بخشی از مقاله
چکیده:
طراحان سیستم های قدرت الکتریکی غالبأ هنگام توسعهدادن گذرگاه های موجود با مشکلات جریان خطا مواجه میشوند. "محدود کننده ی ابررسانای جریان خطا" SCFCL2پاسخ قاطعی برای حل این مشکل ارائه میکند . وجود محدود کنندههای جریان خطای ابررسانایی در شبکه قدرت میتواند به دیگر ادوات قدرتی شامل ترانسها، محافظها، دژنکتورهاوتجهیزات قدیمی شبکه کمک و کنترل و حفاظت شبکه رابهبود بخشد.در این مقاله یک SCFCL با هسته ی حفاظ شده که SSCR خوانده می شود شبیه سازی می گردد. مدل جدیدبر پایه ی رفتار حفاظ مغناطیسی SSCR بنا نهاده شده وبرای استفاده در SIMULINK توسعه داده شده است. یکمدار تست که قبلأ آزمایش شده، با مدل جدید شبیه سازیگشته و نتایج مقایسه می شوند . شبیه سازی با کامپیوتر، کارآئی بالای مدل پیشنهاد شده برای پیش بینی رفتار واقعیSSCR را هنگام وقوع اتصال کوتاه، جهت کنترل و حفاظتشبکه را بدون اختلال در رفتار نرمال سیستم نمایش می دهد.
مقدمه
افزایش ظرفیت نصب شده و اتصالات داخلی شبکه های انتقال و توزیع در سیستم قدرت الکتریکی امروزه ، منجر به مشکلات جدی جریان خطا شده است . تامین کنندگان توان الکتریکی، به طور پیوسته طرح های پیشرفته تری را به کارمی گیرند تا نیازهای گوناگون فنی، محیطی و اقتصادیمسئولین امر و خریداران تأمین شود . یکی از مهم ترین عواملی که نقش پراهمیتی در این زمینه دارد،"ظرفیت اتصال کوتاه" سیستم و حفاظت ادوات قدرتی است. با افزایش این ظرفیت، طراحی استراتژی برای تقویت شبکه دشوارتر ونیازمند زمان طولانی تر خواهد بود.انواع گوناگون محدودکننده ی جریان خطا - FCL - برایحل مشکل اخیر ابداع شده اند . این انواع، راکتور محدودکننده ی جریان، محدود کننده ی Is ، محدود کننده ی حالتجامد و محدود کننده ی ابررسانا را شامل می شوند . اینادوات بایستی:
•پاسخ سریعی به جریان های خطا بدهند.
•امپدانس کوچکی در عملکرد طبیعی ایجاد کنند.
•امپدانس بزرگی در شرایط خطا به وجود بیاورند.
میان انواع گوناگون FCL، فقط SCFCL هستند که هر 3شرط اخیر را فراهم می سازند. این، با توجه به خواص یکتائیاست که از طبیعت عناصر ابررسانا سرچشمه میگیرد.کنترل و حفاظت شبکه توسط محدودکنندههای جریان خطای ابررسانایی - - SFCLبا کشف پدیده ابررسانایی و در پی یافتن موارد کاربرد آن،وجود خاصیت تغییر مقاومت این مواد در اثر دما و میدانمغناطیسی، ایده استفاده از مواد ابررسانایی را در محدود کنندهها ایجاد کرد. به خصوص با پیشرفتهای حاصل شده در اینزمینه وکشف مواد ابررسانایی با درجه حرارت بالا این نقشبارزتر شد . [1, 3-6]یکی از کاربردهای ابررساناها در زمینه قدرت،محدودکنندههای جریان خطای ابررسانایی میباشد. محدودکنندۀ جریان خطا بمنظور کاهش سطح اتصال کوتاه شبکه و محدود کردن جریان به کار برده میشود.
یک محدود کننده جریان خطای ایده ال در شرایط عادی باید به صورت خنثی یا به عبارت دیگر غیر قابل مشاهده باشد و چون این محدودکنندهها به صورت سری در خط نصب میشوند در حقیقتدر شرایط عادی عملکرد شبکه باید دارای امپدانس صفر باشند و این نکته ذهن را متوجه کاربرد ادوات ابررسانایی میکند. داشتن مقاومت صفر در شرایط عادی و رسیدن به مقاومت بالا در شرایطخطا از ضروریات یک محدود کنندهجریان خطا میباشد که مواد ابررسانا هر دو خاصیت فوق رادارا میباشند. یکی از پارامترهای اساسی در مواد ابررسانایی چگالی جریان بحرانی - Jc - است که در مورد ابررسانای نوع دوم میتواند در حد بالایی باشد، در این جریان مادۀابررسانایی تغییر فاز داده و وارد حالت رسانایی - نرمال - میشود.
بنابراین جریان گذرنده از مادۀ ابررسانا میتواند به عنوان یک عامل کنترل کنندۀ مقاومت آن عمل نماید.از جمله مشکلات محدودکنندههای جریان خطای متداول ،طراحی سیستم تشخیص خطا در شبکه میباشد تا بتواند اینجریان را در همان پریود اول و قبل از رسیدن به اولین پیک آن محدود نماید . در حقیقت این سیستم مهمترین جزء یکمحدود کننده است. زیرا اگر جریان خطا با سرعت محدودنشود در همان چند سیکل اول ممکن است به تجهیزاتصدمه بزند . یکی از مهمترین امتیازات محدودکنندههای ابررسانایی عدم نیاز آنها به سیستم تشخیص خطا میباشد.بدینترتیب که با افزایش ناگهانی جریان شبکه به علت خطا،جریان عبوری از محدودکننده از حد جریان بحرانی آن میگذرد و بدین ترتیب محدودکننده دارای مقاومت شده وجریان خطا را محدود میکند. [1, 2, 6-18 ]
کار های انجام شده در این زمینه نشان دهنده ی علاقه ی جهانی به اینموضوع است . [2, 8-23]البته محدود سازی براساس عبور جریان از حد جریانبحرانی تنها یکی از شیوههای عملکرد محدودکنندههای ابررسانا میباشد، در نوع دیگری از محدود کنندههای ابررسانایی براساس خاصیت میسنر عمل میشود، که این هم یکی دیگر از خصوصیات انعطافپذیر این نوع محدودکنندهها میباشد . محدود کننده های ابررسانایی جریان خطا باهسته حفاظ شده بر اساس خاصیت میسنر ساخته شده اند. جزئیات این نوع SCFCL در زیر تشریح شده است. علی رغم سادگی، مدل پیشنهاد شده از صحت کافی برای پیش بینی رفتار SSCR در محدود کردن جریان های اتصال کوتاه برخوردار است .
صحت مدل پیشنهادی با مقایسه ی نتایجتجربی که در[13] انتشار یافته است، آزمایش می شود. در این مقاله، مدار SSCR شبیه سازی و نتایج این شبیه سازی با نتایج تجربی ارایه شده در مقاله مرجع مقایسه میگردد.هسته ی عکس العمل کننده با حفاظ مغناطیسی ابررسانا SSCRدر این محدود کننده که در شکل - 1 - بلوک دیاگرامشماتیک آن آمده است، ثانویه به شکل یک استوانه توخالی از مادۀ ابررسانایی می باشد که دور هسته فرومغناطیسی قرارگرفته است.[8, 13]وجود استوانه توخالی ابررسانایی باعث طرد شار مغناطیسی از درون هسته میگردد تا در شرایط عادی شبکه هیچاندوکتانسی دیده نشود.
این المان دارای استوانه ای از نوع ابررسانای درجه حرارت بالا از نوع BSCCO-2212 یا[7-10] BSCCO-2223 برای جدا کردن چنبره ی مسی معمولی از هسته ی آهنی می باشد. در کارکردهای معمولی، میدان چنبره ی مسی به علت وجود استوانه ی ابررسانا نمی تواند در هسته ی آهنی نفوذ کند. بنا براین SSCR به دلیلنشر شار چنبره ی مسی، فقط به عنوان یک القاگر بسیارکوچک عمل میکند. در واقع در این حالت خط انتقال برق قسمتی از مسیر خود را از طریق سیم پیچ اولیه می پیماید و سایر اجزاء محدود کننده برای آن غیر قابل مشاهده می باشد.در لحظه وقوع خطا و گذشتن جریان از حد بحرانی میدانمغناطیسی شروع به نفوذ در درون استوانه توخالی و به تبع آندر هسته فرومغناطیسی می کند، و SSCR به عنوان یک القاگر معمولی با هسته ی آهنی عمل می کند که ضریب القائی بالائی دارد.
این پدیده به میزان زیادی ضریب القائی چنبره یمسی را بالا برده و منجر به محدود شدن جریان می شودبنابراین سیم پیچ معمولی اولیه در لحظه خطا تبدیل به یکاندوکتانس بزرگ می شود. به علاوه حلقه ی کنترل سیستم،مقداری از انرژی ذخیره شده هنگام شرایط خطا را جذب کرده و به این ترتیب از زمان بازگشت که به دنبال حالتخطا به وجود می آید، می کاهد.این نوع محدود کننده علاوه بر کاهش سطح جریان خطا به سبب ایجاد یک اندوکتانس بزرگ از نرخ افزایشجریان - di/dt - نیز به طور محسوسی می کاهد که از مزایایاین محدود کننده می باشد.[2]
شبیه سازی SSCR
در مقاله ای که توسط Ichikawa و [13] Kado منتشرشده ،SSCR در مدار شکل - 2 - به کار رفته و مورد آزمایشقرار گرفته است. همین مدار نیز در این مقاله برای شبیه سازیعملکرد SSCR با به کارگیری مدلی جدید مورد استفاده قرارمی گیرد. نتایج با داده های تجربی موجود در مقاله مزبور مقایسه می شود.شبیه سازی با کامپیوتر، کارآئی بالای مدل پیشنهاد شدهبرای پیش بینی رفتار واقعی SSCR در کاهش سطح اتصالکوتاه، بدون اختلال در رفتار نرمال سیستم را نمایش می دهد.[2,21]برای مدار نشان داده شده در شکل - 2 - داریم:که در آن:
: r مقاومت ذاتی : e ولتاژ منبع توان ،
:Vl ولتاژ دو سر مقاومت Rl ، :Vsscr ولتاژ دو سر SSCR، : i جریان مدار میباشد.
با استفاده از دیاگرام شکل - 3 - ، معادله ی - 1 - با SIMULINK شبیه سازی میگردد. SSCR نشانگر محدود کننده ی ابررسانا در مدار است . شکل - 4 - درون SSCR را نمایش می دهد.
