بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روشی جدید براي آزمایش خطاهاي مجدد حرارتی - - Thermal Re-ignition و تخمین قابلیت قطع آن در کلیدهاي قدرت ارائه شده و به اجرا در آمده است. نتایج حاصل از آزمایشاتی که در این تحقیق روي یک نمونه کلید 24 کیلوولت با قدرت قطع جریان 25 کیلوآمپر انجام شده نشان میدهد که میتوان قابلیت قطع کلیدهاي قدرت با عایق گازي را در برابر وقوع خطاهاي مجدد حرارتی به روشی آسانتر و دقیقتر در مقایسه با روش متداول آن بدست آورد. در این روش، با حذف کلید کمکی و ولتاژ قوس حاصل از آن در مدار ترکیبی، علاوه بر پیاده سازي سادهتر مدار آزمایش، دقت آن نیز افزایش یافته است. در این مقاله قابلیت قطع کلید بر اساس نتایج حاصل آزمایش ناحیهاي براي قطع موفق، با توجه به تغییرات جریان قبل از صفر شدن و نرخ تغییرات ولتاژ پس از صفر شدن جریان بدست آمده است.
-1 مقدمه
کلیدهاي قدرت نقش مهم و حیاتی در حفظ پایداري شبکه- هاي قدرت و کاهش آسیب هاي وارد شده به تجهیزات قدرت در صورت بروز خطا دارند. بنابراین تعیین محدویت در قابلییت قطع و اطمینان حاصل کردن از عملکرد صحیح آنها در صورت بروز خطا بسیار ضروري به نظر میرسد. بیشتر خطاهاي رخ داده در کلیدهاي گازي از یک فروریزي گرمایی نرم عایق در مدت کمتر از چند میکروثانیه پس از صفر جریان سرچشمه میگیرد که به خطاي مجدد حرارتی یا Thermal Re-ignition معروف میباشد.
این نوع خطا در اثر عبور جریان پس از قوس - Post arc current - از پلاسماي ایجاد شده در بین دو کنتاکت کلید پس از صفر جریان رخ میدهد. عبور جریان پس از قوس در واقع نتیجه اعمال ولتاژ اولیه گذرا پس از صفر در دو سر کنتاکتها میباشد که باعث تولید گرما و گسترش پلاسما در عایق بین دو کنتاکت خواهد شد که در نهایت به افزایش رسانایی آن میانجامد. پس از روشی ساده براي انجام آزمایش قابلیت قطع خطاي مجدد حرارتی در کلیدهاي قدرت با ولتاژ پس از قطع کاهش یافته جدا شدن کنتاکتها میزان پلاسماي باقیمانده در لحظه صفر جریان به نرخ کاهش جریان قبل از صفر و جریان پس از قوس بستگی دارد و میزان جریان پس از قوس نیز خود تابع نرخ تغییرات ولتاژ ایجاد شده پس از صفر جریان میباشد.
با این تفاسیر میتوان با اعمال ولتاژهایی با نرخ افزایش مختلف به ازاي جریانهاي اتصال کوتاه گوناگون قابلیت قطع خطاي مجدد حرارتی در کلیدهاي قدرت را تخمین زد .[1-2] در این مورد آزمایشهاي متعددي در خصوص تخمین قابلیت قطع خطاي مجدد حرارتی با استفاده از مدار آزمایش ترکیبی - Synthetic - کامل انجام شده است .[3-4] در چندین مطالعه دیگر که در 6]،[5 آمده، یک مشخصه قطع بر حسب نرخهاي کاهش جریان و افزایش ولتاژ به ترتیب در قبل و بعد از صفر جریان توسط آزمایشهاي متعدد بدست آمده است. در تمامی این موارد از روش ترکیبی استفاده شده است.
همانگونه که در [7] بدان اشاره شده اثرات نامطلوب ولتاژ قوس ناشی از کلید کمکی که ار اجزا مدار ترکیبی میباشد باعث ایجاد اعوجاج درشکل موج جریان شده و تخمین قابلیت قطع را با خطا همراه میسازد. در این مقاله براي حذف اثرات ولتاژ قوس کلید کمکی در مدار ترکیبی، مداري پیشنهاد میشود که به کمک آن میتوان قابلیت قطع کلید را به طور دقیقتر و سادهتر تخمین زد. ایده اصلی در این روش حذف کلید کمکی و اعمال ولتاژ بازگشتی گذرا با دامنه کاهش یافته بدون تغییر در نرخ افزایش آن در چند میکروثانیه پس از قطع به کلید میباشد. روش پیشنهادي براي یک کلید گازي با عایق SF6 با ولتاژ نامی 24 کیلولت و جریان قطع 25 کیلوآمپر در شرکت پارس سوئیچ به اجرا درآمده است.
-2 روش پیشنهادي و ساختار آن
1-2 مدار پیشنهادي
فلسفه اصلی روش پیشنهادي بر این واقعیت استوار است که در یک کلید قدرت وقوع خطاي مجدد حرارتی در چند ده میکروثانیه اول پس از صفر جریان به نرخ افزایش ولتاژ بازگشتی گذراي اولیه - IRRRV - بستگی دارد و چندان تابع مقدار پیک آن نیست. این واقعیت از آنجا ناشی میشود که عمده شکستهاي ایجاد شده پس از قطع در کلیدهاي قدرت گازي عموماً از نوع حرارتی میباشد و نه از نوع عایقی، بنابراین براي انجام چنین آزمایشاتی نیاز به تولید ولتاژي قابل توجه پس از قطع کلید که در روش ترکیبی استفاده میشود نمیباشد. روش معمول آزمایش ترکیبی مطابق با شکل - 1 - از دو مدار تولید جریان زیاد و ولتاژ زیاد تشکیل شده که در یک زمان وارد عمل نمیشوند.
مدار جریان زیاد براي تولید جریان اتصال کوتاه از زمان شروع آزمایش توسط کلید وصل وارد عمل میشود و در لحظه صفر جریان توسط کلید کمکی از دو سر کلید ایزوله میگردد. در حدود چند ده میکروثانیه قبل از صفر جریان مدار ولتاژ زیاد وصل شده و باعث ایجاد ولتاژ گذراي بازگشتی پس از قطع در دو سر کلید میگردد. کلید کمکی که در شکل - 1 - مشخص شده تقریباً به طور همزمان با کلید تحت آزمایش قطع شده که این مسئله باعث ایجاد یک ولتاژ قوس سري با ولتاژ قوس کلید تحت آزمایش خواهد شد که به دلیل کاهش فشار وارد شده بر کلید نسبت به حالت واقعی آن، باعث ایجاد خطا در آزمایش میشود. این مسئله با انجام آزمایشهاي متعدد در [7] مورد بررسی قرار گرفته و تأیید شده است.
در روش پیشنهادي مطابق با شکل - 2 - براي انجام آزمایش به جاي مدار آزمایش ترکیبی کامل تنها از یک مدار تولید جریان زیاد استفاده شده است. همانگونه که مشاهده میشود تنها تفاوت میان مدار آزمایش پیشنهادي و ترکیبی حذف مدار تولید ولتاژ و کلید کمکی به عنوان یکی از اجزاء اجتناب روشی ساده براي انجام آزمایش قابلیت قطع خطاي مجدد حرارتی در کلیدهاي قدرت با ولتاژ پس از قطع کاهش یافته ناپذیر مدار آزمایش ترکیبی میباشد. در روش پیشنهادي با حذف مدار تولید ولتاژ، کلید کمکی و ولتاژ قوس ناشی از آن نیز حذف خواهد شد که علاوه بر افزایش دقت باعث سادهتر شدن انجام آزمایش نیز میگردد.
شکل - 4 - به طور روشنی گویاي فلسفه اصلی روش پیشنهادي میباشد. همانگونه که مشاهده میشود شیب اولیه ولتاژ در روش پیشنهادي در یک بازه چند میکروثانیهاي پس از صفر جریان مشابه با نمونه تولید شده در مدار ترکیبی یکسان میباشد با این تفاوت که در روش پیشنهادي به علت حذف مدار تولید ولتاژ، اعوجاجی در شکل موج جریان در نزدیکی صفر آن در مقایسه با روش آزمایش ترکیبی وجود ندارد.
در این مدار مطابق با شکل - - 2 از یک بانک خازنی 66 میلی فارادي شامل 15 خازن 4/4 میلی فارادي - به صورت سري با یک سلف 153 میکروفارادي استفاده شده که به تولید جریان 50 هرتزي میانجامد. براي اندازهگیري جریان از یک مقاومت شنت 8 میکرواهمی قرار داده شده در مسیر کلید استفاده شده است. همچنین براي اندازهگیري ولتاژ از یک مقسم خازنی مطابق با شکل - 2 - استفاده شده است. کلیه سیگنالها با نرخ نمونه برداري 10 مگاهرتز انجام شده است.
از آنجا که کلید هاي قدرت به نرخ کاهش جریان یا شیب آن در قبل از قطع حساسند، تولید جریان داراي اعوجاج سبب ایجاد خطا در تخمین قابلیت قطع خطاي مجدد حرارتی خواهد شد. از طرف دیگر پارامترهاي مدار و عملکرد کلیدها نیز باید با یکدیگر هماهنگ باشد به طوریکه فشار وارد بر کلید از حد مورد نظر بیشتر نشود و آزمایش را با خطا روبرو نسازد. بنابراین با توجه موارد فوق میتوان دریافت که پیاده- سازي روش پیشنهادي علاوه بر سادگی بیشتر، از دقت بیشتري نیز برخوردار است.
2-2 تولید شکل موج ITRV
با توجه به حذف مدار تولید ولتاژ در روش پیشنهادي، ولتاژ بازگشتی گذراي اولیه تنها توسط مدار تولید جریان به طور ذاتی تولید میشود که شیب اولیه آن طبق شکل - 3 - با شیب نمونه تولید شده در روش آزمایش ترکیبی یکسان بوده و تنها مقدار پیک آن کوچکتر است.
