بخشی از مقاله
يک روش جديد حفاظت فقدان تحريک در ژنراتورهاي سنکرون
چکيده
فقدان تحريک يکي از خطاهاي داخلي ژنراتور سنکرون مي باشد که مي تواند موجب بروز خسارت و اختلال در ژنراتور و شبکه گردد. از ايـن رو در ايـن مقالـه يـک طرح جديد براي حفاظت فقدان تحريک ژنراتور سنکرون ارائه شده است . عملکرد طرح جديد براساس تغييرات ولتاژ و تغييرات زاويـه ي بـين ولتـاژ و جريـان ژنراتـور سنکرون مي باشد. جهت نشان دادن تأثير طرح پيشنهادي، مقايساتي با روشهاي حفاظتي سنتي و با در نظـر گـرفتن سـايزهاي مختلـف ژنراتـور سـنکرون صـورت پذيرفت . نتايج حاصل از شبيه سازيها نشان مي دهد که طرح حفاظتي مطرح شده علاوه بر تشخيص صحيح فقدان تحريک و شرايط نوسـانات قـدرت، داراي سـرعت بسيار بالاتري نسبت به ساير روش ها مي باشد.
واژههاي کليدي : فقدان تحريک، ژنراتور سنکرون، حفاظت ، ولتاژ ترمينال، زاويه ي بين ولتاژ و جريان.
١- مقدمه
ژنراتورهاي سنکرون ١، ماشين هـاي رايـ توليـد بـرق هسـتندکه داراي سيستم تحريک DC مي باشند و قابليـت عملکـرد بـدون تحريـک DC را ندارنــد [١]. فقــدان تحريــک2(LOE)يکــي از حــوادث تهديــد کننــدهي ژنراتورهاي سنکرون و سيستم هاي قدرت مي باشد وزماني رخ مي دهد که تحريک سيم پيچ ميدان ژنراتور متوقف گردد. ايـن حالـت ممکـن اسـت ناشي از خرابي تجهيزات، باز شدن سهوي کليـد تحريـک، مـدار بـاز يـا اتصال کوتاه در سيستم تحريک و يا جرقه حلقه لغزان باشد. علت هرچه باشد، اين حالت باعث ايجاد خطر براي ژنراتور و سيستم قدرت مي شود در [٣] يــک رلــه مهــو٣ آفســت تکفــاز بــراي تشــخيص LOE در ژنراتورسنکرون توسط ميسون ٤ معرفي گرديد. در [٤]، بردي٥ يک واحد مهو ديگر به اين طـرح حفـاظتي اضـافه کـرد. تـا بـه حـال، روشهـاي مختلفي براساس مسير امپدانس ظـاهري٦ بـراي تشـخيص LOE ارائـه شده است [٥ و ٦]و نيزمواردي مبني بـر عملکـرد نادرسـت روشهـاي مرسوم حفاظت LOE روي نوسانات قدرت پايدار٧ (SPS) همچون يـک خطاي شديد نزديک ژنراتور که بـا ضـريب تـوان پيشـفاز درحـال کـار است ،گزارش شده است [٧]. به طور معمول براي حـل ايـن مشـکل بـه رله هاي LOE تأخير زماني داده مي شود. ارائه رله با تـأخير زمـاني روي SPS راهحل ايدهآلي نيست چراکه در LOE واقعي ، تأخير داده شده بـه منطق رله مي تواند منجر به آسيب بالقوهاي در ژنراتور و سيسـتم گـردد .[9 -7]
در [١٠ و ١١] از شبکه عصبي ١ براي طبقه بنـدي آنلايـن و تشـخيص شرايط خطا در حين اولين پايداري گذراي نوسان يا LOE استفاده شده است . [١٢] يک حفاظت قطع تحريک براساس مکانيزم استنتاج فـازي٢ (LOE-FIM) را بيان مي کند. يک حفاظت فقدان تحريک جديد نيز در [١٣] بيان مي گردد. اين طرح براساس تغييـرات شـار پيونـدي ژنراتـور سنکرون ٣ (LOE-FBM) به هنگام خطاي فقدان تحريک مي باشد.
روش هاي ارائه شده در سالهاي اخير، عملکرد نادرست روشهاي مرسـوم حفاظت LOE را ندارند اما زمان عملکرد آنهـا نيـز همچنـان طـولاني مـي - باشد[١٢ و ١٣]. براي حل اين مشکل در ايـن مقالـه يـک حفاظـت جديـد براساس تغييرات ولتاژ و تغييرات زاويـه ي بـين ولتـاژ و جريـان ژنراتـور سنکرون ارائه شده است . نتايج شبيه سازي نشان مي دهد که روش جديد با قابليت اعتماد بالا، داراي سرعت عملکرد بهتري نسبت بـه روشهـاي پيشين مي باشد.
٢- فقدان تحريک
جريان DC ورودي به سيم پيچ ميدان باعث تحريک مدار مغناطيسـي روتور براي ايجاد شار روتور مي شود. اين شار يـک ولتـاژ داخلـي توليـد مي کند که در حالت سنکرون و مخالف با ولتاژ سيسـتم مـي باشـد. اگـر تحريک ژنراتور سنکرون قطع گردد، جريان روتور با ثابـت زمـاني مـدار تحريک ميرا مي گردد و ولتاژ داخلي ژنراتور نيز با همين ثابت زماني ميرا خواهد شد.با توجه به اينکه توان راکتيو خروجي ژنراتور متناسب با ولتاژ داخلي ژنراتور مي باشد، توان راکتيو خروجي نيز کـاهش خواهـد يافـت .
درصورتيکه ژنراتور در ابتدا در حال تغذيه توان راکتيو به سيستم قدرت باشد، توان راکتيو خروجي به صفر کاهش مي يابد و درنهايـت ژنراتـور از سيستم قدرت، توان راکتيو افزايشي مي کشد تا جايگزين تحريکي نمايد که پيش از اين توسط مدار تحريک تأمين مي شد [٢].
از سوي ديگر، کاهش ولتاژ داخلي باعث تضـعيف اتصـال مغناطيسـي بين رتور و استاتور مي شود. در نقطه اي در طي حالت ميرايي ، اين اتصال بيش از اندازه ضعيف خواهد شد که بتواند توان خروجي چرخاننده را به سيستم الکتريکي انتقـال دهـد و ژنراتـور، حالـت سـنکرون را از دسـت خواهد داد. در اين مدت، گاورنر٤ از پيش تنظيم شده، يک مقدار معـين توان به ژنراتور تحويل مي دهد که موجب شتاب گرفتن ژنراتور و القـاي جريانهايي با فرکانس لغزش بالا در روتور مي گردد که ايـن ، بـه عنـوان يک ژنراتور القايي موجب نگهداشتن توان خروجي مي شود [١]. ژنراتـور همچنان مقداري توان به سيستم تحويل مي دهد، اما تحريک خـود را از سيستم به شکل توان راکتيو جذب مي کند. وقتي ژنراتور توان راکتيـو از سيستم جذب مي کند، کاهش ولتـاژ در ترمينـال اتفـاق مـي افتـد. ايـن کاهش ولتاژ با توجه به وسعت سيستم قدرت مي تواند بـه يـک منطقـه بزرگتر گسترده شود [٢]. بحراني ترين حالت براي ژنراتـور و سيسـتم ، از دسـت رفـتن تحريـک ژنراتور زير بار کامل مي باشد. هرچه بـار اوليـه ي ژنراتـور بيشـتر باشـد،
شرايط خطاي فقدان تحريک به ترتيب در بار کامل و بـار کـم را نشـان مــي دهــد کــه بــا اســتفاده از شــبيه ســازي کــامپيوتري در نــرم افــزار DIgSILENT® Power Factory بدست آمدهاند.
شکل ١: I و Vt در LOE براي حالت بار کامل شکل ٢: I و Vt در LOE براي حالت بار کم اثرات نامطلوب ژنراتور القايي تحريک نشده شامل : جريان اسـتاتور بـالا، جريان القايي روتور، پالسي شدن گشتاور و حرارت انتهاي هسته مي باشـد.
جريانهاي استاتور به ٢ تا ٤ برابر مقدار نامي نيز مي رسند [٢].
٣- حفاظت هاي مرسوم فقدان تحريک
در قديمي ترين شکل حفاظت LOE از يک رله ي کاهش جريان يا کاهش ولتاژ متصل شده در مدار تحريک استفاده مي شد. چنين طرحهايي طوري تنظيم مي شوند تا در صورت کاهش جريان يا ولتاژ تحريک به کمتر از مقدار لازم براي توليد ولتاژ روجي نامي در حالت بي باري عمل کنند. اين طرحها بايد به هم قفل شوند تا از عملکرد اشتباه در طي راهاندازي در زماني که ممکن است تحريک کمتر از نقطه ي تنظيم باشد جلوگيري کنند. همچنين ، يک تايمر تأخير قطع ، براي جلوگيري از قطع در زماني که رگولاتور ولتاژ سريعاً جريان تحريک را در پاسخ به يک تغيير ناگهاني سيستم همچون پاک شدن يک خطا کاهش مي دهد، مورد نياز مي باشد [٢].
در سال ١٩٤٩، يک رله مهو آفست تکفاز توسط ميسون براي LOE در ژنراتورهاي سنکرون معرفي گرديد [٣]. اين رله ولتاژ و جريان ترمينال را دريافت مي کند و همانطور که در شکل ٣ نشان داده شده داراي مشخصه آفست مهو با قطر Xd و آفست برابر با 2.Xʹ d مي باشد. اين راهحل رله ديستانس براي فراهم کردن قابليت انتخاب بين LOE و شرايط کاري غيرنرمال ديگر ايجاد گرديد.
در سال ١٩٧٥، بردي استفاده از دو واحد مهو آفست را همانگونه که در شکل ٤ مشاهده مي گردد، پيشنهاد داد [٤]. اين رله همانند رله مهو آفست تکفاز داراي آفست برابر با ٢.Xʹ d مي باشد. در اين رله واحد اول بايد با قطري برابر با pu١ بر مقادير پايه ماشين ، بدون تأخير زماني تنظيم گردد. واحد دوم بايد با قطري برابر Xd تنظيم شود. اين واحد مي بايست جهت کار در شرايط گذرايي که ممکن است موجب عملکرد اشتباه رله گردد، استفاده شود.
امروزه براي ژنراتورهاي با pu٢ ١>Xdطرح ميسون و براي ژنراتورهاي با pu٢ ١<Xdطرح بردي پيشنهاد مي شود.
طرحي ديگر نيز توسط ترماين و بلکبور١ ارائه شد، که در اين روش از واحدهاي مهو آفست مثبت ، جهت ياب، زير ولتاژ و تايمر استفاده گرديد[٥]. در اين طرح ممکن است دو رله مورد استفاده قرار گيرد.
همانگونه که در شکل ٥ نشان داده مي شود واحد اول (Z٢) داراي المان مهو آفست مثبت و با يک حاشيه ١٠% بالاتر از محدوده پايداري حالت ماندگار مي باشد که با استفاده از معادله زير تنظيم مي گردد:
در اين روابط Xs راکتانس سيستم از ديد ژنراتور مي باشد. از آنجايي که واحد امپدانس داراي آفست مثبت است ، جهت جلوگيري از عملکرد رله براي خطاهاي نزديک سيستم از يک المان جهت ياب براي نظارت استفاده مي شود. هنگاميکه يک حالت ولتاژ پايين نيز وجود داشته باشد، نشان دهنده شرايط LOE کامل است که سيستم متصل قادر به تأمين توان راکتيو کافي نمي باشد، درنتيجه واحد زيرولتاژ عمل مي کند که ژنراتور با تأخير زماني 0.25s تا 1s تريپ بدهد.
واحد دوم (Z١)، با يک آفست برابر با ٢.Xʹ d و با قطع برد طولاني Xd١١ تنظيم مي شود. در اين مورد رله با تنظيم Z١ بايد با تأخير زماني s٠٢ تا s٠٣ تريپ دهد.
٤- طرح پيشنهادي
در شرايط نرمال عملکرد ژنراتور سنکرون، اگر در اثر تغييرات وضعيت شبکه زاويه ي بين ولتاژ و جريان ترمينال کاهش يابد، که نشان دهندهي کاهش توان راکتيو کشيده شده از ژنراتور نيز مي باشد، در لحظات اوليه همانند شکل ٦ ولتاژ ترمينال به دليل عکس العمل آرميچر افزايش خواهد يافت . اين افزايش ولتاژ باعث عملکرد AVR و کاهش تحريک مي شود. لذا پس از چند لحظه ولتاژ دوباره به مقدار از پيش تعيين شده باز خواهد گشت . همچنين اگر زاويه ي بين ولتاژ و جريان ترمينال ژنراتور افزايش يابد، که بيانگر افزايش توان راکتيو کشيده شده از ژنراتور مي باشد، همانگونه که شکل ٧ نشان مي دهد در لحظات اوليه ولتاژ ترمينال کاهش خواهد يافت . پس از مدتي با عملکرد AVR ولتاژ به مقدار قبلي باز مي گردد. همانطور که مشاهده مي شود در لحظات ابتدايي ، تغييرات ولتاژ ترمينال و زاويه بين ولتاژ و جريان برخلاف يکديگر است .
در هنگام وقوع فقدان تحريک بدليل کاهش ولتاژ ترمينال و جذب توان راکتيو از شبکه ، زاويه بين ولتاژ و جريان ترمينال کاهش مي يابد. بنابراين مطابق شکل ٨ با وقوع خطاي فقدان تحريک، تغييرات اوليه ولتاژ و تغييرات زاويه ي بين ولتاژ و جريان هم جهت و منفي مي باشد. حال با استفاده از اين مفهوم روشي جديد جهت تشخيص فقدان تحريک ارائه مي گردد.
روش پيشنهادي مطابق الگوريتم شکل ٩ مي باشد. در اين روش ابتدا از ولتاژ و جريان ترمينال با فرکانس 1khz نمونه برداري صورت مي - پذيرد.سپس مقدار مؤثر سيگنالهاي ورودي با استفاده از تبديل فوريه گسسته بدست مي آيد. در ادامه زاويه بين ولتاژ و جريان ترمينال ژنراتور مطابق رابطه زير محاسبه مي شود.
