1- کلیات
در سیستم های قدرت و شبکه های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، تک‌تک تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبکه، اتصال کوتاه و قطع برق را به همراه دارد. خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه‌های هنگفتی را به شبکه تحمیل می‌نماید. لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی کشور جلوگیری به عمل می‌آید.
برقگیرها از جمله تجهیزاتی هستند که جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و کلیدزنی) در شبکه‌های انتقال و توزیع به کار می‌روند. برقگیرها ضمن اینکه حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا را بر عهده دارند، باید در مقابل اضافه ولتاژهای موقتی از خود واکنشی نشان ندهند و همچنین با توجه به شرایط محیطی منطقه مورد بهره‌برداری ، نظیر رطوبت و آلودگی، عملکرد صحیح و قابل قبولی را ارائه دهند.
1-2- هدف:
بر طبق گزارشهای رسیده از تخریب برقگیرهای پست 230/400 کیلوولت شهید کشوری کرمانشاه و به منظور بررسی علل این حوادث این پروژه را به انجام رسید.
در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبکه‌های قدرت پرداخته می‌شود، سپس برقگیرها به عنوان یکی از تجهیزات مهم برای محدود کردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبکه مورد بحث قرار می‌گیرد. در فصل چهارم عوامل کلی که سبب اختلال در عملگرد برقگیر می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند. در فصل پنجم با استفاده از نرم‌افزار EMTP که قادر است حالات گذرا را بطور دقیق در شبکه آنالیز نماید شبکه مورد نظر شبیه‌سازی شده و شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده در شبکه در زمان وقوع حادثه محاسبه و ترسیم شده است.
با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده با شکل موج اضافه ولتاژهای فروزرونانسی، وقوع پدیده فرورزونانسی در پست شهید کشوری کرمانشاه کاملاً مشهود است و اضافه ولتاژهای ناشی از این پدیده سبب تخریب برقگیرهای این پست گردیده است.
در پایان نیز پیشنهاداتی جهت جلوگیری از بروز مجدد چنین حوادثی در پست مذکور ارائه شده است.
خلاصه:
در سیستم های قدرت و شبکه های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، تک‌تک تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبکه، اتصال کوتاه و قطع برق را به همراه دارد. خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه‌های هنگفتی را به شبکه تحمیل می‌نماید. لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی کشور جلوگیری به عمل می‌آید.
برقگیرها از جمله تجهیزاتی هستند که جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و کلیدزنی) در شبکه‌های انتقال و توزیع به کار می‌روند. برقگیرها ضمن اینکه حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا را بر عهده دارند، باید در مقابل اضافه ولتاژهای موقتی از خود واکنشی نشان ندهند و همچنین با توجه به شرایط محیطی منطقه مورد بهره‌برداری ، نظیر رطوبت و آلودگی، عملکرد صحیح و قابل قبولی را ارائه دهند.
بر طبق گزارشهای رسیده از تخریب برقگیرهای پست 230/400 کیلوولت شهید کشوری کرمانشاه و به منظور بررسی علل این حوادث این پروژه را به انجام رسید.
در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبکه‌های قدرت پرداخته می‌شود، سپس برقگیرها به عنوان یکی از تجهیزات مهم برای محدود کردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبکه مورد بحث قرار می‌گیرد. در فصل چهارم عوامل کلی که سبب اختلال در عملگرد برقگیر می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند. در فصل پنجم با استفاده از نرم‌افزار EMTP که قادر است حالات گذرا را بطور دقیق در شبکه آنالیز نماید شبکه مورد نظر شبیه‌سازی شده و شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده در شبکه در زمان وقوع حادثه محاسبه و ترسیم شده است.
با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده با شکل موج اضافه ولتاژهای فروزرونانسی، وقوع پدیده فرورزونانسی در پست شهید کشوری کرمانشاه کاملاً مشهود است و اضافه ولتاژهای ناشی از این پدیده سبب تخریب برقگیرهای این پست گردیده است. در پایان نیز پیشنهاداتی جهت جلوگیری از بروز مجدد چنین حوادثی در پست مذکور ارائه شده است.
1- مقدمه
سطح ایزولاسیون به عنوان یکی از پارامترهای مهم در طراحی شبکه مطرح می‌باشد و ارتباط مستقیمی با اضافه ولتاژهای موجود در شبکه دارد.
افزایش ولتاژ از مقدار نامی خود، به اضافه ولتاژ در شبکه موسوم می‌باشد. از آنجائیکه ظهور اضافه ولتاژ در شبکه اجتناب‌ناپذیر است، لذا احتمال بروز قوس در ایزولاسیون و ماده ایزوله در شبکه همراه وجود دارد.
کاهش درصد بروز قوس‌ها و اتصالی‌ها مستلزم شناخت کامل اضافه ولتاژها، انواع مختلف آنها، شرایط ایجاد و پدید آمدن آنها و همچنین نحوه تاثیر آنها در ایزولاسیون شبکه می‌باشد و در صورت برخورداری از چنین شناختی، انتخاب مشخصات مناسب شبکه و تجهیزات موجود در آن امکان پذیر می‌گردد.
2-2- انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبکه:
کلیه اضافه ولتاژهای ظاهر شده در شبکه بر حسب شکل و یا منبع بروز خود، تقسیم‌بندی می‌شوند. که می‌توان آنها را به شرح زیر تقسیم‌بندی نمود:
2-2-1- اضافه ولتاژهای صاعقه1
2-2-2- اضافه ولتاژهای کلیدزنی2
2-2-3- اضافه ولتاژهای موقتی1
که با توجه به عامل بوجود آورنده نیز به دو دسته داخلی2 و خارجی3 تقسیم می‌شوند.
بر اساس این تقسیم‌بندی اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه به اضافه ولتاژ خارجی و دو نوع دیگر به اضافه ولتاژهای داخلی موسوم می‌باشد.
2-2-1- اضافه ولتاژهای صاعقه
در پی تخلیه جوی الکتریکی بر قسمتهای مختلف شبکه، بارهای الکتریکی انباشته در ابرها و فصل از طریق کانال یونیزه تشکیل شده در فضا بصورت قوس مرئی رعد و برق در قسمتهای مختلف شبکه تخلیه گشته ، اصطلاحاً به تخلیه جوی الکتریکی موسوم می‌باشد. تخلیه بارهای الکتریکی جوی، موجبات افزایش ولتاژ را به طور لحظه‌ای در محل تخلیه فراهم ساخته، ولتاژ موجی با سرعت نور در طول هادی‌های فاز منتشر می‌شود و اضافه ولتاژهای تخلیه جوی را در شبکه پدید می‌آورد.
اضافه ولتاژهای موجی رعد و برق حداکثر سرعت افزایش را در میان انواع مختلف اضافه ولتاژهای موجی دارا می‌باشند. سرعت افزایش آنها در حدود 5000-500 کیلوولت بر میکروثانیه متغیر می‌باشد.
2-2-1-1- مشخصه اضافه ولتاژهای صاعقه
اضافه ولتاژهای صاعقه می‌توانند با یک موج صاعقه استاندارد 50/2 –1 مطابق شکل زیر مدل شوند. به عبارت دیگر این دسته امواج غیر پریودیکی دارای زمان پیشانی حدود یک و نیم میکروثانیه و زمان پشت موج در حدود چند ده میکرو ثانیه هستند. با توجه به شیب پیشانی این دسته اضافه ولتاژها، تنش بیشتری روی عایق بندی طولی پیچکهای اندوکتیو اعمال می‌کنند و به دلیل زمان کوتاهتر، عموماً تنش قابل برای عایق‌بندی در مقایسه با امواج کلیدزنی با دامنه یکسان قدری بیشتر
خواهد بود. میزان تنش تحمل شده بستگی به نوع عایق خواهد داشت.
-2-2- اضافه ولتاژ های کلید زنی (قطع و وصل)
اضافه ولتاژهای قطع و وصل به صورت موج در شبکه ظاهر گردیده و از نظر شکل و تغییرات لحظه‌ای خود،کاملاً مشابه اضافه ولتاژهای موجی تخلیه جوی می‌باشند. تفاوت عمده در زمان پیشانی و زمان استهلاک یا کاهش دامنه موج بوده، سرعت افزایش دامنه ولتاژهای موجی قطع و وصل به حدود چند کیلوولت بر میکروثانیه بالغ می‌گردد. چون این اضافه ولتاژها از عوامل و تجهیزات داخلی شبکه ناشی می‌گردند لذا به اضافه ولتاژهای داخلی موسوم می‌باشند. اضافه ولتاژهای موجی قطع و وصل در پی قطع و وصل کلیدها و رژیم گذرای ظاهر شده در آنان نتیجه شده در آنان نتیجه گردیده، لذا اضافه ولتاژهای گذرا نیز نامیده می‌شوند.
بدین ترتیب منبع بروز این اضافه ولتاژها، رژیم گذرای ظاهر شده در شبکه بوده و خصوصیات اضافه ولتاژها بستگی کامل به کمیات، مشخصات الکتریکی شبکه و رژیم‌های گذرای آنان خواهد داشت. دامنه موجهای اضافه ولتاژ قطع و وصل به مشخصات شبکه، مشخصات کلید، نوع دستگاههای مورد قطع و وصل بستگی دارد. مهمترین عامل در افزایش دامنه موجها، ولتاژ اسمی شبکه می‌باشد. در ولتاژهای پایین این موجها محدود بوده و از حدود ایزولاسیون پیش‌بینی شده شبکه تجاوز نمی‌نمایند.
دامنه اضافه ولتاژهای گذرای قطع و وصل و احتمال بروز آنها در ولتاژهای اسمی پایین بسیار محدود بوده، بطوریکه هیچگونه پیش بینی را جهت کاهش آنها ایجاب نمی‌نماید.
2-2-2-1- موج استاندارد قطع و وصل یا کلید زنی
به منظور تامین توانایی سیستم ایزولاسیون شبکه و سایر تجهیزات فشار قوی در قبال موجهای اضافه ولتاژ گذرای قطع و وصل، موج استاندارد با شکل مشخص به عنوان موج ولتاژ استاندارد قطع و وصل تعیین گردیده است که منحنی آن در شکل زیر آورده شده است.
موج توسط زمان پیشانی خود Td و زمان دم موج (پشت موج) T1 مشخص می‌گردد. حدود این پارامترها در استانداردهای مختلف تعیین گردیده‌اند. در استاندارد آمریکا و IEC مقدار معمول آن به ترتیب در حدود 250 و 2500 میکروثانیه مشخص گردیده است.
2-2-2-2- علل بروز اضافه ولتاژهای کلید زنی:
اضافه ولتاژهای کلید زنی عوامل متعددی دارند و اهمیت نسبی آنها در رده‌های مختلف ولتاژی یکسان نیست.
2-2-2-2-1- اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی جریان‌های سلفی و خازنی:
این مسئله ممکن است در هر دو زمینه توزیع و تاسیسات صنعتی و نیروگاهها نیازمند توجه باشند. در حالت اخیر چنانچه کلید قدرت آن چنان دیونیزه شود که جریان را پیش از موقع صفر کند ممکن است اضافه ولتاژهای بزرگی به وجود آیند در همین زمینه باید موارد زیر را در نظر گرفت:
الف) قطع جریان‌های سلفی، مثلا هنگامی که جریان مغناطیس کننده یک ترانسفورماتور یا راکتور قطع می‌شود.
ب) کلید زنی و عملکرد یک کوره قوس الکتریکی و ترانسفورماتور آن ممکن است باعث برش جریان شود.
ج) کلید زنی کابلهای بی بار و بانکهای خازنی.
د) قطع جریان با فیوزهای ولتاژ بالا.
2-2-2-2-2- اضافه ولتاژهای کلید زنی ناشی از تغییرات ناگهانی بار
در اثر تغییرات ناگهانی بار ممکن است اضافه ولتاژهای کلید زنی که توسط اضافه ولتاژهای موقتی دنبال می‌شوند بوجود آیند.
2-2-3- اضافه ولتاژهای موقت1
2-2-3-1- مقدمه:
اضافه ولتاژهای موقت، نوعی اضافه ولتاژ نوسانی فاز به زمین، یا فاز به فاز می‌باشند، که نسبتا طولانی مدت و یا نامیرا هستند و یا بطور ضعیفی میرا می‌شوند. از آنجا که اضافه ولتاژهای موقت از نظر کار برقگیر حائز اهمیت فراوان هستند (برقگیرها باید بتوانند اضافه ولتاژهای موقت را تحمل کنند)، لازم است درصد اضافه ولتاژ های موقت شبکه محاسبه گردد. اضافه ولتاژهای موقت از علل زیر نشات می‌گیرند:
2-2-3-1-1- خطاها.
2-2-3-1-2- تغییرات ناگهانی بار.
2-2-3-1-3-اثر فرانتی.
2-2-3-1-4-رزونانس خطی.
2-2-3-1-5-فرورزونانس.
2-2-3-1-6-قطع هادی (یارگی خط).
2-2-3-1-7-رزونانس ناشی از مدار های کوپل شده.
در این مجال سعی می‌شود به بیان تئوری برخی از این علل پرداخته شود.
2-2-3-1-1- خطا های زمین:
اضافه ولتاژ های موقت ممکن است یا میرا شده باشند و یا میرا نشده یک خطای زمین وضعیتی است که اضافه ولتاژ نامیرا را بوجود می‌آورد. که تا زمانی که ولتاژ توسط برخی از طرق کلید زنی برداشته نشود، بر روی عایق فشار وارد می‌آورد . نوع غالب خطا، خطای تکفاز به زمین می‌باشد (حدودا 95) خطاهای دو فاز به زمین و سه فاز به زمین و خطاهای غیر زمین، اغلب خیلی کمتر اتفاق می‌افتند. شکل زیر حداکثر اضافه ولتاژهای موقتی در فازهای سالم در طی یک اتصال کوتاه تکفاز را بر اساس امپدانس های توالی صفر و مثبت سیستم نشان می‌دهد.