ایران ترجمه – مرجع مقالات ترجمه شده دانشگاهی ایران

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت – فصل ۴- مدار شکن‌ ها

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت – فصل ۴- مدار شکن‌ ها

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت – فصل ۴- مدار شکن‌ ها –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

 

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه ۲۰ الی ۱۰۰% رایگان مقالات ترجمه شده

۱- قابلیت مطالعه رایگان ۲۰ الی ۱۰۰ درصدی مقالات ۲- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر ۳ فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق - الکترونیک - ایران ترجمه - Irantarjomeh

شماره
۲۵
کد مقاله
ELC25
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
نام فارسی
حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت – فصل ۴- مدار شکن‌ ها
نام انگلیسی
Transients in Power Systems – Circuit Breakers
تعداد صفحه به فارسی
۵۷
تعداد صفحه به انگلیسی
۲۶
کلمات کلیدی به فارسی
سیستمهای  قدرت
کلمات کلیدی به انگلیسی
Power Systems
مرجع به فارسی
دانشگاه تکنولوژی دلفت ، هلند
مرجع به انگلیسی
Delft University of Technology, Netherlands
قیمت به تومان
۱۵۰۰۰
سال
۲۰۰۱
کشور
هلند
فصل ۴  
مدارشکن‌ها
برای آنالیز حالتهای گذار سوئیچینگ ساده و همچنین برای انجام مطالعات سیستمی‌بزرگ، معمولا مدلسازی یک مدارشکن بعنوان یک کلید آرمانی کفایت دارد. به هنگامی‌که تعامل مدار- قوسی را مورد مطالعه قرار می‌دهیم، که در آن تاثیر قوس الکتریکی بر روی المانهای سیستم بسیار مهم است، درک کامل فرآیندهای فیزیکی بین کنتاکتهای مدارشکن از اهمیت بسیاری برخوردار می‌باشد.
یک مدارشکن ولتاژ بالا بعنوان بخش لاینفکی از ادوات سیستم قدرت بشمار می‌آید. وظیفه اصلی مدارشکن قطع جریان‌های دارای خطا و همچنین عایق نمودن بخشهای اشکال‌زای سیستم می‌باشد. علاوه بر جریان‌های اتصال کوتاه، یک مدارشکن می‌بایست قابلیت متوقف نمودن یکسری از جریان‌های دیگر و گسترده در ولتاژ سیستم نظیر جریان‌های خازنی، جریان‌های القایی کوچک و جریان‌های بار الکتریکی را داشته باشد. بر این اساس ما موارد ذیل را از یک مدار شکن مدنظر داریم:
  • کارکرد در موقعیت بسته بعنوان یک رسانایی خوب
  • کارکرد در موقعیت باز بعنوان یک عایق خوب بین بخشهای سیستم
  • تبدیل شدن، در یک وهله کوتاه زمانی، از حالت بسته به باز
  • عدم بروز اورولتاژها در طی سوئیچینگ
  • قابلیت اطمینان در زمان عملیات
قوس الکتریکی، به استثنای نیمه رساناهای قدرت، تنها عنصر شناخته شده‌ای است که قابلیت تغییر از حالت رسانایی به حالت نارسانایی، در مدت زمان کوتاهی را دارا می‌باشد. در مدارشکنهای دراری ولتاژ بالا، قوس الکتریکی بعنوان یک قوس دارای فشار بالا می‌باشد که در روغن هوا و یا هگزافلوراید سولفور (SF۶) اشتعال می‌یابد. در مدارشکن‌های دارای ولتاژ متوسط، بصورت غالب، روال قوس کم فشار دارای اشتعال در خلاء بکار گرفته می‌شود تا بدین وسیله نسبت به قطع جریان اقدام شود. قطع جریان بوسیله خنک‌سازی پلاسمای قوسی به گونه‌ای انجام می‌پذیرد که قوس الکتریکی، که پس از جداسازی کنتاکت، بین کنتاکتهای کلید شکل گرفته است، ناپدید می‌گردد. روال خنک سازی یا اطفای- قوسی را می‌توان به روشهای مختلف انجام داد. مدارشکن‌های قدرت برحسب رسانای اطفا، در محفظه اطفا، که در آن قوس شکل می‌گیرد، طبقه‌بندی می‌گردند. بدین دلیل است که ما در رابطه با کلیدهای روغنی، هوای- فشرده، SF۶ و خلاء صحبت می‌کنیم.
در سال ۱۹۰۷، اولین مدارشکن روغنی بوسیله جی‌ال کلمن در ایالات متحده ثبت گردید. این ابزار به سختی چیزی را بیش از یک جفت از اتصالات تشگیل می‌داد که در یک مخزن پر شده از روغن فرو رفته بود. در حقیقت این زمان بعنوان زمان شروع روالهای تجربی و طراحی اغلب مدارشکن‌ها مطرح شده بود که از طریق روالهای آزمون و خطا در سیستم قدرت انجام می‌‌پذیرفت. در سال ۱۹۵۶، ثبت اولیه در زمینه مدارشکن‌های SF۶ بوسیله تی.‌ای.‌براون ، اف.‌جی.لینگال و ای.پی.استورم صورت پذیرفت. در حال حاضر اکثریت مدارشکن‌های ولتاژ بالا از SF۶ بعنوان رسانه اطفا استفاده می‌کنند.
بر این اساس، جی.‌اسلپیان کارهای زیادی را جهت مشخص نمودن طبیعت مشکلات مربوط به مدارشکن انجام داده است، چرا که قوس الکتریکی بظاهر دارای پدیده ستیزه جویانه و پیچیده زیادی می‌باشد. هر یک از موارد جدید در تکنیک تجربی مشکلات تئوریکی بیشتری را ایجاد می‌نمود. توسعه عملی مدارشکن‌ها،‌ مخصوصا در زمان شروع، تا اندازه‌ای مشکل آفرین بوده و بر این اساس طراحی آن بر اساس اصول علمی‌تقریبا ناممکن می‌نمود. بر این اساس تست‌های توسعه زیادی در لابراتورهای ولتاژ بالا می‌بایست انجام پذیرد. یک درک رو به جلو، در زمینه تعامل مدار قوسی در سال ۱۹۳۹ محقق گردید. در این هنگام ای.‌ام. کاسی مقاله خود را که دارای معروفیت زیادی در زمینه معادله دینامیک قوسی می‌باشد منتشر نمود. پس از آن در سال ۱۹۴۳ او.میر مواردی را بر آن اضافه نموده و بر این اساس مشخصه‌های فاصله زمانی در امتداد جریان صفر را مد نظر قرار داد. پس از آن کارهای زیادی انجام پذیرفت تا آنکه نسبت به پالایش معادلات ریاضی مربوطه اقدام شود و بر این اساس بتوان اعتبار فیزیکی آنها را از طریق ادوات عملی به اثبات رساند. بر این اساس مشخص گردید که قطع جریان بوسیله یک قوس الکتریکی بعنوان یک فرآیند فیزیکی پیچیده مطرح می‌باشد، به هنگامی‌که ما دریافتیم که فرآیند قطع بر حسب میکروثانیه انجام می‌پذیرد، دمای پلاسما در ناحیه دارای جریان بالا بیش از ۱۰۰۰۰ K است، و فساد دمایی حول و حوش جریان صفر در حدود ۲۰۰۰ برحسب میکروثانیه می‌باشد، در حالیکه حرکت‌ گاز بصورت مافوق صوت است.
تا این اواخر، دانشمندان موفق گردیدند تا نسبت به طراحی و ترسیم مدارشکن های‌ ولتاژ بالای جدید بر روی میز نقشه‌کشی اقدام نمایند، ولی لازم بود تا نسبت به تست عملی آن در آزمایشگاه‌های مربوطه نیز اقدام شود. با این وجود، فهم پدیده قطع جریان باعث بوجود آمدن مدارشکن‌های SF۶ با قابلیت قطع  در  با استفاده از یک المان قطع واحد گردید.
۱-۴ قوس سوئیچینگ
قوس الکتریکی در یک مدارشکن یک نقش کلیدی را در فرآیند وقفه بازی می‌کند و از اینرو معمولا آن را بعنوان قوس سوئیچینگ می‌نامند. قوس الکتریکی یک کانال پلاسمایی بین کنتاکتهای کلید می‌باشد که پس از تخلیه گاز در یک رسانه اطفا تشکیل می‌گردد. به هنگامی‌که یک جریان در امتداد یک مدارشکن و کنتاکت‌های آن سیر می‌نماید، انرژی مغناطیسی ذخیره شده در مقاومت‌های القایی سیستم قدرت باعث می‌شود تا این جریان بگردش در آید. دقیقا قبل از جدا شدن کنتاکت، کنتاکت‌های کلید در سطح بسیار کوچک یکدیگر را لمس نموده و دانسیته جریان بالای ناشی شده از آن موجب می‌شود تا مواد تماس یافته ذوب شوند. مواد تماسی ذوب شده حقیقتا محترق شده و این امر موجب می‌شود تا گاز در رسانه محیط اطراف، چه هوا چه گاز یا SF۶  تخلیه شود.
به هنگامی‌که انرژی سینیتیک مولکولی بیش از انرژی ترکیبی شود، ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می‌شود. به هنگامی‌که انرژی بیشتری بوسیله افزایش دما اضافه شود و نیروهای وندروالز (Van der Waals) فائق آیند، ماده از حالت مایع به حالت گاز تبدیل می‌شود. افزایش بعدی دما باعث می‌شود تا مولکولهای منفرد چنان انرژی بدست آورند که بصورت اتمهای مجزایی تفکیک شوند و در صورتی که سطح انرژی حتی بیش از این گردد، الکترونهای اربیتال اتمها به الکترونهای متحرک آزاد تفکیک شده و بر این اساس یونهای مثبت را بر جای می‌گذارند. این حالت را به نام حالت پلاسما می‌نامند. بواسطه وجود الکترونهای آزاد و همچنین یونهای مثبت سنگین‌تر در کانال پلاسمای دارای دمای بالا، این کانال پلاسما به شدت حالت رسانایی داشته و بر این اساس جریان پس از جداسازی اتصال همچنان سیر می‌نماید.
نیتروژن، جزء اصلی هوا، به اتمهای مجزا () در حدود K۵۰۰۰ تقسیم شده و باعث یونی‌شدگی  بالای K8000 می‌شود. SF۶ نیز به اتمهای سولفور و اتمهای فلورین در حدود K1800 تقسیم شده و در دمای بین K ۵۰۰۰ و K ۶۰۰۰ یونیزه می‌شود. برای دماهای بالاتر، رسانایی به سرعت افزایش می‌یابد. یونی‌شدگی گرمایی، در نتیجه دمای بالا در قوس الکتریکی، به واسطه برخورد‌های بین الکترونهای دارای سرعت بالا و فوتونها روی می‌دهد، بر این اساس مواردی که دارای سرعت کمتری می‌باشند به صورت مثبت باعث شارژ یونها و اتمهای خنثی می‌شوند. در این هنگام، فرآیند بازترکیبی به هنگامی‌که الکترونها و یونها شارژ شده مثبت با اتم خنثی ترکیب می‌گردند روی می‌دهد. به هنگامی‌که تعادل یا موازنه گرمایی وجود دارد، نرخ یونی شدگی در تراز با نرخ بازترکیبی خواهد بود.
۲-۴ مدارشکنهای روغنی
مدارشکنهایی که در اوایل قرن بیستم ساخته شدند عمدتا مدارشکنهای روغنی بودند. در آن روزها  توان قطع مدارشکنهای روغنی برای برآورده ساختن سطح اتصال کوتاه مورد نیاز در پستهای انتقال نیرو کفایت داشت. در حال حاضر، مدارشکنهای روغنی و روغنی – کمینه هنوز نیز در بسیاری از بخشهای دنیا به فعالیت خود ادامه می‌دهند اما آنها دیگر در توسعه مدارشکنهای جدید بکار گرفته نمی‌شوند.
اولین مدارشکنهای روغنی دارای طراح ساده‌ای بودند- یک سوئیچ هوایی که در یک محفظه پر از روغن معدنی قرار می‌گرفت. این مدارشکنهای روغنی از توع قطع- ساده بشمار می‌آمدند، یعنی آنکه آنها مجهز به هیچ نوع از ادوات اطفای قوس الکتریک نبودند. در سال ۱۹۰۱، جی‌.‌ان.‌کلمن از ایالات متحده یک مدارشکن روغنی- آبی را بدین روش ساخت، که قادر بود نسبت به قطع A۳۰۰-۲۰۰ در kV۴۰ اقدام کند. کلید کلمن شامل دو استوانه چوبی باز بود، که هر کدام از آنها دارای یک سوئیچ قطع ساده بودند. این دو سوئیچ بصورت سری به هم متصل بوده و بوسیله یک دسته مشترک کار می‌کردند. استوانه‌های چوبی حاوی ترکیبی از آب و روغن بعنوان یک رسانه خاموش کننده عمل می‌نمود.
۳-۴ مدارشکنهای هوای فشرده
هوا بعنوان عایق در پستهای انتقال نیروی بیرونی بکار برده می‌شود. همچنین برای خطوط انتقال ولتاژ بالا نیز از هوا استفاده می‌شود. علاوه بر این از هوا می‌توان بعنوان رسانه اطفا برای قطع جریان استفاده نمود. در فشار اتمسفری، توان قطع، با این وجود، تنها محدود به ولتاژ ضعیف و متوسط می‌باشد. برای کاربردهای ولتاژ متوسط تا kV۵۰، کلیدهای قطع اکثرا از نوع کلید قطع هوای فشرده مغناطیسی می‌باشند که در آن قوس الکتریکی، بوسیله میدان مغناطیسی بوجود آمده بواسطه جریان خطا، به داخل یک بخش مجزا جریان می‌یابد. بدین روش، طول قوس، ولتاژ قوس و سطح ستون قوس افزایش می‌یابد. ولتاژ قوس الکتریکی باعث می‌شود تا جریان خطا کاهش یافته و بر این اساس سطح ستون قوس بزرگتر باعث ارتقاء روال خنک سازی کانال قوس می‌گردد.
۴-۴ مدارشکنهای SF۶
خصیصه‌های دی‌الکتریک برتر SF۶ در اوایل ۱۹۲۰ کشف گردید. البته تا دهه ۱۹۴۰ طول کشید تا آنکه اولین توسعه مدارشکنهاشروع شده و همچنین تا سال ۱۹۵۹ طول کشید تا آنکه اولین مدارشکن SF۶ وارد بازار شود. این موارد اولیه بعنوان نوادگان مدارشکنهای محوری و فشرده هوایی بشمار می‌آیند، که بر این اساس کنتاکت‌ها در داخل یک مخزن پر از گاز SF۶ قرار گرفته و در طی فرآیند قطع جریان، قوس الکتریکی بوسیله گاز SF۶ فشرده شده، از یک مخزن مجزا، خنک می‌گردد. دمای مایع کننده گاز SF۶ وابسته به فشار بوده اما در محدوده دمای محیط کلید مشخص می‌شود. این بدان معنا است که مخزن SF۶ می‌بایست مجهز به یک المان گرم کننده باشد که تعیین کننده امکان بروز یک خطای خارجی برای مدارشکن می‌باشد. به هنگامی‌که المان گرمایشی کار نکند، کلید قطع نمی‌تواند عمل نماید.
۵-۴ مدارشکنهای خلاء
بین کنتاکت‌های کلید قطع خلاء، یک قوس الکتریکی خلاء فرآیند قطع را بعهده خواهد داشت. همانگونه که قبلا در مبحث معرفی این فصل در زمینه قوسهای سوئیچینگ مطرح شد، قوس الکتریکی خلاء از قوس الکتریکی دارای فشار بالا متفاوت می‌باشد، چرا که قوس الکتریکی، در خلاء، در غیاب یک رسانه اطفا حریق، مشتعل می‌شود. رفتار روالهای فیزیکی در ستون قوسی یک قوس الکتریکی خلاء را می‌بایست بعنوان یک پدیده سطح فلزی، بجای پدیده یک رسانه عایق، مورد شناسایی قرار داد.
۶-۴ مدلسازی قوس سوئیچینگ
مدلسازی قوس الکتریکی همیشه بعنوان موضوعات اصلی در تحقیقات مدارشکن مطرح بوده است. مدلهای قوسی را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی نمود:
  • مدلهای جعبه سیاه (که اغلب به نام مدلهای خوانده می‌شود).
  • مدلهای فیزیکی
  • مدلهای پارامتری
مهندسین طراح مدارشکن غالبا با مدلهای قوس فیزیکی به هنگامی‌که اقدام به طراحی یک پرتوتایپ یا نمونه جدید می‌نمایند کار می‌کنند. مدلهای قوس فیزیکی برمبنای معادلات دینامیک سیالات بوده و از قوانین ترمودینامیک با ترکیبی از معادلات ماکسول را پیروی می‌نمایند. آنها شامل تعداد زیادی از معادلات دیفرانسیالی می‌باشند. پلاسمای- قوسی بعنوان یک واکنش شیمیایی مدنظر بوده و علاوه بر ابقای معادله انبوه، تشریح کننده معادلات رتبه‌بندی واکنشهای شیمیایی مختلف می‌باشند. در زمینه توازن هیدرودینامیک موضعی، معادلات سرعت بعنوان قوانین اثر جرم عمل نموده و بر این اساس در زمینه مورد ساده شده واکنش گاز تک اتمی، بعنوان معادله ساها مطرح می‌باشد که تشریح کننده میزان یونیزه‌ شدگی در گاز است. بواسطه آنکه پلاسمای قوس الکتریکی در معادله مقدار حرکت بصورت الکتریکی رسانا می‌باشد، عباراتی که تشریح کننده تعاملات با میدانهای مغناطیسی می‌باشند، که یا از خارج از نشات می‌گیرند یا آن که بوسیله جریان قوس بوجود می‌آیند نیز به حساب می‌آیند. بواسطه انتشار دمای مقاوم انرژی الکتریکی که بوسیله قانون اهم محاسبه شده است، عبارت تولید گرمای حجمی‌بعنوان بخشی از معادله انرژی بشمار می‌آید.
۷-۴ تعاملات مدار قوس الکتریکی
قطع جریان مدارشکن بصورت معمولی در جریان صفر در چارچوب زمانی میکروثانیه محقق می‌شود. به هنگام قطع جریان، چندین فرآیند در یک زمان روی می‌دهند. ولتاژ  قوس الکتریکی پس از بدست آوردن یک مقدار ثابت در طی فاصله جریان بالا، تا حد پیک افزایش می‌یابد، و سپس با شیب تند   به صفر افت می‌نماید. این جریان با توجه به ثابت  به صفر رسیده ولی ممکن است بواسطه تاثیر ولتاژ قوس الکتریکی به میزان اندکی دارای اعوجاج‌ گردد. قوس الکتریکی مقاوم بوده و از اینرو ولتاژ قوس و جریان در یک وهله زمانی بصفر خواهند رسید. در حول و حوش جریان صفر، ورودی انرژی در کانال قوس الکتریکی نسبتا پایین می‌باشد (در جریان صفر، حتی هیچگونه ورود انرژی وجود ندارد) و به هنگامی‌که طراحی کلید قطع بگونه‌ای است که روال خنک سازی بوسیله رسانه اطفا در حالت حداکثر خود باشد، جریان می‌توان قطع گردد. پس از قطع جریان، گاز-گرم- ساکن بین کنتاکت‌های کلید  بوسیله سرعت شیب برافراشتگی ولتاژ ریکاوری دارای بار شده و در فیلد الکتریک حاصله ذرات بار الکتریکی جاری نیز شروع به رانش نموده و بر این اساس وضعیتی را بوجود می‌آورند که به سختی قابل سنجش می‌باشد و اصطلاحا آن را به نام جریان قوس الکتریکی- ستونی می‌نامند. این، همراه با ولتاژ ریکاوری گذرا، باعث می‌‌شود تا ورودی انرژی در کانال گاز گرم- ساکن بوجود آید. به هنگامی‌که ورودی انرژی بگونه‌ای باشد که مولکولهای گاز واحد در الکترونهای آزاد و یونهای مثبت سنگین‌تر انتشار یابند، حالت پلاسما مجددا ساخته شده و بر این اساس عمل قطع جریان با فروپاشی روبرو می‌گردد. این روال را به نام فروپاشی گرمایی‌ مدارشکن می‌نامند. به هنگامی‌که عمل قطع جریان بصورت موفق به اجرا گذاشته شد، کانال گاز داغ خنک شده و جریان قوس الکتریکی ستونی ناپدید می‌گردد. با این وجود، به هنگامی‌قدرت دی‌الکتریک فاصله بین کنتاکت‌های کلید به میزان کافی برای مقابله با ولتاژ ریکاوری گذرا نباشد، فروپاشی  دی‌الکتریک می‌تواند بوجود آید.
در طی فرآیند قطع جریان یک تعامل قدرتمند بین فرآیند فیزیکی، مابین کنتاکتهای کلید و شبکه متصل شده با ترمینالهای کلید، وجود دارد. این جریان بوسیله ولتاژ تحریک و رسانایی مجموع سریهای شبکه که بوسیله مقاومت القایی خطوط متصل شده شکل گرفته‌اند، و همچنین کابلها و شمشهای برق، و مقاومت القایی همزمان ژنراتورها و مقاومت نشتی ترانسفورماتورها مشخص می‌گردد. ولتاژ ریکاوری گذرا در امتداد کنتاکت‌های کلید قطع پس از قطع جریان بوسیله نوسانات ولتاژ محلی و امواج ولتاژ بازتاب داده شده شکل می‌گیرد. بنابراین ساده‌ترین شاخص عناصر متمرکز سیستم قدرت، همانگونه که از ترمینالهای مدارشکن مشخص می‌شود، شامل یک منبع ولتاژ با مقدار ولتاژ سیستم، یک مقاومت القایی با مقدار مجموع مقاومت القایی اتصال کوتاه، یک مقاومت خازنی مشابه با مقاومت خازنی مشابه با ظرفیت پراکنده شمشهای برق، ترانسفورماتورهای ولتاژ، ترانسفورماتورهای جریان و ترانسفورماتورهای قدرت در پست انتقال نیرو . سازگار با این ظرفیت خازنی، یک مقاومت باعث تحریک امپدانس ماهیتی خطوط اورهد متصل می‌گردد، همانگونه که در شکل ۸-۴ نشان داده شده است.
تماس با ما

اکنون آفلاین هستیم، اما امکان ارسال ایمیل وجود دارد.

به سیستم پشتیبانی سایت ایران ترجمه خوش آمدید.