مقاله بررسی عملکرد خطوط انتقال هوایی در مقابل صاعقه با درنظر گرفتن اثر آلودگی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسي عملکرد خطوط انتقال هوايي در مقابل صاعقه با درنظر گرفتن اثر آلودگي
چکيده —اين مقاله به بررسي عملکرد خطوط انتقال هوايي در مقابل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي بر خطاي صاعقه پرداخته است .
روش پيشنهادي مبتني بر بررسي اثر نامطلوبي است که آلودگي بر عملکرد مطلوب زنجيره مقره هاي خطوط انتقال گذاشته و به تبع آن کارايي مطلوب خطوط انتقال را کاهش مي دهد. در اين روش ابتدا اثر شدت آلودگي بر مقره هاي انتخابي با ابعاد مشخص بررسي شده و ولتاژ شکست مقره هاي انتخابي به ازاي مقادير مختلف شدت آلودگي و همچنين در حالت عدم وجود آلودگي بدست مي آيد. سپس با سري کردن تعداد معيني مقره ، زنجيره مقره هايي با استقامت عايقي تعريف شده براي هر سطح ولتاژ بدست مي آيند. در نهايت ، با توجه به تغيير استقامت عايقي زنجيره مقره با شدت آلودگي ، نرخ خطاي صاعقه به ازاي مقادير مختلف شدت آلودگي محاسبه مي شود.
واژه هاي کليدي —شدت آلودگي ؛ استقامت عايقي زنجيره مقره ؛ نرخ خطاي صاعقه

١. مقدمه
به دليل افزايش روزافزون تقاضاي انرژي الکتريکي و گستردگي جغرافيايي مصرف کنندگان از يک سو و محدوديت در تعداد و محل احداث منابع توليد انرژي الکتريکي (نيروگاه ها) از سوي ديگر، شرکت هاي برق ناگزير به احداث خطوط انتقال با طول زياد براي انتقال انرژي الکتريکي از محل توليد به محل مصرف هستند. علاوه بر هادي هاي خطوط انتقال که وظيفه اصلي را در برقراري جريان در مسير مطلوب دارند، نقش و اهميت زنجيره مقره ها به عنوان عامل جلوگيري کننده از نشت جريان در مسيرهاي ناخواسته از اهميت بالايي برخوردار است . عملکرد مطلوب زنجيره مقره هاي خطوط انتقال منجر به افزايش قابليت اطمينان ، ايمني سيستم و انتقال پيوسته انرژي الکتريکي ميشود. خطوط انتقال در مسير خود از مناطق با شرايط جغرافيايي مختلف عبور ميکنند که اين مناطق از لحاظ ميزان بارندگي ، وزش باد و طوفان و آلودگي هاي صنعتي با هم متفاوت هستند . از انجا که آلودگي هاي محيطي بر عملکرد مطلوب زنجيره مقره ها تاثير مي گذارند؛ ممکن است کارايي مورد انتظار خطوط انتقال در مناطق آلوده دچار تغيير شود. يکي از عواملي که باعث آسيب به خطوط انتقال و قطعي هاي ناخواسته در سيستم مي شود صاعقه است . صاعقه مي تواند در زمان بسيار کوتاه اضافه ولتاژهاي بسيار زيادي در خطوط انتقال ايجاد کرده و باعث تحميل صدمات سنگيني به خطوط انتقال شود. چون استقامت عايقي زنجيره مقره فاکتور مهمي در عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه است بررسي عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي مي تواند در بهبود کارايي سيستم انتقال عبوري از مناطق آلوده تاثير مهمي داشته باشد.
بررسي عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي شامل دو مرحله مي شود. در مرحله اول لازم است عملکرد مقره ها با توجه به شدت آلودگيهاي مختلف مورد ارزيابي قرار گرفته و ولتاژ شکست مقره ها بدست آيد و در مرحله دوم نرخ خطاي صاعقه که شامل دو بخش خطاي سيم گارد SFFOR(F P) و خطاي
صاعقه برگشتي BFR(F P) است را با توجه به ولتاژ شکست زنجيره مقره آلوده محاسبه نمود.

بررسي عملکرد خطوط انتقال هوايي در مقابل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي
بيست و هشتمين کنفرانس بين المللي برق – ١٣٩٢ تهران ، ايران
در سال هاي اخير محققان زيادي در زمينه تعريف آلودگي ، تقسيم بندي نواحي با توجه به شرايط جغرافيايي و شدت آلودگي و مدل سازي مقره آلوده کارهاي زيادي انجام دادهاند. تقسيم بندي انواع نواحي آلوده از نقطه نظر شرايط جغرافيايي و راه هاي کاهش اثر آلودگي در [١] بيان شده است .
در [٢] روش اندازه گيري شدت آلودگي بر اساس ميزان نمک ته نشين شده
(ESDD) ارائه شده و همچنين ولتاژ شکست مقره تحت ولتاژ DC مورد بررسي قرار گرفته است . عملکرد ايزولاتور تحت شرايط آلوده ، معادلات مربوط به ولتاژ شکست مقره آلوده و تقسيم بندي محيط هاي آلوده بر اساس شدت آلودگي در [٣] بررسي شده است . در [٥-٤] هم مدل سازي مقره آلوده انجام شده و ولتاژ شکست چند نوع مقره با مشخصه هاي مختلف و به ازاي مقادير مختلف شدت آلودگي بدست آمده است . براي بدست آوردن نرخ خطاي صاعقه (LFOR) روش هاي متفاوتي در مقاله ها و تحقيق هاي مختلف ارائه شده است . در [٦] مقادير SFFOR و BFR با استفاده از شبکه هاي عصبي بدست آمدهاند. در [٧] براي بدست آوردن مقدار BFR از روش شبيه سازي مونت کارلو استفاده شده است . يک روش ساده شده نيز براي محاسبه مقادير فوق در [٨] ارائه شده است . نويسندگان [٩] علاوه بر محاسبه مقادير خطاي صاعقه يک روش بهينه سازي نيز براي رسيدن به کمترين تعداد قطعي با کمترين هزينه ارائه کردهاند و از نرم افزار EMTP در
[١٠] براي تجزيه و تحليل عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه استفاده شده است .
در اين مقاله ، روش استفاده شده مبتني بر بدست آوردن ولتاژ شکست مقره ها با ابعاد مشخص به ازاي مقادير مختلف شدت آلودگي و استفاده از روش سري کردن اين مقره ها براي رسيدن به زنجيره مقره با استقامت عايقي مشخص براي هر سطح ولتاژ مي باشد. سپس با استفاده از استقامت عايقي زنجيره مقره آلوده ، به بررسي عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه پرداخته و مقدار SFFOR و BFR را محاسبه کرده و عملکرد خطوط انتقال يکسان در دو حالت با در نظر گرفتن و بدون در نظر نگرفتن اثر آلودگي با هم مقايسه شده است .
٢.آلودگي
در سال هاي اخير تقاضاي انرژي الکتريکي از سوي مصرف کنندگان بطور قابل ملاحظه اي افزايش پيدا کرده است و براي پاسخگويي به اين تقاضا، شرکت هاي برق بر آن شدند که عملکرد سيستم انتقال خود را بهبود بخشند. از طرف ديگر کارايي سيستم مبتني بر پيوستگي سرويس دهي و اجتناب از بروز خطاهايي که منجر به ضرر و زيان شرکت هاي برق و
مصرف کننده ها شود، مي باشد. براي حفظ پيوستگي سرويس دهي يکي از مهمترين مسائل پيش رو اثري است که آلودگي بر روي زنجيره مقره هاي خطوط انتقال مي گذارد، که در نهايت مي تواند منجر به شکست عايقي زنجيره مقره شود. در صورت ته نشين شدن آلودگي بر روي سطح زنجيره مقره و ترکيب آن با رطوبت ناشي از باران ، شبنم و يا مه لايهاي بر روي سطح زنجيره مقره تشکيل مي شود که مي تواند رسانا شده و شرايط بروز اتصال کوتاه را تسهيل کند. به همين دليل شرکت هاي برق براي سرويس دهي با کيفيت به مصرف کنندگان بايد از قطعي هاي ايجاد شده توسط زنجيره مقره هاي آلوده جلوگيري کنند.
شرايط آب و هوايي يک منطقه و همچنين منبع آلودگي بيانگر ميزان و نوع آلودگي هر منطقه مي باشند، ولي به طور کلي آلودگي ها را مي توان براساس نوع منبع آلودگي به سه دسته اصلي تقسيم کرد [١].
آلودگي هاي صنعتي : با توسعه روزافزون بخش صنعت ، آلايندههايي از قبيل دود، گرد و خاک و ذرات ديگر توليد و در هوا معلق ميشوند. اين ذرات توسط نيروي باد به مناطقي که خطوط انتقال انرژي الکتريکي از آن ميگذرد، پراکنده ميشوند. اين ذرات تحتتاثير سه فاکتور نيروي باد، وزن و ميدانهاي الکتريکي بر روي زنجيره مقره ها تهنشين شده و يک لايهي آلاينده ايجاد ميکنن د.
آلودگي هاي بياباني : عناصر غالب اين نوع آلودگي عبارتند از: شن و گستردگي آن و گرد و غبار نمکي موجود در اتمسفر. در نواحي بياباني تندباد باعث جابهجايي ذرات معلق در هوا با سرعت زياد ميشود، اين ذرات در اثر برخورد به سطح زنجيره مقره ها باعث فرسايش آن ميشوند. همچنين طوفان شن يک عامل مهم است که منجر به کاهش قابليت اطمينان زنجيره مقره ه ا در مناطق بياباني ميشود. بدترين شرايط در اين مناطق وقتي اتفاق ميافتد که طوفان همراه با رطوبت زياد و يا هواي باراني اتفاق بيفتد.
آلودگي هاي دريايي : زنجيره مقرههايي که در نواحي ساحلي قرار دارند ميتوانند با تشکيل لايه هادي روي سطح آنها رسان ا شوند. اين لايهها مي توانند توسط تهنشين شدن نمک معلق در محيط توسط حرکت باد بر روي زنجيره مقره ها ايجاد شوند. ذرات تهنشين شده بر روي زنجيره مقرهها در هواي خشک خطري ندارند، اما مشکل زماني ايجاد ميشود که هوا باراني و يا مه آلود باشد. در اين حالت لايه آلودگي ميتواند رسانا شود و وابسته به ميزان نمکي که لايه آلوده را تشکيل داده است ، اين رسانايي متغير است .
2

بررسي عملکرد خطوط انتقال هوايي در مقا
بيست و هشتمين کنفرانس بين المل
در طراحي و بهره برداري از خطوط انتقال رعايت سه فاکتور: انتخاب درست نوع زنجيره مقره ، نگهداري مناسب زنجيره مقره و حذف يا کاهش اثر منبع آلودگي مي تواند اثر مخرب آلودگي را به ميزان قابل توجهي کاهش دهد ولي لازم به ذکر است که فاکتور حذف يا کاهش اثر منبع آلودگي بيشتر در مناطق با آلودگي صنعتي قابل اجرا است .
٢,١. ارزيابي شدت آلودگي
براي اندازهگيري ميزان آلودگي روشهاي متعددي وجود دارد که يکي از اين روشها موسوم به روش چگالي معادل نمک تهنشين شده (ESDD)
است که روش خيلي مرسوم براي مشخصکردن کيفيت و مقدار آلودگي درسطح زنجيره مقره است . در اين روش آلودگي روي سطح زنجيره مقره توسط يک پارچه تميز کتاني و يا قلمموي نقاشي جمعآوري شده و در ١٠٠ ميلي ليتر آب مقطر حل ميشود . پس از آن رسانايي محلول توسط دستگاه هاي اندازهگيري مشخص ميشود و دماي محلول نيز ثبت ميشود.
رسانايي اندازهگيري در دماهاي مختلف توسط (١) به دماي ٢٠ درجه سانتيگراد تبديل ميشود [٢].
که در آن R σR٢٠ضريب هدايت حجمي در دماي ٢٠ درجه ، R σRθضريب هدايت Rحجمي در دماي مشخص ، θ دماي مورد نظر و b ضريب وابسته

دمايي که مقدار آن براي دماهاي مختلف در «جدول ١» داده شده است .
جدول ١: فاکتور وابستگي دمايي در دماهاي مختلف

شوري محلول ، SRaR ، توسط (٢) بدست ميآيد.

در نهايت چگالي معادل نمک تهنشين شده بر حسب mg.cmP2P با استفاده از (٣) محاسبه ميشود.

بل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي
لي برق – ١٣٩٢ تهران ، ايران
در اين رابطه V حجم محلول برحسب cmPP٣ و A سطح تميز شده از مقره بر حسب cmPP٢ مي باشد.
مهمترين عيب وارد ب ه روش ESDD اين است که زنجيره مقره بايد براي اندازهگيري از خط جدا شود و همچنين سطح ورزيدگي پرسنل و دقت محاسبات ميداني بر نتيجه آن تاثير ميگذارد.
علاوه بر تقسيمبندي آلودگي بر مبناي منبع آلودگي ، آلودگي ها براساس شدت آلودگي (ESDD) نيز توسط استانداردهاي مختلف تقسيم بندي شده اند. فاکتورهاي مهم در اين تقسيم بندي تراکم کارخانه ها و مناطق مسکوني ، دوري و نزديکي از دريا و همچنين وزش باد و بارش باران در منطقه مي باشد [٣]. تقسيم بندي آلودگي ها بر اساس شدت آلودگي توسط استانداردهاي مختلف در «جدول ٢» نشان داده شده است [١١].
جدول ٢: تقسيم بندي مناطق آلوده بر اساس شدت آلودگي (ESDD)

٠.٤٨< فوق العاده
٢,٢. مدلسازي مقره آلوده
براي مدلسازي مقره آلوده همانطور که در «شکل ١» نشان داده شده است از يک قوس الکتريکي سري با مقاومت لايه آلوده استفاده شده است ، بنابراين ولتاژ در طول مقره با استفاده از (٤) محاسبه مي شود [٣].

در اين رابطه x طول کمان ، L فاصله خزشي مقره ، RRpR مقاومت لايه آلوده ، I جريان نشتي و K ضريب مربوط به لايه آلوده است .
A و n ثابت هاي کمان هستند که در مراجع مختلف مقادير متفاوتي براي آنها بيان شده است [١٢].
3

بررسي عملکرد خطوط انتقال هوايي در مقابل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي
بيست و هشتمين کنفرانس بين المللي برق – ١٣٩٢ تهران ، ايران

شکل ١: مدل مقره آلوده
براي محاسبه ولتاژ شکست مقره آلوده از روابط زير استفاده شده است [٣].

در (٥)، DRmR حداکثر قطر زنجيره مقره و R σRsضريب هدايت سطحي است که R Rاز (٦) بدست مي آيد.

K ضريب مربوط به مقاومت لايه آلوده و R شعاع کمان هستند که از (٧) و (٨) محاسبه مي شوند.

F در (٥) و (٧) ضريب شکل مقره است .
در اين مقاله براي محاسبه (٥)، از چند نوع مقره با ابعاد و مشخصات ارائه شده در «جدول ٣» استفاده شده است [٤].
جدول ٣: ابعاد و مشخصات استفاده شده براي محاسبه ولتاژ شکست

براي محاسبه ولتاژ شکست مقره آلوده ، مقدار شدت آلودگي از استاندارد
IEEE ارائه شده در «جدول ٢» انتخاب و نقطه مياني بازه معرفي شده براي هر سطح آلودگي به عنوان نماينده آن نوع آلودگي انتخاب شده است .
همچنين براي بررسي رفتار مقره در حالت عدم حضور آلودگي مقدار
ESDD برابر مقدار کوچکي (در اينجا ٠.٠٠١) در نظر گرفته شده است .
مقادير حاصله براي ولتاژ شکست انواع انتخابي مقره و شدت آلودگي انتخابي در «جدول ٤» آورده شده است .
جدول ٤: مقادير بدست آمده براي ولتاژ شکست انواع مقره

نتايج بدست آمده نشان دهنده کاهش ولتاژ شکست مقره با افزايش آلودگي مي باشد؛ بنابراين بايد در خطوط انتقال عبوري از مناطق آلوده به اين موضوع توجه جدي شود.
٣.بررسي عملکرد خطوط در مقابل صاعقه
صاعقه يکي از عواملي است که چون در زمان هاي بسيار کم اضافه ولتاژهاي بزرگي به سيستم انتقال تحميل مي کند، مي تواند باعث قطعي در سيستم و آسيب به تجهيزات خطوط انتقال شود. هنگام اصابت صاعقه به خط انتقال ما با دو نوع خطا مواجه هستيم : خطاي سيم گارد (SFFOR) و خطاي صاعقه برگشتي (BFR). بسته به دامنه جريان موج صاعقه و عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه ممکن است هر يک از اين خطاها در سيستم انتقال اتفاق بيفتد.
٣,١. محاسبه SFFOR با حضور آلودگي
4

بررسي عملکرد خطوط انتقال هوايي در مقابل صاعقه با در نظر گرفتن اثر آلودگي
بيست و هشتمين کنفرانس بين المللي برق – ١٣٩٢ تهران ، ايران
يکي از فاکتورهايي که براي بهبود عملکرد خطوط انتقال در مقابل صاعقه بکار گرفته مي شود استفاده از سيم حفاظتي يا سيم گارد Pاست . سيم
F
گارد در بالاي هادي هاي فاز قرار گرفته و با ايجاد يک چتر حفاظتي از برخورد مستقيم صاعقه به هادي هاي فاز جلوگيري مي کند. اگر صاعقه از چتر حفاظتي سيم گارد عبور کند و به هادي هاي فاز برخورد کند، موج صاعقه به دو موج تبديل شده و در دو جهت نقطه برخورد در هادي هاي فاز جريان پيدا مي کند تا به زنجيره مقره هاي خط انتقال برسد. در اين حالت اگر استقامت عايقي زنجيره مقره از اضافه ولتاژ ايجاد شده توسط صاعقه کمتر باشد در آن شکست عايقي اتفاق افتاده که به اين نوع خطا، خطاي سيم گارد مي گويند. براي محاسبه SFFOR از (٩) استفاده مي شود [٦].

در (٩)، L طول خط انتقال ، DRR برابر فاصله اي است که اگر صاعقه به

آن برسد حتما به هادي هاي فاز برخورد مي کند که اين موضوع در «شکل ٢» با توجه به محل قرار گرفتن هدي هاي فاز و سيم گارد نشان داده شده است
[١٣]، NRR برابر چگالي صاعقه هاي برخورد به زمين GFD(F P)،f)I( تابع

توزيع لگاريتمي نرمال براي جريال صاعقه ، IR R حداکثر جريان صاعقه اي

که مي تواند باعث خطاي سيم گارد شود و IRcR حداقل جرياني است که باعث
بروز خطاي سيم گارد مي شود [٨].