حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها

فصل ۱۰

تست مدارشکنها

شبیه سازی پدیده های حالت گذرایی که در سیستم قدرت روی می‌دهد بعنوان یک مسئله آساسی مطرح می‌باشد. ما با این حقیقت روبرو هستیم که وسعت و پیچیدگی این شبکه را می‌بایست با توجه به المانهای متمرکز و مرتبط با آنها در محدوده دیوارهای یک آزمایشگاه مورد بررسی و مطالعه قرار دهیم. تستهای توسعه برای سازندگان تابلوهای برق، فیوزهای ولتاژ بالا، سوئیچ های قطع بار و دیگر ادوات قطع کننده مدار، و همچنین تستهای قبولی برای ادوات یا تاسیسات جهت تصدیق آنکه آیا ادوات سوئیچینگ براساس مشخصات مرتبط با استاندارهای مربوطه می‌باشند یا خیر، نیازمند اندازه گیریهای دقیق و توانائیهای مربوط به قابلیت انجام آزمایشهای مربوطه می‌باشد.

فرآیند قطع در یک مدارشکن، همانگونه که در فصل ۴، مدارشکنها ملاحظه شد، شامل میدانهای الکترومغناطیسی، علم ترمودینامیک، مکانیزمهای استاتیک و دینامیک، دینامیک سیالات و فرآیندهای شیمیایی می‌باشد. همانند این مقوله که ارائه یکسری از فرمولها جهت طراحی و محاسبه رفتار مدارشکنها مشکل می‌باشد، تست نیز بعنوان یک عنصر یا رویه لاینفک در روال توسعه و تایید ادوات مربوطه مطرح است.

برحسب استاندارد IEC-60056، تستهای نوع مدارشکنها شامل موارد ذیل می‌باشد:

• تستهای مکانیکی و محیطی، شامل تست عملیات مکانیکی در دمای محیط، تستهای دمای پایین و بالا، تست رطوبت، تست به منظور ثابت نمودن عملیات تحت شرایط یخبندان شدید، و تست بار ترمینال استاتیک.

• جریان اتصال کوتاه، ساخت آن و تستهای قطع شامل تستهای خطای ترمینال، تست خطای اتصال- خط و همچنین تست قطع فاز می‌باشد.

• تست های سوئیچینگ جریان خازنی، شامل بارگیری خط، بارگیری کابل، بانک خازنی واحد و بانک خازنی پشت به پشت و

• تستهای مغناطیسی سازی و سوئیچینگ جریان القایی کوچک

بجز برای تستهای مکانیکی و محیطی، کلیه تستها در زمینه مرتبط با ملزومات تست نوع  به منظور اثبات توانایی قطع مدارشکنها طراحی گردیده اند. توانایی قطع جریان خطا بعنوان عملکرد پایه یک مدارشکن مطرح می‌باشد و بنابراین، تست مدارشکن نیازمند قدرت اتصال کوتاه بالا به همراه جریان و ولتاژ، با توجه به حالات متغیر آنها در محدوده گسترده، می‌باشد. تست مدارشکنها را می‌توان یا در یک سیستم حقیقی انجام داد و یا آنکه در شرایط تست آزمایشگاهی و شبیه سازی محقق نمود. تست سیستم این مزیت را عرضه می‌دارد که هیچگونه سرمایه گذاری خاصی برای ادوات تست مورد نیاز نمی‌باشد و بر این اساس کلیدهای قطع با شرایط خطای حقیقی همانگونه که تحت شرایط کاری می‌بایست انجام وظیفه کنند، تست و مورد سنجش قرار می‌گیرند.

با این وجود، تست سیستم چندان نیز عملی نمی‌باشد. جدای از تداخل با سیستم معمولی و عملکرد آن و همچنین موارد امنیتی، بوجود آوردن شرایط سیستمی‌مختلف همانگونه که بوسیله استانداردها پیش بینی گردیده اند مشکل می‌باشد. علاوه بر این، این مسئله بصورت حقیقی تامین کننده تسهیلات مربوطه برای توسعه تست مورد نظر تولید کنندگان نمی‌باشد. یک لابراتوار قدرت امکان تست مدارشکنها را بصورت متعارف تحت شرایط سیستمی‌شبیه سازی فراهم می‌سازد.

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها

۱-۱۰ لابراتوار قدرت

لابراتوار قدرت نه تنها برای تست ادوات قطع مدار طراحی گردیده است، نظیر فیوزها و مدارشکنها، ادوات سوئیچینگ، نظیر سوئیچهای قطع بار و قطع کننده‌ها، بلکه بعنوان ادواتی می‌باشند که می‌توانند با اورولتاژها روبرو گشته و با جریانهای اتصال کوتاه نظیر ترانسفورماتورها، برقگیرها و سیستم های شمس برق به راحتی تحت شرایط ‌شبیه سازی سیستمی روبرو گردند.

براساس تفاوت منبع قدرت، دو نوع از لابراتورهای قدرت را می‌توان شناسایی نمود. یک مورد لابراتوار تست ایستگاهی می‌باشد که بصورت مستقیم از یک شبکه تامین می‌گردد (شکل ۱-۱۰) و مورد دیگر یک ایستگاه تست ژنراتور اتصال کوتاه ساخته شده  برای موارد خاص (۲-۱۰) می‌باشد.

ایستگاه تست شبکه در نزدیکی یا مجاورت شکبه انتقال نیرو یا سیستم انتقال ولتاژ بالا ساخته می‌شود و از شبکه برای مهیا نمودن اتصال کوتاه بصورت مستقیم بهره می‌جوید. بمنظور اجتناب از بی ثباتی شبکه تامین کننده در طی تست اتصال کوتاه، قدرت اتصال کوتاه موجود در نقطه اتصال می‌بایست در حدود ۱۰ برابر حداکثر قدرت بکار گرفته شده در طی تست حقیقی باشد. داشتن سرمایه گذاری مالی نسبتا اندک، عملیات نسبتا آسان ایستگاه های برق و هزینه های نگهداری معمول جزء مزیتهای اصلی به شمار می‌روند. برای انجام تست، مهندسین تست مورد نیاز بوده و می‌بایست در منطقه مورد نظر در زمان تست حاضر باشند و بر این اساس معمولا انجام این آزمایش در شب بعنوان یک الزام به شمار می‌رود. در طی بارهای پیک، بطور مثال، در تابستان به هنگامی‌که دستگاه های تهویه مطبوع زیادی کار می‌کنند، مهندسین تست در انجام برنامه های تست خود بسیار محدود و مقید می‌باشند.

…

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها

۲-۱۰ تاریخچه توسعه تست های مدارشکن

از زمان شروع، مدارشکنها بعنوان عضو لاینفکی از سیستمهای قدرت شناخته می‌شدند، چرا که آنها بعنوان ادوات محافظتی عمل نموده و بر این اساس نسبت به قطع جریان اتصال کوتاه و موارد مرتبط اقدام نموده و همچنین از آنها جهت جدا نمودن بخشهای دارای خطا شبکه استفاده می‌شد. اولین ادوات قطع جریان در سالیان اولیه قرن ۲۰ بوسیله روش مهندسی خطا و آزمون توسعه یافت. تا آن زمان، توسعه مدارشکن به میزان زیادی وابسته به تست و آزمایشات مربوط بدان بوده است. افزایش در توان قطع محفظه های ایجاد کننده وقفه بطور نزدیک وابسته به افزایش در قدرت اتصال کوتاه موجود در ایستگاه آزمایشی بوده است و همچنین ارتقاهای بوجود آمده در ادوات سنجش به منظور ثبت دقیق پدیده ها در اطراف جریان صفر، منجر به ایجاد فهم بهتری از فرآیندهای فیزیکی پیچیده کنتاکت قوس الکتریکی در طی روال قطع شده است.

اولین اقدام جدی در خصوص مطالعه و طراحی مدارهای تست بوسیله   در  آلمان محقق گشت. در سال ۱۹۲۵، وی پیشنهاد نمود تا نسبت به تست یک قطب از یک مدارشکن بوسیله آنچه که  می‌خواند اقدام ‌نماید. در سال ۱۹۳۱، وی نسبت به ارتقای مدار تست خود اقدام نموده و از یک ترانسفورماتور به منظور تولید ولتاژ ریکاوری بالاتر از ولتاژ تامین جریان اقدام نمود. در همان سال،  یک ژنراتور ضربه ای یا مولد امپولس را برای فشار بر کنتاکتهای یک کلید با استفاده از ولتاژ ریکاوری پس از آنکه جریان اتصال کوتاه قطع گردید، پیشنهاد نمود. در اوایل ۱۹۵۰ توانهای قطع یک مدارشکن، قابلیت موجود مرتبط با تست های مستقیم قدرت را پشت سر گذاشت. یک تست مستقیم در بر دارنده یک مدار تست با یک منبع قدرت واحد می‌باشد، بانرخ اسمی ، که حداقل پاسخگوی نیازهای کامل مرتبط با تست ‌باشد. در یک مدار تست مستقیم، هر دو جریان قطع و ولتاژ ریکاوری بوسیله منبع قدرت یکسان تامین می‌گردند، همانگونه که از شکل ۱-۱۰ و ۲-۱۰ می‌توان مشاهده نمود، همچنین تستها را می‌توان بصورت سه فاز انجام داد.

…

۳-۱۰ مدارهای تست مستقیم

مدارهای تست مستقیم می‌توانند یا آنکه بوسیله ژنراتورهای اتصال کوتاه طراحی شده خاص یا از طریق شبکه تامین و تغذیه گردند. یک دیاگرام تک- خطه نشان دهنده چارچوب اصلی لابراتوار قدرت، مجهز به ژنراتورها، می‌باشد که در شکل ۲-۱۰ نشان داده شده است. دقیقا در پشت ژنراتور اتصال کوتاه سه فاز طراحی شده خاص (شکل ۴-۱۰)، کلید اصلی قرار گرفته است (شکل ۵-۱۰). کلید اصلی وظیفه قطع جریان اتصال کوتاه را در حالتی دارد که یک خطای آبجکت تست بوجود آمده باشد. پس از کلید اصلی، یک سوئیچ وصل (شکل ۶-۱۰) وجود دارد، که باعث سیر جریان اتصال کوتاه به هنگام بسته شدن می‌شود. راکتور محدود کننده جریان (شکل ۷-۱۰) به منظور اضافه نمودن رکتانس اضافی به مدار (در صورت نیاز) طراحی گردیده است تا آنکه انطباق لازم را برای مدار با ولتاژ منتج شده فراهم آورد. از آنجایی که ولتاژ ترمینال ژنراتورهای اتصال کوتاه نسبتا اندک می‌باشد (بین ۱۰ و ۱۵ )، مبدلهای اتصال کوتاهی که دارای طرح خاص می‌باشند (شکل ۸-۱۰) برای انتقال قدرت اتصال کوتاه به سطح ولتاژ بالاتر مورد نیاز می‌باشند (در لابراتوار قدرت  تا  به زمین). در مورد یک مدارشکن بعنوان موضوع تست، المانهای تعدیل-  معمولا در بخش ولتاژ بالای ترانسفورماتورها متصل می‌گردند. در این انتهای دیاگرام تک خطه، ما در می‌یابیم که موضوع تست معمولا بصورت سخت به زمین متصل گردیده شده است. موضوع تست تنها نمی‌تواند یک المان سوئیچینگ باشد، نظیر مدارشکن ولتاژ بالا، یک سوئیچ قطع بار، یا یک قطع کننده، بلکه می‌تواند یک شمش برق، یک فیوز ولتاژ بالا، یک برقگیر یا یک ترانسفورماتور باشد. لابراتوار قدرت شامل سخت افزاری است که از آن برای شبیه سازی حالات گذرایی سوئیچینگ الکترومغناطیسی، به هنگامی‌که آنها در محیط توزیعی شبکه اصلی روی می‌دهند، استفاده می‌شود.

…

۴-۱۰مدارهای تست سنتزی

افزایش در توانایی قطع مدارشکنهای ولتاژ بالا این امر را لازم می‌نماید تا نسبت به سرمایه گذاری مقادیر بودجه بیشتر در لابراتوارهای قدرت اقدام نماییم. به منظور افزایش توان لابراتوار قدرت، تنها افزایش تعداد ژنراتورها و ترانسفورماتورها بسادگی بعنوان یک روال چندان اقتصادی و حتی عملی بشمار نمی‌آید، چرا که روال افزایش محدوده اسمی اتصال کوتاه مدارشکنها از زمانی ‌که  SF₆ بعنوان رسانه اطفا معرفی شده است بسرعت پایان یافته است.

به هنگامی‌که ما نسبت به بررسی فرآیند قطع خطای یک مدارشکن در یک شبکه حقیقی اقدام می‌کنیم، دو فاصله متمایز را می‌توان تشخیص داد (به شکل ۱۲-۱۰ رجوع شود).

این مدارشکن در موقعیت بسته قرار دارد، آن هم به هنگامی‌که خطا روی می‌دهد. اتصال کوتاه بوسیله یک ترانسفورماتور جریان تشخیص داده شده و محافظ مربوطه نسبت به ارسال یک سیگنال سیر کننده به کلید قطع اقدام نموده و بر این اساس مکانیزم کلید قطع باعث جدا شدن کنتاکتهای کلید می‌گرددد. به هنگامی‌که کنتاکتها جدا گشتند، یک قوس الکتریکی بین کنتاکتهای قوس آغاز گردیده و محفظه قطع بگونه ای طرح می‌گردد که در تقاطع اول یا دوم جریان صفر، جریان اتصال کوتاه قطع گردیده و کلید بوسیله ولتاژ ریکاوری گذرا و ولتاژ ریکاوری فرکانس قدرت فشرده می‌گردد. روشهای تست سنتزی براساس این حقیقت می‌باشند که در طی فرآیند قطع، مدارشکن بوسیله جریان بالا و ولتاژ بالا در دوره های زمانی مختلف فشرده می‌شود. این امر احتمال استفاده از دو منبع مجزای انرژی را فراهم می‌آورد: یک منبع تامین کننده جریان اتصال کوتاه درطی دوره قوس می‌باشد و منبع دیگر تامین کننده ولتاژ ریکاوری گذرا و فرکانس قدرت- ولتاژ ریکاوری می‌باشد. حالت همپوشانی جریان و منبع ولتاژ در طی آنچه به نام فاصله تعامل خوانده می‌شود، در امتداد جریان صفر،  جایی که قطع جریان روی می‌دهد، محقق می‌گردد. دو روش تست سنتزی مختلف، تزریق جریان و تزریق ولتاژ، بعنوان تکنیک سنتزی بکار گرفته می‌شوند.

…

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها

۵-۱۰ تست خطای خط- اتصال کوتاه

به هنگامی‌که یک خطا روی می‌دهد، بر روی خط انتقال اورهد، چندین صدمتر تا چندین کلیومتر از ترمینالهای مدارشکن ولتاژ بالا، ما این خطا را به نام خطای اتصال  خط – اتصال کوتاه می‌نامیم ( فصل ۵، سوئیچینگ حالات گذاریی). قطع یک خطای خط اتصال کوتاه تنش گرمایی بالایی را بر روی کانال قوس الکتریکی در اولین چند میکروثانیه پس از قطع جریان بجای خواهد گذاشت، چرا که امواج الکترومغناطیسی که از اتصال کوتاه به سمت ترمینالهای مدارشکن جریان می‌یابند منجر به بروز یک TRV  با نرخ اسمی‌افزایش از  تا  خواهند گردید. مقدار نرخ اسمی‌افزایش TRVدر ابتدای خط منوط به جریان اتصال کوتاه و امپدانس ماهیتی خط انتقال اورهد دارد.

…

۶-۱۰ اندازه گیری جریانهای گذرا و ولتاژها

اندازه گیری نقش مهمی‌را در عملیات مهندسی برق بازی می‌نماید. در حقیقت، دانش و اطلاعات ما در زمینه پدیده های الکترومغناطیسی براساس تجارب و برآوردهای دقیق می‌باشد. قوانین فیزیکی دارای ریشه های خاص خود در مشاهدات بوجود آمده بوسیله Oerstedt ، Ampere، Faraday و Maxwell  بین سالهای ۱۸۲۰ تا ۱۸۷۰ داشته است. آقای مکسول در کتاب خود به نام «رساله‌ای در زمینه الکتریسته و مغناطیس» نسبت به مشخص نمودن معادلات موجود همراه با مفهوم خود از جریان جایگزینی اقدام نموده و بر این اساس نسبت به تداوم سیر جریان در یک رسانه غیر هادی بصورت مجموعه ای از معادلات اقدام نمود. معادلات مکسول و معادلات موج برای میدانهای الکتریکی و مغناطیسی که می‌توانند از آنها نشات گرفته شده باشند تشریح کننده کاملی از پدیده های الکترومغناطیسی بوده و بر این اساس فرصتی را برای ارائه یک دیدگاه ریاضی در مهندسی برق ارائه می‌نماید.

…

۱-۶-۱۰ مبدلهای برای اندازه گیری های جریان

اندازه گیری دقیق جریانهای گذرا، که در طی توالیهای سوئیچینگ در پست های انتقال نیروی ولتاژ بالا و یا در طی روال تست در لابراتوار قدرت روی می‌دهد را می‌توان با استفاده از شنتهای هم‌محور یا کواکسیال انجام داد (شکل ۲۳-۱۰). جریانهای که می‌بایست اندازه گیری شوند در محدوده آمپر تا کیلوآمپر می‌باشند و فرکانس سیگنالها دارای یک پهنای باند از  تا مگاهرتز می‌باشد. شنتهای هم‌محور چندین مزیت را ارائه می‌نماید. آنها دارای ولتاژ خروجی نسبتا بالایی می‌باشند، امپدانس ورودی اندکی را دارند، بوسیله فیلدهای پراکنده تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند و همچنین قابلیت اندازه گیری از  تا مگاهرتز را دارا می‌باشند. عیب شنت هم‌محور نیز اتصال مستقیم به مدار اولیه می‌باشد و همچنین می‌بایست آن را نیز متصل به پتانسیل زمین نمود. یک ولتاژ خروجی بالا و واکنش فرکانس بالا، ملزومات گیچ کننده ای را بر طراحی شنت هم‌محور تحمیل می‌نماید. برای ولتاژ خروجی بالا، یک مقاومت بالاتر لوله مورد نظر می‌باشد. این به معنای مس کمتر می‌باشد و همچنین حالت القایی لوله مقاومت دارای نقش بیشتری می‌باشد. بهره‌گیری از مس بیشتر، باعث افزایش پهنای باند  (و همچنین قدرت گرمایی و مکانیکی) می‌شود  و به منظور کاهش تاثیرات فرکانس بالا، نظیر تاثیر سطحی، لوله مقاومت جداره نازک مورد نیاز می‌باشند. شکل ۲۲-۱۰ نشان دهنده شنت هم‌محور ابتدایی می‌باشد. ترمینالهای خروجی برای سیگنال اندازه گیری در محیط صدوری بی‌میدان می‌باشند چرا که:

…

۲-۶-۱۰ مبدلهایی برای اندازه گیریهای ولتاژ

برای اندازه گیری ولتاژهای بالا با پتانسیلهای بالا، لازم است تا نسبت به تحصیل سیگنال اندازه گیری با میزان قابل ملاحظه ای از دامنه کوچکتر و در پتانسیل زمین اقدام نمود. در غیر این صورت، ادوات اندازه گیری صدمه خواهند دید. بواسطه منحنی مشخصه فرکانس بد آنها ترانسفورماتورهای ولتاژ برای اندازه گیری ولتاژهای گذرا مناسب نیستند. یک مقسم ولتاژ برای این هدف بسیار مناسب تر است. این مقسم را می‌بایست برحسب کاربرد آن طراحی نمود، با توجه به سطح ولتاژ، نوع و شکل ولتاژ و در برخی از مواقع از طریق امپدانس ورودی سیستم سنجش اتصال شده. بنابراین، داشتن یک نگاه نزدیک و دقیق در انواع مختلف این مقسمهای استفاده شده مفید خواهد بود، آن هم با شروع کار بوسیله یک مدار هم‌ارز بسیار عمومی‌ برای یک مقسم و تحصیل نتایج عمومی جهت کاربرد آنها.

…

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها

۷-۱۰ آماده سازی موارد مرتبط به اندازه گیری برای اندازه گیری جریان و ولتاژهای گذرا

اندازه گیری ولتاژهای گذرا و جریانها در یک محل یا در یک لابراتوار قدرت معمولا بوسیله تداخل الکترومغناطیسی (EMI) محقق می‌شود. میدانهای الکترومغناطیسی به رکوردرهای  پوشش‌دار ناقص نفوذ نموده و باعث القای نویز بصورت مستقیم به  تقویت‌کننده‌ها مدارهای الکترونیکی مرتبط می‌شوند . فیلدهای مغناطیسی و الکتریکی شبه- استاتیک به الیاف شبکه کابلهای کواکسیال نفوذ می‌کنند. میدانهای الکتریکی القایی مستقیم، از طریق  پیوست خازنی، ولتاژها بر روی سیم مرکزی و جریانهای محافظ کابل بوجود آورنده نویز اضافه از طریق امپدانس پیوست یا امپدانس انتقال یک کابل هم محور می‌باشند.

به دلایل ایمنی، محفظه‌های ادوات معمولا دارای اتصال زمین گردیده و از اینرو دارای شنت هم‌محور و مقسم ‌ولتاژ می‌باشند. در صورتی که تشخیص دهیم که منبع اصلی   AC  ۲۳۰ ولت دارای یک اتصال به زمین ساختمان و سیم زمین ترانسفورماتور توزیع تاسیسات محلی می‌باشد، ما با مشکل اتصال به زمین چندگانه روبرو می‌شویم. اتصال زمین چندگانه باعث بروز حلقه‌های زمین گردیده که در آن میدانهای الکترومغناطیسی می‌توانند باعث القای ولتاژهایی شوند که نه تنها بر روی سیگنالهای اندازه گیری اولیه تاثیر می‌گذارند، بلکه ممکن است منجر به تفاوتهای پتانسیل بین ترمینالهای زمین مختلف در داخل لابراتوار گردند.

…

حالتهای گذرا‌ در سیستم‌های قدرت ۱۰ تست مدار شکن ها