دانلود تحقیق راکتور های قدرت

راکتور قدرت یکی از تجهیزات شبکه های قدرت بشمار می رود که در واقع یک بوبین خود القاب هسته هوا یا مغناطیسی که کاربردهای بسیاری در سیستمهای قدرت دارد.

راکتورهای قدرت هم بصورت اتصال سری و هم اتصال موازی (شنت) در شبکه قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند اما راکتوری که برای اتصال سری طراحی می شود با راکتوری که برای اتصال شنت در نظر گرفته می شود، از نظر ساختمان و وظیفه ای که بر عهده دارد تفاوت دارد.

از راکتور سری بطور عمده به منظور محدود کردن جریان اتصال کوتاه، تقسیم دلخواه بار در خطوط و مدارات موازی و موارد دیگر استفاده می شود.

از راکتور شنت معمولاً به منظور کنترل توان راکتیو در شبکه استفاده می شود برای مثال برای جبران اثر خازنی خطوط انتقال طویل به ولتاژ زیاد راکتور شنت مناسب در هر دو انتهای خط نصب می گردد.

در این فصل منحصراً درباره راکتور سری که به منظور محدود کردن جریانهای اتصال کوتاه بکار می رود، توضیحات مقدماتی بیان خواهد شد.

8-2- راکتور‌سری‌محدود کننده جریان اتصال کوتاه (current Limitting Reactor):
جریان اتصال کوتاه در شبکه های بزرگ و بهم پیوسته در برخی نقاط شبکه
می تواند بسیار بزرگ باشد و چنانچه ضرورت داشته باشد که سطح جریان اتصال کوتاه پائین نگه داشته شود می توان از راکتور با اتصال سری در محل مورد نظر، استفاده کرد.

در توسعه شبکه قدرت نیز گاهی در نقاطی از شبکه جریان اتصال کوتاه می تواند از مقادیر مجاز و تجهیزات نصب شده قبلی بیشتر شود.

برای مثال بریکرهای موجود ممکن است جریان قطع کمتری نسبت به آنچه که پس از توسعه وجود خواهد داشت، داشته باشند در این موارد یا باید تجهیزات را تعویض کرد و یا سطح اتصال کوتاه را پائین نگهداشت.

تعویض تجیهزات معمولاً از نظر اقتصادی هزینه بالاتری نسبت به نصب راکتور محدود کننده جریان دارد و بنابراین کاربرد راکتور بصورت سری مدنظر قرار
می گیرد.

از لحاظ نظری، راکتور محدود کننده جریان باید بگونه ای طراحی شود که اندوکتانس آن یا بعبارت دیگر راکتانس آن در حوزه جریانهای عادی سیستم تا جریانهای شدید اتصال کوتاه تغییری نکند و ثابت بماند و در واقع باید بصورت یک اندوکتانس خطی عمل نماید.

وجود مواد مغناطیسی شوند می تواند سبب بروز رفتار غیرخطی در سیم پیچیها بشود که نتیجه آن ثابت نبودن اندوکتانس سیم پیچ است.

از این جهت راکتورهای سری معمولاً بدون هسته مغناطیسی شونده ساخته شده اند و یا در هسته مغناطیسی آنها شکاف ایجاد می شود.

سیم بندی راکتور معمولاً بصورت دایره ای انجام می شود و باید دارای استقامت کانی برای مقاومت در برابر نیروهای ناشی از عبور جریانهای اتصال کوتاه را داشته باشد.

شکل (8-1) نمونه ای از راکتورهای سری با هسته هوا را نشان می دهد.

-3- انواع راکتورهای سری:
راکتورهای سری بر اساس ساختمان فیزیکی آنها به دو دسته کلی تقسیم می شوند:
1) راکتور با عایق یا هسته هوا در قالبهای بتونی بدون حفاظت مغناطیسی.

unsheilded Air Insulated Reactors or Dry Type Reactor or Air Core Recator
2) راکتور روغنی (با تانک روغن) با پوشش مغناطیسی و یا غیر مغناطیسی.

Cil – Immersed Recator with Magnetic or Non- Magnetic Sheild
در راکتور با هسته هوا سیم بندی بصورت دایره ای شکل پیچیده می شود و در قالبهای بتونی و روی استراکچر بتونی نصب می گردد و بهمین دلیل دارای وزن زیادی است.

چون فاقد قد پوشش یا تانک فلزی است میدان مغناطیسی را کتور در فضای اطراف آن همانند یک سولونوئید امتداد دارد از این نظر باید بگونه ای نصب شود که از تجهیزات فلزی و مدارات الکتریکی و مخابراتی فاصله کافی را داشته باشد.

از نظر استقامت مکانیکی و دینامیکی در برابر جریان اتصال کوتاه بسیار مقاوم است.

راکتانس این راکتورها در شرایط عادی و اتصال کوتاه تقریباً ثابت است و تغییر چندانی ندارد.

از معایب این راکتورها مشکل خنک سازی آن با Fan است که بازدهی خوبی ندارد شکل‌(8-1).

در راکتورهای روغنی سیم پیچ یا راکتور در یک تانک پر از روغن همانند یک ترانس قدرت نصب می گردد.

مشکل پراکندگی میدان مغناطیسی با قرار دادن تعدادی ورقه های آهنی در اطراف سیم پیچ راکتور که ایجاد یک مسیر مغناطیسی برای خطوط قوای مغناطیسی خارج از سیم پیچ می نماید، برطرف شده است.

ورقه های آهنی همانند یک قفس اطراف سیم پیچ نصب می گردند و از یکدیگر عایق می شوند بطوریکه مسیر جریانهای القائی کوچکتر باشد.

وجود پوشش یا حفاظ مغناطیسی سبب می شود که رلوکتانس در مسیر میدان مغناطیسی کاهش یافته و در نتیجه راکتانس کلی راکتور در شرایط عادی کارکرد حدود 10 تا 15 درصد از راکتانس آن در شرایط اتصال کوتاه بزرگتر باشد.

بهنگام وقوع اتصال کوتاه حفاظ آهنی اشباع می شود و راکتور همانند یک راکتور با هسته هوا عمل می کند.

برای این راکتورها مقادیر نامی بر اساس شرایط اتصال کوتاه محاسبه و بیان می گردد.

افزایش 10 تا 15 درصدی راکتانس در شرایط غیر اتصال کوتاه چندان مورد توجه قرار نمی گیرد.

در طرح دیگری از راکتورهای روغنی برای جلوگیری از پراکندگی میدان مغناطیسی از یک استوانه مسی یا آلومینیومی که سیم پیچ را احاطه می کند، استفاده می شود.

سیم پیچ و استوانه محافظ در تانک پر از روغن قرار می گیرند.

جریانهای القائی در استوانه سبب ایجاد میدان مغناطیسی مخالف میدان سیم پیچ می شود و نتیجه آن است که فلوی راکتور بین سیم پیچ و حفاظ استوانه ای مسیر خود را کامل می کند و در خارج استوانه مزبور میدان مغناطیسی تقریباً وجود ندارد.

چون در این راکتورها از ماده مغناطیسی استفاده نمی شود راکتانس تقریباً در تمام شرایط کاری ثابت است که مزیت عمده این راکتورها بشمار می رود.

اما وجود جریانهای گردشی در استوانه سبب تلفات اهمی می شود.

هر چه شعاع استوانه بزرگتر باشد این جریانها کوچکتر بوده و تلفات کمتر است ولی حجم تانک و مقدار روغن مورد نیاز بیشتر خواهد بود.

وجود این تلفات از معایب این نوع راکتور بشمار می رود.

در راکتورهای روغنی خنک سازی توسط گردش روغن در رادیاتورها و ایجاد جریان هوا توسط fan همانند ترانسهای قدرت انجام می شود که بازدهی خوبی دارد.

8-4- کمیتهای الکتریکی مهم در راکتورهای سری (تعاریف اولیه): - جریان نامی: مقدار موثر جریانی که راکتور برای عبور دائمی آن طراحی می شود.

- ولتاژ نامی: همان ولتاژ سیستمی است که راکتور در آن بکار می رود.

- فرکانس نامی: فرکانس نامی سیستم قدرت 50 تا 60 هرتز.

- جریان کوتاه مدت: جریان اتصال کوتاهی که راکتور برای مدت مشخص مثلاً 1 یا 3 ثانیه می تواند از خود عبور دهد و مشخصه های فنی آن تغییر نکند.

این جریان معمولاً از 25 برابر جریان نامی بیشتر نیست.

- امپدانس نامی: امپدانس اهم پرفاز در فرکانس نامی طبق رابطه زیر تعریف می گردد.

8-1) معمولاً مقاومت راکتور در مقایسه با راکتانس آن ناچیز و حدود 3% آن است به همین علت در محاسبات معمولاً از مقاومت آن صرفنظر می شود و فقط راکتانس آن در نظر گرفته می شود.

راکتانس یا برحسب اهم یا برحسب پریونیت یا درصدی بیان می گردد.

راکتانس توانی مثبت و منفی و صفر برای راکتورهای سری با هم برابر است.

افت ولتاژ نامی: افت ولتاژ نامی راکتور ولتاژ دو سر راکتور است هنگامیکه جریان نامی از آن عبور می نماید بعبارت دیگر افت ولتاژ نامی راکتور برابر است با: 8-2: روابط زیر نشان می دهد که افت ولتاژ نامی برحسب پریونیت یا درصدی با راکتانس پریونیت یا درصدی برابر است: بعنوان مثال یک راکتور در سیستم سه فاز با ولتاژ نامی 33 کیلوولت و راکتانس 5% که جریان نامی آن 400 آمپر است دارای افت ولتاژ برابر 952 ولت می باشد.

با نصب راکتور سری ولتاژ شبکه پس از راکتور به اندازه افت ولتاژ روی راکتور تغییر می کند اگر این تغییر با نشان داده شود با توجه به دیاگرام برداری شکل (8-2) مشخص می شود.

تغییر بستگی به ضریب قدرت یا شبکه دارد.

تحت شرایط عادی که جریان سیستم کم ضریب قدرت نیز عموماً بالاتر از 8/0 است مقدار کمی است.

اما در جریانهای زیاد اتصال کوتاه که ضریب قدرت نیز کوچک و نزدیک به صفر است.

نسبتاً بزرگ بوده و عملاً سبب می شود که جریان اتصال کوتاه برای اتصالیهای پس از راکتور محدود بماند.

جریان بار جریان اتصال کوتاه توان ظاهری نامی برای راکتور سری توان ظاهری نامی برابر است با: توان ظاهری عبوری: توان ظاهری عبوری از راکتور سری طبق تعریف برابر است با: اگر قدرت اتصال کوتاه شبکه ای در یک نقطه از شبکه برابر Sk1 باشد و کاهش آن تا مقدار Sk2 توسط راکتور سری مورد نظر باشد درصد افت ولتاژ نامی یا درصد راکتانس راکتور مورد نیاز از معادله زیر تعیین شده و سپس با مراجعه به جداول مقادیر استاندارد شده راکتور انتخاب می گردد.

اگر قدرت اتصال کوتاه قبل از راکتور Sk1 باشد و در صد افت ولتاژ راکتور % باشد قدرت اتصال کوتاه Sk2 پس از راکتور از معادله زیر بدست می آید.

(8-7) (درستی هر دو رابطه اخیر را نشان دهید).

- ضریب اضافه جریان راکتور: طبق تعریف نسبت جریان اتصال کوتاه متقارن (rms) گذرند از راکتور به جریان نامی آن است.

8-5- کابردهای راکتور سری محدود کننده جریان: کاربردهای عمده این راکتورها عبارتند از: -) بعنوان راکتور ژنراتور Generator Reactor -) بعنوان راکتور خط feeder Reactor -)بعنوان راکتورشین Bus Reactor -) راکتور ژنراتور- اغلب ژنراتورهای مدرن امروزی بنحوی طراحی می گردند که دارای راکتانس کافی برای تحمل جریانهای اتصال کوتاه روی ترمینالها می باشند.

در نیروگاههای قدیمی تر این چنین نبوده و می توان در مواردی راکتورهای سری شده با ژنراتورها را در برخی از این نیروگاهها مشاهده کرد.

راکتور می تواند جریان اتصال کوتاه که از سایر ژنراتور به سمت ژنراتور اتصالی شد می آید محدود نماید بنابراین هم صدمات وارده ناشی از جریان اتصال کوتاه کاهش می یابد و هم قدرت قطع لازم سوئیچگیر نیروگاه می تواند کمتر باشد.

شکل (8-3) نمونه از این کاربرد را نشان می دهد.

عیب عمده در این کاربرد این است که در صورت وقوع اتصالی روی یکی از فیدرهای خروجی ولتاژشین که نقطه مشترک فیدرها است شدیداً کاهش یافته و فیدرهای سالم نیز توسط حفاظت ولتاژ کم (under- voltage protection) از مدار خارج می شوند.

به این ترتیب کل نیروگاه برای یک حالت روی یکی از فیدرها خاموشی خورده و احتمال از دست رفتن سنکرونیسم نیروگاه با شبکه وجود دارد.

برای وصل مجدد به شبکه باید فیدر اتصالی جدا شده و پس از سنکرون کردن فیدرهای سالم وارد مدار شوند.

همچنین اگر اتصالی روی شین رخ دهد.

جریان اتصالی از سوی شبکه توسط راکتورها محدود نمی شود.

نقص دیگر این طرح عبور جریان بار کل از راکتورها است که افت ولتاژ و تلفات دائمی تحت شرایط عادی را سبب می شود.

بدلیل نواقص مذکور را از این طرح فقط در نیروگاههای قدیمی ممکن است استفاده شود.

-) راکتور خط یا فیدر- هدف از کاربرد راکتور برای فیدر کاهش سطح اتصال کوتاه روی فیدر است و نتیجه آن استفاده از تجهیزات قدرت بطور عمده بریکر با قدرت قطع کمتر است.

در مقایسه با راکتور ژنراتور، اتصالی روی فیدر با وجود راکتور باعث افت ولتاژ شدید شین نمی شود در نتیجه خطر خارج شدن سایر فیدرها و از عدم سنکرونیسم کمتر است.

اما جریان اتصالی روی شین از طرف ژنراتورها از راکتورها نمی گذرد و بنابراین توسط آنها محدود نمی شود اما از طرفی احتمال اتصالی روی شین نیروگاه به مراتب کمتر از اتصالی روی فیدرها است.

تلفات و افت چند درصدی ولتاژ همانند اتصال به ژنراتور وجود دارد.

شکلهای (8-4) و (8-5) دو طرح از راکتور فیدر را نشان می دهند.

طرح دوم که اتصال گروهی راکتور فیدر نامیده می شود فقط از نظر اقتصادی سودمند است ولی چنانچه به هر دلیلی راکتور نیاز به تعمیرات داشته باشد کلیه فیدرهای متصل به آن را از مدار باید خارج کرد.

اتصال گروهی بیشتر در سیستمهای توزیع تا ولتاژ 33 کیلوولت استفاده می شود.

-) راکتورشین یا باسبار- همچنانکه اشاره شد دو عیب عمده مشترک بین راکتور فیدر و راکتور ژنراتور وجود تلفات دائمی و افت چند درصدی ولتاژ است.

با نصب راکتور روی شین این نواقص برطرف می شود.

نصب راکتور روی شین در طرحهای مختلفی انجام می شود که در این جا توضیح داده می شوند.

(×) راکتورشین با اتصال سری بین بخشهای شین شکل (8-6).

در این طرح با سبار به چند بخش معمولاً به تعداد ژنراتورها (واحدها) تقسیم می شود و هر بخش از شین توسط راکتور به بخش مجاور متصل می گردد.

(×) راکتورشین با اتصال موازی بین بخشهای شین و شین مشترک شکل (8-7).

در این طرح هر بخش از شین توسط یک راکتور به یک شین مشترک که Tie Bar نامیده می شود وصل می گردد.

چند نمونه از محاسبات مربوط به راکتور محدود کننده جریان اتصال کوتاه در مثالهای زیر بیان شده است.

مثال 8-1: یک نیروگاه کوچک دارای دو ژنراتور با مشخصات داده شده در دیاگرام تک خط شکل (8-9) مفروض است.

قدرت قطع مدار شکنهای متصل به باس نیروگاه 150000 کیلوولت آمپر است.

به علت افزایش بار مصرفی، در نظر است که نیروگاه از طریق یک ترانس قدرت با مشخصات داده شده مطابق شکل، به شبکه اصلی برق متصل شود.

راکتانس لازم برای محدود کردن سطح اتصال کوتاه درصد قدرت مدارشکنها را مشخص نمائید.

توان ظاهری مبنا برابر فرض می شود