ه ب ي پ ٨٣١ نشريه دانشكده فني دوره ۴۲ شماره ۷ بهمن ماه ۱۳۸۷ از صفحه ۸۳۱ تا ۸۴۰ بررسي پديده جرقه زني چند باره کليدهاي خلاء و اثرات ا ن بر ساير عناصر شبکه چكيده ۱ سعيد حسن زاده ۲* ۳ ۲ کاوه نيايش حسين محسني و امير عباس شايگاني اکمل 1 دانشجوي دكتراي مهندسي برق- قدرت - پرديس دانشكدههاي فني - دانشگاه تهران 2 استاديار دانشكده مهندسي برق - پرديس دانشكدههاي فني - دانشگاه تهران 3 استاد دانشكده مهندسي برق - پرديس دانشكدههاي فني - دانشگاه تهران (تاريخ دريافت ۸۵/۶/۲۷ تاريخ دريافت روايت اصلاح شده ۸۷/۰/۲۶ تاريخ تصويب ۸۶/۱۲/۱۳) كليدهاي خلاء به خاطر قدرت قطع بسيار خوب مي توانند جريان هاي فركانس بالا را نيز قطع كنند كه اين خاصيت در هنگام قطع جريان فركانس قدرت ميتواند عواملي را در پي داشته باشد. هنگامي كه اتصال ها قبل از صفر طبيعي جريان باز ميشوند خلاء نمي تواند ولتاژ بازيا يب گذرا را تحمل كند و شكست رخ مي دهد. جرقه زني هاي مجدد و اضافه ولتاژ هاي كليدز ين جريانهاي فركانس بالا در مدار برقرار شده قطع و وصل هاي در پي وجود مي آيد كه سبب مي شود از اين رو مطالعه مكانيزم هاي احتمالي بعد از قطع جريان هاي فركانس بالا ضروري مي باشد. در اين جا كليد خلاء از نقطه نظر قطع جريانهاي فركانس بالا با استفاده از زبان MODELS ابزار جديد نرم افزار ATP مدل شده است. مدل كليد بر اساس تي وري هاي گذشته صورت ميگيرد و رفتار جرقه زني هاي چند باره در كليد خلاء بر روي ساير عناصر شبكه از جمله موتور القاي ي و ترانسفورماتور تست ميشود. واژههاي كليدي: مدل کليد خلاء گذراهاي فرکانس بالا جرقه زني هاي مجدد چند باره اضافه ولتاژ مقدمه كليدهاي خلاء كه از آنها بيشتر در شبكه هاي فشار متوسط استفاده ميشود نسبت به ديگر انواع كليد ها مزيت هاي فراواني دارند و داراي قابليت قطع بسيار خوبي مي باشند. مشخصه بازيابي دي الكتريك خلاء در اي ن كليدهاي خلاء سبب برش جريان و جرقه زني هاي مجدد چند باره مي شود [1-2]. قابليت قطع جريانهاي فركانس بالا در كليدهاي خلاء سبب ايجاد جرقهزنيهاي پي در پي و در نتيجه اضافه ولتاژهاي با دامنه و نرخ تغييرات زياد ميشود [3-4]. پديده جرقهزني در كليد خلاء پديده هاي 3 2 1 برش جريان جرقهزنيهاي مجدد چند باره ازدياد ولتاژ 5 4 برش جريان مجازي و پيش شكست ها را شامل ميگردد كه به طور خلاصه پديده برش جريان صفر شدن جريان قبل از صفر طبيعي جريان است كه سبب اضافه ولتاژ ميشود. جريان فركانس بالا ايجاد شده در يك فاز سيستم سه فاز در فازهاي ديگر بر اثر القاء جريان هاي فركانس بالا را به وجود مي آورد كه قطع شدن اي ن جريان فركانس بالا قبل از صفر طبيعي جريان در آن فاز برش جريان مجازي ناميده ميشود [5]. برش جريان مجازي پديدهاي است كه در مدار هاي سه فاز رخ ميدهد در واقع اثر برش جريان عادي و ازدياد ولتاژ در يك فاز ميتواند باعث اضافه ولتاژ در دو فاز ديگر شود. شکل ۱: شمايي از مدار معادل براي مطالعه پديده. در توليد اضافه ولتاژ هاي ناشي از كليدزني كليد خلاء در بارهاي اندوكتيو كوچك از قبيل ترانسفورماتورهاي بيبار و موتورهاي ساكن عوامل زيادي تا ثير گذار مي باشند. ساختار شبكه پيرامون ) ويژگيهاي كابل ترانسفورماتورها برق گيرها باس بارها ) اندوكتانس و خازن پراكندگي خود قطعه كليد زني در ايجاد جرقه زني هاي مجدد مو ثرند [4]. شكل( 1 ) ساده ترين مدار براي مطالعه اين پديده است كه در آن يك بار L T به همراه خازن هاي طبيعي سيستم از قبيل كابل هاي دو Email: shayegani@ut.ac.ir, ۸۸۰۲۷۷۵۶, فاکس : ۸۸۰۱۱۲۴۷ * نويسنده مسي ول : تلفن :
ي پ نشريه دانشكده فني دوره ۴۲ شماره ۷ بهمن ماه ۱۳۸۷ ٨٣٢ طرف كليد C T و منبع تغذيه با اندوكتانس داخلي L N و ظرفيت C N وجود دارد. C P نيز عوامل C KN L KN پراكندگي كليد هاي خلاء هستند. فرض م ي گردد كه قطعه كليد زني در مرحله جدا كردن بار از منبع است. هم چنين فرض ميشود كه كنتاكت هاي آن در صفر جريان كاملا باز مي گردند. هنگامي كه كليد ميخواهد جريان را قطعكند فاصله كنتاكت ها خيلي كوچك است هم زمان با رشد ولتاژ بازيابي گذرا 6 بر دو سر كنتاكت هاي كليد اين امكان وجود دارد كه استقامت دي الكتريك خلاء نتواند ولتاژ را تحمل نمايد و شكست رخ داده و به بيان بهتر جرقهزني روي دهد در اين وضعيت جريان خازن هاي منبع و سيستم به داخل فاصله خلاء جاري ميشود كه اين جريان ها فركانس بالا خواهند بود و كليد ميتواند مجددا آنها را قطع نمايد همانند مورد قبل ممكن است خلاء بشكند و جريان برقرار گردد كه اين فرآيند سبب هاي جرقهز ين درپي ميشود. انرژي اندوكتيو كه در صفرهاي فركانس بالا در L T و L N ذخيره است چون هيچ مسيري براي جريان عبوري كليد وجود ندارد اين انرژي در لحظه پس از گذر صفر جريان مجبور است به داخل C p برود و اضافه ولتاژهاي خيلي بزرگ ميتوانند به وجود آيند كه ممكن است عايق بندي سيستم را در معرض خطر قرار دهد. شكل (2) جريان عبوري از كليد و ولتاژ دو سر ترمينال هاي آن را نشان ميدهد. بعد از اين كه جريان در t صفر شد فاصله خلاء بايستي ولتاژ بازيابي گذرا را تحمل كند كه شكل آن به مقدار واقعي جريان برش خازن اندوكتانس و مقاومت بار بستگي دارد. اگر فاصله خلاء هنوز كوچك باشد يك جرقه زني در t 1 رخ ميدهد. بنابراين يك جريان فركانس بالا در حد چند صد كيلوهرتز جاري ميشود [6] به خاطر قابليت خوب خفهشدن قوس در كليدهاي خلاء در يكي از صفرهاي بعدي جريان (در t) 2 جريان دو باره قطع ميشود. اگر اين خاموش شدن با يك جرقه زني مجدد همراه گردد اين فرآيند تكرار مي- شود (جرقه زني هاي مجدد چند باره در t). 3 هم زمان با افزايش فاصله اتصال هاي خلاء استقامت ديالكتريك بهتر ميشود و اگر جرقههاي بعدي رخ دهند يك سطح بالاتر از ولتاژ را پديد ميآورند كه اين پديده به«ازدياد ولتاژ «ناشي از كليد هاي خلاء معروف مي باشد. شکل ۲ : مکانيسم جرقهزنيهاي چندباره. در اين مقاله مدل كليد خلاء از نقطه نظر قطع جريانهاي فركانس بالا تشريح ميشود و سپس با استفاده از مدل به دست آمده به مطالعه اثر گذراهاي ناشي از قطع جريان كليدهاي خلاء بر موتور القاي ي و ترانسفورماتور بي بار پرداخته ميشود. تشريح مدل کليد خلاء از نقطه نظر قطع جريانهاي فرکانس بالا با استفاده از بخش اجراي ي MODELS و با بهرهگيري از يك مجموعه قواعد منطقي كاركرد كليد شبيه سازي گرديد كه شماتيك كلي آن در شكل (3) مشاهده ميشود. شکل ۳ : مدل کليد خلاء. شکل ۴ : دياگرام کنترلي مدل کليد.
ي پ ٨٣٣ بررسي پديده جرقه زني... شكل( 4 ) نمودار كلي مدل را كه شامل چهار حالت مي باشد نشان ميدهد كه در آن يك بخش كنترلي وجود دارد كه با نمونه گيري از جريان عبوري از كليد و هم چنين ولتاژ دو سر آن فرمان قطع و وصل را صادر ميكند. واحد منطقي كه حالات مختلف را براي كليد ايجاد مي- كند به مانند شكل (5) نشان داده مي شود كه ه يا جرقهز ين مختلف نمايش ميدهد [7]. شدهاند: در پي را به صورت گذر بين حالات شکل ۵: حالات مختلف کليد [۷]. حالت هاي مختلف كليد به صورت زير در مدل لحاظ - ابتدا كه كليد بسته است هنگامي كه زمان بيشتر از Topen شود جريان در سطح برش طبيعي صفر مي گردد يعني اتصال هاي كليد باز ميشوند. - بعد از اين كه جريان صفر گرديد ولتاژ بازيابي گذرا اندازه گيري شده دو سر كليد ممكن است بيش از مشخصه استقامت ولتاژي تعريف شده شود و كليد دوباره وصل گرديد. - براي باز شدن دوباره كليد علاوه بر اين كه بايد شيب جريان از شيب جريان بحراني در زير سطح برش فركانس بالا كمتر باشد بايستي مدت زمان كه براي بازشدن واقعي كليد در نظر گرفته شده نيز سپري گرديد. - بعد از گذشت زمان ممكن است كليد بتواند ولتاژ بازيابي گذرا را تحمل نمايد يعني جريان كليد در يكي از صفر هاي فركانس بالا و يا در يك صفر فركانس طبيعي قطع ميشود و به حالت كاملا باز ميرود. زمان قطع و وصل جريان در كليد را به خاطر طبيعت تصادفي آن نمي توان به طور دقيق تعيين نمود [8-9]. بدين منظور در شبيه سازي هاي صورت گرفته طبيعت تصادفي كليد به صورت يك متغير تصادفي در مدل سازي قرار داده شده است. كليد خلاء در اين جا با يك كليد ايدهآل بازو بست شونده كه داراي يك بخش كنترلي قطع و وصل است مدل شده است. علاوه بر اين مي توان آن را با ي ك مقاومت متغير قوس نيز مدل نمود [6-8]. برش جريان فرآيند برش جريان صفر شدن اجباري جريان فركانس قدرت قبل از صفر طبيعي جريان است كه ناشي از ناپايداري قوس الكتريكي در كليد هاي خلاء در جريان كم ميباشد [5-6]. زماني كه برش جريان رخ ميدهد انرژي ذخيره شده در اندوكتانس بار به خازن موجود در بار منتقل شده و سبب اضافه ولتاژ مي گردد. كابل طويل يا خازن و يا هر دو سبب كاهش امپدانس موجي براي محدود كردن اضافه ولتاژ ناشي از برش ميشوند [4]. خازن علاوه بر كاهش فركانس بازيابي تعداد جرقه زني هاي بعد از برش را كاهش ميدهد. با توجه به مدار معادل داده شده در شكل (1) هنگام برش جريان ولتاژ به وجود آمده بر دو سر بار از رابطه (1) به دست ميآيد. U c L = I T ch. sin ω n t + U N cos ω n C t T (1) در نظر گرفتن برش جريان مسي له مهمي است براي مثال هنگام كليدزني ترانسفورماتورهاي نوع- خشك اندوكتانس مو ثر اندوكتانس بزرگ مغناطيس كنندگي ترانسفورماتور است كه با تو جه به رابطه فوق اضافه ولتاژ بزرگي را به وجود ميآورد كه ممكن است به عايق آن آسيب برساند. برش جريان واقعي كاملا مشخص نبوده با اين وجود تحقيقات جديد سطح برش جريان را براي انواع بارها و جنس مواد تعيين كرده اند [6 و 3]. در اين مقاله سطح برش جريان با توجه به [6] تخمين زده ميشود كه در آن سطح برش به صورت زير تعيين ميشود. I CH = β = 14. 3 ( ω.i ˆ.α. β) ω = 2π 5 Hz 16 α = 6. 2 1 1 q = ( 1 β) q (2) که در ا ن î دامنه جريان فركانس قدرت مي باشد.
نشريه دانشكده فني دوره ۴۲ شماره ۷ بهمن ماه ۱۳۸۷ ٨٣٤ استقامت دي الکتريک ويژگي دوم كه در مدل كليد خلاء لحاظ شده مربوط به استقامت دي الكتريك هنگام باز شدن اتصال ها مي باشد. اين مفهوم را مي توان به صورت يك تابع زماني در نظر گرفت البته براي زماني كه اتصال ها خيلي به هم نزديك ميباشند اين رابطه را ميتوان به صورت رابطه خطي با زمان (3) نوشت [8 و 1]. ( ) BB U w( T ) = AA T T open + (3) كه در آن Topen لحظه جدا شدن اتصال ها AA وBB ثابتهاي مربوط به استقامت دي الكتريك كليد مي باشند[ 7 و 11] اين ثابت ها معمولا با استفاده از اندازه گيري تعيين گرديده و در مدل قابليت تغيير آنها لحاظ شده تا هر كليد با هر مشخصه استقامت ديالكتريك را بتوان شبيه سازي نمود. مقادير عادي مربوط به ثابت هاي استقامت ديالكتريك كه در اين مقاله از آنها استفاده شده در جدول( 1 ) سازيه يا آمده است. جدول ۱ : استقامت دي الکتريک.VCB AA( kv / s) 17 13 4.7 3 5 BB(volt) 34 69 69 1 براي نزديك شدن مدل كليد به واقعيت در شبيه- انجام گرفته مشخصات ديالكتريك خلاء با در نظر گرفتن طبيعت تصادفي كليد خلاء در مدل استفاده شد. شكل (6) مشخصه استقامت ديالكتريك كليد خلاء را نشان ميدهد. شکل ٦ : مشخصه تصادفي استقامت دي الکتريک کليد خلاء. قابليت قطع جريان هاي فرکانس بالا زماني كه يك كليد جريان را قطع ميكند ولتاژ بازيابي گذرا بين دو ترمينال آن به وجود ميآيد. اين ولتاژ بازيابي گذرا داراي دو فركانس ناشي از عوامل LC سيستم و منبع مي باشد. كه فركانس طرف منبع را L N, C N خازن و اندوكتانس زيرگذراي ژنراتور تعيين ميكنند و تعيين كننده فركانس در طرف سيستم خازن شنت و اندوكتانس L T, C T هستند كه در شكل (1) مشخص گرديده است [3-4]. اين فركانس ها از مرتبه 2-25 khz براي ژنراتور و از مرتبه 5-8 khz در سمت بار هستند كه با قراردادن خازن محافظ در ترمينال هاي بار ممكن است با هم برابر شوند [11]. ( T ) + DD DI ( T ) = CC T open (4) DT زماني كه ولتاژ بازيابي گذرا بزرگتر يا مساوي ولتاژ شكست (T) U w كليد شود جرقهزني رخ ميدهد و مطابق شكل (2) مو لفه هاي فركانس بالاي جريان از كليد عبور كه ناشي نمايد مي از تخليه خازن هاي شنت ژنراتور و ترانسفورماتور تخليه خازن محافظ موجود تخليه خازنهاي باس بار و تخليه خازنهاي پراكندگي دو سر اتصال كليد فركانس مي باشد. اندكي بعد از صفر جريان قدرت در 5Hz به دليل تواناي ي قطع كليد خلاء جريانهاي فركانس بالا اگر داراي يك شيب كمتر از حد بحراني باشند در صفرهاي فركانس بالا قطع ميشوند اما ممكن است هنوز فاصله خلاء تحمل U w را نداشته دوباره شكست رخ دهد و مجددا كليد وصل شود. كه جرقه زني هاي پيدرپي را نتيجه ميدهد و امكان دارد كه كليد جريان را تا صفر فركانس قدرت بعدي نتواند قطع كند. اين جريانهاي جرقهزني مجدد زيرگذرا معمولا فركانسي بالغ بر 1-7 khz دارند [4 و 1]. جدول ۲ : ثابت هاي مربوط به.DI/DT مقدار DI/DT فركانس بالا بايس يت 2 CC( A / s ) -.34E11.31E12 1E12 DD ( A / s) 255E6 155E6 19E6 6E6 مقدار شيب بحراني است كه در صفر شيب جريان كمتر از آن باشد تا كليد بتواند موفق عمل كند و باز شود در واقع مشخصه DI/DT بيانگر قابليت قطع جريانهاي فركانس بالا است كه به صورت رابطه (4) تعريف ميشود كه مقادير ثابت آن در اين مقاله براي شبيهسازي به صورت جدول (2) در نظر
٨٣٥ بررسي پديده جرقه زني... گرفته شدهاند اين.[6-8] همانند استقامت ديالكتريك جا نيز مشخصه شيب بحراني جريان در DI/DT كليد با در نظر گرفتن طبيعت تصادفي در مدل وارد شده است. شبيه سازي بر عناصر شبکه موتور القاي ي شبكه مورد مطالعه براي شبيه سازي اثرات كليد خلاء بر موتور القاي ي در اين جا به صورت شكل (7) مي باشد. كه در آن يك موتور القاي ي از طريق يك ترانسفورماتور و يك كليد خلاء تغذيه مي شود. دو كابل نيز براي اتصال كليد به ترانسفورماتور و ترانسفورماتور به موتور القاي ي استفاده شده است. كابل كوتاهي بانك خازن را به باس متصل مينمايد. شکل ۹ : جريان فرکانس بالا گذرنده از کليد. شکل ۱۰ : منحني گشتاور سرعت موتور القاي ي بعد از جرقهزني پي در پي. شکل ۷ : موتور القاي ي با کليد خلاء. جدول (3) ويژگي ها و عامل هاي شبكه و موتور را تشريح ميكند. مقادير اين شبكه براساس مقادير واقعي پستي در شركت فولاد خوزستان هستند كه بر اثر جرقه زني كليد خلاء موتور دچار آسيب شديدي شده است. جدول ۳ : ويژگي هاي شبکه مورد مطالعه. Main intake frequency 5Hz Transformer Delta, Way grounded 33/6.6 KV U K =9% Isc=5KA Vacuum Breaker VCS 7 SCO Motor cable 7m 3 15 1 mm 2 Trans. Cable 2m 3 1 3mm 2 Cap. cable 5m 3 15 1 mm 2 Capacitor bank Delta 16KVAR Motor 1.3MW 6.6Kv 134.9A شکل ۸ : جرقه زني هاي مجدد در دو سر کليد. شکل ۱۱ : منحني گشتاور سرعت موتور القاي ي بعد از قطع نرم افزار بدون جرقه زنيهاي پي در پي. در شبيه سازي هاي انجام گرفته مدل موتور القاي ي از EMTP سعي استفاده و شده است تا عملكرد كليد خلاء با عوامل مختلف به عبارت بهتر با قابليت قطع ه يا متفاوت مورد بررسي قرار گيرد. شبيه سازي ها نشان مي دهد كه نوع عوامل انتخاب شده و زمان صدور فرمان قطع كليد يع ين زمان قوس time) (arc در ايجاد جرقه ز ين ها مو ثر مي باشد. در حالت اول از كليد خلاء با عواملي استفاده شد كه رفتار آن در شكل هاي (8) و (9) (8) شكل شود. ديده مي ولتاژ بازيابي دو سر كليد را هنگام كليدزني موتور فوق نشان ميدهد كه در آن جرقه زني هاي مجدد پي در پي و ازدياد ولتاژ بر دو سر اتصال هاي كليد مشاهده ميشوند. شكل( 9 ) جريان هاي فركانس بالا گذرنده از كليد را نشان ميدهد كه كليد خلاء بعد از مدتي آنها را قطع مي-
٨٣٦ كند در اين جا دامنه جريان هاي فركانس بالا بسيار زياد است. رفتارهاي ديناميكي موتور را ميتوان در شكل هاي بعدي به وضوح مشاهده كرد. شكل (1) منحني گشتاور سرعت موتور القاي ي بعد از جرقه زني هاي پي در پي بدون خازن محافظ نشان ميدهد. شكل (11) منحني گشتاور سرعت همان ماشين القاي ي در هنگام قطع نشان ميدهد كه در اين حالت خازن محافظ بر دو سر اتصال هاي كليد قرار داشته است. و مشاهده ميشود كه رفتار ديناميكي ماشين تحت تا ثير رفتار كليد خلاء قرار دارد و بايستي از اين لحاظ ماشين القاي ي تواناي ي تحمل تغييرات شديد و فركانس بالاي كليد خلاء را داشته باشد. شكل( 12 ) تغييرات شديد سرعت موتور را در هنگام جرقه ز ين هاي چندباره نشان مي دهد. نشريه دانشكده فني دوره ۴۲ شماره ۷ بهمن ماه ۱۳۸۷ شكل (13) جريان گذرنده از كليد را نشان ميدهد كه در آن كليد نتوانسته در سيكل اول جريان فركانس بالا را قطع كند و در صفر بعدي فركانس قدرت اين جريان را قطع كرده است. شكل (14) ولتاژ دو سر ترمينالهاي موتور القاي ي را در هنگام باز شدن كليد خلاء نشان ميدهد كه در فركانس بالا ولتاژ هاي فوق العاده زيادي بر دو سر موتور (15) شكل شود. ايجاد مي اتصال هاي كليد خلاء را نشان ميدهد. ولتاژ بازيابي گذرا دو سر شکل ۱۴ : ولتاژ دو سرموتور در حالتي که از مدل فرکانس بالاي موتور القايي استفاده شده است. شکل ۱۲ : تغييرات شديد سرعت موتور بعد از جرقهزنيه يا پي در پي. اكثر تحقيقات قبلي براي مشاهده اثرات جرقه زني ه يا مجدد كليد از مدل فركانس بالاي موتور القاي ي [15] استفاده كرده اند كه در اينجا نتايج منعكس شده در شكل هاي (15-13) با تغيير مدل موتور از حالت مدل EMTP به مدل فركانس بالا به دست آمده است. بررسي نتايج نشان مي دهد كه مدل EMTP موتور القايي براي تحليل پديدة جرقه زني چند باره به خوبي جواب گو مي باشد. شکل ۱۳ : جريان گذرنده از کليد در حالتي که از مدل فرکانس بالاي موتور القايي استفاده شده است. شکل ۱۵ : ولتاژ دو سر کليد در حالتي که از مدل فرکانس بالاي موتور القايي استفاده شده است. ترانسفورماتور بي بار براي شبيه سازي ترانسفورماتور بيبار از يك مدار LC استفاده ميشود كه براي نشان دادن پديده جرقه زنيهاي چند باره كافي است و پديده جريان هاي فركانس بالا در واقع پديده فرو رزنانس را به خوبي ميتواند توصيف كند [8]. مقدار پيك ولتاژ ترانسفورماتور با رابطه (5) طبق شكل (1) داده ميشود: 1 2 2 L 2 E = T (5) c I + U C T اين دامنه ولتاژ از لحاظ تي وري بيشترين اضافه ولتاژ دو سر بار-زمين ناشي از برش جريان است. [ms]
Voltage Escalation (kv) ٨٣٧ 12 1 8 6 4 2.1.2.5 1 2 3.5 8 1 Magnetizing current (%) 1 بررسي پديده جرقه زني... (16) شكل نرم افزار نشان ميدهد. مدار تست ترانسفورماتور در محيط يك ترانسفورماتور با قدرت 3 kva داراي گروه برداري Dyn5 و با نسبت تبديل 11kV / 4V كه تحت شرايط بي باري با يك كليد خلاء كليدز ين ميشود منبع تغذيه نيز است. 12kV جريان بي باري همانند يك جريان هجومي گذرا قطع ميشود. Voltage Escalation (kv) Voltage Escalation (kv) 7 6 5 4 3 2 1 45 4 35 3 25 2 15 1 5 45 Voltage Escalation (kv) 4 35 3 25 2 15 1 5.1.5 1 5 8 1 12.5 15 Unloaded power(kw) 5 15 3 5 8 12 2 3 7 2 Cable length (m) 1 3 4 5 7 9 11 Transformer MVA شکل ١٦ : شماتيک مدار تست براي شبيه سازي در.ATP شكل (17) ولتاژ دو سر ترانسفورماتور بيبار را نشان ميدهد در اين شكل ازدياد ولتاژ و شكست ولتاژ بر اثر مشخصه كليد خلاء مشاهده ميشود فركانسهاي بالاي جرقه زني ها بر دو سر هر سيم پيچي مي تواند با اتصال كوتاه كردن سيمپيچ اول و افت ولتاژ بسيار زياد بر آن بسيار مخرب باشد لذا توجه به اين موضوع اهميت خاصي دارد. شكل (18) ولتاژ بازيابي گذرا كليد را هنگامي كه كليد تواناي ي تحمل اضافه ولتاژ را دارد نشان مي دهد كه در آن قابليت قطع جريانهاي فركانس بالاي آن سبب شده است كه جريان صفر شود. شکل ١٧ : ولتاژ دو سر بار. شکل ١٨ : ولتاژ دو سر کليد. شکل ١٩ : منحنيهاي نمايش دهنده ارتباط تلفات ترانسفورماتور جريان بي باري ترانسفورماتور طول کابل بين ترانسفورماتور و کليد و قدرت ترانسفورماتور با اضافه ولتاژي که کليد خلاء توليد مي کند. قطع جريان رآكتور يا ترانسفورماتور بيبار از آن جهت كه مرتبه جريان بي باري با سطح برش جريان كليد خلاء تقريبا برابر است موضوع مهمي است. چون كه بايد فاصله اتصال ها به حداقل مقدار قابل قبول برسد سپس
٨٣٨ جريان برش شود. در بررسي مسي له ترانسفورماتور شبيه- سازيهاي مختلف انجام گرفت. شبيهسازيها نشان داد كه با افزايش قدرت ترانسفورماتور جرقهزني ها و اضافه ولتاژ بيشتري توليد ميشود و اگر طول كابل بين كليد خلاء و ترانسفورماتور افزايش داده شود جرقه زنيها و اضافهولتاژ كمتري ايجاد ميگردد و اگر تلفات ترانسفورماتور مورد مطالعه زياد باشد نسبت به ترانسفورماتور كه داراي تلفات كمتري است جرقهزنيها و اضافه ولتاژ كمتري در جدا شدن آن از شبكه توليد ميشود. ودر نهايت در بررسي اثر جريان بي باري ترانسفورماتور اين نتيجه به دست آمد كه با افزايش آن تعداد جرقهزني هاي بيشتر و اضافه ولتاژ زياد مي گردد. نشريه دانشكده فني دوره ۴۲ شماره ۷ بهمن ماه ۱۳۸۷ شكل (19) منحنيهايي هستند كه مورد بحث قرار گرفتند و اثر عوامل مختلف ترانسفورماتور (قدرت- تلفات- جريان بي باري نشان ميدهد. ( و طول كابل در ايجاد اضافه ولتاژ همان طور كه قبلا نيز اشاره شد را پديده جرقهزني هاي مجدد چند باره ناشي از كليد خلاء به عوامل شبكه و عوامل كليد وابسته است. در اين منحني ها همان گونه كه مشاهده مي پستي شود وجود دارد كه به خاطر طبيعت تصادفي و بلندي كه براي هايي مدل كليد در مدل مد نظر قرار گرفته مي باشد و باعث مي شود تا با اطمينان نتوان گفت كه بر اثر يك عامل چه اتفاقي صورت مي پذيرد. 3 2 1 25 2 15 1-1 -2 5-5 -1-3 -15 [ ] 1 2 3 4 5 3 2 2 15 1 1 5-1 -2-5 -3-4 -1-15 2 1 25. 18.75 12.5 6.25. -1-6.25-2 -3 1 2 3 4 [ms] 5-12.5-18.75-25. 1 2 3 4 [ms] 5 شکل ٢٠ : ولتاژه يا سه فاز دو سر ترانسفورماتور با شکل ۲۱ : ولتاژهاي سه فاز دو سر ترانسفورماتور با قدرت.۵ MVA قدرت.۳ MVA
بررسي پديده جرقه زني... شكل (2) ولتاژ دو سر ترانسفورماتور را براي قدرت 3 MVA در هر سه فاز نشان ميدهد در اين حالت طول كابل 8 متر تلفات بي باري ترانسفورماتور 1kw B فاز و جريان بي باري 5/ % جريان بار كامل است. در اين شكل براي نميدهند. مشاهده مي شود كه جرقه زنيها در آن رخ شكل (21) ولتاژهاي دو سر ترانسفورماتور بي بار را براي قدرت 5 MVA نمايش مي دهد كه بقيه پارامترها مشابه قبل بدون تغيير مي باشد. از مقايسه دو شكل( 2 ) و (21) ديده مي شود كه وقتي قدرت ترانسفور ماتور بيشتر شده است تعداد جرقه زني ها زياد مي شود و اضافه ولتاژي كه به وجود مي آيد نيز افزايش مي يابد. براي مثال در فاز B كه هيچ جرقه زني در قدرت 3 MVA وجود ندارد و اضافه ولتاژي در حدود 27kV دارد. در قدرت 5 MVA جرقه زني به تعداد 3 مرتبه و اضافه ولتاژ در حدود 34 kv خواهد بود. نتيجهگيري در اين مقاله مفاهيم اوليه براي تشريح مدل كليد خلاء اراي ه گرديد سپس روش ها و تكنيك هاي هر قسمت براي اراي ه مدل دقيقي براي كليد خلاء از نقطه نظر قابليت قطع جريان هاي فركانس بالا توضيح داده شد آخرين مساي ل مطالعه شده از قبيل به دست آمدن جريان ٨٣٩ برش از راه دقيق تر به جاي استفاده از يك مقدار خاص براي كليد و همين طور مسي له تصادفي بودن مشخصات كليد (استقامت دي الكتريك كليد خلاء و قابليت قطع جريان هاي فركانس بالا) در مدل در نظر گرفته شدند. سپس شبيه سازي ها بر روي عناصر شبكه اراي ه داده گرديدند. اولين المان مورد بررسي موتور القاي ي بود كه تاثير جرقه زني هاي پي در پي كليد خلاء بر رفتارهاي ديناميكي آن مطالعه شد بحث هاي در مورد به كارگيري كليد خلاء با آن انجام گرديد. دراثر جرقه زني هاي چندباره كليد خلاء به هنگام كليدزني يك موتور القاي ي با استفاده از كليد خلاء نوسانات سرعت قابل ملاحظه اي مي تواند به وجود آيد. شبيه سازي براي ترانسفورماتور بي بار از آن جهت كه مي تواند اضافه ولتاژهاي بزرگي را توليد نمايد صورت پذيرفت و نتاي ج آن مورد بررسي قرار گرفت. اثر عوامل ترانسفورماتور (قدرت تلفات- جريان بي باري) و طول كابل در ايجاد اضافه ولتاژ نشان داده شد. شبيه سازي هاي انجام شده نشان مي دهند كه به هنگام كليد زني ترانسفورماتورهاي بي بار با كليدهاي خلاء اضافه ولتاژهاي با دامنه تا p.u. 1 در اثر جرقه زني هاي مجدد كليد خلاء مي تواند به وجود آيد. مراجع 1 - Lafferty, J. M. (198). Vacuum Arcs: Theory and Application, John Wiley & Sons. 2 - Greenwood, A. (1994). Vacuum Switchgear, London: The Institution of Electrical Engineering. 3 - Garzon, R. D. (1996). "High Voltage Circuit Breakers." Design and Applications, America: Marcel Dekker. 4 - Browne, T. E. (1984). Jr., Circuit Interruption: Theory and Techniques, America: Marcel Dekker. 5 - Smeets, R. P. P. et al. (1993). Essential parameters of vacuum interrupter and circuit related to occurence of virtual current chopping in motor circuits. IEE of Japan Power & Energy, PP. 311-316. 6 - Weinert, H. (1999). "Reignition phenomena after high-frequency current interruption with short vacuum gaps." Plasma Science, IEEE Transactions on Vol. 27,No. 4, PP. 944-948. 7 - Niayesh, K. and Berth, M. (22). "Resonance like phenomena in motor drive circuits caused by multiple reignitions of vacuum circuit breakers." IEEE/PES T&D Conference and Exhibition, Vol. 2, PP. 914 918. 8 - Helmer, J. and Lindmayer, M. (1996). "Mathematical modeling of the high frequency behavior of vacuum interrupters and comparison with measured transients in power systems." Discharges & Electrical Insulation in Vacuum, Proceedings. ISDEIV., XVIIth International Symposium on Vol. 1, PP. 323-331, 21-26 July.
نشريه دانشكده فني دوره ۴۲ شماره ۷ بهمن ماه ۱۳۸۷ ٨٤٠ 9 - Chaly, A. M. and Chalaya, A. T. (1998). "The influence of vacuum circuit breaker and circuit parameters of switching overvoltages generated during interruption of starting motors." Tavrida Electric Ltd, Moscow, Russia. 1 - Banchi Lastra, R. and Barbieri, M. (21). Fast Transients in the Operation of an Induction Motor with Vacuum Switches, http://www.ipst.org/techpapers/21/ 11 - Gliiikowslti, M. T. and Gutierrez Dieter Brauii, H. R. (1997). "Voltage escalation and reignition behavior of vacuum generator circuit breakers during load shedding." IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 1, PP. 219 226. 12 - Berth, M., Kung, L. and Limbeek, E. F. D. E. (21). "Switching Overvoltages in Motor Circuits." IEEE Trans. on industry applications, No. 6, Vol. 37, PP. 1582-1586. 13 - Van Lanen, E. P. A., Popov, M., Van der Sluis, L. and Smeets, R. P. P. (25). "Vacuum Circuit Breaker Current-Zero Phenomena." IEEE Trans. on Plasma Science. Vol. 33, No. 5, PP. 1589-1593. 14 - Dube, L. (1996). MODELS in ATP, Language manual. 15 - Moreira, A. F., Lipo, T. A., Venkataramanan, G. and Bernet, S. (22). "High-Frequency Modeling for Cable and Induction Motor Overvoltage Studies in Long Cable Drives." IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 38, No. 5, PP. 1297 136. 1 - Current Chopping 2 - Multiple Re- Ignition 3 - Voltage Escalation 4 - Virtual Current Chopping 5 - Prestrike 6 - Transient Recovery Voltage واژههاي انگليسي به ترتيب استفاده در متن