برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

صدمات ناشی از میدان مولفه‌ منفی جریان (حاصل از عدم تقارن بار) بر ژنراتور:

در صورتی كه بار الكتریكی تقارن خود را از دست بدهد، جریان ژنراتور به سه مولفه مثبت، منفی و صفر قابل تجزیه است. اثر مولفه مثبت همانند بار متعادل است و مساله‌ای بوجود نمی‌آورد. مولفه صفر نیز میدان گردان پدید نمی‌آورد. مولفه منفی جریان میدانی در خلاف جهت گردش روتور پدید می‌آورد این میدان نسبت به روتور با دو برابر سرعت سنكرون گردش می‌كند و به همین جهت جریان‌هایی با دو برابر فركانس سیستم در سطح روتور، حلقه انتهایی نگهدارنده روتور، گوه‌ها و شیار روتور در درجات كمتر در سیم‌پیچ‌های میدان (روتور) القاء می‌كند و باعث تلفات اضافی در روتور می‌شود.

یادآوری مطالب تئوریك پیشنیاز ورود به بحث:اگر ژنراتور با بار نامتفاوتی مواجه شود، جریانهای بار نامتقارن را در ژنراتور میتوان به مولفه‌های مثبت، منفی و صفر تجزیه كرد. مجموعه مولفه‌های متعادل به شرح زیرند:

الف) مولفه‌های ترتیب مثبت: شامل سه بردار با دامنه یكسان و اختلاف فاز 120 درجه و دارای همان چرخش فاز سیستم اصلی (به عنوان مثال توالی فاز مثبت abc) و مشابه جریان بار متعادل ایجاد میدانی با سرعت سنكرون و در جهت دوران روتور می‌كند.

ب) مولفه‌های ترتیب منفی: شامل سه بردار با دامنه‌های یكسان و اختلاف فاز 120 درجه و با چرخش‌های فازی مخالف با مولفه‌های ترتیب مثبت (به عنوان مثال توالی فاز منفی abc) ایجاد میدانی با سرعت سنكرون ولی در جهت مخالف با دوران روتور كرده و لذا جریان‌هایی با دو برابر فركانس سیستم را در روتور القاء می‌كند.



ج) مولفه‌های ترتیب صفر: شامل سه بردار هم دامنه بدون اختلاف فاز بین یكدیگر، كه این مولفه صفر جریان هیچگونه عكس‌العمل آرمیچری را ایجاد نمی‌كند.
خطاهای سیستم اغلب از نوع نامتقارن است و از آنجایی كه این خطاها باعث عبور جریان نامتقارن در سیستم می‌شوند، روش مولفه‌های نامتقارن برای محاسبات جریان و ولتاژ نقاط مختلف سیستم در خلال خطا، بسیار مفید است.
مولفه‌های صفر، مثبت و منفی جریان با معادلات زیر بیان می‌شوند:
عدد a نشانگر اپراتوری است كه با اعمال آن به هر بردار با حفظ دامنه به اندازه 120 درجه در خلاف جهت عقربه‌های ساعت دوران كند این اپراتور عبارت است از عدد1 با زاویه 120 درجه كه به صورت مختلط عبارت است از:
اگر این اپراتور دو بار متوالی به یك بردار اعمال شود آنرا به اندازه 240 درجه در خلاف جهت عقربه‌های ساعت گردش خواهد داد.
در انتهای بحث مقدمه به عوامل ایجاد جریان‌های نامتقارن در شبكه قدرت به شرح زیر، پرداخته می‌شود:
1- اتصال كوتاه نامتقارن (در خطوط انتقال طویل، دامنه جریان مولفه منفی در این حالت بیشترین مقدار است).
2- هادیهای باز در شبكه (عملكرد غلط یكی یا بیشتر از قطبهای كلید قدرت به‌هنگام كلید‌زنی و یا قطع یكی از فازها، مصداق این مورداند)
3- شبكه قدرت نامتقارن (عدم ترانسپوزه بودن خطوط انتقال نیرو)
4- بارهای نامتعادل

صدمات ناشی از میدان مولفه‌ منفی جریان (حاصل از عدم تقارن بار) بر ژنراتور:
در صورتی كه بار الكتریكی تقارن خود را از دست بدهد، جریان ژنراتور به سه مولفه مثبت، منفی و صفر قابل تجزیه است. اثر مولفه مثبت همانند بار متعادل است و مساله‌ای بوجود نمی‌آورد. مولفه صفر نیز میدان گردان پدید نمی‌آورد. مولفه منفی جریان میدانی در خلاف جهت گردش روتور پدید می‌آورد این میدان نسبت به روتور با دو برابر سرعت سنكرون گردش می‌كند و به همین جهت جریان‌هایی با دو برابر فركانس سیستم در سطح روتور، حلقه انتهایی نگهدارنده روتور، گوه‌ها و شیار روتور در درجات كمتر در سیم‌پیچ‌های میدان (روتور) القاء می‌كند و باعث تلفات اضافی در روتور می‌شود. تلفات اضافی ناشی از جریان مولفه منفی استاتور، ابتدا در سطح روتور نمایان می‌شود كه باعث برافروخته شدن سطح روتور و افزایش شدید درجه حرارت هسته روتور و خرابی ایزولاسیون سیم‌پیچی روتور در یك زمان بسیار كوتاه می‌شود، سپس در گوه‌های شیار تاثیر گذاشته كه اگر مقدار آن زیاد باشد این گوه‌ها را از جای خود كنده و در طول شیار در جهت محوری حركت داده تا جایی كه به حلقه‌های نگهدارنده انتهایی برخورد كرده و باعث خرد شدن آنها شوند (لازم به ذكر است كه حلقه‌های نگهدارنده مذكور دارای قیمت بالا و بشكل ارزی تامین می‌شود).
جریان‌های مولفه منفی در دو دسته كلی زیر تقسیم می‌توان كرد:
الف) جریان نامتقارن كوتاه مدت
ب) جریان نامتقارن بلندمدت
جریان نامتقارن كوتاه مدت نظیر اتصال كوتاه یك فاز به زمین است كه بعد از مدت كوتاهی ممكن است قطع شود.
جریان نامتقارن بلند مدت نظیر بارهای نامتقارن هستند كه ممكن است برای مدت طولانی ادامه داشته باشد.
این دو پدیده باعث افزایش درجه حرارت و گشتاور نوسانی ضربه‌ای در محور روتور و هسته استاتور می‌شوند كه اثرات حرارتی پدیده كوتاه‌مدت را در طراحی ژنراتورها به عنوان مبنا در قدرت مشخصه مواد و در شدت تلفات قسمت‌های محیطی روتور قرار می‌دهند.

تحلیل رفتار ژنراتور سنكرون در قبال مولفه منفی جریان:
توزیع جریان مولفه منفی در سطح روتور همانند توزیع جریان در روتور موتورهای قفس سنجابی است كه این جریان‌ها در طول (محور) روتور جاری شده و در انتها در محیط دایره‌ای، مشابه تعداد قطب‌های استاتور، بسته می‌شوند.
دانسیته جریان سطح روتور ژنراتور، JR، در برهه زمانی ایجاد جریان مولفه منفی استاتور، از رابطه زیر، كه توسط كارخانه‌های سازنده پیشنهاد شده است، قابل محاسبه است:
JR: دانسیته جریان سطح روتور بر حسب جریان موثر بر اینچ
NP: تعداد قطب
FAR: راكتانس آرمیچر بر حسب پریونیت
D4: قطر روتور
2I: جریان مولفه منفی استاتور
همانطور كه گفته شد ژنراتورها با دو نوع نامتفاوتی مواجه هستند یكی جریان‌های ناشی از اتصال كوتاه‌های نامتقارن خارجی مانند اتصال فاز به زمین، فاز به فاز و هر دو فاز با هم و زمین و دیگری جریان‌های بار نامتقارن.
در شرایط اتصالی نامتقارن خارجی (خارج از ژنراتور) جریان‌های نامتقارن زیاد بوده و زمان بسیار كوتاه است. در صورتی كه برای جریان‌های بار نامتقارن، جریان‌های معمولاٌ كمتر از جریان بار نامی بوده و نامتقارنی خیلی كم و زمان بقای این پدیده، زیاد است بنابراین یك نوع اختلاف در حفاظت هر كدام از این شرایط وجود خواهد داشت.

تحلیل رفتار ژنراتور در قبال خطای نامتقارن (خارجی):
در بررسی مسائل گرم كردن گذرا، یك استاندارد عملی این است كه از اثرات حرارت منتقل شده به طرف محیط خنك‌كننده صرفنظر شود و در زمان بسیار كوتاه وقوع خطا (تا پاك شدن آن) با اینكه مقداری حرارت به طرف گاز خنك‌كننده جاری می‌شود قابل اغماض فرض شده است.
اثرات هدایت حرارت از طریق قسمت‌های فلزی نقش مهمی را در این مساله بوجود می‌آورد. بعضی فلزات مانند آلومینیوم و مس می‌توانند مقادیر زیادی از حرارت را دورتر از نقاط گرم موضعی منتقل كنند در حالی كه فولادهای غیر مغناطیسی مانند عایق‌های حرارتی عمل می‌كنند. بعنوان مثال در نظر بگیرید اثرات گذرا بر روی تركیب‌های مختلفی از گوه‌های شیار سیم‌پیچی میراكننده، محاسبه‌ای را برای توزیع نامی جریان می‌توان انجام داد.
در یك شیار نمونه حاوی گوه‌های آلومینیومی و سیم‌پیچی میرا‌كننده مسی تقریباً‌كل جریان عبوری از یك گام شیار معین از گوه‌ها عبور خواهد كرد. البته باستثناء مسیرهای رابط بین گوه‌های مجاور، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت گذرا نشان می‌دهد كه بر اساس كل حجم گوه‌ها و سیم پیچ‌های میراكننده، حرارت تولید شده جذب می‌شود.
برعكس، با استفاده از گوه‌های فولادی (غیرمغناطیس) و یك سیم‌پیچ میراكننده مسی، جریان تقریباً‌ به طور مساوی بین گوه‌ها و سیم‌پیچ‌ میراكننده تقسیم می‌شود.
تجزیه و تحلیل انتقال حرارت در این مجموعه نشان می‌دهد كه گوه‌های فولادی (غیرمغناطیسی) مانند عایق‌های حرارتی عمل كرده و این امر ناشی از پایین بودن ضریب هدایت حرارتی آنها است. بنابراین آنها تقریباً‌حرارتی را از سیم پیچ‌های میراكننده جذب نمی‌كنند. در نتیجه سیم پیچ‌های میراكننده با سرعت زیادی گرم می‌شوند كه سرعت آن تقریباً برابر است با دو برابر سرعت در حالت استفاده از گوه‌های آلومینیومی و یك سیم‌پیچ میراكننده مسی. این وضعیت در انتهای گوه‌ها ، جایی كه اغلب جریان باید به سیم‌پیچهای میراكننده منتقل شود حادتر و تولید حرارت در این مكان بیشتر است.
اثر عایقی فولادی (غیرمغناطیسی) مورد مهمی را در طراحی حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و سیم‌پیچ‌های میراكننده تشكیل می‌دهد. نتایج آزمایش نشان داده است كه افزایش درجه حرارت در محل مشترك حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و سیم‌پیچ میراكننده، مقدار بالایی دارد.
با درك این حقیقت كه درجه حرارت زیاد در این نقطه مربوط می‌شود به تولید حرارت و مقاومت اتصال و هر دو پدیده در سطح حلقه‌های نگهدارنده انتهایی، اتفاق می‌افتد، به یك نتیجه مهم می‌توان دست یافت. ابتدا مقایسه اطلاعات به ما اجازه می‌دهد كه متوسط درجه حرارت حلقه‌های نگهدارنده انتهایی را محاسبه كنیم و بر اساس پدیده گذرا، متوسط درجه حرارت به مقدار خیلی زیاد از درجه حرارت سطح حلقه‌های نگهدارنده كمتر خواهد شد چون انبساط حلقه‌های نگهدارنده انتهایی فقط تابعی از درجه حرارت متوسط است. این محاسبات نشان می‌دهد كه از دست رفتن سلامت حلقه‌های نگهدارنده انتهایی به عنوان یك عامل، بیشتر از محدودیت‌های دیگر ظاهر می‌شود كه محدودیت‌های دیگر شامل اضافه ولتاژ و فساد تدریجی ماده تشكیل دهنده آن است.
یك عامل مهم دیگر كه باید به اطلاعات جمع‌شده از طریق آزمایش اضافه شود عبارت است از اثر مولفه DC جریان استاتور در جاری شدن جریان با فركانس‌ نامی روی سطح روتور نشان داده شده است كه ثابت‌های زمانی چنین جریان‌هایی بسیار كوتاه است، اما مقادیر اولیه برای حالت جابجایی (آفست) كامل بسیار زیاد است. با اینكه ضریب 2√ بیشتر برای كم كردن اثر مولفه با فركانس نامی بوسیله حساب كردن ضریب نفوذ است.
استانداردهای جدید پیشنهادی لازم می داند كه ژنراتور باید اثرات حرارتی خطاهای نامتعادل را در ترمینال‌های خود تحمل كند، این اثرات شامل مولفه‌های DC القاء شده نیز هستند.
بعلت پیچیدگی مسائل مربوط به انتقال حرارت، كارخانه‌های سازنده ژنراتور جهت پی‌بردن به اثرات ناشی از حرارت مولفه منفی مبادرت به آزمایش‌های گسترده‌ای كرده‌اند، برای هر یك از ماشین‌های آزمایش شده، سعی كرده‌اند كه در طراحی، قدرت تحمل ژنراتورها را در برابر جریان‌های ناشی از مولفه منفی بهبود بخشند. عواملی مانند حلقه‌های اتصال كوتاه در انتهای روتورها، مواد مختلفی كه در ساخت گوه‌های شیار بكار برده می‌شوند. تغییراتی در طراحی سیم پیچ‌های میراكننده در شیارهای سیم پیچ و حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و اثرات میراكننده روی قطب مورد ارزیابی قرار گرفته است و هنگامی كه بهبودهایی بدست می‌آید این روش‌هارا در طراحی بهینه ماشین منظور می‌دارند.
در شرایط اتصالی نامتقارن، گرم شدن كوتاه مدت ژنراتور مورد توجه است، زیرا در این حالت تلف گرمایی ناچیز بوده و گرمای ایجاد شده كلاً در ظرفیت حرارتی روتور ذخیره خواهد شد.

ظرفیت حرارتی ماشین:
با عبور جریان الكتریكی از هادیها مقداری حرارت در آنها بوجود می‌آید كه این حرارت با مجذور جریان، مقدار مقاومت‌ هادی همچنین با زمان استمرار این جریان در هادی رابطه مستقیم دارد كه از رابطه زیر بدست می‌آید:
بطور عادی در هنگام بهره‌برداری از ژنراتورها این حرارت بوجود می‌آید، البته با طراحیهای مناسبی كه روی ژنراتورها بعمل می‌آید بوجود آمده برای حالت عادی كار ماشین را اپتیمم می‌كنند ولی متاسفانه شرایط در سیستم بوجود می‌آید كه دامنه جریان عبوری از ماشین را به مراتب بالاتر از حد تحمل حرارتی ماشین برده كه علاوه بر آنكه تلفات اضافی بوجود می‌آورد در برخی موارد باعث آسیب جدی ماشین می‌شود. یكی از این موارد بوجود آمدن جریان‌های مولفه منفی در سیستم است. تلفات اضافی بوجود آمده در روتور به مقدار جریان مولفه یا درصد نامتعادلی بستگی دارد و با .t22I متناسب است. این حاصل عبارت، ظرفیت حرارتی ماشین (روتور) نامیده شده كه برای هر ماشین مقدار ثابتی است.
در معادله فوق (t)2i مولفه منفی جریان بصورت تابعی از زمان و K یك مقدار ثابت است كه با ظرفیت حرارتی روتور ژنراتور متناسب بوده و برای ژنراتورهای مختلف دارای مقادیر متفاوتی است و بصورت یك معیار برای هر ژنراتور در نظر گرفته می‌شود.
T، در معادله فوق، مدت زمانی است كه ژنراتور می‌تواند با بار نامتقارن بكار خود ادامه دهد بدون اینكه درجه حرارتش از مقدار مجاز فراتر رود و 2I مولفه منفی جریان بر حسب پریونیت است و این رابطه فقط در بارهایی كه درصد نامتعادلی زیاد باشد صادق است. بیان كردن جریان مولفه منفی بصورت تابعی از زمان (t)2i به سادگی مقدور نیست و بستگی به شرایط سیستم، محل‌های خطا و در مدار و یا خارج مدار بودن ولتاژ رگولاتور (AVR) دارد، در صورتی كه 2I ممكن است بصورت تقریبی بدست بیاید. مقدار جریان مولفه منفی معادل می‌تواند نزدیك به مقداری باشد كه از معادله زیر بدست می‌آید:
در رابطه فوق 2I جریان مولفه منفی گذرا و S2I جریان مولفه منفی تداوم یافته اتصالی است.
مقدار t2I جاری شده در ژنراتور را زمانی می‌توان بدست آورد كه جهت محاسبه اتصال فاز به فاز خارجی (خارج از ژنراتور) از راكتانس گذرا برای تمام منابع استفاده شود. همچنین مقدار S2I جاری شده در ژنراتور را نیز زمانی می‌توان بدست آورد كه جهت محاسبه اتصال فاز به فاز خارج از ژنراتور از راكتانس سنكرون برای تمام منابع قدرت استفاده شود (بارهای موازی نیز در نظر گرفته می‌شود).
هنگامی كه ژنراتور مجهز به تنظیم كننده ولتاژ (AVR) باشد، در هنگام اتصالی خارجی، تحریك آن به سقف خودش می‌رسد. (وقت كافی برای این عمل وجود دارد) كه در این صورت 2I نزدیك خواهد بود به جریان مولفه منفی جاری شده برای یك اتصالی فاز به فاز خارجی كه بر مبنای استفاده از راكتانس سنكرون برای تمام منابع قدرت، ولتاژ باس بی‌نهایت برابر با یك پریونیت و ولتاژ داخلی ژنراتور كه از سقف تحریك و حذف كلیه بارها نتیجه شده، محاسبه می‌شود.
با در نظر نگرفتن منحنی‌های اشباع ژنراتور، ولتاژ داخل ژنراتور برای سقف تحریك ممكن است معادل با 5/3پریونیت در نظر گرفته شود البته این فرض قدری زیاد بوده بطوری كه مقدار واقعی را می‌توان بین 3 تا 5/3 پریونیت در نظر گرفت. با توجه به گذرا بودن t2I و تاخیری كه در عمل رله بعلت دلایلی كه بعداً ذكر می‌شود، وجود دارد، برای محاسبه k=t22I منظور از 2I را می‌توان همان جریان S2I دانست (بعد از سپری شدن حالت گذرا t2I برابر با S2I می‌شود نتیجه خواهد شد
S2I = 2I).
مقدار نامی جریان ترتیبی منفی قابل تحمل در ژنراتورهای قطب برجسته كه معمولاً در نیروگاههای آبی مورد استفاده قرار می‌گیرند عموماً بسیار بزرگتر از ژنراتورهای روتور استوانه‌ای است. بدیهی است این مقدار بستگی مستقیم به نوع سیستم تهویه ماشین‌ها دارد كه در عین حال به راندمان سیم پیچ میدان وابسته خواهد شد. در این مورد استاندارد
ANSI C50-13 پیشنهادهایی داده است.
در شرایط اتصالی سیستم، گرم شدن كوتاه مدت ژنراتور مورد توجه قرار می‌گیرد در این مورد تلف گرمایی ناچیز بوده و گرمای ایجاد شده تماماً در ظرفیت حرارتی روتور ذخیره می‌شود.


تحلیل رفتار ژنراتور در قبال بار نامتقارن:
جریان‌های بار نامتقارن كمتر ازجریان بار نامی بوده و تولید گرمای آنها به جریان نامتعادلی بار بستگی دارد و لذا برای هر ژنراتور، یك مقدار نامی جریان بار نامتقارن با عنوان جریان مولفه منتفی پیوسته می‌توان نسبت داد، كه در زمان طولانی ژنراتور می‌تواند آن را تحمل كند. حدوداً این مقدار 5% تا 15% مولفه مثبت جریان نامی ژنراتور می تواند باشد و با c2I نشان داده می‌شود.
این جریان مولفه منفی پیوسته (c2I) در ژنراتور ایجاد تلف گرمایی می‌كند. برای گرمای ایجاد شده در زمانی بیش از چندین ثانیه باید تلف گرمایی نیز در نظر گرفته شود از تركیب مقادیر نامی گرمای ایجاد شده بطور پیوسته و در زمان كوتاه، مشخصه حرارتی كل را به صورت زیر نمایش می‌دهند:
كه در آن R2I مقدار نامی جریان ترتیبی منفی بطور پیوسته برحسب پریونیت است.
قابل توجه است كه برای روش‌های خنك‌كنندگی موثرتر در ژنراتور مقدار نامه كمتری از مولفه منفی را می‌توان به ژنراتور اعمال كرد، بطور مثال توربو ژنراتوری كه با هوا خنك می‌شود C2I برابر با 15% برای توربو ژنراتوری كه بصورت موثرتری با هیدروژن خنك می‌شود C2I برابر با 10% و برای ژنراتورهای بیشتر از MVA 800 كه از سیستم خنك‌كن بسیار موثری از هیدروژن برخوردار است فقط 5% است.

برای حفاظت ژنراتور در قبال خطرات ناشی از عدم تقارن بار یا خطاهای نامتقارن سیستم كه موجب پدید آمدن جریان مولفه منفی می‌شود، از رله مولفه منفی استفاده می‌شود. این رله‌ها عموماٌ از نوع جریان زیاد هستند. بدیهی است آشكار كردن مولفه منفی جریان با بكار بردن فیلتر مولفه منفی صورت می‌گیرد كه در حقیقت این قسمت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است لذا تاكنون سعی شده است فیلترهایی ساخته شود كه علاوه بر دقت در امر آشكار ساختن جریان مولفه منفی از عبور جریان‌های مولفه ترتیبی مثبت و صفر جلوگیری بعمل آورد كه با رشد تكنولوژی این فیلترها نیز تكامل یافته و به حد مطلوبی رسیده است و از نوع الكترومكانیكی به رله‌ها‌ی الكترومغناطیسی و الكترواستاتیكی كه از روش‌های الكترونیكی در آنها استفاده شده است و در حال حاضر رله‌های میكروپروسسوری در طرح‌های نیروگاهی دست یافته‌اند.
از نظر الكتریكی این فیلترها، در دو نوع ولتاژی (فیلتر مولفه منفی ولتاژ) و جریانی (فیلتر مولفه منفی- جریان) ساخته شده‌اند برای فیلتر كردن مولفه منفی، مدارهای متعددی وجود دارد كه بطور نمونه مدار مذكور در ادامه آورده می‌شود:

مدار اول فیلتر مولفه منفی:
توسط یك فیلتر، مقدار مولفه منفی حاصله از رله گذشته و باعث عملكرد آن می‌شود. مدار این فیلتر تشكیل شده است. از دو C.T (ترانسفورماتور جریان) كه یكی از C.Tها بر روی فاز A نصب شده و مقاومت R راتغذیه می‌كند و C.T دیگر بر روی فاز C نصب شده و امپدانس Z كه مقدار عددی آن برابر با مقاومت R و ضریب آن 5/0 است، را تغذیه می‌كند. در این حالت افت ولتاژ در شاخه شامل امپدانس Z از جریان همان شاخه به اندازه 60 درجه جلو می‌افتد.
جهت بررسی ساده ‌برداری از جریان عبوری رله (ID) صرف‌نظر می‌شود اما در هنگام بررسی نقش رله در مدار، ID در نظر گرفته خواهد شد.
در جریان‌های مولفه مثبت، ولتاژهای فاز A و فاز C درخلاف جهت هم بوده و مجموعشان صفر می‌شود.
در جریان‌های مولفه منفی، بین نقاط X و Y ولتا VR+VZ بوجود می‌آید و این امر نشان می‌دهد كه رله نصب شده بین نقاط Y,X فقط به مولفه منفی پاسخ می‌گوید.

تاثیر مقاومت داخلی رله در مدار فیلتر اول:
با در نظر گرفتن جریان ID و مقاومت رله (Re) می‌‌توان نوشت:
رابطه (10-1)
با توجه به روابط (11-1):
رابطه (11-1)
و جایگزینی آنها در رابطه (10-1)، چنین حاصل می‌شود:
(12-1)
با توجه به اینكه اكثر ترانسفورماتور قدرت ژنراتورها به صورت Y-Δ هستند، مولفه صفر جریان موجود در ناتعادلی،‌ بطرف فشار ضعیف ترانس قدرت(طرف ژنراتور)‌ نمی‌تواند منتقل شود. زیرا اتصال مثلث طرف فشار ضعیف ترانسفورماتور، مسیر بسته‌ای برای جریان مولفه صفر بوجود می‌آورد كه این جریان مولفه صفر از اتصال مثلث خارج نمی‌شود.
حتی اگر نامتقارنی بر اثر اتصال فاز به زمین و در فاصله بین ژنراتور و ترانسفورماتور بوجود آید، بعلت اینكه اكثر ژنراتورها از طریق امپدانس بزرگی زمین می‌شوند. این مولفه صفر بسیار ناچیز و قابل صرفنظر كردن است. لذا در محاسبات می‌توان IaO≈O در نظر گرفت.
همچنین با توجه به اینكه مقدار امپدانس Z برابر با R و با ضریب قدرت 5/0 است، نتیجه می‌شود:
(13-1)
با قراردادن مقدار (13-1) در رابطه (11-1) و نكته فوق‌الذكر، رابطه (12-1) چنین ساده می‌شود:
و از آنجا
(14-1)
و با توجه به اینكه 60Z=R< است، رابطه (14-1) چنین می‌شود:
(15-1)
با فرض مقدار (اهم) 5R= و با استفاده از رابطه (15-1) در دو حالت Re، 5/0 و تقریباً صفر به ترتیب ID برابر
می‌شود.
بنابراین نتیجه می‌شود كه مقاومت رله بر مقدار جریان مولفه منفی عبوری از رله تاثیر می‌گذارد.

فیلتر هسته آهنی مولفه منفی (مدار دوم):
با استفاده از رابطه منفی جریان در رابطه (1-1) و جایگزینی مقدار a و 2a چنین حاصل می‌شود.
(16-1)
با توجه به استدلال، I0 در طرف ژنراتور تقریباً صفر است،‌رابطه (16-1) چنین ساده می‌شود:
(17-1)
جهت تحقق عملی رابطه (17-1) از روش زیر استفاده می‌شود:
یك هسته آهنی كه دارای سه بازو بوده و یكی از بازوهای آن دارای فاصله هوایی است. بر روی بازوی اول كویل مربوط به جریان فاز (Ia)a پیچیده شده و بر روی همان بازو كویل دیگری كه متصل به مقاومت R و خازن C بوده،‌ قرار می‌گیرد. در این بازو، شاری ایجاد می‌شود كه از جریان Ia به اندازه 90 درجه عقب است. این شار بعلت زیاد بودن رلوكتانس مغناطیسی بازوی سوم (داشتن فاصله هوایی) از بازوی وسط عبور خواهد كرد. دوكویل نیز بر روی بازوی سوم كه دارای فاصله هوایی است پیچیده شده‌اند بطوری كه جریان‌های فاز (Ib)b و فاز (Ic)c در جهت مخالف هم به این بازو اعمال می‌شوند. بنابراین، این بازو هم تولید شار مغناطیسی هم فاز با Ib-Ic خواهد كرد كه قسمت اعظم این شار بعلت اینكه در بازوی اول، یك كویل متصل شده به یك مقاومت كم وجود دارد، از بازوی وسط هسته عبور خواهد كرد.
در نتیجه شارهای مغناطیسی مربوط به Ia و Ib-Ic از بازوی وسط عبور كرده و ولتاژی متناسب با مجموعه این شارها، در كویل پیچیده شده بر روی بازوی وسط هسته القاء خواهد كرد.
شار Øa به اندازه 90 درجه از جریان Ia عقب است (توسط مقاومت R و خازن C، كاملاً قابل تنظیم است) همچنین شارهای Øb و Øc با جریان‌های Ib و Ic همفاز بوده ولی اندازه این شارها،‌ناشی از اثر فاصله هوایی واقع در بازوی سوم هسته خواهد بود. بطوری كه با در نظر گرفتن این فاصله هوایی سبب می‌شود كه رابطه بین اندازه شارهای مغناطیسی Øb و Øc با شار Øa بصورت 1:1: = بدست می‌آید. یعنی اندازه شار Øb و Øc برابر شار Øa است، واضح است كه با تولید این روابط بین شارهای مغناطیسی در هسته، می‌توان به معادله جریان مولفه منفی دسترسی پیدا كرد.

فیلتر الكترونیكی مولفه منفی جریان (و رله مذكور)
در این رله ابتدا هرگونه جریان ترتیبی صفر توسط ترانسفورماتورهای كمكی از گروه ستاره- مثلث،‌كه درخود رله قرار دارد، حذف می‌شوند. این تراسنفورماتورها در سیم‌پیچ اولیه خود دارای متغیری بوده تا محدوده تنظیمی مطابق با مقادیر نامی جریان ترتیبی منفی ژنراتور معمولی ایجاد شود.
جریان‌های ثانویه ترانسفورماتور كمكی به شبكه‌ای تغذیه شده كه در این حالت شامل امپدانس‌های خازنی و مقاومتی بوده و تغییر فاز 60 درجه‌ای یكی از بردارهای جریان در آن ایجاد شود، با اتصال شبكه ترتیبی با مدار شكل‌دهنده‌ای كه شامل مقاومت‌ها، دیودهای زنر بوده و به صورت پتانسیومتر غیرخطی عمل كرده و طوری طراحی گشته كه رابطه قانونی مجذوری را ایجاد كند و یك خروجی متناسب با مجذورجریان ترتیبی منفی بدست آید.
این روند با انتگرال‌گیری و مدارهای حساس به دامنه دنبال شده و در مرحله آخر سیگنال ایجاد شده یك رله آرمیچری لولایی را بكار انداخته تا اتصالات مربوطه فرمان قطع را بوجود آورند.
در رله میكروپروسسوری نیز با طراحی مدارات مربوطه و پروسسوری‌های مورد نیاز، با فیلتر كردن موله منفی، به رابطه قانون مجذوری تحقق می‌بخشد.

حفاظت مولفه منفی ژنراتور و مشخصه آن:
رله مولفه منفی در قبال شرایط عدم تعادل خارجی (بار یا اتصال كوتاه) كه امكان آسیب به ماشین الكتریكی باشد، از ژنراتور حفاظت می‌كند. جهت تحقق این امر،‌خروجی فیلتر مولفه منفی را می‌توان به یك رله جریان زیاد با مشخصه زمانی معكوس اعمال كرد كه مشخصه زمان جریان آن به صورت t× 22K=I باشد در این حالت می‌توان مشخصه رله را طوری تنظیم كرد كه با مشخصه حرارتی هر ماشینی بخوبی هماهنگ شود.
چهت تنظیم رله‌های مولفه منفی با توجه به مشخصات حرارتی ژنراتور و مشخصات رله، روش‌های مختلفی ارایه شده است كه این روش‌ها توسط كارخانه سازنده، همراه رله‌ها ارایه می‌شوند.
جهت تنظیم رله‌های مولفه منفی با توجه به مشخصات حرارتی ژنراتور و مشخصات رله، روش‌های مختلفی ارایه شده است كه این روش‌ها توسط كارخنه سازنده،‌همراه رله‌ها ارایه می‌شوند.
مشخصه رله و ظرفیت حرارتی ماشین الكتریكی مشخص شده است. در این شكل،‌مشخصه رله، مشخصه حرارتی ژنراتور را در یك پریونیت جریان مولفه منفی قطع كرده است. ولی در مقادیر زیاد جریان مولفه منفی، مشخصه رله اساساً بصورت پارالل و یك مقدار جزیی كمتر از مشخصه ژنراتور در نظر گرفته شده است. این روش یك حاشیه اطمینان مناسب را بین دو مشخصه بوجود آورده است.
مشخصه رله برای دو ژنراتور با Kهای مجاز 30 و90 نشان داده شده است كه تنظیم صفحه زمان‌نما (TIME DIAL = T.D.) برای این ثابت‌ها (ظرفیت حرارتی ماشین)، به ترتیب 4 و 11 است. حفاظت مشابه برای دیگر ماشین‌های الكتریكی با ثابت‌های مختلف بوسیله تنظیم T.D. بدست می‌آید.
از آنجایی كه منبع ناتعادلی در سیستم (قدرت) قرارداشته و بر تمام ژنراتورهای نزدیك محل ناتعادلی تاثیر می‌گذارد قبل از برطرف شدن چنین شرایطی، تا مادامیكه ژنراتور در معرض خطر آسیب‌دیدگی قرار نگرفته باشد، نباید آنرا از شبكه جدا كرد. بنابراین حفاظت ناتعادلی بار باید دارای مشخصه تاخیر حتی‌الامكان نزدیك به مشخصه حرارتی ماشین باشد تا حتی‌المقدور قبل از لزوم خاموشی كامل، به پرسنل بهره‌برداری فرصت داده شود تا محل عیب را پیدا كرده و در صدد رفع آن برآیند. اگر در ابتدای ناتعادلی بار افراد بهره‌بردار با اعلام خبر مطلع نشوند جهت برطرف كردن این عدم تعادل از چنین زمان تاخیر متاسفانه نمی‌توان سود جست.
بنابراین حفاظت مورد بحث باید دارای جنبه اعلام خبری (هشدار) بوده كه در تنظیمی برابر اندكی كوچكتر از عنصر فرمان قطع عمل كند و برای اینكه از اعلام خبر غیرضروری برای آن دسته از اتصالی‌های سیستم كه به روش معمول سریعاً برطرف می‌شوند، جلوگیری بعمل آید یك تاخیر زمان نیز باید برای آن در نظر گرفته شود.
بطور معمول، حفاظت جداگانه‌ای بعنوان پشتیبان رله جریان زیاد (زمانی) مولفه نفی ژنراتور بكار نمی‌رود چون در برخی كاربردها، این رله خودش وظیفه پشتیبانی را بعهده دارد. همچنین رله‌های اتصال زمین و جریان زیاد ژنراتور و سیستم انتقال و رله‌گذاری سیستم قدرت، ‌درجاتی از حفاظت پشتیبان جریان نامتعادل ژنراتور را فراهم می‌آورد. خطاهای فاز به فاز در ترمینال ژنراتور و یا در سیم‌پیچ‌های استاتور در داخل ژنراتور، توسط باز شدن كلید اصلی ژنراتور نمی‌تواند پاك شود. این خطا توسط حفاظت جریان گردنده تشخیص داده می‌شود و رله مولفه نفی به عنوان پشتیبان عمل می‌كند.

منطق قطع (تریپ) ژنراتور توسط رله مولفه منفی:
رله مولفه منفی، فرمان قطع به كلید اصلی ژنراتور را صادر می‌كند. اگر دستگاههای كمكی ماشین الكتریكی اجازه دهند،‌این نوع قطع كردن ارجحیت دارد كه تحت این شرایط كارها انجام گیرند. با استفاده از این روش‌ می‌توان سنكرون كردن مجدد واحد را بعد از رفع شرایط عدم تعادل مجدداً‌برقرار ساخت.
اگر دستگاههای كمكی ماشین الكتریكی اجازه ندهند كه ماشین با نحوه قطع فوق عمل كند در این صورت رله مولفه منفی باید محرك اولیه ماشین الكتریكی (توربین) را نیز همراه با تحریك ژنراتور قطع كند.

نحوه تنظیم رله مولفه منفی ژنراتور:
مشخصه رله با T.Dهای مختلف،‌با توجه به زمان و مقدار جریان مولفه منفی بر حسب پریونیت نشان داده شده است.
سازنده رله برای حساسیت بهتر، برای مقادیر ثابت K (ظرفیت حرارتی ژنراتور) بین 30 تا 90،‌جهت تنظیم رله از جریان بار كامل ماشین الكتریكی استفاده كرده و برای Kهای پایین‌تر از 25، از تنظیم تپ (TAP) رله معادل با جریان بار كامل استفاده كرده است،
به بیانی دیگر، این سازنده جهت ژنراتورهای با قدرت تولیدی بالا (كه بصورت موثرتری خنك می‌شوند) تنظیم جریان بار كامل را مورد نظر داشته و برای ژنراتورهای با قدرت تولیدی كمتر، تنظیم جریان بار كامل را توصیه می‌كند. با توجه منحنی بار كامل و بار كامل، تنظیم صفحه زمان‌نما (TIME DIAL) مطلوب بدست می‌آید.
با بیان دو مثال كاربرد منحنی‌های فوق و نحوه تنظیم رله مولفه نفی در بار كامل و بار كامل مشخص می‌شود:
در یك توربو ژنراتور MVA35، KV11، دارای ترانس جریان مقدار
30 = t22I است. در این حالت جریان مولفه نفی بر حسب پریونیت جریان استاتور در KVA نامی بیان می‌شود.
كه می‌توان جریان 3 آمپر در نظر گرفت (كه معادل یك پریونیت است).
با توجه به 30 = t22I مقدار (TIME DIAL)T.D برابر با 4 انتخاب می‌شود، در نظر داشتن 4 = T.D. مشاهده می‌شود كه زمان عملكرد رله برای یك جریان مولفه منفی به مقدار 5/4 آمپر (5/1 پریونیت) برابر با 11 ثانیه است.
در صورتی كه زمان عملكرد رله برای یك جریان مولفه منفی 9 آمپری (3 پریونیت)، برابر با 5/2 ثانیه خواهد شد.

مثال دو- با استفاده از جریان بار كامل:
یك توربوژنراتور MVA760، KV20 با ترانسفورماتور جریان دارای
10= t22I است، حهت تنظیم رله مولفه منفی آن به قرار زیر عمل می‌شود:
ابتدا با توجه به منحنی پایینی (منحنی بار كامل) مقدار T.D. برای 10= t22I برابر با 5/2 بدست می‌آید.
حال می‌توان رله را برای 29/3 آمپر یا مقداری كمتر از آن تنظیم كرد (با توجه به اینكه بر روی رله مولفه منفی چه تنظیمی نزدیك به 29/3 آمپر است)، فرض می‌شود رله بر روی 25/3 آمپر تنظیم شود. با توجه به منحنی مشخصه رله كه تنظیم هر پریونیت آن معادل با بار كامل در نظر گرفته شده است: در 25/3 آمپر، زمان عملكرد رله با توجه به 5/2=T.D. برابر با 16 ثانیه بدست می‌آید.
در صورتی كه زمان عملكرد برای جریانی به اندازه 3 برابر جریان تنظیم شده (75/9=25/3×3) برابر با 5/1 ثانیه بدست خواهد شامد.

تنظیم بخش هشدار رله مولفه منفی ژنراتور:
برخی رله‌ها دارای واحدهای حساس هشدار (آلارم) هستند كه هشدار لازم به بهره‌بردار سیستم قدرت جهت افزایش عدم تقارن بار بدهد تا تمهیدات لازم جهت تعادل بار بنماید. واحد هشدار رله‌ها دارای مقدار فعال شدن (پیك آب) جریان مولفه منفی مابین 03/0 تا 2/0 پریونیت است.
با توجه به استاندارد مجاز مولفه منفی در هر شبكه، مقدار پیك آب بخش هشدار رله را می‌توان تعیین كرد. در برخی از انواع رله‌های استاتیكی مولفه منفی، وسیله اندازه‌گیری جهت تشخیص سطح مولفه منفی ماشین الكتریكی تعبیه شده است.

یك سیستم كامل آزمایشی در آزمایشگاه GE (جنرال الكتریك) برای آزمایش روشهای مختلف حفاظت كابل در مقابل اضافه ولتاژ ایجاد شده است. این مجموعه شامل كابل نوترال مركزی لخت بوده كه در یك محفظه انعطاف پذیر حمل می گردد و امكان آزمایش كابل های كوتاه( ft300 ) و بلند ( f t 1350 ) را فراهم می كند. برای انجام آزمایش ولتاژ ضربه یك سر كابل را به یك riser pole وصل نموده كه از طریق آن ولتاژ ضربه شبیه سازی شده صاعقه به آن اعمال میگردد. ولتاژ ضربه مشابه صاعقه توسط یك مولد ولتاژ ضربه از نوع ماركس با قابلیت تولید ولتاژ ضربه 6 میلیون ولتی تولید میگردد. طرح های مختلف از نحوه نصب برقگیر با یكدیگر مقایسه گردیده اند. در بعضی از آنها صرفا" در محل riser pole برقگیر نصب شده ودربعضی دیگر علاوه برriser pole در طول كابل نیز برقگیر قرار داده شده است. یكی از یافته های مهم این بود كه معلوم شد در سیستم های كابل نواری یا دو شاخه ای ، اضافه ولتاژ شدید تر عمل كرده و در این سیستم ها نیاز به توجه بیشتری در نصب برقگیرها می باشد . نتایج حاصل از این آزمایشها اكنون بوسیله شركتها جهت بهینه سازی حفاظت كابل در مقابل اضافه ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد.


آزمایش ولتاژ ضربه برروی سیستم كابل زمینی برای انواع دیگر كابل ها ادامه یافت. كابل جلددار (jacketed cable) بطور وسیع برای به حداقل رساندن مشكلات ناشی از خوردگی نول به كار می رود. سیم نول خود یك هادی عایق شده است كه می تواند امواج ضربه را همانگونه كه در شكل (1) دیده می شود انتقال دهد .

تحقیقاتDSTAR نشان داد كه حالت های گذرای سیم نول ، مشكلات دیگری را نیز ایجاد می كند. وقتی یك اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه باعث می شود كه برقگیر تخلیه كند ، جریان بین زمین برقگیر و نول كابل تقسیم می شود .

ولتاژهای قابل توجه ای بین نول كابل و زمین ایجاد می گردد و جلد كابل می تواند سوراخ شود. به خصوص این حالت زمانی رخ میدهد كه مقاومت زمین پای برقگیر زیاد باشد و در نتیجه جریان بیشتری از نول كابل عبور كند.آزمایشهای دیگری برای تشخیص میزان مقاومت جلد كابلها در DSTAR انجام شده است .



در صورت عدم تخلیه صاعقه دربرقگیر محل riser pole خطر انتقال ولتاژ ضربه به سیم پیچی های ترانسفورماتور و صدمه به آنها در طرف اولیه و یا ثانویه وجود خواهد داشت. نتایج آزمایشها نشان میدهند كه در حالت استفاده از برقگیر تنها در محل riser pole خطر خرابی و آسیب وجود دارد.

برای حل مشكل فوق و جلوگیری از سرایت اضافه ولتاژ صاعقه به سیم پیچی های ترانسفورماتور تحقیقات قابل ملاحظه ای انجام گرفته است كه بر اساس آنها ایده استفاده از یك سیم لخت خوابانده شده در كنار كابل جلددار بمنظور كاهش ولتاژ ایجاد شده در بدنه كابل ارائه گردیده است. این روش باعث كاهش چشمگیر ولتاژ بین نول و نقطه زمین محلی می گردد.

یكی دیگر از روشهای مهم كاهش حالت های گذرای نول دركابلها، بهبود سیستم زمین میباشد. نوع دیگری از كابل كه توسط بعضی از شركت ها مورد استفاده قرار می گیرد ، كابل جلددار از نوع نیمه هادی است . این نوع جلد ، نول را در مقابل خوردگی محافظت می كند و باعث میرا شدن حالت های گذرای نوترال می شود. نتایج آزمایشها برروی این كابلها نشان میدهد كه ولتاژ بین نول و زمین بشدت كاهش می یابد. ولیكن، جریان ضربه نوترال در این نوع كابلها به سرعت نوترال های مركزی لخت ، میرا نمی شود .

علاوه بر صاعقه هایی كه به خطوط هوایی تغذیه كننده سیستم زمینی برخورد می كنند ، حالت های گذرای ضربه در اثر برخورد صاعقه به زمین در نزدیكی گودال كابل نیز می توانند در نول كابل ایجاد شوند . DSTAR با آزمایشهای گسترده ای ، جریان القاء شده در نول را بصورت تابعی از محل برخورد صاعقه اندازه گرفت. این كار با كابل های لخت ، دارای جلد عایق و دارای جلد نیمه هادی انجام شد
 

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :