whatsapp call admin

دانلود مقاله مزایا و کاربرد برقگیرها در خطوط انتقال فشار قوی

word قابل ویرایش
45 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

اشاره:
در این مقاله استفاده از برقگیر آویزی به عنوان عامل حفاظتی در مقابل اصابت صاعقه انتقال و بالا بردن ضریب اطمینان شبکه تشریح شده است. در این راستا ساختمان داخلی و نحوه به کارگیری برقگیر آویزی در خطوط انتقال فشار قوی و تفاوتهای آن بر برقگیرهای متداول بیان شده است. در انتها، مدلی از شبکه با استفاده از نرم افزار ATP شبیه سازی و مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج آن ارائه شده است.

ABSTRACT:
In order to increase the reliability of transmission lines against lightning strikes, application of arresters is the useful way. Lightning surges cause flashover on insulator string, especially in towers with high ground resistance. So a short circuit between line and tower will be app eared. If there is a arrester beside the insulator string, surge current will pass through the arrester to arrester to ground and there is not any flashover. Also in this paper the basic concepts and construction of transmission line arrester. Will be described. At the end of poper. Performance and application of arresters in line will be proved by results of simulating a line with EMTP.

۱- مقدمه
استفاده از برقگیر در خطوط انتقال به منظور افزایش قابلیت اطمینان شبکه و کاهش خطاهای ناشی از اصابت صاعقه و همچنین حذف مطمئن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه، صورت می گیرد. اضافه ولتاژهای ایجاد شده در شبکه تاثیر مخربی بر تجهیزات و تاسیسات الکتریکی بر جای می گذارند، اما حدود آسیب با توجه به مقاومت عایقی وسیله الکتریکی متفاوت می باشد. اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه که به صورت استاندارد ۵۰/۲/۱ میکروثانیه بیان می شوند به دلیل پشتیبانی موج تیز و دامنه بالایی ک دارای اثرات تخریبی شدیدی در شبکه بر جای می گذارند.

از جمله این آثار، می توان به سوختن تجهیزات فشار قوی و ایجاد خطای اتصال کوتاه در پستهای فشار قوی و یا شکست الکتریکی سطحی در طول زنجیر مقره و ایجاد خطای اتصال کوتاه در آن اشاره کرد. تمامی این موارد منجر به ایجاد خطا و قطع شبکه می گردد. برای پیشگیری از این نوع خطاها در پستهای فشار قوی روشهای متعددی وجود دارد که عملی‌ترین و اقتصادی‌ترین آنها استفاده از سیم محافظ و برقگیر است. از طرف دیگر در خطوط انتقال فشار قوی نیز روشهای متعددی برای جلوگیری از شکست الکتریکی زنجیر مقره در اثر اصابت ساعقه وجود دارد که به طور خلاصه می‌توان از سیم محافظ و کاهش مقاومت پای برج و افزایش سطح عایقی نام برد.

افزایش سطح عایقی در برجها، اگر چه از بروز شکست الکتریکی سطحی در زنجیر مقره جلوگیری می کند لیکن منجر به بزرگ شدن بازوها و ارتفاع برج و افزایش هزینه می گردد. از طرف دیگر، در مناطق سنگی و صخره ای که مقاومت زمین بالا است، مقاوت پای برج، بزرگ خواهد بود. در این صورت‌حتی اگر خط انتقال، توسط سیم زمین محافظت گردد، به دلیل بالا بودن مقاومت پای برج، در زمان اصابت صاعقه به برج،

پتانسیل برج آنچنان بالا می رود که اختلاف آن با ولتاژ خط، از سطح عایقی مقره فراتر می رود و بنابراین شکست الکتریکی سطحی در زنجیر مقره روی داده و در صورت تداوم قوس الکتریکی، خط انتقال توسط کلیدهای قدرت قطع می‌گردد. بدین لحاظ در صورتی که بتوان با بکارگیری الکترودهای زمین در عمق زیاد و یا روشهای دیگر، مقاومت پای برج را کاهش داد، پدیده اخیر و یا قوس برگشتی روی نخواهد داد. ولی در مواردی مانند سخت بودن یا سنگی بودن زمین در کوههای مرتفع، این امکان وجود ندارد و تاثیر روشهای ذکر شده در عمل کم می باشد.

بنابراین استفاده از برقگیر برای کاهش خطاهای ناشی از شکست الکتریکی سطحی زنجیر مقره در اینگونه موارد بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. بکارگیری برقگیر در خطوط انتقال در چنین شرایطی درصد خطاهای ناشی از اصابت صاعقه به خط انتقال را به طور چشمگیری کاهش می دهد این امر به مفهوم افزایش قابلیت اطمینان که حذف مطمئن اضافه ولتاژهای حاصل از صاعقه و شدن خسارتهای مالی ناشی از قطع شبکه و تخریب تجهیزات می باشد.

۲- ویژگیهای برقگیرهای خطوط انتقال
اساس کار و ساختمان برقگیرهای خطوط انتقال از برقگیرهای پستهای فشار قوی الهام گرفته شده است. اما تفاوتهایی نیز وجود دارد. به طور خلاصه، برقگیرهای متداولی که در پستهای فشار قوی به کار می رود. شامل برقگیرهای میله ای، انفجاری، فاصله هوایی‌کنترل کننده، کربورسیلیسیمی‌و اکسید فلزی می‌گردند. برقگیرهای یادشده، می توانند ترکیبی از یک یا چند جزء اساسی ساختمان برقگیر شامل محفظه، قسمت فعال شونده، (مانند مقاومت غیرخطی) و فاصله هوایی باشند. مشخصات هر یک از این برقگیرها در جدول خلاصه شده است.

با توجه به خواص ذکر شده برای برقگیرهای متداول، برقگیرهای خطوط انتقال، باید شرایط زیر را داشته باشند:
الف) قبل از فعال شدن کلیدهای فشارقوی، جریان پیرو را قطع کنند.
ب) حتی در شرایطی که برقگیر نتواند صحیح عمل کند، مانع بازبست مدار نشوند.
پ) در صورت عبور جریان صاعقه بیش از مقدار نامی، منفجر نشوند.
ت) از لحاظ فیزیکی کوچک و سبک باشند بطوری که بتوان آنها را در خطوط انتقال موجود، بدون تغییر دادن

جدول (۱) مشخصات برقگیرهای میله ای، انفجاری و مقاومت غیرخطی
نوع

موضوع میله ای انفجاری کربورسیلسیم اکسید روی
با فاصله هوایی بدون فاصله هوایی با فاصله هوایی بدون فاصله هوایی
ولتاژ باقیمانده در حد صفر در حد صفر به دلیل آنکه در حالت عادی، شبکه، جریان نشتی بالایی دارد، ساخت این برقگیر بدون فاصله هوایی امکان پذیر نیست
وقوع خطا اتصال کوتاه شبکه در جریان کمتر یا بیشتر امکان غلط عمل نمودن
جریان پیرو دارد دارد ولی قطع می شود

تاخیر در زمان تخلیه وابسته به شرایط محیطی و ولتاژ وابسته به شرایط محیطی
زوال پذیری ناچیز زیاد کم ناچیز در صورت طراحی صحیح، کم است
سایر متاثر از شرایط آب وهوایی است زمان بین ۱/۰ میکروثانیه تا چند میلی ثانیه حداقل و حداکثر جریان برای آن باید تعریف شود نفوذ رطوبت و نشست گاز درون آن مشکل آفرین است امکان طراحی آن در ابعاد کوچک وجود دارد نسبت به رطوبت حساس می باشد.
ث) از لحاظ مکانیکی، شرایط مناسب را دارا باشند.

ج) هنگامی که خطایی در عملکرد برقگیر واقع شود، از آنجا که برقگیر بین خط و برج قرار می گیرد، بهتر است از لحاظ الکتریکی رابطه ای بین خط و برج برقرار نگردد. به این دلیل، در برقگیر بدون فاصله هوایی، در این خصوص باید تدبیری اندیشیده شود.
با توجه به موارد مطرح شده فوق، ذیلاً قسمتهای اساسی یک برقگیر خط، شرح داده می شوند

۲-۱- ساختمان و اصول کاربرقگیر خط
قسمتهای اساسی یک برقگیر خط شامل محفظه، قسمت فعال شونده یا مقاومت غیرخطی، فاصله هوایی سری و فشار شکن می بانشد که در برقگیرهای بدون فاصله هوایی مورد سوم وجود ندارد.
۲-۱-۱- محفظه یا قسمت نگهدارنده

محفظه های پلیمری بطور کلی به دو دسته پلیمری و چینی تقسیم بندی می شوند و به شکل استوانه بوده و از دو لایه درونی و بیرونی تشکیل یم شوند. لایه درونی از جنس FRP و لایه بیرونی از جنس لاستیک اتیلن پروپیلن می باشد. علت بهره گیری از پلیمرها به دلیل سبکی آنهاست و از طرف دیگر در یک طول ثابت نسبت به پرسلین می توان فاصله خزشی‌را ۵/۱ برابر بزرگتر نمود. عمر این گونه محفظه ها بین ۲۰ تا ۳۰ سال برآورد شده است‌به طوری که در این زمان تغییری‌در خواص آنها ایجاد نمی‌شود.

نوع دیگر این محفظه ها از جنس پرسلین است که شبیه محفظه برقگیرهای متداول است. در سالهای اخیر نمونه جدید برقگیرهای بدون فاصله هوایی جهت استفاده در خطوط انتقال، ابداع شده است که در این برقگیرها قرص اکسید روی را در محفظه های استوانه ای شکلی که در باله مقره بشقابی تدارک دیده اند، قرار می دهند. این نوع برقگیرها به برقگیر آویزی موسوم هستند. از به هم پیوستن چند برقگیرآویزی، زنجیر مقره ای حاصل می شود که هر دو عمل مقره و برقگیر را انجام می دهد. از مزایای عمده این نوع برقگیر، حذف سریع و مطمئن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه می‌باشد [۵].

۲-۱-۲- مقاومتهای غیرخطی:
قرصهای اکسید روی در مقایسه با مقاومتهای غیرخطی دیگر از مشخصه غیرخطی بسیار خوبی برخوردار هستند. این مقاومتها وظیفه جذب و انتقال انرژی صاعقه به زمین را به عهده دارند. ابعاد قرص اکسید روی، بر اساس جریان تخلیه و انرژی قابل تحمل قرص، تعیین می گردد. بر مبنای نظریه آرمسترانگ، وایت هد [۱] جریان تخلیه در برخورد صاعقه به سیم زمین و خطا در سیم زمین توسط نرم افزار ATP محاسبه می شود که در شکل (۱) یک منحنی مربوط به خطای سیم زمین و جریان صاعقه نشان داده شده است. در نهایت با مشخص شدن جریان نامی، قطر قرص و ابعاد آن استخراج می گردد [۵].

۲-۱-۳- فاصله هوایی سری:
این فاصله هوایی، به صورت سری با محفظه برقگیر قرار می گیرد و در شرایط بروز اضافه ولتاژ گذرا، دچار شکست الکتریکی شده و جریان صاعقه را عبور می دهد. فاصله هوایی سری بر مبنای قطع جریان پیرو، هماهنگی عایقی، ولتاژ پایداری به ازای ولتاژ فرکانس قدرت و ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی، محاسبه می‌شود.

شکل (۱) منحنی جریان صاعقه و خطای سیم زمین.
۲-۱-۴- فشار شکن:
طراحی و نحوه عملکرد فشارشکن در این نوع برقگیرها، با برقگیرهای متداول پستهای فشار قوی متفاوت است. هنگامی که به علت جریان شدید صاعقه قرصهای اکسید روی صدمه دیده و فشار درونی محفظه، بالا می رود محفظه برقگیر در اثر این فشار منفرج می شود. برای مقابله با این امر، باید فشار را به گونه ای محدود نمود. یکی از روشهای عملی در محفظه های پلیمری، تعبیه سوراخهایی در محفظه است.

به طوری که با ازدیاد فشار بیش از حد متعارف، سوراخها که با اتیلن پروپیلن پر شده اند، باز شده و قوس الکتریکی به بیرون از محفظه برقگیر منتقل می شود و فشار درونی آزاد می‌گردد.

در شکل (۲) منفذهای فشارشکن در یک نمونه از برقگیر فاصله هوایی دار نشان داده شده است. شایان ذکر است که اگر به هر دلیلی منفذهای فشارشکن به درستی عمل نکنند و برقگیر منفجر شود به دلیل آنکه، محفظه های پلیمری تکه تکه نمی‌شوند، مثل برقگیرهای‌با محفظه چینی، برای‌محیط اطراف خود ایجاد خطر نمی‌کنند.

شکل (۲) فشار شکن در یک نمونه از محفظه های پلیمری
۳- هماهنگی عایقی
به منظور اطمینان از عملکرد صحیح برقگیر، لازم است که هماهنیگ عایقی صحیحی بین زنجیر مقره و برقگیر وجود داشته باشد و شکست الکتریکی در برقیگر نسبت به زنجیر مقره، سریعتر واقع شود. این مهم بر اساس سطوح عایقی متفاوت بین زنجیر مقره و برقگیر به دست می آید.
در زنجیر مقره، فاصله هوایی بین الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره توسط رابطه زیر تعریف می شود [۲ و ۱]:
(۱)
که در آن به ترتیب: ۱Z : فاصله بین دو الکترود ۰ :Zطول زنجیر مقره
و از طرف دیگر فاصله بین بدنه برج و هادی خط از رابطه زیر به دست می آید:
(۲)

این فاصله باید صحیح انتخاب شود تا شکست الکتریکی بطور حتم در فاصله هوایی زنجیر مقره واقع شود.لذا در یک طراحی صحیح، ولتاژ شکست ۵۰% موج ضرقه صاعقه در برقگیر دارای فاصله هوایی، هیچگاه از ولتاژ شکست ۵۰% موج ضربه صاعقه در الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره فراتر نخواهد رفت [۲].

در صورت صدمه دیدن قرصهای اکسید روی فاصله هوایی سرد در برقگیر، باید در مقابل اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی پایدار باشد و از طرف دیگر، لازم است که این فاصله هوایی در مقابل موج ضربه صاعقه فعال شود تا زنجیر مقره دچار شکست الکتریکی نگردد. به بیان دقیق تر ولتاژ شکست برقگیر دارای فاصله هوایی در حالت عادی به صورت زیر تعریف می شود:
(۳)

Var: ولتاژ شکست برقگیر زمانی که قرصهای اکسید روی سالم هستند.
V1Ma: ولتاژ مرجع قرصهای اکسید روی.
VFOG: ولتاژ شکست فاصله هوایی برقگیر
اگر به مقاومتهای غیرخطی برقگیر آسیبی برسد . بنابراین، طول فاصله هوایی سری باید به اندازه ای باشد که در مقابل موج ضربه کلیدزنی پایدار باشد. حداقل فاصله هوایی سری از روی ولتاژ پایداری موج ضربه کلیدزنی به شرح زیر محاسبه می شود:

(۴)
VSP: ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی
ULm: حداکثر شبکه
۱k : ضریب اضافه ولتاژ کلیدزنی (ضریب اضافه ولتاژ کلید زنی به ازای برابر ۲ می باشد و به ازای برابر ۸۴/۱ می باشد).
برای استخراج ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی، برای فاصله هوایی سری برقگیری که مقاومتهای غیرخطی آن آسیب دیده اند، مقدار انتخاب می‌شود و به این ترتیب حداقل طول فاصله هوایی سری به دست می آید.

از طرف دیگر زمانی که از برقگیر به موازات زنجیر مقره استفاده شود، باید هماهنگی عایقی دقیقی بین برقگیر و الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره برقرار باشد. در شکل (۳) شکست الکتریکی در مقابل موج ضربه کلیدزنی به ازای طول فاصله هوایی سری در برقگیر نشان داده شده است [۲ و ۱].

شکل (۳) منحنیهای شکست الکتریکی موج ضربه کلیدزنی برحسب طول فاصله هوایی سری.
۴- عملکرد و نحوه به کارگیری برقیگیرهای خطوط انتقال در شبکه
همانطور که گفته شد، برقگیرهای خطوط انتقال به موازات زنجیر مقره قرار می‌گیرند که در صورت اصابت صاعقه‌‌ای با دامنه بالا به برج یا خط، ولتاژ دو سر زنجیر مقره را که همان ولتاژ باقیمانده برقگیر است، در محدوده ای کمتر از ولتاژ شکست سطحی زنجیر مقره قرار می دهند. سوال این است که آیا کلیه دکلها وفازها باید برقگیر داشته باشند؟ اگر جواب منفی است، نقاط بهینه نصب برقگیر داشته باشند؟ اگر جواب منفی است،

نقاط بهینه نصب برقگیر کجاست؟ برای پاسخ به این پرسش ذکر این نکته ضروری است که قرار دادن برقگیر به موازات زنجیر مقره دو وهله اول برای جلوگیری از شکست الکتریکی زنجیر مقره هنگام اصابت صاعقه می باشد و در مرحله دوم، برای حذف مطمئن اضافه ولتاژ ایجاد شده در خط و شبکه است. در شکل (۴) قسمتی از یک خط انتقال نشان داده شده است. برجهای A و B در قسمتهایی از مسیر خط هستند که مقاومت زمین در آنها بالا است (مانند مناطق صخره ای، کوههای مرتفع و…) و برجهایC و D در بخشی از مسیر خط هستند که مقاومت زمین آنها پایین است و حداکثر به می رسد.

اگر در شکل (۴- الف) صاعقه ای با دامنه بالا به نزدیکی برج A اصابت کند، به علت آن که مقاومت برج A بالا است، امکان تخلیه جریان صاعقه به زمین وجود نخواهد داشت لذا پتانسیل برج A به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت. بطوری که اختلاف پتانسیل بین برج و خط از BIL زنجیر مقره بیشتر شده و شکست الکتریکی در زنجیر مقره صورت خواهد گرفت. اما از آنجا که در این برج برقگیر نصب شده، به شرط آنکه ولتاژ باقیمانده برقگیر کمتر از BIL زنجیر مقره باشد، مقداری از ولتاژ صاعقه توسط برقگیر موجود به تدریج محدود شده و بخش باقیمانده آن به هادیهای فاز، به صورت موج سیار منتقل می شود.

این موج سیار در دو سمت خط، روی هادیهای فاز و سیم زمین، شروع به حرکت می نماید. پس از رسیدن موج سیار به برج B به علت وجود برقگیر و همان شرایط حاکم در برج A ، اختلاف پتانسیل بین برج و هادی فاز در سطح ولتاژ باقیمانده برقگیر محدود می شود. بنابراین بدیهی است با توجه به هماهنگی صایقی بین برقگیر و زنجیر مقره، شکست الکتریکی در زنجیر مقره برج B نیز رخ ندهد. بدین ترتیب موج سیار به برجهای D وC که توسط برقگیر محافظت نشده اند،

خواهد رسید. از آنجا که مقاومت پای برج این دکلها، کم می باشد موج سیاری که حامل آن سیم زمین است پس از رسیدن به برج مثلاً C به زمین تخلیه می شود و لذا ولتاژ برج به سمت مقادیر کمتر، کاهش داده می‌شود. این در حالی است که ولتاژ هادیهای فاز تقریباً در حد ولتاژ صاعقه باقیمانده‌است. بنابراین در این حالت اختلاف پتانسیل بسیار زیادی در زنجیر مقره های C وd ایجاد می شود که نهایتاً منجر به شکست الکتریکی در آنها می گردد. اما از طرف دیگر اگر مقاومت پای برج دکلهای C وD زیاد باشد،

ولتاژی که در دو سر زنجیر مقره(بین‌هادی فاز و برج)قرار می‌گیرد کم بوده و شکست الکتریکی‌در مقره‌های این دو برج بروز نخواهد کرد. در نتیجه ملاحظه می شود نصب برقگیر در برجهایی که مقاومت پای برج آنها زیاد است از ایجاد شکست الکتریکی روی این برجها جلوگیری می کند ولی باعث بروز قوس در زنجیر مقره برجهای مجاور با مقاومت کم می گردد.

شکل (۴) بخشی از خط انتقال که در این قسمت مقاومت پای برج بالا است.
در شکل (۴- ب) علاوه بر دکلهای A و B در برجهای C و D نیز برقگیر نصب شده است. در این حالت پس از رسیدن موج سیار به این برجها، اختلاف پتانسیل ایجاد شده به دلیل کم بودن مقاومت پای برج دکلهای C و D توسط برقگیر در سطح ولتاژ باقیمانده محدود می گردد. بدین ترتیب شکست الکتریکی در زنجیر مقره روی نخواهد داد و جریان صاعقه از طریق برقگیر به زمین منتقل خواهد شد. بدین لحاظ می توان این برجها را به نام برج تخلیه نامگذاری نمود.

از طرف دیگر اگر صاعقه ای به برجهای C و D اصابت کند، به علت پایین بودن مقاومت پای برج، اضافه ولتاژ ایجاد شده مستقیماً از طریق این برجها به زمین منتقل می شود. در حالت دیگر، در صورت برخورد صاعقه به هادیهای فاز (خطای سیم زمین)، به همان دلیل، برقگیر از شکست الکتریکی زنجیر مقره پیشگیری خواهد کرد.

لذا در پاسخ به سوال ذکر شده می توان به نتایج زیر رسید:
الف) استفاده از برقگیر در بخشهایی از خط انتقال ضروری است که صاعقه خیز بوده، مقاومت زمین در آن مناطق بالا، امکان کاهش مقاومت زمین کم و یا مشکل و نیز صعب العبور باشند و زمان و هزینه زیادی جهت تعویض و جایگزینی مقره های صدمه دیده خط مورد نیاز باشد.
ب) در تمام هادیهای فاز بخش حفاظت شده (در بند الف) باید برقگیر نصب شود. در صورتی که به هر دلیلی نتوان در تمام هادیهای فاز، برقگیر نصب کرد، نصب برقگیر در بالاترین هادی فاز از لحاظ مکانی مهمتر از سایر هادیهای فاز می باشد.

ج) بخش حفاظت شده شامل برجهای با مقاومت بالا و دو برج ابتدایی و انتهایی بخش حفاظت شده می باشد. مقاومت پای برج ابتدایی و انتهایی کمتر از ۱۰ اهم است و نصب برقگیر در آنها ضروری است.

با توجه به نتایج اخیر می توان مطمئن بود که اگر صاعقه در منطقه حفاظت شده اصابت کند در داخل و یا خارج محوطه حفاظت شده شکست الکتریکی در مقره ها ایجاد نخواهد شد. یادآور می شود که هزینه استفاده و نصب برقگیر در خط انتقال باید کمتر از هزینه ها و خساراتی باشد که در صورت عدم بکارگیری آن بروز خواهد کرد.

از آنجا که صنایع برق هنوز روشی را برای محاسبه هزینه خطاهای ناشی از شکست الکتریکی زنجیر مقره و قطع و تعمیر و نگهداری خط و خسارات حاصل از دست رفتن بارهای صنعتی و احتمالاً از دست دادن کل سیستم و مخارج مربوط به جایگزینی مقره ها و زمان از دست رفته، ارائه نداده اند، نمی توان محاسبه و مقایسه اقتصادی دقیقی انجام داد. به همین ترتیب زمانی که مقره های آسیب دیده در مناطق دور دست باشند، زمان وهزینه لازم برای تعمیر و نگهداری بطور قابل‌توجهی افزایش خواهد‌یافت که استفاده از برقگیر در این گونه مناطق این زمان و هزینه را به حداقل ممکن می‌رساند [۴ و۳].

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 45 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد