09-F-PSS-0219 چكيده ميپردازيم. 1- مقدمه كار در چنين شرايطي است. سيستمهاي قدرت در صورت باعث. 1 Derate Capacity

Transcript

1 09-F-PSS-0219 تا ثيرات نامتقارني شبكه انتقال بر روي تعادل ولتاژ و ظرفيت عبوري خطوط جعفر عبادي حميدرضا محمدزاده پشمچي عضو هيي ت علمي دانشگاه فردوسي مشهد شركت برق منطقهاي خراسان امير بشيان مسعود قيافه داودي دانشگاه فردوسي مشهد واژههاي كليدي: مدل نامتقارن ظرفيت انتقال تعادل ولتاژ DIgSILENT چكيده شرط لازم براي بررسي يك شبكه با استفاده از مدل متقارن ترانسپوز شدن خطوط انتقال و نيز بارگيري متعادل از فازها ميباشد. ترانسپوز نشدن خطوط اثرات گوناگوني بر شبكه قدرت خواهد گذاشت كه مهمترين آنها نامتعادلي ولتاژ و كاهش ظرفيت انتقالي وافزايش تلفات خطوط خواهد بود. در اين مقاله در مورد تا ثيرات نامتقارني خطوط انتقال بر روي كيفيت عملكرد شبكه بحث خواهد شد. ابتدا اثر عدم تقارن بر روي عدم تعادل ولتاژ شبكه به عنوان يكي از مهمترين پارامترهاي كيفيت توان بررسي ميشود. سپس تا ثير آن بر روي كاهش ظرفيت عبوري از خطوط انتقال مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت. تا ثير عوامل مختلف مانند كوپلاژ بين خطوط و همچنين مشكلاتي مانند عدم همگرايي محاسبات باعث ميشود كه استفاده از نرم افزارهاي پيشرفته موجود در تحليل شبكههاي نامتقارن به راحتي امكان پذير نباشد. در اين مقاله ضمن اراي ه راه حلهايي براي امكان استفاده از اين نرم افزارها طي يك تحقيق عملي بر روي شبكه خراسان ميزان نامتعادلي ولتاژ در شبكه انتقال و 1 در نهايت پس از مشخص شدن ظرفيت بلا استفاده خطوط در شبكه خراسان به اثرات و زيان مالي حاصل از اين امر ميپردازيم. 1- مقدمه سيستمه يا قدرت عمدتا به صورت 3 فاز هستند و در حالت متعادل دامنه فازها با هم برابر و 120 با يكديگر اختلاف فاز دارند. طراحي سيستمه يا قدرت نيز عمدتا براي كار در چنين شرايطي است. سيستمهاي قدرت در صورت دارا بودن شرايط زير به صورت متعادل عمل خواهند كرد: ترانسپوزشدن خطوط انتقال. توزيع متعادل بار. متعادل نگه داشتن خروجي ژنراتورها [1]. در عمل بيشتر سيستمهاي فشار قوي تقريبا نامتعادل ميباشند و بسته به شرايط سيستم و بار ميتوانند به صورت متعادل بررسي شوند. ولي در صورتي كه خطوط انتقال ترانسپوز نشوند يا بارها به صورت نامتعادل توزيع شده باشند استفاده از مدل نامتعادل براي سيستم انتقال دقيقتر است. 1 Derate Capacity 132 محاسبه خواهد شد. KV

2 در تمام مطالعات موجود در دانشگاهها و برق هاي منطقهاي مدل شبكهه يا انتقال و فوق توزيع را متقارن فرض ميكنند و اين در حالي است كه در عمل در خوش بينانه ترين حالت به ترانسپوز كردن خطوط بلند بسنده ميشود. بنابراين نتايج حاصل از بررسي مدل هاي فوق از واقعيت به دور است. در اين مقاله با در نظر گرفتن عدم تقارن در تمام خطوط شبكه انتقال و فوق توزيع خراسان اثرات نامطلوب ترانسپوز نشدن خطوط در شبكه را بررسي خواهيم كرد. با توجه به وجود چنين اثرات نامطلوبي به ارزيا يب اقتصادي ترانسپوز كردن خطوط خواهيم پرداخت. با توجه به نتايج بدست آمده ميتوان اثر جابجايي و هزينه آن را در خطوط متوسط در نظر گرفت. هر سيستم نامتقارن را ميتوان به صورت سه سيستم متعادل مجزا تقسيم كرد. 1 اين اجزاء عبارتند از مولفه مثبت مولفه 3 2 منفي و مولفه صفر. سيستم متعادل سيستمي است كه در آن مولفه منفي و صفر وجود نداشته باشد. ميدانيم در خطوط انتقال ترانسپوز نشده اندوكتانس و كاپاسيتانس هر فاز با فاز ديگر متفاوت است و هنگامي كه خط انتقال طولاني شود اين تفاوت آشكارترخواهد شد. پس توان عبوري از هر فاز با فازهاي ديگر تفاوت خواهد داشت كه اين تفاوت در خطوط انتقال دو مداره بيشتر است. در اين مقاله پس از معرفي مفهوم نامتعادلي ولتاژ و دلايل ايجاد آن اثرات آن بر روي سيستم و تجهيزات شبكه بررسي خواهد شد. سپس تا ثير عدم تقارن خطوط انتقال روي كاهش ظرفيت عبوري از خطوط مورد بحث قرار ميگيرد. سپس طي يك تحقيق عملي با بررسي مدل نامتقارن تهيه شده با استفاده از نرم افزار DIgSILENT از شبكه استان خراسان كه در آن خطوط ترانسپوز نشده است نامتعادلي ولتاژ در باس هاي 132 KV و 400 KV اين شبكه بحث خواهد شد. پس از آن اثرات و زيان مالي حاصل از ظرفيت بلا استفاده خطوط را بررسي ميكنيم. 2 -تعريف نامتعادلي ولتاژ براي بررسي ميزان نامتعادلي ولتاژ و ايجاد امكان مقايسه نقاط نامتعادل يك شبكه با يكديگر معيار نامتعاد يل دو صورت زير تعريف ميشود: ولتاژ به يكي از 1- در صورت در اختيار داشتن مولفههاي متقارن مثبت منفي و صفر ولتاژ مي توان از تعري ف 4 IEC براي بدست آوردن [2] (VUF) Voltage Unbalance Factor استفاده كرد: V 2 % VUF = 100 (1) V 1 كه در آنV1 وV2 به ترتيب دامنه مولفه مثبت ومنفي ولتاژ مي باشند. در برخي مراجع به جاي مولفه منفي از مولفه صفر استفاده ميكنند. يعني: V 0 % VUF = 100 (2) V 1 و يل اين تعريف كاربرد عملي كمتري دارد زيرا مولفه صفر در سيستمه يا سه فازي مثل موتورهاي القايي سه فاز نميتواند وجود داشته باشد. برعكس تعريف اراي ه شده در بالا (رابطه 1) كه نسبت مولفه منفي به مثبت را مشخص ميسازد از اهميت بالايي به خصوص درمورد موتورهاي القايي برخوردار است. زيرا ميزان نيروي مخالف اعمالي به موتور كه باعث ايجاد گشتاور در جهت عكس چرخش [2] موتور ميشود را مشخص ميكند. 2- دومين تعريفي كه در اتحاديه ملي توليد كنندگان وسايل الكتريكي (NEMA) 5 اراي ه شدهاست بصورت زير است: %Unbalance = (3) آنچه درتعريف فوق مهم است عدم استفاده از ولتاژ فاز در محاسبات ميباشد زيرا در صورت استفاده از ولتاژ فاز مولفه صفر ولتاژ خواهيم داشت كه باعث ايجاد خطا خواهد 4 International Electro Technical Commission 5 National Electrical Manufacturers Association [2] شد. 1 Positive Sequence 2 Negative Sequence 3 Zero Sequence

3 3- دلايل ايجاد نامتعادلي ولتاژ و اثرات آن. عمدهترين عوامل مو ثر بر تعادل ولتاژ در يك شبكه به قرار زير است: 1- ولتاژ ترمينال ژنراتورها. 2- آرايش هندسي خطوط انتقال كه در ميزان امپدانس خطوط موثر است. 3- جريان كشيده شده توسط بارها و ترانسها. بطور عمده ولتاژ خروجي ژنراتورها به دليل عملكرد و ساختار متقارن ماشين سنكرون متعادل است. بنابراين توليد انرژي الكتريكي توسط ژنراتورهاي سنكرون نقشي در نامتعادلي ولتاژ بازي نميكند. آرايش هندسي سيستمه يا هوايي بر روي دكلها عمدتا به گونهاي است كه هرخط نسبت به زمين سيم گارد و خطوط ديگر موقعيت متفاوتي با دو خط ديگر همان مدار دارد. كه اين امر باعث تفاوت در پارامترهاي الكتريكي خطوط ي ك مدار ميشود. درصورتي كه خط ترانسپوز شود اين تفاوت قابل چشم پوشي است. دليل مهم ديگر نامتعادلي ولتاژ نامتعادلي بار ميباشد. امپدانسه يا نامتعادل مانند ترانسفورماتورها و نحوه اتصال آنها نيز در نامتعادلي ولتاژ سهم بسزايي دارند. نامتعادلي ولتاژ ميتواند باعث ايجاد اثرات مضري بر روي تجهيزات و سيستم قدرت شود. با توجه به اين موضوع كه كمي نامتعادلي در ولتاژ فاز ميتواند باعث نامتعادلي شديد در جريان فاز شود تحت شرايط نامتعادلي سيستم قدرت تلفات بيشتري خواهد داشت. همچنين پايداري سيستم نسبت به حالت متعادل كمتر است. تاثير نامتعادلي ولتاژ روي تجهيزاتي مانند موتورهاي القايي و [3], [4] ترانسفورماتورهاي قدرت شديد است. در مورد نارسايي كيفيت توان ميتوان حالات مختلفي از جمله وجود هارمونيك اضافه يا كمبود ولتاژ و نامتعادلي ولتاژ را در نظر گرفت. با توجه به مطالعات انجام شده نامتعادلي ولتاژ بيشترين اثر را بر روي تلفات آهني ترانس و تلفات در موتورهاي القايي دارد. و بازده موتورهاي القايي در حضور ولتاژ نامتعادل بيشترين افت را خواهد داشت. با توجه به مطالب گفته شده نامتعادلي ولتاژ كه در اثر نامتقارني شبكه ايجاد ميشود باعث افزايش تلفات شده كه زيان اقتصادي آن قابل مطالعه ميباشد. [4] 4- ظرفيت بلا استفاده خطوط در يك شبكه نامتقارن به دليل تفاوت آرايش هندسي فازها نسبت به يكديگر و زمين امپدانس فازها با يكديگر متفاوت است. اين موضوع با استناد به فرمولهاي شار پيوندي كل هر هادي به صورت زير مشهود است: L L L a b c = + + r D D [ln α ln αln ] = + + D r D [ αln ln α ln ] (4) = + + D D r [ α ln αln ln ] كه = αو = α ميباشد. فرمولهاي بالا نشاندهنده تفاوت اندوكتانس هر فاز در خطوط نامتقارن ميباشد. در مورد كاپاسيتانس هرفاز نيز همين قضيه صادق است. اين امر سبب تفاوت جريان و در نتيجه توان عبوري از فازها ميگردد. ح يت ممكن است فازي كه توان بيشتري عبور مي- دهد به حد حرارتي خود برسد درحالي كه دو فاز ديگر هنوز ظرفيت كامل خود را عبور ندادهاند. اين موضوع سبب ايجاد ظرفيت بلا استفاده در كل خط ميگردد. ظرفيت بلا استفاده خطوط سه فاز از فرمول زير به دست ميآيد: - 1 ظر= فيت بلا استفاده ميانگين ظرفيت 3 فاز ظرفيت ماكزيمم 3 فاز (5) 5 -مدل جديد اراي ه شده به صورت نامتقارن در اين مدل بايد اطلاعات هندسي شبكه از جمله ارتفاع دكل ارتفاع هر فاز روي دكل نسبت به زمين موقعيت فازها نسبت به هم روي دكل و موقعيت سيمه گارد در نظرگرفته شود.

4 Z s + 2Z m Z sym = AZA = 0 Z s Z m 0 (8) 0 0 Z s Z m ورودي مهم ديگر در حالت نامتقارن مشخصات الكتريكي مدار است از جمله ولتاژ نامي سيمها تعداد باندل مقاومت dc سيمها قطر سيمها و GMR سيمها. براي تهيه چنين مدلي كه بتواند اثر تمامي پارامترهاي فوق را لحاظ كند از نرم افزار DIgSILENT استفاده شده است. پس از وارد كردن اطلاعات فوق به نرم افزار براي انجام پخش بار نامتقارن با مساي ل مختلفي روبرو خواهيم بود. به عنوان مثال ميتوان به كوپل كردن دو مدار كه بر روي يك دكل قرار گرفتهاند و مشكلات عدم همگرايي پخش بار در اثر عدم تعادل ولتاژ اشاره كرد. محاسبه امپدانس خطوط درحالت ترانسپوز شده به صورت زيراست: كه Z Z Z Z Z Z Z Z Z s m m m s m m m s (6) Z m امپدانس خودي و Z s Z s = Z aa =Z bb =Z cc حال اگر خواهيم داشت: امپدانس متقابل ميباشد. و Z m=z ab =Z bc =Z ca ولي در حالت ترانسپوز نشده درايههاي غير قطري ماتريس بالا هم مقدار خواهند داشت زيرا فازها جابجا نشدهاند و نميتوان فرض كرد كه Z ab = Z bc = Z ca =Z m است. 6- تحقيق عملي در اين مقاله با توجه به مدل اراي ه شده از شبكه خراسان به بررسي اثرات نامتقارني شبكه پرداختهايم. اين شبكه نمونه شامل 10 پست 400 كيلوولت 94 پست 132 كيلوولت و 21 پست 63 كيلوولت ميباشد. در اين مقاله از نرم افزار DIgSILENT براي تهيه مدل و انجام محاسبات پخش بار نامتقارن استفاده شده است. خروجيه يا بدست آمده از اين تحقيق بر روي شبكه نمونه ذكر شده به قرار زير است: 1-6 نامتعادلي ولتاژ در بحث نامتعادلي ولتاژ از تعري ف IEC (رابطه ( 1 استفاده شده است و به عنوان مثال چند باس نمونه در جدول (1) اراي ه شدهاند A = α α 3 1 α α (7) 2

5 فراوانی عدم تع ادل ولت اژ در باس های 132 کيلوول ت 5.0% 4.5% 4.0% درصد عدم تعادل ولتاژ 3.5% 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 0.0% تعداد باس ها نم ودار( 1) VUF% average 2.5% فراوانی ع دم تع ادل ولت اژ در باس های 400 کيلوول ت 2.0% درص د ع دم تع ادل ولت اژ 1.5% 1.0% 0.5% 0.0% تعداد باسها نم ودار( 2) VUF% average VUF% average % VUF = %2.69 همچنين فراواني عدم تعادل ولتاژ در باسهاي 132 و 400 كيلوولت شبكه انتقال خراسان به ترتيب در نمودار (1) و (2) رسم شده است. مشاهده ميشود كه در 27 باس 132 كيلوولت خراسان مقدار VUF% بيشتر از %2 ميباشد ولي در باسهاي 400 كيلوولت اين مقدار هرگز به %2 نمي رسد. با توجه به جدول( 1 ) در باس 400 كيلوولت شيروان % VUF = %.786 و در باس 132 كيلوولت كاشمر و نيز در باس 132 كيلوولت فردوس %3.19 = VUF % ميباشد. همچنين طبق استاندارد اراي ه شده توسط IEC حداكثر نامتعادلي ولتاژ سيم هاي تغذيه الكتريكي ميبايست %2 [3] باشد. لازم به ذكراست كه مقادير VUF اراي ه شده در جدول( 1 ) در سمت باس 132 كيلوولت و 400 كيلوولت ميباشند.

6 2-6 ظرفيت بلااستفاده خطوط در بررسي مدلهاي متعادل تفاوتي بين توان فازها وجود ندارد. اما در مدل مورد مطالعه با داشتن توان هر فاز با توجه به رابطه( 5 ) ميزان ظرفيت بلا استفاده خطوط بدست ميآيد كه نمونهاي از آن را در جدول (2) مشاهده ميكنيد. همچنين فراواني ظرفيت بلا استفاده از خطوط انتقال شبكه خراسان در سطح ولتاژ 132 و 400 كيلوولت به دليل عدم تعادل جريان در نمودارهاي (3) و (4) نشان داده شده است. ظرفي ت غ ير قاب ل اس تفاده خط وط 132 کيلوول ت ب ه دلي ل ع دم تع ادل جري ان 20% 18% 16% 14% د ظرفيت غير قابل استفاده 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% تع داد خط وط نم ودار ) (3 ظرفي ت غ ير قاب ل اس تفاده خط وط 400 کيلوول ت ب ه دلي ل ع دم تع ادل جري ان 8% 7% 6% ظرفيت غير قابل استفاده 5% 4% 3% 2% 1% 0% تع داد خط وط نم ودار( 4 )

7 7- نتيجه گيري و پيشنهادات در اين مقاله پس از بررسي اثرات عدم تقارن در شبكه به تحليل شبكه خراسان پرداختيم و نامتعادلي ولتاژ و ظرفيت بلا استفاده خطوط را در اين شبكه محاسبه كرديم. با توجه به افزايش تلفات ترانسهاي قدرت و موتورهاي القايي و خطوط انتقال در حضور عدم تعادل ولتاژ كه در اثر نامتفارني شبكه ايجاد ميشود هزينه بهرهبرداري شبكه در اثر افزايش تلفات افزايش چشمگيري خواهدداشت كه اين موضوع جاي كار بيشتري دارد. اثر مخرب عدم ترانسپوز شدن خطوط بر عدم استفاده از ظرفيت كامل شبكه وقتي روشنتر ميگردد كه بدانيم طبق آمار بدست آمده از شركت برق منطقهاي خراسان براي احداث هر كيلومتر خط 132 كيلوولت و 400 كيلوولت به ترتيب 165 و 220 ميليون تومان هزينه ميشود. به عنوان مثال در خط 400 كيلوولت MY908 كه 242 كيلومتر طول دارد مي توان با ترانسپوزكردن آن %7.27 از ظرفيت اين خط را آزاد كرد. اين ظرفيت آزاد شده ميتواند حدود 3 ميليارد و 800 ميليون تومان از هزينه احداث اوليه خط باشد كه قبلا بلا استفاده بود وتوجيه اقتصادي نداشت. در خطوط انتقال مدرن جابجايي خطوط در پستها انجام ميشود. [3] ولي اگر خط طولاني شود مشكلات مذكور باقي خواهد ماند كه با توجه به اثرات مطرح شده در اين مقاله بررسي اقتصادي ترانسپوز كردن خطوط متوسط ميتواند در مطالعات بعدي مورد ارزيابي قرار گيرد. مراجع [1] Shan Zhong, Ali Abur ; Effects of Nontransposed Lines and Unbalanced Loads on State Estimation ; Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE 2002 [2] Vic Gosbell, Sarath Perera, Vic Smith ; Voltage Unbalance ; Technical Note No.6, October 2002, Power Quality Centre, University of Wollongong [3] Annette von Jouanne, Basudeb(Ben) Banerjee ; Assessment of Voltage Unbalance ; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 16, No. 4,October 2001 [4] Francis C. Pereira, Jose C. de Oliveira, Olivio C. N.Souto, Anderson L.A. Vilaca, Paulo F. Ribeiro; An Analysis of Costs Related To The Loss of Power Quality; 8th International Conference on Harmonics and Power Quality,Volume 2, Oct [5] M. Chindriş, A. Cziker, Anca Miron, H.Bălan, A. Sudria ; Propagation of Unbalance in Electric Power Systems ; 9 th International Conference,Electric Power Quality and Utilisation,Barcelona,9-11,October 2007 [6] Mat Siddique, G.S.Yadava and Bhim Singh ; Effects of Voltage Unbalance on Induction Motors ; Conference Record of the 2004 IEEE International Symposium on Elecnical Insulation, Indianapolis, In USA, September 2004 [7] Asheesh K. Singh, G. K. Singh, and R. Mitra ; Some Observations on Definitions of Voltage Unbalance ; Power Simposium,39 th North American,30 October 2007