بخشی از مقاله
خلاصه:
برقگیر یکی از عناصر مهم سیستمهای حفاظتی است که برای محافظت سیستمها و تجهیزات ولتاژ متوسط و ولتاژ بالا در برابر اضافه ولتاژهای صاعقه و کلید زنی به کار می رود. یکی از پارامترهای مهم برقگیر ولتاژ باقیمانده است. با اندازهگیری ولتاژ باقیمانده مشخصه دینامیکی برقگیر تعیین می شود. چون رفتار دینامیکی برقگیر متأثر از شکل موج و شیب پالس صاعقه است، نمی توان آن را فقط با یک مقاومت غیر خطی مدل کرد.
شبیه سازی رفتار وابسته به فرکانس برقگیر در این مقاله بر اساس سه مدل IEEE ، Pinceti-Giannettoni و Fernandez-Diaz انجام می شود. برای شبیه سازی از نرم افزار EMTP/ATP استفاده شده است. نتایج شبیه سازی بیانگر این مطلب است که دقت مدل های شبیه سازی با داده های سازنده مطابقت دارد. مدل IEEE از بقیه دقیق تر بوده و هر چه دامنه جریان پالس بیشتر شود دقت و کارایی آن بیشتر نمایان می شود. دو مدل دیگر دقت کمتری داشته و نسبت به مدل IEEE درصد خطای نسبی بیشتری دارند.
- 1 مقدمه
در سیستم های قدرت برقگیر ها به انواع گوناگون به کار می روند که از جمله می توان به برقگیر های سیلیکون کاربید با فاصله هوایی، متال اکسید با فاصله هوایی و اکسید فلزی بدون فاصله هوایی را نام برد. برقگیر ها در ولتاژ کار عادی و نرمال به صورت امپدانس بالا عمل می کنند و در شرایط صاعقه و برق به صورت امپدانس پایین می باشند
یک برقگیر ایده آل باید در یک سطح ولتاژ بالای سطح ولتاژ نامی جریان الکتریکی را هدایت کند تا در زمان اضافه ولتاژ، ولتاژ را با کمترین تغییرات نگه دارد و هدایت را در نزدیکی همان ولتاژی که هدایت آغاز شده بود قطع کند
برقگیر مورد بحث در این مقاله از نوع اکسید فلزی می باشد. این برقگیر ها نسبت به برقگیر های سیلیکون کاربید از انرژی کمتری استفاده می کنند.
برای برقگیر ها معادله غیر خطی زیر به کار برده می شود که در آن I جریان برقگیر،V ولتاژ برقگیر، K ثابت سرامیک و مقدار غیر خطی بودن می باشند.
ولتاژ باقیمانده1 به عنوان یکی از مهم ترین پارامتر های برقگیر است که با Ures یا Vr نشان می دهند و به آن ولتاژ تخلیه هم گویند، ولتاژی است که در هنگام عملکرد برقگیر روی دو سر آن قرار می گیرد و نوعی افت ولتاژ روی برقگیر است. با اندازه گیری ولتاژ باقیمانده مشخصه دینامیکی برقگیر تعیین می شود.
برای محاسبه ولتاژ باقیمانده پیش فرض گروه کاری IEEE باید لحاظ شود :
» با کاهش زمانی پیشانی موج جریان از 8 به 1/3 میکرو ثانیه، ولتاژ باقیمانده روی برقگیر به میزان 6% افزایش می یابد و ضمناً پیک ولتاژ باقیمانده روی برقگیر قبل از پیک جریان اعمالی روی می دهد .«
-2 مدل های برقگیر
چون رفتار دینامیکی برقگیر وابسته به اندازه و شیب پالس صاعقه دارد نمی توان آنها را فقط با یک مقاومت غیر خطی مدل کرد. بر همین اساس در این قسمت سه مدل IEEE ، Pincet-Giannetoni و Fernandez-Diaz مورد بررسی قرار می گیرد.
الف- مدل IEEE
در شکل 1 مدل IEEE نشان داده شده است .[9] شاخه R1 L1 به صورت یک فیلتر بین دو مقاومت غیر خطی عمل می کند. این فیلتر برای جریان با پیشانی موج کند دارای امپدانس پایین بوده و در این حالت مقاومت های غیر خطی موازی اند.
برای جریان با پیشانی موج سریع این فیلتر دارای امپدانس بالا بوده و جریان فقط در A0 جاری می شود.
شکل : - 2 - مشخصه V-I مقاومت های غیر خطی
ب- مدل Pinceti-Gianettoni
شمای کلی این مدل در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل : - 1 - مدل IEEE برقگیر اکسید فلزی
در این مدل برای دیگر عناصر داریم [9]
که d طول ستون برقگیر و n تعداد ستون موازی دیسک های برقگیر است.
مشخصه غیر خطی V-I برای مقاومت های غیر خطی به صورت شکل 2 می باشد.
شکل : - 3 - مدل Pinceti-Gianettoni
در این مدل R برای جلوگیری از نوسانات عددی و حدود 1 M در نظر گرفته می شود.
مزیت این مدل نسبت به مدل قبلی این است که نیازی به مشخصه فیزیکی ندارد و فقط اطلاعات الکتریکی سازنده مورد نیاز است.
ج- مدل Fernandez-Diaz
این مدل در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل : - 4 - مدل Fernandez-Diaz
برای این مدل C کاپاسیتانس ترمینال به ترمینال است و بقیه پارامتر ها طبق مدل های قبلی می باشند.
-3 شبیه سازی
هدف این شبیه سازی اندازه گیری Vr برای برقگیر 20 kV با ارتفاع 260 mm برای سه جریان صاعقه 8/20 ʽs با دامنه های 5 kA ، 20 kA و 10 kA می باشد.
در پیوست مقادیر پارامتر های سه مدل ارائه گردیده و از نرم افزار EMTP/ATP جهت شبیه سازی استفاده شده است که نرم افزار مناسب جهت بررسی حالت های گذرا می باشد.
برای ایجاد پالس صاعقه معمولا از منبع Heidler استفاده می شود که تا حد بالایی می تواند صاعقه را مدلسازی نماید.
در شکل 5 پالس صاعقه مورد استفاده در این مقاله نشان داده شده است.
شکل : - 5 - شکل موج پالس صاعقه
الف- مدل IEEE
برای شبیه سازی این مدل بر طبق شکل شماتیک پارامتر ها را وارد کرده که در نهایت به شکل 9 می رسیم. در این شکل برای مقاومت های غیر خطی از مشخصه شکل 2 استفاده شده است.
شکل : - 6 - شکل شبیه سازی شده مدل IEEE
در شکل های 7 ، 8 و 9 به ترتیب ولتاژ باقیمانده برای جریان پالس با دامنه های 5، 10و 20 کیلو آمپری ترسیم شده اند.
شکل : - 7 - ولتاژ باقیمانده برای جریان پالس 5 کیلو آمپری
شکل : - 8 - ولتاژ باقیمانده برای جریان پالس 10 کیلو آمپری
شکل : - 9 - ولتاژ باقیمانده برای جریان پالس 20 کیلو آمپری
جدول : - 1 - نتایج شبیه سازی مدل IEEE
در جدول 1 ماکزیمم ولتاژ باقیمانده به ازای دامنه های متفاوت پالس جریان ثبت شده است. در این جدول زمان اجرای شبیه سازی نیز آورده شده است.
