بخشی از مقاله
چکیده
با افزایش بار در شبکه های قدرت و در پی تامین نیاز انرژی الکتریکی و استفاده از شبکه های تولید پراکنده و به تبع آن استفاده از اینورترها که بارهای غیر خطی محسوب می شوند ، باعث اعوجاج در ولتاژ شده و جریان های هارمونیک توسط این تجهیزات تولید می شود. با توجه به اینکه بهره برداری از منابع تولید توان پراکنده و بارهای منابع تغذیه سوئیچینگ به طوری است که باعث تولید جریان های هارمونیک در منبع ولتاژ سینوسی خالص می شود و این هارمونیک های تولید شده بر سیستم عایقی تجهیزات فشارقوی از جمله ترانسفورماتورهای فشار متوسط که نقش مهمی در شبکه های توزیع دارند اثرات مخربی خواهد داشت
لذا در این مقاله به منظور بررسی اثرات هارمونیک ناشی از گسترش تجهیزات الکترونیک قدرت در شبکه بر عایق ترانسفورماتور شبکه توزیع در آزمایشگاه فشارقوی با طراحی و پیاده سازی مدارات آشکارسازی و تولید ولتاژ فشارقوی همراه با هارمونیک سوم به عنوان یکی از هارمونیکهای موثر در سه سطح از ولتاژ های مختلف و همچنین آشکار سازی سیگنال تخلیه جزئی در روغن عایق ترانسفورماتور توسط دستگاه دیجیتال و ارایه نتایج اندازه گیری ، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
.1 مقدمه
باگسترش چشمگیر سیستم های قدرت و شبکه های تولید پراکنده و استفاده از دستگاه های الکترونیک قدرت در این شبکه ها ،که بارهای غیرخطی محسوب می شوند، هارمونیک های ولتاژ شبکه های توزیع افزایش می یابد. بدیهی است که اعوجاج ولتاژ تولید شده توسط این بارهای غیرخطی به طور قابل توجهی جریان های با مرتبه های هارمونیکی مختلف تولید و ولتاژ سینوسی شبکه را تحت تاثیر قرار می دهد.
از این رو در شبکه های قدرت واقعی ، ترانسفورماتور علاوه بر شرایط متنوع بهره برداری در معرض ترکیب های مختلف هارمونیک در ولتاژ قرار دارد .حضور هارمونیک ها بر روی سیستم های عایق از لحاظ تلفات، طول عمر و تخریب مواد دی الکتریک تاثیر بسزایی دارد
عایق ترانسفورماتور بر اساس مقاومت الکتریکی در برابر اثرات ولتاژ آزمون ضربه و ولتاژ غیر طبیعی سیستم مانند سوئیچینگ طراحی می شود و حضور هارمونیک ها در قوانین طراحی مقاومت الکتریکی عایق نیز تاثیر دارد لذا یکی از جنبه های نسبتا جدید در این زمینه ، تحقیقات مربوط به تاثیر هارمونیک ها در پدیده تخلیه جزئی عایق ها ، به خصوص توجه به تحلیل و اندازه گیری آن می باشد. یکی از اولین تحقیقات انجام شده با رویکرد اثرات هارمونیک بر تخلیه جزئی عایق ها توسط میسون در سال 1952 انجام شده است
اعوجاج هارمونیکی اثراتی در شکل موج ولتاژ، مقدار پیک ولتاژ و همچنین میزان تغییرات ولتاژ خواهد داشت و باعث می شود که فشار بیش ازحدی برروی عایق تجهیزات وارد آید و منجربه تسریع پیری و شکست عایق گردد. تخلیه جزئی به عنوان یکی از مسایل مهم در تشخیص وضعیت سیستم عایقی در ترانسفورماتورها مطرح است از این رو اثرات هارمونیک بر تخلیه جزئی عایق ترانسفورماتور حایز اهمیت می باشد.
.2 سیستم های تولید پراکنده و هارمونیک ایجاد شده در شبکه توزیع
همانطور که می دانیم نیاز به انرژی الکتریکی هیچ گاه پایان نمی پذیرد. از زمانی که سیستم های انتقال و توزیع موجود ، با محدودیت های عملکردی با زیاد شدن بار مواجه شده ، تامین انرژی الکتریکی بیشتر و بیشتر تحت فشار قرار گرفته است. تحت این شرایط سیستم های تولید توان پراکنده با منابع متفاوت یک هدف ضروری به شمار می رود. البته تولید پراکنده یک مفهوم جدید نیست زیرا که ژنراتورهای دیزلی به عنوان منبع تولید توان پشتیبان برای بارهایی که وقفه در آنها حیاتی است بیش از یک دهه است که استفاده می شوند. ولی به علت کارایی پایین، هزینه های زیاد ، نویز و آلودگی ژنراتور در خیلی از مصارف بجز در حالت های اضطراری مورد استفاده قرار نمی گیرد .
لیکن در پی افزایش تقاضای توان الکتریکی، موضوعاتی از قبیل قابلیت تحمل توسعه شبکه، موضوعات زیست محیطی و کیفیت توان و قابلیت اعتماد، موجبات نگرانی را فراهم آورده است. منابع انرژی تجدید پذیر و سازگار با محیط زیست - از قبیل تجهیزات فتوولتاییک و ژنراتورهای بادی - ، تکنولوژی های سوخت فسیلی تمیز - از قبیل توربین های گازی کوچک - و وسایل الکتریکی هیدروژنی - سلول های سوختی - فرصت های بزرگی را برای توسعه سیستم های تولید پراکنده فراهم آورده است.
واحدهای تولید پراکنده نیاز به دستگاه های الکترونیک قدرت و روش های متفاوت کنترل و توزیع دارد. این سیستم ها می بایست قادر باشند در حالت ماندگار کنترل بین توانهای اکتیو و راکتیو را تفکیک کنند و رفتار مناسبی را تحت شرایط اتصال، جدا سازی و عمل سوییچینگ از خود نشان دهند. در کل یک سیستم تولید توان پراکنده می بایست طوری برنامه ریزی شود که در قالب سه استراتژی کنترل یک واحد اینورتر تولید پراکنده ولتاژ خروجی با کیفیت ، کنترل توان اکتیو و راکتیو جاری بین یک واحد تولید پراکنده و اتصال آن به شبکه و کنترل تولید توان برای کارایی بیشتر به علت پتانسیل بالای تکنولوژی تولید پراکنده مطرح گردد. مطالعه این مسائل توجهات خاص و سرمایه گذاری بیشتر و دقیق تری را طلب می کند.
منابع ولتاژ اینورتری در شبکه های تولید پراکنده بطور گسترده در جهت برقراری ارتباط بین واحدهای تولید پراکنده استفاده می شود. واحدهای تولید پراکنده در خصوص استفاده از دستگا ه های الکترونیک قدرت با مشکلاتی نیز مواجه هستند که از آن جمله هارمونیک هایی است که آنها به شبکه ولتاژ سینوسی اعمال می کنند.
مقدار زیادی از این بارها ، هارمونیک های جریان بیش از حد به شبکه برق تزریق و در نتیجه اثرات سوء بر کیفیت توان و بطور معمول باعث گرم شدن بیش از حد هادی ها می گردند و همچنین بر نوسانات مکانیکی و الکتریکی دستگاه های بهره برداری شبکه توزیع نیز تاثیر می گذارد.
در شبکه های قدرت ایده ال انتقال انرژی الکتریکی به گونه ای است که در یک فرکانس ثابت، ولتاژ و جریان در سطوح مختلف طی فرآیند تولید و انتقال تا مصرف کننده بصورت کاملا سینوسی می باشد. ولیکن در شرایط واقعی به علت وجود تجهیزاتی با مشخصه غیر خطی و همچنین حضور دستگاه های الکترونیک قدرت در بخشهای تولید پراکنده، انتقال و مصرف انرژی الکتریکی ، موجب پیدایش اعوجاج هارمونیکی در شکل موج سینوسی نرمال جریان و ولتاژ در شبکه قدرت می شود. باگسترش سیستم های تولید پراکنده و همچنین بارهای غیرخطی پیش بینی می شود هارمونیکها در شبکه های توزیع افزایش یابد.
لذا در این مطالعه اثرات تولید هارمونیک ها توسط منابع مختلف در شبکه های تولید پراکنده بر روی تجهیزات شبکه مورد بررسی قرارگرفته است که اگر برای مهار و کنترل این هارمونیک ها راهکارهایی در نظر گرفته نشود، افزایش و تشدید آنها خسارات جبران ناپذیری به تجهیزات شبکه قدرت وارد می کند.
.3 تاثیر هارمونیک بر سیستم عایقی تجهیزات شبکه توزیع
در شبکه های توزیع با توجه به ادوات متعدد تولید هارمونیک و روند رو به گسترش منابع تولید پراکنده و حضور اینورترها هارمونیک های شبکه توزیع رو به افزایش می باشد. هارمونیک هایی که متشکل از برآیند تعداد نامحدود موج سینوسی با فرکانس های مختلف می باشند بر تجهیزات فشارقوی شبکه اثرات مخرب داشته و سیستم عایق بندی ادوات و تجهیزات این شبکه ها را تحت تاثیر قرار می دهند.
ترانسفورماتورهای فشار متوسط از تجهیزات اصلی شبکه توزیع محسوب می شوند و یکی از مهمترین مباحث مهم در بررسی وضعیت سیستم عایقی ترانسفورماتورها، تخلیه جزئی در روغن ترانسفورماتور می باشد. در صورت بروز تخلیه جزئی، پیرشدگی روغن بیشتر شده و باعث شکست عایقی روغن و همچنین خروج ترانسفورماتور از شبکه خواهد شد . در این حالت در شبکه توزیعی که درصدد تامین انرژی الکتریکی بار آن بر آمده ایم با قطع بار مواجه خواهیم شد. لذا بررسی شرایط تخلیه جزئی روغن در ولتاژهای هارمونیک بسیار مهم است. بر این اساس در این مقاله مطالعات آزمایشگاهی بر روی ایجاد طیف پالسهای سیگنال تخلیه جزئی در روغن ترانسفورماتور تحت شرایط هارمونیکی انجام شده است.
.4 ساختار مدار آزمایش تخلیه جزئی
عموما آشکار سازی و اندازه گیری سیگنال تخلیه جزئی بر مبنای میزان تبادل انرژی در طول وقوع حادثه تخلیه جزئی می باشد. جهت آشکار سازی سیگنال تخلیه جزئی روشهای گوناگونی وجود دارد که یکی از این روشها آشکارسازی سیگنال تخلیه جزئی به روش الکتریکی است. در این روش پالسهای جریان که در هنگام بروز تخلیه جزئی ایجاد می شوند آشکارسازی می شوند. این روش که از حساسیت زیادی برخوردار است به علت تداخل نویز های خارجی با آن، تفکیک و شناسایی سیگنال تخلیه جزئی مشکل خواهد بود. به همین دلیل از فیلتر های مختلفی برای حذف نویز استفاده می شود و یا در برخی موارد از مدارهای آشکارسازی به صورت پل استفاده می شود که این مدارها سیگنال های ناشی از نویزهای خارجی را تا حدودی حذف می کنند.
در شکل - 1 - مدار پایه ای که برای آشکارسازی طیف پالس های سیگنال تخلیه جزئی به کار می رود نشان داده شده است. این مدار شامل خازن C معادل نمونه مورد آزمایش - برای تعیین سیگنال تخلیه جزئی - ، خازن کوپلاژ که با Ca نشان داده شده است ، امپدانس آشکارسازی، تقویت کننده و اسیلوسکوپ می باشد. از خازن کوپلاژ به این دلیل استفاده می شود که در صورت بروز تخلیه جزئی بتوان با این مدار ، میزان تخلیه های کوچک را با حساسیت لازم به دست آورد و آنها را نیز آشکارسازی نمود. حداقل مقدار تخلیه ای که می تواند اندازه گیری شود به معنای حساسیت دستگاه آشکارساز است. هر چه این مقدار کمتر باشد حساسیت بیشتر است.
شکل -1 مدار پایه آشکار ساز سیگنال تخلیه جزئی
