رمز: sim-power.ir
حفاظت تجهيزات شبكههاي توزيع در برابر اضافه ولتاژهای مخرب سيستم قدرت
احمد غلامي
محسن نیاستي سمیه موزوني
چكيده
حفاظت تجهیزات شبكههاي توزیع در برابر اضافه ولتاژها،
عمدتاً بوسیله برقگيرها صورت ميگيرد. در طراحي بهینه شبكههاي
توزیع باید مكانهاي بهینه براي نصب برقگيرها معين شود تا
علاوه بر داشتن یك شبكه مطمئن و محفوظ در برابر اضافه
ولتاژها، شبكهاي اقتصاديتر و با حداقل هزینه نصب و
نگهداري برقگيرها به دست آید. هدف این مقاله، تعیين شعاع
حفاظتي برقگيرهاي ZnO به كمك نرمافزارEMTP و جایابي بهینه
آا در شبكههاي توزیع بوسیله الگوریتمهاي كامپیوتري
ميباشد. با بررسي نتایج شبیهسازيهاي انجام شده، مشاهده
گردید كه شعاع حفاظتي برقگير ZnO نمونه براي شبكههاي هوایي
در حدود 160 متر و براي شبكههاي كابلي در حدود50 متر
ميباشد. همچنين مشاهده شد كه با جایابي بهینه برقگيرها، تعداد
برقگيرهاي مورد نیاز براي یك شبكه نمونه (شبكه توزیع 123
شینه IEEE) بطور قابل ملاحظهاي كاهش ميیابد و در نتیجه
ميتوان به یك شبكه اقتصاديتر دست یافت.
كلمات كلیدي: برقگير، شعاع حفاظتي، شبكههاي توزیع، جایابي
بهینه، EMTP
1ـ مقدمه
یكي از پدیدههاي سوء براي سیستمهاي قدرت، اضافه
ولتاژهاي سیستم ميباشد. حفاظت تجهیزات شبكههاي توزیع در
برابر اضافه ولتاژها, عمدتاً بوسیله برقگيرها صورت ميگيرد.
فاصله برقگيرها از تجهیزات تأثير مهمي در كنترل اضافه ولتاژها
و در نتیجه حفاظت تجهیزات دارد. از نظر فني هر چه برقگير به
تجهیزات نزدیكتر باشد, حفاظت بهتري صورت ميگيرد ولي به دلایل2
اقتصادي و با توجه به قیمت برقگيرها, قرار گرفتن برقگيرها در
كنار هر تجهیز شبكه به صرفه نیست. از طرفي دیگر گستردگي و
توسعه روز افزون شبكههاي توزیع در شهرها و نزدیكي پستهاي
توزیع شهري به یكدیگر, موجب خواهد شد كه برقگيرها نزدیك هم
نصب گردند. با در نظر گرفتن شعاع حفاظتي هر برقگير و احتمال
پوشش حفاظتي یك محدوده توسط چند برقگير, مطالعه و بررسي لزوم
نصب یا عدم نصب برقگيرهایي كه در شعاع حفاظتي برقگيرهاي مجاور
قرار ميگيرند ضروري و مفید است. لذا در طراحي بهینه شبكههاي
توزیع باید مكانهاي بهینه براي نصب برقگيرها معين شود. همچنين
باید در انتخاب نوع و مشخصات برقگير دقت شود. با انتخاب
درست و نصب آا در مكانهاي بهینه در شبكه قدرت, علاوه بر
داشتن یك شبكه مطمئن و محفوظ در برابر اضافه ولتاژها,
شبكهاي اقتصاديتر و با حداقل هزینه نصب و نگهداري برقگيرها
به دست خواهد آمد [1].
2ـ بررسي لزوم نصب برقگير در شبكه توزيع
هر چند بخاطر ارتفاع كم خطوط توزیع در مقایسه با خطوط
انتقال و یا قرار گرفتن آا در مجاورت ساختمانها و درختان
بلند، درصد اصابت مستقیم صاعقه به شبكههاي توزیع كاهش
ميیابد، ولي بخاطر سطح عایقي پایين خطوط توزیع، حتي ولتاژهاي
القایي ناشي از اصابت غير مستقیم صاعقه كه دامنه آا تا
300kV ميرسد نیز ميتواند ایزولاسیون تجهیزات خطوط توزیع را
تهدید كند. دامنه ولتاژهاي القائي صاعقه با ارتفاع خط از
سطح زمين متناسب است. هر چه ارتفاع دكل و سیمها از سطح زمين
كمتر باشد، دامنه اضافه ولتاژهاي القائي بیشتر كاهش ميیابد
[1]. این واقعیت با توجه به فرمولي كه S.Rusck در سال 1958 براي
یك مدل ساده به منظور شبیهسازي برخورد غير مستقیم صاعقه
توسعه داد به وضوح مشاهده ميشود. بر اساس مدل ارائه شده،
ولتاژ القائي از رابطه تقریبي زیر بدست ميآید
كه در آن I S، ماكزيمم جریان صاعقه در لحظه برخورد و بر حسب
h ،kA ارتفاع خط از زمين بر حسب متر و y فاصله محل برخورد
صاعقه از خط بر حسب متر ميباشد.
شكل (1) دامنه اضافه ولتاژهاي القایي ناشي از اصابت غير
مستقیم صاعقه به مجاورت خط بر حسب فاصله محل صاعقه از خط را
نشان ميدهد. مشاهده ميگردد كه هر چه فاصله محل اصابت صاعقه
به خط نزدیكتر باشد دامنه اضافه ولتاژهاي القایي روي خط
افزایش ميیابد. معمولا اصابت صاعقه در فاصله كمتر از 100 متر
از خط، ميتواند ایزولاسیون تجهیزات شبكههاي توزیع را تهدید
كند. بنابراین حتي اگر احتمال برخورد مستقیم صاعقه با خط
كم باشد ولي منطقه مورد نظر صاعقه خیز باشد باید از وسایل
حفاظتي مثل برقگيرها براي محدود كردن دامنه اضافه ولتاژهاي
القایي در شبكه قدرت استفاده كرد. از طرف دیگر چون طول
خطوط توزیع در مقایسه با خطوط انتقال كم ميباشد لذا3
استهلاك و كاهش دامنه موج اضافه ولتاژ در هنگام انتشار موج
در طول خط و همچنين تحت تأثير پدیده كرونا ناچیز است.
از آنجا كه دامنه اضافه ولتاژهاي كلیدزني به مقدار سطح
ولتاژ شبكه بستگي دارد لذا این نوع اضافه ولتاژها بیشتر در
شبكههايHV وEHV رایج ميباشد ولي در شبكههاي توزیع و فوق
توزیع نیز (بخصوص كلیدزني خازني) ميتواند مشكل ساز شود.
بطور كلي، براي شبكههاي توزیع اضافه ولتاژهاي ناشي از
اصابت مستقیم ویا غير مستقیم صاعقه مهمترین عامل تهدید و
نگراني هستند به همين دلیل در طراحي سطح عایقي تجهیزات
شبكههاي توزیع، این نوع اضافه ولتاژها ملاك ميباشند[1،4].
3ـ تعيين شعاع حفاظتي برقگيرهايZnO
3ـ1ـ مدلسازي تجهيزات شبكه توزيع
براي شبیهسازي باید تجهیزات شبكه توزیع مثل
ترانسفورماتورهاي توزیع، برقگيرها، خطوط هوایي، كابلها و
سایر تجهیزات مدلسازي شوند. در میان تجهیزات فوق،
ترانسفورماتورها و برقگيرها از اهمیت بیشتري برخوردارند.
اصولا براي مطالعات امواج با شیب پیشاني تند (امواج صاعقه
و كلیدزني)، ترانسفورماتورها را با خازن مدل ميكنند. مدل
برقگير ZnO براي مطالعات صاعقه به صورت مدل فركانسي مطابق
شكل(2) در نظر گرفته ميشود كه هماهنگي زیادي با رفتار
واقعي برقگيرهاي ZnO دارد [1].
پارامترهاي مدل از روابط (2) بدست ميآیند:
كه در آن، d طول برقگير بر حسب متر، n تعداد ستونهاي موازي
L0 اندوكتانس مغناطیسي
متشكل از دیسكهاي اكسید فلزي (ZnO)،
ناشي از میدانهاي مجاور برقگير یا اندوكتانس حلقه شامل
ترانسفورماتور و برقگير، R0 براي پایدار سازي محاسبات
انتگرالگيري و C ظرفیت خازني دو سر برقگير ميباشد. مشخصات
A0 وA1 ) را ميتوان از روي مقادیر ولتاژـ جریان
) ،V-I غيرخطي
برقگير كه توسط سازنده داده ميشود تخمين زد.
3ـ2ـ تعيين برد حفاظتي برقگير ZnO
3ـ2ـ1ـ تعيين شعاع حفاظتي برقگيرZnO در خطوط هوايي
شبكه20kV هوایي به طول 2km مطابق شكل(3) براي شبیهسازي
در نظر گرفته و فرض ميشود كه صاعقه به ابتداي خط اصابت
كرده و برقگير در انتهاي خط نصب شده است. منبع اضافه ولتاژ
بصورت موج ضربه صاعقه تك اصابتي (1.2/ 50μs) با شیب 200 kV / ms
و دامنه 250kV در نظر گرفته شده است. 4
پس از اجراي برنامه، شكل موجهاي ولتاژ گرههاي مختلف شكل
(3) برحسب نوع هادي خط بصورت شكل (4) بدست ميآید. با توجه
به شكل موج ولتاژ در نقطه A در فاصله 130 متري از برقگير و
اینكه مدت زمان دوام ولتاژ با دامنه بیش از125 kV (ولتاژ
استقامت سیستم 20kV) كمتر از 2 میكروثانیه (حداقل زمان لازم
براي یونیزه شدن هوا) ميباشد، ميتوان دید كه برقگير مذكور
توانسته ولتاژ در فاصله بیش از 130 متري خود را در حد قابل
قبول محدود كند. بنابراین شعاع حفاظتي برقگير مذكور بیش از
130 متر ميباشد. با تكرار شبیهسازي فوق براي انواع مختلف
هاديها مشاهده شده كه شعاع حفاظتي برقگير به نوع هادي بستگي
ندارد و مقدار آن در حدود 160 متر ميباشد.
3ـ2ـ2ـ تعيين حوزه حفاظتي برقگير در شبكه كابلي
شبكه 20kV با خط كابلي به طول 1km مطابق شكل(5) براي
شبیهسازي در نظر گرفته ميشود و فرض ميشود كه صاعقه به
ابتداي خط اصابت كرده و برقگير در انتهاي خط نصب شده است.
امپدانس موجي خط هوایي(Z L) برابر 350 اهم و امپدانس موجي
ZC ) برابر 45 اهم در نظر گرفته شده است (كابل كلاس A و
كابل(
با سطح مقطع 50 میلیمتر). منبع اضافه ولتاژ مطابق حالت
قبلي (موج ولتاژ 1.2 /50 با دامنه 250kV) است.
پس از اجراي برنامه، منحنيهاي ولتاژ گرههاي مختلف شبکه
شكل(5) بصورت شكل(6) بدست ميآید. با توجه به توضیحات قبلي
ميتوان دریافت كه شعاع حفاظتي برقگير مذكور براي خطوط كابلي
در حدود 50 متر ميباشد. و این بدان معني ميباشد كه اگر طول
كابل كمتر از 50 متر باشد، آنگاه با نصب برقگير در یك سر
كابل ميتوان هم كابل و هم ترانسفورماتور و تجهیزات نصب شده
در سر دیگر كابل را محافظت كرد. با تكرار شبیهسازي براي
كابلهاي دیگر (با كلاسها و سطح مقطعهاي متفاوت) و همچنين
تغیير محل اصابت صاعقه به خط كابلي، ملاحظه شد كه موج ضربه
قبل از رسیدن به برقگير در انتهاي كابل، در سطح 60kV محدود
شده و نیز در شين A5 به فاصله 50 متري از انتهاي كابل، دوام
موج اضافه ولتاژ با دامنه بالاتر از 100kV، كمتر از 2µsec
ميباشد و مقدار حداكثر آن به 102kV ميرسد. بنابراین برقگير
فوق داراي شعاع حفاظتي معادل 50 متر بوده و نوع كابل و سطح
مقطع آن تأثير چنداني بر مقدار شعاع حفاظتي فوق ندارند.
3ـ2ـ3ـ بررسي حوزه حفاظتي برقگير در شبكه تركيبي
شبكه20kV تركیبي شكل (7) شامل كابل با طول 1km و خط هوایي
به طول 250m در نظر گرفته ميشود. دو برقگير در دو سر كابل
قرار گرفته و صاعقه به ابتداي خط هوایي اصابت كرده است.
نتایج شبیهسازي براي كابل كلاسC با سطح مقطع 50mm بصورت
شكل(8) ميباشد.
همانطور كه از منحنی هامشاهده ميشود، دامنه موج ضربه پس
از رسیدن به برقگير در ابتداي كابل، در سطح 80kV محدود شده5
است و ولتاژ A2 در فاصله250 متري از برقگير اول نیز در حدود
80kV محدود شده است. قابل ذكر است كه نوع كابل و سطح مقطع
آن تأثير ناچیزي روي دامنه اضافه ولتاژها دارد. با توجه به
منحنيهاي بدست آمده، جهت حفاظت كابلها در شبكههاي تركیبي
باید در هر دو انتهاي آا برقگير نصب نمود تا از ورود موج
ضربه به داخل كابل جلوگيري شود.
4ـ تعيين مكانهاي بهينه نصب برقگيرها در شبكه توزيع نمونه
در اكثر شبكههاي توزیع با توجه به تغیيرات شبكه پس از
احداث آن، شعاع حفاظتي برقگيرهاي شبكه در نظر گرفته نميشود و
به منظور افزایش قابلیت اطمینان، براي هر تجهیز
(ترانسفورماتور) بطور جداگانه برقگير نصب ميشود. اما در بخش
قبلي مشاهده شد كه برقگيرها ميتوانند دامنه اضافه ولتاژها
را تا یك شعاع معیني محدود كنند. بنابراین ميتوان با جایابي
مناسب برقگيرها در شبكه، تعداد آا را بدون آنكه از قابلیت
اطمینان شبكه بطور جدي كاسته شود، كاهش داد. از اینرو
باید شبكه قدرت به منظور تعیين مكانهاي مناسب و بهینه براي
نصب برقگيرها مورد تجزیه و تحلیل قرار گيرد. در ادامه مكانهاي
مناسب براي نصب برقگيرها در یك شبكه توزیع نمونه (شبكه 123
شینه IEEE) بر اساس شعاع حفاظتي برقگيرها تعیين ميشود.
شبكههاي توزیع معمولا بصورت غربالي یا حلقوي طراحي و
بصورت شعاعي بهره برداري ميشوند. یكي از مزایاي مهم
شبكههاي شعاعي، سادگي هماهنگي عایقي (حفاظتي) آا است. در
اینجا نیز از شعاعي بودن شبكههاي توزیع براي تهیه
الگوریتمهاي تعیين مكااي بهینه نصب برقگير استفاده ميشود.
با توجه به مشخصات و ساختار شبكه توزیع (موقعیت گرهها و
طول شاخهها) و تجهیزات متصل به گرهها و همچنين با توجه به
اهمیت تجهیزات و بر اساس شعاع حفاظتي برقگير، مكااي مناسب
جهت نصب برقگيرها مشخص ميشوند بطوري كه تمام تجهیزات مورد
نظر تحت حفاظت برقگيرها قرار بگيرند.
از شبكه نمونه هوایي 123 شینه IEEE مطابق شكل (9) براي
تعیين مكااي مناسب نصب برقگيرها استفاده شده است. جایابي
براي برقگير (ZnO) با شعاع حفاظتي 150 متر براي خطوط هوایي
انجام شده است (در عمل با توجه به استانداردها و شرایط
جغرافیایي منطقه و همچنين نتایج حاصل از شبیهسازيهاي
كامپیوتري انجام شده براي خطوط مختلف, مقدار شعاع حفاظتي
برقگير تا 200 متر نیز پیشنهاد مي شود). با در نظر گرفتن
فاصله بين گرهها و تجهیزات متصل به هر گره، تقریباً 70 گره
از كل گرههاي شبكه مفروض در حالت متداول (حالتي كه براي هر
تجهیز بطور جداگانه برقگير نصب شود) نیاز به برقگير دارند.
اما با در نظر گرفتن شعاع حفاظتي برقگيرهاي مجاور (در اینجا
150متر)، تعداد گرههایي كه نیاز به برقگير دارند تقریباً به
50 گره كاهش ميیابد.
5ـ نتيجهگيري 6
هدف اصلي این مقاله, بررسي و تحلیل جهت تعیين شعاع حفاظتي
برقگيرها براي حفاظت تجهیزات شبكههاي توزیع در برابر اضافه
ولتاژها (بخصوص ناشي از اصابت صاعقه) بود. با توجه به
شبیهسازيهاي انجام شده, شعاع حفاظتي برقگير (با مشخصات معين)
در شبكههاي توزیع هوایي و كابلي و تركیبي بدست آمد.
شبیهسازيها نشان دادند كه حوزه حفاظت برقگير در خط هوایي
معادل 160 متر ميباشد و این مقدار با توجه به شرایط شبكه و
مشخصات برقگير, تا 200 متر نیز ميتواند افزایش یابد. همچنين
حوزه حفاظت برقگير در خط كابلي معادل 50 متر ميباشد. در
ادامه شبیهسازيها مشاهده شد كه در شبكههاي تركیبي و
كابلهاي واصل خطوط هوایي، هر دو سر انتهایي كابل ملزم به
نصب برقگير ميباشند. همچنين مشاهده شد كه با در نظر گرفتن
شعاع حفاظتي برقگيرها، تعداد برقگيرهاي شبكه بطور قابل
ملاحظهاي كاهش ميیابد و بدون آنكه از قابلیت اطمینان شبكه
كاسته شود، با كاهش برقگيرهاي شبكه صرفه جویي اقتصادي قابل
ملاحظهاي صورت ميگيرد.
رمز: sim-power.ir
