بخشی از مقاله
چکیده
یکی از حفاظت هاي مهم ترانسفورمرهاي قدرت،حفاظت دیفرانسیل جریان میباشد. جریان هجومی ترانسفورمر که به دلیل اشباع هسته ترانسفورمر بی بار در چند سیکل اول برقدار شدن آن ایجاد می شود، می تواند موجب عملکرد نادرست رله هاي دیفرانسیل جریان و خارج شدن ترانسفورمر از مدار شود. ویژگی اصلی این جریان، مقدار DC بزرگ و مولفههاي هارمونیکی آن میباشد که آن را از خطاهاي داخلی ترانس متمایز می کند. در این مطالعه، روش جدیدي به منظور تخمین مولفههاي هارمونیکی جریان با استفاده از شبکه عصبی خطی تطبیقی - - ADALINE، که در بهنگام سازي - Update - آن به جاي قاعده ویدرو- هاف، از یک تنظیم کننده فازي استفاده شده، ارائه می گردد. با پیاده سازي تکنیک پیشنهادي در رله هاي دیجیتال، امکان تشخیص جریان هجومی و جلوگیري از عملکرد بی مورد رله دیفرانسیل جریان و همچنین تنظیم مناسب رله ها در محیط هاي هارمونیکی امکان پذیر می شود. شبیه سازي جریان هجومی در محیط نرم افزارPSCAD/EMTDC ،
و استخراج هارمونیکهاي آن در محیط نرم افزار MATLABنشان دهنده برتري روش پیشنهادي در مقایسه با شبکه عصبی آدالاین میباشد.
-1 مقدمه
ترانسفورمرهاي قدرت از جمله گران قیمتترین تجهیزات سیستمهاي قدرت به شمار می روند. از این رو، وسایل حفاظتی آن نقش کلیدي در افزایش قابلیت اطمینان تأمین انرژي الکتریکی وافزایش عمر مفید ترانسفورمرها دارند. حفاظت دیفرانسیل جریان یک گزینه مناسب براي محافظت ترانسفورمر در برابر خطاهاي داخلی فاز-زمین میباشد که با نمونه برداري از جریان هاي سه فاز اولیه و ثانویه ترانسفورمر و قرار دادن آنها در محدوده مقیاس، و با در نظر گرفتن نسبت دور و آرایش سیمپیچهاي اولیه و ثانویه انجام میگیرد - شکل. - 1 وجود اختلاف بین جریانهاي اولیه و ثانویه به عنوان وقوع خطاي داخلی در ترانسفورمر تلقی شده و با عملکرد رله دیفرانسیل، فرمان باز شدن به کلید قدرت مدار صادر می گردد. در یک ترانسفورمر بی بار برقدار شده، جریان هجومی تنها از یک سیمپیچ ترانسفورمر عبور می کند - طرفی که به منبع متصل است - . بنابراین اگر جریان هجومی در مداري که خطاي داخلی را تشخیص می دهد در نظر گرفته نشود، از دید رله دیفرانسیل، یک خطاي داخلی تشخیص داده شده و رله دیفرانسیل در جریان هجومی، عملکرد نامطلوب خواهد داشت.
این در حالی است که جریان هجومی نباید یک وضعیت خطا و خطرناك براي ترانسفورمر تلقی شود .[1]یک راه حل براي جلوگیري از این عملکرد نامطلوب، غیر فعال نمودن فرمان رله به کلید قدرت براي یک زمان کوتاه بعد از کلیدزنی می باشد. اما با توجه به احتمال وقوع شکست عایقی در زمان برقدار شدن، این غیر فعال نمودن رله، ندیده گرفتن برخی خطاها را در آن بازه زمانی در پی خواهد داشت.راه حل مناسب براي این مشکل، مقایسه شکل موج جریان خطاي داخلی و جریان هجومی است. جریان هجومی داراي مولفه DC و هارمونیکی زیاد است در حالیکه جریان خطاي داخلی عمدتاً شامل مولفه فرکانس اصلی می باشد. بنابراین در رلههاي دیفرانسیل با بازدارنده هارمونیک - Harmonic Restraint Relays - ، میتوان یک مولفه بازدارنده براي جلوگیري از عملکرد رله در شرایط وجود جریان هجومی از مولفههاي هارمونیکی آن استخراج نمود 3]و. [2
مدارهاي تشخیص هارمونیک قدیمی، براساس فیلترهاي RLC
عمل می کردند که دقت نامناسب را می توان از جمله مشکلات آنها بر شمرد. با بکارگیري ابزارهاي پردازش سیگنال نظیر - Digital Signal Processor - DSP در رله هاي دیجیتالی نوین، تکنیکهاي فیلترینگ و پردازش سیگنال بصورت بلادرنگ هم در این رله ها در حال توسعه میباشد.[4]در این مطالعه از شبکه عصبی آدالاین، که بهنگام سازي آن، به جاي قاعده ویدرو- هاف - - Widrow-Hoff، توسط منطق فازي انجام می پذیرد، به منظور تخمین دقیق و سریع مولفه هاي فرکانس اصلی و هارمونیکی استفاده می گردد. از تکنیک پیشنهادي می توان به منظور تشخیص جریان هجومی از جریان هاي خطا و نیز تشخیص وقوع خطا و تنظیم رله ها در شبکه هاي توزیع با بارهاي غیر خطی استفاده نمود.در بخش بعدي جریان هجومی و مدلسازي ریاضی آن ارائه شده است. شبکه عصبی آدالاین و استفاده از منطق فازي در بهنگام سازي آن، در بخش3 مورد بحث قرار میگیرد. در بخش4، یک سیگنال هارمونیکی مشابه جریان هجومی تولید شده و کارائی آدالاین فازي در مقایسه با آدالاین ارزیابی می گردد. سپس هارمونیک هاي فرکانس اصلی و دوم یک ترانسفورمر قدرت بی بار در لحظه برقدار شدن توسط تکنیک پیشنهادي بدست میآید. نتیجه گیري از مطالب در بخش 5ارائه می گردد.
-2 جریان هجومی در ترانسفورمر:
در حالت ایده آل و بدون در نظر گرفتن مقاومت سیمپیچ ترانسفورمر، روابط زیر را می توان نوشت:
که در آن φ - t - , V - t - وθ به ترتیب ولتاژ لحظه اي اعمالی، شار لحظه اي و متغیر بیان کننده لحظه کلیدزنی میباشد. بنابراین از رابطه شار و ولتاژ می دانیم:
کهN تعداد دور سیمپیچ میباشد. همانطور که مشاهده می شود، در حالت دائمی، شار ترانسفورمر به اندازه 90 درجه نسبت به ولتاژ پس فاز می باشد. اما از طرف دیگر میتوان نوشت:
کهk ثابت انتگرالگیري است و از شرایط اولیه بدست میآید. با در نظر گرفتن اینکه شار پسماند در لحظه t=0 برابر φR باشد، مقدار آن برابر است با:
پس از جایگذاري k در روابط فوق رابطه شار بدست میآید:
در این شرایط با در نظر گرفتنφm=Vm/Nω، حداکثر شاري که از هسته عبور می کند در لحظهθ=0 بدست می آید:
وقتی ولتاژ در حال عبور از صفر و مثبت شدن است، شار در حداکثر مقدار منفی خود است. با فرض اینکه ترانسفورمر در صفر مثبت شکل موج ولتاژ منبع وصل گردد، در بازه زمانی نصف پریود - - T/2، شار از مقدار –φm تا +φm تغییر می کند.بنابراین در شرایط دائمی، شار هسته به اندازه 2φm تغییر میکند - شکل.[5 ] - 2زانوي اشباع طراحی می شوند، افزایش شار هسته ترانسفورمر را به شدت به ناحیه اشباع می برد که باعث عبور جریان بسیار زیاد مغناطیس کنندگی با پیک - چند سیکل اولیه - غیر سینوسی از سمت برقدار شده میگردد - شکل. - 3 این جریان مغناطیسکنندگی ممکن است به مقادیري بیش از 5 برابر جریان بار کامل ترانسفورمر نیز برسد، که به عنوان جریان هجومی - Inrush Current - شناخته می شود.
ثابت زمانی گذراي این جریان در محدودهاي بین 0.1 ثانیه - براي یک ترانسفورمر100 کیلوولتآمپر - ، تا 1 ثانیه - براي یک ترانسفورمر چند صد مگا ولت آمپر - میباشد .[6]بنابراین شار در یک ترانسفورمر تابعی از: شار پس ماند، نقطه کلیدزنی، طراحی و ظرفیت ترانسفورمر و نیز خاصیت مغناطیسی هسته، یا بعبارتی میزان جریان مغناطیس کنندگی لازم جهت تولید مقدار معینی شار میباشد. براي رسیدن به این شار، جریان مغناطیس کنندگی فوق العاده زیادي از ترانسفورمر کشیده میشود که شکل موج آن غیرسینوسی است.اما ویژگی اصلی جریان هجومی، وجود مولفه DC بزرگ و هارمونیکها در آن میباشد که در حالت وقوع خطاي داخلی چنین نیست. جدول 1، مولفههاي هارمونیکی یک شکل موج جریان هجومی را نشان میدهد.
