بخشی از مقاله
چکیده:
با رشد شبکههاي قدرت و اتصال بین آنها، سطح جریان خطا افزایش پیدا میکند. به کارگیري محدود کنندههاي جریان خطا ابررسانا - SFCL - میتواند سطح جریان خطا را به گونه- اي کاهش دهند که کلیدهاي فشار قوي به راحتی عمل کنند. به منظور معرفی SFCL به شبکه قدرت، به روشی جهت پیش- بینی مشخصه محدودسازي جریان خطا نیاز می باشد.
در این مقاله مدل SFCL نوع ابررساناي مقاومتی مبتنی بر مشخصه میدان الکتریکی - E - بر حسب چگالی جریان - J - در برنامه گذراي الکترومغناطیسی - EMTP - بررسی شده است. مطالعه موردي نشان داده است که SFCL نه تنها جریان خطا را محدود میکند، بلکه افت ولتاژ و رنج افزایش ولتاژ بازیابی گذرا را نیز بهبود میبخشد. در این مدل جریان شبکه زمان حقیقی به عنوان سیگنال ورودي و خروجی آن با مقاومت وابسته به زمان کنترل شده با TACS کنترل میشود.
-1 مقدمه
امروزه هدف و مقصود بسیاري از شرکتهاي برق بالا بردن توان انتقالی و کاهش تلفات سیستم به مقدار حداقل است. این اهداف در صورتی محقق میشود که امپدانس سیستم کاهش یابد اما باید به این نکته توجه داشت که کاهش امپدانس سیستم باعث بالا رفتن بیش از حد جریان خطا در سیستم قدرت میشود که میتواند به تجهیزات شبکه و نیروي انسانی آسیب رساند. براي رفع این مشکل دستگاه محدود کننده جریان خطا را در شبکه قدرت قرار میدهند.
تقریباً همه محدودسازهاي جریان اتصال کوتاه موجود بر اساس وارد نمودن یک امپدانس بزرگ به طور سري با
تحلیل عملکرد محدود کننده ابرسانایی جریان خطا از نوع مقاومتی در شبکه قدرت سیستم عمل مینمایند و تنها اختلاف موجود، روش ایجاد و طریقه وارد نمودن این امپدانس به سیستم است. که در ابتدا محدود کنندههاي جریان خطا از یک سلف یا مقاومت سري شده تشکیل شده بودند [1]؛ اما به علت اینکه در طی شرایط نرمال در شبکه وجود داشتند باعث ایجاد افت ولتاژ، تلفات و عملکرد ناصحیح ترانسفورماتورهاي تپ چنجردار میشدند.
نسل بعدي مدل محدود کنندههاي جریان خطا، راکتور - یا مقاومت - با کلید مکانیکی مغناطیسی به طور سري به شبکه بود [2]، اما عیب این مدل پائین بودن سرعت پاسخ و کاهش قابلیت اطمینان شبکه میباشد.
یامازاکی - - Yamazaki و همکارانش نسل بعدي محدودسازهاي جریان خطا با خازن سري کنترل شده با تریستور - TCSC - را ارائه نمودند. این مدل در شرایط نرمال داراي مد خازنی است که جبرانسازي خط انتقال را انجام می- دهد و در شرایط خطا با تغییر زاویه آتش تریستورها به مد القائی میرود و جریان خطا را محدود میکند
اشکال این نوع از محدودسازها تزریق هارمونیک به شبکه میباشد. مدل- هاي دیگري از جمله تقسیمبندي شبکه در شرایط خطا، Is-Limiter، فیوزهاي منفجر شونده، مدارهاي تشدید L-C، ترانسفورماتورهاي امپدانس بالا و ... که هر کدام داراي اشکالاتی است نیز معرفی گشتهاند .[1,4]
با کشف مواد ابررسانا توسط پرفسور اونز این مشکلات مرتفع گردید. اساس کار محدود کنندههاي جریان خطا ابررسانا به این صورت است که در طی شرایط نرمال شبکه امپدانس این نوع از محدود کنندهها برابر صفر است؛ بدین ترتیب هیچگونه افت ولتاژي در طی شرایط نرمال شبکه دو سر SFCL ظاهر نمیشود. اما با اعمال خطا به شبکه، امپدانس محدود کننده به خاطر تغییر مد از حالت ابررسانائی به حالت نرمال سریعا بالا میرود و باعث محدودسازي جریان خطاي شبکه خواهد شد
-2 عوامل اصلی افزایش جریان اتصال کوتاه و اثرات ناشی از آن
عبور جریان اتصال کوتاه از تجهیزات، یکی از معضلات عمده سیستمهاي قدرت بوده و طراحی قطع کنندههاي مناسب براي آنها از اهمیت ویژهاي برخوردار است. مهمترین عوامل در بالا رفتن جریان اتصال کوتاه عبارتند از:
الف- افزایش تولید و در نتیجه افزایش منابع تزریق کننده جریان در شبکه
ب- اتصال داخلی شبکهها به یکدیگر و در نتیجه کم شدن امپدانس نقطه اتصالی
پ- نصب خازنهاي سري جبرانساز راکتانس خطوط به
منظور افزایش ظرفیت انتقال خطوط ت- احداث خطوط موازي براي افزایش انتقال قدرت با بالا رفتن سطح جریان اتصال کوتاه عوارضی از جمله افزایش اضافه ولتاژهاي گذرا، بالا رفتن نیروهاي دینامیکی وارد بر تجهیزات، افزایش گرما ناشی از عبور جریان در تجهیزات، کاهش قابلیت اطمینان شبکه، افزایش قیمت و ابعاد تجهیزات، به کارگیري کلیدهاي قدرت با توان قطع بالا و ... را به دنبال خواهد داشت. که با به کارگیري SFCL در شبکه قدرت این
عواقب از بین خواهد رفت.
-3 محدود کنندههاي جریان خطا ابررسانا
محدودسازهاي ابررسانایی جریان خطا، برخلاف راکتورهاي محدودساز جریان یا ترانسفورماتورهاي امپدانس بالا قادرند جریان اتصال کوتاه را بدون افت ولتاژ و تلفات انرژي در طی شرایط نرمال محدود کنند. به طور کلی دو نوع محدود کننده جریان خطا ابررسانا وجود دارد.
محدودساز ابررسانایی نوع القائی: اساس ساختمان SFCLالقائی از یک سیم پیچ اولیه مسی و یک سیم پیچ ثانویه ابررسانا، که به وسیله یک هسته آهنی با هم کوپل شده- اند، تشکیل شده است. تحت شرایط نرمال سیمپیچ ثانویه ابررساناست پس هیچگونه امپدانسی در اولیه ظاهر نمیشود.
با اعمال خطا به شبکه سیم پیچ ثانویه از حالت ابررسانائی به تحلیل عملکرد محدود کننده ابرسانایی جریان خطا از نوع مقاومتی در شبکه قدرت دحالت نرمال تبدیل میشود و امپدانس ناشی از آن جریان خطا را محدود میکند.
محدودساز ابررسانایی نوع مقاومتی:
از میان همه محدودکنندهها، محدودکننده ابررسانایی دما بالاي نوع مقاومتی در صورتی که به خوبی طراحی شود موثرتر، کم حجمتر و ارزانتر از دیگر محدودسازها است. محدودساز ابررسانایی نوع مقاومتی، محدودکنندهاي خود تحریک است که اگر جریان خطا از جریان بحرانی ابررسانا تخطی کند با گذر از حالت ابررسانائی به حالت نرمال جریان خطا را محدود میکند. در طول شرایط نرمال شبکه از آنجائیکه مقاومت ابررسانا صفر است جریان عبوري بدون هیچ گونه تلفات انرژي از ابررسانا میگذرد. اما، وقتی که جریان خطا از جریان بحرانی تخطی کند، ابررسانا از حالت ابررسانائی به حالت نرمال - گذر - S-N تغییر میکند.
به واسطه این پدیده، که فرونشانی - - Quench ابررسانا نامیده میشود، مقداري مقاومت تولید شده و جریان خطا محدود میشود. بعد از اینکه جریان خطا کاهش یافت و قطع شد، ابررسانا از حالت نرمال به حالت ابررسانائی برمیگردد. از دو ماده ابررساناي دما بالا - HTS - سرامیکی BSCCO - نسل اول - و YBCO - نسل دوم - براي استفاده در محدودسازهاي ابررسانایی مقاومتی استفاده میشود .
-4 مدل تئوري و نمایش جریانی SFCL مقاومتی
مهمترین خاصیت فیزیکی رفتار محدودسازي جریان SFCL نوع مقاومتی مشخصه میدان الکتریکی بر حسب
چگالی جریان مواد HTS و وابستگی آن به دماست.
مشخصه E-J عملا به سه ناحیه حالت ابررسانائی، حالت عبور شار - flux flow - و حالت رسانائی نرمال تقسیم میشود.
بسته به مقدار جریان و دماي ابررسانا، هر یک از نواحی از رابطهاي تبعیت میکند؛ که هر سه رابطه به صورت مجموعه در رابطه - 1 - آورده شده است.
شکل . - 1 - نمایش جریانی SFCL مقاومتی در EMTP که در این رابطه Ec میدان بحرانی، Jc چگالی جریان
بحرانی، Tc دماي بحرانی، ρ مقاومت ویژه نرمال و n نما و تابعی از دما است.
رفتار گذراي ادوات ابررسانا و اثر گرمائی ناشی از تلفات توان گرمائی در حالت عبور شار و رسانائی نرمال به وسیله مشخصه E-J توصیف میشود. بر اساس فرضیه انتقال جرم در شرایط بیدررو، گرماي تلف شده در ابررسانا به نیتروژن مایع منتقل نمیشود. بنابراین، رابطه افزایش دما بر حسب زمان با معادله انتگرالی - 2 - محاسبه میشود.
