تشخیص خطای تک فاز به زمین استاتور در ژنراتورهای ولتاژ باالی کابلی ) powerformer

Transcript

1 2 2 1 حسن براتی علی بچاری صالح 1 گروه برق واحد اهواز دانشگاه آزاد اسالمی اهواز ایران ali_bacharisaleh@yahoo.com استادیار گروه برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد دزفول دزفول ایران barati216@gmail.com ( تشخیص خطای تک فاز به زمین استاتور در ژنراتورهای ولتاژ باالی کابلی ) powerformer چکیده - پاورفورمرها نسل جدیدی از ژنراتورهای AC هستند که از تلفیق ماشینهای الکتریکی و کابلهای قدرت ساخته شده اند که نسبت به ژنراتورهای معمولی دارای برتریهای زیادی هستند و قادرند تا ولتاژ 44 کیلو ولت را تولید کنند..از آنجا که متداولترین خطا در مولدها خطای اتصال زمین است مطالعات فراوانی در زمینه انجام شده است اما روشی مبتنی بر محاسبه جریان های نشتی بسیار ساده بوده و قادر است مولد سالم را از مولد خطا دار تشخیص دهد که در این پروژه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی نشان میدهد این روش قادر است خطا را حتی اگر با مقاومت ده کیلو اهم زمین شده باشند تشخیص دهد. كليد واژه- ژنراتورهای کابلی جريان نشتی حفاظت خطای تکفاز به زمين استاتور مدار توالی صفر 1- مقدمه تلفیق فناوری ماشینهای الکتریکی و کابلهای قدرت در سال های پایانی قرن بیستم منجر به پیدایش نوع جدیدی از این ماشینها با قابلیت های منحصر به فردی شد. در سال 1991 اولین نمونه از ژنراتورهای کابلی با نام تجاری Powerformer توسط کمپانی ABB ساخته شد [1]. مزیت اصلی ژنراتورهای کابلی نسبت به ژنراتورهای معمولی در سطح ولتاژ پایانه ای آن میباشد. این ژنراتورها قادر به تولید توان در سطح ولتاژ شبکه قدرت هستند و این به منزله حذف ترانسفورماتور افزاینده از ساختار نیروگاه ها است. مزایای ژنراتورهای کابلی به حدی است که از این پس استفاده از انها بعنوان گزینه های قابل تامل در ساخت واحدهای جدید و احیای واحدهای فرسوده باید مورد توجه قرار گیرد.در این مقاله ضمن بررسی اجمالی ساختار و برشماری مزایا و معایب ژنراتورهای کابلی پتانسیل بکارگیری از آنها در شبکه برق ایران مورد بررسی قرار گرفته است [2]. متدی بر اساس جهت جریان برق توالی صفر در [3] مطرح شده است و میتواند %111 پوشش از عیب یابی برای سیم پیچ های استاتور پاورفرمر را فراهم آورد. اما تساوی ظرفیت خازنی در سیم پیچ پاورفرمر توسط خازن با %1 در ترمینال فاز و %1 در نقطه ی خنثی ارائه شده است.این فرضیه برای مواردی مناسب است که خازن که بطور مساوی توزیع شده است مانند سیم انتقال و سیمپیچ ژنراتور متداول. با این حال این امر به خطاهایی برای آنالیز سیم پیچ استاتور پاورفرمر منجر خواهد شد [4]. که درواقع خازن سیم پیچ همراه با سیمپیچ استاتور بهطور مساوی در آن توزیع نشده است. در ویژهگیهای خطا برای پاورفرمر تا حدی متفاوت از ویژهگی خطا ژنراتورهای سنتی میباشد متفاوتی برای ژنراتور رایج طراحی شده است. امروز طرحهای تشخیص زمین مشخص است که حفاظت 87G در حفاظت ژنراتور مناسب برای خطای فاز به فاز است. گاها حفاظت 87 GN برای برخی از خطاهای زمین ( تک فاز به زمین ) استاتور یک ژنراتور استفاده میگردد وابسته به این که ژنراتور چگونه زمین شده است. دو نوع شیوه زمین کردن امروزه برای ژنراتور های است. اتصال به زمين پر تنش ( با مقاومت کم ) اتصال به زمين با مقاومت باال متوازی رایج برای شیوه اتصال به زمین پر تنش سطح جریان خطای زمین ( سطح اتصال کوتاه ) موجود باالست. بنابراین حفاظت اغلب قادر است تا حفاظت کاملی از سیم پیچ فاز استاتور را برای بیشتر خطاهای زمین ایجاد کند اما تشخیص خطاهای زمین شدن با مقاومت باال یا خطاهای نزدیک به بیرون ژنراتور را نمیتواند تشخیص دهد در حالت اتصال به زمین با مقاومت باال جریان خطای زمین به سطوح بسیار پایین محدود است که حفاظت نمی تواند خطای فاز به زمین را تشخیص دهد. 1

2 شکل 1. مدل سیستم 2- اصول حفاظت در طرح ارایه شده بنابراین این کار ( شیوه ارائه شده در مقاله ) روشی است برای حفاظت زمین حساس در ژنراتورها. یک حفاظت ساده ولتاژ زیاد 59G طراحی شده است تا به فرکانس نامی ولتاژ توالی صفر حساس باشد و نسبت به ولتاژ های هارمونیک سوم و باالتر غیر حساس باشد. این حفاظت میتواند خطاهای تک فاز به زمین را در درصد کمی تا انتهای سیم پیچ تشخیص دهد. در کل رله برای شناسایی خطاها در نقطه صفر یا نزدیک به آن مناسب نیست. وقتی که خطای تک فاز به زمین در استاتور یک مولد رخ میدهد هر ژنراتوری که با مولد دارای خطا موازی باشد همان ولتاژ را خواهد داشت در طرحهای قبلی که از فرکانس نامی توالی صفر استفاده میکنند سیگنال های ولتاژ هارمونیک سوم نمی توانند شناسایی کنند که کدام مولد دارای خطاست.در طرح تزریق ولتاژهای زیر هارمونیک جریان از طریق خازنهای سیم پیچ استاتور به زمین وقتی که خطای فاز به زمین رخ میدهد خازنها اتصال کوتاه شده و فراوانی جریان ها افزایش مییابد. این تغییرات جریانی توسط رله احساس میشود با این حال این طرح معایب برخی از دستگاه های ولتاژ باالی اضافی را نشان میدهد و عیب دیگر آنکه نمی توان حفاظت خطای زمین انتخابی را برای ژنراتور ها کسب کرد در پاورفورمر وقتی یک فاز زمین میشود همه پاورفورمرهایی که با پاورفورمر خطادار موازی هستند دارای افت ولتاژ یکسان در فاز زمین شده میباشند.یک راه حل و راه کار قابل اعتماد برای حفاظت ازخطای استاتور تک فاز به زمین برای پاورفرمر همراه با قابلیت انتخاب هنوز یافت نشده است.یعنی حفاظتی که عالوه بر تشخیص خطا مولد خطادار را نیز تعیین کند. در این اینجا یک طرح برجستهی محافظت از خطای استاتور تک فاز اتصال به زمین بر اساس جهت جریانهای نشتی خطای توضیح داده شده است. در ادامه مدل خطای استاتور تک فاز به زمین از پاورفرمر به منظور آنالیز خطا برقرار میشودو ویژهگی این خطای آنالیز میشود و معیاری برای آنها مطرح میشود. سرانجام آزمون های شبیه سازی گسترده برای تصدیق طرح پیشنهاد شده انجام میشوند. شکل 1. یک سیمکشی که ژنراتورها همراه با مقاومت باال مستقیما به باس سیستم بدون هیچ میشود. ترانس افزاینده ایی وصل زمانیکه خطای یک استاتور تک فازاتصال به زمین روی میدهد میتوان فرض نمود که ولتاژ توالی صفر U به نقطهی اضافه میشوند. خطای ولتاژ توالی صفر را میتوان از ولتاژ ترانس اتصال به شین اصلی بدست آورد. تحت شرایط عادی ولتاژ اساسی توالی صفر به علت بارهای نامتعادل سیستم پیکاپ رله اضافه ممکن است برابر با صفر نباشد. پس ولتاژ باید فوق ولتاژ اساسی توالی صفر نرمال تنظیم شود. برای حذف در خالل عملیات نرمال مولفه ی خطای ولتاژ توالی صفر ΔU از جمله ولتاژ اساسی و ΔU 1 ولتاژ هارمونیک سوم ΔU 3 توسط اختالف و تفاوت ولتاژ توالی صفر در طول شرایط عادی و در طول خطای اتصال به زمین در سیم پیچ استاتور ژنراتور تغذیه میشود که میتوان آن را از معادالت زیر محاسبه نمود: ΔI =I (n) I.(n-t) (1) n زمان نمونه در رله دیجیتال است T دوره ی تناوب سیستم است ms( 2 زمانیکه فرکانس سیستم 5Hz میباشد(. ΔU جریان نشتی ΔI را ( تفاوت بین مولفه ی خطای جریانهای توالی صفر در نقطه ی خنثی پاورفرمر و ترمینال هایش( به توجه به خازن سیم پیچ استاتور ژنراتور به زمین تولید میکند از جمله مولفهی اساسی جریان توالی صفر مولد k ما ΔI و مولفهی هارمونیک سوم جریان توالی صفر مولد k ما همچنین جهت مثبت ΔI از شین اصلی به تعریف میگردد[ ]. ΔI 3 است و سمت پاورفرمر 2

3 و 2 اولین کنفرانس ملی مهندسی برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد لنگرود 3- وقوع خطا زمانیکه یک خطای تکفاز به زمین در پاورفرمر 1 روی میدهد مدار معادل مولفهی خطای توالی صفر را میتوان در شکل 2 نشان داد. C g1 C g2 C gj بهترتیب معادل توالی صفر خازن توزیع شده ی پاورفرمر 1 C t هستند. J توالی صفر سیستم خارجی میباشد. اتصال به زمین است. خنثی است. خازن توزیع شدهی معادل R g I f جریان خطا میباشد. مقدار مقاومت خطای R n مقدار مقاومت همانطور که مشخص است عایق مدرج در سیم پیچ پاورفرمر اتخاذ شده است که منجر به ضخامتهای مختلف کابل در بخش های گوناگون سیم پیچ و لذا توزیع نابرابر خازن میشود[ 6 ]. لذا خازن سیمپیچ به دو بخش تقسیم میشود. یک بخش PC g از کل خازن فاز اتصال به زمین از سیم پیچ C g1 را میتوان با ولتاژ در انتهای خنثی سیم پیچ فاز مرتبط ساخت در حالی که باقی 1-p)C )را g میتوان با ولتاژ در ترمینال خط سیمپیچ مرتبط ساخت [7]. g2 C و C gj را میتوان به همین نحو ارائه داد. تنها زمانیکه پاورفرمر 1 فعالیت میکند یعنی مدار شکن QF1 بسته است و الباقی باز هستند جریان نشتی ΔI ا میتوان با استفاده از رابطهی زیر محاسبه نمود : ΔI = ΔI N - ΔI T = I f - jwc g1δu (2) جریان خطا I f مجموع تمام خازن توزیع شدهی معادل توالی صفر )پاورفرمرهای 1 و سیستم خارجی( و جریان نقطهی خنثی میباشد. جریان خطا را میتوان با فرمول زیر ارائه داد: If = jw (cg1 + cgt)δu+ ΔU/3Rn (3) زمانیکه دو یا چند پاور فرمر در حال اجرا هستند یعنی دو یا چند مدارشکن بسته اند جریان نشتی پاورفرمر معیوب و ناقص را میتوان از طریق فرمول )( محاسبه نمود. در حالی که جریان خطا را میتوان از طریق فرمول زیر ارائه داد: I f = jw(c g1+ c g2+ +c gj+c gt)δu + ΔU /(3jR n) (4) که J تعداد پاورفرمر های روشن میباشد. جریان نشتی پاورفرمر نرمال را میتوان با استفاده از رابطهی زیر محاسبه نمود: ΔI k = ΔI KN - ΔI Kt = -Jwc gk ΔU 1(K=2,3,,J) (5) - معیارهای شناسایی خطا 4-1- جهت جریان نشتی جریان نشتی پاورفرمر معیوب از میان CT از پاورفرمر به شین اصلی جریان خواهد داشت که برعکس و مخالف جهت مثبت از پیش تعریف شده میباشد. با این حال جریان نشتی پاورفرمر نرمال از میان CT از شین اصلی به پاورفرمر جریان خواهد داشت که مانند جریان مثبت از پیش تعریف شده میباشد. لذا خطای استاتور تک فازاتصال به زمین را میتوان با مقایسهی جهت مولفهی اساسی و مولفهی هامونیک سوم جریان نشتی بین پاورفرمرهای معیوب و نرمال تشخیص داد. -2 -شدت و مقدار جریان نشتی جریان نشتی پاورفرمر معیوب و ناقص مجموع جریان خطا و جریان خازنی )ظرفیتی( فاز اتصال به زمین میباشد. با این حال جریان نشتی پاورفرمر نرمال دقیقا برابر با جریان خازنی فاز به زمین است. با مقایسهی مقدار و ارزش مولفهی اساسی و مولفهی هارمونیک سوم جریان نشتی, مولفهی هارمونیک پنجم جریان نشتی و مولفهی هارمونیک هفتم جریان نشتی هر پاورفرمر به آسانی میتوان پاورفرمر معیوب را با بیشترین ارزش و مقدار در موردی که سیستم دو یا چند پاورفرمر دارد تشخیص داد و شناسایی نمود. شکل 2. مدارهای معادل توالی صفر خطای داخلی استاتور تک فاز اتصال به زمین 5- شبیه سازی و اندازه گیری برای معتبر ساختن طرحهای حفاظتی مطرح شده یک مدل دقیق برای شبیه سازی حالت نرمال عملیات و اجرا حالت خطای خارجی و حالت خطای داخلی برای یک پاورفرمر باید در دسترس باشد. یک مدل گذراالکترومغناطیسی برای شبیه 3

4 سازی خطای های پاورفرمر ایجاد شده است طبق آنچه شکل 1 نشان میدهد. سه پاورفرمر را به طور مستقیم به سیستم اتصال میکنیم. EMTP و MATLAB را برای شبیه سازی مورد استفاده قرار میدهیم. خطای داخلی یک استاتور تک فاز به زمین در سیم پیچ استاتور در فاز c پاورفرمر 1 ر یو میدهد. پاورفرمر ها مشخصه های زیر را دارند: Cg1 پاور فرمر.555µF 1 15KV 75 MVA میباشد. 15KV 75 MVA پاور فرمر Cg µf2 میباشد. Cg3.555µF پاور فرمر 15KV 75 MVA سیستم خارجی.15 µf میباشد. Ct میباشد. فرکانس سیستم 5HZ است. ژنراتور از با ترانس زمین شده است میشود. خطای اتصال به زمین در s 1,14 شروع میشود. خطای های زیر شبیه سازی میشوند از جمله آنهایی که نمیتوان باطرح های سنتی حفاظت تشخیصشان داد: مقاومت خطای 11kΩ kω 1kΩ 111Ω 11Ω : Rg خطای تک فاز زمانیکه %1 %2 %1 %7 %111 از سیمپیچ استاتور کوتاه میشوند. خطای اتصال به زمین در s 1,14 شروع میشود. نتایج شبیه سازی به عنوان مثال برای خطای استاتور تک فاز به زمین در %2 از فاز c در پاورفرمر 1 را نشان داده میشود. دوره ی سیستم ms. 2=T است. مولفه ی خطای جریان توالی صفر توسط ).(n-t) I محاسبه میشود. یافته های زیر را میتوان بهدست آورد: شکل 3 ( هارمونیک سوم جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای استاتور تک فاز اتصال به زمین در %2 از فاز c درپاورفرمر 1 ( 1 = (Rf روی میدهد. شکل ( هارمونیک پنجم جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای استاتور تک فاز اتصال به زمین در %2 از فاز c درپاورفرمر( = 1 (Rf روی میدهد. شکل 5 ( هارمونیک اول جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای استاتور تک فاز به زمین در %2 از فاز c درپاورفرمر 1 ( 1 = (Rf روی میدهد. ΔI =I (n) جدول 1 - نتایج شبیه سازی خطای داخلی استاتور تک فاز به زمین در %2 از فاز c پاورفرمر 1 پاورفورمر 2 پاورفورمر 1 مقاومت زاویه اهم اندازه A زاویه اندازه A /9 111 هارمونیک اول / 6-2 /2 111 هارمونیک سوم

5 شکل 7 ( ولتاژ فازهای پاورفورمر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای استاتور تکفاز به زمین در %2 از فاز c درپاورفرمر 1 ( 1 = (Rf روی میدهد. /1 111 هارمونیک پنجم /1 111 هارمونیک هفتم / هارمونیک اول / هارمونیک سوم / هارمونیک پنجم / هارمونیک هفتم /1 111 هارمونیک اول /1 111 هارمونیک سوم /1 111 هارمونیک پنجم /1 111 هارمونیک هفتم / هارمونیک اول / هارمونیک سوم / هارمونیک پنجم / هارمونیک هفتم تحلیل اشکال و نمودارها شکل 6 ( هارمونیک اول جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی c از فاز زمانیکه خطای استاتور تک فاز به زمین در %2 درپاورفرمر 1 ( 1 = (Rf روی میدهد. شکل 7 ولتاژهای فاز اتصال به زمین به ترتیب از فاز b a و c را خطا در فاز c روی میدهد لذا ولتاژ فاز اتصال نشان می دهد که به زمین فاز c کاهش پیدا میکند و به عدم اتصال مستقیم نقطه نوترال ژنراتور به زمین ( با ترانس زمین شده ) ولتاژ فاز اتصال به برابر میشود. زمین برای دیگر فازها تا رادیکال 3 جهت جریان نشتی پاورفرمر معیوب نشتی پاورفرمر نرمالΔI13, ΔI11 ΔI12 برعکس جریان است و مقدار جریان نشتی پاورفرمر معیوب بیشتر و بزرگتر از پاورفرمر نرمال میباشد. این قضیه در باقی هامونیکها هم مشاهده میگردد. با مقایسهی جهت و مقدار جریان نشتی هر پاورفرمر میتوان خطای استاتور تک فاز اتصال به زمین را تشخیص داد.با توجه به نمودارهای استخراج شده نمودار آبی رنگ مربوط به پاورفومر 1 که خطا در آن رخ داده میباشد و پر واضح است که جهت آن مخالف دو پاور فورمر دیگر است و مقدار آن بیشتر است. بهطور مثال با توجه به جدول وقتی خطا با مقاومت کیلو اهم رخ میدهد اندازه جریان نشتی هارمونیک اول در پاورفورمر 1 1 است درحالی که این مقدار در پاور فورمر 2 به عدد 3 آمپر میرسد پس عدد بزرگتر مربوط به مولد خطا دار است همچنین زاویه آن 27 درجه است در حالی که در مولد سالم زاویه 111- میباشد که 141 درجه با مولد سالم دارای اختالف فاز است و این به عنوان معیار دوم شناسایی محسوب میگردد. جدول 2 - تعدادی از نتایج شبیه سازی خطای داخلی استاتور تکفاز به زمین در قسمتهای مختلف از فاز c پاورفرمر 1 به صورت تصادفی

6 [3] Y. Gao, X. Lin, Q. Tian, and P. Liu, Novel identification method of stator single phase-to-ground fault for cable-wound generators, IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 23, no. 2, pp , Jun. 28 [4] Q. Tian, Z. Liu, and X. Lin, A newapproach to winding capacitance dividing method for the generator with considerable winding distributed capacitance, in Proc. Electr. Util. Deregulation Restructuring Power Technol., pp , Apr. 6 9, 28. [5] Yuan Yuan Wang,, Xiang Jun Zeng,, Jin Bao Jian, Zhao Yang Dong and Ze Wen Li Studies on the Stator Single-Phase-to-Ground Fault Protection for a High-Voltage,Cable-Wound Generator. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 28, NO. 2, JUNE 213 [6] M. Leijon, S. G. Johansson, F. Owman, S. Alfredson, T. Karlsson, S. Lindahl, C. Parkegren, and S. Thoren, PowerformerTm- experiences form the application of extruded solid dielectric cables in the stator winding of rotating machines, in Proc. Power Eng. Soc. Winter Meeting, Jan , 2, vol. 1, pp [7] Y. Tao, Q. Tian, and X. Lin, A novel stator winding capacitance dividing method for the generator with considerable winding distributed capacitance, in Proc. Power Eng. Soc. General Meeting, Jun. [8] S. Lindahl, Differential protection for synchronous machine, International patent, classification H2H 7/6, May پاورفورمر 2 پاورفورمر 1 مقاومت زاویه اندازه A اهم % مکان اتصال کوتاه زاویه اندازه A هارمونیک / / هارمونیک 11 2/ / هارمونیک هارمونیک هارمونیک هارمونیک هارمونیک هارمونیک هارمونیک نتیجه گیری: - روشهای قديمی يا در تشخيص 11 درصد خطا مشکل دارند يا قابليت انتخاب ندارند. - يک طرح حفاظتی مبنی بر جهت جريان نشتی و مقدار جريان نشتی به منظور حل مشکالت پاسخگو میباشد. - اين روش قادر به تشخيص خطای استاتور اتصال به زمين با مقاومت خطای 1 kω در %11 سيمپيچ استاتور هستند. - پاورفورمر به علت حذف ترانسفورماتور به لحاظ فنی واقتصادی گزينه قابل تاملی میباشد. 8- مراجع: [1] M. Leijon, L. Gertmar, H. Frank, J. Martinsson, T. Karlsson, B. Johansson, K. Isaksson, and U.Wollstr om, Breaking conventions in electrical power plants, in Proc. CIGRE Session, Paris, Aug. 3 Sep. 5, 1998, pp [2] M. Taherzadeh, A. Akbari, M. Saniei, " An investigantion on Windings in New Generation of Synchronous, Generators Based on XLPE Cable Known as Powerformers," 5 th SASTech 211, Khavaran Higher-education Institute, Mashhad, Iran. May