بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آزمايش عايقي پست گازي ٤٠٠ کيلوولت در محل نصب
چکيده :
پست هاي گازي پس از نصب بايد تحت آزمايش عايقي قرار گيرند. براي اين منظور از ولتاژ متناوب ، ولتاژ ضربه و يا ولتاژ کليدزني نوساني استفاده مي شود. با توجه به ولتاژ بالاي لازم براي آزمايش ، نياز به حمل تجهيزات نسبتا پيچيده و سنگين به محل مي باشد. محدوديت هاي ايجاد شده توسط بعضي کشورها در ارسال تجهيزات آزمايش به ايران باعث شد تا به امکانات داخل ايران روي آورده شود.
آزمايشگاه فشارقوي دانشکده مهندسي برق و کامپيوتر دانشکده هاي فني دانشگاه تهران موفق گرديد آزمايش هاي لازم بر روي پست گازي ٤٠٠ کيلوولت فولاد مبارکه را با تجهيزات ساخت انجام دهد. در اين مقاله ضمن بحث در زمينه روش هاي آزمايش ، مراحل انجام آزمايش عايقي پست گازي ٤٠٠ کيلوولت فولاد مبارکه گزارش شده است .
در پست گازي ٤٠٠ کيلوولت فولاد مبارکه ، عمليات شکل گيري و آزمايش عايقي نهايي با ولتاژ ٥١٥ کيلوولت متناوب با کمک ترانسفورماتورهاي کاسکاد دو پله با جرياني در حدود ١,٩ آمپر، يعني تواني در حدود يک مگاولت آمپر با موفقيت انجام گرفت و در يکي از سه فاز پست ، اشکال عايقي بر روي قطعات عايقي مشاهده و برطرف گرديد.
مقدمه
پست هاي گازي پس از نصب بايد تحت آزمايش عايقي قرار گيرند. براي اين منظور از ولتاژ متناوب ، ولتاژ ضربه و يا ولتاژ کليدزني نوساني استفاده مي شود. با توجه به ولتاژ بالاي لازم براي آزمايش ، نياز به حمل تجهيزات نسبتا پيچيده و سنگين به محل مي باشد. محدوديت هاي ايجاد شده توسط بعضي کشورها در ارسال تجهيزات آزمايش به ايران باعث شد تا به امکانات داخل ايران روي آورده شود. آزمايشگاه فشارقوي دانشکده مهندسي برق و کامپيوتر دانشکده هاي فني دانشگاه تهران موفق گرديد آزمايش هاي لازم بر روي پست گازي ٤٠٠ کيلوولت فولاد مبارکه را با تجهيزات ساخت داخل با ولتاژ ٥١٥ کيلوولت انجام دهد. در اين مقاله ضمن بحث در زمينه روش هاي آزمايش ، مراحل انجام آزمايش عايقي پست گازي ٤٠٠ کيلوولت فولاد مبارکه گزارش شده است .
١ - شرح مقاله
پستهاي گازي براي ولتاژهاي مختلف به منظور انتقال و توزيع انرژي الکتريکي با توجه به حجم کم و عدم مشکل آلودگي مورد استفاده قرار مي گيرند. در ايران نيز پست هاي گازي تا ولتاژ ٤٠٠ کيلوولت نصب گرديده و با موفقيت از آنها بهره برداري مي گردد. يکي از مسائل پستهاي گازي آزمايش عايقي آنها در محل نصب و پس از تکميل پست مي باشد. در حمل قسمت هاي مختلف پست به محل و نصب آنها و برقراري اتصالات ، ممکن است خطاهايي پيش بيايد که کارکرد سالم و طولاني پست را تحت تاثير قرار دهد. البته در کارخانه سازنده کليه قطعات عايقي ، تحت آزمايش قرار مي گيرند، ولي ممکن است در طول حمل و در مراحل نصب اشکالي پيش آمده باشد. براي مثال ترک هاي موئي ، ممکن است در طول حمل و يا در مراحل نصب در عايق ايجاد گردد. همچنين قطعات ريز (براده ) از جنس هادي و يا عايق مي تواند در داخل لوله ها (باس داکت ) باقي بماند. اين ذرات بر اثر اعمال ولتاژ و به دليل نيروهاي الکترواستاتيکي حرکت مي کنند و مي توانند ايجاد مشکل نمايند.
حساس ترين قسمت ، عايق ها مي باشند که فاصله بين هادي وسط (باس بار) و لوله خارجي (باس داکت ) را حفظ مي کنند. ذرات و براده هاي آزاد در مسير حرکت ، جذب ميدان شديدتر مي شوند و ممکن است برروي سطح قطعات هادي و يا عايقي جدا کننده (Spacer) بنشينند. در نتيجه شکل ميدان الکتريکي را برهم مي زنند و باعث شکست عايق مي گردند. قرار گرفتن اين ذرات بر روي باس بار نيز باعث تغيير شکل ميدان الکتريکي و افزايش شدت ميدان در آن محل مي گردد. برخي از سازندگان تله هايي براي اين ذرات در نظر مي گيرند که بر اثر ميدان ، ذرات حرکت کرده و داخل آن تله ها بيافتند و اثر بدي نداشته باشند.
براي اين منظور بايد قبل از آزمايش عايقي ، تجهيزات پست تحت ولتاژ متناوب فشارقوي قرار گيرند تا ذرات حرکت نموده و در تله ها بيفتند. بدين منظور يک منبع ولتاژ متناوب با فرکانس ٥٠ هرتز (و گاهي بيشتر) لازم است .
توصيه شده است که ابتدا ١٢٠ درصد ولتاژ نامي يعني کيلوولت براي مدت ١٥ دقيقه به باس بار اعمال شود و سپس ولتاژ نامي يعني ٤٢٠ کيلوولت به مدت ٣ دقيقه و در نهايت ٨٠ درصد ولتاژ آزمايش در کارخانه سازنده براي مدت ١ دقيقه اعمال مي گردد.
در حقيقت دو مرحله اول را نبايد آزمايش بناميم ، بلکه Conditioning يا Forming خوانده مي شود. شايد مناسب باشد که اين عمل را شکل گيري ترجمه نماييم . در طول مدت اعمال ولتاژ، پست حالت عادي خود را بدست مي آورد. پس از انجام عمل شکل گيري با ولتاژ متناوب ، آزمايش عايقي انجام مي شود. براي اين منظور مي توان از ولتاژ متناوب ، ولتاژ ضربه و يا ولتاژ کليدزني نوسان کننده استفاده نمود. هر يک از اين ولتاژها داراي مزايا و معايب مختلفي هستند. ولتاژ متناوب همان ولتاژ کار معمول است . ولي البته ولتاژ ضربه و ولتاژ کليدزني نيز در عمل پيش مي آيند. در پستهاي گازي هر گونه تغيير ولتاژ ناگهاني باعث نوسان مي شود. از آنجا که ميزان تلفات در اين نوع پست ها بسيار کم مي باشد اين نوسان با ميرائي بسيار کم و در نتيجه طولاني مدت مي باشد. در منابع [١] تا [٣] در رابطه با مزايا و معايب انواع ولتاژ آزمايش صحبت شده است . شايد دليل استفاده از ولتاژ کليدزني نوسان کننده نزديکي شکل اين ولتاژ با ولتاژ متناوب باشد.
در انجام آزمايش با ولتاژ متناوب گاهي بر روي اندازه گيري تخليه جزئي تکيه مي شود. البته انجام اين اندازه گيري در پست برقدار که داراي آلودگي امواج الکترومغناطيسي يا به اصطلاح داراي نويز مي باشد مشکل است .
٢ - لزوم انجام آزمايش
در بسياري از پست هاي گازي اشکال عايقي در مراحل اوليه بهره برداري پيش آمده است . مطابق قانون وان حمام (Bath tube) براي تمامي تجهيزات در ابتداي بهره برداري اشکالات بيشتر است و پس از برطرف کردن اشکالات اول کار تجهيزات براي مدتي خوبي کار مي کنند تا در انتها بدليل پيري بار ديگر اشکالات زياد مي شوند. ولي از طرفي پستهاي گازي در اين رابطه در ابتداي کار حساستر مي باشند و از طرف ديگر در صورت بروز اشکال عايقي در زماني که پست به شبکه قوي وصل است نتيجه بسيار وحشتناک خواهد بود و تعمير پرهزينه و زمانبر مي باشد.
علاوه بر اشکال در توليد قطعات ، چون قطعات پست گازي جداگانه حمل و اغلب با شرايط نامناسب کارگاهي و با کارگران محلي با تجربه کمتر در محل نصب مي شوند، اشکال بيشتر پيش مي آيد. از همه مهمتر، وجود ذرات يا براده هايي است که ممکن است در طول حمل و نقل و نصب داخل لوله ها باقي بمانند.
از آنجا که در طول کار پست ، اضافه ولتاژهاي مختلفي (متناوب ، ضربه صاعقه و ضربه کليدزني ) پيش مي آيند، نبايد تنها به ولتاژ نامي اکتفا نمود. ولتاژ آزمايشي تجهيزات پست در استانداردهاي کشورهاي مختلف آورده شده است . براي مثال در استاندارد بين الملل ، ولتاژ آزمايش عايقي بين تجهيزات شبکه ٤٠٠ کيلوولت مي تواند ٦٨٠ کيلوولت باشد که نزديک به ٣ برابر ولتاژ نامي است . از طرف ديگر اگر چه ساختمان پست گازي نسبتا ساده است ( در مقابل سيم پيچ ترانسفورماتور يا ژنراتور ) و در نتيجه مسئله تقسيم ولتاژ در شرايط سالم قطعات عايقي و عدم وجود ذرات معلق براي انواع ولتاژهاي مختلف ( متناوب ، ضربه صاعقه و ضربه کليدزني ) يکنواخت مي باشد، ولي شکل نهايي پست نيز با در نظر گرفتن امواج سيار براي انواع مختلف ولتاژ داراي اهميت مي باشد. لذا به نظر مي رسد، بررسي هاي لازم برای اعمال ولتاژ به شکل هاي مختلف به پست صورت گيرد ، ضروري باشد. از اين رو گاهي آزمايش با ولتاژ ضربه نيز انجام مي پذيرد. اگر چه حساسيت ذرات معلق به ولتاژ متناوب بيشتر است ، تشخيص وجود شکاف هاي موئي در عايق هاي جامد با کمک ولتاژ ضربه بهتر قابل تشخيص است ، با اين حال اعمال ولتاژ متناوب بيش از ٢,٢ برابر ولتاژ نامي مي تواند هر گونه اشکال در در عايق پست گازي را نشان دهد.
در اين آزمايش معمول است که برقگيرها و ترانسفورماتورهاي ولتاژ از مدار خارج گردند، زيرا برقگير ممکن است عمل کند و هسته ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ نيز اشباع مي گردد. جالب است در اينجا ذکر گردد که با کمک ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ پست که البته هميشه وجود دارد نيز مي توان به باس بار ولتاژ متناوب اعمال کرد، ولي معمولا ظرفيت خازني پست زياد است و ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ تنها قسمت کوچکي از پست را مي تواند تا ولتاژ نامي برقدار نمايد. لذا اين روش براي شکل گيري پست (forming) قابل اجراست ولي براي آزمايش عايقي امکان پذير نمي باشد. از طرف ديگر تقسيم پست به چند قسمت و انجام آزمايش در چند نوبت زمانبر است و احتمال بوجود آمدن خطا در تقسيم مکرر پست و اتصال ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ به نقاط مختلف خود منبع بروز اشکال مي باشد.
٣ - تجهيزات لازم براي آزمايش
براي انجام آزمايش با ولتاژ متناوب نياز به يک ولتاژ نسبتا بالا مي باشد. ظرفيت باس بار در هر فاز ممکن است به ١٠ تا ٢٠ نانو فاراد برسد. براي ظرفيت ١٢ نانوفاراد و ولتاژ ٥٢٠ کيلوولت ، جريان در فرکانس ٥٠ هرتز نزديک به ٢ آمپر مي گردد. البته با تقسيم طول باس بار به چند قسمت مي توان جريان را کاهش داد، ولي بايد دقت کرد که براي اتصال به باس بار و وارد کردن ولتاژ به هر قسمت بايد قطعات مختلفي باز شوند که اين امر نياز به زمان طولاني دارد و نيز باز کردن و بستن مجدد قسمت ها، خود مي تواند عامل بروز مشکل باشد.
براي آزمايش کل باس بار نياز به منبع ولتاژ قابل تنظيم بزرگ مي باشد که ممکن است از شبکه تغذيه گردد و يا براي آن يک منبع ولتاژ مستقل در نظر گرفت . به هر حال در ولتاژ متناوب ٥٢٠ کيلوولت و جريان نزديک به ٢ آمپر، تواني در حدود ١ مگاولت آمپر نياز است . تامين اين توان بالا آن هم از يک منبع ولتاژ قابل تنظيم ، مشکل مي باشد.
از آنجا که جريان آزمون کاملا خازني است ، امکان کاهش توان منبع با استفاده از روش رزونانس سري يا رزونانس موازي وجود دارد. البته به جاي رزونانس مي توان از اصطلاح جبران سازي استفاده نمود.
٤ - رزونانس سري
در روش رزونانس سري از يک رآکتور سري استفاده مي شود که مدار آن مطابق مدار شکل ١ مي باشد.
شکل ١: مدار رزونانس سري
در اين مدار، خازن C ظرفيت بين باس بار و زمين است . رآکتور L يک راکتور قابل تنظيم است و با خازن C به صورت سري وصل مي شود. اين مدار توسط ترانسفورماتور T تغذيه مي شود. بديهي است که در اين مدار مقاومت هايي وجود دارد که با انديس R در مدار شکل ١ نشان داده شده اند.
تغييرات جريان خازن برحسب فرکانس با مقدار اندوکتانس ثابت L و مقادير مختلف R مطابق شکل ٢ است .
در حالت رزونانس که جريان و در نتيجه ولتاژ خازن به حداکثر خود مي رسد، است و مقدار جريان برابر مي باشد که در نتيجه ولتاژ خازن برابر مي شود با :
يعني ولتاژ خازن که ولتاژ آزمايش باس بار مي باشد، برابر ولتاژ منبع است . همان گونه که مي دانيم اين نسبت را ضريب کيفيت Quality Factor( Q) مي خوانند.
البته ممکن است فرکانس منبع يا مقدار L را تغيير داد تا به تشديد رسيد. اغلب ، ميزان Q به ٤٠ نيز مي رسد، يعني ولتاژ آزمايش مي تواند تا ٤٠ برابر ولتاژ منبع برسد. واضح است که به اين ترتيب توان لازم براي آزمايش ، Q برابر کوچک مي شود. در اين آزمايش معمولا L يا ω را تغيير مي دهند تا رزونانس پيش آيد. سپس ولتاژ منبع را افزايش مي دهند تا ولتاژ خازن به ميزان دلخواه يعني ولتاژ آزمايش برسد.
براي ولتاژهاي خيلي بالا لازم است چند رآکتانس به صورت سري وصل شوند. شکل ٣ يک نمونه رآکتور که براي تست باس بار پست گازي به محل پست حمل شده است را نشان مي دهد.
شکل ٣ : رآکتورهاي سري براي آزمايش باس بار پست گازي با استفاده از رزونانس سري
چند رآکتور مشابه را مي توان روي يکديگر قرار داد و ضمن ايجاد راکتانس بزرگتر، امکان ايجاد ولتاژ بيشتر را نيز فراهم نمود. طبيعي است که به دليل مسائل عايقي ، بر روي هر رآکتور تنها مقدار معيني ولتاژ افت مي کند.
٥ - رزونانس موازي
در رزونانس موازي جريان خازني باس بار توسط جريان سلفي يک يا چند رآکتور خنثي مي شود. اين رآکتور را مستقيما موازي با خازن C وصل نمي کنند، چون رآکتور فشارقوي معمولا سنگين و گران است . در صورتي که چنين رآکتوري موجود باشد، ديگر نيازي به ترانسفورماتور ولتاژ بالا که بتواند کل جريان آزمايش را تامين نمايد وجود ندارد.
استفاده از رآکتور در طرف ولتاژ پايين ترانسفورماتور مناسب است . شکل ٤ مدار آزمايش را نشان مي دهد.
شکل ٤ : مدار آزمايش با استفاده از رزونانس موازي يا جبران جريان خازني با کمک رآکتور
در صورتي که رآکتور L بتواند جريان خازن را به صورت کامل جبران نمايد، توان لازم براي منبع چندان زياد نخواهد بود و در حد تلفات مدار مي باشد. اغلب جبران سازي کامل در فرکانس ثابت مقدور نيست ، زيرا رآکتانس L را نمي توان به ميزان دلخواه تنظيم نمود.
٦ - استفاده از ترانسفورماتور کاسکاد
از آنجا که يک ترانسفورماتور با ولتاژ بسيار بالا (بيش از ٥٠٠ کيلوولت ) سنگين و حجيم است و براي حمل مناسب نمي باشد، از ترانسفورماتورهاي کاسکاد استفاده مي شود. در تست پست ٤٠٠ کيلوولت مورد نظر از دو ترانسفورماتور به صورت کاسکاد دوپله استفاده گرديد. در هر يک از اين دو ترانسفورماتور، ٤ راکتور وجود دارد که مي توانند به صورت سري و يا موازي با يکديگر وصل و سپس با سيم پيچ ولتاژ پايين يعني سيم پيچ تغذيه ، به صورت موازي متصل شوند.
وجود اين ٤ رآکتور و امکان اتصال سري و موازي آنها، جبران سازي در حد مناسب را فراهم مي سازد.
مدار کامل اتصال کاسکاد در شکلهاي ٥ و ٦ نمايش داده شده است و در شکل ٧، ساختمان داخلي يک ترانسفورماتور و رآکتورهاي آن ديده مي شوند. در شکل ٨ نيز نمايي از دو دستگاه ترانسفورماتور نصب شده در محل پست به نمايش در آمده است .
شکل ٥ : مدار کامل اتصال کاسکاد
شکل ٦ : مدار کامل اتصال کاسکاد
شکل ٧ : ساختمان داخلي يک ترانسفورماتور
شکل ٨ : نمايي از دو دستگاه ترانسفورماتور نصب شده در محل پست
