بخشی از مقاله
چکیده
اضافه ولتاژهای گذرا ناشی از کلید زنی یکی از عمده مشکلات در شبکه های برق محسوب می شود.کلید های خلاء به جهت دارا بودن خصوصیات مطلوب در بارهایی با تعداد قطع و وصل زیاد استفاده می شوند ، این کلید ها علاوه بر خصوصیات مطلوب، مستعد ایجاد اضافه ولتاژ ،به خصوص درهنگام قطع بارهای سلفی می باشند.از جمله بارهای سلفی بزرگ که با کلید خلاء قطع و وصل می شوند کوره قوس الکتریکی و ترانسفورماتور آن است. درچندین کارخانه که از کوره های قوس استفاده می کردند دیده شده که سیم پیچ اولیه ی ترانسفورماتور کوره به دلیل شکست عایقی دچار مشکل شده است.
مشاهدات انجام گرفته نشانگر این موضوع است که اضافه ولتاژهای گذرا ایجاد شده در اثر قطع کلیدهای خلاء باعث ایجاد تنش روی عایق سیم پیچ های ترانسفورماتور می شود.در این مقاله کلید خلاء ترانسفورماتور کوره ی قوس الکتریکی مجتمع صنعتی ذوب آهن پاسارگاد مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. اضافه ولتاژ های ناشی از قطع این کلید اندازه گیری و ثبت شده است . سپس یک فیلترRC بر اساس خصوصیات شبکه مورد مطالعه طراحی شده است. در نهایت با شبیه سازی شبکه مورد مطالعه در نرم افزار EMTP-RV عملکرد مدار اسنابر ، در کاهش اضافه ولتاژها نشان داده شده است و مقدار بهینه RC فیلتر طراحی شده است.
واژه های کلیدی:کوره های قوس الکتریکی، بریکر خلاء، ولتاژ برگشتی گذرا، برش جریان، اسنابر.RC
-1 مقدمه
در صنایع فولاد سازی ،ترانسفورماتور کوره در یک پریود زمانی توسط اپراتور بطور مکرر قطع و وصل می گردند.بررسی ها نشان می دهد که با قطع و وصل کلید خلاء،اضافه ولتاژ های شدیدی رخ می دهد،که به مرور زمان در اثر آن ترانسفورماتور کوره دچار افت شدید عایقی در سیم پیچ اولیه ی خود می شود.اضافه ولتاژ گذرا ناشی از قطع کلید خلاء ترانسفورماتور کوره ، به مراتب بیشتر از اضافه ولتاژ در هنگام وصل کلید است.با بررسی پدیده های گذرای ایجاد شده هنگام قطع کلید خلاء و محاسبه ی اضافه ولتاژ به وجود آمده در پایانه ترانسفورماتور ، می توان مدار حفاظتی مناسبی را در برابر این اضافه ولتاژها طراحی نمود .در این مقاله با ارائه مدل کلید خلاء وشبکه برق مجتمع صنعتی ذوب آهن پاسارگاد،با استفاده از شبیه سازی حالت گذرا ،اسنابر RCمناسب جهت کاهش اضافه ولتاژ گذرا در زمان قطع کلید خلاء طراحی شده است.
-2 پدیده های گذرا در زمان قطع کلید خلاء
هر در زمان قطع کلید خلاء ، پدیده هایی بوجود می آید که منجر به افزایش ولتاژ در پایانه ی ترانسفورماتور کوره وصدمه به سیم پیچ ترانسفورماتور می شود. این پدیده ها به ترتیب رخ داد تشریح می گردد.[5]
-1-2 برش جریان
برش جریان به معنای متوقف سازی نابهنگام جریان - جریان بار یا اتصالی - در فرکانس قدرت قبل از جریان صفر نامی - طبیعی - در بریکر خلا است.یا به عبارتی فرآیند برش جریان، صفر شدن اجباری جریان فرکانس قدرت قبل ازصفر طبیعی جریان است که ناشی از ناپایداری قوس الکتریکی در کلیدهای خلاء در جریان کم می باشد.شکل - 1 - پدیده ی برش جریان را نشان میدهد .[1]
-2-2 ولتاژ برگشتی گذرا
به دلیل پدیده برش جریان و طبق رابطه ی - 1 - در اثر برش جریان در کلید خلاء ، اضافه ولتاژ گذرا پدید می آید ، اگر این اضافه ولتاژ برگشتی گذرا از نرخ ولتاژ برگشتی مقاوم بیشتر باشد سبب شکست عایق و ایجاد پیش جرقه و جاری شدن جریان و در نتیجه وصل مجدد مدار می شود.[6]
-3-2 جرقه و وصل مجدد مدار
هنگامی که ولتاژ برگشتی گذرا از نرخ ولتاژ برگشتی مقاوم بیشتر باشد باعث ایجاد جرقه بین کنتاکتهای کلید و وصل مجدد مدار می شود. فرکانس در این حالت دیگر فرکانس مرجع 50 هرتز نیست ،بلکه فرکانس این جرقه و جریان حاصل دارای فرکانسی در حدود 100 کیلو هرتز است. این اولین جرقه است که در اثر شکست عایق بین پلهای کلید رخ داده است که باعث عبور مولفه های فرکانس بالای جریان از مدار کلید میشود. [5]
-4- 2 برش جریان مجازی برش جریان مجازی بوسیله ی اثر متقابل بین دو فاز وابسته بهکاپاسیتانس کوپل شده بین فازها ، ایجاد می شود. اگر یک جرقه مجدد در یکی از فازها - برای مثال فاز - A موجب یک جریان فرکانس بالا شود، بخشی از این جریان گذرا ممکن است در فاز B و C از طریق کاپاسیتانسهای شبکه جاری شود،این اتفاق می تواند موجب یک گذر از صفر جریان در این دو فاز شود. این پدیده جریان صفر اجباری،برش جریان مجازی نامیده می شود.[1]
-5-2 جرقه زنی چند تایی در زمان باز شدن کلید خلاء بعد از برش مجازی جریان به علت عدم همزمانی باز شدن کنتاکتهاو نتیجتاً قطع جریان فرکانس بالا جرقه ایجاد می شود و از آنجایی که هنوز ولتاژ مقاوم عایقی بین کنتاکتها از اضافه ولتاژ گذرا کمتر است این جرقه زنی ادامه می یابد - تقریباً حدود 10 مرتبه - و هر دفعه شدت اضافه ولتاژ ایجاد شده از دفعه ی پیشین بیشتر می شود و تا جایی ادامه پیدا می کنند که کنتاکتها فاصله ی لازم را از هم بگیرند .این پدیده در هر سه فاز ممکن است اتفاق بیفتد زیرا به دلیل عدم همزمانی باز شدن پل ها جرقه ی حاصل از کلید در یک پل از طریق کاپاسیتانس وارد فازهای دیگر شده و با باز شدن پل آن فاز تولید جرقه می نماید.این پدیده جرقه زنی چند تایی نام دارد که باعث ایجاد اضافه ولتاژهای بیشتری نسبت به قبل می شود که در صورت نبود وسیله حفاظتی مناسب باعث صدمه به عایق ترانسفورماتور کوره ی قوس می شود.[2]
-3 طراحی فیلتر RC
اسنابر یا فیلتر RC ترکیب سری مقاومت و خازن است که به موازات ترانسفور ماتور کوره نصب می شود.همانطور که قبلاً گفته شد در اثر برش جریان ناشی از قطع جریان بی باری ترانسفورماتور کوره قوس الکتریکی اضافه ولتاژ و هم چنین جریانهای فرکانس بالا ایجاد میشود که روی سیم پیچ ترانسفورماتور اثر نامطلوب می گذارند و در طولانی مدت موجب از کار افتادگی ترانس می شوند.در نتیجه نیاز به طراحی المانی می باشد که قابلیت دمپ چنین امواج گذرای فرکانس بالایی را داشته باشد.ایده طراحی اسنابر RC از اینجا نشأت می گیرد.[3]
-1-3 نقش خازن در مدار فیلتر RC
-2-1-3 تخلیه انرژی مغناطیسی ذخیره شده در ترانسفورماتور
با توجه به اینکه بعد از کلید خلاء ، ترانسفورماتور کوره و یک بار به شدت اندوکتیو - سلفی - که شامل بازوهای الکتردها - آرم - الکترود و آرک وجود دارد هم چنین با توجه به بارسلفی پس از قطع کلید خلاء ، پیوستگی جریان وجود دارد که این پیوستگی جریان باعث ذخیره ی انرژی مغناطیسی در هسته ی ترانس می گردد که به انرژی به تله افتاده معروف است. بنابراین اولین ایده مبنی بر دلیل استفاده از RC فیلتر در اولیه ی ترانسفورماتور کوره ی قوس الکتریکی حذف یا تخلیه یا انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سیم پیچ ترانسفورماتور می باشد. به الطبع عنصری که بتواند این انرژی ذخیره شده را دمپ و در خود تخلیه نماید یک خازن است که به صورت موازی با ترانسفورماتور کوره ی قوس الکتریکی قرار میگیرد.
-2-1-3 کاهش شیب جریانهای فرکانس بالا ناشی از شکست عایقی خلاء
دومین هدف استفاده از خازن در مدارRC ، ایجاد مسیری است که از القای جریان فرکانس بالای ایجاد شده در اثر باز شدن اولین کنتاکت ، بر روی دو فاز دیگر جلوگیری کند. که این کار با کم کردن شیب جریانهای فرکانس بالا انجام می پذیرد .[4]
-2-3 نقش مقاومت سری در مدار فیلتر RC
نتایج آزمایشات نشان می دهد ، استفاده از مقاومت به صورت سری با خازن ، اضافه ولتاژها را به طور مطلوبی کمتر می کند. هنگامی که انرژی مغناطیسی ترانسفورماتور در خازن تخلیه می شود، وجود مقاومت سری با خازن باعث کم کردن دامنه ی جریان تخلیه می شود و از تخلیه ی ناگهانی انرژی جلوگیری می کند. هم چنین وجود مقاومت باعث می شود انرژی درون ترانسفورماتور بیشتر درون مقاومت تلف شود و به نوعی با سرعت بیشتری تخلیه شود. هم چنین وجود مقاومت با عث کم کردن دامنه ی جریانهای فرکانس بالایی می شود که به دلیل عدم همزمانی باز شدن کنتاکتها در فازهای دیگر القاء می شوند می گردد.در نتیجه برش جریان مجازی صورت نمی پذیرد و جرقه زنی های چند تایی و ازدیاد ولتاژ صورت نمی پذیرد.[3-1]
-4 محاسبات
-1-4 محاسبات جریان برش
-1-4 محاسبه اضافه ولتاژ برگشتی گذرا
-2-4 محاسبه ظرفیت فیلتر RC
-3-4 محاسبه ظرفیت مقاومت سری در فیلتر RC
-5 شبیه سازی
بعد از محاسبه مقدار اضافه ولتاژ ایجاد شده در زمان قطع کلید خلاء و ظرفیت خازن و مقاومت اسنابر ، اینبار با مدلسازی اجزاء شبکه و کلید خلاء در نرم افزار EMTP-RV مقدار مناسب ظرفیت اسنابر را برای کاهش مطلوب اضافه ولتاژ بررسی می کنیم.شبیه سازی به صورت مدل تکفاز عناصر انجام شده است.با وجود اینکه مدل سه فاز نتایج دقیق تری به ما می دهد ولی از آنجایی که هدف از طراحی اسنابر، کاهش اضافه ولتاژ ناشی از برش جریان و کم کردن دامنه جریانهای فرکانس بالا ایجاد شده بعد از وصل مجدد در یک فاز قبلاز القاء در فازهای دیگر است،مدلسازی تکفاز نیز نتایج دقیق و صحیحی از سیستم به ما اراِئه میدهد.مدل تکفاز شبکه برق مجتمع صنعتی ذوب آهن پاسارگاد برای بررسی اضافه ولتاژهای ناشی از قطع کلید خلاء ترانسفورماتور کوره قوس در زیر آورده شده است.این مدل شامل منبع به همراه راکتانس منبع ، جبرانساز استاتیکی توان راکتیو،مدل کابل، مدل کلید خلاء،مدل دینامیکی کلید خلاء،مدل باسبار،مدل دینامیکی راکتور و ترانسفورماتور کوره ی قوس می باشد.مقادیر المانها به ترتیب در جداول زیر آورده شده است.ولتاژ منبع 19Kv و اندوکتانس آن 2,67Mh است.
-1-5 مدل کلید خلاء
پارامترهای این مدل توسط دستگاههای اندازه گیری نصب شده در محل کلید ، به دست آمده است.به هر حال این مدل دارای پایداری استاتیکی در جریان برش و جریانهای فرکانس بالا می باشد. ولتاژ مقاوم عایقی بین کنتاکتهای کلید120 کیلو ولت است و ولتاژ دو سر کلید خلاء 34/ 5 کیلو ولت می باشد.برای شبیه سازی مدل کلید خلاء از مدل شکل زیر استفاده شده است. در این مدل کلید خلاء با یک سوییچ مدل شده است - VCB - و پدیده جرقه ی برگشتی ناشی از شکست عایقی خلاء با استفاده از یک سوییچ بنام - ReVCB - بریکر اصلی همان VCB است و کلید موازی با آن - ReVCB - برای نشان دادن جرقه ی حاصل از شکست عایقی خلاء در اثر اضافه ولتاژ برگشتی ناشی از VCB در نظر گرفته شده است. در حقیقت ReVCB جزیی است که از رفتار برگشتی - Restriking - مراقبت می کند.برای شبیه سازی جرقه برگشتی کلید خلاء و ایجاد جریانهای فرکانس بالا از دو کلید موازی با هم استفاده شده است.کلید VCB کلید اصلی مدل می باشد ، هنگامی که VCB در زمان t1 می شود
