بخشی از مقاله
خلاصه
افزایش روزافزون مصرف کنندگان و گسترش شبکههاي قدرت منجر به افزایش میزان جریان اتصال کوتاه شده است، به همین دلیل نیاز به محدودکنندههاي جریان خطا از اهمیت ویژهاي برخوردار است. یکی از انواع محدودکننده جریان خطا، نوع مغناطیسی پسیو است، که شامل هستهٔ آهنی - ورق مغناطیسی - و آهنربا است، که در شبکه توزیع ولتاژ پایین مورد استفاده قرار میگیرد. مهمترین خصوصیت آنها سرعت بالا، توانایی عملکرد پیدرپی و عدم نیاز به مدار تشخیص خطا و مدار فرمان جهت محدودسازي، و شروع محدودسازي همزمان جریان با وقوع خطا میباشد. در این مقاله با استفاده از مدل اجزاء محدود و به کمک نرمافزار COMSOL، محدودکننده جریان خطاي مغناطیسی در محیطی سه بعدي شبیهسازي شده و نتایج حاصله را با نتایج آزمایشگاهی مربوط به محدودکننده جریان خطاي پسیو 2 کیلو ولت آمپري که در دانشگاه کانازاوا ساخته شده، مقایسه گردیده است.
کلمات کلیدي: محدودکننده جریان خطا، محدودساز هسته اشباع شده، تحلیل اجزاء محدود، .COMSOL
.1 مقدمه
براي ارتقاء قابلیت اطمینان در تأمین برق مصرفکنندهها، مخصوصاً در مراکز شهرها، اتصالات شبکه پیچیدهتر و گستردهتر میشوند که این پیچیدگی منجر به افزایش احتمال اتصال کوتاه میشود. تجهیزات محدودکننده جریان براي حفاظت در مقابل اضافه جریان و همچنین جریان اتصال کوتاه بکار برده میشوند. مزیت محدودکنندههاي جریان خطا - FCL - نسبت به فیوزها در بهبود کیفیت توان، فراهم کردن ولتاژ تغذیه در حین اتصال کوتاه، جلوگیري سریعتر از افزایش ناگهانی جریان و در نتیجه کاهش تغییرات ناگهانی ولتاژ است که براي برخی مصرف کنندهها امري حیاتی است. هر محدودکننده جریان خطا باید داراي ویژگیهایی مثل محدود کردن اولین پیک جریان خطا، امپدانس پایین و تلفات توان کم در شرایط عادي - بدون اتصال کوتاه - ، عدم ایجاد هارمونیک، عملکرد خودکار و بدون نیاز به کنترل و حسگرهاي پیچیده، تغییر تدریجی و پیوسته از حالت عادي به حالت خطا و بلعکس و حجم کم باشد.
روشهاي بکار گرفته شده در محدود کردن جریان خطا شامل استفاده از سوئیچها، مدارهاي تشدیدي، فیوز و فوق رساناها هستند. استفاده از سوئیچ در محدود کردن جریان خطا، معمولاً در سیستم انتقال است و نیازمند حسگر تشخیص جریان خطا است .[1] محدودکنندههاي از نوع تشدیدي م عمولاً بهمراه تریستور استفاده میشوند و نیازمند حسگر و کنترل کننده دیجیتالی هستند که قابلیت اطمینان سیستم را کاهش میدهند 3]،.[2 محدودکنندههاي فیوزي به همراه مقاومت موازي استفاده میشوند که با از بین رفتن فیوز، جریان خطا از مقاومت عبور میکند .[1] همچنین از مواد فوقرسانا براي ساخت محدودکنندهها استفاده میشود که قابلیت استفاده در توان و ولتاژهاي بالا را دارند اما هزینه خنککاري و نگهداري آنها زیاد است 4]،5،6،. [7
در این مقاله نحوه عملکرد یک محدودکننده جریان خطاي مغناطیسی از نوع پسیو که شامل هسته آهنی - ورق مغناطیسی - و آهنربا است، در شبکه توزیع ولتاژ پایین مورد بررسی قرار میگیرد که قبلاً هم در مراجع زیادي مورد بررسی قرار گرفته است 8]،9 ،.[10 محدودکننده جریان خطا مذکور در توان و ولتاژهاي بالا قابل استفاده نیست که دلیل آن ظرفیت محدود آهنربا در تأمین شار مغناطیسی بایاس در درون هسته آهنی است و همچنین ساختار و توپولوژي آن نیاز به بهینهسازي دارد. در این مقاله محدودکننده جریان خطا پسیو 2 کیلو ولت آمپري که در دانشگاه کانازاوا ساخته شده است، در نظرگرفتهشده و عواملی که منجر به محدودیت عملکرد و کاهش کارایی آن میشوند، با انجام آزمایشهاي عملی مورد بررسی قرار میگیرند.
.2 توپولوژي و نحوهٔ عملکرد
محدودکننده جریان خطا مطابق شکل 1 به صورت سري در مدار قرار میگیرد و نحوه عملکرد آن در شکل 2 نمایش داده شده است. در حالت عادي که سطح جریان از مقدار مجاز، بیشتر نشده است، افت ولتاژ روي محدودکننده ناچیز است، اما در صورت رخ دادن خطاي جریان، امپدانس محدودکننده بصورت آنی زیاد شده و جریان را محدود میکند.محدودکننده با ساختار موازي در شکلهاي 3 و 4 نشان داده شده است که آهنرباي نصب شده در ساق وسط براي ایجاد میدان مغناطیسی قوي در هسته آهنی است، بطوري که در حالت عادي هسته محدودکننده در اشباع مغناطیسی قرار دارد. همچنین دو ساق جانبی بصورت تناوبی در دو نیم سیکل مثبت و منفی، براي محدودکردن جریان خطا بکار گرفته میشوند.
در شرایط کار عادي، میدان مغناطیسی تولیدي توسط سیمپیچهاي روي ساقهاي جانبی به اندازه کافی قوي نیست و هسته آهنی در اشباع باقی میماند و در نتیجه محدودکننده همانند یک سیمپیچ با هسته توخالی - هوا - خواهد بود که امپدانس متناظر آن خیلی کوچک است. اما در لحظه وقوع جریان خطا، ساقهاي جانبی محدودکننده به صورت تناوبی در نیم سیکلهاي مثبت و منفی از اشباع خارج شده و امپدانس بزرگی را در مسیر جریان قرار میدهد که مانع از اوج گرفتن جریان خطا میگردد. البته اگر جریان خطا همچنان افزایش یابد و به سطح خیلی بالایی برسد این احتمال وجود دارد که هسته آهنی به اشباع معکوس برود و محدودکننده جریان قابلیت محدودکنندگی خود را از دست بدهد .[8]
شکلهاي 5 و 6 در واقع شکل موجهاي مورد انتظار جریان و افت ولتاژ روي محدودکننده را نشان میدهند. در حالت عادي، جریان الکتریکی سیستم کمتر از سطح مرزي جریان خط Ilinek است، اما جریانهاي بالاتر از Ilinek منجر به خارج شدن هسته آهنی از اشباع مغناطیسی و در نتیجه امپدانس بزرگتر محدودکننده، جریان خط محدود میگردد. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، در بازه θk < θ < π- θk که جریان از مقدار Ilinek زیادتر میشود، افت ولتاژروي محدودکننده بصورت ناگهانی افزایش مییابد.
