پایان نامه بررسی انواع اضافه ولتاژها در سیستمهای قدرت و علل پیدایش آنها

پایان نامه بررسی انواع اضافه ولتاژها در سیستمهای قدرت و علل پیدایش آنها

كلیات

          در سیستمهای قدرت و شبكه‌های انتقال و توزیع انرژی الكتریكی، تك‌تك تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبكه، اتصال كوتاه و قطع برق را به همراه دارد. خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه‌های هنگفتی را به شبكه تحمیل می‌نماید. لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی كشور جلوگیری به عمل می‌آید.

          برقگیرها از جمله تجهیزاتی هستند كه جهت محدود كردن اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و كلید‌زنی) در شبكه‌های انتقال و توزیع به كار می‌روند. برقگیرها ضمن اینكه حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا را بر عهده دارند، باید در مقابل اضافه ولتاژهای موقتی از خود واكنشی نشان ندهند و همچنین با توجه به شرایط محیطی منطقه مورد بهره‌برداری ، نظیر رطوبت و آلودگی، عملكرد صحیح و قابل قبولی را ارائه دهند.

1-2- هدف:

          بر طبق گزارشهای رسیده از تخریب برقگیرهای پست 230/400 كیلوولت فیروزبهرام و به منظور بررسی علل این حوادث این پروژه را به انجام رسید.

          در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبكه‌های قدرت پرداخته می‌شود، سپس برقگیرها به عنوان یكی از تجهیزات مهم برای محدود كردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبكه مورد بحث قرار می‌گیرد. در فصل چهارم عوامل كلی كه سبب اختلال در عملگرد برقگیر می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند. در فصل پنجم با استفاده از نرم‌افزار EMTP كه قادر است حالات گذرا را بطور دقیق در شبكه آنالیز نماید شبكه مورد نظر شبیه‌سازی شده و شكل موج اضافه ولتاژهای تولید شده در شبكه در زمان وقوع حادثه محاسبه و ترسیم شده است.

          با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه شكل موج اضافه ولتاژهای تولید شده با شكل موج اضافه ولتاژهای فروزرونانسی،  وقوع پدیده فرورزونانسی در پست فیروزبهرام كاملاً مشهود است و اضافه ولتاژهای ناشی از این پدیده سبب تخریب برقگیرهای این پست گردیده است.

          در پایان نیز پیشنهاداتی جهت جلوگیری از بروز مجدد چنین حوادثی در پست مذكور ارائه شده است.

خلاصه:

          در سیستمهای قدرت و شبكه‌های انتقال و توزیع انرژی الكتریكی، تك‌تك تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبكه، اتصال كوتاه و قطع برق را به همراه دارد. خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه‌های هنگفتی را به شبكه تحمیل می‌نماید. لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی كشور جلوگیری به عمل می‌آید.

          برقگیرها از جمله تجهیزاتی هستند كه جهت محدود كردن اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و كلید‌زنی) در شبكه‌های انتقال و توزیع به كار می‌روند. برقگیرها ضمن اینكه حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا را بر عهده دارند، باید در مقابل اضافه ولتاژهای موقتی از خود واكنشی نشان ندهند و همچنین با توجه به شرایط محیطی منطقه مورد بهره‌برداری ، نظیر رطوبت و آلودگی، عملكرد صحیح و قابل قبولی را ارائه دهند.

          بر طبق گزارشهای رسیده از تخریب برقگیرهای پست 230/400 كیلوولت فیروزبهرام و به منظور بررسی علل این حوادث این پروژه را به انجام رسید.

          در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبكه‌های قدرت پرداخته می‌شود، سپس برقگیرها به عنوان یكی از تجهیزات مهم برای محدود كردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبكه مورد بحث قرار می‌گیرد. در فصل چهارم عوامل كلی كه سبب اختلال در عملگرد برقگیر می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند. در فصل پنجم با استفاده از نرم‌افزار EMTP كه قادر است حالات گذرا را بطور دقیق در شبكه آنالیز نماید شبكه مورد نظر شبیه‌سازی شده و شكل موج اضافه ولتاژهای تولید شده در شبكه در زمان وقوع حادثه محاسبه و ترسیم شده است.

          با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه شكل موج اضافه ولتاژهای تولید شده با شكل موج اضافه ولتاژهای فروزرونانسی،  وقوع پدیده فرورزونانسی در پست فیروزبهرام كاملاً مشهود است و اضافه ولتاژهای ناشی از این پدیده سبب تخریب برقگیرهای این پست گردیده است. در پایان نیز پیشنهاداتی جهت جلوگیری از بروز مجدد چنین حوادثی در پست مذكور ارائه شده است.

مقدمه

          سطح ایزولاسیون به عنوان یكی از پارامترهای مهم در طراحی شبكه مطرح می‌باشد و ارتباط مستقیمی با اضافه ولتاژهای موجود در شبكه دارد.

          افزایش ولتاژ از مقدار نامی خود، به اضافه ولتاژ در شبكه موسوم می‌باشد. از آنجائیكه ظهور اضافه ولتاژ در شبكه اجتناب‌ناپذیر است، لذا احتمال بروز قوس در ایزولاسیون و ماده ایزوله در شبكه همراه وجود دارد.

          كاهش درصد بروز قوس‌ها و اتصالی‌ها مستلزم شناخت كامل اضافه ولتاژها، انواع مختلف آنها، شرایط ایجاد و پدید آمدن آنها و همچنین نحوه تاثیر آنها در ایزولاسیون شبكه می‌باشد و در صورت برخورداری از چنین شناختی، انتخاب مشخصات مناسب شبكه و تجهیزات موجود در آن امكان‌ پذیر می‌گردد.

2-2- انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبكه:

          كلیه اضافه ولتاژهای ظاهر شده در شبكه بر حسب شكل و یا منبع بروز خود، تقسیم‌بندی می‌شوند. كه می‌توان آنها را به شرح زیر تقسیم‌بندی نمود:

2-2-1- اضافه ولتاژهای صاعقه1

2-2-2- اضافه ولتاژهای كلیدزنی2

2-2-3- اضافه ولتاژهای موقتی1

كه با توجه به عامل بوجود آورنده نیز به دو دسته داخلی2 و خارجی3 تقسیم می‌شوند.

          بر اساس این تقسیم‌بندی اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه به اضافه ولتاژ خارجی و دو نوع دیگر به اضافه ولتاژهای داخلی موسوم می‌باشد.

2-2-1- اضافه ولتاژ‌های صاعقه

          در پی تخلیه جوی الكتریكی بر قسمتهای مختلف شبكه، بارهای الكتریكی انباشته در ابرها و فصل از طریق كانال یونیزه تشكیل شده در فضا بصورت قوس مرئی رعد و برق در قسمتهای مختلف شبكه تخلیه گشته ، اصطلاحاً به تخلیة جوی الكتریكی موسوم می‌باشد. تخلیه بارهای الكتریكی جوی، موجبات افزایش ولتاژ را به طور لحظه‌ای در محل تخلیه فراهم ساخته، ولتاژ موجی با سرعت نور در طول هادی‌های فاز منتشر می‌شود و اضافه ولتاژهای تخلیه جوی را در شبكه پدید می‌آورد.

1- LOV= Lightning Over Voltage

2- SOV = Switching Over Voltage

1- TOV = Temporary Over Voltage

2- Internal Over Voltage

3- External Over Voltage

فهرست

عنوان                                                                                         صفحه

فصل اول: مقدمه                                                                                                         

1-1-        كلیات                                                                                                               2

1-2-        هدف                                                                                                                2

فصل دوم: بررسی انواع اضافه ولتاژها در سیستمهای قدرت و علل پیدایش آنها             

2-1- مقدمه                                                                                                                   7

2-2- انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبكه                                                                       7

      2-2-1- اضافه ولتاژهای صاعقه                                                                               8

          2-2-1-1- مشخصه اضافه ولتاژهای صاعقه                                                         9

     2-2-2- اضافه ولتاژهای كلید زنی (قطع و وصل)                                                      10

          2-2-2-1- موج استاندارد قطع و وصل یا كلید‌زنی                                                           11

          2-2-2-2- علل بروز اضافه ولتاژهای كلیدزنی                                                     12

             2-2-2-2-1- اضافه‌ ولتاژهای ناشی از كلید‌زنی جریان‌های سلفی و خازنی         13

             2-2-2-2-2- اضافه ولتاژهای كلیدزنی ناشی از تغییرات ناگهانی بار                   13

2-2-3- اضافه ولتاژهای موقت                                                                                       14

عنوان                                                                                         صفحه

          2-2-3-1- مقدمه                                                                                               14

          2-2-3-2- خطاهای زمین                                                                                   15

          2-2-3-3- تغییرات ناگهانی بار                                                                           17

          2-2-3-4- اثر فرانتی                                                                                         19

          2-2-3-5- تشدید در شبكه                                                                                21

          2-2-3-6- تشدید در خطوط موازی                                                                    23

فصل سوم: نحوه تعیین پارامترهای برقگیر جهت حفاظت از شبكه در مقابل اضافه ولتاژها          

3-1- مقدمه                                                                                                                   26

3-2- برقگیرهای اكسید روی                                                                                          26

          3-2-1- ساختمان مقاومتهای غیر خطی                                                                27

          3-2-2- منحنی ولت – آمپر غیرخطی مقاومتها                                                      28

          3-2-3- پایداری حرارتی، اختلال حرارتی                                                                        29

          3-2-4- تعاریف و مشخصات برقگیرهای اكسید روی                                          32

            3-2-4-1- ولتاژ نامی                                                                                      32

            3-2-4-2- مقدار حقیقی ولتاژ بهره‌برداری                                                         35

          عنوان                                                                                         صفحه

            3-3-4-3- حداكثر ولتاژ كار دائم                                                                      36

            3-3-4-4- فركانس نامی                                                                                  36

            3-2-4-5- ولتاژ تخلیه                                                                                     36

            3-2-4-6- مشخصه حفاظتی برقگیر                                                                  36

            3-2-4-7- نسبت حفاظتی                                                                               38

            3-2-4-8- حاشیه حفاظتی                                                                               38

            3-2-4-9- جریان مبنای برقگیر                                                                                    38

            3-2-4-10- ولتاژ مرجع                                                                                  38

            3-2-4-11- جریان دائم برقگیر                                                                                    39

            3-2-4-12- جریان تخلیه نامی برقگیر                                                              39

            3-2-4-13- قابلیت تحمل انرژی                                                                      39

            3-2-4-14- كلاس تخلیه برقگیر                                                                      40

3-2-5- انتخاب برقگیرها                                                                                               41

          3-2-5-1- انتخاب ولتاژ نامی و ولتاژ كار دائم برقگیر                                           42

          عنوان                                                                                         صفحه

فصل چهارم: بررسی علل ایجاد اختلال در برقگیرهای اكسید روی

4-1- مقدمه                                                                                                                   45

4-2- اشكالات مربوط به طراحی و ساخت برقگیر                                                                        46

4-3- پایین بودن كیفیت قرص‌های وریستور                                                                    49

4-4- پیرشدن قرص‌های اكسید روی تحت ولتاژ نامی در طول زمان                                               51

4-5- نوع متالیزاسیون مورد استفاده روی قاعده قرص‌های اكسید روی                                51

4-6- عدم كیفیت لازم عایق سطحی روی وریستورها                                                        54

4-7- اشكالات مربوط به انتخاب نوع برقگیر و محل آن در شبكه                                       55

    4-7-1- پایین‌بودن ظرفیت برقگیر مورد انتخاب نسبت به قدرت صاعقه‌های موجود در محل55

    4-7-2- پایین‌بودن ولتاژ آستانه برقگیر انتخاب شده نسبت به سطح TOV                      57

4-8- اشكالات ناشی از نحوه نگهداری و بهره‌برداری از برقگیر                                          57

          4-8-1- وجود تخلیه جزئی در داخل محفظه برقگیر                                             57

          4-8-2- آلودگی سطح خارجی محفظه برقگیر                                                      58

          4-8-3- اكسید شدن و خرابی كنتاكتهای مدارات خارجی برقگیر                            59

          عنوان                                                                                         صفحه

فصل پنجم: شناسایی پدیده فرورزونانس و بررسی حادثه پست 230/400 كیلوولت فیروز بهرام

5-1- مقدمه                                                                                                                   61

5-2- شناسایی پدیده فرورزونانس                                                                                   61

5-3- فرورزونانس                                                                                                         63

          5-3-1- فرورزونانس سری یا ولتاژی                                                                  63

          5-3-2- فرورزونانس موازی یا فرورزونانس جریانی                                            66

5-4- طبقه‌بندی مدلهای فرورزونانس                                                                               68

          5-4-1- مدل پایه                                                                                               69

          5-4-2- مدل زیر هارمونیك                                                                                69

          5-4-3- مدل شبه پریودیك                                                                                 70

          5-4-4- مدل آشوب گونه                                                                                   71

5-5- شناسایی فرورزونانس                                                                                            72

5-6- جمع‌آوری اطلاعات شبكه و پست جهت شبیه‌سازی و بررسی حادثه پست فیروز‌ بهرام          74

5-7- بررسی حادثه مورخ 28/2/81 پست فیروز بهرام                                                       83

          5-7-1- مدلسازی و مطالعه حادثه با استفاده از نرم‌افزار emtp                                83

            5-7-1-1- رفتار برقگیرهای سمت اولیه و ثانویه ترانسفورماتور در هنگام وقوع حادثه87

          عنوان                                                                                         صفحه

            5-7-1-2- رفتار برقگیر فاز T سمت KV230 ترانسفورماتور در هنگام وقوع حادثه          90

            5-7-1-3- بررسی روشهای جهت جلوگیری از وقوع پدیده فرورزونانس در پست فیروز بهرام                                                                                                                        94

الف- وجود بار در سمت ثانویه ترانسفورماتور                                                                  94

ب- ترانسپوز كردن خط رودشور – فیروز بهرام                                                                96

فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات

6-1- نتیجه‌گیری و پیشنهادات                                                                                        100

ضمائم                                                                                                                          102

منابع و مراجع                                                                                                               103