نوسانات برق و از دست دادن هم زمانی رویدادهای پیچیده‌ای هستند که در هنگام اختلالات شدید سیستم رخ می‌دهند. بسیاری از عملکردهای حفاظتی ممکن است در طول چنین رویدادهایی پاسخ دهند، اما نه همیشه به صورت مورد نظر، مورد انتظار یا هماهنگ. هدف این مقاله ارائه یک نمای کلی از سناریوهایی است که منجر به نوسانات قدرت می‌شوند، نحوه پاسخ دستگاه‌های حفاظتی و نحوه اجرای الگوریتم‌های حفاظتی توسط سازندگان مختلف می‌تواند باعث شود که عملکرد رله‌های مشابه به روش‌های مختلف واکنش نشان دهند. در این مقاله در مورد راه‌های تشخیص نوسان توان ناپایدار صحبت می‌کنیم.
نوسانات قدرت معمولاً پدیده‌های سه فازی و توالی مثبت هستند که بین دو یا چند ناحیه از یک شبکه که در آن سرعت روتور ژنراتور سنکرون، زاویه فاز ولتاژ یا فرکانس توان خروجی اینورتر واگرا می‌شوند، رخ می‌دهند.
نوسانات برق به دنبال رویدادهای مختلف شبکه رخ می‌دهد، از جمله:
- تغییرات ناگهانی در بار
- خاموش شدن یا قطع شدن ژنراتورها
- سوئیچینگ خطوط انتقال
- اضافه بار خطوط انتقال و/یا ناپایداری ولتاژ
- اتصال کوتاه و خطاهای شبکه
این کار تاثیر نوسانات توان پایدار و ناپایدار را بر طیف وسیعی از عملکردهای حفاظتی در رله‌های حفاظتی مشخص و ارزیابی می‌کند. هدف این کار کمک به مهندسان حفاظت برای به دست آوردن درک بهتری از اختلالات شبکه است که منجر به نوسان توان ناپایدار برق می‌شود. یعنی اندازه‌گیری‌های ولتاژ، جریان و فرکانس برای رله‌های حفاظتی در طول نوسانات برق چگونه است. و روشی که رله حفاظتی این اندازه‌گیری‌ها را از لحاظ دیجیتالی کردن اندازه‌گیری‌ها پردازش می‌کند، و در نهایت منجر به تصمیم‌گیری در مورد خطا می‌شود یا نمی‌شود.
بسیاری از ابزارهای ارزیابی پایداری دامنه زمانی، نمایش‌های عمومی توابع رله را به جای توابع خاص فروشنده ارائه می‌دهند، و بنابراین، آنها عملکرد الگوریتم‌های حفاظتی خاص فروشنده را به طور کامل نشان نمی‌دهند.
علل و ویژگی های نوسانات قدرت
هنگامی که یک سیستم قدرت سنکرون اختلالی مانند اتصال کوتاه، قطع بار یا قطع شدن ژنراتور را تجربه می‌کند، روتورهای ژنراتورهای سنکرون مجاور برای تامین یا جذب تعادل انرژی از شبکه، کند یا شتاب می‌گیرند. این تغییرات در سرعت روتور منجر به نوسانات در توان خروجی ژنراتور و نوسانات توان بین فردی یا گروهی از ژنراتورها می شود.
این نوسانات معمولاً با اعمال گاورنرهای ژنراتور، تنظیم کننده‌های ولتاژ خودکار یا، در صورت نصب، تثبیت کننده‌های سیستم قدرت (PSS) میرا می‌شوند. این‌ها نوسانات قدرت پایدار هستند. اگر اختلال شدیدتر باشد، ژنراتورهای منفرد، گروه‌های ژنراتور یا مناطق یک اتصال می‌توانند همزمانی را از دست بدهند و در نتیجه نوسان توان ناپایدار ایجاد شود. از دست دادن سنکرونیسم ممکن است بین یک ژنراتور و بقیه سیستم اتفاق بیفتد یا ممکن است زمانی رخ دهد که گروهی از ژنراتورها همزمانی را با گروه دیگری از ژنراتورها از دست بدهند.
نوسانات برق به دلیل عدم تعادل بار-ژنراتور
اگر مقدار زیادی از بار یا تولید قطع شود، فرکانس محلی ممکن است بسیار سریعتر از فرکانس شبکه در یک مکان دورتر تغییر کند. در جایی که یک منطقه شبکه به طور ضعیفی به دیگری متصل است، این می تواند منجر به اختلاف فرکانس پایدار بین بخش های شبکه و در نتیجه نوسانات قدرت بزرگ شود.
نوسان قدرت با نوسانات دامنه ولتاژ و جریان مشخص می‌شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در صورت از دست دادن سنکرونیسم، ولتاژ در مرکز الکتریکی نوسان ممکن است نزدیک به صفر باشد. نوسان ولتاژ همچنین با یک نوسان در جریان همراه است که ممکن است در نقاط دور از مرکز نوسان پیچیده شود همانطور که در شکل دوم نشان داده شده است. اثر خالص این نوسانات عبارت است از:
- نوسان قدرت بین دو شبکه
- یک نوسان در امپدانس ظاهری (ولتاژ تقسیم بر جریان) در خطوط انتقال نزدیک و ترانسفورماتورهای نزدیک به مرکز الکتریکی.
این کاهش ولتاژ، نوسان جریان و نوسان امپدانس ظاهری است که باعث عملکرد رله حفاظتی می‌شود زیرا این شرایط بسیار شبیه به شرایط اتصال کوتاه است.
در عمل، اگر ناحیه‌ای از یک شبکه به طور ضعیفی به بقیه شبکه متصل باشد، از دست دادن تولید یا بار ممکن است منجر به مشکلات پایداری زاویه‌ای شود. این می‌تواند تأثیری داشته باشد که منطقه ضعیف به هم پیوسته می‌تواند به طور موقت یا دائمی همزمان با شبکه اصلی را در صورت از دست دادن زیاد تولید یا بار از دست بدهد.
این تمایز بین از دست دادن همزمانی قابل بازیافت و غیرقابل جبران، جنبه مهمی از نوسانات قدرت است که باید به آن توجه کرد. در چنین رویدادی، رله‌های حفاظتی می‌توانند با تشخیص اولین لغزش قطب خاموش شوند و شبکه‌ها را قطع کنند. این ممکن است بسته به دینامیک شبکه و هماهنگی کاهش بار زیر فرکانس، استراتژی بهینه باشد یا نباشد. برخی از شبکه‌ها از مسدود کردن نوسان برق روی رله‌های حفاظتی خود استفاده می‌کنند تا به شبکه فرصت تثبیت را بدهند تا اینکه پس از اولین لغزش قطب، شبکه را تقسیم کنند. فلسفه‌های حفاظتی در مورد اینکه کدام مناطق حفاظت از فاصله باید در طول نوسانات برق مسدود شوند، ناسازگار هستند.
خطاهای پایدار
هنگامی که یک اتصال کوتاه در نزدیکی یک ژنراتور سنکرون اتفاق می‌افتد، توان خروجی واقعی ژنراتور به دلیل افت ولتاژ کاهش می‌یابد، در حالی که توان راکتیو آن به دلیل راکتیو بودن امپدانس شبکه بین ژنراتور و محل خطا افزایش می‌یابد. این عدم تعادل بین توان مکانیکی ورودی به توربین (بخار، گاز و غیره) و توان الکتریکی خروجی ایجاد می‌کند و بنابراین، انرژی مکانیکی اضافی منجر به افزایش سرعت روتور می‌شود.
اگر عیب به سرعت برطرف شود، ولتاژ بازیابی می‌شود و بارگذاری برق واقعی روی ژنراتور بازیابی می‌شود و روتور سرعت خود را کاهش می‌دهد تا زمانی که به همگامی با شبکه بازگردد. اگر عیب به مدت کافی ادامه داشته باشد، روتور به شتاب خود ادامه می دهد تا جایی که همگامی با سیستم را از دست می‌دهد. کوتاه‌ترین مدت زمان خطا در شبکه انتقال که منجر به از دست دادن همزمانی ژنراتور خاص می‌شود، به عنوان زمان خلاصی بحرانی ژنراتور (CCT) شناخته می‌شود. CCT به نوع ژنراتور، اندازه و وضعیت عملکرد و قدرت اتصالات آن به بقیه شبکه بستگی دارد و معمولاً در محدوده ده ها تا چند صد میلی ثانیه است.
خطوط پر بار
خطوط انتقال ممکن است به دلیل خاموش شدن خطوط موازی، خاموش شدن ژنراتور(ها)، قطع شدن بار(ها) و دلایل دیگر به شدت بارگذاری شوند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، نوسانات برق پایدار یا ناپایدار ممکن است به دلیل ناپایداری زاویه‌ای ایجاد شود.
اگر اضافه بار به اندازه کافی بزرگ باشد و کنترل ولتاژ در انتهای گیرنده ناکافی باشد، ولتاژ در انتهای گیرنده کاهش می‌یابد، اما این باعث کاهش توان انتقال یافته در طول خط می‌شود. کاهش توان، به نوبه خود، کاهش ولتاژ را کاهش می‌دهد، توان دوباره افزایش می‌یابد و این چرخه رویدادها ادامه می‌یابد که منجر به نوسانات در جریان برق در امتداد خط اتصال دو سیستم می‌شود. این پدیده‌ای است که از طریق آن بارگذاری بیش از حد یک خط می‌تواند منجر به نوسانات برق شود.
سوئیچینگ شبکه
اگر یک قطع کننده مدار در یک شبکه مشبک باز یا بسته شود، امپدانس شبکه ارائه شده به ژنراتورهای مجاور به طور ناگهانی تغییر می‌کند. این تغییر باعث می‌شود که ژنراتور تا رسیدن به نقطه عملیاتی حالت پایدار جدید، شتاب یا کند شود. این شتاب یا کاهش سرعت منجر به نوسان گذرا در توان خروجی می‌شود. اگر تغییر امپدانس کم باشد، نوسان قدرت پایدار است و به سرعت میرا می‌شود، اما اگر تغییر امپدانس به اندازه کافی بزرگ باشد، ژنراتور ممکن است دچار نوسان توان ناپایدار شود.
هنگامی که یک قطع کننده مدار باز که دو قطعه از تجهیزات برق را به هم متصل می‌کند، بسته می‌شود، زاویه فاز ولتاژ در سرتاسر پایانه‌های قطع کننده مدار از مقدار پیش سوئیچینگ به صفر می‌رسد. به منظور انطباق با وضعیت عملکرد جدید، شبکه در یک طرف شکن باید شتاب بگیرد در حالی که طرف دیگر سرعت خود را کاهش دهد تا در هماهنگی باقی بماند. این گذرا یک نوسان برق است و اغلب در اکثر شبکه‌های انتقال بدون ایجاد مشکل رخ می‌دهد، اما برای زوایای فاز بزرگتر ممکن است منجر به نوسانات قدرت بزرگ یا لغزش قطب ژنراتورهای نزدیک شود.
در مقالات آینده، در رابطه با عملکرد حفاظتی هر کدام از عناصر قدرت و پاسخ طرح‌های حفاظتی خاص از جمله ملاحظات الگوریتم‌های خاص مورد بررسی صحبت خواهیم کرد.
بدون دیدگاه