بخشی از مقاله
چکیده
مدل سازي دقیق قوس خطا از ملزومات اولیه مطالعات تنظیم رله هاي بازبست در خطوط انتقال انرژي می باشد. براي داشتن یک سیستم بازبست قابل اعتماد، باید بتوان زمان خاموش شدن قوس ثانویه را هر چه نزدیکتر به واقعیت تخمین زد و در صورت عدم خاموشی قوس ثانویه، قبل از ناپایداري شبکه تمهیدات لازم را انجام داد. در این مقاله، با توسعه یکی از مدلهاي مشهور قوس خطا، یک مدل کامپیوتري براي شبیه سازي قوس اولیه و ثانویه به همراه روندنماي مربوط به هریک در نرم افزار EMTP ارائه شده است. مطالعه موردي نیز براي یکی از خطوط شبکه سراسري400 کیلوولت ایران انجام شده است.
واژههاي کلیدي: مدل قوس، بازبست، قوس اولیه، قوس ثانویه، EMTP
-1 مقدمه
با بروز خطا در خط انتقال، به منظور جداسازي خطا از شبکه، خط معیوب باید سریعاً بی برق گردد. براي بازگرداندن سریع خط به جهت حفظ پایداري گذراي شبکه، نیاز به سیستم مکانیزه و دقیق بازبست در شبکه میباشد. به منظور تنظیم رله هاي بازبست, پس از باز شدن کلیدها، یک تأخیر زمانی براي وصل مجدد آنها در نظر گرفته می شود. این تأخیر به منظور خاموش شدن قوس ثانویه و دیونیزه شدن فضاي قوس و عدم بروز اضافه ولتاژ غیرمجاز در اثر کلیدزنی می باشد. به همین دلیل، تنظیم دقیق رلههاي بازبست نیاز به تعیین مدت زمان تداوم قوس براي کلیه خطوط شبکه انتقال دارد .[1]
قوس اولیه، قوسی است که در حین خطا وجود دارد - قبل از باز شدن کلید هاي قدرت دو طرف خط - و قوس ثانویه پس از باز شدن کلیدهاي دو سر خط و در اثر القاء متقابل بین فازهاي سالم با فاز معیوب به وجود می آید. در این هنگام، بار باقیمانده بر روي خط بی برق از طریق مسیر قوس ثانویه تخلیه میگردد. مطالعات گستردة انجام شده بر روي مدل سازي قوستوسعه مدلسازي قوس خطا و نحوه پیادهسازي آن در شبیهساز حالات گذرا به منظور مطالعات بازبست خطوط انتقال ثانویه نشان می دهد که مدل قوس در رفتار گذراي سیستم در حین برقراري قوس و زمان خاموش شدن آن بسیار مهم است.[12-2] در مراجع مختلف روشهاي متفاوتی براي مدل سازي قوس ثانویه پیشنهاد شده است.
مدل قوس Johns[2]، که در طی سال هاي 1976 تا 1994 بر روي آن کار شده است، از معروف ترین مدل هاي شناخته شده قوس خطا در دنیا می باشد. Johns دو مدل ریاضی جداگانه براي قوس هاي اولیه و ثانویه ارائه داده است. البته شبیه سازي قوس ثانویه با مدل Johns در نرم افزار EMTP، به دلیل لزوم مدل سازي ولتاژ بازیافتی و مقاومت غیرخطی قوس، بسیار پیچیده و مشکل می باشد. به همین دلیل، در بسیاري از مراجع مدل Goldberg5]، [8 یا مدل 4] Kizilikey، [9 براي شبیه سازي به کار گرفته شده است. در مرجع [8] براي مدلسازي مدار هدایت قوس از دو دیود موازي و در خلاف جهت هم استفاده شده است. به همین دلیل، شکل موج جریان قوس ثانویه مدلشده به این روش شامل تعدادي ذوزنقه هاي متوالی می باشد.
مدل قوس ثانویه ارائهشده در مراجع 4]، 9، 11 و [12 وابسته به پارامترهایی است که مقدار برخی از آنها لزوماً معین نیست؛ بلکه این مقدار در محدوده خاصی قرار دارد. همچنین، در این مدل ولتاژ بازیافتی به طور جداگانه در نظر گرفته نشده است. در مرجع [3]، مدل قوس ثانویه Dudurych ارائه شده است.این مدل وابسته به پارامترهاي خاصی است که براي سطح ولتاژ 1150 کیلوولت به دست آمده است. این پارامترها در مطالعه مربوطه از تست هاي میدانی محاسبه شده اند و به کار بردن این مقادیر درسطوح ولتاژ دیگر مجاز نمیباشد.در این مقاله روش ارائه شده توسط Johns براي مدلسازي قوس اولیه و ثانویه به کار رفته است. نحوه شبیهسازي کاملقوس اولیه و ثانویه به همراه مدل ولتاژ بازیافتی در نرم افزارEMTP در این مقاله ارائه شده است. نتایج ارائهشده در مراجع [15-13] صحت روش پیشنهادي را تأیید میکنند. دربخش هاي بعدي، الگوریتم هاي مربوط به هریک بهصورت جداگانه ارائه میگردد.
-2 مدل قوس خطا
-1-2 مدلسازي قوس اولیه
مدل به کارگرفته شده براي قوس اولیه مطابق با روابط - 1 - و - 2 - میباشد:
در این روابط Gp، gp، Lp و Tp به ترتیب هدایت قوس اولیه - مشخصه استاتیکی قوس - ، کندوکتانس یا هدایت متغیر با زمان قوس اولیه، طول زنجیره مقره و ثابت زمانی قوس اولیه میباشند. پارامتر Vp ثابت ولتاژ در واحد طول قوس اولیه برحسب ولت بر سانتی متر می باشد که مقدار آن برابر 15 ولت بر سانتیمتر در نظر گرفته میشود .[2] در این مدل مقدار اولیه gp0 برابر 0.27Ip/15Lp و مقدار Tp برابر α Ip/Lp درنظر گرفته میشود. Ip پیک جریان قوس اولیه است که به کمک محاسبات خطا بهدست میآید. α پارامتري تجربی است و براي قوسهاي جریان زیاد برابر 2/85*10-5 میباشد.
-2-2 مدلسازي قوس ثانویه
رابطه ریاضی مبین رفتار قوس ثانویه به شرح زیر است.[2]تعاریف پارامترها مشابه بند 1-2 می باشد و تنها اندیس p با s جایگزین می گردد. در این روابط، tr زمانی است که از لحظهشروع قوس ثانویه سنجیده میشود.زمان خاموش شدن قوس ثانویه به افزایش طول قوس درطی مدت زمان بقاي آن وابسته است. افزایش طول قوسثانویه - Ls - در واحد زمان، بستگی به سرعت باد نیز دارد.رابطه - 5 - براي سرعت باد تا 1 m/s صدق میکند :[2]که در آن Lso طول زنجیره مقره است. همچنین، Vs و Tsطبق روابط زیر تعریف میشوند:توسعه مدلسازي قوس خطا و نحوه پیادهسازي آن در شبیهساز حالات گذرا به منظور مطالعات بازبست خطوط انتقال مقدار اولیه هدایت قوس ثانویه یا gs0 برابر VsLs - tr - /0.15Is میباشد β .[2] نیز براي قوسهاي جریان کمبرابر 2/5*10-3 می باشد. Is مقدار پیک جریان قوس ثانویه درحالت پایدار است.
-3-2 ولتاژ بازیافتی
در نظرگرفتن تغییرات ولتاژ بازیافتی در طول مدت زمان برقراري قوس ثانویه، از مشکل ترین قسمت هاي مدل سازي این قوس است. در مدل ارائه شده در مرجع [2]، ولتاژ بازیافتی قوس ثانویه از رابطه زیر بهدست میآید:در این رابطه، Te یک پارامتر مجازي است که مقدار آن در هر لحظه برابر با آخرین زمان صفر شدن جریان قوس ثانویه میباشد. با گذشت زمان از شروع شبیهسازي، tr و در نتیجهVr - tr - افزایش مییابد تا هنگامیکه قوس خاموش شود.
-3 شبیهسازي کامپیوتري
مدل سازي و شبیه سازي قوس اولیه و ثانویه در نرمافزار EMTP، در قسمت الکتریکال آن انجام می گیرد. در شکل - 1 - مدار الکتریکی هر دو قوس نشان داده شده است. ادوات استفاده شده در این مدل سازي توسط قسمت کنترلی EMTP یاهمان TACS کنترل می گردد. در حل معادله دیفرانسیل قوس، نیاز به مقدار هدایت مقاومت قوس در پله زمانی قبل می باشد. این امر توسط تقابل قسمت الکتریکال و کنترلی EMTP واجراي قسمت کنترلی قبل از الکتریکال در هر بار اجراي برنامه تأمین می گردد. در این شبیه سازي از مدل جی مارتی براي مدل سازي خط انتقال مورد مطالعه و از مدل Ward براي مدل سازي شبکه هاي دو سر خط مزبور استفاده شده است .[7]
قبل از شروع شبیهسازي قوس، مقادیر Ip و Is براي خط مورد مطالعه در EMTP محاسبه گردیده و به عنوان ورودي قسمت TACS تعریف میگردد.به منظور تعیین مقدار Ip براي خط مورد مطالعه، ابتدا درمحل خطا مقاومت خطی کوچکی - مثلاً 2 اهم - گذاشتهمی شود و سپس مقدار پیک جریان اتصال کوتاه تک فاز خوانده میشود.به منظور تعیین مقدار Is براي خط مورد مطالعه, یک مقاومت خطی بسیار کوچک - مثلا 0/001 اهم - در محل قوس ثانویه قرار داده می شود و سپس، در حالی که کلیدهاي قدرتدو سر خط باز شده اند، پیک جریان گذرنده از مقاومت مزبور مقدار Is را مشخص میکند.
-1-3 شبیهسازي قوس اولیه
براي مدل سازي قوس اولیه در نرم افزار EMTP، از مدار شکل - 2 - استفاده شده است. در این مدار، شاخه اي که شامل مقاومت 1000 اهمی، کلید زمانی همیشه باز، کلید اندازه گیري و منبع ولتاژ نوع 60 می باشد، براي خیره مقدار کندوکتانس متغیر با زمان قوس اولیه در هر پله زمانی و استفاده از آن در
