب انرژی کافی برای تحمل شوک حرارتی ناشی از تخلیه امواج ضربه ای را داشته باشد که انتخاب ظرفیت انرژی برای برقگیر تابع عوامل زیادی از جمله تجربه عملی، آمار اتصالی ها در شبکه، آمار طوفانهای همراه با برخورد صاعقه به خط و اطلاعات لازم در مورد کلاس تخلیه خط می باشد.
استقامت الکتریکی برقگیر متناسب با اضافه ولتاژهای موقت موجود در شبکه انتخاب شده باشد.
32
20
فصل چهارم:
بررسی علل ایجاد اختلال در کار برقگیر
32
21
مقدمه
استفاده از برقگیرهای اکسید فلزی برای حفاظت از تاسیسات و دستگاههای الکتریکی همچون ترانسفورماتورها در مقابل اضافه ولتاژها که از سالهای دهه 1970 آغاز گردیده است. روز به روز در کشورهای مختلف جهان از جمله در کشور ما ایران گسترش می یابد. بخش اصلی این برقگیرها وریستورهایی بصورت سرامیک هستند که ماده تشکیل دهنده شان آمیزه ای از اکسیدهای فلزات مختلف است. قسمت اصلی این سرامیکها را اکسید روی تشکیل می دهد و اکسیدها دیگری از قبیل آنتیموان، بیسموت، منگنز و کبالت به آن اضافه شده اند.
32
22
اشکالات مربوط به طراحی و ساخت برقگیر:
چون برقگیر اکسید روی فاقد فاصله هوایی است همیشه تحت ولتاژ شبکه قرار دارد. در نتیجه یک جریان نشتی کوچک از آن می گذرد که آنرا اندکی گرم می کند. در شکل (4-1) شکل ولتاژ متناوب اعمال شده و جریان نشتی برقگیر zno که توسط اسیلوسکوپ ثبت شده دیده می شود. مقدار موثر ولتاژ اعمال شده متناوب 4600 ولت بوده که در دمای 85 درجه سلسیوس به یک وریستور به قطر و به ارتفاع 40 میلی متر اعمال گردیده است. هر خانه در جهت عمودی نشان دهنده 250 میکروآمپر می باشد. جهت اندازه گیری جریان از مقاومت سری به مقدار 10 کیلو اهم استفاده بعمل آمده است.
32
23
در حالت عادی و پایدار P=Q خواهد بود و این شرط بر قراری تعادل حرارتی و ثابت ماندن دمای برقگیر است. حال اگر به عنوان مثال یک موج صاعقه به برقگیر برسد و از طریق آن تخلیه شود. توان اضافی در برقگیر وارد شده و
شکل (4-2): تعادل حرارتی یک برقگیر اکسید روی
32
24
در حالت تعادل، نقطه کار حرارتی در A واقع شده است باوارد شدن تنش الکتریکی اضافی، مثلا در زمان تخلیه یک اضافه ولتاژ توسط برقگیر، گرما در آن تولید می شود و نقطه کار روی منحنی P=f(T) جابجا می گردد. اگر نقطه کار جدید در سمت چپ نقطه B باشد. توان وارده کوچکتر از توان قابل تخلیه توسط برقگیر است و لذا برقگیر خنک می شود و نقطه کار به A باز می گردد. اما اگر گرم شدن وریستورها به نحوی باشد که نقطه کار از B بالاتر رود. توان اخذ شده بزرگتر از توان قابل دفع به وسیله برقگیر است و در نتیجه ناپایداری حرراتی پیش خواهد آمد واضح است که توانایی دفع حرارت بطور طبیعی از برقگیر به بیرون محدود است. هر بار که P بالاتر رود به علت گرمتر شدن وریستورها و حضور دائمی ولتاژ شبکه روی برقگیر جریان نشتی نیز بالا می رود و گرمای بیشتری در داخل وریستورها تولید می شود. این امر به نوبهه خود بر مقدار جریان می افزاید
32
25
اشکالات ناشی از نحوه نگهداری و بهره برداری از برقگیر:
وجود تخلیه جزئی در داخل محفظه برقگیر
اگر بعلتی مثلاً نفوذ رطوبت، در داخل محفظه برقگیر تخلیه جزئی پیش بیاید، این امر باعث خرابی تدریجی وریستورها می گردد. مطالعات اخیر نشان داده اند که تاثیرات شیمیایی ناشی از این پدیده، علاوه بر مستعد نمودن قرص ها جهت ایجاد شکست در اثر امواج صاعقه روی سطح آنها، لایه سطحی قرص های اکسید روی را خراب می کند و از خاصیت غیر خطی آنها می کاهد . لذا وجود تخلیه جزئی باعث کاهش طول عمر برقگیر می گردد.
32
26
آلودگی سطح خارجی محفظه برقگیر
کثیفی سطحی روی برقگیرهای اکسید روی پدیده ای پیچیده است. این آلودگی ها اگر از نوع نمکی باشند در هنگام رطوبت و اگر از نوع فلزی یا دوده باشند در حالت خشک یا تر دارای تاثیر منفی روی عملکرد برقگیر هستند. آلودگی های سطحی بطور یکنواخت روی سطح خارجی محفظه برقگیر توزیع نمی شوند و لذا علاوه بر نزدیک نمودن الکترودها و کوتاه کردن فاصله عایقی، نحوه توزیع پتانسیل روی سطح برقگیر را نیز تغییر می دهند. بنابراین دو توزیع پتانسیل متفاوت وجود خواهد داشت که یکی بوسیله وریستورهای اکسید روی در داخل برقگیر اعمال می شود و دیگری توسط لایه آلودگی سطحی در خارج برقگیر تحمل می گردد.
32
27
اکسید شدن و خرابی اتصالات خارجی برقگیر
در صورت خرابی یا شل شدن کنتاکتهای مدار خارجی برقگیر یا اتصالات زمین، افت ولتاژ روی آنها در هنگام تخلیه جریان صاعقه بالا می رود. این افت ولتاژها با ولتاژ باقیمانده دو سر برقگیر جمع شده و نتیجه آنها به عایق دستگاه مورد حفاظت (ترانسفورماتور) اعمال می گردد که ممکن است به آن صدمه برساند.
32
28
فصل پنجم:
شناسایی پدیده فرورزونانس
32
29
شناسایی پدیده فرورزونانس:
فرورزنانس یک پدیده رزنانس غیر خطی است که می تواند روی شبکه های قدرت تاثیر گذارد. مقادیر غیر عددی هارمونیک ها و یا اضافه ولتاژ یا اضافه جریانهای گذرا یا پایدار که توسط آن ایجاد می گردد معمولا برای تجهیزات برقی خطرناک است. بعضی از شکست های الکتریکی توجیه نشده را می توان به این پدیده غیر خطی نادر نسبت داد.
واژه فرورزنانس که تقریبا از اواخر دهه دوم قرن بیستم وارد مقالات و کتابها گردید، به کلیه پدیده های نوسانی رخ داده در مدارهای الکتریکی اطلاق می گردد که این مدارها حداقل شامل آیتم های زیر باشند:
الف) سلف غیر خطی (فرومغناطیس قابل اشباع).
ب) خازن.
ج) منبع ولتاژ (عموما سینوسی).
د) تلفات بسیار کم.
32
30
نتیجه گیری و پیشنهادات:
اضافه ولتاژ های ناخواسته مهمترین عامل تهدید کننده ایزولاسیون شبکه میباشند دستیابی به شبکه ای با قابلیت اطمینان بالا و پایدار در برابر اضافه ولتاژ های اعمالی از جمله صاعقه و کلید زنی بسیار مهم بوده و رسیدن به این هدف به دو روش امکان پذیر است
افزایش استقامت تجهیزات به گونه ای که اضافه ولتاژ های تحمیلی هیچ اختلالی در کار سیستم ایجاد نکنند این کار اگرچه قابلیت اطمینان و پایداری شبکه را بالا میبرد ولی باعث بزرگ شدن طرح و افزایش هزینه اقتصادی میشود
کاهش و کنترل اضافه ولتاژ های ایجاد شده بوسیله تجهیزات محدود کننده و حفاظتی مثل برق گیر ها.
در حال حاضر برق گیر های اکسید روی بهترین کارایی برای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ ها را دارا می باشند
32
31