مقدمه
بحث نوسانات ولتاژو تاثییرات موقتی آن روی سیستم برق شاید در ابتدا به علت موقتی بودن این اثرات از اهمیت زیادی برخوردار نباشد ولی با دقت در این موضوع که این نوسانات با عبور از روی شبکه برق و گذر کردن از روی تجهیزات و وسایل حساس برقی و با توجه به دامنه بالای این اثر می تواند صدمات جبران ناپذیری به تجهیزات وارد کرده و باعث می گردد اهمیت این موضوع دو صد چندان گردد و حتی می تواند باعث ناپایداری خط عبوری انرژی گشته و صدمات جبران ناپذیری ایجاد کند .
بنابراین بحث در مورد عوامل ایجاد کننده و تاثیر گذار بر این موضوع ایجاد راهکاری مناسب برای کم کردن اثرات نامطلوب این موضوع و حدالامکان حذف کردن آن می تواند کمک قابل توجهی به صنعت انتقال و توزیع برق داشته باشد و کمک شایانی به پایداری هر چه بیشتر سیستم انتقال نماید. اما اکنون باید ببینیم چه عواملی ایجاد کننده ی این اثر نامطلوب می تواند باشد اگر از خود بارهای الکتریکی بحث را شروع کنیم می بینیم که بارها نیز می تواند به عنوان یک عامل تاثیر گذار در این موضوع باشند بارهایی نظیر کوره های الکتریکی موتورهای الکتریکی و دستگاههای جوش سهم به سزاییدر این مطلب دارند و پدیده هایی نظیر flicker ولتاژ نیز مسئله با اهمیتی است که در جای خود به بررسی آنها می پردازیم .
در ابتدای تبدیل شدن اختراع برق بعنوان یک صنعت همه گیر از آن بیشتر برای مصارف خانگی استفاده می گردد که این مسائل از اهمیت چندان زیادی برخوردار نبود لیکن با استفاده روز از فزون این پدیده جدید انرژی در صنعت این مسائل اهمیت خود را بخوبی نشان داد .
البته باید توجه داشت این موضوع با افت ولتاژ دائمی در طول یک خط انتقال برق کاملا متفاوت می باشد .
نوسانات ناشی از راه اندازی تجهیزات خاص در کارخانجات که در هنگام شروع کار احتیاج به مصرف بالایی دارند .
یکی دیگر از مسائل با اهمیت که باعث بوجود آمدن بحث پیچیده و با اهمیت حفاظت در شبک های مختلف می گردد بحث تغییرات ولتاژ ناشی از خطاهای گذرا در شبکه .
1-1 نوسانات ولتاژ ناشی از بارهای مختلف :
می توان علت ایجاد این نوسانات را اینگونه بررسی نمود که با وارد شدن انواع بارهای الکتریکی به شبکه با کشیدن جریان به سمت خویش باعث تغییر یکباره میزان انرژی داخل شبکه برق می گردد که با افت ولتاژ ناگهانی در شبکه روبرو خواهیم بود که البته در مورد بارهای کوچک می توان با استفاده از رگولاتورها این مسئله را حل نمود لیکن در مورد بارهای بزرگتر مانند کوره های القایی و موتورهای جوش بزرگ این راه نمی تواند برای نوسانات ناگهانی در ولتاژ خط کار موثری انجام دهد و باعث نوسانات ناگهانی در ولتاژ خط گردد .
اما محدوده مجاز این نوسانات برای بارهای مختلف ؟
برای بررسی آن ابتدا مفهمومی تحت عنوان flicker ولتاژ را بررسی می نماییم .
هر عاملی که باعث تغییر دامنه ولتاژ حتی در زمان خیلی کم گردد می توند عاملی برای ایجاد flicker ولتاژ باشد مانند سوییچ کردن بارهای مختلف چون جریان هجومی در لحظه راه اندازی از جریان حالت دایمی بیشتر می باشد بعنوان مثال راه اندازی موتورها یکی از منابع اصلی و معمولی ایجاد فلیکر می باشد هم چنین بارهایی که بصورت متناوب کار می کنند و مانند دستگاههای جوش قوسی یا نقطه ای و همچنین سوییچ کردن ادوات تصحیح ضریب قدرت مانند انواع بانک های خازنی.
روشهای جبران و تصحیح فلیکر :
در این مورد باید به چند نکته توجه داشت که بارهای متصل به شبکه های ضعیف در مقابل بارهای متصل به شبکه های بهم پیوسته (stiff net work) دارای نوسانات بیشتری خواهد بود .
در مورد راه اندازی موتوری می توان با استفاده از راه اندازها این مسئله را کاهش داد .
در مورد بانک های خازنی اگر همراه با بار سوییچ گردند هم می توانند اثر نامطلوب وارد شدن خود آنها را کاهش داد بلکه می توان اثرات مخرب بارها را نیز کاهش داد .
بررسی اثرات TOV بر یک شبکه نمونه :
هنگام بی بار بودن شبکه قدرت برای یک مدت طولانی اضافه ولتاژ خطوط متصل به ژنراتور ها می تواند به یک TOV خطرناک منجر گردد و حتی می توند باعث ناپایداری آن قسمت از شبکه گردد و به تجهیزات آن قسمت صدمه وارد می کند بعنوان یک راه مقابله با آن این است که مطمئن باشیم در هنگام ولتاژ فرمان trip توسط دستگاههای حفاظتی داده می گردد و خط جدا می گردد و هنگامی recloser بسته می گردند که اضافه ولتاژ از بین رفته باشد و نوسانات ولتاژ از بین رفته است .
برای تعیین مدت زمان قابل تحمل برای تجهیزات که منجر به از بین نرفتن عایق آنها می باشد به 3 دسته تقسیم می گردد :
1- ولتاژ بیش از pu 1/6 ms125
2- ولتاژ بیش از pu 1/4 ms 250
3- ولتاژ بیش از pu 1/25 sec1
بر اساس این آزمایش ها نتایج تاثیر اضافه ولتاژ در 2 پست بدست آمده است :
این اضافه ولتاژ ها ناشی از وصل کردن بانک خازنی یا خطا (بعد از رفع کردن ان ) یعنی برای خطا بعد از 6 سیکل و برای بانک خازنی بعد از 4 سیکل از بین میرود و احتیاج به هیچ وسیله ی حفاظتی نمی باشد .
اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی :
اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی اکثر در خطوط uhv , EHV مطرح می گردد تا در طراحی سطح عایقی خطوط هوایی و کابل های زمینی مورد توجه قرار گیرد اضافه ولتاژ ناشی از کلید زنی در کابل های KV63 , KV 20 قابل توجه می باشد و علت آن هم عدم خود ترمیمی کابل های زمینی می باشد اما این خود ترمیمی چه می باشد .
اگر به یک خط هوایی دقت گردد دیده می شود با آمده اضافه ولتاژ بر روی خط هوای اطراف خط یونیزه شده و برقگیر ها عمل کرده و این اضافه ولتاژ را DAMP می کنند و تا آمدن اضافه ولتاژ بعدی این هوای یونیزه شده جابجا می گردد و دیگر نمی تواند مشکل ساز گردد اما این موضوع در مورد کابل های زمینی متفاوت می باشد چون در آنها این اضافه ولتاژ ها نمی توانند damp گرداند و اگر کابل مورد اصابت نتواند این اضافه ولتاژ لحظه ای را تحمل نماید آن کابل را از دست خواهیم داد .
این موضوع در مورد کابل های زمینی که مابین دو قسمت خط هوایی قرار می گردد به شدت تاثیر گذار می باشد و این موضوع با توجه به تعداد خاموشی هایی که بعضی مواقع مواجه هستیم دارای اهمیت فوق العاده بالایی می باشد
اگر سیستم مورد تغذیه مانند شکل زیر باشد با اطلاعات موجود :
و کابل تغذیه زمینی بصورت 3 کابل تک فاز زمینی شبیه سازی شده باشد و کابل ها در عمق 50 سانتیمتری از زمین قرار گرفته باشد و فاصله فازها 10 سانتیمتر باشد و جنس عایق اصلی از نوع PVC بوده و عایق بیرونی از نوع XPELE می باشد و دارای SHEA از نوع مس باشد .
به منظور بررسی اضافه ولتاژ ناشی از برقدار کردن این خط 10 عمل کلید زنی انجام گرفته است در زمانهای مختلف و با توجه به یک برقگیر از نوع zno با مشخصه اسمی kv 21 و نتایج بررسی ناشی از این شبیه سازی در جدول زیر آمده است :
D
C
B
A
03/2
95/1
3/1
135/1
فاز a
28/2
15/2
43/1
12/1
فاز b
32/2
12/2
42/1
13/1
فاز c
و مشاهده می گردد اضافه ولتاژ در انتهای مسیر یعنی نقطه D از همه بیشتر می باشد زیرا با افزایش طول مسیر این اضافه ولتاژ نیز بیشتر می گردد پس باز هم اهمیت این موضوع بیش از پیش تایید می گردد چون در انتها این اضافه ولتاژ به بار می رسد .
در حالت دوم فرض شده است که SHEATH مسی کابل در ابتدا و انتهای مسیر زمین گذشته است و نتایج به صورت زیر بوده است :
D
C
B
A
22/3
21/2
79/1
09/1
فاز a
17/3
15/2
84/1
09/1
فاز b
32/2
3/2
82/1
12/1
فاز c
پس مشاهده می گردد با زمین کردن SHEATH کابل به شدت اثر قابل ملاحظه ای بر کاهش اضافه ولتاژ در انتهای مسیر دارد و علت آن هم بوجود آمدن مسیری برای عبور جریان سوییچینگ می باشد .
اضافه ولتاژهای موجی در شبکه فشار ضعیف و حفاظت مصرف کنندگان در برابر آن :
در بسیاری از موارد شاهد آسیب دیدن تجهیزات و دستگاههای حساس ناشی از اضافه ولتاژهای شبکه در هنگام رعد و برق می باشیم این امر نشان دهنده ی بوجود آمدن دامنه ولتاژ هایی فراتر از حد تحمل عایق دستگاه می باشیم .
الف ) اضافه ولتاژهای موقت با فرکانس این اضافه ولتاژها که می توانند از کسری از ثانیه تا مدت های طولانی را دارا باشند عللی از این قبیل دارند :
الف 1- خرابی عایق بین سیم پیچ های فشار ضعیف و قوی در اثر ایجاد یک خطا درون ترانس .
الف – 2 : پاره شدن هادی فشار متوسط و افتادن آن روی فشار ضعیف
الف – 3 : انتقال اضافه ولتاژ از طریق تزویج و القا بین اتصالات زمین ترانس و شبکه در موارد طراحی و اجرای ناصحیح یا خطای متقارن
الف – 4 : وصل فیوزهای کات اوت سمت فشار متوسط با فواصل زمانی طولانی در نتیجه یک یا دو فاز باقی ماندن شبکه .
الف – 5: اتصالی های نامتقارن
الف- 6 : بارهای شدیدا نامتقارن
الف – 7 : وقوع رزوناس و فرو رزونانس
الف – 8 : قطع ناگهانی بار
ب) اضافه ولتاژ های گذرا یا فرکانس های کیلو یا مگاهرتز : این اضافه ولتاژ ها که می توانند از کسری از ثانیه تا مدت های طولانی را دارا باشند عللی از این قبیل دارند :
ب- 1 : اصابت مستقیم صاعقه به خط که البته احتمال آن کم است .
ب- 2 : تخلیه جریان صاعقه به زمین در نزدیکی خط توزیع می تواند اضافه ولتاژهای بالایی را القا کند :
ب- 3 : انتقال اضافه ولتاژ از طرف فشار قوی به فشار ضعیف ترانس بصورت الکتروستاتیکی یا الکترو مغناطیسی
ب- 4 : کلید زنی نامناسب
راه افتادن این اضافه ولتاژ ها می تواند صدماتی را به تجهیزات وارد کند و برای جلوگیری از این صدمات عایق ها باید بتواند اضافه ولتاژی به اندازه ی (+100 2 را تحمل کنند پس بهتر است راهی برای حفاظت آن انجام دهیم .
یکی از مهمترین راههای انتقال اضافه ولتاژ از طریق ترانس ها می باشد که اضافه ولتاژ را از فشار قوی به فشار ضعیف انتقال می دهند .
این اضافه ولتاژ به دو صورت الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی می باشد :
مکانیزم انتقال الکترواستاتیکی موج ضربه :
هنگامی که یک موج ولتاژ ضربه مانند صاعقه ای که به خط می خورد به ترانس می رسد در اولین لحظه فقط خازنهای ذاتی سیم پیچ دخالت دارند و نقش توزیع و تقسیم ولتاژ را بر روی سیم پیچ فشار قوی باز می کنند .
سیم پیچ فشار ضعیف که به هسته زمین شده ی ترانس نزدیکتر است یک خازن کلی زمین شده ی c1 را تشکیل میدهد:
با توجه به مدار معادل شکل 1 مدار بصورت مقسم خازنی عمل کرده و
در این حالت دامنه اضافه ولتاژ منتقل شده به طرف ثانویه ربطی به نسبت تبدیل سیم پیچ های ترانس ندارد و تابع شکل ساختمانی سیم پیچ، جنس عایقی سیم پیچ و فواصل عایقی ترانس خواهد بود .
القا الکترو استاتیکی از سمت فشار قوی به فشار ضعیف دارای مدت زمان بسیار کوتاهی است زیرا بعد از مدت زمانی اجزای سیم پیچ یعنی سلف و مقاومت آن وارد کار شده و موج ولتاژ را damp می کنند اما به علت بزرگی دامنه آن می تواند تاثیر خود را داشته باشد . برای کاهش این القا می توان 2 کار انجام داد طریق اول آن است که c2 را بزرگتر انتخاب نماییم و روش دوم آنست که حفاظ زمین شده یعنی از earthed shield استفاده نماییم که هر دو روش کاربرد عملی دارد .
ب- مکانیزم الکترو مغناطیسی انتقال منبع ولتاژ ضربه به ثانویه :
مدار معمولی ترانس دارای 2 سلف سری و یک سلف موازی می باشد . سلف های سری بیانگر فوران مغناطیسی ناشی از فضای سیم پیچ ها را کانال عایقی ما بین آنها می باشد سلف موازی نشان دهنده ی فوران اصلی عبوری از هسته ترانس می باشد .
در اولین لحظه ی برخورد موج ضربه به ترانس توزیع ولتاژ تابع ظرفیت خازنی ترانس می باشد و موج ضربه به طور الکترومغناطیسی به ثانویه منتقل می گردد در این حالت فرکانس غالب حدود کیلو هرتز می باشد امپدانس موجی خط که C , L آن به ترتیب نشانگر اندوکتانس سری و خازن موازی خط می باشد طبق رابطه زیر تعریف می گردد :
با استفاده از مدار معادل ترانس دامنه ولتاژ ضربه منتقل شده به سمت فشار ضعیف به طریقه الکترو مغناطیسی پس از برخورد یک اضافه ولتاژ پله ای با دامنه V به سمت فشار قوی ترانس برابر خواهد بود با :
در تشریح این پدیده باید گفت بعد از مرحله اول که القا فقط بصورت خازنی فقط می باشد ایجاد جریان ر اثر موج صاعقه در سیم پیچ اولیه القا ولتاژ به ثانویه از طریق میدان مغناطیسی بیرون هسته آغاز و پیشانی موج ولتاژ ضربه ساخته می گردد پس از لحظاتی کوتاه میدان مغناطیسی در هسته نیز آغاز می گردد و با فعال شدن شاخه موازی مدار معادل پشت موج ولتاژ القا شده به ثانویه نیز ساخته می گردد و انتقال موج ضربه نیز به سرعت انجام می گردد و می تواند برای عایق های طرف ثانویه و تجهیزات طرف ثانویه خطر آفرین باشد دامنه ولتاژ القا شده به ثانویه تا 15 درصد دامنه اولیه نیز گزارش شده است تحمل عایقی سمت فشا قوی ترانس بسته به کلاس عایقی مربوطه در برابر ولتاژ های ضربه ای برابر با 95 یا 125 کیلو وات است .
در عمل به وجود آمدن اضافه ولتاژ هایی با دامنه حداکثر 90 کیلو ولت متحمل می باشد به همین علت نصب و راه اندازی برقگیرهای ZNO در طرف فشار ضعیف و برای مصرف کنندگان مورد بررسی گردیده است .
بررسی قرار دادن برقگیر در سمت فشار ضعیف :
در اینجا با بررسی یک موضوع عملی تاثیر قرار دادن برقگیر را در سمت ثانویه یک ترانس توزیع را مورد بررسی قرار می دهیم .
یک ولتاژ ضربه ای ناشی از صاعقه دامنه ولتاژی به اندازه 80 کیلو ولت به ترانس رسانیده است ترانس مزبور در سمت فشار ضعیف دارای برقگیر بوده است در سکل 5 موج ضربه ولتاژ القا شده به سمت ثانویه این ترانس در حالیکه دارای برقگیر می باشد را می توان مشاهده نمو همانگونه که در شکل ملاحظه می گردد دامنه این اضافه ولتاژ با توجه به نوع برقگیر انتخاب شده به کمتر از 300 ولت رسیده است که بهیچوجه برای ثانویه ترانی مضر نمی باشد.
لازم به ذکر است طراحی و انتخاب برقگیر های فشار ضعیف باید به طور خاص انجام گیرد برقگیرهای فشار ضعیف برخلاف فشار متوسط می بایستی TOV برای مدت طولانی و بدون ناپایداری حرارتی تحمل نماید .