روشهای محدودسازی جریان اتصال کوتاه در شبكه های قدرت جهت ایمن سازی صنعت برق و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی (بخش دوم)

نویسنده: رضا حاجیها/کارشناس ارشد برق/دانشگاه صنعتی شریف

همانطور كه در مبحث گذشته در بخش اول روشهای محدود كننده جریان اتصال كوتاه توضیح داده شد، در ادامه سعی بر آن است كه روشهای چهار گانه محدود سازی جریان اتصال کوتاه مورد بررسی قرار گیرد.

• بخش اول:روشهای محدودسازی جریان اتصال کوتاه در شبکه های قدرت

1 –  محدود کننده جریان اتصال کوتاه

برای کاهش جریان اتصال کوتاه و جلوگیری از اثرات مخرب آن از محدودکننده های جریان اتصال کوتاه استفاده می گردد. پیش از هر بحثی لازم است که یک تعریف کلی از محدود کننده های جریان اتصال کوتاه ارائه دهیم.

محدود کننده جریان اتصال کوتاه وسیله ای است که به مشکل سری باشد قرار گرفته و جریان اتصال کوتاه راقبل از دستیابی به مقدار ماکزیمم خود محدود نموده تا بوسیله مدار شکن های موجود قابل قطع باشد.

با شروع مبحث محدود کننده جریان اتصال کوتاه از اوایل دهه هفتاد و پیشرفت آن در سالهای بعد ، انتظارات از این وسیله بیشتر گردیده است .محدود کنندهای جریان اتصال کوتاه تحت عناوین مختلفی نامیده شده که به طور کلی آنها را FCL می نامیم.

به طور کلی هدف از به کارگیری محدود کننده جریان اتصال کوتاه و انتظارات مطلوب این وسیله به شرح زیر می باشد:

1-  افت ولتاژ ناشی از وجود محدود کننده در کننده در شبکه بر آن حالت عمکلرد عادی سیستم نا چیز باشد.

2-  در هنگام وقوع اتصال کوتاه امپدانس بزرگی به جهت کاهش جریان از خود نشان دهد.

3-  عمل محدود سازی جریان اتصال کوتاه را قبل از رسیدن این جریان به اولین ماکزیمم انجام دهد.

4-  نرخ کاهش جریان اتصال کوتاه برای وقوع اتصالی از نظر زمانی (ماکزیمم ولتاژیا مینیمم ولتاژ) و مکانی (ابتدا و یا انتهای خط) تقریباً یکنواخت باشد.

5-  ولتاژ بازیافت شینه متصله بر آن را به اندازه مطلوب کاهش دهد.

6-  مولفه های جریان اتصال کوتاه بخصوص مولفه DC را تا حد امکان کاهش دهد.

7-  از قابلیت اعتماد زیادی برخوردار باشد.

8-  قابلیت وصل مجدد سریع رادارا باشد.

یک مدار شکن حتی اگر قادر به قطع جریان اتصال کوتاه مورد نظر باشد ، توانایی جلوگیری از بسیاری اثرات مخرب جریان ناشی از اتصال کوتاه را ندارد .یک محدود کننده جریان اتصال کوتاه علاوه بر عمل محدود سازی دارای مزایای زیر بوده که باعث صرفه جویی در هزینه های شبکه
 می گردد:

1- کاهش جریان اتصال کوتاه تا حد مطلوب

2- افزایش عمر تجهیزات شبکه از جمله ترانسفورماتورها، ژنراتورها ، مدارشکن ها ،…

3-  بهبود پایداری گذرا

4-  افزایش ظرفیت پستها به حهت موازی کردن ترانسفورماتورها

5-  حذف فیوزهای محدود کننده جریان ، به خصوص در خطوط با جریان اتصال کوتاه زیاد

6-  بهبود سرویس دهی ، مانند کاهش تضعیف ولتاژ روی خطوط بدون خطا که از یک شینه تغذیه می کند .

7-  تثبیت ولتاژ زمان اتصال کوتاه شینه ای که محدود کننده به آن متصل است

8-  امکان وصل مجدد سریع

عوامل ازدیاد جریان اتصال کوتاه و اثرات مخرب ناشی از آن در مباحث گذشته که برسیستم قدرت تحمیل می شود معرفی شد. همزمان با رشد سریع تفاضا و گسترش شبکه های الکتریکی، لزوم محدود سازی جریان اتصال کوتاه در اوایل دهه هفتاد میلادی به طور جدی تحت بررسی قرار گرفت و تا کنون پیشرفتهای چشمگیری در این زمینه ، بوا سطه تلاش محققان حاصل گردیده است . طرحهای ارائه شده در زمینه محدود سازی از نبوغ زیادی بر خوردار بوده و لذا با معرفی روشهای چهار گانه محدود سازی جریان اتصال کوتاه ، شرح مختصر مهمترین طرحهایی که تا کنون عرضه شده است بیان می گردد. تاکید اصلی در این مورد بر روی محدودکننده های جریان خطای ابررسانایی می باشد ، چرا که در حال حاضر انواع دیگر محدودکننده های جریان خطا تقریبا از رده خارج شده اند.

2 – روشهای محدودسازی جریان اتصال کوتاه

اساس کار تمام روشهای محدود سازی بر ورود یک امپدانس بزرگ در زمان وقوع خطا به سیستم استوار است . این عمل ، پایه محدود کننده های جریان اتصال کوتاه بوده و به نحوی برای یک مدارشکن نیز صادق می باشد در حقیقت باز شدن یک مدارشکن به معنای ورود یک امپدانس بی نهایت حاصل از فاصله هوایی میان کنتاکتها می با شد.

تفاوت روشهای محدود سازی درنحوه ایجاد امپدانس بزرگ وطریق ورود آن به سیستم می باشد . از این رو روشهای محدود سازی را می توان به چهار دسته اصلی زیر تقسیم بندی نمود:

1- محدود کننده های امپدانسی با سوئیچ مکانیکی

2-  محدود کننده های فیوز با قدرت قطع زیاد

3-  محدود کننده های امپدانسی ومدار تشدید با سوئیچ تریستوری

4-  محدود کننده های ابر رسانا

در ادامه به معرفی و شرح مختصر هر روش می پردازیم.

3 – مطالعه بر روی انواع محدودکننده ها

در اینجا ما انواع محدود کننده های ابررسانایی جریان خطا را شرح می دهیم.

3 – 1 – محدود کننده های امپدانسی با سوئیچ مکانیکی

در این روش برای کاهش جریان اتصال کوتاه از ورود یک امپدانس بزرگ   (مقاومت یاسلف ) در زمان وقوع اتصالی ، توسط یک سوئیچ مکانیکی بسیار سریع استفاده شده است .تفاوت اصلی مدلهای ارائه شده برای این روش ، در چگونگی باز شدن سوئیچ مکانیکی و انحراف جریان اتصالی به امپدانس محدود سازی و ساختمان سوئیچ فوق می باشد . سوئیچهای به کار رفته در این مدلها از طراحی و ساختار بخصوصی بر خوردار بوده و با بهره گیری از تجهیزات ویژه سرعت زیادی در قطع از خود نشان می دهند.

قدمت این روش نسبت به سایر روشهای محدود سازی بیشتر بوده و مشکل اساسی آنها در زمان عملکرد می باشد

3 -2 – محدود سازی با متوقف کننده های موازی و سوئیچ مقاومتی

این سیستم احتیاج به طراحی قطع کننده های مخصوص با سرعت قطع زیاد دارد . این مسئله طراحی وسیله فوق را برای ولتاژهای بالا و هم چنین جریانهای اتصال کوتاه زیاد با مشکل مواجه می کند ، چرا که سرعت زیاد مستلزم هزینه های هنگفت می باشد میزان انرژی تلف شده در مقامتها زیاد بوده و برای جریانهای اتصال کوتاه شدید مسئله انتقال انرژی حرارتی ظاهر می شود.

3 – 3 – محدود کننده با سلف سری ، متوقف کننده و سوئیچ زمین

این محدود کننده دارای نقائص زیر می باشد:

1- سرعت عمل کم بواسطه استفاده از سوئیچهای مکانیکی

2- زمان باز شدن متوقف کننده ها که در صفر طبیعی جریان عبوری از آنها صورت می گیرد ، به زمان و مکان وقوع اتصال کوتاه و امپدانس منبع بستگی داشته و از اینرو زمان محدود سازی متغیر خواهد بود . بنابر این در جریانهای اتصالی با فرکانس کم، زمان زیادتری لازم بوده و جریان اتصال کوتاه محدود شده از مقدار بیشتری بر خوردار خواهد بود.

3- ایجاد اضافه ولتاژهای گذرای بسیار زیاد که مستلزم یک راکتور گران قیمت می باشد.

4- مسئله طراحی و ساخت متوقف کننده های بسیار سریع.

3 – 4 – محدود کننده جریان با سوئیچ خلاء

در این مدل برای کاهش جریان اتصال کوتاه از یک مقاومت استفاده شده که توسط سوئیچی به نام محدود کننده جریان خلأ به مدار وارد میشود .برای این مدل مشکل سرعت عمل سؤییچ خلأ و طراحی و ساخت این عنصر برای ابعاد بزرگ وجود داشته و مانند سایر محدود کننده های از این دست دارای سرعت محدود سازی کم می باشد.از سایر مشکلات این مدل میتوان به انرژی حرارتی تلف شده بسیار زیاد در مقاومتها اشاره کرد.

3 – 5 – محدود کننده با ریل مقاومتی و سوئیچ مکانیکی

در این وسیله برای انحراف جریان از سوئیچ مکانیکی به مقاومت محدود ساز از یک مسیرقوس با ریل مقاومتی استفاده شده است. با وجود نتایج خوبی که محدود کننده فوق مطرح گردیده است، اما نرخ کاهش جریان اتصال کوتاه زیاد نبوده و همچنین ولتاژ باز یافت برای یک نیم سیکل صفر میگردد. این وسیله مشکلات سایر محدود کننده هایی را که از سوئیچ مکانیکی استفاده می کند را داراست و برای اتصال کوتاه با دامنه زیاد مسئله انرژی عبوری از ریلهای مقاومت و مقاومت محدود ساز بسیار زیاد می باشد.

3- 6 – محدود کننده فیوز با قدرت قطع بالا

استفاده از فیوزها برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه دارای سابقه قدیمی و گسترده است. در این روش محدود سازی ، فیوز با ذوب شدن در زمان اتصالی نقش سوئیچهای مکانیکی در روش قبلی را ایفا کرده و باقطع خود عنصر محدود ساز را وارد مدار می کند. با توجه به تعریف محدود کننده جریان اتصال کوتاه و قابلیت آن در بازیابی خود کار سیستم شاید نتوان محدود کننده های فیوز را در رده روشهای محدود سازی قرارداد. از بین محدود کننده های فیوزی می توان از دو نوع زیرنام برد:

1- محدود کننده فیوز ماسه – نقره (Silver-Sand fuse (

2- محدود کننده CLP  ( Current Limiting Protector )

 محدود کننده های فیوز علاوه براینکه برای مقادیر زیاد جریان اتصال کوتاه کار برد نداشته ، امکان وصل مجدد را به سیستم نمی دهد . هم چنین زمان عملکرد آنها طولانی و متغیر بوده و قابلیت اعتماد آنها کم می باشد.

3 – 7 – محدود کننده های امپدانسی و مدار تشدید با سوئیچ تریستوری

سرعت ورود عنصر محدود کننده به مدار ، مهمترین مسئله محدود کننده ها می باشد محدود کننده های مکانیکی از سرعت کمی بر خوردار بوده وبرای این عمل نیاز به طراحی خاص دارند .با پیشرفت سریع در تکنولوژی و ساخت عناصر نیمه هادی مانند تریستورها ، ایده محدود کننده های امپدانسی و مدار تشدید با سو ئیچهای تریستوری در دهه اخیر مطرح گردیده و تحقیقات محدودکننده ها در این زمینه از گسترش روز افزونی بر خوردار گشته است . به دلیل سرعت وصل عناصر نیمه هادی و امکان ساخت این عناصر با توانایی  هدایت جریانهای زیاد در حد چند کیلو آمپر ، مشکل سرعت ورود محدود کننده ها تا حدود زیادی مرتفع گردیده است .

با وجود تریستورهای قدرت با مقادیر ولتاژ و جریان نامی چندین کیلو ولت وکیلو آمپر امکان ساخت این محدود کننده ها همگام  با پیشرفت تکنولوژی فراهم شده است .

در مدلهای قبلی این محدود کننده ، سوئیچ تریستوری عمل سوئیچ مکانیکی در محدود کننده های مکانیکی را انجام می داد . به این ترتیب که در حالت عادی جریان خط از طریق تریستورها هدایت شده و در حالت اتصال کو تاه با قطع تریستورها جریان به سمت یک عنصر محدود کننده (سلف یا مقاومت ) رانده می شد .

در مدلهای جدید با ایده استفاده از مدار تشدید و کنترل زاویه آتش تر یستورها ، پیشرفت مطلوبی در این زمینه حاصل گردیده است .

محدود کننده های سری وموازی متشکل از سلف و خازن دو طرح معروف در زمینه این نوع محدود کننده ها می با شند . در دو زیر بخش زیر به تحلیل مختصری درباره این دو طرح پرداخته می شود.

3 – 8 – محدود کننده امپدانسی با کنترل سوئیچ تریستوری

این مدل از یک سلف و خازن سری تشکیل شده است که امپدانس آنها توسط تغییر زاویه آتش تریستورها کنترل می شود. از مطالب الکترونیک قدرت بیاد داریم که امپدانس یک مدار، بسته به زاویه آتش تریستورها قابل کنترل است که این تغییرات بستگی به نوع عنصر کنترل شونده (سلف،مقاومت،خازن یا ترکیبی از آنها) دارد.

ترکیب سری سلف و خازن باعث ایجاد یک فرکانس طبیعی در سیستم می شود که بسته به زاویه آتش تریستورها ، شکل موج جریان تغییرمی یابد.

در عملکرد عادی ، خازن وظیفه جبران سازی (Compensating) خط را به عهده دارد و تریستورها درهدایت کامل می باشند. با وقوع خطا دستور تغییر زاویه آتش از سیستم کنترل صادر شده که منجر به تغییر امپدانس می گردد و بنابراین جریان اتصال کوتاه محدود شود.

محدود کننده سری با استفاده از کنترل آتش تریستورها و به کارگیری نسبت معین خازن و سلف در تغییر شکل موج جریان اتصال کوتاه و هدایت آن در یک رنج به خصوص جریان اتصالی را محدود میکند و به دلیل هدایت تریستورها در عملکرد عادی نمی توان از عبور پیک اول جریان اتصالی خودداری کرد، لذا بسته به زمان و مکان وقوع اتصالی که میزان پیک اول را تعیین می کند راندمان محدود سازی متغییر خواهد بود.

چنانچه اولین پیک جریان اتصال کوتاه مقدار ماکزیمم این جریان باشد، بدترین حالت رخ می دهد ، پس از اولین پیک می توان جریان را تا حدبسیار زیاد کاهش داد . از سایر معایب محدود کننده فوق ، ایجاد ولتاژهای زیاد در اثر قطع و وصل تریستورها و ایجاد هارمونیکها در عملکرد عادی به سبب سری بودن این عناصر با مدار می باشد.

3- 9 – محدود کننده مدار تشدید LC  موازی

            تئوری این محدود کننده بر اساس یک مدار تشدید LC موازی میباشد. از تئوری مدار می دانیم که یک مدار تشدید موازی به صورت مدار باز ومدار تشدید سری به صورت اتصال کوتاه در فرکانس منبع عمل می کند . پس چنانچه یک مدار تشدید موازی که برای فرکانس سیستم تنظیم شده به صورت سری در مدار قرار گیرد و در حالت خطا به صورت موازی در آید باعث ایجاد امپدانس بی نهایت و ازاین روکاهش جریان می گردد.

            در عملکرد عادی سیستم ، تریستورها خاموش بوده وخازن وظیفه جبران سازی را به عهده دارد . در زمان وقوع اتصالی با صدور فرمان از قسمت کنترل ، تریستورها به طور کامل هدایت کرده و سلف را وارد مدار می کند . این عمل باعث ایجاد یک مدار تشدید موازی شده که به صورت سری با خط قرار می گیرد. از این رهگذر جریان حالت دائم اتصال کوتاه صفر می گردد، اما مسئله جریانهای گذرا مطرح می شود.

محدود کننده فوق دارای معایبی می باشد که از جمله آن می توان ازموارد زیر نام برد:

1- به دلیل وابستگی جریان اتصال کوتاه وجریان گردشی عبوری ازتریستورها به امپدانس مشخصه محدودکننده ، برای دستیابی به یک راندمان محدودسازی مطلوب و هم چنین کاهش جریان گردشی عبوری از تریستورها که باعث ازدیاد هزینه این اجزا می گردد لازم است که امپدانس مشخصه را افزایش داد ، اما از طرفی افزایش امپدانس مشخصه به معنی کاهش ظرفیت و بالتبع آن افزایش سلف می باشد.کاهش ظرفیت محدودیتهای جبران سازی را در بر دارد و برای نمونه این مدار در جبران سازی حدود 70% خط،یک راندمان محدودسازی مطلوب را نشان می دهد.به دلیل تفاوت جبران سازی برایخطوط مختلف و یا عدم جبران سازی برای خط،کارایی و کاربرد محدود کننده فوق تحت الشعاع جبران سازی قرار می گیرد.

2- نرخ کاهش جریان اتصال کوتاه بسته به زمان و مکان وقوع خطا غیر یکنواخت بوده و راندمان محدود سازی وابسته به زمان ومکان وقوع اتصالی خواهد بود.به خصوص در وقوع اتصالی در پیک ولتاژ و در ابتدای خط راندمان محدود سازی مدل فوق به کمترین مقدار خود میرسد.

3- ولتاژ شینه ای که محدود کننده به آن متصل است هر چند نسبت به حالت بدون محدودکننده بسیار مناسبتر است با این حال به نسبت زیاد بوده و به شدت تخریب شده و غیر سینوسی می باشد. این عامل برای سایرخطوط متصل به شینه فوق نامناسب می باشد و چنانچه بتوان از طرفی ولتاژ را به حد طبیعی کاهش داد واز طرف دیگرشکل موج سینوسی باشد می توان ادعا کرد که شینه مذکور به سبب وجود محدود کننده تثبیت ولتاژ شده و باعث پایداری سیستم گردیده است.

نتیجه گیری

در این مقاله به معرفی روشهای محدود کننده های جریان خطای ابررسانائی، نحوه عملکرد و مزاید آنها پرداخته شد. ناچیز بودن تلفات انرژی در حالت عملكرد عادی سیستم، عدم نیاز به سیستم تشخیص خطا، بالا بودن سرعت عملكرد، عدم نیاز به تصحیح خازنی وعدم تخریب پایداری گذرا از جمله مزاید این ادوات می باشند. متاسفانه در کشور ما غیر از چند مورد آزمایشگاهی، برای بکار گیری محدود کننده جریان خطا ابررسانائی تلاش کافی صورت نگرفته است و انتظار می رود که با عنوان نمودن مزیت های استفاده از این نوع از محدود کننده ها در کنفرانسهای مختلف بتوان زمینه ای را برای حضور این نوع از تجهیزات برق، در صنعت برق کشور فراهم آورد.

 هچنین لازم به ذكر است كاربرد این نوع ادوات در سیستمهای توزیع و سطوح ولتاژ مختلف جهت ایمنی بیشتر در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی و استفاده از محدود کننده ها، نه تنها باعث کاهش سطح اتصال کوتاه شبکه می گردد بلکه بخاطر سرعت بالای آنها در قطع جریان اتصال کوتاه، پایداری شبکه نیز بالا می رود.

مراجع:

[1]   R.Hajiha, “FCL: Fault Current Limiter”، ISCEE  2004, Type of FCL Superconductivity

[2]   M. Nagata, et al ، “FCL location selection in large scale power system”، IEEE Transaction on Applied Superconductivity ، Vol.11، No. 1، pp. 2489-2494, march 2001.

[3]   W. Paul et al،  “Physica C 353 (2001)27.

[4]   T. Hardono et al، “Behavioral Modeling of High Temperature Superconducting Wires and Coils for Power Engineering Applications”، University of Wollonongong،  NSW 2522 Australia.

[5]   M. Steurer et al، “A Nitrogen Gas Cooled, Hybrid, High Temperature Superconducting Fault Current Limiter”، CH-8092 Zürich، Switzerland .

[6] T. Shimizu, H. Yokomizu، “Design Guideline of Flux –Lock Type HTS Fault Current Limiter for Power System Application”، IEEE Transaction on Applied Superconductivity ، Vol.11، No. 1، pp. 1956-1959, march 2001.

[7]   M. Trcka, M. Reissner, W. Steiner, H. Hauser، “Determination of Inter- and Intergrain Critical Current  Densities of YBCO Ceramics by Magnetic Measurement”، Physica C, 341-348, 1487-1488, 2000.

[8]   M. Stege، “Kurzschluss-Erkennungsalgorithmen zum strombe-grenzenden Shalten”، Ph.D. thesis، TU-Braunschweig, 1992.