حفاظت صاعقه در خط انتقال فوق‌العاده فشار قوی با برقگیر

حفاظت صاعقه در خط انتقال فقط به نصب چند تجهیز روی برج یا در پست خلاصه نمی‌شود؛ مسئله اصلی، مهار اضافه‌ولتاژ و اضافه‌جریان‌های بسیار سریع و پرانرژی است که می‌توانند در کسری از ثانیه به فلش‌اور، قطع خط و آسیب به تجهیزات منجر شوند. در خطوط فوق‌العاده فشار قوی، به‌کارگیری درست برقگیر اکسید فلزی (Metal-Oxide Surge Arrester یا MOV Arrester) یکی از مؤثرترین راه‌ها برای کاهش اثر صاعقه بر پایداری و قابلیت اطمینان شبکه است.

در این بخش، حفاظت خط انتقال در برابر صاعقه را با تمرکز بر رفتار برقگیرها، ماهیت موج‌های ناشی از صاعقه و اجزای یک مدل شبیه‌سازی برای ارزیابی عملکرد حفاظتی بررسی می‌کنیم. همچنین توضیح می‌دهیم که چرا صاعقه همچنان یکی از مهم‌ترین علل خطا در خطوط انتقال است و چه عواملی احتمال اصابت و شدت اثر آن را تعیین می‌کنند.

چرا صاعقه برای خط انتقال فوق‌العاده فشار قوی خطرناک است؟

صاعقه پدیده‌ای گذرا با دامنه جریان بسیار بالا و زمان جبهه بسیار کوتاه است. پیامد آن در شبکه قدرت معمولاً به‌صورت اضافه‌جریان و اضافه‌ولتاژ گذرا ظاهر می‌شود؛ یعنی وضعیتی که در آن، ولتاژ یا جریان برای مدت کوتاهی از محدوده قابل‌تحمل عایقی و حرارتی تجهیزات فراتر می‌رود.

وقتی صاعقه در نزدیکی خط انتقال یا روی آن رخ می‌دهد، میدان الکترومغناطیسی اطراف هادی‌ها با سرعت زیادی تغییر می‌کند و یک سرج القایی صاعقه (Induced Lightning Surge) به‌وجود می‌آورد. اگر اصابت مستقیم باشد، شدت پدیده به‌مراتب بیشتر می‌شود و انرژی قابل‌توجهی به سازه، زنجیره مقره، سیم گارد، هادی و تجهیزات انتهایی تحمیل می‌شود.

در عمل، صاعقه با جریان‌های بالا یکی از دلایل اصلی بروز خطا در خطوط انتقال است. این خطاها ممکن است به‌صورت قطع لحظه‌ای، تریپ ناخواسته، فلش‌اور روی مقره‌ها و در موارد شدیدتر، آسیب به برقگیر یا دیگر اجزای عایقی ظاهر شوند.

اضافه‌ولتاژ ناشی از صاعقه دقیقاً چگونه ایجاد می‌شود؟

در شبکه قدرت، اضافه‌ولتاژها را معمولاً در دو گروه اصلی بررسی می‌کنند: اضافه‌ولتاژهای ناشی از صاعقه و اضافه‌ولتاژهای کلیدزنی (Switching Overvoltage). متن منبع به‌شکلی نامنظم به دو نوع اضافه‌ولتاژ اشاره کرده بود؛ اما از نظر فنی، همین دسته‌بندی دوگانه، هم صحیح است و هم متداول.

صاعقه می‌تواند به‌طور مستقیم به برج، سیم گارد، هادی فاز یا نقاط مرتفع اطراف خط برخورد کند. در هر یک از این حالت‌ها، موجی با شیب بسیار تند در شبکه منتشر می‌شود. این موج هنگام عبور از نقاط ناپیوستگی امپدانس، مقره‌ها، برج‌ها و تجهیزات حفاظتی، دچار بازتاب و عبور می‌شود و می‌تواند تنش عایقی شدیدی ایجاد کند.

اگر صاعقه به بلندترین نقطه برج انتقال برخورد کند، جریان صاعقه از بالای برج به سمت پایین و در نهایت به زمین تخلیه می‌شود. در این وضعیت، پتانسیل برج نسبت به زمین به‌شدت بالا می‌رود. این افزایش پتانسیل ممکن است در سمت عایقی برج باعث برگشت جرقه یا بک‌فلش‌اور (Back Flashover) از روی مقره یا شاخک جرقه شود. همین پدیده یکی از مسیرهای اصلی ایجاد خطای صاعقه در خطوط هوایی است.

بک‌فلش‌اور چیست و چرا در طراحی حفاظت اهمیت دارد؟

بک‌فلش‌اور زمانی رخ می‌دهد که اصابت صاعقه به برج یا سیم گارد، ولتاژ برج را آن‌قدر بالا ببرد که اختلاف پتانسیل بین سازه فلزی و هادی فاز از استقامت عایقی مسیر عبور کند. در نتیجه، قوس الکتریکی از سمت برج به سوی هادی فاز برقرار می‌شود.

این پدیده فقط به شدت جریان صاعقه وابسته نیست. مقاومت سیستم زمین برج، شکل موج جریان، شیب جبهه موج، مشخصات مقره، ارتفاع برج و موقعیت اصابت، همگی در آن نقش دارند. به همین دلیل، در مطالعات دقیق صرفاً دانستن مقدار پیک جریان کافی نیست و باید برای کل سیستم، مدل گذرای الکتریکی مناسبی تهیه شود.

به زبان ساده، اگر برج نتواند جریان صاعقه را با سرعت بالا و از مسیری کم‌امپدانس به زمین منتقل کند، پتانسیل آن افزایش می‌یابد و احتمال شکست عایقی بیشتر می‌شود. اینجاست که برقگیر، سیم گارد و سیستم زمین باید به‌صورت هماهنگ عمل کنند.

نقش برقگیر در حفاظت صاعقه خط انتقال

برقگیر (Surge Arrester) تجهیزی است که در شرایط عادی تقریباً جریانی از خود عبور نمی‌دهد، اما به‌محض آنکه ولتاژ از حد مشخصی فراتر رود، هادی می‌شود و اضافه‌انرژی را به زمین یا مسیری ایمن هدایت می‌کند. هدف این است که ولتاژ دو سر تجهیز یا عایق از سطح تحمل آن بالاتر نرود.

در شبکه‌های توزیع و انتقال، استفاده از برقگیر برای کاهش یا حذف فلش‌اورهای ناشی از صاعقه و نیز محدود کردن اضافه‌ولتاژهای کلیدزنی، یکی از پایه‌های اصلی حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ است. در خطوط طولانی یا در مناطق با چگالی بالای صاعقه، این موضوع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

انواع قدیمی‌تر برقگیرها شامل مدل‌های لوله‌ای یا حفاظتی قدیمی بودند، اما با ظهور برقگیر اکسید فلزی، به‌ویژه برقگیرهای بدون فاصله هوایی مبتنی بر وریستور اکسید روی، توان جذب انرژی، سرعت پاسخ و عملکرد حفاظتی به‌طور محسوسی بهتر شد. به همین دلیل، در طراحی مدرن حفاظت خطوط و پست‌ها، برقگیر MOV معمولاً انتخاب اصلی است.

البته این به معنای مصونیت کامل نیست. اگر انرژی ضربه بسیار زیاد باشد یا انتخاب برقگیر از نظر سطح ولتاژ، ظرفیت انرژی و محل نصب به‌درستی انجام نشده باشد، خود برقگیر نیز ممکن است تحت تنش شدید قرار بگیرد یا از محدوده طراحی خارج شود. این نکته در خطوط فوق‌العاده فشار قوی بسیار جدی است، زیرا سطح انرژی گذرا در آن‌ها بالاست و فاصله‌ها نیز زیاد است.

چرا برقگیر اکسید فلزی (MOV) در خطوط انتقال کاربرد زیادی دارد؟

مبنای عملکرد برقگیر MOV، عنصر وریستور اکسید فلزی (Metal-Oxide Varistor) است. مقاومت این عنصر با افزایش ولتاژ به‌شدت کاهش می‌یابد؛ یعنی در ولتاژ عادی تقریباً عایق است و هنگام وقوع سرج، ناگهان مسیر هدایت را باز می‌کند. این رفتار غیرخطی باعث می‌شود ولتاژ باقیمانده روی تجهیز در سطحی قابل‌کنترل نگه داشته شود.

مزیت اصلی برقگیر MOV نسبت به فناوری‌های قدیمی، قابلیت جذب انرژی بالاتر و پاسخ بسیار سریع به پدیده‌های گذرا است. به همین دلیل، برای مهار اثر صاعقه و اضافه‌ولتاژهای کلیدزنی، گزینه‌ای مناسب به‌شمار می‌آید.

در کاربردهای خط انتقال، معمولاً هدف از به‌کارگیری برقگیر یکی از این موارد است: کاهش نرخ خاموشی ناشی از صاعقه، محدود کردن ولتاژ روی عایق‌ها، حفاظت از نقاط خاص با ریسک بالا، یا بهبود عملکرد خط در نواحی با صاعقه‌خیزی شدید. در برخی پروژه‌ها برقگیر به‌صورت موضعی روی برج‌های بحرانی نصب می‌شود و در برخی دیگر، راهبرد گسترده‌تری در نظر گرفته می‌شود.

چه عواملی احتمال و شدت اثر صاعقه بر خط انتقال را تعیین می‌کنند؟

اثر صاعقه بر خط انتقال به یک عامل محدود نمی‌شود. چند پارامتر اصلی در این زمینه تعیین‌کننده‌اند:

• میزان فعالیت صاعقه در منطقه: هرچه تعداد برخوردهای سالانه در واحد سطح بیشتر باشد، ریسک خط نیز بیشتر است.
• مسیر عبور خط: خطوطی که از مناطق مرتفع، باز یا صاعقه‌خیز عبور می‌کنند، بیشتر در معرض اصابت هستند.
• ابعاد و ارتفاع واقعی خط و برج‌ها: سازه‌های بلندتر احتمال جذب صاعقه بیشتری دارند.
• تراز عمومی مسیر: اختلاف ارتفاع زمین و توپوگرافی منطقه بر میدان الکتریکی و احتمال اصابت اثر می‌گذارد.
• وجود اجسام محافظ طبیعی یا مصنوعی: ساختمان‌ها، درختان بلند یا خطوط دیگر در مجاورت می‌توانند تا حدی نقش حفاظ ایفا کنند یا الگوی اصابت را تغییر دهند.

در تحلیل مهندسی، شدت فعالیت صاعقه در یک منطقه معمولاً با تعداد برخوردهای سالانه به سطح زمین در واحد مساحت بیان می‌شود. منبع به «تعداد صاعقه در هر مایل مربع در سال» اشاره کرده بود؛ در ادبیات فنی امروز، بسته به استاندارد و داده‌های هواشناسی، ممکن است از چگالی برخورد به زمین در کیلومتر مربع در سال نیز استفاده شود.

خط هوایی فقط یک مسیر انتقال انرژی نیست؛ از دید صاعقه، جسمی کشیده و مرتفع است که می‌تواند صاعقه را جذب کند. به همین دلیل، تعداد اصابت‌های واقعی به خط الزاماً با تعداد برخوردها به زمین در همان سطح هندسی برابر نیست. عرض مؤثر جمع‌آوری صاعقه برای خط معمولاً از عرض فیزیکی خود خط بیشتر است.

برآورد تعداد برخورد صاعقه به خط چگونه انجام می‌شود؟

برای تخمین تعداد اصابت‌های مورد انتظار به یک خط انتقال، باید چند داده را با هم ترکیب کرد: عرض مؤثر یا محدوده جذب صاعقه توسط خط، ارتفاع متوسط یا مشخصات هندسی مسیر، شدت صاعقه در منطقه و طول خط. نتیجه این محاسبات معمولاً به‌صورت تعداد برخورد در هر واحد طول خط، مثلاً در هر مایل یا هر کیلومتر در سال، بیان می‌شود.

این برآورد ماهیتی آماری دارد. یعنی عدد به‌دست‌آمده، یک مقدار قطعی برای هر سال نیست، بلکه نماینده رفتار متوسط و توزیع آماری اصابت‌ها در طول زمان است. به همین دلیل، تعداد واقعی برخوردها ممکن است از سالی به سال دیگر تغییر کند.

این تغییرات سالانه فقط به آب‌وهوا مربوط نمی‌شود. اختلاف ارتفاع زمین، نوع عوارض اطراف مسیر، نزدیکی به ساختمان‌ها یا سازه‌هایی که بخشی از مسیر را در برابر صاعقه محافظت می‌کنند، و حتی هم‌جواری با خطوط دیگر، همگی می‌توانند بر نرخ برخورد مؤثر اثر بگذارند.

یکی از اشتباه‌های رایج این است که طراح فقط به داده منطقه‌ای صاعقه توجه کند و هندسه واقعی خط را نادیده بگیرد. در حالی‌که برای خطوط فوق‌العاده فشار قوی، ارتفاع برج، فاصله فازها، وجود سیم گارد و کیفیت سیستم زمین هر برج، نتیجه نهایی را به‌طور جدی تغییر می‌دهد.

چرا برای مطالعه صاعقه باید مدل‌سازی دقیق انجام داد؟

رفتار صاعقه کاملاً گذرا و بسیار سریع است. اگر مدل الکتریکی بیش از حد ساده‌سازی شود، ولتاژهای واقعی روی برقگیر، هادی یا بار انتهایی به‌درستی دیده نخواهد شد. منبع تأکید می‌کند که به‌دلیل تغییرات شدید ناشی از گذراهای صاعقه، انتخاب مدل مناسب برای بازنمایی عناصر سیستم ضروری است؛ این نکته از نظر فنی کاملاً درست است.

در یک شبیه‌سازی معتبر، باید هم منبع صاعقه و هم اجزای شبکه به‌درستی مدل شوند. نوع شکل موج جریان، محل تزریق، امپدانس مسیر، رفتار غیرخطی برقگیر، مدل خط انتقال و بار متصل‌شده، همگی بر نتیجه اثر می‌گذارند.

در مطالعه‌ای که این مقاله بر پایه آن نوشته شده، چند نوع منبع جریان شامل جریان متناوب، جریان مستقیم و منبع جریان ضربه‌ای برای نمایش جریان صاعقه شبیه‌سازی شده‌اند و اثر هرکدام بر دو برقگیر MOV با نام‌های MOV1 و MOV2 و نیز بر بار بررسی شده است. شکل موج ولتاژ و جریان در دو سر MOV1، MOV2 و بار رسم و مقایسه شده تا تفاوت رفتار حالت‌های مختلف روشن شود.

از نگاه مهندسی، نمایش صاعقه با منبع ضربه‌ای به واقعیت نزدیک‌تر است، اما مقایسه با منابع AC و DC هم می‌تواند برای درک حساسیت سیستم و پاسخ برقگیر به انواع تنش‌های جریان مفید باشد. این نوع مقایسه به‌ویژه در محیط‌های شبیه‌سازی آموزشی و تحقیقاتی کاربرد دارد.

اجزای مدل شبیه‌سازی حفاظت صاعقه خط انتقال

بر اساس داده‌های مرجع شبکه انتقال و توزیع، پارامترهای واقعی خط در قالب یک جدول ورودی تعریف شده‌اند. هرچند مقادیر جدول در این بخش از منبع ارائه نشده، ساختار مدل و اجزای آن مشخص است و مبنای تحلیل قرار می‌گیرد.

مدل خطا و حفاظت استفاده‌شده برای بررسی عملکرد خط انتقال شامل اجزای زیر است:

• منبع تک‌فاز برای تغذیه مدار معادل
• امپدانس برای نمایش ویژگی‌های الکتریکی مسیر یا منبع
• برقگیر اول با برچسب MOV1
• خط انتقال (Transmission Line)
• منبع جریان AC که در مدل به‌عنوان نماینده منبع صاعقه به‌کار رفته است
• برقگیر دوم با برچسب MOV2
• کلید قدرت یا بریکر
• بار RLC موازی برای نمایش رفتار مصرف‌کننده یا انتهای شبکه
• بلوک‌های اندازه‌گیری برای ثبت ولتاژ و جریان
• اسکوپ‌ها برای مشاهده شکل موج‌ها
• برقگیر مدرن به‌عنوان فناوری حفاظتی مورد استفاده

این چیدمان نشان می‌دهد که هدف فقط مشاهده یک نقطه از شبکه نبوده است؛ بلکه رفتار موج در طول مسیر و تأثیر حضور برقگیرها در دو نقطه متفاوت نیز بررسی شده است. وجود دو MOV در مدل، امکان مقایسه توزیع تنش، جذب انرژی و تغییر شکل موج در بخش‌های مختلف مدار را فراهم می‌کند.

چرا در مدل از MOV1 و MOV2 استفاده می‌شود؟

استفاده از دو برقگیر در یک مدل خط انتقال، از نظر تحلیلی ارزش زیادی دارد. برقگیر اول می‌تواند نزدیک نقطه ورود موج یا سمت منبع قرار بگیرد و برقگیر دوم در سمت دیگر خط یا نزدیک بار نصب شود. در این حالت می‌توان دید چه بخشی از موج توسط برقگیر اول محدود می‌شود و چه میزان از تنش هنوز به انتهای خط می‌رسد.

این موضوع در خطوط طولانی اهمیت زیادی دارد، زیرا امواج گذرا هنگام حرکت روی خط دچار انعکاس، عبور و تغییر شکل می‌شوند. ممکن است ولتاژ در یک نقطه میانی یا در انتهای خط، بیشتر از آن چیزی باشد که در نگاه اول انتظار می‌رود. بنابراین، نصب برقگیر فقط در یک انتها همیشه کافی نیست و محل نصب باید بر اساس مطالعه گذرا تعیین شود.

علاوه بر این، ثبت هم‌زمان ولتاژ و جریان روی MOV1، MOV2 و بار به مهندس اجازه می‌دهد انرژی تقریبی جذب‌شده، سطح ولتاژ باقیمانده و میزان حفاظت واقعی بار را ارزیابی کند. این داده‌ها مبنای انتخاب ظرفیت مناسب برقگیر در طراحی اجرایی هستند.

بار RLC موازی در این نوع شبیه‌سازی چه نقشی دارد؟

بار RLC موازی نماینده‌ای ساده اما مفید از رفتار ترکیبی شبکه یا تجهیز متصل‌شده در انتهای خط است. مقاومت، سلف و خازن هرکدام به بخشی از رفتار دینامیکی مدار در برابر موج گذرا پاسخ می‌دهند. اگر فقط یک بار مقاومتی ساده مدل شود، بخشی از پاسخ فرکانسی واقعی‌تر شبکه از دست می‌رود.

برای مثال، حضور خازن می‌تواند بر دامنه و شیب ولتاژ گذرا اثر بگذارد و سلف نیز بر نحوه عبور جریان ضربه‌ای مؤثر است. بنابراین، استفاده از بار RLC در شبیه‌سازی باعث می‌شود موج‌های ثبت‌شده در بار به شرایط عملی نزدیک‌تر باشند.

منبع جریان صاعقه در شبیه‌سازی چه ویژگی‌هایی باید داشته باشد؟

هرچند در این مطالعه از منابع AC، DC و ضربه‌ای برای مقایسه استفاده شده، در مدل‌سازی مهندسی صاعقه، منبع جریان معمولاً باید بتواند پیشانی تند و دم افتان موج را بازسازی کند. شکل موج‌های استانداردی مانند ۸/۲۰ میکروثانیه یا ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه در بسیاری از کاربردهای حفاظتی شناخته‌شده‌اند، هرچند انتخاب دقیق شکل موج به نوع مطالعه، سطح ولتاژ و استاندارد مورد استناد بستگی دارد.

نکته مهم این است که صاعقه را نباید با یک منبع DC ثابت هم‌ارز در نظر گرفت. منبع DC فقط برای مقایسه تحلیلی یا بررسی پاسخ غیرخطی برخی اجزا کاربرد دارد. در ارزیابی واقعی عملکرد برقگیر خط انتقال، شکل موج ضربه‌ای معمولاً نماینده مناسب‌تری است.

حفاظت صاعقه خط انتقال فقط به برقگیر محدود نمی‌شود

با وجود نقش کلیدی برقگیر، حفاظت مؤثر در برابر صاعقه یک راهکار چندجزئی است. سیم گارد یا شیلد وایر، طراحی درست سیستم زمین برج، انتخاب مناسب فاصله‌های عایقی، هماهنگی عایقی (Insulation Coordination) و محل نصب بهینه برقگیرها، همگی باید در کنار هم دیده شوند.

اگر مقاومت زمین برج زیاد باشد، حتی بهترین برقگیر هم ممکن است نتواند تمام تنش را کنترل کند، چون مرجع زمین محلی خود دچار افزایش پتانسیل می‌شود. به همین ترتیب، اگر برقگیر از نقطه بحرانی فاصله داشته باشد، به‌دلیل اندوکتانس اتصالات و زمان انتشار موج، ولتاژ واقعی روی تجهیز آسیب‌پذیر ممکن است همچنان بالا بماند.

قاعده عملی این است که در طراحی حفاظت صاعقه، همیشه باید مکان نصب، طول هادی اتصال، کیفیت اتصال زمین و سطح حفاظتی برقگیر با هم بررسی شوند. تمرکز صرف بر نام یا کلاس برقگیر، بدون توجه به شرایط نصب، از خطاهای رایج پروژه‌ها است.

نکات اجرایی و مهندسی برای انتخاب برقگیر در خطوط فوق‌العاده فشار قوی

در انتخاب برقگیر برای خط انتقال، فقط ولتاژ نامی شبکه ملاک نیست. باید به ولتاژ کار دائم، سطح حفاظتی یا ولتاژ باقیمانده، ظرفیت جذب انرژی، جریان تخلیه نامی، تحمل در برابر اضافه‌ولتاژ موقت، شرایط آلودگی محیطی و ارتفاع از سطح دریا نیز توجه شود.

برای خطوط فوق‌العاده فشار قوی، ارزیابی هماهنگی عایقی معمولاً بدون مطالعه گذرای دقیق کامل نیست. زیرا در این سطوح ولتاژی، اضافه‌ولتاژهای کلیدزنی نیز می‌توانند مهم باشند و برقگیر باید در برابر هر دو دسته تنش، یعنی صاعقه و کلیدزنی، عملکرد مناسبی داشته باشد.

در مناطق گرم، مرطوب، آلوده یا دارای گردوغبار، انتخاب بدنه و فاصله خزشی مناسب برقگیر نیز اهمیت پیدا می‌کند. در ایران، این موضوع برای نواحی ساحلی، صنعتی و بیابانی باید جدی گرفته شود، هرچند انتخاب نهایی همیشه به شرایط واقعی سایت وابسته است.

خروجی‌هایی که باید در این نوع مطالعه بررسی شوند

وقتی عملکرد حفاظت صاعقه خط انتقال با برقگیر بررسی می‌شود، چند خروجی کلیدی باید ثبت و تحلیل شوند:

• شکل موج ولتاژ دو سر برقگیرها برای سنجش سطح محدودسازی
• شکل موج جریان عبوری از برقگیرها برای برآورد شدت تخلیه و تنش الکتروحرارتی
• ولتاژ و جریان بار برای ارزیابی میزان حفاظت تجهیز یا شبکه انتهایی
• مقایسه سناریوهای مختلف منبع جریان برای تشخیص حساسیت مدل
• مقایسه حضور و عدم حضور برقگیر برای تعیین اثربخشی واقعی حفاظت

در مطالعه مبنا، دقیقاً بر رسم شکل موج‌های ولتاژ و جریان در MOV1، MOV2 و بار تأکید شده است. این نوع داده‌ها بیش از هر جدول توصیفی نشان می‌دهند که برقگیر در چه لحظه‌ای وارد هدایت شده و تا چه حد اضافه‌ولتاژ را مهار کرده است.

خطاهای رایج در تحلیل حفاظت صاعقه خطوط انتقال

چند اشتباه در پروژه‌ها و شبیه‌سازی‌ها بارها تکرار می‌شود:

• فرض کردن یک شکل موج ساده و غیرواقعی برای صاعقه
• نادیده گرفتن رفتار غیرخطی برقگیر MOV
• بی‌توجهی به اثر سیستم زمین برج و امپدانس مسیر تخلیه
• قضاوت بر اساس پیک ولتاژ بدون بررسی انرژی و مدت تنش
• نصب برقگیر در محل نامناسب یا با اتصالات طولانی
• یکسان فرض کردن اثر صاعقه در همه برج‌ها و همه نقاط خط

هر یک از این خطاها می‌تواند باعث شود طرح روی کاغذ مناسب به‌نظر برسد، اما در میدان عملکرد مورد انتظار را نداشته باشد. به همین دلیل، مهندس طراح باید نتایج شبیه‌سازی را با منطق فیزیکی شبکه و تجربه بهره‌برداری تطبیق دهد.

آنچه از این بخش باید به خاطر سپرد

در خطوط انتقال فوق‌العاده فشار قوی، صاعقه یکی از مهم‌ترین منابع خطا و اضافه‌ولتاژ است. اصابت به برج می‌تواند جریان زیادی را به سمت زمین هدایت کند و با افزایش شدید پتانسیل برج، بک‌فلش‌اور روی مقره‌ها را رقم بزند.

برای محدود کردن این تنش‌ها، برقگیر اکسید فلزی به‌عنوان یک راهکار مدرن و پرکاربرد به‌کار می‌رود. در مطالعه شبیه‌سازی، مقایسه منابع جریان AC، DC و ضربه‌ای و ثبت شکل موج ولتاژ و جریان روی MOV1، MOV2 و بار، پایه تحلیل عملکرد حفاظتی را تشکیل می‌دهد. همچنین مدل شامل منبع تک‌فاز، امپدانس، خط انتقال، منبع جریان، دو برقگیر، بریکر، بار RLC موازی، تجهیزات اندازه‌گیری و اسکوپ است؛ یعنی مجموعه‌ای که برای درک رفتار گذرای سیستم در برابر صاعقه به آن نیاز است.

برقگیر اکسید فلزی با محدود کردن اضافه‌ولتاژ عمل می‌کند؛ به این معنا که یا مسیر تخلیه را قطع می‌کند، یا سطح ولتاژ را تا مقداری پایین‌تر از ولتاژ جرقه‌زنی کاهش می‌دهد تا مسیر ناخواسته از مدار خارج شود. در حفاظت صاعقه خطوط انتقال، برقگیرها یا تقسیم‌کننده‌های موج روی خط انتقال، در میانه مقطع و نیز نسبت به زمین به‌کار گرفته می‌شوند تا اثر صاعقه کنترل و نرخ خرابی کاهش یابد.

برای این کاربرد، گونه‌های مختلفی از برقگیر در دسترس است؛ از جمله انواع اکسید فلزی با فاصله هوایی و بدون فاصله هوایی. با وجود تفاوت‌های ساختاری، منطق عملکرد همه آن‌ها مشابه است: در ولتاژ نامی و شرایط عادی بهره‌برداری، امپدانس بالایی دارند و عملاً مزاحم کار خط نمی‌شوند؛ اما هنگام اضافه‌ولتاژ و وقوع موج ضربه، امپدانس آن‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد تا انرژی اضافه‌ولتاژ تخلیه شود. با اینکه انواع متعددی از برقگیرهای صاعقه توسعه یافته‌اند، برقگیرهای مبتنی بر مقاومت کاربید سیلیسیم همچنان در برخی کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در اثر صاعقه با جریان ۱۰ کیلوآمپر، در برقگیرهای MOV1 و MOV2 افزایش لحظه‌ای جریان رخ می‌دهد؛ همچنین در هر دو برقگیر، افزایش موقت ولتاژ نیز مشاهده می‌شود. پس از ۰.۰۳ ثانیه، رفتار برقگیر به حالت ماندگار می‌رسد. در همین بازه زمانی، جریان بار کاهش می‌یابد و هم‌زمان با وقوع صاعقه، ولتاژ بار افزایش پیدا می‌کند.

از میان انواع متعدد برقگیر، دو نوعی که در این بخش مطرح شده‌اند عبارت‌اند از برقگیر اکسید فلزی و برقگیر آویزی، همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است. در این پژوهش، برای شبیه‌سازی از نوع اکسید فلزی استفاده شده است.

شکل ۱. برقگیرهای صاعقه: برقگیر اکسید فلزی و برقگیر آویزی

ساختار برقگیر اکسید فلزی

بخش ستونی برقگیر اکسید فلزی که روی سازه نگهدارنده نصب می‌شود، قسمت فعال اصلی دستگاه را در خود جای می‌دهد. این ستون از تعدادی مقاومت اکسید فلزی تشکیل شده است که به‌صورت پشته‌ای روی یکدیگر قرار گرفته‌اند. فاصله و آرایش این اجزا، به‌طور مستقیم ظرفیت جذب انرژی و توانایی عبور جریان ضربه را تعیین می‌کند. در سامانه‌های توزیع، ابعاد پیرامونی حدود ۳۰ میلی‌متر رایج است، در حالی که در سطوح ولتاژ بالا و فوق‌العاده فشار قوی این مقدار می‌تواند به ۱۰۰ میلی‌متر یا بیشتر برسد. ارتفاع هر مقاومت اکسید فلزی نیز معمولاً در بازه ۲۰ تا ۴۵ میلی‌متر قرار دارد.

اجزا

برقگیر اکسید فلزی از اجزای زیر تشکیل می‌شود:

• کلمپ زینی
• مفصل انعطاف‌پذیر
• شنت
• بدنه برقگیر
• جداکننده
• هادی اتصال زمین

اصل عملکرد

در حالت عادی، جریان عبوری از برقگیر در ناحیه کاری سیستم بسیار ناچیز است. از آنجا که ولتاژ در فرکانس قدرت برای آن کوچک محسوب می‌شود، برقگیر در عمل رفتاری شبیه یک عایق از خود نشان می‌دهد. اما وقتی جریان‌های ضربه‌ای در محدوده کیلوآمپر به برقگیر اعمال شوند، مانند زمانی که صاعقه یا اضافه‌ولتاژهای ناشی از کلیدزنی رخ می‌دهد، ولتاژ دو سر آن در سطحی به اندازه کافی پایین نگه داشته می‌شود تا عایق‌بندی تجهیز متصل‌شده از آثار اضافه‌ولتاژ محفوظ بماند.

در همین زمان، جریان نشتی از برقگیر عبور می‌کند که این جریان شامل یک مؤلفه خازنی بزرگ و یک مؤلفه مقاومتی بسیار کوچک‌تر است. هدف این نوع برقگیر آن است که سیستم بتواند ولتاژ نامی خود را تحمل کند، اضافه‌ولتاژ عبوری را با کمترین تأخیر به سطحی ایمن محدود سازد، مؤلفه‌های مزاحم را مستهلک یا فیلتر کند و پس از حذف ولتاژ گذرا، هرچه سریع‌تر به وضعیت عادی بهره‌برداری بازگردد.

مکانیزم وقوع صاعقه

فرآیند صاعقه زمانی آغاز می‌شود که بارهای الکتریکی درون ابرها تجمع پیدا کنند و سپس این بارها به ابرهای مجاور یا به زمین تخلیه شوند. از دید بنیادی، صاعقه همان تخلیه الکتریکی بارها به‌صورت جرقه‌ها یا درخش‌های ناشی از ابرهای دارای بار مثبت و منفی است. مطابق شکل ۲، درون ابر معمولاً بخش پایین‌تر ابر در دمای حدود ۵- درجه سانتی‌گراد دارای بار منفی است، در حالی که بار مثبت در بخش بالایی ابر و در دمای کمتر از ۲۰- درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد.

شکل ۲. پدیده صاعقه

در ناحیه زیر ابر نیز امکان شکل‌گیری بارهای مثبت روی سطح زمین وجود دارد. در بسیاری از ابرهای تندری، یک ناحیه با بار مثبت محدود نزدیک به پایین ابر و در حوالی دمای ۰ درجه سانتی‌گراد دیده می‌شود. هنگام وقوع صاعقه، بارهایی در محدوده کیلوکولن و در فواصل حدود ۵۰ کیلومتر درگیر می‌شوند، در حالی که میانگین جریان تخلیه‌شده توسط صاعقه در محدوده کیلوآمپر قرار دارد. اثر صاعقه در اصل ناشی از عبور یک جریان بسیار متراکم و پرقدرت است که ابتدا در جو ظاهر می‌شود و سپس اثر آن در محیط‌های جامد یا در زمین مشاهده می‌شود.

پارامترهای صاعقه

برای طراحی تجهیزات حفاظت صاعقه خط انتقال و کاهش اضافه‌ولتاژ روی خط، پارامترهای صاعقه نقش مرجع اصلی را دارند. مهم‌ترین این پارامترها عبارت‌اند از:

• مقدار پیک جریان، هم برای صاعقه نخستین و هم برای ضربات بعدی
• شکل موج جریان صاعقه

اندازه بار ضربه و بزرگی جریان برگشتی از ویژگی‌های کلیدی برای بررسی شدت نهایی اثر صاعقه بر سرِ سیستم خط انتقال به‌شمار می‌آیند.

انواع اصابت صاعقه

صاعقه در این بحث به‌طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:

• صاعقه مستقیم
• صاعقه غیرمستقیم

صاعقه مستقیم

اگر صاعقه مستقیماً روی خط انتقال فرود آید، می‌تواند رویدادی ایجاد کند که عملکرد سیستم قدرت را مختل سازد؛ مهم‌ترین نمونه آن اضافه‌ولتاژ است. اضافه‌ولتاژ ناشی از صاعقه به‌عنوان علت اصلی جرقه‌زنی عایقی خط شناخته می‌شود و می‌توان آن را به سه دسته مشخص تقسیم کرد:

• بازفلاش‌اور
• خرابی حفاظتی
• اضافه‌ولتاژ القایی

صاعقه غیرمستقیم

اضافه‌ولتاژ القایی زمانی رخ می‌دهد که یک تخلیه صاعقه از ابر به زمین، میدان الکترومغناطیسی گذرایی در محیط ایجاد کند و در نتیجه، ولتاژ موجی قابل توجهی روی خطوط هوایی مجاور به‌وجود آید. این نوع اضافه‌ولتاژ یکی از عوامل مهم خطاهای رایج در خطوط هوایی شبکه‌های توزیع است. با این حال، اثر ولتاژهای القاشده بر خطوط انتقال فشارقوی معمولاً در مقایسه با شبکه‌های توزیع کم‌اهمیت‌تر است.

ولتاژ القاشده روی خط انتقال که در اثر یک صاعقه غیرمستقیم به‌وجود می‌آید، معمولاً شامل چهار مؤلفه اصلی است. توجه به این اجزا برای تحلیل دقیق پاسخ گذرای خط و انتخاب سطح مناسب حفاظت، اهمیت زیادی دارد.

مدل پیشنهادی

مدل بررسی‌شده شامل یک سیستم انتقال ۷۳۵ کیلوولت است که دو برقگیر خط انتقال در ابتدا و انتهای خط، یعنی در سمت ارسال و سمت دریافت، نصب شده‌اند. این خط به طول ۱۶.۰۹۳ کیلومتر یک بار ۸ مگاواتی را تغذیه می‌کند، همان‌گونه که در شکل ۳ آمده است. روی این سیستم، موج صاعقه با مقادیر جریان ۱۰، ۲۰ و ۳۰ کیلوآمپر اعمال شده و نتایج شبیه‌سازی در محیط نرم‌افزار MATLAB به‌دست آمده است.

شکل ۳. مدل پیشنهادی

الگوی فلوچارت الگوریتم

فرآیند مدل‌سازی و شبیه‌سازی برقگیر اکسید فلزی در خط انتقال ۷۳۵ کیلوولت

برای آن‌که همه ابعاد این پژوهش به‌طور کامل پوشش داده شود، فرآیند توسعه مدل شبیه‌سازی برقگیر اکسید فلزی روی خط انتقال ۷۳۵ کیلوولت با استفاده از حل‌گر ode23t و روش mod/Trapezoidal انجام شده است. این انتخاب برای بررسی رفتار گذرا و غیرخطی برقگیر مناسب ارزیابی می‌شود، زیرا می‌تواند پاسخ سریع سیستم در برابر اضافه‌ولتاژ ناشی از صاعقه را با دقتی قابل قبول دنبال کند. روند کلی مدل‌سازی سیستم و مراحل اجرای آن نیز به‌صورت نمودار جریان در شکل ۴ نشان داده شده است.

شکل ۴. فلوچارت مدل‌سازی برقگیر اکسید فلزی در خط انتقال

نتایج و بحث

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که پیش از وقوع خطا، با اعمال مقادیر مختلف جریان صاعقه، در برقگیرهای MOV1 و MOV2 افزایش موقتی در جریان رخ می‌دهد؛ نکته‌ای که در شکل‌های ۹ و ۱۰ نیز به آن اشاره شده است. هم‌زمان، ولتاژ دو برقگیر هم به‌صورت گذرا افزایش پیدا می‌کند. پس از وقوع خطا در زمان ۰.۰۳ ثانیه، رفتار هر دو برقگیر به وضعیت ماندگار نزدیک می‌شود؛ با این حال، در سمت بار ولتاژ نسبت به قبل افزایش می‌یابد و در مقابل، جریان بار کاهش پیدا می‌کند.

منبع جریان AC به‌عنوان منبع صاعقه در اضافه‌جریان ۱۰ کیلوآمپر

در حالت اعمال surge AC با دامنه 10kA، شکل‌های ۵ و ۶ رابطه ولتاژ و جریان را بر حسب زمان برای دو برقگیر MOV1 و MOV2 نشان می‌دهند.

شکل ۵. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در MOV1

شکل ۶. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در MOV2

همچنین شکل ۷ همین رابطه را در بار نمایش می‌دهد.

شکل ۷. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در بار

شکل ۸. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در MOV1

شکل ۹. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در MOV2

منبع جریان DC به‌عنوان منبع صاعقه در اضافه‌جریان ۱۰ کیلوآمپر

در حالت surge DC با شدت 10kA، شکل‌های ۸ و ۹ رابطه ولتاژ و جریان را بر حسب زمان برای MOV1 و MOV2 نشان می‌دهند. همچنین شکل ۱۰ همین رابطه را در سمت بار ارائه می‌کند.

منبع پالس به‌عنوان منبع صاعقه در اضافه‌جریان ۱۰ کیلوآمپر

در حالت pulse surge با دامنه 10kA، شکل‌های ۱۱ تا ۱۳ رابطه ولتاژ و جریان را بر حسب زمان برای MOV1، MOV2 و بار نشان می‌دهند. به‌طور مشخص، شکل ۱۳ رفتار ولتاژ و جریان را در بار نمایش می‌دهد.

شکل ۱۰. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در بار

شکل ۱۱. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در MOV1

شکل ۱۲. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در MOV2

شکل ۱۳. شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان بر حسب زمان در بار

رفتار برقگیرها پیش از باز شدن کلید خطا

پیش از آن‌که کلید بریکر مربوط به خطا باز شود، یعنی قبل از زمان وقوع خطا، جریان از MOV1 و MOV2 عبور می‌کند و در سمت بار هیچ جریانی دیده نمی‌شود. علت این رفتار به ماهیت غیرخطی مقاومتی برقگیرها برمی‌گردد. در این وضعیت، آن‌ها مانند مقاومتی با مقدار کم عمل کرده و جریان صاعقه 10kA را به زمین هدایت می‌کنند. در نتیجه، برای هر سه نوع تحریک AC، DC و Pulse، در بار سیگنال جریانی مشاهده نمی‌شود. این نکته برای درک عملکرد واقعی حفاظت صاعقه در خط انتقال اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان می‌دهد برقگیر پیش از آن‌که انرژی موج به مصرف‌کننده برسد، یک مسیر تخلیه مؤثر به زمین فراهم می‌کند.

جمع‌بندی نتایج این بخش

با اعمال چندین منبع جریان مختلف روی خط انتقال، پاسخ سیستم در حالت‌های متنوعی بررسی شد و نتایج زیر به‌دست آمد:

• برای منبع جریان AC، شکل‌های ۵ و ۶ نشان می‌دهند که پس از وقوع خطا، ولتاژ در MOV1 کمتر از MOV2 است، اما جریان در MOV1 از جریان MOV2 بیشتر می‌شود.
• مطابق شکل‌های ۸ و ۹، پس از وقوع خطا، ولتاژ در MOV1 تقریباً با ولتاژ MOV2 برابر می‌شود و جریان هر دو برقگیر در نهایت روی صفر پایدار می‌شود.
• برای امپدانس خط انتقال، جریان نامی برقگیر و ولتاژ تخلیه به‌ترتیب 10kA و 30kV در نظر گرفته شده است.
• این مطالعه به توسعه دانش مربوط به اضافه‌ولتاژ در سیستم حفاظت خط انتقال مبتنی بر برقگیر کمک می‌کند و درک بهتری از عملکرد حفاظت صاعقه در خط انتقال به‌دست می‌دهد.
• در تحریک‌های DC و Pulse، ولتاژ ایجادشده در MOV1 از ولتاژ حاصل از تحریک AC بیشتر بوده است.
• در مقابل، موج AC ولتاژی در MOV2 ایجاد کرده که از ولتاژ حاصل از هر دو حالت DC و Pulse بیشتر بوده است.
• در حالت 10kA AC surge، پیش از وقوع خطا، ولتاژ و جریان در MOV1 از مقادیر متناظر در MOV2 کمتر بوده‌اند.
• در همین حالت، در سمت بار ولتاژ به صفر کاهش یافته و جریان به‌صورت لحظه‌ای تا مقدار 5250e7 جهش کرده است که این پدیده ناشی از اثر امپدانس خط است.
• بیشینه ولتاژ ضربه‌ایِ جریان بار در زمانی که بریکر بسته شده است، برای سه نوع surge یعنی AC، DC و Pulse تقریباً برابر مشاهده شده است.

قدردانی

نویسندگان از Northern Technical University (NTU) به‌دلیل حمایت از این کار پژوهشی قدردانی کرده‌اند.

منابع

1. Gaurav S, Anshul M. Simulation of Compensated T. L Protection from Lightning by Using Matlab. IJERT. 2015; 4 (5): 146-149.
2. Chaitrashree SR, Sahana S, Rajalakshmi PM, Noor A. Analysis of the Use of Surge Arresters in Transmission System Using MATLAB/Simulink. IJAREEIE. 2016; 5(3):1428-1434.
3. M. G. Comber, S.F. LaCasse, R.M. Reedy, Lightning Protection of T.Ls with Polymer-Housed Surge Arresters, presented at EEI T&D Meeting Palm Beach, FL May 18, 1994.
4. S Satyanarayana, S.Sivangaraju, Electric Power Transmission and Distribution, Pearson Education India, 2008.
5. Jaroszewski M, Pospieszna J, Ranachowski P, Rejmund F. Modeling of Overhead Transmission Lines with Line Surge Arresters for Lightning Overvoltages. Application of Line Surge Arresters in Power Distribution and Transmission Systems, Cavtat. 2008;18(1):120-131.
6. Nangkyuthini K. Lightning Performance of Medium Voltage T.L Protected by Surge Arresters. An International Journal of Scientific Engineering and Technology Research. 2008; 3(16):3362-3367.
7. Moe MS, Naung CW. T Lightning Performance of Medium Voltage T.L Protected by Surge Arresters. International Journal of Research Publications. 2014;3(16):3362-3367.
8. Sanketa S. Lightning Phenomenon, Effects and Protection of Structures from Lightning. IOSR-JEEE. 2016; 11(3): 44-50.
9. Santosh BK, Rajan HC. MATLAB/SIMULINK Simulation Tool for Power Systems. International Journal of Power System Operation and Energy Management. 2011;1(2):2231 4407.
10. Safwan AH, Farah IH, Ali NH. Pitch Angle Control of Wind Turbine Using Adaptive Fuzzy-PID Controller. EAI Endorsed Transactions on Energy. 2020; 7 (28): 1-8.
11. Safwan AH, Ali NH, Ghanim MH. Automated irrigation system based on soil moisture using arduino board. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2020; 9(3): 870-876.

منابع و مشخصات انتشار

برای کامل‌تر شدن بحث حفاظت صاعقه خط انتقال و نیز ارجاع به پیشینه پژوهشی نویسندگان، منابعی که در این بخش از مقاله به آن‌ها استناد شده، در ادامه آمده است.

1. Ali NH, Safwan AH, Rasha AM. Photovoltaic Modeling and Effecting of Temperature and Irradiation on I-V and P-V Characteristics. International Journal of Applied Engineering Research. 2018; 13(5): 3123-3127.

2. Ali NH, Safwan AH, Ahmmed GA. Photovoltaic-Battery System Tested under Sun Irradiance. LJER. 2018; 18(2): 65-75.

3. Ali NH, Safwan AH, Mohammed AI. Power Factor Correction of AC to DC Converter Using Boost Chopper. J Appl Sci Eng. 2018; 13(8): 6440-6445.

4. Rasha AM, Ali NH, Bashar MS. Partial discharge measurement in solid dielectric of H.V Cross-linked polyethylene (XLPE) submarine cable. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. 2020; 17(3): 1578-1583.

نویسندگان مقاله

• Ali N. Hamoodi، Northern Technical University (NTU)، پست الکترونیکی: ali_n_hamoodi@ntu.edu.iq
• Rasha A. Mohammed، Northern Technical University (NTU)، پست الکترونیکی: rasha8479@ntu.edu.iq
• Bashar M. Salih، Northern Technical University (NTU)، پست الکترونیکی: basharms_tecm@ntu.edu.iq

مشخصات منبع و انتشار

مشخصات منبع و ناشر مقاله به این شکل ثبت شده است: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY با شماره استاندارد ISSN 0033-2097، سال R. 99 و شماره NR 2/2023.

شناسه دیجیتال مقاله نیز به این صورت درج شده است: doi:10.15199/48.2023.02.21.

این مطلب از سوی PQBlog منتشر شده و در پایان، با برچسب Electrical Engineer معرفی شده است. همچنین عبارت View more posts نیز به‌عنوان پیوندی برای مشاهده نوشته‌های بیشتر در منبع انتشار آمده است.