بررسي رله هاي كنترلر سوييچينگ كليدهاي قدرت و حالات گذراي مرتبط با آن

[سمندون 19437]

چكيده :

باز و بستن كليدها در برخي كاربردها باعث ايجاد اضافه ولتاژو جريان هاي شديد گذرا مي گردد . اين اضافه ولتاژها دركليد رخ داده ولي بخش هاي مجاور را نيز تحت تاثير قرارمي دهد . اقدامات متقابلي نظير مقاومت هاي كار گذاشته شده،راكتور يا مقاومت ميرا كننده و برق گير ها براي محدود كردن اثرات ناپايداري سوييچينگ اتخاذ مي شوند . اين روش ها نامطمئن و گران مي باشد و مشكل را به صورت اساسي حل نمي كند.

هدف از اين مقاله استفاده از كنترل كننده سوييچينگ براي كليد هاي قدرت در شرايط غير عادي مي باشد. در اين مطالعه ابتدا سوييچينگ كليد ها در شرايط غير عادي كه شامل برش جريان, افزايش ولتاژ در زمان سوييچينگ خازن , افزايش ولتاژدر زمان سوييچينگ راكتور و حالات گذراي سيستم سه فازمي باشد بررسي شده و در ادامه راهكارهايي جهت جلوگيري از حالات مذكور ارائه مي گردد . استراتژي هاي مختلف سوييچينگ براي خازن هاي شنت, راكتور هاي شنت, ترانسفورماتور هاي قدرت و خطوط انتقال به تفصيل بحث مي شود و نكات لازم در مورد باز و بسته كردن كليد درحالات فوق الذكر مطرح مي گردد. در ادامه كنترل تطبيقي درباز و بستن كليد بر رسي مي شود. كنترل تطبيقي به اين صورت است كه خطاي دريافت شده از هدف نهايي در عمليات كنترلي بعدي به طور خودكار جبران خواهد شد .

 

١-مقدمه

در برخي كاربردها باز يا بسته شدن تصادفي و لحظه اي كليدها باعث ايجاد ولتاژ و جريان هاي شديد گذرا مي شود. اين ناپايداري ها در مدارات اصلي اتفاق مي افتد و به دليل همجواري با سيستم هاي ولتاژ پايين ممكن است باعث ناپايداري هايي در كنترل و مدارات اضافي شود. ناپايداري هاي سوييچينگ با گستره اي از تنشهاي مكانيكي ناشي از عايقها در تجهيزات ولتاژ بالا در ارتباط است و ممكن است باعث تخريب لحظه اي و يا تدريجي تجهيزات و سيستم شود. به علاوه اينكه ناپايداري ها ممكن است يكسري تاثيرات در كنترل پست، سيستم هاي حفاظت، كامپيوترها و مخابرات داشته باشد.

كنترل سوييچينگ روشي براي حذف ناپايداري هاي مخرب در زمان عمليات سوييچينگ است.فرمان هاي باز شدن و يا بسته شدن كليد بگونه اي تاخير داده مي شوند تا باز شدن و يا بسته شدن كنتاكت در بهترين لحظه و زاويه فاز مر بوطه اتفاق بيفتد. بوسيله مفهوم كنترل سوييچينگ عمليات هاي برقدار كردن و بي برق كردن ميتواند با توجه به وضعيت موج كنترل شده و هيچ ناپايداري مخربي توليد نشود.

٢ - سوييچينگ درشرايط غيرعادي

در يك سيستم تك فاز به سادگي ممكن است در زمان سوييچينگ ، ولتاژ به دو برابر مقدار نامي برسد و يا در زمان بستن يك خازن جريان به دو برابر جريان نامي برسد . با اين وجود حتي اين مقادير را ما عادي تلقي مي كنيم . منظورازشرايط غير عادي شرايطي هستند كه ولتاژ و جريان از اين مقادير هم بيشتر مي شوند. همه اين شرايط ناشي از انرژي ذخيره شده در بخشي از سيستم هستند.

1-2 برش جريان(Current chopping or current suppression)

گاهي پيش از آنكه جريان به صورت طبيعي صفر شود بر اثرباز شدن كنتاكتهاي كليد و عمليات اطفاي قوس جريان به طور ناگهاني صفر مي شود. اين پديده به خصوص هنگام بازكردن كليد راكتورهاي شنت و يا ترانسفورماتورهاي بي باررخ مي دهد. برش جريان ترانسفورماتور بي بار يا راكتور منجربه ايجاد اضافه ولتاژ گذرا ميشود.

2-2 تصعيدولتاژدرزمان سوييچينگ خازن

در زمان بستن خازن جريان هجومي ممكن است تنشهاي سختي را به خازن تحميل كند كه پديده اي آشنا است . ولي بايد دانست كه امكان بروز مشكل در هنگام قطع جريان خازني وجود دارد كه مي توان گفت مشابه پديده ايست كه درزمان قطع جريان شار ژ يك خط رخ مي دهد. جريان و ولتاژخازن 90 درجه اختلاف فاز دارند پس در زماني كه جريان قطع مي شود ولتاژ خازن بيشينه است . از طرفي ممكن است با اينكه هنوز تيغه هاي بريكر به اندازه كافي فاصله نگرفته باشند ولتاژ دو سر بريكر به 2P.U برسد و اگر در اين لحظه استقامت عايقي به اندازه كافي نباشد طبيعي است كه ضربه مجدد رخ مي دهد. جريان در زمان ضربه مجدد جاري مي شود و خازن به همراه راكتانس منبع يك مدار نوساني تشكيل ميدهد كه قطع اين مدار ميتواند ولتاژ دو سر كليد را تا 3P.U افزايش دهد. به اين پديده تصعيد(افزايش) ولتاژ مي گويند.

3-2تصعيد ولتاژدرزمان سوييچينگ راكتور

پس از آنكه احتراق مجدد (Reignition )رخ مي دهد جريانهاي I1 و I2 در مدار جاري مي شوند. كليد ممكن است در زماني كه I1 برابر صفر مي باشد جريان را قطع كند در حاليكه I2 صفر نيست پس مقداري انرژي در سيستم ذخيره شده است كه موجب ولتاژ حالت گذرا مي شود و اگر استقامت الكتريكي بين تيغه هاي كليد نتواند اين مقدار تنش را كه مولفه هاي فركانس بالا دار د تحمل كند مجددا مي شكند و ادامه اين ر وند مي تواند موجب تصعيد ولتاژ شود.

2-4 حالات گذرا درسيستم هاي سه فاز

هنگامي كه نقطه صفر يك سيستم سه فاز زمين شده باشد ميتوان هر فاز را مستقل از د و فاز ديگر در نظر گرفت و آنها را به صورت سه فاز مجز ا تحليل كرد و در اين حالت بريكري كه اول مدار را قطع مي كند شرايطي متفاوت از دو فاز ديگر ندارد اما در سيستمهاي زمين نشده شرايط متفاوت است. يعني كليدي كه اول مدار را قطع مي كند به علت جابجايي نقطه صفر شرايط سخت تري را تجربه مي كند و دو كليد ديگر در زمان قطع مدار شرايط آسانتري را نسبت به كليد اول پيش رو خواهند داشت . در اين شرايط كه نقطه صفر زمين نشده است ولتاژي كه بر روي كليد مي افتد 50٪ بيش از ولتاژي است كه در سيستمهاي با نقطه صفر زمين شده به كليد اعمال مي شود.

٣-روشهاي مدرن سوييچينگ

3-1 سوييچينگ خازنهاي شنت

كنترل كننده سوييچنگ اصولا براي كنترل عمليات بسته شدن بانك هاي شنت استفاده مي شود. يك خازن دشارژ شده هنگام اتصال به منبع ا نرژي شبيه به اتصال كوتاه عمل ميكند. زماني كه ولتاژ منبع بالاست ، برقراري اتصال باعث ناپايداري ولتاژ و جريان مي شود. بسته به نوع پيكربندي شبكه ممكن است افزايش ولتاژ باعث شكسته شدن عايقها و آسيبب جدي تجهيزات ولتاژ پايين شود . كنترل كليد در ولتاژ صفر كليد ها ناپايداري مخرب را كاهش مي دهد. براي بانك هاي خازني با صفر زمين شده سه پل كليد بايد به صورت پياپي و فواصل زماني0.166 سيكل بسته شوند(3/3 ميلي ثانيه در فركانس 50 هرتز ). براي بانك هاي خازني كه صفر آنها زمين نشده است دو كليد بايد همزمان و در لحظه اي كه ولتاژ فاز -فاز صفر است بسته شوند و كليد سوم 0.25 سيكل (5 ميلي ثانيه در فركانس 50 هرتز) ديرتر بسته مي شود.

در حالتيكه از كليد هاي تك پل استفاده شود كنترل كننده سوييچنگ هر پل را بطور جداگانه و در زمان صحيح مي بندد. سوييچينگ خازن شنت به عوامل زير وابسته است :

· نقطه صفر بار زمين شده باشد يا زمين نشده باشد.

· فركانس سيستم.

اصولا باز كردن كليد هاي خازن شنت باعث ناپايداري سوييچينگ نخواهد شد . چرا كه كليدها به گو نه اي طراحي گرديده اند كه كمترين ريسك ضربه مجدد را به محض قطع جريان داشته باشند . اگر چه در موارد خاص و با شرايط سخت ممكن است كنترل كننده سوييچينگ براي باز كر دن كليدهاي خازن شنت نيز استفاده شود . معمولاً براي كليدها كميتي به نام RDDS (Rate of Decrease of Dielectric Strength يا نرخ كاهش استقامت الكتريكي درنظر گرفته مي شود. جهت آنكه اتصال در لحظه مناسب انجام شود بايد RDDS بسيار بيشتر از نرخ كاهش ولتاژ دو سر كليد باشد . در عمل RDDS هميشه مقدار ثابتي نيست به همين دليل نقطه هدف كمي بعد از نقطه صفر ولتاژ در نظر گرفته ميشود.

[سمندون 19437]

3-2 سوييچينگ راكتورهاي شنت

شرايطي كه بر توالي و ترتيب سوييچينگ قطبهاي كليد مؤثرند عبارتند از :

· نوع هسته (SHELL TYPE. LIMBED)

· نوع اتصال ( ستاره يا مثلث )

· روش زمين كردن

به عنوان مثال اگر راكتور SHELL TYPE باشد فازها از هم مستقل هستند و بين فازها كوپلينگ وجود ندارد و اين امر بر توالي سوييچينگ قطبها مؤثر است.

باز كردن كليد راكتورها مي تواند موجب برش جريان شود و برش جريان اضافه ولتاژهايي بر روي راكتور توليد مي كند كه اندازه آن بين 1/2 تا 2 برابر ولتاژ نامي مي تواند باشد و فركانس اين نوسانات در حد چند كيلوهرتز است كه براي راكتور خطري ندارد اما اگر اين اضافه ولتاژها موجب احتر اق مجدد شوند اضافه ولتاژهاي بعدي چند صد كيلوهرتز خواهد بود. امواج با فركانس بالا به صورت يكنواخت بر روي سيم پيچ توزيع نمي شوند و ممكن است به عايق راكتور آسيب برسانند. در كليد هاي راكتور شنت بطور معمول كنترل كننده سوييچينگ براي عمليات باز كردن مورد استفاده قرار مي گيرد. با كنترل فواصل اتصال كه به ميزان كافي قبل از جريان صفرحادث مي شود, مي توان احتراق مجدد را حذف نمود . بسته شدن كليد هاي ر اكتور شنت نيز در چندين مورد كنترل مي شود. سوييچينگ در اين حالت شبيه به برقدار كردن ترانسفورماتور بدون بار است و ممكن است باعث اعوجاج شديد جرياني و تنشهاي الكترومكانيكي شود . معمولا كليد هاي راكتور شنت به دليل سطح مجاز ولتاژ به صورت تك پل استفاده مي شوند.

3-3 سوييچينگ ترانسفورهاي قدرت

در كليد هاي ترانسفورماتور ، كنترل كننده سوييچينگ براي كنترل عمليات بسته شدن مورد استفاده قرار مي گيرد تا جريان شديد ورودي را محدود كند . برقدار شدن كنترل نشده در يك وضعيت موج نامناسب باعث يك جريان شديد و ضعيف ميرادر ورودي خواهد شد كه نتيجه آن تنشهاي مكانيكي در سيم پيچي ها و تداخل فركانسي در ثانويه در نتيجه اعوجاج جرياني و اختلال در شبكه بوسيله هارمونيك هاي جريان مي باشد.

اصولا سه روش براي كنترل كليد هاي ترانس وجود دارد:

· اگر فلوي پسماند قابل صرف نظر كردن باشد مي توان تنها كنترل بستن را به كار برد. با اين فرض دامنه جريان هاي هجومي محدود خواهد شد.

· عمل باز كردن كليد به منظور داشتن فلوي پسماند معين قابل كنترل بوده و عمل بستن كليد به منظور محدود كردن جريان هجومي كنترل مي شود.

· باز كردن كليد به صورت تصادفي صورت مي گيرد. به صورتي كه شار پسماند حاصل بر اساس ولتاژدريافتي ازCVT مجاور ترانس بدست مي آيد. براساس شار پسماند محاسبه شده عمل بستن كنترل شده تا جريان هجومي كاهش پيدا كند.

3-3-1 برقدار كردن ترانسفورماتور بدون درنظر گرفتن شار پسماند

اگر نقطه صفر به زمين متصل شده باشد ابتدا يك فاز در لحظه ماكزيمم بودن ولتاژ بسته مي شود اما اگر نقطه صفر زمين نشده باشد دو فاز به صورت همزمان بسته مي شوند. كليدهاي فاز يا فازهاي بعدي در زماني بسته مي شوند كه شار جاري درهسته مربوط به آن فازها پس از بستن كليدهاي فازها يا فازاول مشابه با شاري باشد كه در شرايط دايم در آن هسته جاري خواهد شد.

3-3-2 برقداركردن ترانسفورماتور با در نظر گرفتن شار پسماند

الف) بدون استفاده از باز شدن كنترلي:

در اين حالت باز كردن كليد ترانسفورماتور به صورت كنترل شده نيست . اما با استفاه از CVT هاي سر ترانسفورماتور و انتگرالگيري از ولتاژ شار به دست مي آيد.

ب) با استفاده از باز شدن كنترلي:

در اين حالت باز كردن كليد به صورت كنترل شده انجام مي شود تا در هنگام بستن كليد و برقدار شدن ترانسفورماتورجريان هجومي كمينه باشد . معمولاً برنامه ريزي به نحوي انجام مي شود كه جريان بي باري در لحظه گذر از صفر قطع شود و شار پسماند مينيمم باشد . در اين حالت كليد بايد داراي سه مكانيزم باشد.

برتري اين روش نسبت به روش قبلي آن است كه چنانچه قطع ترانسفورماتو ر به دليل وقوع خطا هم صورت گيرد برقدار كردن بعدي باز هم كنترل شده خواهد بود . اما در حالت پيشين چون تريپ هاي حفاظتي مستقيم به كليد ارسال مي شوند و بي برق كردن كنترل نشده است برقد ار كردن هم كنترل نشده خواهد بود.

4-3قطع و وصل خطوط انتقال

در خطوط و شبكه هاي( EHV (Extra High Voltageولتاژ ضربه قابل تحمل سيستمP.u 2-3 است و لذا اضافه ولتاژها بايد تحت كنترل باشند . قطع و وصل پيش بيني شده خط اضافه ولتاژهاي زيادي ايجاد نمي كند زيرا ولتاژ خط صفر است و بارها كاملاً تخليه شده اند . اما دوباره برق داركردن خط مخصوصاً به هنگام باز- وصل، اضافه ولتاژهاي بسيار زيادي ايجاد مي كند چرا كه بارهاي به دام افتاده هنوزتخليه نشده اند . هر چقدر اختلاف ولتاژ دو سر كليد بيشترباشد ممكن است پلارتيه ولتاژ خط و منبع با يكديگرمتفاوت باشد ولتاژهاي گذراي بعدي بيشتر خواهند بود به ويژه آن هنگام كه سر ديگر خط باز باشد.

1-4-3برقدار كردن خطوط جبران نشده(بدون راكتور شنت )

الف) بدون در نظر گرفتن بار خط:

تنها ولتاژ سمت منبع تحليل مي شود و در لحظه صفر ولتاژكليد بسته مي شود. با اين روش مي توان انتظار داشت اضافه ولتاژ تا حد زيادي محدود شود . بهتر است از كليدي استفاده شود كه RDDS زيادي داشته باشد.

ب) با در نظر گرفتن بار خط:

در اين روش ولتاژ سمت خط هم در نظر گرفته مي شود . بعد از قطع كليد ، ولتاژ خط كه يك مقدار dc است همان مقدار قبل از قطع كليد لحاظ مي گردد و كليد زماني بسته خواهد شد كه ولتاژ دو سر آن مينيمم باشد . پس از 20 ثانيه خط بدون بار در نظر گرفته مي شود.

2-4-3برقداركردن خطوط جبران شده(با راكتور شنت )

در اين حالت ولتاژ خط به صورت نوساني به تدريج صفر مي شود. فركانس آن بين 30- 55 هرتز است و فركانس آن بستگي به در صد جبران خط دارد . فركانسهاي طبيعي ديگري هم داريم كه به جابجايي فازها بستگي دارند . اين فركانسها چندان مهم نيستند . ولتاژ دو سر كليد تركيب اين دو ولتاژ است كه ولتاژ پالسي خواهد بود كه بين صفر تا 2 P.u تغيير مي كند. تزويج متقابل فازها موجب مي شود تا ولتاژ دو سر كليد براي فازهاي ديگر متفاوت از آنچه كنترل كننده پيش بيني كرده است باشد . از اين تغييرات هم مي توان صرفنظر كرد . طبيعت نوساني ولتاژ باعث مي شود كه بتوان آنرا توسط CVT ها آشكارسازي نمود و فرمان بستن زماني صادر مي شود كه ولتاژ دو سر كليد صفر باشد.

۴- كنترل تطبيقي (Adaptation control)

كنترل تطبيقي ميتواند هم براي عملكرد بستن مدار يك كليد و هم براي باز نمودن آن مورد استفاده مي باشد. گاهي به دليل تغيير شرايط كاري كليد، انحرافي در عملكرد كنترل كننده پيش مي آيد. ازجمله عواملي كه ممكن است زمان عملكرد كليد را دچار تغيير نمايند براي مثال مي تواند افزايش تدريجي سطح سوختگي كنتاكت ها و تغيير درجه حرارت محيط و نوسانات ولتاژ باشد . روش كنترل تطبيقي به اين صورت است كه خطاي دريافت شده از هدف نهايي در عمليات كنترلي بعدي به طور خودكار جبران خواهد شد . اگر لازم باشد كليد در زمان عملكردي محاسبه شده تغييري ايجاد نمايد، يك سيگنال بازخورد تطبيقي توسط سنسور يا ترانسديوسر، كمي زودتر يا كمي ديرتر از زمان مورد انتظار در اختيار كنترل كننده قرار مي گيرد. بنابراين و قتي خطايي توسط كنترل كننده ديده شد، يك زمان انتظار داخلي براي عملكرد بعدي بوجود مي آورد تا كليد را به سمت زمان مورد انتظار راهنمايي نمايد. براي كليدهاي تك قطبي، كنترل تطبيقي مي تواند براي هر قطب به طور مجزا انجام گيرد و در حالت كليدهاي سه قطبي تنها يك قطب تحت نظارت قرار مي گيرد و ديگر قطب ها به صورت مكانيكي به همان قطب كنترل شده متصل هستند.

۵-نتيجه گيري

در اين مقاله كنترل كننده سوييچينگ ها براي كليد هاي قدرت مورد مطالعه قرار گرفتند . استراتژي هاي مختلف سوييچينگ براي خازن هاي شنت ، راكتور هاي شنت ، ترانسفورماتور هاي قدرت و خطوط انتقال مورد بحث قرار گرفت و نكات لازم در مورد باز و بسته كردن كليد در حالات فوق الذكر مطرح گرديد.

در مورد آيتم شماره 4 اين توضيح ضروري است كه در هنگام باز كردن مدارهاي سه فاز در مدار اضافه ولتاژ ايجاد مي شود كه مقدار اضافه ولتاژ دو سر كليد از2/4 برابر ولتاژ فا ز به نول بيشتر نمي شود . چون كليد و ديگر تجهيزات شبكه مي توانند اين مقدار را تحمل كنند در هنگام باز كردن نيازي به كنترل كننده نمي باشد . طبق مطالب گفته شده با استفاده از كنترل كننده سوييچينگها مي توانيم ناپايداريهاي مربوط به سوييچينگ را از بين ببريم.

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام