بخشی از مقاله
خلاصه
خطای فاز به زمین، محتمل ترین نوع خطا در سیستم های قدرت است. برای محدود کردن جریان این نوع خطا عمدتا مقاومت زمین در نقطه صفر ترانسفورماتورها قرار داده میشود. اما این مقاومت، حساسیت حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور را کاهش میدهد. استفاده از محدود کننده جریان خطا به جای مقاومت زمین، میتواند یک انتخاب خوب باشد. محدودکننده جریان خطا، فقط برای جریان خطاهای بالا عمل میکند و برای شرایط نرمال، یک مقاومت ناچیز دارد.
بنابراین، جریان خطاهای بالا را کاهش میدهد، در حالی که حساسیت حفاظت دیفرانسیل را تحت تاثیر قرار نمیدهد. اما ممکن است سیگنالهایی را که به عنوان ورودیهای حفاظت دیفرانسیل مورد استفاده قرار گیرند، را تحت تاثیر قرار دهد و منجر به عمل اشتباه این حفاظت شود. یکی از مهمترین شرایط، جریان هجومی است که تمایز آن از خطای داخلی دشوارتر میشود.
در این مقاله، برای تمایز جریان هجومی از جریان خطای داخلی ترانسفورماتور قدرت در شرایط حضور محدود کننده جریان خطا در نقطه صفر تراسفورماتور، از دو روش زاویه بردار گرادیان و انحراف مطلق میانگین جزئیات تبدیل موجک گسسته جریان دیفرانسیلی استفاده شده است. برای ارزیابی و مقایسه عملکرد این روشها، یک سیستم قدرت نمونه با استفاده از نرمافزار PSCAD/EMTDC شبیهسازی شده و الگوریتمهای معرفی شده در نرمافزار MATLAB پیادهسازی گردیدهاند.
-1 مقدمه
ترانسفورماتورهای قدرت یکی از مهمترین و گرانترین تجهیزات سیستمهای تولید، انتقال و توزیع نیروی الکتریکی میباشند. از سرویس خارج شدن ترانسفورماتورهای قدرت، چه بر اثر بروز خطا در انها صورت گیرد و چه بر اثر اشتباه سیستم حفاظت آنها رخ دهد اختلال جدی در بهرهبرداری از شبکه ایجاد می نماید. بهرهبرداری صحیح و ممانعت از خروج بی دلیل آنها از شبکه با طراحی سیستم حفاظتی مناسب، بسیار ضروری، حساس و با اهمیت است. با استفاده از سیستمهای حفاظتی کارا و با صرف هزینههای اندک میتوان از بروز حوادثی که ضایعات جبران ناپذیری به همراه دارند، جلوگیری نمود.
یکی از مهمترین سیستمهای حفاظتی، حفاظت دیفرانسیل است. بیشترین کاربرد حفاظت دیفرانسیل در حفاظت از اجزا با ابعاد محدود مثل ترانسفورماتورها، ژنراتورها، شینهها، موتورهای الکتریکی بانکهای خازنی و راکتوری و غیره میباشد.
یکی از مواردی که میتواند سبب عملکرد اشتباه رلههای دیفرانسیل ترانسفورماتورها شود، جریان هجومی ترانسفورماتور است. این جریان در یک ترانسفورماتور میتواند بر اثر هرگونه تغییر ناگهانی در ولتاژ مغناطیس کننده به وجود آید.
تاکنون روشهای متعددی برای پایدارسازی حفاظت دیفرانسیل در برابر جریان هجومی در مقالات و مجلات مختلف پیشنهاد شده و یا در عمل استفاده شده است، نظیر استفاده از طیف هارمونیکی، طرحهای مبتنی بر تبدیل موجک گسسته، طرحهای مبتنی بر تبدیل فوریه زمان کوتاه، طرحهای مبتنی بر شبکههای عصبی مصنوعی، طرحهای مبتنی بر شار نشتی از ترانسفورماتور، طرحهای مبتنی بر ولتاژ القایی، استفاده از تبدیل همبستگی و غیره. در ادامه به مرور مقالات مرتبط با این موضوع می پردازیم.
در [1] یک الگوریتم بر اساس پردازش هارمونیکهای جریان دیفرانسیلی ترانسفورماتور قدرت ارائه شده است. این مرجع با در نظر گرفتن اینکه دامنه مولفههای جریان دیفرانسیل تحت خطا و نیز شرایط جریان هجومی مقادیر مختلفی دارند، یک تابع معیار بر اساس اختلاف زمانی هارمونیک دوم جریان دیفرانسیلی تعریف کرده است. با ارزیابی علامت این تابع معیار، خطای داخلی میتواند از شرایط جریان هجومی تشخیص داده شود. این الگوریتم یک الگوریتم نیمسیکل است که، به هیچ مقدار عددی وابسته نیست.
در [2] بر اساس پردازش جریان دیفرانسیل برای حفاظت دیفرانسیل دیجیتال ترانسفورماتور قدرت با در نظر گرفتن رفتارهای مختلف جریان دیفرانسیل تحت خطا و جریان هجومی ارائه شده است. در این روش یک تابع معیار تعریف شده است که با استفاده از اختلاف دامنه موجک روی یک طیف فرکانسی خاص ناشی از یک خطا و جریان هجومی، شرایط خطای داخلی را میتوان تشخیص داد.
در [3] الگوریتم رله حفاظت ترانسفورماتوری را بر اساس استفاده از نسبت ولتاژ القایی سیمپیچ-های اولیه و ثانویه ارائه شده است. نسبت ولتاژ القایی در طول زمانهایی که با یک جریان هجومی، شرایط فوق تحریک و یا حالت پایدار روبرو باشیم، برابر نسبت تبدیل میباشد. در حالی که در زمان خطای داخلی به مقداری دیگر تغییر میکند.
در [4] از جریان و ولتاژ اندازهگیری شده برای ساخت مکان هندسی شار استفاده شده است. در این روش بازه تغییرات شار بررسی میگردد و اگر درون یا بیرون ناحیه اشباع باشد، جریان هجومی از جریان خطا تشخیص داده میشود.
در [5] دو معیار بر اساس اندوکتانس لحظهای در حوزه زمان و حوزه فرکانس تعریف شده است. از این دو معیار برای تشخیص جریان هجومی از جریان خطای داخلی ترانسفورماتور قدرت که دارای هسته آهنی هستند، استفاده شده است. با استفاده از نتایج آزمایشگاهی در این مرجع نشان داده شده است که، هنگامی که خطا رخ میدهد این معیارها دارای مقدار ثابت همانند یک شکل موج dc است. هنگامی که جریان هجومی رخ میدهد، این معیار دارای نوسان است.
در [6] برای تشخیص جریان هجومی از خطای داخلی در ترانسفورماتورها معیاری تعریف شده است که از مولفههای متعادل جریان استفاده میکند. در زمانی که جریان هجومی یا خطا رخ میدهد، مقدار مولفه منفی جریان دیفرانسیلی از مولفه مثبت آن متفاوت است. با کمک این مشخصه در این مرجع این معیار تعریف شده است. نوع خطایی که در این مرجع مورد بررسی قرار گرفته خطای تکفاز به زمین است. در معیار تعریف شده هنگامی که ترانسفورماتور در شرایط عادی کاری باشد، معیار تعریف شده بدون هیچ جهشی به یک میل میکند . در هنگامی که، جریان هجومی روی میدهد، معیار تعریف شده با جهش بسیار کمی باز هم به سمت یک میل میکند. اما، هنگام روی دادن خطای تکفاز به زمین، معیار به صورت ناگهانی برابر صفر میشود.
برای محدود کردن جریان خطای تکفاز به زمین در شبکه های قدرت، عمدتا مقاومت زمین در نقطه صفر ترانسفورماتورها قرار داده میشود. اما این مقاومت، حساسیت حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور را کاهش میدهد. برای رفع این مشکل، امروزه از محدود کننده جریان خطا به جای مقاومت زمین استفاده میشود. محدود کننده جریان خطا فقط برای جریانهای خطای بالا عمل میکند و برای شرایط عادی یک مقاومت ناچیز دارد
بنابراین، جریان خطای بالا را کاهش میدهد، در حالی که حساسیت حفاظت دیفرانسیلی را تحت تاثیر قرار نمیدهد. با این حال، سیگنالهایی که به عنوان ورودیهای حفاظت دیفرانسیل استفاده میشوند، ممکن است با وجود محدود کننده جریان خطا تحت تاثیر قرار بگیرند و باعث عملکرد اشتباه این حفاظت شوند. هدف این مقاله معرفی الگوریتمی است که در حضور محدود کننده جریان خطا نیز، کارایی مناسب را داشته باشد.
در این مقاله، از زاویه بردار گرادیان جریان دیفرانسیلی و همچنین انحراف مطلق میانگین MAD - - 1 از جزئیات تبدیل موجک گسسته آنها برای حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور در حضور محدود کننده جریان خطا در نقطه صفر ترانسفورماتور استفاده شده است.
ساختار این مقاله به این صورت است که در بخش دوم دو روش مورد استفاده برای تشخیص جریان هجومی از جریان خطای داخلی ترانسفورماتور و فرمولبندی آنها معرفی شدهاند. در بخش سوم روش مدلسازی سیستم تشریح شده است. در بخش چهارم و پنجم به ترتیب نتایج و بحثها و نتیجهگیری بیان شده است.
-2 روش های تشخیص جریان هجومی از جریان خطای داخلی ترانسفورماتور
طرح حفاظت دیفرانسیل با مقایسه جریان های اولیه و ثانویه و نمایش عدم تعادل در جریان دیفرانسیل به منظور حفاظت ترانسفورماتورهای قدرت با توان متوسط و بالا در نظر گرفته شدهاند. یکی از عوامل تهدید کننده ترانسفورماتورهای قدرت جریان هجومی در هنگام برقدار کردن ترانسفورماتور میباشد که باعث عملکرد نادرست رله دیفرانسیل و قطع اشتباه ترانسفورماتور قدرت میشود.
جلوگیری از کار نابجای رله در هنگام برقراری جریان هجومی یا مغناطیس کننده و افزایش آن مستلزم تشخیص و تفکیک جریان سینوسی عیب و جریان مغناطیس کننده ترانسفورماتور است. تشخیص و تفکیک این دو جریان توسط المانهای پیشبینیشده در رله صورت میپذیرد. این المانها از قابلیت تشخیص قوی برخوردار بوده، اضافه جریان گذرا را از جریان عیب داخلی متمایز مینمایند
1-2 روش مبتنی بر گرادیان جریان دیفرانسیلی
جریانهای بدست آمده از ثانویه CTها به عنوان ورودی الگوریتم مورد استفاده قرار میگیرند. جریانهای دیفرانسیلی به صورت زیر محاسبه میگردند
