بخشی از مقاله
چکیده - امروزه برقگیرهای اکسید فلزی به صورت وسیعی برای حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای ناشی از کلیدزنی و صاعقه در سیستم های انرژی الکتریکی استفاده می شوند. مدلسازی و تعیین دقیق پارامترهای برقگیر برای مطالعات و هماهنگی عایقی، مطالعات قابلیت اطمینان و جایابی بهینه برقگیر از اهمیت بالایی برخوردار است. تعیین مدل و تخمین پارامترهای برقگیر برای امواج کلیدزنی با توجه به مشخصه آن به سادگی قابل انجام می باشد. اما مشکل اصلی در مدلسازی و تخمین پارامترهای برقگیر، مشخصات دینامیکی و رفتار متفاوت آن در برابر امواج ضربه ای جریانی مختلف صاعقه می باشد. در این مقاله از الگوریتم تکامل تفاضلی برای تخمین بهینه پارامتر مدل های وابسته به فرکانس استفاده شده است. بدین منظور ولتاژ شبیه سازی شده هر مدل با ولتاژ اندازه گیری شده مقایسه و پارامترهای مدل های مختلف برقگیر تخمین زده می شود. نتایج بیانگر کارایی الگوریتم پیشنهادی در تخمین بهینه پارامترهای برقگیر می باشد.
-1 مقدمه
برای حفاظت اضافه ولتاژ در سیستم های انرژی الکتریکی بصورت گسترده ای از برقگیرهای اکسید فلزی بدلیل عملکرد مناسب آنها استفاده می شود. این برقگیرها دارای مشخصه غیرخطی ولتاژ - جریان، تلفات ناچیز در ولتاژ نامی شبکه، قابلیت اطمینان بالا در زمان عملکرد، پاسخ سریع به اضافه ولتاژ و عمر بالایی می باشند .[1] کاربرد گسترده برقگیرهای اکسید فلزی و اهمیت رفتار دینامیکی اینگونه برقگیرها در جایابی بهینه برقگیر، مطالعات هماهنگی عایقی و قابلیت اطمینان، لزوم استفاده از مدلی دقیق تری شبیه سازی را مشخص می کند. لذا همزمان با کاربرد برقگیرها تلاش های بسیار زیادی در جهت مدلسازی آنها انجام شده است .[1-6] برای شبیه سازی رفتار دینامیکی برقگیرها تاکنون مدلهای مختلفی ارائه شده است که مهم ترین آنها عبارتند از :
· مدل [2] IEEE
· مدل [3] Pinceti -Giannehoni
· مدل [4] Fernandez - Diaz
مشکل اصلی در مدل سازی، تعین پارامترهای مختلف مدل می باشد زیرا مشخصات دینامیکی و رفتار تفاوت برقگیرها در برابر امواج ضربه جریانی مختلف است. برای مطالعات کلید زنی می توان برقگیر را توسط یک مقاومت غیر خطی مدل کرد 2]و.[3 اما برای مطالعات صاعقه و امواج با پیشانی سریع به علت رفتار دینامیکی برقگیر نمی توان از مدل مقاومت غیرخطی تنها استفاده کرد. چون ولتاژ باقیمانده برقگیر برای موج با پیشانی ʽs 1 بین 8 تا 12 درصد بیشتر از موج با پیشانی 8 s است. همچنین برای امواج با زمان پیشانی بین 45 تا 60 s ولتاژ باقیمانده 2 تا 4 درصد کمتر از موج 8ʽs است 5] و .[6
در سال های اخیر تلاش های زیادی در زمینه تخمین صحیح پارامترهای برقگیر شده است. هدف ارائه روش هایی است که برای تمام مدل ها قابل استفاده باشد .[8] در این مقاله جهت تخمین پارامترهای مدلهای وابسته به فرکانس IEEE و Pinceti از روش مقایسه ولتاژ باقیمانده در حالت شبیه سازی و واقعی - اندازه گیری شده - و تنها از اطلاعات ارائه شده توسط سازنده استفاده شده است. مدل های مداری برقگیر، در نرم افزار EMTP شبیه سازی می شوند.
به کمک این نرم افزار، سیستم های در حال احداث و بهره برداری را می توان شبیه سازی نمود و بدون انجام آزمایشات تجربی، عملکرد سیستم را مورد مطالعه قرار داد. روش های مورد استفاده برای بررسی حالت گذرا در این برنامه بسیار دقیق و دور از خطا می باشند. به مدل های شبیه سازی شده موج ضربه جریان 8/ 20 s ، 10 kA اعمال می-گردد. توسط الگوریتم تکامل تفاضلی - - Differential Evolution ولتاژ باقیمانده شبیه سازی شده هر مدل با ولتاژ اندازه گیری شده توسط کارخانه سازنده مقایسه می شود و پارامترهای بهینه برقگیر تعیین می شوند.
-2 مدل های برقگیر
تاکنون مدل های گوناگونی برای شبیه سازی رفتار برقگیر در برابر امواج سریع ارائه شده است. مدل پیشنهادی IEEE در شکل 1 نشان داده شده است 2]و .[10 در این مدل دو مقاومت غیرخطی و بوسیله فیلتر از یکدیگر جدا شده اند. در موج های با زمان پیشانی کند امپدانس معادل این فیلتر ناچیز بوده و و موازی خواهند شد. اما در مورد امواج با پیشانی تند امپدانس فیلتر یاد شده قابل توجه بوده و بیشتر جریان از مقاومت غیرخطی عبور می :d ارتفاع تخمینی برقگیر با توجه به داده های کاتالوگ بر حسب متر است. :n تعداد ستون های موازی قرص های اکسید فلزی در برقگیر است. در این روابط از ابعاد فیزیکی برقگیر برای تخمین پارامترها استفاده می شود. البته مقادیر محاسبه شده از روابط برای تنها به عنوان مقدار اولیه در نظر گرفته می شود و تنظیم بعد از چند تکرار در محاسبات بدست می آید. مدل نشان داده شده در شکل - 2 - توسط Pinceti ارائه شده است که در اصل مبتنی بر مدل IEEE است .[3]
-3 تابع هدف
در این مدل تخمین مشخصه ولتاژ - جریان مقاومتهای غیرخطی و مشابه مدل IEEE انجام می گیرد. مقادیر و - برحسب H - با توجه به روابط زیر محاسبه می شوند.
: ولتاژ نامی برقگیر بر حسب کیلوولت
: ولتاژ روی برقگیر به ازاء اعمال جریان 10 کیلو آمپری با شکل موج 1/T2 ʽs بر حسب کیلو ولت
: ولتاژ روی برقگیر به ازای اعمال جریان 10 کیلو آمپری با شکل موج 8/20 ʽs بر حسب کیلو ولت معادلات دیفرانسیلی مدل Pinceti به صورت زیر بیان می شود : [7]
مدل های برقگیر، در نرم افزار EMTP شبیه سازی و پارامترهای اولیه برای مدل های برقگیر مورد محاسبه قرار می-گیرد. به مدل های شبیه سازی شده موج ضربه جریانی ʽs 8/20 و 10kA اعمال می گردد. پارامترهای مدل های برقگیر با مینیمم شدن تابع هدف به دست می آید. تابع هدف به صورت رابطه - 17 - است الگوریتم پیشنهادی در این مقاله برای مدل های برقگیر بر اساس داده های عملی موجود در مرجع [11] انجام شده است.
در این رابطه
:F مجموعه مربعات خطا
: T مدت زمان اعمال پالس جریان ضربه
:V - t,x - ولتاژ باقیمانده بدست آمده از شبیه سازی :Vm - t - ولتاژ اندازه گیری شده
: x متغیرهای حالت - پارامترهای مدل - در صورت گسسته بودن توابع و متغیرها، تابع هدف به صورت زیر بیان می شود:
در این رابطه:
: N تعداد نقاط گسسته
: گام های زمانی محاسباتی مشخصه V-I برقگیر را می توان به صورت مقاومت غیرخطی فرض نمود که از رابطه زیر تخمین زده می شود:
