بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی و کاهش خطای ماندگار در شبکه های توزیع FCL با استفاده از محدود کننده های جریان خطا
.1 مقدمه
درجهت انتقال برق به صورت پیوسته و با قابلیت اطمینان بالا، نیاز به سیستم حفاظتی مناسب میباشد. هدف کلی سیستم حفاظتی این است که در سیستم با جدا کردن تجهیزات سالم از قسمتهایی که دچار خطا شدهاند ، عمل حفاظت را انجام میدهد .[2] رخداد اتصال کوتاه در شبکه قدرت با توجه به ولتاژ بالاي سیستم و پایین بودن امپدانس بین بار و منبع باعث ایجاد جریان شدید میشود که گاهی تا 20 برابر جریان نامی خط می رسد.[3] این جریانهاي بسیار زیاد باعث مشکلات زیر براي سیستم میشود5]،.[4
الف- تنش هاي مکانیکی بالا به خاطر نیروهاي الکترومغناطیس ایجادشده درخطوط وتجهیزات ب- تنشهاي حرارتی ج- فلش ولتاژ درطول شبکه و کاهش کیفیت توان
بدین ترتیب نوسانات زیاد ولتاژ و جریان تاثیرات منفی بر کیفیت توان دریافتی توسط مشترکین داشته و موجب کاهش طول عمر تجهیزات شبکه و قابلیت اطمینان سیستم میگردد براي رفع مشکلات یاد شده میبایست تمهیدي براي محدود سازي جریان خطا اندیشید. استفاده از محدودکنندههاي جریان خطا یکی از روشهاي نوین به منظور کاهش سطح اتصال کوتاه در سیستمهاي قدرت میباشد.[6] این تجهیزات به صورت سري در شبکه نصب شده و درحالت عبور جریان نرمال از سیستم هیچگونه مپدانسی نداشته ولی با رخداد خطا و عبور جریان اتصال کوتاه امپدانس زیادي از خود نشان داده و مانع از افزایش شدید جریان اتصال کوتاه می شود[7] که در نهایت بهبود گذراي ولتاژ و جریان را موجب میشود.همچنین حفاظت از شبکه در مقابل این اغتشاشات همواره یکی از مسائل مورد توجه محققان بوده است که منجر به ارائه تجهیزات و راهکارهاي نوین گشته است. یکی از این تجهیزات ریکلوزر میباشد. ریکلوزرها میتوانند خطاهاي گذراي رخداده شده در شبکه توزیع را شناسایی و حذف نمایند. اکثر پژوهشهاي صورت گرفته بر روي ریکلوزر ها به بررسی تئوریک و مزایاي بهره گیري از آنها پرداختهاند2]،.[10 در این تحقیق به بررسی واقعی و تجربی اثرات منفی استفاده از ریکلوزر بر شبکه پرداخته و استفاده از محدودکنندهها ي جریان خطا در شبکه بر بهبود گذراي جریان و ولتاژ و حذف اثرات نامطلوب تجهیزات حفاظتی علیالخصوص ریکلوزر را بررسی کرده ایم. شبکه نمونه مدل شده یک شبکه واقعی 25 باسه بوده که مربوط به شرکت توزیع نیروي برق استان تهران میباشد.
.2 محدود کننده هاي جریان
محدودسازهاي جریان خطا تجهیزاتی هستند که به صورت سري در مدار قرار گرفته و در حالت عبور جریان عادي از شبکه مـیبایسـت امپدانس ناچیز (درحالت ایدهآل صفر) و در حالت وقوع اتصال کوتاه و عبور جریان شدید امپدانس بزرگ (در حالت ایدهآل بـینهایـت) از خود نشان دهند و جلوي افزایش ناگهانی جریان خطا را سد نمایندتقریباً. همه محدودسـازهاي جریـان موجـود بـر اسـاس وارد کـردن یـک امپدانس بزرگ به صورت سري با سیستم عمل مینمایند و تنها اختلاف موجود، روش ایجاد و طریقه وارد نمـودن ایـن امپـدانس بـه سیسـتم است.[7] شکل 1 مدار اتصال کوتاه را در حضور و بدون حضور محدودساز جریان نمایش می دهد.
با توجه به شکل 1 می توان جریان خط را در حالت بدون FCL (رابطه (1 و با FCL
رابطه (2 به صورت زیر نوشت
جریان خطا به صورت زیر می باشد
در حالت کلی درحالت کلی یک محدودکننده جریان اتصال کوتاه میبایست مشخصات زیر را دارا باشد:[12] -1 عملکرد سریع بعد از وقوع اتصال کوتاه -2 بازگشت به حالت عادي در زمان کوتاه پس از رفع خطا و آمادگی براي اتصال کوتاه بعدي -3 هزینه ساخت پایین -4 عدم ایجاد افت ولتاژ وتوان درحالت عملکرد نرمال شبکه -5 قدرت کاهش سطح اتصال کوتاه تا حداقل 50 درصد -6 قابلیت اطمینان بالا انواع محدودکننده هاي جریان را می توان به سه دسته پسیو، استاتیک و هایبرید تقسیم کرد. شکل 2 یک نوع FLC پسیو مقاومتی را نشان می دهد
.3 حفاظت شبکه توزیع و ترمونگاري
.3,1 حفاظت شبکه و ادوات حفاظتی
رخداد اتصال کوتاه درشبکه قدرت باعث ایجاد جریان شدید میشود. بنابراین یکی از راه هاي تشخیص اتصال کوتاه در بکه اندازهگیري مقدار جریان است و چنانچه مقدار آن از حد مشخصی بالاتر رود به معناي وقوع شرایط غیر عادي در شبکه است.
رله: رله حفاظتی عنصري است که با توجه به مقادیر پارامترهاي شبکه هم چون جریان ، ولتاژ یا فرکانس شبکه وضعیت عادي را از غیرعادي تشخیص داده و در صورت غیر عادي بودن وضعیت به مدار شکنها یا کلیدهاي قدرت فرمان میدهد تا عناصري را که در معرض خطا یا عملکرد نامطلوب قرار گرفتهاند، جدا کند. بسته به نوع حفاظت، محدوده عملکرد رله نیز تعیین میشود.
ریکلوزر: خطاهاي رخ داده در شبکههاي توزیع هوایی عمدتاً از نوع گذرا هستند واین امکان وجود دارد که این خطاها در کوتاه ترین زمان ممکن برطرف گردند. براي کاهش خاموشی و وصل مجدد خط در زمان کوتاه از ریکلوزر استفاده میشود. ریکلوزر ابزاري است، که میتواند شرایط اضافه جریان در اتصال کوتاه فاز به فاز و فاز به زمین را تشخیص داده و در صورت وجود اضافه جریان در مدار، پس از یک زمان از پیش تعیین شده آنرا قطع و سپس به طور خودکار وصل مجدد را انجام دهد، تا خط مجددا در مدار قرار گیرد. اگر خطایی که در آغاز، باعث عملکرد ریکلوزر شدهاست، هم چنان وجود داشته باشد، آنگاه پس از تعداد معینی وصل مجدد، رله مدار را همچنان در حالت قطع نگاه میدارد.[1] یکی از مهمترین اثر منفی استفاده از ریکلوزر در شبکه وارد نمودن استرسهاي مکانیکی و حرارتی شدید به تمامی اتصالات و تجهیزات شبکه به ازاي رخداد خطاهاي ماندگار در باسهاي پایین دست ریکلوزر میباشد. اگر یک خطاي ماندگار در پایین دست ریکلوزر در شبکه رخ دهد ریکلوزر خط را بنا به تنظیمات انجام شده چند بار با زمان هاي از پیش تعیین شده برقدار میکند. از آنجایی که خطا همچنان روي شبکه وجود دارد ، بالطبع جریانات شدید اتصال کوتاه براي چند بار متوالی از خطوط توزیع میگذرد که این جریانات شدید که تا 10 برابر جریان نامی فیدر میرسد باعث ایجاد تنشهاي مکانیکی و حرارتی شدیدي در طول مسیر جریان خطا خواهد شد. همین استرسهاي ایجاد شده منجر به افزایش نقاط معضلدار و کاهش طول عمر تجهیزات شبکه میگردد.بنابراین ریکلوزر را با اینکه داراي مزایاي زیادي میباشد اما میتواند خود به عنوان یک عامل نوسان در شبکه تلقی کرد. که براي رفع این مشکل استفاده از محدودسازهاي جریان خطا استفاده خواهد شد.
. 3-2 ترمونگاري در شبکه برق
عبور جریانات شدید اتصال کوتاه از تجهیزات شبکه به علت ایجاد تنشهاي مکانیکی و حرارتی موجب سست شدن نقاط اتصـال مـی- گردد. این نقاط سست دماي بالاتري نسبت به سایر قسمتهاي شبکه دارند که با چشم غیر مسلح قابل تشخیص نمیباشدبراي شناسایی و حل این مشکل تصویر برداري در محدود امواج فروسرخ توسط دوربینهاي ترموویژن1 به کار برده میشود. ترمونگاري در شبکههـاي بـرق کـه موجــب شناســایی نقــاط معضــل دار شــبکه مــیشــود بیشــتر در نقــاط ارتبــاطی تجهیــزات از جملــه در محــل اتصــال کابــل زمینــی بــه شــبکه هوایی(سرکابلها)، ارتباط ترانسفورماتور به شبکه، ارتباط نقاط انتهایی شبکه توسط جمپرها و... مد نظر میباشد.شکل 3 نمونه اي از کـاربرد ترمونگاري در شبکه توزیع را نشان می دهد. طی بررسی میدانی تصاویر گرفته شده از شبکه توزیع مشخص شده است که خطوطی ازشـبکه توزیع که توسط ریکلوزر محافظت می شوند به طور قابل توجهاي تعداد نقاط سست بیشتري نسبت به خطوطی که فاقد ریکلوزر میباشـند، دارند.
4. بهبود گذراي ولتاژ و جریان با استفاده ازFLC
شبکه نمونه مورد بررسی شده از فیدرهاي 20کیلوولت شرکت توزیع بـرق اسـتان تهـران مـیباشـدکه یکـی از فیـدرهاي خروجـی پسـت 63 کیلوولت مدل شده میباشد.
با توجه به تعداد انواع اتصالیهاي شبکه نمونه و میزان افزایش جریان خطا در حالت فاز به فاز یک خطاي ماندگار از نوع اتصالی فاز به فاز به شبکه اعمال می کنیم .ریکلوزر دوباردر حالت سریع در زمان 0/4 و0/7 ثانیه شبکه پایین دست خودرا بی برق می نمایدودر حالت سوم در زمان 1/4 ثانیه شبکه را برق دار می نمایدکه به علت عدم رفع اتصالی در حالت قفل (لوك اوت ) قرار می گیرد .
در شکل( ( 4 جریان لحظهاي باس شماره( (1 نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده میشود در حالت وجود خطا میزان جریان پیک 1620 آمپر رسیده است. جریان موثر و ولتاژ موثر باس( 1 )را نیز می توانید در شکل هاي( (5و( 6 )مشاهده کنید این افزایش ناگهانی شدید جریان باعث افت ولتاژ در باسهاي سیستم میگردد،این امر باعث افت کیفیت توان شبکه گردیده است.
این جریانات شدید که منجر به ایجاد تنشهاي شدید در شبکه شده و همچنین موجب افت زیاد ولتاژ باس skack گردیده از آن جـایی که خطا از نوع ماندگار بوده و در پایین دست ریکلوزر اتفاق افتاده، ریکلوزر شبکه را با وجود اینکه اتصالی رفع نشده سـه بـار قطـع و وصـل میکند در هر بار وصل، جریان تا نزدیک 1200 آمپر افزایش مییابد .براي حل این مشکل استفاده از دو نوع محـدود کننـده جریـان از نـوع پسیو و استاتیکی پیشنهاد شده است.الف- محدود کننده جریان از نوع پسیو : در این مدل از محـدود کننـده تنهـا از خـازن، سـلف و برقگیـر استفاده شده و تمامی این تجهیزات به فور در شبکه توزیع داخل کشور وجود دارد. از طرفی نتایج شبیه سازي توانـایی ایـن مـدل در کـاهش میزان جریان خطا را مورد تایید قرار میدهد.در شکلهاي شماره 8 و9و10 به ترتیب جریان لحظهاي،جریان موثر و ولتاژ موثر در باس1 نشان داده شده
