تحقیق مقاله شبکه توزیع و انتقال برق تا مصرف

شبکه قدرت از تولید تا مصرف

یک شبکه قدرت از نقطه تولید تا مصرف،شامل اجزاء و مراتبی است که ژنراتور را بعنوان مولد و ترانسهاو خطوط انتقال را بعنوان  مبدل و واسطه در بر می‌گیرد .

محدودیت تولید :

ژنراتورها معمولاً” جریانهای بزرگ را تولید میکنند اما به لحاظ ولتاژ محدودیت دارند،زیرا عایق بندی شینه ها حجم و وزن زیادی ایجاد می‌کند و به همین لحاظ ژنراتورها در نورم های ولتاژی 6،11،21 و حداکثر 33 کیلو ولت ساخته می‌شوند .

انتقال قدرت :

بر عکس تولید که به لحاظ ولتاژ محدودیت دارد، در انتقال قدرت،مشکل جریان مطرح است زیرا هر چه جریان بیشتر شود،مقطع سیمها بیشتر و در نتیجه ساختمان دکل ها بزرگتر و تلفات انتقال نیز فزونی می‌گیرد . به همین لحاظ سعی می‌شود که پس از تولید جریان،با استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده،سطح ولتاژ افزایش و میزان جریان کاهش داده شود . ضمنا” عمل انتقال سه فاز،توسط  سه سیم صورت می‌گیرد ( به سیم چهارم نیازی نیست ) و برای تشخیص اتصال  کوتاههای احتمالی فاز به زمین،از شبکه زمین و نوترالی که در پست مبدا ایجاد می‌کنند،سود می‌جویند  . 

توزیع و مصرف قدرت :

پس از انتقال قدرت تا نزدیکی های منطقه مصرف،سطح ولتاژ در چند مرحله پایین می‌آید تا قابل مصرف شود. در ایران درحال حاضر برای انتفال قدرت ازولتاژهای 400 و 230 کیلو ولت (فاز- فاز)  استفاده می‌شود و در مناطق شهری نیز این ولتاژها  به سطح 63 کیلو ولت ( شبکه فوق توزیع )کاهش پیدا می‌کند و با تبدیل 63 به 20 کیلو ولت،ولتاژ اولیه برای ترانسفورماتورهای توزیع محلی مهیا می‌گردد تا با ولتاژ 400 ولت ( فاز- فاز )،برق مورد نیاز مصرف کننده های عادی فراهم آید .

آرایش ترانسفورماتورهای قدرت :

ترانسفورماتورهای انتقال،از آرایش ستاره / مثلث برخوردارند . طرف ستاره به ولتاژ بالاتر و طرف مثلث به ولتاژ پایین تر متصل می‌شود تا در عایق بندی و حجم سیم پیچ ها صرفه جوئی شود . تپ چنجر نیز که بعنوان تنظیم کننده ولتاژ بکار گرفته می‌شود معمولاً در طرف فشار قوی تعبیه می‌گردد تا عمل تغییر تپ (Tap) را در جریانهای کمتری انجام دهد و جرقه کنتاکتها به حداقل رسد .

اجزاء یک پست انتقال یا فوق توزیع :

یک پست انتقال یا فوق توزیع، معمولاً شامل خط یا خطوط ورودی،بریکرها،سکسیونر ها، باسبار طرف فشار قوی،ترانس قدرت، ترانس نوتر،ترانس مصرف داخلی،باسبار فشار متوسط،فیدر های خروجی،فیدرهای خازن و غیرو می‌شود و در هر پست پانلهای رله ای و متیرینگ،عمل حفاظت و اندازه گیری را بعهده دارند . باطریخانه و شارژرها نیز وظیفه تولید سیستم D.C.  را که لازمه غالب رله ها می‌باشد انجام می‌دهند .

ضرورت اتصال به زمین :

تا زمانی که  اتصالی با زمین در شبکه اتفاق نیفتاده باشد،نیازی به برقراری اتصال نوترال با زمین نمی‌باشد، اما به لحاظ امکان وقوع اتصال کوتاه های با زمین و برقراری سیستم حفاظتی برای تشخیص آنها،ناچار به داشتن سیستم نوترال خواهیم بود،به این ترتیب که سه فاز شبکه را از طریق یک ترانس نوتر (معمولاً داری سیم پیچ زیگزاک ) به یکدیگر متصل و نقطه صفر یا خنثی (نول ) آنرا با زمین مرتبط می‌کنیم . این ترانس ضمن ایجاد نوترال برای شبکه،بدلیل راکتانسی که دارد ،جریان اتصال کوتاه با زمین را نیز محدود می‌کند .

تانک رزیستانس :

عبارت از یک تانک فلزی پر از الکترولیت بسیار رقیق کربنات سدیم است . خاصیت این محلول آن است که مقاومت الکتریکی آن به طور معکوس در برابر حرارت تغییر می‌کند . در صورت پیدا شدن جریان نشتی با زمین ایجاد حرارت در مایع و کاهش مقاومت آن،جریان عبوری افزایش یافته و به سرعت به حدی می‌رسد که رله نوتر را تحریک نماید . بنابراین خاصیت این مقاومت،آشکار نمودن جریانهای نشتی کم و غیر قابل تشخیص بوسیله رله  نوترال اصلی می‌باشد تا از عبور جریان مداوم نشتی و داغ شدن ترانس نوتر و سوختن احتمالی آن جلوگیری بعمل آورد .

خواص تانک رزیستانس به همین مورد محدود نمی‌شود بلکه مقاومت حالت نرمال آن و راکتانس ترانس نوتر،مجموعا” به حدی انتخاب می‌شود که آمپر اتصال کوتاه را در حد مورد نظر محدود نماید . از مزایای دیگر آن،رزیستانس خالص آنست ( در نقطه مقابل ترانس نوتر که تقریبا 97% راکتانس خالص است ) و بنابراین در مواردی که انتخاب یک ترانس نوتر با راکتانس بالا به دلیل افزایش اندوکتانس  سلفی پست،از بروز و ظهور هارمونیکها جلوگیری می‌کنند تا عملکرد سلکتیو رله ها مختل نشود .

ضرورت برقراری حفاظت :

پس از برپایی یک سیستم قدرت،اول چیزی که نیاز به آن احساس می‌شود،برخورداری سیستم از یک حفاظت اتوماتیک است . در اوایل پیدایش شبکه های قدرت،سعی می‌شد سیستم را در مقابل جریانهای اضافی ( Exess  Currents) حفاظت نماید و اینکار توسط فیوز انجام می‌شد اما با گسترش شبکه ها و تمایل به داشتن حفاظتی انتخاب کننده ( Selective )،یعنی آن نوع از حفاظت که بواسطه آن برای هر خطا  ( Fault) ئی در هر نقطه از شبکه،مناسبترین عمل قطع انجام شود، سیستم حفاظت Over current    (که اصطلاحاً ماکزیمم جریان گفته می‌شود) مطرح شد و گسترش یافت .

البته نباید حفاظت اورکارنتی را با حفاظت over  load  ( اضافه بار )،که بر مبنای ظرفیت حرارتی مدار منظور می‌شود،اشتباه گرفت . در حفاظت اخیر اگر بار از مقدار معینی ( معمولاً 2/1 برابر جریان نامی‌خط ) بیشتر شود،فرمان قطع رله  صادر می‌شود در حالیکه منظور عمده از طرح حفاظت اورکارنتی آنست که در صورت بروز خطا، رله ها به ترتیب نزدیکی به نقطه اتصالی در نوبت قطع بایستند و در صورت عمل نکردن یک رله،رله بعدی فرمان قطع صادر کند .

معمولاً در تنظیم گذاری رله های اورکارنت به گونه ای عمل می‌شود که هر دو منظور حاصل شود. 

انواع سیستمهای اورکارنتی :

در جائیکه نیروگاه فقط یک بار منفرد را تغذیه می‌دهد، نیاز حتمی‌به وجود رله اورکارنت نیست و رله ای که بتواند پس از تاخیر معینی مدار را قطع نماید،کافی به نظر میرسد . اما در یک شبکه توسعه یافته،که هر باسبار بیش از یک خروجی را تغذیه می‌کند،رفتار سلکتیو بیشتری لازم است تا قسمت حذف شده و خاموشی حاصله به حداقل رسد .

سیستم حفاظت اورکارنتی فاز به زمین :

حفاظت اورکارنتی برای تک تک فازها ضروریست اما یک رله زمین Earth  Foult  = E/F برای هر سه فاز کافیست . غالباً نیاز به آن است که رلهE/F   نسبت به جریانهای زمین بسیار حساس باشد . بعبارت دیگر،تنظیم رله زمین اغلب کمتر از مقدار تنظیمی‌رله فاز قرار می‌گیرد ( حدود20 % آن ).

حفاظت باقیمانده یا رزیجوال :

در صورتیکه بخواهیم رله زمین به جریانهای  بسیار کم زمین حساس باشد،از اتصال باقیمانده یا  Rsidual  Connection ) ) استفاده می‌شود،در این روش،سیم پیچهای ثانویه سه ترانس جریان – یکی برای هر فاز – بصورت موازی بسته می‌شوند و مشترکا” یک رله زمین را تغذیه می‌کنند . در حالتی که وضعیت نرمال باشد،خروجی مجموعه این ترانس ها صفر است و همچنین در حالتی که اتصال کوتاه دو فاز رخ دهد،این تعادل همچنان باقی می‌ماند . خط پارگی در یک فاز ( بدون اتصالی با زمین ) نیز باعث عمل رله نمی‌شود . از آنجائیکه رله زمین در حالت تعادل جریان (درحالت نرمال) تحریک نمی‌شود،می‌توان تنظیم آنرا پایین انتخاب نمود و آنرا برای هر مقدار جریان نشتی زمین حساس کرد .

هماهنگ کردن رله های جریانی زمان ثابت :

اگر تنظیم رله های پشت سر هم در یک شبکه را به گونه ای قرار دهیم که دورترین رله نسبت به نقطه اتصالی،با فاصله زمانی معینی (نسبت به رله های ما قبل و ما بعد خود) فرمان قطع دهد،در آن صورت چنین هماهنگی رله ای را هماهنگی جریانی- زمانی و فاصله زمانی بین عملکرد یک رله و رله بعدی را پله زمانی یا Margin  می‌نامیم .

در این شکل سیستم حفاظتی،رله های اورکارنت با عملکرد آنی (Instataneous R) نیز بعنوان راه انداز و یا آشکار ساز اتصالی بکار می‌روند. این رله ها می‌باید تنظیمات معینی داشته باشند .

اشکال رله های با زمان ثابت ( Definite – time   ) :

در صورتی که در اتصالیهای ضعیف و شدید،رله ها به ترتیب تنظیمات زمان ثابت خود به عمل در آیند،المان های شبکه خسارت بیشتری می‌پذیرند و این مورد از نقاط ضعف رله های جریانی با زمان ثابت است .

رله های اورکانت زمان معکوس ( invers –time  )

اشکال فوق در رله های زمان ثابت وجود داشت،در رله های با زمان معکوس کمتر می‌شود . در این رله ها در صورت زیاد شدن جریان عبوری،زمان عملکرد رله کوتاهتر می‌شودو در نتیجه ترانسفورماتور و سایر المان های شبکه،مدت کمتری تحت جریان اتصالی قرار می‌گیرند و لطمات کمتری متوجه آنها می‌شود . در عین آنکه منحنی های رله های پشت سرهم را می‌توان طوری انتخاب نمود که انتخاب سطح سلکتیو برقرار بماند .

انواع رله های جریانی با زمان معکوس و موارد استفاده هر یک :

این رله ها بسته به شیب منحنی آنها،انواعی دارند،از جمله ؛

1- رله های زمان معکوس نرمال(normally inverse)

2- رله های زمان معکوس دارای شیب بیشتر(very inverse)

3- رله های زمان معکوس دارای شیب تند(extremely inverse)

نوع اول معمولاً”در همه شبکه ها کاربرد دارد.نوع دوم در جایی مناسب است که جریان اتصال کوتاه به نسبتی که از منبع دور می‌شویم،کاهش قابل توجهی داشته باشد .منحنی این رله ها به صورتی است که زمان عملکرد آنها با دو برابر شدن جریان ،حدودا”نصف می‌شود . نوع سوم در آن تیپ از شبکه های توزیع مناسبت دارد که در آنها بهنگام کلید زنی،جریان زیاد و نسبتا” طولانی کشیده می‌شود .چنین جریانهایی با در مدار باقی ماندن وسایلی از قبیل پمپها ،یخچالها و غیره ایجاد می‌شود بنابراین لازم است ازآن نوع منحنی استفاده شود که زمان عملکرد تاخیری طولانی بهنگام جریان دادن فیدر داشته باشد و بعلت این خاصیت ویژه است که این رله کاربرد می‌یابد ،در عین آنکه می‌توان آنرا با فیوزهای بعد از آن نیز هماهنگ نمود(منحنی این رله بسیار نزدیک به منحنی عملکرد فیوزها می‌باشد ).

کاربرد رله های جریانی 

از رله های جریان با زمان ثابت و زمان معکوس ،در غالب فیدرهای ورودی یا خروجی کاربرد دارد.در فیدرهای خروجی 20کیلو ولت و پایین تر ،ازدورله جریانی در دو فاز و یک رله زمین استفاده می‌شود .حذف رله جریانی از فاز وسط به جهت صرفه جویی صورت می‌گیرد و اشکالی نیز بوجود نمی‌آورد ،اما در ولتاژهای بالاتر ،هر سه فاز از رله جریانی برخوردارند و رله زمین  نیز بر سر راه نقطه صفر ترانس جریانها و انتهای سه رله فازها بسته می‌شود .

رله های ولتاژی :

کاربرد رله های ولتاژی محدود است و دو تیپ عمده دارند:

1- رله ولتاژی که در اثر کاهش ولتاژ به عمل در می‌آید(Under Voltage).

2- رله ولتاژی که در اثر افزایش ولتاژ تحریک می‌شود (Exess Voltage).

از این رله ها در حفاظت فیدرهای خازن ،رگولاتور ولتاژ ترانسفورماتور و حفاظت خطوط ورودی به پست استفاده می‌شود .

حفاظت فیدر خازن:

در مجموعه حفاظتی فیدر خازن از رله های مختلفی استفاده می‌شود از آن جمله :

1- رله های اورکارنت برای هر فاز

2- رله های کاهش و افزایش ولتاژ

3- رله نامتعادلی

در خصوص رله نامتعادلی باید گفت یک رله ولتمتریک حساس است و دو کار انجام می‌دهد ؛

1- با ایجاد نامتعادلی در نوتر خازنها ،آلارم و سپس فرمان قطع صادر می‌کند .

2- با بی برق شدن فیدر ترانس مربوطه،فیدر خازن را از مدار خارج می‌سازد . معمولاً خازنهای موازی ( منصوب روی باسبار 20 یا 63 کیلو ولت )،بصورت ستاره دوبل بسته می‌شود و بر سر راه ارتباط دو صفر ستاره،از یک ترانس ولتاژ استفاده می‌شود  تا در صورت بروز اشکال در هر یک از خازنها ،این ترانس حاوی ولتاژ شده و رله را تحریک نماید . معمولاً محدوده عملکرد آلارم این رله،پایین تر از حد نرمال فرمان قطع آنست . بهنگامی‌که خازنهای طرفین از بالانس خارج شود (در اثر طول عمر یا قرار گرفتن بنک های خازن در شرایط متفاوت مثلاً آفتاب و سایه )،آلارم خواهیم داشت اما ضعف هر خازن و تغییر ظرفیت نسبتاً شدیدتر باعث صدور فرمان قطع خواهد شد . در صورتی که باسبار ( که خازنها روی آن نصب هستند ) بی برق شود،این رله باز هم فرمان قطع خواهد داشت و بنک های خازنی را از مدار خارج می‌سازد تا بهنگام برقدار شدن مجدد باسبار،پدیده‌ سوئیچینگ باعث انفجار خازن‌ها نگردد .

ضمناً ازتعدادی  رله زمانی نیز در حفاظت بنکهای خازنی استفاده می‌شود ،از جمله آنکه یک رله زمانی با تأخیر طولانی در وصل ،باعث می‌شود که هر بار پس از قطع فیدر خازن ،تا مدتی (حدود 10دقیقه )از وصل مجدد آن جلوگیری نماید و این مسئله به آن خاطر است که در ابن مدت ،خازنها فرصت کافی برای دشارژ داشته باشد و باقیمانده شارژ باعث بروز انفجاردر آنها نشود.