مقاله تغییر و تنظیم نقطه کار رله لغزش قطب بر اساس امپدانس شبکه

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تغيير و تنظيم نقطه کار رله لغزش قطب بر اساس امپدانس شبکه

چکيده :
يکي از حفاظت هاي مهم ژنراتور نيروگاهها حفاظت لغزش قطب (pole slip) آن مي باشد و در صورتيکه نقطه کار رله حفاظت لغزش قطب (pole slip relay) بصورت واقعي براساس امپدانس شبکه تنظيم نشده باشد ممکن است اين رله در برابر حوادث و اتفاقات شبکه حساسيت نشان داده و واحدها را از مدار خارج نمايد چنانچه اين حالت در نيروگاه شهيد مفتح براي برخي واحدها اتفاق افتاده است . ما در اينجا نشان مي دهيم که چگونه مي توان اين رله را براساس امپدانس شبکه تطبيق و پايدار نمود تا رله لغزش قطب بي جهت عمل نکند و در توليد انرژي الکتريکي واحدها و قفل ايجاد نگردد و پايداري شبکه نيز حفظ کرد. اينجانب براي رله لغزش قطب محاسبات جديدي انجام داده ام و نقاط کار (Setting Point)
جديد براساس امپدانس شبکه بدست آورده ام و اين روش قابل اعمال براي تمامي واحدها در هر نيروگاه مي باشد.
کليد واژه : کل ممان انرسي جرم رتور، زاويه جابجايي رتور نسبت به محور افقي ، H: ثابت ماند توربوژنراتور، زاويه بحراني پايداري ژنراتور، tcr: زمان بحراني پايداري ژنراتور، G٩٦: رله لغزش قطب ژنراتور

١-مقدمه
تعداد نيروگاهها و شبکه هاي انتقال و توزيع بدليل افزايش تقاضاي مصرف بشدت در حال ازدياد و گسترش مي باشد بنابراين در اين صورت پارامترهاي شبکه که مهمترين آن امپدانس مي باشد دچار تغييرات مي گردد و چون در تنظيم نقطه کار رله ها بخصوص رله لغزش قطب امپدانس شبکه علاوه بر امپدانس هاي ژنراتور و ترانس ژنراتور نيز ملحوظ مي شود لذا لازم است در صورت تغيير اين امپدانس نقطه کار رله نيز تصحيح گردد تا نقطه کار رله واقعي تر گردد و حفاظت بدرستي صورت گيرد.
امروزه به دليل گسترش تکنولوژي و بهبود مشخصه هاي سيستم تحريک ژنراتورها تنظيم و تصحيح ولتاژ شبکه بر عهده ژنراتورها مي باشد و ژنراتورها قابليت پاسخ گوئي مناسبي را در برابر خواسته ها و حوادث شبکه پيدا کرده اند. مطلب مهم امروزه اين است که چگونه مي توان از ظرفيت حداکثري يعني MVA توربوژنراتورها بهره جست تا واحدها بدون توقف بکار خود ادامه دهند. تا ميزان راندمان و بهره وري واحدها افزايش يابد.
درست همين ديدگاه است که ما را متوجه حفاظت لغزش قطب ژنراتور را مي کند. در واقع هدف اين است که ضمن حفظ پايداري ژنراتورها و جلوگيري از پاندولي و نوساني شدن آنها و در پي آن حفظ اين سرمايه عظيم ملي بتوان حداکثر بهره وري را با کاهش خروج واحدها از مدار بدست آورد. اگر رله لغزش قطب درست و براساس امپدانس واقعي شبکه تنظيم نگرديده باشد در برابر حوادث و اتفاقات شبکه واحدها را از مدار خارج خواهد نمود. در طي اين مطالعه ما نشان مي دهيم که در شبکه بزرگ (مثل شبکه کشور خودمان ) نقطه کار رله لغزش قطب تنها بستگي به امپدانس ژنراتور و ترانس ژنراتور خواهد داشت و از امپدانس شبکه بدليل ناچيز بودن آن تأثير چنداني نمي پذيرد. و در نظر گرفتن اين امپدانس در نقطه کار رله تنها باعث عملکرد بي مورد رله لغزش قطب مي گردد.
٢-بررسي حالت لغزش قطب (Pole slipping) ژنراتورهاي نيروگاه شهيد مفتح
الف ) دلايل لغزش قطب
براي بررسي مفهوم لغزش قطب يک ژنراتور را از مدار معادل آن کمک مي گيريم :

شکل ١: مدار معادل ژنراتور
در اين مدار معادل از مقاومت اهمي ژنراتور بدليل کوچک بودن آن صرفنظر شده است . مقاومت اهمي سيم پيچ هاي استاتور و رتور ژنراتور نيروگاه شهيد مفتح به ترتيب مي باشند.
Xd امپدانس سنکرون ژنراتور مي باشد و مرغوبيت يک ژنراتور بستگي به آن دارد. در ژنراتورهاي امروزي بدليل پاسخگوئي مناسب سيستم تحريک آنها از Xd بزرگتري برخوردار هستند. تا جريان اتصال کوتاه آنها پايين آيد. و همچنين در مقدار پايداري ژنراتور در برابر حوادث شبکه چون اين امپدانس نسبت به امپدانس شبکه قابل ملاحظه خواهد بود متأثر خواهد بود و ژنراتورها تأثير چنداني از شبکه نمي پذيرند. قابليت پاسخگوئي سيستم تحريک ژنراتور نيروگاه شهيد مفتح (ره ) در حدود sec٤٥ .٠ مي باشد و هر کدام از
ژنراتورها داراي امپدانسهاي زير هستند:

در حالت کار پايدار ژنراتور نيروي مکانيکي گرداننده رتور (گشتاور توربين بخار) با نيروي ترمز کننده مغناطيسي استاتور بر روي رتور در حال تعادل مي باشند. به عبارت ديگر گشتاور الکترومغناطيسي توليد شده ناشي از آمپر – دور سيم پيچهاي استاتور و رتور (با صرفنظر از تلفات ژنراتور) با نيروي گشتاور مکانيکي توربين برابر مي باشند. گرچه تغيير بار ناگهاني توربين تأثيرات نامطلوبي بر روي لغزش قطب مي تواند داشته باشد ولي ما در اينجا تأثيرات تغييرات نيروي الکتروموتوري قطب ها يعني (E) و ولتاژ شبکه يعني (V) را بررسي مي کنيم .

در حالت سنکرون و کار پايدار ماشين توان الکتريکي توليد شده مطابق رابطه زير مي باشد.
 زاويه عقب افتادگي قطب هاي استاتور از قطب هاي رتور مي باشد. و مقدار تغييرات اين زاويه است که بيانگر لغزش قطب ها و پاندولي شدن ژنراتور ها مي باشد.
شکل ٢- دياگرام برداري ژنراتور يعني را نشان مي دهد. مطابق اين دياگرام ديده مي شود که توان توليدي متناسب با سطح مثلث OAB مي باشد حال اگر بصورت ناگهاني مقدار E کم شود. توان توليدي توسط ژنراتور کمتر مي شود و چون مصرف کننده ها ثابت هستند. ژنراتور براي توليد توان قبلي مجبور مي شود که زاويه چرخش قطب ها يعني را زياد کند. افزايش زاويه و دور گرفتن رتور يعني چرخش قطب ها نمي تواند بصورت آرام و يک دفعه اي باشد بلکه همراه با نوسانات بوده تا اينکه در يک زاويه ديگر مثلا دوباره به حالت تعادل رسد.
حد افزايش زاويه مي باشد. چرا که بيشتر از اين مقدار خاصيت ترمزي گشتاور الکترومغناطيسي رو به کاهش گذاشته و ديگر ژنراتور به حالت تعادل بر نمي گردد. ديده مي شود که مقدار جريان اکتيو يعني ثابت مي ماند ولي جريان راکتيو يعني دچار تغييرات مي گردد. اگر در هنگام افزايش زاويه يعني شتاب گرفتن رتور تبديل انرژي جنبيشي رتور به مقدار بيشتر از جبران توان اکتيو ژنراتور شود در اين حالت در سيم پيچ هاي دمپينگ ژنراتور ولتاژ القاء شده و باعث جاري شدن جريان در آنها مي گردد و انرژي سنيتک اضافي توسط حلقه هاي دمپينگ ميرا مي گردد. افزايش دور رتور و پس زدن آن همان حالت لغزش قطب ها مي باشد. که سبب پاندولي و نوساني شدن رتور ژنراتور مي گردد. با تغييرات جريان تحريک مقدار زاويه نيز تغيير مي کند. و جريان ژنراتور در به حداقل خود مي رسد. و دوباره پس از آن افزايش مي يابد در اين حالت جريان استاتور نسبت به ولتاژ ترمينال جلوتر است و حالت پيش فازي بوجود مي آيد. هنگامي که ژنراتور از حالت پس فازي به سمت پيش فازي مي رود در واقع به مرز ناپايداري يعني به ناحيه حداقل تحريک نزديک مي شود. اگر زاويه افزايش يابد حالت فيدبک مثبت پيش مي يابد. و افزايش دور رتور ژنراتور به حالت خطرناک مي رسد و اگر رله لغزش قطب و ساير رله هاي حفاظتي عمل نکنند مجموعه ژنراتور و توربين دچار خسارت هاي جبران ناپذيري شده و منهدم مي گردند. بنابراين در حالت بارداري تغييرات شديد نيروي الکتروموتور قطبي نامطلوب مي باشد و قطع تحريک خطر آفرين است . تغييرات جريان استاتور ژنراتور در اين حالت بصورت منحني هاي V خود را نشان خواهند داد.
(شکل ٣)
همچنين اگر اتصال کوتاه در ترمينال ژنراتور و يا در پست و شبکه انتقال پديد آيد سبب کاهش شديد ولتاژ ترمينال ژنراتور (ولتاژ V)
خواهد شد. تحريک بايد در اينجا سريعاً اين افت ولتاژ را جبران نمايد چه در غير اين صورت (که غالباً اتفاق مي افتد) نيروي مغناطيسي بين رتور و استاتور ضعيف شده و دوباره حالت نوساني و لغزش قطب پيش بوجود مي آيد. و سبب عملکرد رله هاي لغزش قطب pole)
(slip relay و از دست رفتن ميدان تحريک (Loss of field) مي شوند و واحد را از مدار خارج مي کنند.

ب) محاسبات پارامترهاي لغزش قطب
پايداري ژنراتور بعنوان يک سيستم قدرت بدين معنا است که در هنگام ورود اغتشاش به آن وقتي که از حالت عملکرد نرمال خارج مي گردد دوباره بتواند به حالت اوليه برگردد.
١- معادلات ديناميک رتور ژنراتور و لغزش قطبهاي آن ديناميک رتور در حالت ژنراتور مطابق رابطه زير نوشته مي شود.

J: کل ممان انرسي جرم رتور kg-m٢
m: جابجاي زاويه اي رتور نسبت به محور افقي
Tm: گشتاور اعمالي به رتور
N. m Te: گشتاور الکترومغناطيسي
N. m Ta: گشتاور شتاب
زاويه جابجاي رتور
از روابط ٢ و ٣ رابطه ديگري از ديناميک رتور ژنراتور بدست مي آيد.

Pe: قدرت الکترومغناطيسي است که از فاصله هواي عبور مي کند (توان الکتريکي )
Pm: قدرت مکانيکي است (قدرت توربين )
Pa: قدرتي است که از بالانس نبودن دو قدرت Pm و Pe بدست مي آيد.
ضريب Jm را اندازه حرکت زاويه اي رتور گويند و در سرعت سنکرون آنرا با M نشان مي دهيم .

پارامتري ديگري را بنام ثابت ماند يعني H تعريف مي کنيم

از رابطه ٥ و ٦ معادل لغزش (Swing equation) بدست مي آيد:

رابطه ٧ را معادله لغزش ماشيني گويند اين يک معادلي اساسي حاکم بر ديناميک ماشين سنکرون است و يک معادله درجه دوم است . که مي توان آنرا بصورت دو معادلي درجه اول نيز نوشت :

اگر معادلي را بر حسب زاويه رسم کنيم شکل ٥ بدست مي آيد.

اگر زاويه دچار تغييرات شود دو سطح A١ و A٢ بوجود مي آيند. در سطح A١ انرژي جنبشي رتور زياد شده و در سطح A٢ انرژي جنبشي رتور کاهش مي يابد و شتاب منفي است .
برابري سطوح مي گويد انرژي که به رتور در اثر فالت داده مي شود بايد پس از فالت از آن گرفته شود. تنها در اين صورت است که ماشين پس از لغزش قطب دوباره به حالت پايدار بر مي گردد. با فرض برابري سطوح زاويه که آنرا زاويه بحراني (Critical angle) گويند بدست مي آيد و زمان لازم براي برطرف کردن فالت را زمان بحراني گويند.
از برابري سطوح و معادلي لغزش قطب معادلي زاويه بحراني زير بدست مي آيد:

ديده مي شود که مقدار زاويه بحراني تنها بستگي به مقدار اوليه دارد. زاويه بحراني زاويه اي است که تغييرات زاويه اي رتور تا به مقدار آن مي تواند باشد که تا ژنراتور حالت سنکرون خود را دوباره بدست آورد.
با فرض حالت سنکرون يعني و در صورت وقوع فالت ٠=Pe شود، به عبارتي تنها Pm باعث شتاب رتور گردد. و به کمک معادله لغزش قطب ها رابطه زير بيانگر زمان بحراني است بدست مي آيد:

مقادير ثابت ماند براي مجموعه ژنراتور و تحريک و مجموعه ژنراتور و تحريک و توربين (توربوژنراتور) را براساس مقادير ممان انرسي آنها را بدست مي آوريم :

به کمک رابطه ٩ و مقادير ثابت ماند مقدار زمان بحراني براي ژنراتور و توربوژنراتور مطابق روابط زير در بارهاي MW١٢٥ و MW٢٥٠ بدست مي آيد:

به کمک روابط بدست آمده زاويه بحراني و زمان بحراني را براي ژنراتورهاي نيروگاه شهيد مفتح (ره ) بدست مي آوريم :
نگاه به جدول ١ و مشاهده مقادير بسيار کوچک زمان بحراني براي توربوژنراتورها نشان دهنده اهميت لغزش قطب در آنها مي باشد.
البته در محاسبه اين زمان فرض کرده ايم توان توليدي ژنراتور در صورت وقوع اتصال کوتاه و فالت صفر گردد (٠=Pe) که در عمل هنگام وقوع فالت در خطوط انتقال توان Pe نمي توان صفر باشد و در اين حالت مقادير Tcr افزايش مي يابد.
٣-حفاظت لغزش قطب (Pole Slip Protection)
توان ضربه اي که سبب نوساني شدن رتور ژنراتور مي شود مي تواند در نتيجه تغييرات جريان ، ولتاژ و ضريب قدرت باشد. البته اين نوسانات ممکن است در زماني اندکي از ثانيه ناپديد و ميرا شوند که در اين حالت نبايد رله حفاظتي عمل کند.
اگر جابجايي زاويه اي رتور بيشتر از مقدار محدود شده پايدار آن باشد رتور دچار لغزش قطب ميشود (قطب رتور دچار پيچ خوردگي مي گردد) در اين صورت اگر آشفتگي در زمان وقوع آن به اندازه کافي کنار زده شود ماشين به ناحيه پايداري بر مي گردد. در غير اين صورت ژنراتور بايد از سيستم جدا گردد. رنج منحني هاي نوساني در اين حالت توسط يک نوع رله تست مي گردد. رله اي که حالت ژنراتور را نشان دهد تنظيم آن بصورت نسبي غير مطمئن مي گردد به عبارت ديگر اگر رله بيان کننده حالت سنکرون باشد تنظيمش براي