بخشی از مقاله
چکیده
امروزه برای جلوگیری از ترافیگ و افزایش سرعت جابجایی، استفاده از سیستمهای حملونقلریلی دراکثر شهرهای جهان مورد توجه قرار گرفته و استفاده از آن در حال رشد است. بطور کلی ترانسفورماتورهای قدرت، از عناصر اصلی و مهم و در عین حال گرانترین تجهیزات در سیستم های الکتریکی محسوب میشوند و ترانسفورماتورهای مورد استفاده در سیستم های حمل ونقل ریلی معمولا ترانسفورماتورهای چند سیم پیچه کششی میباشد.
یکی از مشکلات اساسی در حفاظت ترانسفورماتورهای قدرت کششی، وجود مسئله جریان هجومی است که کار حفاظت از این عناصر سیستم قدرت الکتریکی را دشوار میسازد و به عملکرد نامناسب سیستم حفاظتی منجر میگردد که از این لحاظ باید مورد توجه قرار گیرد. در این تحقیق ضمن شبیهسازی رفتار ترانسفورماتور کششی و استخراج جریانهای خطا و هجومی، برای اولین بار در این نوع از ترانسفورماتورها، روشی مبتنی بر تبدیل موجک و شبکه های عصبی مصنوعی جهت تمایز جریان هجومی از جریانهای خطا ارائه شده است.
1 -مقدمه
حمل و نقل ریلی یکی از سریعترین، کم هزینهترین و مطمئنترین سیستم حمل و نقل می باشد. و ترانسفورماتور چندسیم پیچهکششی هم یکی از مهمترین تجهیزات در شبکه های توزیع برق سیستم حملو نقل ریلی میباشد که مورد استفاده قرار میگیرد.امروزه با توجه به روند رو به رشد استفاده ازسیستمهایحملونقلریلی، ترانسفورماتورهای مورد استفاده در سیستمهای حمل و نقل ریلی به خاطر عدم اشتعال و انفجار و استقامت مناسبتر در مقابل تنشهای مکانیکی، ترانسفورماتورهای کششی از نوع خشک رزینی میباشد. تولید ترانسفورماتورهای خشک رزینی از اوایل دهه 1970 میلادی آغاز و در حال حاضر در بسیاری از کشورهای آمریکایی، اروپایی و آسیائی تولید می گردد . با توجه به مزایای ذکر شده و رشد توسعه صنایع مختلف از قبیل پتروشیمی، صنایع نفت و گاز، حمل و نقل زیرزمینی و برج سازی، ترانس های خشک رزینی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است.
این نوع از ترانسفورماتورها از لحاظ ساختاری، مطابق شکل 1 معمولا بطور چهار سیم پیچه مجزا و دو طبقه طراحی و درست می-شوند. بدین صورت که دو سیم پیچ به عنوان فشار قوی به صورت محوری روی یک هسته قرار می گیرند. سیم پیچ های فشار ضعیف همانند سیم پیچ های فشار قوی بطور محوری بر روی هسته قرار می-گیرند، طراحی ترانسفورماتورهای چندسیم پیچه کششی معمولآ از نظر الکتریکی، مکانیکی و حرارتی بخصوص در ساختارهای دو طبقه آن از اهمیت ویژه ای برخودار است .[1] در این مقاله روش مبتنی بر تبدیل موجک و شبکه عصبی به کار رفته است. نخست، برای استخراج ویژگی و شکل موجها نرمافزار MATLAB/Simulink بکار برده شده است و داده ها توسط تبدیل موجک در MATLAB جمعآوری و استفادهشده است. و سپس دادهها در شبکه عصبی رقابتی، آموزش و در نهایت طبقه بندی و کلاسبندی میشوند.
– 2 شبیه سازی و مدلسازی ترانسفورماتور چند سیم پیچه کششی
ترانسفورماتورهای کششی معمولا بصورت سه سیم پیچه بکار می رود در عمل ترانسفورماتورهای کششی از لحاظ ساختاری بطور چهار سیم پیچه مجزا و دو طبقه طراحی و ساخته میشوند. جهت ساده سازی محاسبات، مدل تک خطی و تک فاز ترانسفورماتور مطابق شکل - 2 - استفاده شده و مشخصات آن بشرح جدول 1 است.
شکل 1 ساختار ترانسفورماتور چند سیم پیجه کششی
خرابی ترانسفورماتورها امکان دارد به عملیات تعمیر پرهزینه و زمانبری منجر شود . بنابراین لازم و ضروری است که ترانسفورماتور خیلی سریع بعد از وقوع خطای داخلی، توسط رلههای حفاظتی از مدار خارج شود . از علتهای عملکرد نادرست سیستمهای حفاظتی، جریان هجومی مغناطیسکننده میباشد که در واقع یک جریان گذرا است که به دلیل اشباع هسته در ترانسفورماتور و در لحظه کلید زنی و اتصال ترانسفورماتور به شبکه متناوب اتفاق میافتد و اندازه آن چندین برابر جریان نامی بوده و میتواند به بزرگی اندازه جریانهای خطا نیز باشد.
از آنجایی که جریان هجومی یک جریان خطای درونی نبوده و میبایست روشی برای تشخیص این جریان از جریان خطا در نظر گرفته شود. شناسایی جریان هجومی و تششخیص آن از جریان خطا در 2]،4،[3 مورد بررسی قرار گرفته است. جریان هجومی مغناطیس-کننده مولفههای هارمونیک دوم بزرگتری دارد و سیستم های حفاظتی ترانسفورماتور معمولآ جهت محافظت در حین وقوع پدیده گذرای جریان هجومی بوسیله حسکردن داده های هارمونیکها برنامه ریزی و طراحی شدهاند7]،6،.[5 یک روش مؤثر و کارآمد برای تشخیص جریان هجومی از جریان-های خطا، بکار گرفته شده که نتیجه آن نسبت به سایر روشهای انجام شده و الگوریتمها، با دقت بالا بوده و در ضمن خطایی هم ندارد و زمان پاسخ دهی حل مسئله سریعتر می باشد.
-2-2 مدلسازی و دیاگرام تک خطی ترانسفورماتور چند سیم پیچه کششی در سیستم قدرت
دیاگرام تک خطی، سیستم مورد مطالعه و ترانسفورماتور چند سیم پیچه کششی در سیستم قدرت، در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 3 دیاگرام تک خطی سیستم مورد مطالعه
-3-2 انواع خطاهای الکتریکی از نظر ساختار فیزیکی
– 1 خطاهای الکتریکی داخلی
– 2 خطاهای الکتریکی خارجی
– 3 خطاهای الکتریکی غیرالکتریکی
خطاهای الکتریکی داخلی شامل - سه فاز به زمین،سه فاز،دو فاز به زمین،دوفاز، تکفاز به زمین - بوده که در این تحقیق بررسی شدهاند.
-4-2 جریان هجومی
با وصل اولیه ترانسفورماتور چند سیم پیچه کششی به شبکه متناوب، اگرچه طرف ثانویه آن باز است، اما جریان گذرای نسبتا شدیدی از سیم پیچ اولیه عبور میکند، که دامنه آن میتواند به چندین برابر جریان نامی ترانس نیز برسد. مدت نسبتا زیادی - حتی تا 20 ثانیه - ممکن است طول بکشد تا این جریان گذرا به مقدار نرمال خود برسد . مطابق شکل - 4 - از این جریان با نام های جریان هجومی یا حملهای یاد میشود .این پدیده نیز میتواند سبب تنش های مکانیکی در سیم پیچ ها، هسته و توزیع غیریکنواخت ولتاژ در بین سیم پیچها گردد. همچنین از آنجا که طرف ثانویه بیبار است و فقط جریانهای شدید در سمت اولیه برقرار میشود، این پدیده ممکن است سبب عملکرد غلط رله های دیفرانسیل محافظ ترانسفورماتور گردد. به همین سبب، رلههای دیفرانسیل باید بتوانند جریان هجومی را از جریانهای خطای واقعی تشخیص دهند. این کار معمولا با تشخیص هارمونیک دوم که در جریان هجومی مقدار آن قابل ملاحظه است انجام میگیرد.
شکل 4 نمونه از جریان هجومی
-5-2 ویولت
تبدیل ویولت در علوم ریاضی معرفی و توسعه یافته است. این تبدیل یک تبدیل خطی است که شباهت زیادی به تبدیل فوریه دارد . بااین وجود این تبدیل امکان تعیین مکان اجزاء فرکانسی مختلف سیگنال را به وجود آورده است. آنالیز ویولت تکنیکی مشبک وپنجره-ای است که فضاها در این پنجره دارای اندازه های متغییر هستند، در 9]،[8 ارائه شده است. در این تحقیق داده ها مطابق جدول های 4 - ،3، - 2 توسط ویولت Haar و از تجزیه 4 مرحلهای جمعآوری شده است.
- 3 روش مبتنی بر شبکه های عصبی مصنوعی
در این تحقیق جهت تمایز جریان هجومی از جریانهای خطای داخلی از شبکه های عصبی مصنوعی رقابت - - LVQ استفاده شده است. شبکه عصبی LVQ یا Learning Vector Quantization یک نوع شبکه های عصبی خاص هستند با ایده نظارت شده مورد استفاده می-گردد که کاربرد اصلی آنها در طبقه بندی و بازشناسی و کلاسبندی الگو میباشدکه روش و کاربرد شبکه های عصبی رقابتی و شعاعی در 12]،11،[10 بررسی شده است.
شبکه عصبی رقابتی یک روش، کلاس بندی الگو است که هر کدام از خروجی ها نمایش دهنده یک کلاس میباشند و هر کدام توسط بردار وزن آن کلاس مشخص میشود . بردار وزن هر کدام از کلاسها توسط یکی مجموعههای آموزشی مقدار دهی اولیه شده و سپس توسط الگوریتم های یادگیری - با نظارت - بهینه میشود. بعد از یادگیری ، شبکه LVQ ورودی را به کلاسی که برداری با نزدیک ترین فاصله به آن باشد، نسبت میدهد.
-1-3 داده های استخراجی
دادههای استخراجی که از خصوصیات و ویژگی های جریان هجومی و جریانهای خطای داخلی میباشد، جهت کلاس و طبقه بندی استفاده میشود که در طبقه بندی الگو، از چندین نمونه دادههای جریان هجومی و جریانهای خطای - سه فاز به زمین،سه فاز، دو فاز به زمین، دو فاز و تکفاز به زمین - که مربوط به زوایای مختلف کلید زنی موج ولتاژ می باشد استفاده گردیده است.
