تحقیق مقاله مزایا و کاربرد برق گیرها در خطوط انتقال فشار قوی

مزایا و کاربرد برقگیرها در خطوط انتقال فشار قوی

مهندس محمد اسکویی

مرکز تحقیقات نیرو

اشاره:

در این مقاله استفاده از برقگیر آویزی به عنوان عامل حفاظتی در مقابل اصابت صاعقه انتقال و بالا بردن ضریب اطمینان شبکه تشریح شده است. در این راستا ساختمان داخلی و نحوه به کارگیری برقگیر آویزی در خطوط انتقال فشار قوی و تفاوتهای آن بر برقگیرهای متداول بیان شده است. در انتها، مدلی از شبکه با استفاده از نرم افزار ATP شبیه سازی و مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج آن ارائه شده است.

ABSTRACT:

In order to increase the reliability of transmission lines against lightning strikes, application of arresters is the useful way. Lightning surges cause flashover on insulator string, especially in towers with high ground resistance. So a short circuit between line and tower will be app eared. If there is a arrester beside the insulator string, surge current will pass through the arrester to arrester to ground and there is not any flashover. Also in this paper the basic concepts and construction of transmission line arrester. Will be described. At the end of poper. Performance and application of arresters in line will be proved by results of simulating a line with EMTP.

1- مقدمه

استفاده از برقگیر در خطوط انتقال به منظور افزایش قابلیت اطمینان شبکه و کاهش خطاهای ناشی از اصابت صاعقه و همچنین حذف مطمئن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه، صورت می گیرد. اضافه ولتاژهای ایجاد شده در شبکه تاثیر مخربی بر تجهیزات و تاسیسات الکتریکی بر جای می گذارند، اما حدود آسیب با توجه به مقاومت عایقی وسیله الکتریکی متفاوت می باشد. اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه که به صورت استاندارد 50/2/1 میکروثانیه بیان می شوند به دلیل پشتیبانی موج تیز و دامنه بالایی ک دارای اثرات تخریبی شدیدی در شبکه بر جای می گذارند.

از جمله این آثار، می توان به سوختن تجهیزات فشار قوی و ایجاد خطای اتصال کوتاه در پستهای فشار قوی و یا شکست الکتریکی سطحی در طول زنجیر مقره و ایجاد خطای اتصال کوتاه در آن اشاره کرد. تمامی این موارد منجر به ایجاد خطا و قطع شبکه می گردد. برای پیشگیری از این نوع خطاها در پستهای فشار قوی روشهای متعددی وجود دارد که عملی‌ترین و اقتصادی‌ترین آنها استفاده از سیم محافظ و برقگیر است. از طرف دیگر در خطوط انتقال فشار قوی نیز روشهای متعددی برای جلوگیری از شکست الکتریکی زنجیر مقره در اثر اصابت ساعقه وجود دارد که به طور خلاصه می‌توان از سیم محافظ و کاهش مقاومت پای برج و افزایش سطح عایقی نام برد.

افزایش سطح عایقی در برجها، اگر چه از بروز شکست الکتریکی سطحی در زنجیر مقره جلوگیری می کند لیکن منجر به بزرگ شدن بازوها و ارتفاع برج و افزایش هزینه می گردد. از طرف دیگر، در مناطق سنگی و صخره ای که مقاومت زمین بالا است، مقاوت پای برج، بزرگ خواهد بود. در این صورت‌حتی اگر خط انتقال، توسط سیم زمین محافظت گردد، به دلیل بالا بودن مقاومت پای برج، در زمان اصابت صاعقه به برج، پتانسیل برج آنچنان بالا می رود که اختلاف آن با ولتاژ خط، از سطح عایقی مقره فراتر می رود و بنابراین شکست الکتریکی سطحی در زنجیر مقره روی داده و در صورت تداوم قوس الکتریکی، خط انتقال توسط کلیدهای قدرت قطع می‌گردد. بدین لحاظ در صورتی که بتوان با بکارگیری الکترودهای زمین در عمق زیاد و یا روشهای دیگر، مقاومت پای برج را کاهش داد، پدیده اخیر و یا قوس برگشتی روی نخواهد داد. ولی در مواردی مانند سخت بودن یا سنگی بودن زمین در کوههای مرتفع، این امکان وجود ندارد و تاثیر روشهای ذکر شده در عمل کم می باشد.

بنابراین استفاده از برقگیر برای کاهش خطاهای ناشی از شکست الکتریکی سطحی زنجیر مقره در اینگونه موارد بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. بکارگیری برقگیر در خطوط انتقال در چنین شرایطی درصد خطاهای ناشی از اصابت صاعقه به خط انتقال را به طور چشمگیری کاهش می دهد این امر به مفهوم افزایش قابلیت اطمینان که حذف مطمئن اضافه ولتاژهای حاصل از صاعقه و شدن خسارتهای مالی ناشی از قطع شبکه و تخریب تجهیزات می باشد.

2- ویژگیهای برقگیرهای خطوط انتقال

اساس کار و ساختمان برقگیرهای خطوط انتقال از برقگیرهای پستهای فشار قوی الهام گرفته شده است. اما تفاوتهایی نیز وجود دارد. به طور خلاصه، برقگیرهای متداولی که در پستهای فشار قوی به کار می رود. شامل برقگیرهای میله ای، انفجاری، فاصله هوایی‌کنترل کننده، کربورسیلیسیمی‌و اکسید فلزی می‌گردند. برقگیرهای یادشده، می توانند ترکیبی از یک یا چند جزء اساسی ساختمان برقگیر شامل محفظه، قسمت فعال شونده، (مانند مقاومت غیرخطی) و فاصله هوایی باشند. مشخصات هر یک از این برقگیرها در جدول خلاصه شده است.

با توجه به خواص ذکر شده برای برقگیرهای متداول، برقگیرهای خطوط انتقال، باید شرایط زیر را داشته باشند:

الف) قبل از فعال شدن کلیدهای فشارقوی، جریان پیرو را قطع کنند.

ب) حتی در شرایطی که برقگیر نتواند صحیح عمل کند، مانع بازبست مدار نشوند.

پ) در صورت عبور جریان صاعقه بیش از مقدار نامی، منفجر نشوند.

ت) از لحاظ فیزیکی کوچک و سبک باشند بطوری که بتوان آنها را در خطوط انتقال موجود، بدون  تغییر دادن

جدول (1) مشخصات برقگیرهای میله ای، انفجاری و مقاومت غیرخطی

نوع

  موضوع

میله ای

انفجاری

کربورسیلسیم

اکسید روی

با فاصله هوایی

بدون فاصله هوایی

با فاصله هوایی

بدون فاصله هوایی

ولتاژ باقیمانده

در حد صفر

در حد صفر

به دلیل آنکه در حالت عادی، شبکه، جریان نشتی بالایی دارد، ساخت این برقگیر بدون فاصله هوایی امکان پذیر نیست

وقوع خطا

اتصال کوتاه شبکه

در جریان کمتر یا بیشتر امکان غلط عمل نمودن

جریان پیرو

دارد

دارد ولی قطع می شود

تاخیر در زمان تخلیه

وابسته به شرایط محیطی و ولتاژ

وابسته به شرایط محیطی

زوال پذیری

ناچیز

زیاد

کم

ناچیز

در صورت طراحی صحیح، کم است

سایر

متاثر از شرایط آب وهوایی است زمان بین 1/0 میکروثانیه تا چند میلی ثانیه

حداقل و حداکثر جریان برای آن باید تعریف شود

نفوذ رطوبت و نشست گاز درون آن مشکل آفرین است

امکان طراحی آن در ابعاد کوچک وجود دارد

نسبت به رطوبت حساس می باشد.

ث) از لحاظ مکانیکی، شرایط مناسب را دارا باشند.

ج) هنگامی که خطایی در عملکرد برقگیر واقع شود، از آنجا که برقگیر بین خط و برج قرار می گیرد، بهتر است از لحاظ الکتریکی رابطه ای بین خط و برج برقرار نگردد. به این دلیل، در برقگیر بدون فاصله هوایی، در این خصوص باید تدبیری اندیشیده شود.

با توجه به موارد مطرح شده فوق، ذیلاً قسمتهای اساسی یک برقگیر خط، شرح داده می شوند

2-1- ساختمان و اصول کاربرقگیر خط

قسمتهای اساسی یک برقگیر خط شامل محفظه، قسمت فعال شونده یا مقاومت غیرخطی، فاصله هوایی سری و فشار شکن می بانشد که در برقگیرهای بدون فاصله هوایی مورد سوم وجود ندارد.

2-1-1- محفظه یا قسمت نگهدارنده

محفظه های پلیمری بطور کلی به دو دسته پلیمری و چینی تقسیم بندی می شوند و به شکل استوانه بوده و از دو لایه درونی و بیرونی تشکیل یم شوند. لایه درونی از جنس FRP و لایه بیرونی از جنس لاستیک اتیلن پروپیلن می باشد. علت بهره گیری از پلیمرها به دلیل سبکی آنهاست و از طرف دیگر در یک طول ثابت نسبت به پرسلین می توان فاصله خزشی‌را 5/1 برابر بزرگتر نمود. عمر این گونه محفظه ها بین 20 تا 30 سال برآورد شده است‌به طوری که در این زمان تغییری‌در خواص آنها ایجاد نمی‌شود.

نوع دیگر این محفظه ها از جنس پرسلین است که شبیه محفظه برقگیرهای متداول است. در سالهای اخیر نمونه جدید برقگیرهای بدون فاصله هوایی جهت استفاده در خطوط انتقال، ابداع شده است که در این برقگیرها قرص اکسید روی را در محفظه های استوانه ای شکلی که در باله مقره بشقابی تدارک دیده اند، قرار می دهند. این نوع برقگیرها به برقگیر آویزی موسوم هستند. از به هم پیوستن چند برقگیرآویزی، زنجیر مقره ای حاصل می شود که هر دو عمل مقره و برقگیر را انجام می دهد. از مزایای عمده این نوع برقگیر، حذف سریع و مطمئن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه می‌باشد [5].

2-1-2- مقاومتهای غیرخطی:

 قرصهای اکسید روی در مقایسه با مقاومتهای غیرخطی دیگر از مشخصه غیرخطی بسیار خوبی برخوردار هستند. این مقاومتها وظیفه جذب و انتقال انرژی صاعقه به زمین را به عهده دارند. ابعاد قرص اکسید روی، بر اساس جریان تخلیه و انرژی قابل تحمل قرص، تعیین می گردد. بر مبنای نظریه آرمسترانگ، وایت هد [1] جریان تخلیه در برخورد صاعقه به سیم زمین و خطا در سیم زمین توسط نرم افزار ATP محاسبه می شود که در شکل (1) یک منحنی مربوط به خطای سیم زمین و جریان صاعقه نشان داده شده است. در نهایت با مشخص شدن جریان نامی، قطر قرص و ابعاد آن استخراج می گردد [5].

2-1-3- فاصله هوایی سری:

این فاصله هوایی، به صورت سری با محفظه برقگیر قرار می گیرد و در شرایط بروز اضافه ولتاژ گذرا، دچار شکست الکتریکی شده و جریان صاعقه را عبور می دهد. فاصله هوایی سری بر مبنای قطع جریان پیرو، هماهنگی عایقی، ولتاژ پایداری به ازای ولتاژ فرکانس قدرت و ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی، محاسبه می‌شود.

شکل (1) منحنی جریان صاعقه و خطای سیم زمین.

2-1-4- فشار شکن:

طراحی و نحوه عملکرد فشارشکن در این نوع برقگیرها، با برقگیرهای متداول پستهای فشار قوی متفاوت است. هنگامی که به علت جریان شدید صاعقه قرصهای اکسید روی صدمه دیده و فشار درونی محفظه، بالا می رود محفظه برقگیر در اثر این فشار منفرج می شود. برای مقابله با این امر، باید فشار را به گونه ای محدود نمود. یکی از روشهای عملی در محفظه های پلیمری، تعبیه سوراخهایی در محفظه است. به طوری که با ازدیاد فشار بیش از حد متعارف، سوراخها که با اتیلن پروپیلن پر شده اند، باز شده و قوس الکتریکی به بیرون از محفظه برقگیر منتقل می شود و فشار درونی آزاد می‌گردد.

در شکل (2) منفذهای فشارشکن در یک نمونه از برقگیر فاصله هوایی دار نشان داده شده است. شایان ذکر است که اگر به هر دلیلی منفذهای فشارشکن به درستی عمل نکنند و برقگیر منفجر شود به دلیل آنکه، محفظه های پلیمری تکه تکه نمی‌شوند، مثل برقگیرهای‌با محفظه چینی، برای‌محیط اطراف خود ایجاد خطر نمی‌کنند.

شکل (2) فشار شکن در یک نمونه از محفظه های پلیمری

3- هماهنگی عایقی

به منظور اطمینان از عملکرد صحیح برقگیر، لازم است که هماهنیگ عایقی صحیحی بین زنجیر مقره و برقگیر وجود داشته باشد و شکست الکتریکی در برقیگر نسبت به زنجیر مقره، سریعتر واقع شود. این مهم بر اساس سطوح عایقی متفاوت بین زنجیر مقره و برقگیر به دست می آید.

در زنجیر مقره، فاصله هوایی بین الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره توسط رابطه زیر تعریف می شود [2 و 1]:

(1)                                                                   

که در آن به ترتیب: 1Z : فاصله بین دو الکترود 0 :Zطول زنجیر مقره

و از طرف دیگر فاصله بین بدنه برج و هادی خط از رابطه زیر به دست می آید:

(2)                                                                  

این فاصله باید صحیح انتخاب شود تا شکست الکتریکی بطور حتم در فاصله هوایی زنجیر مقره واقع شود.لذا در یک طراحی صحیح، ولتاژ شکست 50% موج ضرقه صاعقه در برقگیر دارای فاصله هوایی، هیچگاه از ولتاژ شکست 50% موج ضربه صاعقه در الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره فراتر نخواهد رفت [2].

در صورت صدمه دیدن قرصهای اکسید روی فاصله هوایی سرد در برقگیر، باید در مقابل اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی پایدار باشد و از طرف دیگر، لازم است که این فاصله هوایی در مقابل موج ضربه صاعقه فعال شود تا زنجیر مقره دچار شکست الکتریکی نگردد. به بیان دقیق تر ولتاژ شکست برقگیر دارای فاصله هوایی در حالت عادی به صورت زیر تعریف می شود:

(3)                                                                            

Var: ولتاژ شکست برقگیر زمانی که قرصهای اکسید روی سالم هستند.

V1Ma: ولتاژ مرجع قرصهای اکسید روی.

VFOG: ولتاژ شکست فاصله هوایی برقگیر

اگر به مقاومتهای غیرخطی برقگیر آسیبی برسد. بنابراین، طول فاصله هوایی سری باید به اندازه ای باشد که در مقابل موج ضربه کلیدزنی پایدار باشد. حداقل فاصله هوایی سری از روی ولتاژ پایداری موج ضربه کلیدزنی به شرح زیر محاسبه می شود:

(4)                                                                  

VSP: ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی

ULm: حداکثر شبکه

1k : ضریب اضافه ولتاژ کلیدزنی (ضریب اضافه ولتاژ کلید زنی به ازای برابر 2 می باشد و به ازای برابر 84/1 می باشد).

برای استخراج ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی، برای فاصله هوایی سری برقگیری که مقاومتهای غیرخطی آن آسیب دیده اند، مقدار انتخاب می‌شود و به این ترتیب حداقل طول فاصله هوایی سری به دست می آید.

از طرف دیگر زمانی که از برقگیر به موازات زنجیر مقره استفاده شود، باید هماهنگی عایقی دقیقی بین برقگیر و الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره برقرار باشد. در شکل (3) شکست الکتریکی در مقابل موج ضربه کلیدزنی به ازای طول فاصله هوایی سری در برقگیر نشان داده شده است [2 و 1].