بخشی از مقاله
چکيده
جريان هجومي تقريبا به صورت يک سويه و هنگامي که ترانسفورماتور برقدار مي شود، به وجود مي آيد. گاهي اوقات مقدار اين جريان گذرا از جريان بار کامل تجاوز مي کند و ممکن است به ٨ تا ١٠ برابر جريان بار کامل برسد.اين جريان شديدا به مقدار پس ماند وابسته است . پس ماند مي تواند جريان هجومي را افزايش و يا کاهش دهد و باعث اشکال در سيستم هاي حفاظتي و تنش هاي مکانيکي و الکتريکي در ترانسفورماتورها شود. شکل موج ولتاژ و لحظه بسته شدن کليد و اندازه و جهت پس ماند مغناطيسي به طولاني شدن زمان گذراي اين پديده کمک مي کند. جريان هجومي يک جريان غير سينوسي با هارمونيک بالا است و باعث به اشباع رفتن کامل هسته ترانسفورماتور وخطا در عملکرد رله هاي حفاظتي ، فيوزها و آسيب رساندن به سيم پيچ هاي ترانسفورماتور مي شود. در صورتي که چند ترانسفورماتور به سيستم متصل باشند ممکن است مقدار و مدت زمان جريان هجومي به طور قابل ملاحظه اي تغيير کند. جريان هجومي بر کل سيستم قدرت تاثير مي گذارد.اما به طور کلي بر ترانسفورماتور ،حفاظت ترانسفورماتور، کيفيت توان و تجهيزات متصل به ترانسفورماتور تاثير بيشتري دارد.پروفيل ولتاژ در يک خط انتقال از پايانه فرستنده به پايانه گيرنده رو به کاهش است . افت ولتاژ در يک خط انتقال AC تقريبا با ميزان جريان راکتيو که از خط عبور مي کند و همچنين با راکتانس خط رابطه دارد. در صورتي که چند ترانسفورماتور به سيستم متصل باشند ،مقدار و مدت زمان جريان هجومي به طور قابل ملاحظه اي تغيير کند. اين اتفاق به علت جريان هجومي ترانسفورماتور در سرويس و اشباع هسته آنها ايجاد مي شود.
بين ترانسفورماتورهاي برقدار و ترانسفورماتورهايي که وارد مدار مي شوند اثر متقابلي برقرار است . که ممکن است باعث طولاني تر شدن جريان هجومي شود.جريان هاي مغناطيس گذرا با مقدار زياد نه تنها در ترانسفورماتورکه وارد مدار مي شوند بلکه در ديگر ترانسفورماتور موازي با سيستم نيز به وجود مي آيد.
واژه هاي کليدي : سيستم حفاظتي ، جريان هجومي ، روش عصبي ، شارپسماند،کنترل سوئچينگ ،هارمونيک دوم
١- مقدمه :
جريان هجومي ترانسفورماتور يک جريان گذرا است که در اثر کليدزني ترانسفورماتور بدون بار بوجود مي آيد. گاهي اوقات مقدار اين جريان گذرا از جريان بار کامل تجاوز مي کند و ممکن است به ٨ تا ١٠ برابر جريان بار کامل برسد[١]. براي هر ترانسفورماتور اين جريان گذرا بستگي به اندازه ولتاژ منبع تغذيه در لحظه برق دار شدن ترانسفورماتور، شارپسماند هسته و امپدانس مدار تغذيه دارد[٢]. کليدزني بار و اتصال کوتاهها نيز باعث ايجاد گذراهايي در جريان و ولتاژ شبکه مي گردند[٤].
جريان هجومي در سال ١٩١٢ شناسايي شده است ، و از آن زمان تاکنون راه حلهايي متفاوتي براي کاهش آن پيشنهاد شده است .
اين جريان يک جريان غير سينوسي با هارمونيک بالا است و باعث به اشباع رفتن کامل هسته ترانسفورماتور وخطا در عملکرد رله هاي حفاظتي ، فيوزها و آسيب رساندن به سيم پيچ هاي ترانسفورماتور مي شود. جريان هجومي ترانسفورماتور، اثرات مخربي روي ترانسفورماتور و ساير تجهيزات موجود درشبکه دارد. هرچه ميزان اين جرايان ازلحاظ اندازه و زمان بيشتر باشد اثراتش بمراتب مشهود تراست .جريان هجومي ترانسفورماتور يک جريان گذرا است که عمدتا هنگام برقدار کردن ترانسفور ماتور رخ مي دهد، گرچه برخي عوامل ديگر نظير رعد و برق و کليد زني و فالت هاي نزديک ترانسفورماتور نيز مي توانند باعث ايجاد جريان هجومي در ترانسفورماتور شوند. حداکثر دامنه جريان هجومي در ترانسفورماتورهاي قدرت معمولي حدود ١٠ برابر جريان نامي و گاه حتي تا ٣٠ برابر جريان نامي باتوجه به ساختمان ترانسفورماتور، موقعيت آن در شبکه قدرت و شرايط کليد زني ميرسد. مدت عبور جريان هجومي تا ميرايي کامل در ترانسفورماتورهاي مختلف با توجه به زاويه موج ولتاژ در لحضه وصل ترانسفورماتور، مقدار و پلاريته فوران پس ماند، خواص مغناطيسي ترانسفورماتور، مقاومت الکتريکي ، تلفات مدار و فرکانس حدود ١٠ سيکل تا ١ دقيقه وگاهي نيز بيشتر به طول مي انجامد. جريان هجومي به ابعاد هسته ،سيم پيچ هاي ترانسفورماتور و فواصل بين آنها، نوع آهن مورد استفاده در هسته ، چگالي اشباع هسته ، مشخصات شبکه قدرت ، مقاومت و اندوکتانس خطوط تغذيه ، ميزان پلاريته فوران پسماند هسته ، زاويه موج ولتاژ در لحظه برقدار شدن ترانسفورماتور بستگي دارد.
٢- حالت مانا و اشباع در جريان هجومي
ترانسفورماتور يکي از اجزاء مهم در سيستم هاي قدرت مي باشد.وقتي که اوليه ترانسفورماتور قدرت برقدار و ثانويه آن باز باشد، ترانسفورماتور قدرت مانند يک سلف عمل مي کند. هنگامي که ترانسفورماتور برقدار مي شود. فلوي مغناطيسي هم دامنه با ولتاژ در هسته جاري مي شود، فلوي مغناطيسي به سمت پيک خود يعني ARS مي رود. از اين رو در در لحظه اي که ولتاژ صفر است ، حالت پايدار شارمغناطيسي در حداکثر پيک منفي (٩٠ درجه منفي ) قرار دارد، شکل [١]. به دليل اينکه ، شار مغناطيسي قبل از قطع کليد با شار مغناطيسي خطوط هنگام وصل متفاوت خواهند بود. ممکن است که در لحظه کليد زني ولتاژ ترانسفورماتور در حالت پايدارنباشد و پس از مدت زمان محدود، شارمغناطيسي بسته به سرعت مدار در ترانسفورماتور به حالت پايدارخود برسد. بر اساس قانون القاي الکترومغناطيسي فاراده ولتاژ القاء شده در سيم پيچ برابر با FRBC..MTLB. مي باشد.که در آن I شار هسته است . از اين رو شار از ولتاژ تفکيک ناپذير خواهد بود .اگر ترانسفورماتور در لحظه اي که ولتاژ صفر است برقدار شود و شار مغناطيسي نيز از همان نقطه شروع شود،مقدار شار درپايان نيم سيکل اول ولتاژ صفر مي شود. حداکثر مقدار جريان حالت ماندگار(مانا) I N است . اگر شار هسته ترانسفورماتور بيشتر از حالت مانا باشد شار اشباع است .
از انجايي حداکثر مقدار جريان حالت پايدار φm است . به طور کلي فوران پايدار هسته ترانسفورماتور بالاتر از حداکثر مقدار شار اشباع است . .اما درشکل (٢) در هنگام سوئيچينگ ، شار در ترانسفورماتور به حداکثر مقدار خود که دو برابر حالت پايدار است مي رسد. بعد از اينکه شار به حداکثر مقدار ثابت خود رسيد هسته اشباع مي شود و جريان مورد نياز براي توليد شار بسيار زياد خواهد بود.پس اوليه ترانسفورماتور جريان بسيار زيادي از منبع مي کشد که آن را جريان هجومي مغناطيس کننده ترانسفورماتور يا جريان هجومي در ترانسفورماتور مي نامند.
آنچه که مشخص است اين است که جريان هجومي در يک ترانسفورماتور با اشباع در هسته ترانسفورماتور توليد مي شود. اين جريان تقريبا به صورت يک سويه و هنگامي که ترانسفورماتور برقدار مي شود به حداکثر مقدار خود در نيم سيکل اول مي رسد و سپس کاهش مي يابد تا شرايط مغناطيسي پايدار و نرمال در ترانسفورماتور ايجاد شود. جريانهاي هجومي در هنگام برقدار بودن ترانسفورماتور رخ مي دهند که انواع آن عبارت از جريانهاي هجومي بازيابي ، جريان هجومي وابسته ، جريان هجومي برخورد صاعقه مي باشند.
٣- محاسبه جريان هجومي
يکي از محاسباتي اوليه براي تعيين مقدارحداکثر جريان هجومي که توسط Specht ارائه شده است :[١١،١٢]
(3)
E= ولتاژ منبع است
X= راکتانس سيستم ترانسفورماتور است
R = مقاومت سيم پيچ ترانسفورماتور
Z= امپدانس ترانسفورماتور
زاويه θ توسط معادله زير مشخص مي شود:
(4)
BS = چگالي شار اشباع هسته
BR= چگالي شار پسماند
BM = حداکثر چگالي شار تحريک ترانسفورماتور در ولتاژ نامي
Holcomb نسخه بهبود يافته معادله Specht است که مي تواند شکل موج جريان هجومي و مقدار آن را در هر سيکل با زمان تعيين کنيد:[١٣]
(5)
که در آن Ψ زاويه بين فاز ولتاژ و جريان است تعيين بردار با معادله زير مشخص مي شود:
(6)
زاويه θ SN براي هرسيکل با معادله زير مشخص شده است .
BSN چگالي شار پسماند براي هر سيکل [١٢] است :
٤- تاثير جريان هجومي بر ترانسفورماتورهاي قدرت
جريان هجومي بر کل سيستم قدرت تاثير مي گذارد.اما به طور کلي بر ترانسفورماتور ،حفاظت ترانسفورماتور، کيفيت توان و تجهيزات متصل به ترانسفورماتور تاثير بيشتري دارد[٧،١٤،١٥].پروفيل ولتاژ در يک خط انتقال از پايانه فرستنده به پايانه گيرنده رو به کاهش است . افت ولتاژ در يک خط انتقال AC تقريبا با ميزان جريان راکتيو که از خط عبور مي کند و همچنين با راکتانس خط رابطه دارد. راکتانس خط با طول خط نسبت مستقيم داشته و با افزايش طول خط ميزان آن افزايش مي يابد.عبور مقدار زيادي جريان از خطوط بلند باعث افت شديد ولتاژ در سمت مصرف کننده مي شود که باعث مي شود مصرف کننده ها جريان بيشتري بکشند. جريان اضافي باعث عبور بيشتر جريان راکتيو شده که باعث افت ولتاژ مجدد در مصرف کننده مي شود با ادامه اين پروسه شبکه يا بخشي از آن دچار فروپاشي ولتاژي مي شود. اشباع هسته ترانسفورماتور ناشي از جريان هجومي مي تواند مقدار زيادي
جريان در ترانسفورماتور توليد کند. اين يک ارتباط بين ورودي هاي ترانسفورماتور و ترانسفورماتور است که مي تواند باعث ايجاد جريان هجومي در ترانسفورماتور شود.اين جريان به نوبه خود باعث ايجاد عملکرد نادرست رله ديفرانسيل ، اضافه ولتاژ و ايجاد هارمونيک موقت طولاني مدت در سيستم مي شوند. در سيستمهاي با مقاومت سري زياد ممکن است يک تداخل گذرا بين ورودي
و ترانسفورماتور به وجود بيايد. در اتصال ترانسفورماتور به شبکه ، شار مغناطيسي و جريان بلافاصله مقادير و شکل دائمي خود را پيدا نمي کنند بلکه مدتي طول مي کشد تا اين حالت گذرا که از لحظه بعد بسته شدن کليد حادث مي شود، پس از نوساناتي بحالت عادي با رژيم دائمي خود ميل کنند. شکل موج ولتاژ و لحظه بسته شدن کليد و اندازه و جهت پس ماند مغناطيسي به طولاني شدن زمان گذراي اين پديده کمک مي کند. بطوريکه در لحظه اول بسته شدن کليد، دامنه جريان در اوليه چندين برابر جريان نامي ترانسفورماتور مي باشد. جريان هجومي يک جريان گذرا است که با اشباع هسته ترانسفورماتور توليد مي شود.اين جريان که تقريبا داراي مشخصه يکسويه است ، هنگام برقدارشدن ترانسفورماتور ايجاد مي شود و در نيم سيکل اول به حداکثر مقدار خود مي رسد و سپس افت مي کند تا هنگامي که شرايط مغناطيسي مانا در ترانسفورماتور ايجاد شود.
مقدار و مدت زمان جريان هجومي به عوامل زير وابسته است .
١- نقطه اي از موج ولتاژ که در آن ترانسفورماتور در آن برقدار مي شود.
٢- شار پسماند در هسته ترانسفورماتور با توجه به نيم سيکل اول حالت مانا شار
٣- اشباع يا حداکثر شار چگالي مواد فرومغناطيس هسته ترانسفورماتور
٤- امپدانس کل مدار که از طريق آن جريان هجومي جريان مي يابد.
٥- جريان هجومي در ترانسهاي موازي
حالات بالا وقتي که يک ترانسفورماتور با جريان گذرا وارد مدار مي شود درست است . اما در صورتي که چند ترانسفورماتور به سيستم متصل باشند ممکن است مقدار و مدت زمان جريان هجومي به طور قابل ملاحظه اي تغيير کند[٨]. اين اتفاق به علت جريان هجومي ترانسفورماتور در سرويس و اشباع هسته آنها ايجاد مي شود.
بنابراين ، بايستي يک آيتم جديد بر عوامل جريان هجومي افزوده شود[٧]:
. سطح اشباع ترانسفورماتوري که قرار است به سيستم متصل شود.
اين نشان مي دهد که بين ترانسفورماتورهاي برقدار و ترانسفورماتورهايي که وارد مدار مي شوند اثر متقابلي برقرار است . که ممکن است باعث طولاني تر شدن جريان هجومي شود.جريان هاي مغناطيس گذرا با مقدار زياد نه تنها در ترانسفورماتورکه وارد مدار مي شوند بلکه در ديگر ترانسفورماتور موازي با سيستم نيز به وجود مي آيد[٧]. مدت اين جريان گذرا بسيار طولاني تر خواهد بود، وسرعت ميرايي اين جريان بسيار کندتر مي شود نسبت به حالتي که يک ترانسفورماتور در مدار قرار بگيرد[٨]. ترانسفورماتورهاي
نزديک به ژنراتورها داراي جريان هجومي طولاني تري هستند، زيرا مقاومت خيلي کمي در مدار اوليه شان وجود دارد. اما در پستهاي انتهاي خط جريان هجومي دامنه و مدت کمتري دارد، زيرا مقاومت خطوط آن را به سرعت ميرا خواهد کرد.
