بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک روش جدید براي تشخیص خطاي داخلی از جریان هجومی در ترانسفورماتورهاي قدرت ارائه شده است. از آنجاییکه سیگنالهاي جریان دیفرانسیل ناایستا هستند، نیاز به یک ابزار قدرتمند براي آنالیز سیگنال میباشد. تبدیل S یک ابزار قدرتمند براي آنالیز فرکانس- زمانی سیگنالهاي سري زمانی میباشد. در ابتدا شبیهسازي رخدادهاي خطاي داخلی و برق دار شدن ترانسفورماتور براي شرایط کاري مختلف ترانسفورماتور با درنظر گرفتن عوامل مؤثر بر آن انجام میگیرد.
پس از آن سیگنالهاي جریان دیفرانسیل بدست آمده توسط تبدیل S آنالیز شده و یک شاخص ویژه از ماتریس S به منظور تشخیص جریان خطاي داخلی از جریان هجومی استخراج میگردد. شبیهسازیها با استفاده از نرم افزار PSCAD/EMTDC و پیادهسازي الگوریتم فوق در محیط MATLAB انجام گرفته است. در انتها صحت الگوریتم ارائه شده با وجود 30 دسیبل نویز مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
ترانسفورماتورهاي قدرت یکی از ادوات مهم و گران قیمت سیستمهاي قدرت میباشد. لذا حفاظت آن باید به سرعت و به طور صحیح عمل نماید. طرح حفاظتی باید به گونهاي باشد که رله تنها براي خطاي داخلی عمل نماید و در حین برق دار شدن ترانس بدون عملکرد باشد. طرح حفاظت دیفرانسیل با مقایسه جریانهاي اولیه و ثانویه و نمایش عدم تعادل در جریان دیفرانسیل به منظور حفاظت ترانسفورماتورهاي قدرت با توان متوسط و بالا بکار گرفته شده اند.
اما در زمانیکه ترانسفورماتور برق دار میشود، جریان دیفرانسیل بزرگی از رله میگذرد که باعث عملکرد اشتباه آن میگردد. به منظور رفع این مشکل از روشهاي مختلفی به منظور استخراج هارمونیکهاي اول و دوم به منظور تشخیص جریان هجومی از خطاي داخلی ارائه شده است .[1] در این روش اگر نسبت هارمونیک اول به دوم از میزان مشخصی بیشتر گردد، رله عمل مینماید. اما با توجه به اینکه در هنگام رخداد خطاهاي داخلی هارمونیک دوم با دامنه بالا تولید می- گردد و از طرف دیگر با پیشرفتهاي اخیر در ساخت هسته هاي تشخیص خطاي داخلی از جریان هجومی در ترانسفورماتورهاي قدرت با استفاده از تبدیل S ترانسفورماتور، دامنه هارمونیک دوم در جریان هجومی کاهش یافته است.
لذا عملکرد رلههاي مبتنی بر روشهاي نگهدارنده هارمونیکی در برخی موارد همراه با اشتباه خواهد بود. در برخی از الگوریتمهاي ارائه شده، زاویه مرده١ [2]، فاصله بین دو پیک متوالی جریان دیفرانسیل [3]، مدت زمانیکه جریان دیفرانسیل نزدیک به صفر است [4]، مقدار همبستگی بین دو نیم سیکل متوالی [5] براي تشخیص جریان خطا از جریان هجومی بکار گرفته شده است. اما تأخیر در تشخیص خطا از جریان هجومی از مشکلات این روشها میباشد.
شبکههاي عصبی پیشخور٢ نیز به عنوان یک ابزار هوشمند نیز به طور وسیع براي تشخیص شکل موج جریان هجومی از جریان خطا به کار گرفته شده است .[10-6] اما مشکل این گونه روشها این است که براي تعیین تعداد لایههاي مخفی و نوع توابع تحریک و تعداد نرونهاي هر لایه، قانون خاصی وجود ندارد. از طرف دیگر مرحله آموزش شبکههاي عصبی نیاز به الگوریتمهاي تکرار دارد که بعضاً وقت گیر میباشد.
در بسیاري از مقالات تبدیل موجک به عنوان ابزار آنالیز سیگنال به منظور استخراج ویژگیهاي بارز از شکل موجهاي جریان هجومی و خطا به کار گرفته شده است .[15-11] در تبدیل موجک سیگنال مورد نظر از طریق موجکهاي مادر مختلف، به سطح تقریب و سطوح جزییات تجزیه میگردد. بررسیهاي موجکهاي مادر مختلف و تجزیه به سطوح مختلف از معایب تبدیل موجک میباشد. همچنین الگوریتمهاي مبتنی بر تبدیل موجک که از سطوح جزئیات براي تشخیص خطا استفاده میکنند، حساس به نویز هستند و نیاز به یک الگوریتم حذف نویز دارند.
تبدیل S یک ابزار قدرتمند براي آنالیز فرکانس زمانی است که از یک پنجره گوسین براي محاسبه ماتریس S استفاده میکند .[17-16] المانهاي این ماتریس اعداد مختلطی هستند که دامنه و فاز فرکانسهاي مختلف را در هر زمان مشخص میکند، لذا اطلاعات کاملی از شکل موج مورد نظر بدست خواهد آمد. در این مقاله، ابتدا شکل موجهاي جریان خطا و جریان هجومی براي شرایط مختلف کاري ترانسفورماتور با بکارگیري نرم افزار PSCAD/EMTDC بدست میآیند. پس از آن تبدیل S بر روي یک سیکل از شکل موج جریان دیفرانسیل اعمال شده و ماتریس S محاسبه میگردد. سپس با استخراج یک ویژگی بارز، شکل موج جریان خطاي داخلی از جریان هجومی با تعیین یک مقدار آستانه مشخص، تشخیص داده میشود.
-2 تبدیل گسسته S
از معادله - 3 - مشخص میشود که خروجی تبدیل S یک ماتریس N ×M است که به ماتریس S معروف است که هر عناصر ماتریس S اعداد مختلط هستند. سطرهاي این ماتریس متناظر با فرکانس و ستونهاي آن متناظر با زمان میباشد. انتخاب تابع پنجرهاي محدود به تابع گوسین نیست و توابع هیپربولیکی نیز میتواند جایگزین پنجره گوسین گردد .[18] لذا در روش تبدیل S مقدار دامنه و فاز محتویات فرکانسی در هر لحظه زمانی در ماتریس S با عناصر مختلط مشخص میشود لذا بر خلاف تبدیل موجک که بازهاي از فرکانسها تحت بررسی قرار میگیرند، مقدار دامنه و فاز در زمانهاي مختلف و براي فرکانسهاي مختلف مشخص میگردد.
-3 سیستم تحت مطالعه
براي بدست آوردن سیگنالهاي جریان دیفرانسیل به منظور بررسی عملکرد الگوریتم ارائه شده، بخشی از یک سیستم قدرت که شامل یک منبع سه فاز و یک بانک ترانسفورماتوري متشکل از سه ترانسفورماتور تکفاز 315 مگا ولت آمپر با نسبت تبدیل 400 به 220 کیلو ولت ترانسفورماتور سه فاز دیگري با ظرفیت 200 مگا ولت آمپر و نسبت تبدیل 220 به 110 کیلو ولت در نظر گرفته شده است. اطلاعات مورد نیاز این ترانسفورماتورها که در مرجع [19] مورد استفاده قرار گرفته، در جدول - 1 - آمده است.
جریان هجومی مغناطیس کننده با تغییرات شدید ولتاژ اعمالی به ترانسفورماتور، ایجاد میگردد که در برخی مواقع تا 10 برابر جریان نامی میباشد. موارد مختلفی از جریانهاي هجومی با تغییر پارامترهاي مهمی که بر آن اثر دارند، شبیه- سازي شده است. این پارامترها شامل شار پسماند هسته، لحظه وصل کلید، تحت بار و یا بدون بار بودن ترانسفورماتور در لحظه برق دار کردن میباشند.
همچنین در زمانیکه ترانسفورماتوري به موازات ترانسفورماتوري که در حال کار است و یا در نزدیکی آن برق دار میگردد، جریان هجومی مغناطیس کننده، علاوه بر ترانسفورماتور در حال برق دار شدن، از ترانسفورماتوري که قبلاً برق دار شده نیز عبور می- کند. علت این امر افت ولتاژ DC روي مقاومت منبع تغذیه کننده ترانسفورماتور و به اشباع رفتن هسته ترانسفورماتورهاست. در نظر گرفتن شار پسماند در شبیه- سازیها که اثر مستقیمی بر روي میزان جریان هجومی مغناطیس کننده دارد، بسیار مهم و ضروري است. معمولاً مقدار حداکثر شار پسماند که میتواند در ترانسفورماتور وجود داشته باشد، به میزان %80 حداکثر شار ترانسفورماتور در ولتاژ نامی میباشد. شار پسماند میتواند با قرار دادن یک منبع جریان DC به موازات هر سیم پیچ ترانسفورماتور مدل گردد .
