بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی هماهنگی عایقی در خطوط فشار قوي کابلی
واژههاي کلیدي: خطوط کابلی، اضافه ولتاژهاي موقت، اضافه ولتاژهاي کلید زنی
چکیده
در این مقاله هماهنگی عایقی در خطوط فشار قـوي کـابلی 400 kV بررسی می شود. در این بررسی شکل مـوج جریـان ضربه، خاصیت اندوکتانسی برقگیر و ولتـاژ سیسـتم مـد نظـر قرار گرفته است. اضافه ولتاژهاي موقـت ( TOV(temporary overvoltage و کلید زنی براي این خطوط از اهمیت خاصـی برخوردارند که با استفاده از PSCAD شبیه سازي شده انـد. از آنجا که این اضافه ولتاژها می تواند باعث آسیب دیـدن کابـل شود استفاده از برقگیر در کاهش این آسـیب هـا بسـیار مـوثر است که تاثیر برقگیر بر کاهش ایـن اضـافه ولتاژهـا در مکـان هاي مختلف مورد تحقیق قرار گرفته است .
-1 مقدمه
در نواحی پر تراکم شهري کـه احـداث خطـوط هـوایی بـا مشکلات عدیده اي روبروست، استفاده از خطـوط کـابلی بـه عنوان یک راه حل عملی مطرح شده و در سالهاي اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اسـت بـه طـوري کـه اسـتفاده از ایـن خطوط در سطوح ولتاژ بالا در حال گسـترشزم اسـت .[1] لااست که سیستم هاي کابلی زیرزمینی فشار قوي داراي تطـابقimpulse insulation level)و TOV لازم باشــند. اضــافه ولتاژهاي کلید زنی و صاعقه معمولا سریع میـرا مـی شـوند و مدت زمان کوتاهی دوام دارند. در مقابل TOV به کندي میـرا می شود و زمان نسبتا طـولانی تـري دارد. BIL کنـونی بـراي خطوط زیرزمینی کابلی با عایق روغن و سطح ولتاژکیلو400ولت 1425 kV است که با پالس 1.2/50 میکرو ثانیه مشخص شده است. به طور مشابه SIL موجود 1050 kV است کـه بـا یکی از پالس هاي 250/2500 یا 100/2300میکرو ثانیه تعیین می شود. براي تست TOV کابل باید در ولتـاژ حالـت دائمـی 1.67 U0+10kVبه مـدت 15 دقیقـه مقاومـت کنـد.[2] مـوج گذراي صاعقه به طور مستقیم بـا انتخـاب BIL رابطـه دارد و همواره بدترین حالت گذرا در نظر گرفته مـی شـود کـه ایـن انتخاب نمی تواند چندان صحیح باشد. حالـت گـذراي کلیـد زنی و ایجاد خطا در مجاورت دو انتهاي کابـل ممکـن اسـت باعث ایجاد ولتاژ بزرگی در آن طی مدت زمان کوتاهی شـود.
به منظور دست یابی به BIL مناسب، اضافه ولتـاژ کلیـد زنـی گذرا و TOV باید بررسی شوند تا اطمینان حاصل شـود کـه بیشترین ولتاژ مشاهده شده بعد از زمان صعود 1 تـا 2 میکـرو ثانیه ثبت می شود .[3] هـدف ایـن مقالـه تشـریح و بررسـی اضافه ولتاژهایی است که بر هماهنگی عـایقی کابلهـاي فشـار قوي موثر اند. علاوه بـر ایـن اضـافه ولتاژهـاي کلیـد زنـی و موقت (TOV) نیز بررسی شده اند.
-2 بررسی اضافه ولتاژها
تغییرات ناگهانی در ساختار شبکه الکتریکـی باعـث ایجـاد پدیده هاي متناوب گذرا می شود که این پدیده هـا منجـر بـه اضافه ولتاژ یا شکل موج غیر پریودیک بـا فرکـانس بـالا مـی گردد که با سرعت بالا صدماتی را ایجاد می کند. مقدار اضافه ولتاژ با ضریب قدرت مدار رابطه دارد. در ادامه به بررسی این رابطه پرداخته شده است.
-1-2 اضافه ولتاژ کلید زنی در بار عادي
بار عادي اصولا یک بار مقاومتی است یعنی ضریب قدرت آن بیش از 0/7 است. در این موارد قطع و یا وصل جریان بار مشکل چندانی را ایجاد نمی کند. در این حالت ضریب اضافه ولتاژ ( ولتاژ عملکرد نامی/دامنه اضافه ولتاژ) بـین 1.2 تـا 1.5متغیر است.
-2-2 اضافه ولتاژ ناشی از قطع و یـا وصـل جریـان
القایی
در هنگام قطع و وصل جریان در مدارهایی که بارهاي آنهـا ضریب توان کمی دارند (سلفی هستند)، جرقه هاي ایجاد شده در کنتاکت بسیار قوي تر از حـالتی هسـتند کـه بـار مقـاومتی است و باعث ایجاد اضافه ولتاژهاي به مراتب بیشتري در مدار می شوند.
شکل 1 یک منبع تغذیه را نشان مـی دهـد کـه بـاري را از طریق کلید تغذیه می کند. این مدار شامل:
- یک منبع سینوسی با اندوکتانس خازن
وکلید D موازي با المان هاي و
- بار القایی که خازن هاي پراکنده آن با نشان داده شده است.
- اندوکتانس خط که قابل اغماض است.
این مدار براي بررسی چگونگی ایجاد اضافه ولتاژها و میرا شدن آنها مفید است.
در هنگام باز شدن کلید، انرژي بـه تلـه افتـاده در ابتـدا بـر روي حلقه متشکل از سلف و خازن کلید اندکی میرا می شود.
این مسیر در شکل با خط ممتد نشان داده شده اسـت. بعـد از مدتی خازن هاي و نیـز وارد عمـل مـی شـوند و بـا کمک سلف پراکنده در خط انتقال روند میرایی را سرعت مـی بخشند.
-3-2 اضافه ولتاژ ناشی از کلید زنی در مدار خازنی
مدار خازنی به مداري کـه از بانـک خـازنی تشـکیل شـده است، اطـلاق مـی شـود. برقـدار کـردن بانـک هـاي خـازنی هنگامیکه داراي انرژي اولیـه هسـتند و حرکـت کلیـد آهسـته است، باعث ایجاد جرقه بین کنتاکت مـی شـود. نوسـان میـرا شونده سیستم LC بعد از کلید زنی رخ می دهد. فرکانس ایـن نوسان به طور کلی بسیار بیشـتر از فرکـانس سیسـتم اسـت و میرایـی ولتـاژ در مرکزیـت مقـدار پیـک مـوج قـرار دارد. در مواردي که سرعت بسته شدن کلید بیشتر است، جرقه به طور سیستماتیک در اطراف مقدار پیک قـرار نمـی گیـرد و مقـدار اضافه ولتاژ کمتر است.
-3 مدل سازي
به منظور مطالعه پدیده کلید زنی و اضافه ولتاژ گـذرا، لازم است که اجزاي به کار رفته در شبکه به شـکل مناسـبی مـدل گردند و در شبیه سازي به کار روند تا نتایج بـه دسـت آمـده براي آنها اعتبار کافی داشته باشد. مدل سازي اجـزاي سیسـتم در این بخش ارائه می شود.
منبع تغذیه: یک منبع ولتاژ 50 Hzبا ولتـاژ 400 kV (مـوثر خط به خط) و مقاومت داخلی کوچک که با اسـتفاده از کلیـد هاي قدرت به شین متصل شده است، کلید هاي قدرت: در محل اتصـال منبـع تغذیـه و خطـوط کابلی به شین و همچنین اتصال بارها از کلید هاي قدرت کـه قابلیت قطع در زیر بار را دارند استفاده شده است،
خطوط کابلی: یک خط انتقال کابلی دو مداره به طـول km 10 با ولتاژ نامی 400 kV بین منبع و بار در نظر گرفتـه شـده است. لازم به ذکر است که این خط یکپارچـه نبـوده و در 10 قسمت 1 کیلـومتري در نظـر گرفتـه شـده و هـر قسـمت بـا ترمینالهایی به هم متصل شده اند. محل اتصال هر دو قسـمت به یکـدیگر مـی توانـد بـراي نصـب برقگیـر و یـا تجهیـزات حفاظتی و کنترلی دیگر در نظر گرفته شود.
منبع تولید پالس: براي شبیه سازي پالس کلیـد زنـی و اضـافه ولتاژ موقت از منبع پالس استفاده شده است. منبع پالس کلید زنی و امپدانس موجی براي شبیه سازي ضربه وارد شده به خط کابلی به کار رفته است. معادله نمایی دو بخشی براي مدل کـردن منبـع ولتاژ ضربه کلید زنی مطابق معادله (1) می باشد.
(1)
پیک دامنه ضربه ولتاژ 1050 kV در نظر گرفتـه شـده کـه برابر با مقدار بیان شده در استاندارد است.[4]
شکل 2 نمایی کلی از سیستم مورد مطالعه را نشان می دهد.
شکل:2 نماي کلی سیستم مورد مطالعه
-4 شبیه سازي
محاسبات اضافه ولتاژهاي ناشی از کلیـد زنـی و TOV بـا استفاده از PSCAD به منظور مقایسه سطوح اضـافه ولتـاژ در مقایسه با (1.2/50) SIL و ولتاژ استقامت نامی (به مدت یـک دقیقه) انجام پذیرفته است. ولتاژ اسـتقامت نـامی ضـربه کلیـد زنی در 1050 kV ثابت شده است و ولتاژ اسـتقامت نیـز kV 460 در نظر گرفته شده است. کلید هاي استفاده شده در شبیه سازي شامل کلید هاي با عایق گـازي((GIS و کلیـد هـاي بـا عایق هوا((AIS می باشند. همچنین بارهاي تغذیه شده توسط سیستم با ضریب توان 0.7 در نظـر گرفتـه شـده انـد. مراحـل مختلف در نظر گرفته شده براي شبیه سازي در بخـش بعـدي تشریح شده است.
-1-4 کلید زنی کابل
دو حالت کلید زنی شامل بستن ( برقدار کردن آن) و باز شدن کلید ( بی برق شدن آن) مورد توجه قرار داده شـده اسـت. هـر دوي این حالت ها مربوط به بریکر ها می باشد. در حالت برقدار کردن فرض بر این است که قبل از برقدار کردن ولتاژ اولیه در دو انتهاي کابل صفر است. در حالت بی برق کردن نیز فرض بر این است که انرژي به تله افتاده بر روي کابل تخلیه می شود و تاثیري بر کلید زنی ندارد (شکل -3الف).
-2-4 اضافه ولتاژهاي موقت
به جاي شبیه سازي حالت هاي مختلف TOV یک حالـت معمولی براي کابل قابل استفاده است. چنانچه عایق کابـل بـه طور محسوسی قابلیـت اسـتقامت بیشـتري نسـبت بـه سـایر تجهیزات فشـار قـوي دارد. جهـت کنتـرل قابلیـت اسـتقامت تجهیزات فشار قوي مانند برقگیرها مهم است. اگر یک برقگیر در انتهاي کابل قرار داده شود، توانایی آن در برابر TOV بایـد بررسی شود.[5]
-3-4 ایجاد خطا
خطاي تک فاز به زمین در باسبار نزدیک به انتهاي قسـمتی کابلی، (cable sealing end ) CSE، شبیه سازي شـده اسـت.
براي شبیه سازي بدترین حالت، رخداد خطا هنگامی که ولتاژ در انتهاي خط کابلی حـدود -1.05 پریونیـت اسـت، در نظـر گرفته می شود. این مطالعه پاسخ گذرا و رابطه آن با فرو پاشی ولتاژ اولیه در طول 20 میکـرو ثانیـه اول را بررسـی مـی کنـد
(شکل -3ب). همچنین محل رخداد خطا نیـز بـر روي نتـایج تاثیر گذار است که در این مقاله، نتایج ایجاد خطا در سه محل متفاوت ذکر شده است.
4-4 تاثیر برقگیر
وجود برقگیر می تواند نقش مخـرب اضـافه ولتاژهـا را تـا حدود نسبتا خوبی تعدیل کند. محل قـرار گـرفتن برقگیـر در حسن عملکرد آن بسیار تعیین کننده اسـت [7]، امـا در اینجـا فقط حالتی که دو برقگیر مانند شکل 4 در دو انتهـاي خطـوط کابلی واقع شده اند، بررسی می شود. برقگیرها می توانند در دو انتهاي خط هوایی نیز واقع شوند که در این حالت تحلیـل سیستم و معادلات آنها تغییراتی را شامل خواهد شد.
-5 نتایج شبیه سازي
بر اساس آنچه که در بخش 3 ذکر شد، شـبیه سـازي هـا انجام شده است. لازم است این نکته بیان شود که در خطـوط کابلی بعلت خاصیت زیاد خازنی کابل استفاده از جبرانسـازها براي مسافت هاي طولانی ضروري است. امـا در اینجـا طـول کابل چندان زیاد نیست و احتیاجی به جبرانسـاز نمـی باشـد. براي شـبیه سـازي کلیـد زنـی از منبـع پـالس کلیـد زنـی بـا مشخصات استاندار استفاده شده است.
