فرآیندهای سوئیچینگ در شبکه‌های الکتریکی ۱۰-۳۵ کیلوولت: تحلیل کامل حالت خنثی و عایق‌بندی

چکیده

با توجه به اینکه راه‌حل‌های تجهیزات فشار بالا نیازمند سرمایه‌گذاری‌های کلان هستند، این حوزه‌ها از جنبه‌های علمی، فنی و کاربردی از اهمیت بالایی برخوردارند. شناسایی دقیق‌ترین و صحیح‌ترین راه‌حل‌ها برای این مسائل همواره به عنوان یک چالش فوری و حیاتی مطرح می‌شود. در بسیاری از موارد، علاوه بر چالش‌های علمی و فنی، مسائل دیگری نیز در این زمینه مطرح می‌شوند. هدف از این تحقیق بر این اساس است که به عنوان نمونه، مسئله تغییر روش‌های نترال در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت برای افزایش توان و حفظ دقت در توسعه سیستم‌های توزیع، مطرح گردیده است.

روش تحقیق: این گونه سوالات به وضعیت‌های مرتبط با تعویض شبکه، سیستم عملیات ماشین‌آلات و تجهیزات، و همچنین معرفی و تولید هزاران ترانسفورماتور ۱۰-۳۵ کیلوولت در طول بازسازی منجر می‌شود. این مسائل به مشکلات فنی و اقتصادی با اهمیت ملی تبدیل می‌شوند که برای تولید ضروری به شمار می‌آیند و یافتن راه‌حل‌های مناسب در این موارد از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

نتایج: انتخاب یکی از روش‌های نترال زمانی که شبکه باید به مدت طولانی با یک عیب تک‌فازی به زمین کار کند، تأثیر زیادی دارد. نیاز به نگهداری مداوم شبکه در صورت بروز چنین خرابی تنها زمانی پیش می‌آید که امکان پشتیبانی (بک‌آپ) موجود نباشد. در چنین شرایطی، استفاده مؤثر از راکتور قوسی (arc-suppression reactor) تنها در شبکه‌های متقارن امکان‌پذیر است که بدون تغییر پیکربندی دچار تغییر می‌شوند.

مقدمه

در ارتباط با فعالیت‌های شهرسازی که در سال‌های اخیر تحت تغییرات چشمگیری قرار گرفته‌اند، مشکلاتی از قبیل جایگزینی خطوط انتقال برق هوایی (Overhead Power Lines – OHPL) با خطوط کابلی نیز در دستور کار قرار گرفته است. در این راستا، جایگزینی بخش‌های روغنی ۱۰-۳۵ کیلوولت با قطعات نوین خلأ و تماسی در کشورهای مستقل، به دلیل نیاز به بودجه کلان، ممکن است زمان‌بر باشد.

سازمان‌دهی‌ها و روش‌های مربوط به نترال در شبکه‌ها تا ولتاژ فاز-به فاز ۳۵ کیلوولت و در شبکه‌ها تا ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر، به دلیل عایق‌بندی که فضای بیشتری را اشغال می‌کند، نیازمند توجه و طراحی خاصی هستند. تنوع این مسائل علمی و فنی و دامنه دقیق موضوعات مورد بررسی نسبتاً وسیع است. در هر دوره از حل این مشکلات، یک الگوی ویژه از رویکرد‌ها و مقررات مرتبط وجود داشته است.

تدوین مسئله (Formulation of the Problem)

مواد عایق و ولتاژ‌های بیش از حد سوئیچینگ

مواد عایق‌بندی به کار رفته در شبکه‌های الکتریکی باید با در نظر گرفتن درجات مناسب عایق‌بندی در برابر ولتاژ‌های بیش از حد سوئیچینگ (switching overvoltages) و بر اساس ولتاژ‌های نامی، طراحی شوند. هدف اصلی از فرآیندهای الکترو-فیزیکی و تفاوت‌های الکترو-شیمیایی در عایق‌بندی، افزایش شدت میدان الکتریکی (EFI)، گرما و رطوبت است.

نکته فنی مهم: شدت میدان الکتریکی (Electric Field Intensity – EFI) یکی از پارامترهای کلیدی در طراحی عایق‌بندی به شمار می‌رود که به طور مستقیم بر عمر مفید و قابلیت تحمل عایق در برابر نوسانات ولتاژ تأثیر می‌گذارد. در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت، مدیریت صحیح EFI می‌تواند از شکست عایق ناشی از فراصوت‌های سوئیچینگ جلوگیری کند.

درجات عایق‌بندی و عامل‌های موثر بر عملکرد در دستگاه‌های واقعی

درجه‌های عایق‌بندی و عملکرد آن‌ها در دستگاه‌های واقعی به عوامل متعددی بستگی دارد. مدیریت عایق‌بندی شامل مقایسه آن با ولتاژ‌های تأثیرگذار بر روی آن و ویژگی‌های تجهیزات محافظتی است. بنابراین، از ولتاژ‌هایی استفاده می‌شود که در آن‌ها ولتاژ سوئیچینگ به سطح محدود رسیده و به عنوان ولتاژ‌های کنترل مشابه پالس‌های فرولتاژ اتمسفری به کار می‌روند. همچنین، باید توجه داشت که درجه و هماهنگی عایق‌بندی در شبکه‌ها تا ۳۳۰ کیلوولت عمدتاً برای فرولتاژهای اتمسفری و سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

توضیح تکمیلی: هماهنگی عایق‌بندی (Insulation Coordination) فرآیندی است که در آن سطوح تحمل عایق تجهیزات با ولتاژ‌های بیش از حد احتمالی (هم اتمسفری و هم سوئیچینگ) تنظیم می‌شود تا اطمینان حاصل شود که احتمال شکست عایق در حد قابل قبولی باقی می‌ماند. در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت، این هماهنگی به دلیل وجود فراصوت‌های سوئیچینگ ناشی از عملیات قطع و وصل، اهمیت دوچندانی پیدا می‌کند.

شرایط محیطی و عامل‌های تنش بر عایق‌بندی

تعداد الزامات برای عملکرد قابل اطمینان عایق‌بندی در شرایط واقعی به ۵۰ مورد می‌رسد. این طیف شامل پدیده‌های ناشی از وضعیت اتمسفر باز، شرایط شیمیایی مهاجم، اشعه خورشیدی و اتمی، تجمع عیوب پنهان موجود در عایق‌بندی در حالت بسته، و اثرات مکانیکی و حرارتی می‌شود.

مثال‌های کاربردی: در مناطق ساحلی، نمک و رطوبت می‌تواند منجر به ردیابی سطحی (surface tracking) بر روی عایق‌ها شود. در مناطق صنعتی، آلاینده‌های شیمیایی می‌توانند عایق‌های پلیمری را تجزیه کنند. تمام این عوامل باید در طراحی عایق‌بندی برای شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت در نظر گرفته شوند.

تحلیل روش نترال در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت

تمام این مباحث بر تحلیل روش نترال در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت و مطالعه مسائل مرتبط با تسلیه نترال، حفاظت رله‌ای در صورت بروز کوتاهی، و سیم‌پیچ قوسی (راکتور) متمرکز می‌شود.

تعریف کلیدی: راکتور قوسی یا راکتور مهار قوس (Petersen Coil) یک راکتور با اندوکتانس قابل تنظیم است که در نقطه نترال ترانسفورماتور نصب می‌شود و جریان ظرفیتی ناشی از عیب تک‌فازی به زمین را جبران می‌کند تا جریان قوس به حداقل برسد و قوس به طور خودکار خاموش شود.

راه‌حل مسئله (The Solution of the Problem)

… (ادامه در بخش‌های بعدی مقاله)

سیستم‌های نترال عایق‌شده و مدیریت چالش‌های فنی

سیستم‌های نترال عایق‌شده — یا همان نترال‌های خاکی‌شده از طریق مقاومت — در شبکه‌های ولتاژ بالا تا ۳۵ کیلوولت، مداراتی هستند که در آن‌ها رکتورهایی مجهز به پیچش‌های خاموش‌کننده قوس به نترال متصل می‌گردند. همین ویژگی، در کنار قطع خودبه‌خود خطای زمین، امکان کاهش جریان‌های خازنی در شرایط خاص را فراهم می‌کند؛ از این رو از پیچش‌های خاموش‌کننده قوس بهره می‌گیریم. وقتی واکنش‌های القایی L_s این پیچش‌ها به مقاومت متصل می‌شوند، جریان‌های خازنی به‌طور کلی به صفر تقلیل می‌یابند.

اثر قطع‌گرها بر ولتاژهای نرمال

در خطوطی که نترال‌های ۱۱۰ کیلوولتی و بالاتر آن‌ها مستقیماً خاکی شده‌اند، وقوع یک مدار کوتاه تک‌فاز سبب می‌شود ولتاژ فازهای سالم از ۱.۳ U_f فراتر نروید. این حالت در بازه زمانی کوتاه رخ می‌دهد و ریسک محسوسی ایجاد نمی‌کند. با این حال، بازکردن قطع‌گرها در انتهای خط با تاخیر یک ثانیه، منجر به تأمین یک‌طرفه و ارتقای ولتاژ در فازها می‌شود. ریشه اصلی این افزایش ولتاژ، انباشت ولتاژ در یک سیستم نامتعادل در طول یک مدار کوتاه تک‌فاز بر روی فازهای سالم است.

بنابراین، نحوه خاکی‌سازی نترال در بازه ۱۰-۳۵ کیلوولت، تحت تأثیر مجموعه‌ای از دلایل فنیِ پیاده‌سازی‌شده در شبکه قرار دارد. در شبکه‌های ولتاژ متوسط (ولتاژ نامی ۶۹ کیلوولت بر اساس طبقه‌بندی بین‌المللی)، چهار روش خاکی‌سازی نترال وجود دارد.

الگوهای متفاوت خاکی‌سازی در شبکه‌های ولتاژ متوسط

بررسی عملکرد جهانی شبکه‌های ولتاژ متوسط نشان می‌دهد که در اکثریت کشورهای جهان، روش خاکی‌سازی از طریق پیچش مقاومت و قطع‌گر قوس، رایج‌ترین رویکرد است.

در شبکه‌های ولتاژ متوسط ۳-۶۹ کیلوولتی در اروپا، آمریکای شمالی و جنوبی، و همچنین استرالیا، حالت نترال عایق‌شده به ندره به کار می‌رود. این شبکه‌ها عمدتاً بر پایه روش‌های خاکی‌سازی از طریق پیچش قطع‌گر قوس یا مقاومت کار می‌کنند.

تأثیر مدار کوتاه تک‌ف بر سیستم

هنگام وقوع یک مدار کوتاه تک‌فاز، پیچش قطع‌گر قوس یک جریان الکتریکی القایی در محل خطا産生 می‌کند. در این وضعیت، جریان الکتریکی نهایی در نقطه آسیب به صفر می‌رسد و نیازی به قطع مدار کوتاه اولیهِ رخ‌داده در شبکه باقی نمی‌ماند.

یک مقاومت شنتِ ولتاژ پایین (۵۰۰ ولت) به مدار قدرت پیچش قوس ۵۰۰ ولت ثانویه، از طریق یک کنتاکتور مخصوص متصل می‌شود. این راهکار فنی مزایای متعددی در پی دارد:

• از بین بردن نیاز به خاموش‌کردن مدار کوتاه تک‌فاز، در حالی که مصرف‌کننده از برق محروم نمی‌شود؛
• جریان بسیار ضعیف در محل آسیب (بیش از ۱-۲ آمپر نمی‌شود)؛
• خودبخود از بین رفتن مدارهای کوتاه تک‌فاز (به‌ویژه در خطوط capacidade هوایی)؛
• امکان بهره‌گیری از حفاظت رله خودکار که مانع وقوع مدار کوتاه می‌گردد؛
• جلوگیری از آسیب به ترانسفورماتورهای ابزار ناشی از پدیده‌های فرورزونانس.

شکل ۱ یک نمودار بلوکی از راهکار فنیِ حالت خاکی‌سازی نترال از طریق یک پیچش خاموش‌کننده قوس، به همراه یک مقاومت ولتاژ پایین شنت در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت را ترسیم می‌کند.

چالش‌های مشهود در شبکه‌های الکتریکی

در شبکه‌های موجود ۱۰-۳۵ کیلوولتی که نترال‌شان از طریق قطع‌گر قوس خاکی شده اما فاقد مقاومت شنت هستند، سری از مشکلات در برقراری حفاظت در برابر مدارهای کوتاه وجود دارد. در چنین شبکه‌هایی، هم می‌توان از دستگاه‌های حفاظت جریان ساده (کد ANSI 51G) و هم از دستگاه‌های حفاظت جریان جهت‌دار (کد ANSI 67N) استفاده کرد — هرچند هرکدام با مانع خاص خود.

دستگاه‌های حفاظت جریان ساده (کد ANSI 51G) قابل به‌کارگیری نیستند، چرا که پیچش خاموش‌کننده قوس جریان خطای (۳I₀) ناشی از خطای تک‌فاز را به صفر تقلیل می‌دهد. دستگاه‌های حفاظت جهت‌دار (کد ANSI 67N) نیز کارایی ندارند، زیرا جهت جریان در فیدرهای معیوب و سالم یکسان است. در فیدرهای آسیب‌دیده، انرژی القایی از باس‌ها به سمت فیدر، به اندازه انرژی القایی فیدر ناشی از حجم آن جاری می‌شود؛ در حین که انرژی از فیدرهای سالم به سمت باس‌ها می‌چکهد.

تحقق حفاظت انتخابی در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت

در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولتی، حالت خاکی‌سازی نترال از طریق یک مقاومت شنت ولتاژ پایین و یک پیچش قطع‌گر قوس متصل به پیچش قدرت ثانویه ۵۰۰ ولت، فرصت‌های منحصر‌به‌فردی برای سازماندهی حفاظت انتخابی در برابر مدارهای کوتاه فراهم می‌آورد — هم از طریق محدودکننده‌های جریان ساده (کد ANSI ۵۱G) و هم از طریق دستگاه‌های محدودکننده جریان جهت‌دار (کد ANSI ۶۷N).

گونه‌های مختلف خاکی‌سازی نترال

• خاکی‌سازی نترال از طریق مقاومت فرکانس بالا: در این روش، вели جریان الکتریکی نهایی (مجموع جریان فعال و خازنی) ناشی از مدار کوتاه از ۱۰ آمپر فراتر نمی‌رود. به‌طور کلی، قطع مدار کوتاه نترال تک‌فاز در این حالت اصلاً ضروری نیست.
• خاکی‌سازی نترال از طریق مقاومت فرکانس پایین: در این حالت، قدر جریان الکتریکی نهایی (جریان فعال + خازنی) از مدار کوتاه فراتر از ۱۰ آمپر می‌رود. به طور کلی، جریان نهایی تک‌فاز بیش از ۱۰ آمپر است، به‌گونه‌ای که به ده‌ها یا حتی صدها آمپر می‌رسد؛ در نتیجه قطع مدار کوتاه تک‌فاز لازمی می‌شود.

اگر مدار کوتاه دائمی باشد و رکتور دارای یک حلقه زمانی مشخص (که توسط تنظیم‌کننده REG-DPA تعیین می‌شود) باشد، یک مقاومت شنت متصل می‌گردد (بازه زمانی از یک تا سه ثانیه). کنترلر دیجیتال REG-DPAِ رکتور، کنتاکتور مقاومت ۵۰۰ ولت شنت را فعال می‌کند و کنتاکتور به موج قدرت دوم ۵۰۰ ولتی رکتور متصل می‌شود.

آسیب به ترانسفورماتورهای ولتاژ پس از خاکی‌سازی نترال از طریق مقاومت‌های NER-3000-182-40.5 در ایستگاه‌های توزیع ۳۵ کیلوولتی، به طور قابل‌توجهی کاهش یافته است. آزمایش‌هایی که متخصصان Karelenergo در یک شبکه ۳۵ کیلوولتی انجام دادند، نشان داد که پس از حذف یک مدار کوتاه تک‌فاز در شبکه‌ای که نترال‌اش از طریق مقاومت خاکی شده، پدیده فرورزونانس دیگر مشاهده نمی‌شود [۱].

تحلیل فرآیندهای قوس غیرایستای در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت

فرآیند قوس غیرایستا در محدوده ولتاژ ۱۰ تا ۳۵ کیلوولت یکی از رویدادهای نسبتاً رایج در خطوط برق محسوب می‌شود. پس از وقوع قوس تک‌فاز، پدیده قوس فلش (flashing arc) در پی می‌آید. از آنجا که این شبکه‌ها معمولاً در فواصل بسیار کوتاه‌تری پیاده‌سازی می‌گردند، این مدارها به عنوان مدارهای با پارامترهای تجمیع شده در نظر گرفته می‌شوند. چون محاسبه سیستم در حالت کوتاه‌مدت بر پایه معادلات دیفرانسیل-انتگرالی استوار است، باید به شرایط مرزی و اولیه لازم برای حل این مسائل دقت کامل داشته باشیم.

بررسی انتقادی سیستم‌های مختلف زمین‌گذاری

قبل از طرح دیدگاه شخصی در مورد حوزه‌های کاربرد سیستم‌های متفاوت زمین‌گذاری نترال در شبکه‌های ولتاژ متوسط، می‌خواهیم بر چند مفهوم پذیرفته‌شده و به‌نسبت شناخته‌شده تأکید کنیم.

مزایای حالت نترال ایزوله

حالت نترال ایزوله نسبت به سایر سیستم‌ها مزایای زیر را دارد:

• جریان پایین ناشی از کوتاه‌مدت‌های تک‌فاز به زمین.
• این ویژگی‌ها باعث می‌شوند:

• افزایش قابلیت تحمل جریان‌های استندبای (کوتاه‌مدت‌های تک‌فاز ۹۰ درصد از مجموع корот‌مدت‌ها را تشکیل می‌دهند)؛
• کاهش نیاز به تأسیسات زمین‌گذاری، که بر اساس شرایط ایمنی الکتریکی در صورت بروز корот‌مدت تک‌فاز به زمین تعیین می‌گردد.

اما این حالت نسبت به حالت نترال مؤثر زمین‌گذاری معایبی نیز دارد که شامل موارد زیر می‌شود:

• پدیده‌های فررو رزونانس ناشی از یک کوتاه‌مدت اختلال (SPE)؛
• اضافه‌ولتاژهای قوس ناشی از تشکیل قوس متناوب در حین SFL که منجر به انتقال از یک کوتاه‌مدت تک‌فاز به کوتاه‌مدت دو و سه‌فاز می‌گردد;
• پیچیدگی در برقراری حفاظت انتخابی در برابر SGF با تأمین انرژی ایزوله و عملکرد ناکافی، که در شبکه‌های مختلف و با پیکربندی‌های گوناگون وجود ندارد.

مزایای شبکه‌های ایزوله

از مزیت‌های برجسته شبکه‌های ایزوله می‌توان به توانایی ادامه کار با یک کوتاه‌مدت تک‌فاز اشاره کرد که تأمین برق به مصرف‌کنندگان را به‌شکل معنا‌دار افزایش می‌دهد. تجربه ثابت کرده که در اکثر موارد کوتاه‌مدت‌های تک‌فاز به دلیل نقص‌های موجود در شبکه با سرعت بالا (و در بسیاری از موارد به‌صورت آنی) به کوتاه‌مدت‌های دو و سه‌فاز تبدیل می‌شوند (مثلا به [۴] مراجعه کنید)، و خط آسیب‌دیده همچنان خارج از خدمت می‌ماند [۲].

تأمین برق بدون وقفه

در حال حاضر، تأمین برق بدون وقفه عمدتاً از طریق دستگاهی با تأمین دوطرفه و ASR (شروع خودکار از ذخیره) تضمین می‌شود.

زمین‌گذاری از طریق راکتور قوس

زمین‌گذاری از طریق راکتور قوس (arc quenching reactor) در برخی موارد قادر است جریان کوتاه‌مدت را به زمین قبل از قطع شدن کاهش دهد، به این معنا که اضافه‌ولتاژهای قوس را از بین می‌برد. این امر به نوبه خود، تعداد انتقال‌ها از یک نقص زمین تک‌فاز به نقص دو و سه‌فاز را کاهش می‌دهد. کاهش جریان نقص زمین تک‌فاز، شرایط ایمنی الکتریکی را در محل نقص بهبود می‌بخشد، هرچند امکان شوک الکتریکی در شبکه‌های خطوط هوایی را به‌طور کامل از بین نمی‌برد.

معایب زمین‌گذاری از طریق راکتورهای قوس

• ضرورت متوازن‌سازی شبکه به ولتاژ فاز ۰.۷۵ درصد (در شبکه‌های با خطوط هوایی، درجه عدم تقارن همیشه حداقل ۱ تا ۲ درصد است و در خطوط هوایی دو مدار معمولاً به ۵ تا ۷ درصد می‌رسد؛ طبق قوانین عملیات فنی، در برخی موارد ولتاژ انحراف نترال می‌تواند به ۳۰ درصد ولتاژ فاز برسد)؛
• پیچیدگی و هزینه بالای سیستم‌های نصب اتوماتیک برای سیستم‌های کنترل اتوماتیک (راکتورها با نصب مکانیکی عملاً بهره‌برداری نمی‌شوند)؛ عدم امکان نصب در محدوده وسیعی که برای شبکه‌های شهری پرشاخه با پیکربندی متغیر مکرر مورد نیاز است؛
• غیاب تقریباً کامل حفاظت انتخابی در برابر کوتاه‌مدت‌های تک‌فاز در شبکه با زمین‌گذاری نترال از طریق سیستم کنترل اتوماتیک. در ارتباط با این عیب آخر می‌توان گفت که قطع یک اتصال آسیب‌دیده با جبران جریان خازنی خوب مطلق نیست. با پذیرش این اعتراض، تنها می‌توان گفت که استفاده از راکتور قوس روشی است برای حفظ حالت اضطراری یک کوتاه‌مدت تک‌فاز. اما باید توجه داشت که این روش ارزان نیست [۲].

زمین‌گذاری نترال از طریق مقاومت

زمین‌گذاری نترال از طریق مقاومت مزایای متعددی دارد که توسط تجربه و عمل جهانی تأیید شده است:

• حذف کامل پدیده‌های فررو رزونانس.
• کاهش درجه ولتاژهای قوس و حذف انتقال نقص زمین تک‌فاز به نقص دو و سه‌فاز.
• امکان برقراری حفاظت ساده و انتخابی در برابر نقص‌های زمین تک‌فاز.

معایبی که می‌توان به زمین‌گذاری نترال مقاومتی نسبت داد عبارتند از:

• افزایش در جریان نقص زمین (حداکثر ۴۰ درصد)؛
• گرم شدن تجهیزات در ایستگاه (مقاومت ۳۰ تا ۴۰۰ کیلووات). این کاستی‌ها به دلایل زیر از اهمیت نسبتا کمتری برخوردارند:

• جریان‌های کوتاه‌مدت در شبکه‌های با زمین‌گذاری نترال به هزاران و ده‌ها هزار آمپر می‌رسد؛ در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت، دو کوتاه‌مدت به زمین جریان‌های صدها و هزاران آمپری ایجاد می‌کند. شبکه‌ها در چنین شرایطی به‌خوبی بهره‌برداری می‌شوند، و در این پس‌زمینه، افزایش جریان یک نقص زمین تک‌فاز از ۱۰ آمپر به ۱۴ آمپر یا حتی از ۲۰۰ آمپر به ۲۸۰ آمپر، وضع را تغییر نمی‌دهد.
• عیب ناشی از گرم شدن مقاومت در طول یک نقص زمین تک‌فاز بیشتر به چشم می‌آید. اما برای سایر تجهیزات، دماهای مجاز که توسط قوانین نصب الکتریکی تعیین شده و در حالت‌های اضطراری تا ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسند، اجازه می‌دهند تا مقاومتی طراحی شود که تنها به دماهای زیر حد مجاز برسد [۴]. نصب چنین مقاومتی روی باتری، از نظر عمل، خطر آتش‌سوزی را تقریباً از بین می‌برد.

شبکه‌های ولتاژ ژنراتوری و انتخاب حالت خنثی

شبکه‌های ولتاژ ژنراتوری در واقع پل‌های باس DC هستند. در صورت بروز اتصال به زمین، قطع انتخابی یک فیلد ممکن نیست و لذا لازم است خود ژنراتور به‌دقت با ایجاد ولتاژ در سکوئنس صفر (Zero Sequence) خاموش شود. عملکرد موقت ژنراتور پیش از خاموشی، به ویژه در شرایط جریان پایین، با خنثی ایزوله (Isolated Neutral) مجاز است. اما اگر جریان ظرفیت خازنی (Capacitance Current) از ۵ آمپر تجاوز کند، ممکن است به عایق‌ها آسیب جدی وارد شود. از این رو، استفاده از راکتور قوس‌خنک‌کننده (Arcing Reactor) بسیار توصیه می‌شود [۵].

شبکه‌های کمکی نیروگاه در مقایسه با شبکه‌های ولتاژ ژنراتوری

برخلاف شبکه‌های ولتاژ ژنراتوری، شبکه‌های کمکی نیروگاه‌ها دارای پیکربندی شاخه‌ای (Branched Configuration) هستند. این ویژگی اجازه می‌دهد تا تریپ (Tripping) انتخابی اتصال به زمین فازی به‌راحتی انجام شود. زیرا این شبکه‌ها به وسیله خطوط کابلی اجرا می‌شوند، درجه تقارن آن‌ها برای استفاده از راکتور قوس‌خنک‌کننده کافی است.

حالت‌های مختلف خنثی و کاربرد آن‌ها

در شرایط جریانی پایین، امکان استفاده از خنثی ایزوله وجود دارد، اما در این حالت نیاز است تا بررسی محاسباتی شبکه در مواجهه با پدیده‌های رزونانس آهنی (Ferro Resonance) انجام شود. در صورتی که چنین تهدیدی وجود داشته باشد، پیشنهاد می‌شود خنثی از طریق یک مقاومت (Resistor) به زمین متصل شود. عملکرد بلندمدت شبکه در حالت اتصال به زمین فازی تک‌فازی (EEO) نامناسب‌تر است، زیرا چنین شبکه‌هایی به تجهیزات پشتیبان کافی مجهز هستند.

اتصال انتخابی مدار معیوب، با استفاده از حفاظت رله‌ای (Relay Protection) و خاک‌زنی خنثی از طریق مقاومت امکان‌پذیر است.

اگر تصمیم بر این باشد که شبکه تحت شرایط جریان‌های بالا و در حالت اتصال به زمین فازی تک‌فازی به فعالیت خود ادامه دهد، بهترین گزینه (با نصب دقیق) استفاده از راکتور قوس‌خنک‌کننده خواهد بود. تریپ انتخابی اتصال به زمین فازی تک‌فازی با جریان بالا، با کمک حفاظت رله‌ای، در زمان خاک‌زنی خنثی از طریق مقاومت به‌خوبی انجام می‌شود [۳].

جدول پیشنهادات حالت خنثی برای شبکه‌های ولتاژ متوسط

با توجه به مباحث پیشین، سعی داریم تا زمینه‌های کاربرد مؤثر حالت‌های مختلف خاک‌زنی خنثی در شبکه‌های ولتاژ متوسط را شناسایی کنیم. این حوزه‌ها در جدول زیر بر اساس نوع شبکه و پارامترهای مورد نیاز، تجزیه و تحلیل شده‌اند. در ستون اول، طبقه‌بندی شبکه‌ها بر اساس پیکربندی و ویژگی‌های عملیاتی مرتبط با روش‌های خاک‌زنی خنثی آمده است. جدول ۱ شرایط خنثی پیشنهادی برای شبکه‌های ولتاژ متوسط را به نمایش می‌گذارد [۶, ۷].

جدول ۱. حالت‌های خنثی پیشنهادی برای شبکه‌های ولتاژ متوسط

تجزیه و تحلیل انواع شبکه‌ها بر اساس پیکربندی

شبکه‌های توزیع با خطوط هوایی معمولاً متقارن نیستند. در جریان‌های کم، مشابه موارد قبلی، در صورت عدم وجود پیش‌نیازها برای وقوع پدیده‌های رزونانس آهنی، می‌توان از خنثی ایزوله استفاده کرد. تغییر در پیکربندی و ابعاد شبکه از منظر عملیاتی می‌تواند به وجود آمدن چنین پیش‌نیازهایی منجر شود. همچنین، از طرفی افزایش جریانات ظرفیت خازنی نیز محتمل است. به همین دلیل، بهترین و جامع‌ترین راهکار برای این قبیل شبکه‌ها، خاک‌زنی خنثی از طریق مقاومت به شمار می‌رود. معرفی راکتور قوس‌خنک‌کننده به دلیل عدم تقارن و دامنه وسیع تغییرات جریان ظرفیت خازنی، چالش‌برانگیز است. همان‌طور که تجربه نشان می‌دهد، راکتورهای قوس‌خنک‌کننده نصب‌شده در این شبکه‌ها به‌ندرت به خوبی عمل می‌کنند.

مشکل قطع کوتاه‌مدت خطوط هوایی در شبکه‌های توزیع هوایی که به میادین نفت و گاز تغذیه می‌کنند، وجود دارد. این مشکل ناشی از عملکرد ناکافی فناوری استارت خودکار موتورهای پمپ می‌باشد. بنابراین، این شبکه‌ها به‌طور قطع با حفظ اتصال به زمین به کار خود ادامه می‌دهند. در چنین شرایطی، استفاده از راکتور قوس‌خنک‌کننده تنها از منظر بهبود ایمنی الکتریکی در زمان اتصال به زمین فازی تک‌فازی توصیه می‌شود. و این امر مستلزم جبران دقیق جریان ظرفیت خازنی است. در حین وقوع اتصال کوتاه در خطوط هوایی، غالباً فرآیندهای قوس‌زایی به وقوع نمی‌پیوندد.

شبکه‌های کابلی در شهرها و شهرستان‌ها (بدون خطوط فشار قوی) به اندازه کافی متقارن هستند تا امکان استفاده از راکتورهای قوس‌خنک‌کننده برای آنها فراهم باشد، اما برخلاف شبکه‌های کمکی نیروگاه‌ها، دارای پیکربندی‌ای هستند که به‌طور مداوم و به میزان قابل توجهی تغییر می‌کند؛ چیزی که نیاز به نصب با دامنه وسیع دارد. وضعیت را پیچیده‌تر می‌کند این حقیقت که پست‌های تغذیه و شبکه‌های توزیع شهری که در آنها راکتور قوس‌خنک‌کننده نصب شده، بسیاری از اوقات دارای تابعیت‌های متنوع، از جمله عملیات و دیسپاچینگ هستند. این امر نیاز به نصب راکتور قوس‌خنک‌کننده پهن‌باند (Broadband) را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. از این رو، روش بهینه در این قبیل شبکه‌ها، خاک‌زنی خنثی از طریق مقاومت است که با توجه به تجربیات جهانی نیز تأیید می‌شود.

پست‌های موبایل و مکانیسم‌ها، معادن زغال‌سنگ، معادن و سایر شبکه‌های تغذیه به وضوح نیازمند قطع ژنراتور حرارتی از طریق حفاظت رله‌ای هستند. حالت خاک‌زنی خنثی از طریق مقاومت، تنها گزینه معقول در این زمینه، به‌ویژه در شبکه‌های وسیع است.

نتیجه‌گیری

در خاتمه، مهم‌ترین نکته در تعیین حالت خاک‌زنی خنثی شبکه این است که آیا تصمیم بر غیرفعال کردن انتخابی یا حفظ حالت اتصال به زمین فازی تک‌فازی برای مدت طولانی اتخاذ می‌شود. در حالی که حالت اتصال به زمین فازی تک‌فازی حفظ می‌شود، امکان انتخاب بین تمام حالت‌های خنثی ذکر شده در مقررات تأسیسات الکتریکی، با در نظر گرفتن ایده‌های بیان شده در این مقاله، وجود دارد [۴]. اگر قرار است اتصال به زمین فازی تک‌فازی به‌طور انتخابی توسط حفاظت رله‌ای قطع شود، در این صورت گزینه خاک‌زنی خنثی از طریق مقاومت به‌عنوان راه‌حل ترجیحی مطرح می‌شود.

جمع‌بندی نهایی

انتخاب یکی از حالت‌های خاک‌زنی خنثی زمانی اثرگذار است که شبکه مجاز باشد برای مدت طولانی با اتصال به زمین فازی تک‌فازی کار کند. نگهداری طولانی‌مدت شبکه در مواجهه با چنین نقصی تنها در صورت نبود تجهیزات پشتیبان ضروری می‌شود. در این زمان، بهره‌برداری مؤثر از راکتور قوس‌خنک‌کننده تنها در شبکه‌های متقارنی که بدون تغییر در پیکربندی عمل می‌کنند، امکان‌پذیر خواهد بود. در بقیه موارد، خنثی ایزوله در اولویت قرار دارد و در برخی مواقع، خاک‌زنی از طریق مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پیوست

زمانی که یک اتصال با بستن فاز واحد توسط حفاظت رله قطع می‌شود، بهترین رویکرد همیشه این است که نترال (neutral) از طریق یک مقاومت زمین شود. این راه‌حل یکپارچه تمامی معایب موجود در شبکه‌های با عایق و نترال جبرانی را از بین می‌برد و شبکه‌های ولتاژ متوسط را به سطح بالای ایمنی الکتریکی، که مختص شبکه‌های ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر است، ارتقاء می‌دهد.

مراجع

1. S.V.Rzayeva, N.S.Mammadov, N.A.Ganiyeva (۲۰۲۳) “اضافه ولتاژها در هنگام خطای زمین فاز واحد در شبکه‌های ایزوله نترال (۱۰-۳۵) کیلوولت”. در نشریه Journal of Energy Research and Reviews. جلد ۱۳، شماره ۱، صفحات ۷-۱۳، ۲۰۲۳/ DOI: ۱۰.۹۷۳۴/JENRR/۲۰۲۳/v13i1253
2. S.V. Rzayeva, N.S. Mammadov, N.A. Ganiyeva (۲۰۲۲) “حالت زمین نترال در شبکه ۶-۳۵ کیلوولت از طریق یک راکتور قوس و سازماندهی حفاظت رله‌ای در برابر خطاهای زمین فاز واحد”. در Deutsche internationale Zeitschrift für zeitgenössische Wissenschaft / German International Journal of Modern Science شماره ۴۲(۲۲)، صفحات ۳۱-۳۴.
3. Obabkov V.K. (۲۰۰۰) “چندمعیاری شاخص عملکرد شبکه‌های ۶-۳۵ کیلوولت و چالش‌های بهینه‌سازی حالت‌های زمین نترال”. در حالت‌های زمین نترال شبکه‌های ۳-۶-۱۰-۳۵ کیلوولت: گزارش‌های کنفرانس علمی و فنی. – نووسیبیرسک، ۲۰۰۰. – صفحات ۳۳–۴۱.
4. https://archi-monarch.com/guidelines-for-electricalinstallation/
5. Chernenko N.A. (۲۰۰۰) “نرخ حوادث و خطاهای زمین در شبکه‌های الکتریکی با ولتاژ ۳۵ و ۱۱۰ کیلوولت”. در حالت‌های زمین نترال شبکه‌های ۳-۶-۱۰-۳۵ کیلوولت: گزارش‌های یک کنفرانس علمی و فنی. – نووسیبیرسک، ۲۰۰۰. – صفحات ۸۳–۸۸.
6. Piriyeva N.M., Rzayeva S.V., Mustafazadeh E.M. “ارزیابی استفاده از روش‌ها و تجهیزات مختلف برای حفاظت در برابر ولتاژ اضطراری در شبکه‌های الکتریکی ۶-۱۰ کیلو ولت تأسیسات تولید نفت”. در Интернаука: електрон.научн. журн. ۲۰۲۲. شماره ۳۹(۲۶۲). URL: https://internauka.org/journal/science/internauka/262 (تاریخ مراجعه: ۱۷.۰۱.۲۰۲۴). DOI:۱۰.۳۲۷۴۳/۲۶۸۷۰۱۴۲.۲۰۲۲.۳۹.۲۶۲.۳۴۶۱۰۴
7. Ahmedov E.; Rzayeva S.; Ganiyeva Nigar; Safiyev E. “بهبود مقاومت در برابر صاعقه خطوط هوایی با ولتاژ بالا”. Przeglad Elektrotechniczny . ۲۰۲۳, جلد ۲۰۲۳ شماره ۱۱، صفحات ۱۲۱-۱۲۶. ۶ صفحه.

شناسه مورد ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷, R. ۱۰۰ NR ۸/۲۰۲۴. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۴.۰۸.۳۲

این مقاله توسط PQBlog منتشر شده است.

مهندس الکتریسیته

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

چرا انتخاب chế عمل نترال در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت حیاتی است؟

چون مستقیماً بر ولتاژ‌های بیش از حد سوئیچینگ، جریان عیب تک‌فازی، و امکان ادامه کار شبکه در حالت عیب تاثیر می‌گذارد. انتخاب نادرست می‌تواند به خرابی عایق و قطع طولانی‌مدت برق منجر شود.

راکتور قوسی (Petersen Coil) چه نقشی در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت ایفا می‌کند؟

راکتور قوسی جریان ظرفیتی ناشی از عیب تک‌فازی به زمین را جبران کرده، جریان قوس را به حداقل می‌رساند و امکان ادامه کار شبکه با عیب تک‌فازی را برای مدت طولانی فراهم می‌کند، به شرطی که شبکه متقارن باشد.

فرولتاژ‌های سوئیچینگ در شبکه‌های ۱۰-۳۵ کیلوولت چگونه بر عایق‌بندی تاثیر می‌گذارند؟

فرولتاژ‌های سوئیچینگ ناشی از عملیات قطع‌ووصل 끊قه‌ها و جداکننده‌ها می‌تواند چندین برابر ولتاژ نامینال برسد و در صورت عدم هماهنگی عایق‌بندی، منجر به شکست عایق و خرابی تجهیزات شود.

چه فاکتورهای محیطی باید در طراحی عایق‌بندی شبکه ۱۰-۳۵ کیلوولت در نظر گرفته شود؟

شامل شرایط اتمسفری (رطوبت، نمک، آلایندگی)، اشعه UV، اثرات مکانیکی (لرزش، باد)، حرارتی (تشخیص دما)، و عیوب ساختاری پنهان است. استانداردها تا ۵۰ پارامتر مختلف را برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد تعریف کرده‌اند.

جایگزینی خطوط هوازی با کابل در شبکه ۱۰-۳۵ کیلوولت چه چالش‌هایی ایجاد می‌کند؟

افزایش قابل توجه ظرفیت خازنی شبکه، تغییر ویژگی‌های فرولتاژ سوئیچینگ، نیاز به بازنگری در تشخن راکتور قوسی، و افزایش جریان عیب تک‌فازی از چالش‌های اصلی است که نیازمند مطالعه مجدد chế عمل نترال می‌باشد.

منبع: powerquality.blog