بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت حفاظت خطوط فوق توزیع در برابر اصابت صاعقه با شبکه در این مقاله به بررسی روش های حفاظت خطوط فوق توزیع در برابر صاعقه می پردازیم .از روش های موثر برای حفاظت در برابر صاعقه استفاده از خطوط محافظ در بالای دکل و برقگیر موازی با مقره ها است . در این مقاله یک شبکه نمونه و شامل خطوط 66 کیلوولت دومداره با یک هادی محافظن را به طور کامل در نرم افزارEMTP مدل سازی کرده و بررسی های لازم صورت گرفته است . در هر نوع حفاظت دو حالت برخورد موج ضربه صاعقه به برج و وسط اسپن خط در نظر گرفته می شود و در هر حالت مقدار جریان ضربه بحرانی برای ایجاد شکست در مقره ها بدست می آید . در نهایت با استفاده از جریان بحرانی حاصله، خطای کل سیستم حفاظت از صاعقه محاسبه و با یکدیگر مقایسه می شود .
کلید واژه- برقگیر، جرقه بازگشتی ، جریان بحرانی ، صاعقه ، سیم گارد
-1 مقدمه
صاعقه یکی از انواع تخلیه الکتریکی است و به علت تاثیراتی که بر شبکه قدرت دارد ، حائز اهمیت است . اضافه ولتاژ های ناشی از صاعقه امروزه یک مسئله مهم در سازگاری الکترو مغناطیسی و حوزه کیفیت توان می باشد . به دلیل بلند بودن ارتفاع دکل های انتقال نیرو ، احتمال برخورد صاعقه به برج ها و هادی ها بسیار بیشتر از احتمال برخورد آن با زمین مجاور می باشد . از طرفی ، برخورد مستقیم صاعقه به خطوط انتقال ، ولتاژ گذرایی را تولید می نماید که می تواند به تجهیزات آسیب برساند . چنانچه این ولتاژهای گذرا از سطح تحمل مقره ها بیشتر باشند ، عایق میان هادی فاز و بازوهای - کراس آرم - دکل را تحت تاثیر قرار داده و سبب ایجاد قوس برگشتی یا تخلیه الکتریکی در آن می گردند . در نتیجه این اتفاق ، تخلیه الکتریکی سبب اتصال کوتاه سیستم و قطع خط می شود.
مطابق توضیحات فوق ، لازم است تا پس از اصابت صاعقه به خطوط ، با ایجاد مسیرهای مناسب برای عبور جریان از اثرات بعدی آن جلوگیری به عمل آورد .طراحی حفاظت در برابر برخورد مستقیم صاعقه به خط، که شامل انتخاب تعداد سیم های گارد کافی، جایابی صحیح این سیم ها و تعیین زاویه حفاظت مناسباست، یکی از مرسوم ترین روش ها در زمینه پایدارسازی خطوط در برابر صاعقه می باشد . یکی دیگر از راهکار های متداول، استفاده از برقگیر در هادی های فاز می باشد . چنان چه صاعقه به هر دلیلی به هادی فاز برخورد کند ، می توان با استفاده از جایابی بهینه برقگیرها ، از نفوذ آن به سایر بخش های شبکه جلوگیری نمود . به تجربه ثابت شده که نصب برقگیر موازی در خطوط انتقال موثرترین و مفیدترین روش جلوگیری از ظهور ولتاژهای موجی و بروز قوس در طول زنجیره مقره است . برقگیرها هرگونه اضافه ولتاژ حاصل از تخلیه جوی را بدون اینکه سبب اتصالی در طول زنجیره مقره شوند ، به بدنه برج و زمین منتقل می نمایند . بررسی هر شبکه نیازمند شبیه سازی و مطالعه کامپیوتری است . کلیه تجهیزات مورد نیاز با نرم افزار EMTP-RV شبیه سازی شده و به بررسی انواع سیستم حفاظت در برابر صاعقه شامل حفاظت با سیم گارد و برقگیر می پردازیم.
B2 تعاریف اولیه
B2.1 ولتاژ جرقه بحرانی
میزان اضافه ولتاژ گذرایی است که چنان چه به ترمینال های تجهیز برسد، احتمال اینکه عایق تجهیز این اضافه ولتاژ را تحمل کند 50 درصد است.
B2.2 دامنه جریان ضربه بحرانی
دامنه جریان موج ضربه صاعقه ای است که چنانچه بر روی یک هادی جاری شود، می تواند موجب ایجاد ولتاژی برابر با سطح ولتاژ جرقه بحرانی عایق آن هادی گردد.
B2.3سطح کرونیک
سطح کرونیک یا عدد کرونیک یک منطقه ، تعداد روزهایی از سال که در آن روزها در آن منطقه رعد و برق دیده یا شنیده می شود، را مشخص می کند . این یک تعریف بین المللی است که در کلیه کشورها به کار برده می شود . طبق اطلاعات سازمان هواشناسی کشور ، سطح کرونیک در ایران بیش از 20 روز می باشد.
B2.4 نرخ خطای سیستم
حفاظت از صاعقه تعداد کل ضربات صاعقه در سال که از سیستم حفاظت از صاعقه عبور کرده و به هادی های فاز برخورد نماید ، نرخ خطای سیستم حفاظت از صاعقه نامیده می شود . این حادثه ممکن است منجر به بروز قوس شود یا ممکن است منجر به بروز قوس نشود.
B2.5 نرخ وقوع قوس ناشی از خطای سیستم حفاظت از صاعقه
تعداد سالیانه ضربات صاعقه ای است که از سیستم حفاظت از صاعقه عبور کرده و به هادی های فاز برخورد نموده و موجب بروز قوس الکتریکی در خط می گردند.
B2.6 قوس برگشتی
یکی از عوامل ایجاد خطا در عملکرد خطوط محافظ پدیده جرقه بازگشتی است . در صورت برخورد صاعقه به خط محافظ یا برج، جریان صاعقه تقسیم شده و در مسیرهای گوناگون حرکت می کند . یکی از مسیرهای جریان ، برج ها می باشد . در صورت عبور جریان صاعقه از برج ، به علت امپدانس خود برج و زمین ، ولتاژی در محل اتصال برج به مقره ها به وجود می آید . این ولتاژ میتواند از حد تحمل عایقی مقره فراتر رفته و موجب جرقه و بروز خطا در سیستم گردد . در کل سه حالت برای ایجاد خطای ناشی از صاعقه محتمل است:
-1 خطای شیلد که به معنای عدم برخورد صاعقه به شیلد و برخورد مستقیم به خط است . در صورتی این جریان موجب خطا میشود که از حدی بیشتر باشد . البته با افزایش جریان احتمال عدم موفقیت شیلد برای جذب جریان کاهش می یابد و اگر این جریان بیشتر از یک مقدار معین باشد ، تمامی صاعقه ها به شیلد برخورد می کند.
-2 حالت دوم بروز خطای شیلد زمانی اتفاق می افتد که صاعقه در اثر برخورد به شیلد یا برج و تخلیه از طریق امپدانس برج و زمین ولتاژی را بر روی فازها به وجود بیاورد که از حد عایقی مقره بیشتر باشد . در این صورت موجب شکست عایقی می شود که این پدیده را جرقه برگشتی می نامند.
-3 با برخورد صاعقه به شیلد یا اطراف خط ولتاژی روی فازها القا می شود که ممکن است از حد عایقی مقره بگذرد و شکست عایقی رخ دهد . البته این امر در خطوط ولتاژ بالا زیاد حائز اهمیت نیست اما در خطوط با ولتاژ پایینمخصوصاً خطوط ولتاژ متوسط به علت سطح عایقی کمتر ، ولتاژ القایی هم می تواند دردسر ساز شود . وجود شیلد می تواند توزیع میدان را به گونه ای تغییر دهد که باعث کاهش این گونه اضافه ولتاژها شود.
برای بررسی پدیده جرقه بازگشتی می توان از راه های تجربی یا محاسباتی استفاده کرد . برای بررسی این پدیده باید در ابتدا مشخص کرد چه جریان صاعقه ای می تواند ولتاژی ایجاد کند که موجب ایجاد جرقه بازگشتی شود . سپس با داشتن احتمال به وجود آمدن چنین جریانی و احتمال برخورد آن به شیلد می توان تعداد خطاهای مورد انتظار را ارزیابی کرد.یک راه حل مناسب برای بررسی پدیده جرقه بازگشتی، مدل سازی سیستم و پیدا کردن جریان این جرقه است که در قسمت شبیه سازی بررسی می شود . همچنین با بررسی داده های آماری میتوان به صورت تجربی این جریان را به دست آورد . جریان صاعقه ویژگیهای مختلفی دارد که هرکدام می توانند بر روی جرقه بازگشتی تاثیرگذار باشند.
B3 شبکه آزمون
در شکل 1 شبکه مورد مطالعه که در نرم افزار EMTP مدل شده است را مشاهده می کنیم . در این شکل، از اطلاعات خط 66 کیلوولت دو مداره با یک هادی محافظ کازون به دادین استفاده کردیم . این اطلاعات که از ایستگاه سینوپتیک شیراز به دست آمده ، به صورت زیر است:
طول خط : 35 کیلومتر اسپن معادل طراحی : 300 متر
ماکزیمم فلش سیم فاز در اسپن معادل : 8/48 متر
ماکزیمم فلش سیم محافظ در اسپن معادل : 6/85 متر ارتفاع از سطح دریا : 1490 - 1900 متر سطح ایزوکرونیک منطقه : 15 ، شرایط بارگذاری : سنگیندر این پروژه از مدل خط توزیع شده برای مدل سازی برج و از مدل ارائه شده توسط IEEE برای مدل سازی برقگیر استفاده شده است.2 در جریان 40 کیلو آمپر و زاویه فاز 60 درجه که با رنگ قرمز نشان داده شده است ، خطای دو فاز به زمین رخ داده است . با توجه به جدول 2 تا جریان 35 کیلوآمپر ، مستقل از فاز ولتاژشبکه ، هیچ جرقه ای ناشی از قوس برگشتی در اثر برخورد صاعقه به برج به وجود نمی آید . در جریان 45 کیلوآمپر که در جدول 2 آورده نشده است ، مستقل از فاز ولتاژ شبکه همواره جرقه دیده می شود .
برای جریان های بالاتر از 45 کیلوآمپر می توان مطمئن بود همواره جرقه به وقوع می پیوندد . با بررسی دقیق تر با قدم های 1 کیلوآمپری بین جریان های 35 کیلوآمپر تا 40 کیلوآمپر دیده می شود در جریان36 کیلوآمپری امکان ایجاد جرقه با توجه به فاز ولتاژ شبکه وجود دارد . لذا جریان 36 کیلوآمپر را به عنوان جریان بحرانی هنگامی که صاعقه به برج برخورد می کند، فرض می کنیم.نکته جالب این است که تا جریان 40 کیلوآمپری هیچ کدام از فازهای بالایی دکل دچار شکست نمی شوند، در حالی که فازهای پایین تر زودتر دچار شکست شده اند . در مورد این که چرا فازهای پایینی زودتر از فازهای بالایی دچار شکست می شوند باید گفت : هرچند قسمت های بالاتر برج دارای ولتاژ بیشتری هستند، اما ولتاژ القا شده در فازهای پایینی خیلی کمتر از فازهای بالایی است و این امر سبب می شود تا اختلاف ولتاژ دو سر مقره های فازهای پایینی بیشتر باشد و زودتر دچار شکست شوند.
B4 شبیه سازی
B4.1 استفاده از سیم گارد
حالت اول - برخورد مستقیم صاعقه به دکل در این حالت با فرض برخورد صاعقه به دکل 1 با شروع از پیک جریان 5 کیلوآمپری و افزایش جریان با پله های 5 کیلوآمپری، ولتاژ دو سر تمامی مقره ها را اندازه گیری کرده و شکست یا عدم شکست فاصله هوایی را تعیین می کنیم . برای هر جریان ، فاز ولتاژ فرکانس قدرت را از 0 تا 330 درجه با پله های 30 درجه ای افزایش می دهیم تا اثر ولتاژ شبکه لحاظ شود . نتایج حاصل از شکل : 2 ولتاژ دو سر مقره های برج اول شبیه سازی در جدول 2 آورده شده است. خانه های سفید رنگ جدول 2 بیانگر عدم شکست در مقره ها و خانه های رنگ شده به معنای ایجاد شکست است . مطابق جدول
