روش ترکیبی جدید جهت کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور

Transcript

1 2 روش ترکیبی جدید جهت کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور ۲ ۱ بهروز پورمند محمدباقر بناءشريفيان 1 دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه تبریز behrozpormand@yahoo.com دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه تبریز sharifian@tabrizu.ac.ir چکیده - یکی از مشکلات در ترانسفورماتورهاي با هسته اشباع شونده جریان هجومی است که صدمات بسیاري را به تجهیزات وارد کرده و باعث کاهش عمر مفید آنها و همچنین صدمه به خود ترانسفورماتور میگردد. ضمنا تمهیداتی براي سیستم حفاظتی باید در نظر گرفت تا در موقع بروز جریان هجومی سیستمهاي حفاظتی عمل نکنند. کلیه موارد فوق باعث میگردند تا کاهش جریان هجومی در ترانسفورماتور به روشهاي مختلف زمینهه يا مطالعاتی بیشتر محققان این مورد باشد.در روش پیشنهادي مقاله حاضر ابتدا یک فاز برقدار شده سپس دو فاز دیگر نیز با فاصله زمانی کوتاهی برقدار میشوند. در مرحله بعد با استفاده از یک مقاومت و ادوات الکترونیک قدرت سري در نقطه نول جریان هجومی به حداقل میرسد. به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادي ترانسفورماتور 72/1/8 kv 450MVA Y/Δ براي شبیهسازي مورد استفاده قرار گرفته و روش پیشنهادي با روشهاي قبلی مقایسه میگردد. شبیهسازي مدل توسط نرمافزار Matlab/Simulink انجام شده و نتایج شبیهسازي براي جریان هجومی بصورت گرافیکی با روشهاي قبلی مقایسه شده است. کلید واژه- استراتژي کلیدزنی جریان هجومی شار مقدمه 1- ترانسفورماتورها یکی از گرانترین و مهمترین اجزاي سیستمهاي قدرت میباشند و با توجه به کاربرد زیاد آنها بایستی اثرات کلید زنی و جریان هجومی در آنها مورد توجه قرار گیرد. این جریان تاثیرات مخربی در ترانسفورماتورها ایجاد میکند و میتواند باعث خطا در عملکرد رله هاي حفاظتی و فیوزها شده و همچنین سبب تسریع در پیر شدن عایق و کاهش عمر مفید ترانسفورماتور و ایجاد تنشهاي شدید مکانیکی بین اجزاي داخلی ترانسفورماتور خواهد شد اثر وصل در [1-]. اولیه سمت بریکر ترانسفورماتورهاي قدرت بهدلیل خاصیت غیرخطی هسته و وجود پسماند در آن جریانهایی با شیب تند و دامنه بسیار زیاد از شبکه کشیده میشود. این جریانهاي هجومی نامتقارن با دامنه بالا و داراي یک طیف هارمونیکی وسیع شامل هارمونیکهاي زوج و فرد میباشند [4]. در چند دهه اخیر به منظور محدود کردن جریان هجومی چندین روش پیشنهاد شده است گذاشتن مقاومت روش اول سري در مسیر بریکر در طرف ستاره ترانسفورماتور مثلث-ستاره و یا نقطه زمین ستاره ترانسفورماتور [6-5] و روش دوم کنترل [7-16] فازها کلیدزنی لحظه و روش سوم استفاده از ادوات الکترونیک قدرت [17-19] میباشد. در روش اول یک مقاومت بصورت سري در قسمت اولیه (مرکز سمت ستاره) قرار داه می- شود این مقاومت اثر میراکننده بر جریان هر فاز دارد. نتایج عملی و محاسباتی حاصل از این روش موجب کاهش درصدي جریان هجومی میشود [1]. در روش دوم کاهش جریان هجومی بوسیله محاسبه پسماند و شار فازها و بدست آوردن نقطه مناسب جهت کلید زنی ترانسفورماتور میباشد و روش سوم با استفاده از تجهیزات الکترونیک قدرت در مسیر سري با ترانسفورماتور جریان هجومی کاهش مییابد[ 17-19]. در این مقاله از ترکیب هر سه روش جهت کاهش جریان هجومی استفاده می شود که در بخش نتایج موثر بودن این روش مورد تایید قرار می گیرد. -2 استراتژي کلیدزنی بهتر است قبل از همه بدلیل اهمیت کلید زنی استراتژي هاي مختلف کلید زنی معرفی گردند [ و 17]: الف- استراتژي کلیدزنی سریع ب- استراتژي کلیدزنی همزمان ج- استراتژي کلیدزنی با تاخیر 60

2 در استراتژي با کلید زنی سریع ابتدا یک فاز برقدار می شود سپس دو فاز دیگر در یک چهارم سیکل بعد بسته می شوند که این استراتژي بدلیل عدم کارایی مورد استفاده قرار نمی گیرد. در استراتژي کلیدزنی همزمان هر سه فاز بصورت همزمان کلیدزنی می شوند[ 15 ]. اما بهترین استراتژي کلیدزنی استراتژي کلیدزنی با تاخیر می باشد. در این استراتژي پس از اینکه یک فاز از ترانسفورماتور کلیدزنی می شود شار پسماند در دو فاز دیگر به سرعت بوسیله تعادل شار در هسته از بین می رود. یعنی اگر یک فاز برقدار شد پس از چند سیکل(حدود -2 سیکل) شار پسماند دو فاز دیگر قابل صرف نظر کردن است و می توان دو فاز دیگر را وصل نمود [14]. شکل( 1 ) مدار نمونه با نقطه نول زمین شده را نشان می دهد. استفاده از استراتژي کلیدزنی با تاخیر میتواند باعث کاهش جریان هجومی شود ولی استفاده از استراتژي کلیدزنی با تاخیر خود به تنهایی تاثیر چشمگیري در کاهش جریان هجومی ندارد. با توجه به شکل () ترکیب این استراتژي با روش گذاستن یک مقاومت بصورت سري با نقطه زمین ستاره زمین شده ترانسفورماتور (یک مقاومت 50 اهمی در نقطه نول ستاره زمین شده) جریان هجومی از 800 آمپر در استراتژي کلیدزنی همزمان به حدود 540 آمپر کاهش پیدا می کند که این مدار در شکل( ) آمده است و شکل (4) صحت کاهش 260 آمپري جریان هجومی را نشان می دهد. شکل( 1 ): مدار ترانسفورماتور نمونه با نقطه نول زمین شده روش پیشنهادي شکل( ): مدار مربوبوط به استفاده ترکیبی از استراتژي کلیدزنی همزمان و روش گذاشتن یک مقاومت 50 اهمی بصورت سري با نقطه زمین ستاره زمین شده ترانسفورماتور - در روش پیشنهادي ترکیب استراتژي کلیدزنی با تاخیر و روش اول یا همان گذاشتن یک مقاومت بصورت سري با نقطه زمین ستاره زمین شده ترانسفورماتور و استفاده از ادوات الکترونیک قدرت باعث کاهش چشمگیر جریان هجومی می شود. جهت بررسی بیشتر با توجه به استراتژي کلیدزنی همزمان جریان هجومی بصورت شکل (2) بدست می آید. شکل( 2 ): جریان سه فاز و فلو در استراتژي کلیدزنی همزمان شکل( 4 ): شکل موج جریان هجومی با استفاده ترکیبی از استراتژي کلیدزنی همزمان و روش گذاستن یک مقاومت 50 اهمی بصورت سري با نقطه زمین ستاره زمین شده ترانسفورماتور 61

3 2 1 cos( t ) cos( t) (6) 2 t k k 0,1,2,,4,... یک اصل مهم و اساسی براي حذف جریان هجومی جلوگیري از همانطوریکه در شکل (4) دیده می شود جریان هجومی باز مقدار قابل توجهی دارد لذا با استفاده از روش پیشنهادي که یک روش ترکیبی با استفاده از استراتژي کلیدزنی با تاخیر و روش گذاشتن یک مقاومت بصورت سري با نقطه زمین ستاره زمین شده ترانسفورماتور و همچنین استفاده از روش قرار دادن ادوات الکترونیک قدرت مقدار قابل توجهی از جریان هجومی کاهش پیدا می کند. بدین صورت که با استفاده از استراتژي کلیدزنی با تاخیر لحظه وصل دو فاز در زمان مشخصی (در فاصله 2 تا سیکل) پس از برقدار شدن فاز اول صورت میگیرد که زمان دقیق آن با توجه به مرجع [14] از رابطه (1) تا (5) بدست می آید: a m cos( t) (1) در رابطه 2 b m cos( t ) 2 c m cos( t ) (1) منظور از شار مورد انتظار در هر یک از فازها است که از انتگرال گیري ولتاژ قبل از بریکر بدست می آید. لحظه کلیدزنی فاز اول بر مبناي برابر شدن مقادیر شار پسماند و شار مورد انتظار در آن است. در صورتی که شار واقعی هسته در هر یک از فازها باشد شار واقعی فاز a از رابطه زیر (2) بدست خواهد آمد: a m cos( t) (2) رابطه () قانون بقاي شار در هسته ترانسفورماتور را نشان می دهد: a b c 0 () با وصل شدن فاز اول با توجه به رابطه () شارهاي پسماند دو فاز دیگر از بین می رود و شارهاي واقعی و پسماند پس از چند سیکل بر همدیگر منطبق می شوند و شارهاي واقعی بصورت رابطه (4) می شوند: m b c cos( t) 2 (4) بهترین نقطه کلیدزنی زمانی است که شار واقعی و شار مورد انتظار دو فاز b و c برابر و بصورت رابطه (5) باشد: b, c b, c (5) با توجه به روابط (4) و (5) بهترین زمان کلیدزنی فازهاي b و c از رابطه (6) بدست می آید: به وجود آمدن شار نامتقارن در هسته است. باید شار مورد انتظار برابرشار پسماند در زمان برقدار کردن ترانسفورماتور باشد لذا بهترین زمان کلیدزنی با توجه به شکل (5) دو نقطه 1 و 2 است. شکل (5): بهترین نقاط برقدار کردن ترانسفورماتور این دو نقطه در حدود 60 درجه و 120 درجه است. در مدار پیشنهادي دو تریستور موازي در نقطه نول اتصال ستاره ترانسفورماتور با یک مقاومت 50 اهمی (که کار میراکنندگی جریان هجومی را انجام می دهد) بصورت سري بسته می شود و زوایاي سوي یچ تریستورها 60 و 120 درجه انتخاب می گردند. شکل (6) مدار مورد نظر را نشان می دهد. (7) در شکل نشان داده شده است. شکل (6): مدار پیشنهادي جریان هجومی بدست آمده از روش پیشنهادي 62

4 جدول (١): مقايسه حالت هاي مختلف راه اندازي ترانسفورماتور و جريان 800 آمپر 750 آمپر 570 آمپر 540 آمپر 240 آمپر هجومي ا نها راهاندازي ترانسفورماتور در حالت وصل کلید ها در زمان صفر راهاندازي ترانسفورماتور در حالت کلیدزنی با تاخیر راهاندازي ترانسفورماتور در حالت کلیدزنی با همزمان و قرار دادن مقاومت 50 اهمی در نقطه نول راهاندازي ترانسفورماتور در حالت کلیدزنی با تاخیر و قرار دادن مقاومت 50 اهمی در نقطه نول راهاندازي ترانسفورماتور به روش پیشنهادي 1-4- نحوه ارجاع به منابع مورد استفاده مراجع [1] Seo, H.C.; Kim, C.H., The analysis of power quality effects from the transformer inrush current: A case study of the Jeju power system, Korea, Power and Energy Society General Meeting -Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE, vol., no., pp.1-6, July [2] Li-Cheng Wu; Chih-Wen Liu; Shih-En Chien; Ching-Shan Chen, The Effect of Inrush Current on Transformer Protection, Power Symposium, NAPS th North American, vol., no., pp , Sept [] Steurer, M.; Frohlich, K., The Imp of Inrush Currents on the Mechanical Stress of High-Voltage Power Transformer Coils, Power Engineering Review, IEEE, vol.21, no.10, pp.64, Oct [4] Winders, John (2002). Power Transformer Principles and Applications. [5] Yu Cui; Abdulsalam, S.G.; Shiuming Chen Wilsun Xu, A sequential phase energization technique for transformer inrush current reduction - Part I: Simulation and experimental results, Power Delivery, IEEE Transions on,vol.20,no.2, pp ,apr [۶] شکل (7): جریان هجومی بدست آمده از روش پیشنهادي 4- نتیجهگیري با توجه به مطالب اراي ه شده در بخش اگر از سه روش استراتژي کلیدزنی با تاخیر و گذاشتن یک مقاومت بصورت سري با نقطه زمین ستاره زمین شده ترانسفورماتور و استفاده از ادوات الکترونیک قدرت بطور همزمان براي کاهش جریان هجومی استفاده شود جریان هجومی بطور قابل ملاحظهاي کاهش می یابد بطوریکه در این مقاله جریان هجومی از حدود 800 آمپر در حالت وصل عادي بریکرها به حدود 240 آمپر کاهش می یابد و کاهش 560 آمپري کارآمدي روش پیشنهادي را تایید می نماید. جدول (1) مقایسه حالت هاي مختلف راه اندازي ترانسفورماتور و جریان هجومی هر کدام را نشان می دهد. ع جمدارزنوزق م عزيزيان "کاهش جريان هجومي ترانسفورماتور سه فاز با مقاومت خنثي بهينه با روش برقدار کردن ترتيبي فازها" بيست و چهارمين کنفرانس برق ۱۳۸۸. [7] Brunke, J.H.; Frohlich, K.J., Elimination of transformer inrush currents by controlled switching. II. Application and performance considerations, Power Delivery, IEEE Transions on, vol.16, no.2, pp , Apr [8] Brunke, J.H.; Frohlich, K.J., Elimination of transformer inrush currents by controlled switching. I. Theoretical considerations, Power Delivery, IEEE Transions on, vol.16, no.2, pp , Apr [9] Chiesa, N.; Høidalen, H.K., Novel Approach for Reducing Transformer Inrush Currents: Laboratory Measurements, Analytical Interpretation and Simulation Studies, Power Delivery, IEEE Transions on, vol.25, no.4, pp , Oct [10] Cheng, C.K.; Liang, T.J.; Chen, J.F.; Chen, S.-D.; Yang, W.H., Novel approach to reducing the inrush current of a power transformer, Electric Power Applications, IEE Proceedings, vol.151, no., pp , 8 May [11] Asghar, F.F.A.; Basu, K.P.;, Reduction of three-phase transformer magnetizing inrush current by use of point on wave switching, IEEE Student Conference on, vol., no., pp , Nov

5 [12] Oliveira, J.C.; Tavares, C.E.; Apolonio, R.; Vasconcellos, A.B.; Bronzeado, H.S., Transformer Controlled Switching to Eliminate Inrush Current - PartI: Theory and Laboratory Validation, Transmission &Distribution Conference and Exposition: Latin America, TDC '06. IEEE/PES, vol.,no.,pp.15-18aug [1] Bronzeado, H.S.; Pinto, S.O.; Jonsson, P.; de Oliveira, J.C.; Chaves, M.L.R., Transformer Controlled Switching to Eliminate Inrush Current - PartII: Field Tests on a 100MVA Three-phase Transformer, Transmission & Distribution Conference and Exposition: Latin America, TDC '06. IEEE/PES, vol., no., pp. 1-7, Aug [ ١۴ ]م عباسي م دولتشاهي م کيوانفرد ع داوري "اراي ه يک روش پيشنهادي کليدزني به منظور کاهش جريان هجومي ترانسفورماتور" بيست و ششمين کنفرانس برق ۱۳۹۰. [15] Novak, M., Elimination of three-phase transformer inrush current through core forced magnetization and simultaneous closing, Applied Electronics (AE), 2010 International Conference on, vol., no., pp.1-4, 8-9 Sept [16] Ketabi, A.; Hadidi Zavareh, A.R., New method for inrush current mitigation using series voltage-source PWM converter for three phase transformer, Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), nd, vol., no., pp , Feb [17] Abapour, M.; haqh, M.T., A Non-Control Transformer Inrush Current Limiter, Industrial Technology, ICIT IEEE International Conference on, vol., no., pp , Dec [18] Juei-Lung Shyu, A Novel Control Strategy to Reduce Transformer Inrush Currents by Series Compensator, Power Electronics and Drives Systems, PEDS International Conference on, vol.2, no., pp , July [19] Yu Cui, S. G. Abdulsalam, S. Chen, A Sequential Phase Energization Technique for Transformer Inrush Current Reduction Part I: Simulation and Experimental Results, IEEE Transions on Power Delivery, vol. 20, no. 2, April