2 حسن براتی علی بچاری صالح 1 1 گروه برق واحد اهواز دانشگاه آزاد اسالمی اهواز ایران ali_bacharisaleh@yahoo.com 2 استادیار گروه برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد دزفول دزفول ایران barati216@gmail.com طرح حفاظتی جدید برای تشخیص و تفکیک خطاهای تک فاز به زمین داخلی و خارجی در ژنراتورهای ولتاژ باالی کابلی ) powerformer ( و چکیده - این مقاله یک حفاطت جدید را برای تشخیص و تفکیک خطاهای تک فاز به زمین داخلی و خارجی در ژنراتورهای ولتاژ باالی کابلی (powerformer) ارائه می کند که برای پاورفوررهای موازی و بر اساس مدار توالی صفر آنها می باشد. در ابتدا جهت و فرآوانی جریان توالی صفر تحلیل می گردند و سپس این مشخصات خطا براساس زمان و وقوع انتخاب می گردند. این مطالعات به تفکیک هارمونیک های فرد جریان توالی صفر محاسبه می گردند. تفاوت اندازه جریان توالی صفر مالکی برای تشخیص داخلی یا خارجی بودن خطای تک فاز به زمین بوجود آمده می باشد. شبیه سازی نشان می دهد که تحت خطاهای مختلف این طرح جدید می تواند خطاهای داخلی را از خطاهای خارجی تشخیص دهد. حتی اگر مقاومت خطا 01 kω باشد. كليد واژه- ژنراتورهای کابلی جريان نشتی حفاظت خطای تک فاز به زمين استاتور مدار توالی صفر 0- مقدمه مزیت اصلی ژنراتورهای کابلی نسبت به ژنراتورهای معمولی در سطح ولتاژ پایانه ای آن می باشد. 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 [1]. تلفیق فناوری ماشین های 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 توسط کمپانی ABB تجاری ساخته شد [2]. ویژه گی های خطا برای پاورفرمر تا حدی متفاوت از ویژه گی خطا در ژنراتورهای سنتی میباشد امروز طرح های تشخیص زمین متفاوتی برای ژنراتور رایج طراحی شده است. 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 می گردد وابسته به این که ژنراتور چگونه زمین شده است[ 3 ]. دو نوع شیوه زمین کردن امروزه برای ژنراتور های متوازی رایج است. اتصال به زمین پر تنش ( با مقاومت کم ) اتصال به زمین با مقاومت باال 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 نمی تواند 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. 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. 1
این حفاظت می تواند 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. متدی بر اساس جهت جریان برق توالی صفر در [4] 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 %01 در ترمینال فاز و %01 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 سیم پیچ ژنراتور متداول. با این حال این امر به خطاهایی برای آنالیز سیم پیچ استاتور پاورفرمر منجر خواهد شد [ 0 ].که درواقع خازن سیم پیچ همراه با سیم پیچ استاتور بطور مساوی در آن توزیع نشده است. وقتی که خطای تک فاز به زمین در استاتور یک مولد رخ می دهد هر ژنراتوری که با مولد دارای خطا موازی باشد همان ولتاژ را خواهد داشت در طرح های قبلی که از فرکانس نامی توالی صفر استفاده می کنند 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 می دهد خازنها اتصال کوتاه شده و فراوانی جریان ها افزایش می یابد. این تغییرات جریانی توسط رله احساس می شود با این حال این طرح معایب برخی از دستگاه های ولتاژ باالی اضافی را نشان می دهد 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 برجسته ی 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 ویژه گی 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. مدل سیستم 2- اصول حفاظت در طرح ارایه شده شکل 1. یک سیم کشی 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 اضافه میشوند. به نقطه ی 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 تنظیم ممکن است برابر با صفر نباشد. پس ولتاژ باید فوق ولتاژ اساسی توالی صفر نرمال شود. برای حذف در خالل عملیات نرمال مولفه ی خطای ولتاژ توالی صفر ولتاژ هارمونیک سوم از جمله ولتاژ اساسی و 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: n زمان نمونه در رله دیجیتال است T دوره ی تناوب سیستم است ms( 20 زمانیکه فرکانس سیستم 50Hz میباشد(. جریان نشتی را ( تفاوت بین مولفه ی خطای جریان های توالی صفر در نقطه ی خنثی پاورفرمر و ترمینال هایش( به توجه به خازن سیم پیچ استاتور ژنراتور به زمین تولید میکند ازجمله مولفه ی اساسی جریان توالی صفر مولد k ام و مولفه ی هارمونیک سوم جریان توالی صفر مولد k ام 2
است و همچنین جهت مثبت از شین اصلی به سمت پاورفرمر تعریف میگردد.[ 6 ]. 3- وقوع خطا سناریو خطای خارجی زمانیکه خطای خارجی تک فاز اتصال به زمین در نقطه ی D روی میدهد طبق آنچه که شکل 1 نشان می دهد مدار معادل توالی صفر مشابه را میتوان در شکل 3 نشان داد.جریان نشتی و ولتاژ توالی صفر را توسط و نشان میدهیم تا از و تحت شرایط خطای داخلی تمیز و تشخیص داده شوند. تعریف دیگر پارامترها )برای مثال ) مانند تعاریف مربوط به شکل 2 هستند. صرف نظر از تعداد پاورفرمر ها جریان نشتی با استفاده از فرمول زیر ارائه میشود: (9) 4- معیارهای شناسایی خطا 4-0 -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 مقایسه ی جهت مولفه ی اساسی و مولفه ی هامونیک سوم جریان نشتی بین پاورفرمر های معیوب و نرمال تشخیص داد.[ 7] 4-2 -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 اتصال به زمین است. با مقایسه ی مقدار و ارزش مولفه ی اساسی و مولفه ی هارمونیک سوم جریان نشتی, مولفه ی هارمونیک پنجم جریان نشتی و مولفه ی 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. 5- شبیه سازی و اندازه گیری برای معتبر ساختن طرح های 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 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 تک فاز به زمین در سیم پیچ فاز c باسبار روی میدهد. پاورفرمر ها مشخصه های زیر را دارند: 150KV 75 MVA پاور فرمر 0.5550µF 1 میباشد. 150KV 75 MVA پاور فرمر (2 µf 0.5774 میباشد. 150KV 75 MVA پاور فرمر )3 0.5550µF میباشد. شکل 2. مدارهای معادل توالی صفر خطای خارجی تک فاز اتصال به زمین جریان خطا داد: را میتوان با استفاده از فرمول زیر ارائه سیستم خارجی( 0.15 µf میباشد. 3
فرکانس سیستم 50HZ 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 : 11Ω 11kΩ 0kΩ 1kΩ 111Ω خطای اتصال به زمین در s 1,14 شروع میشود. نتایج شبیه سازی به عنوان مثال برای خطای استاتور تک فاز به زمین در %20 از فاز c در پاورفرمر 1 را نشان داده میشود. دوره ی سیستم ms. 20=T است. مولفه ی خطای جریان توالی صفر توسط محاسبه میشود. یافته های زیر را میتوان به دست آورد: شکل 5 ( هارمونیک اول جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای تک فاز به زمین ( جدول 1 - نتایج شبیه سازی خطای تک فاز به زمین در فاز c باسبار پاورفورمر 1 مقاومت -------------- پاورفورمر 2 --------------- 0 0 زاویه اندازه A زاویه اندازه A اهم 11 10-44 هارمونیک اول 10-40 11 3-123 هارمونیک سوم 3-123 /2 11 هارمونیک پنجم 4-127 4-127 /2 11 هارمونیک هفتم 3-120 3-120 111 10-01 هارمونیک اول 10-01 /3 111 هارمونیک سوم 2-146 3/ 2-146 /2 111 هارمونیک پنجم 3-101 3-101 /1 111 هارمونیک هفتم 9-163 1/ 9-163 1111 9-16 هارمونیک اول 9-17 /1 1111 هارمونیک سوم 1 127 1/ 1 127 /1 1111 هارمونیک پنجم 49 167 1/ 0 167 /1 1111 هارمونیک هفتم 34-103 1/ 34-103 /2 0111 هارمونیک اول 4-112 4-112 /1 0111 هارمونیک سوم 20 17 1/ 20 17 /1 0111 هارمونیک پنجم 11 116 1/ 11 117 /1 0111 هارمونیک هفتم 17 141 1/ 17 141 شکل 3 ( هارمونیک سوم جریان توالی صفر- زمانیکه خطای تک فاز به زمین ( میدهد. نتایج شبیه سازی ( روی /1 11111 هارمونیک اول 22-116 1/ 22-117 /1 11111 هارمونیک سوم 12 69 1/ 12 69 /1 11111 هارمونیک پنجم 10 93 1/ 10 93 شکل 4 ( هارمونیک پنجم جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای تک فاز به زمین ( 4
پاورفورمر 1 پاورفورمر 2 پاورفورمر 3 0 0 اهم اندازه A زاویه اندازه A زاویه اندازه A هارمونیک 1-40 - 48-44 هارمونیک 3-178 - 175-178 هارمونیک 0-102 - 105-105 هارمونیک 7-111 - 45-45 /1 11111 هارمونیک هفتم 13 112 1/ 13 112 جدول 2 - نتایج شبیه سازی سیستم در شرایطی که خطایی رخ نداه است. 6- تحلیل اشکال و نمودارها شکل 7 ولتاژهای فاز اتصال به زمین به ترتیب از فاز b a و c هستند. این خطای در فاز c روی میدهد لذا ولتاژ فاز اتصال به زمین فاز c کاهش پیدا میکند. شکل 6 ( هارمونیک هفتم جریان توالی صفر- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای تک فاز به زمین ( شکل 7 ( ولتاژ باسبار- نتایج شبیه سازی زمانیکه خطای تک فاز به زمین ( از مقادیر جدول 2 که همگی اعدادی در حدود صدم پیکو آمپر هستند ( مقدار کم جریان ناشی از خاصیت خازنی قسمت های مختلف سیستم نسبت به زمین است مانند شکل ) 2 میتوان استنتاج کرد که هیچ خطایی در سیتم رخ نداده است. اما در جدول شماره یک این اعداد حدودا چند میلیون برابر بزرگتر شده و به مقادیری حدود میکرو آمپر رسیده اند. این تغییر اندازه مشخص میکند خطایی رخ داده اما از آنجا که اندازه و زوایای جریان در هر سه پاورفورمر برابر هستند پس خطا در یک مولد رخ نداده است ( خطا داخلی نیست ) و خطا خارجی است. اگر زاویه ی یکی از پاورفورمرها با دیگر پاورفورمرها متفاوت بود ( تفاوت باال تر از 31 درجه ) آنگاه خطا داخلی و در پاورفومری با جهت متفاوت رخ داده است. واگر اندازه جریان یکی از پاورفورمرها با دیگر پاورفورمرها متفاوت بود آنگاه خطا داخلی بوده ودر پاورفورمری با اندازه جریان بزرگتر رخ داده است. 0
in Proc. Electr. Util. Deregulation Restructuring Power Technol., pp. 1672 1677, Apr. 6 9, 2008. [5] Yuan Yuan Wang,, Xiang Jun Zeng,, Jin Bao Jian, Zhao Yang Dong,, Ze Wen Li, and Yue Huang : 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 2013 [6]Yuanyuan Wang, Xiangjun Zeng, Zhaoyang Dong,Yue Huang. Novel protection scheme of stator single-phase-to-ground fault for powerformers, Electrical Power and Energy Systems 53 (2013) 321 328.. [7] 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. 349 357, Jun. 2008 7- نتیجه گیری: روش مطرح شده قادر است خطاهای داخلی را از خطاهای خارجی تشخیص دهد. - پاورفورمرها به علت حذف ترانسفورماتور به لحظ اقتصادی و فنی کامال مقرون به صرفه هستند. - روش های قدیمی یا در تشخیص 111 درصد خطا مشکل دارند یا در تشخیص داخلی و خارجی بودن خطا. - یک طرح حفاظتی مبنی بر جهت جریان نشتی و مقدار جریان نشتی به منظور حل مشکالت پاسخگو میباشد. - روش مطرح شده قادر به تشخیص خطای تک فاز به زمین با مقاومت خطای 11 kω در تمامی نقاط سیستم است. مراجع: [1] 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 2011, Khavaran Higher-education Institute, Mashhad, Iran. May 12-14 [2] 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. 30 Sep. 5, 1998, pp. 59 62. [3] 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. 24 28, 2007,pp. 1 6. [4] Q. Tian, Z. Liu, and X. Lin, A newapproach to winding capacitance dividing method for the generator with considerable winding distributed capacitance, 6