کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده ؛قسمت سوم

قسمت اول
قسمت دوم
چارلز جی. موزینا از شرکت بکویث الکتریک

مشکل سوم: بحث ناکافی درباره گزینه های حفاظت اتصال به شبکه

سطوح عملکرد حفاظت اتصال نیروگاه محلی به شبکه سراسری بسیار گسترده بود و به عوامل زیادی چون توان ژنراتورها، محل اتصال شبکه به نیروگاه محلی (پخش یا زیر توزیع)، نوع ژنراتور( القایی، سنکرون، آسنکرون) و پیکربندی ترانسفورماتور اتصال به شبکه بستگی دارد. نیازمندی های حفاظتی می توانند با رسیدن به اهداف ویژه یک سیستم حفاظتی تعریف شوند. غیر از یک بحث ساده درباره روشهای کشف غیر موازی شدن ژنراتورها با شبکه، استانداردها درباره موارد حفاظتی مانند پخش بار غیرعادی، شرایط سیستم آسیب دیده، وصل مجدد به شبکه چیزی نمی گویند.

ساده ترین و معمول ترین راه برای کشف غیرموازی شدن ژنراتورهای نیروگاه محلی با شبکه سراسری استفاده از یک رله فرکانس بالا/پایین (81 O/U) و یک رله ولتاژ بالا/پایین (27/59) است. هنگامی که نیروگاه محلی با شبکه غیرموازی می شود، به خاطر خطاها یا دیگر شرایط غیرعادی، اگر تفاوت زیادی بین بار و خروجی ژنراتورها باشد فرکانس و ولتاژ بلافاصله از محدوده مجاز خارج می شوند.

اگر بار و توان خروجی ژنراتور در هنگام جداشدن نزدیک به هم باشند ولتاژ و فرکانس ممکن است که در محدوده نرمال باقی بمانند و رله های فرکانس و ولتاژ عمل نکنند. اگر امکان این اتفاق وجود داشته باشد لازم است که از تریپ انتقالی و ارتباطات واسط قابل اطمینان استفاده شود.

 هنگامی که غیر موازی شدن ژنراتورها با شبکه کشف شد باید بلافاصله ژنراتورهای محلی از شبکه جدا شوند و اجازه دهند که فیدرهای شبکه در ایستگاه به صورت خودکار وصل شوند. وصل مجدد با سرعت بالا در شبکه می تواند 15 تا 20 سیکل پس از تریپ دادن فیدرهای ایستگاه صورت پذیرد. شبکه باید صاحب نیروگاه محلی را از نیاز به سرعت قطع بالا آگاه گرداند. اگر زمان تریپ فرکانس پایین به طول انجامید ممکن است که لازم باشد یک رله ناظر بر ولتاژ و وصل مجدد با چک کردن سنکرونیسم به ایستگاه اضافه شود. تصویر 3 چنین ترتیباتی را نشان می دهد که به فیدر ایستگاه اجازه وصل مجدد قبل از جدا شدن ژنراتورهای محلی را نمی دهد. تصویر 4 یک شمای ساده از رله های فرکانس بالا/پایین و ولتاژ بالا/پایین نوعی را نیروگاه های محلی کوچک نشان می دهد. عملکردهای ساده حفاظتی می توانند به وسیله یک رله دیجیتال چندکاره اجراشوند.

تصویر 3- اضافه کردن رله نظارت ولتاژ و وصل کننده مجدد با چک کردن سنکرونیزم به ایستگاه.

تصویر 4- یک راه حل ساده حفاظتی با استفاده از یک رله چند کاره.

استفاده از رله فرکانس پایین ،همراه با نیاز به جداشدن نیروگاه محلی از شبکه قبل از اینکه فیدر شبکه مجددا وصل شود، مانع از این می شود که بیشتر نیروگاه های محلی در طی اختلالهای بزرگ در شبکه به کمک شبکه بیایند. هنگامی که به دلیل یک اختلال عمده فرکانس شبکه پایین می آید این ژنراتورها تریپ خواهند شد. این امر ممکن است به دلیل ستینگ پایین فرکانس برای همراهی با نیازهای مصرف کننده های داخلی باشد اما زمان مورد نیاز برای تریپ معمولا از زمان وصل مجددخودکار تجاوز نمی کند. اگر همانطور که بعضی پیش بینی کرده اند بار تغذیه شده توسط نیروگاه های محلی بیش از افزایش مصرف 10 سال آینده باشد نیاز به ژنراتورهای محلی برای پشتیبانی از شبکه اصلی بیشتر حیاتی خواهدشد.

یک راه برای تخفیف دادن این مشکل استفاده از حفاظت نرخ تغییرات فرکانس (81R relay) است. این روش به صورت گسترده ای درخارج از آمریکا ( به جای یا به همراه رله فرکانس پایین(81 relay)  ) برای کشف غیرسنکرون شدن نیروگاه محلی مورد استفاده قرارمی گیرد. این روش مزیت تریپ دادن سریعتر را برای بارهای سنگین نیروگاه محلی دربردارد در حالیکه اجازه می دهد تا زمانی که فرکانس به آرامی در شبکه افت می کند نیروگاه محلی به شبکه متصل باقی بماند.

 قانون 21 کالیفرنیا استفاده از رله جهت دار توان  (32 relay)را  به منظور کشف غیرموازی شدن نیروگاه محلی با شبکه اجباری می داند. این تمهید تنها برای نیروگاه های محلی درنظر گرفته شده است که برای مصرف بار پیک شبکه یا پخش بار در نظر گرفته شده اند و توان را به شبکه بازنمی گردانند. این رله درجایی نصب می شود که حداقل توان بار محلی 50 درصد یا کمتر از ظرفیت ژنراتورهای محلی باشد. نوعا، در نیروگاه محلی یک رله 32 نصب می شود تا هنگامی که پخش بار به سوی باس ژنراتور به زیر 5 درصد ظرفیت ژنراتور برسد عمل کند. تصویر 5 چنین ترکیبی را نمایش می دهد. استاندارد 1547 این گزینه را برای کشف غیرسنکرون شدن ژنراتورهای نیروگاه محلی با شبکه سراسری مورد بحث قرار نمی دهد.

تصویر 5- قوانین ساحل غربی استفاده از رله توان جهت دار برای کشف غیرسنکرون شدن ژنراتورهای نیروگاه محلی از شبکه سراسری را اجباری می داند. 

منبع: 

http://www.powermag.com/instrumentation_and_controls/DG-interconnection-standards-remain-elusive_351_p3.html

چارلز جی. موزینا از شرکت بکویث الکتریک 

مترجم رضاکیانی موحد

کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده ؛قسمت دوم

قسمت اول

چارلز جی. موزینا از شرکت بکویث الکتریک 

مترجم رضاکیانی موحد

مشکل اول

ناکافی بودن یک دستورالعمل عمومی برای زمین کردن ترانسفورماتورهای اتصال به شبکه.

استانداردها پیچیده بودن پی آمدهای ناشی از اضافه ولتاژهایی که به دلیل زمین کردن ترانسفورماتورهای اتصال نیروگاه محلی به شبکه سراسری ایجاد می شوند را چنین توضیح می دهد: " الگوی زمین کردن ترانسفورماتور اتصال به شبکه نباید به گونه ای باشد که اضافه ولتاژها از ولتاژ نامی تجهیزات شبکه بیشتر شوند و یا هماهنگی رله های حفاظتی را از بین ببرند." فقدان جزئیات اجرایی، یک نقطه ضعف اساسی در استانداردها محسوب می شود. شبکه و نیروگاه محلی بیشتر از دو گزینه برای سیم پیچ اولیه ترانسفورماتورهای اتصال ندارند؛ اولیه زمین شده یا اولیه زمین نشده.

الف)سیم پیچ اولیه زمین نشده.

بزرگترین نگرانی از اتصال ترانفسورماتور با سیم پیچ زمین نشده در این است که هنگامی که فیدر A (تصویر 2) به دلیل اتصال کوتاه در محل F1 تریپ می دهد تمامی سیستم بدون زمین می شود. این موضوع در ترانسفورماتورهای هوایی و برقگیرهای متصل به آنها اضافه ولتاژی در فازهایی که بدون اشکال بوده اند ایجاد می کند که می تواند به ولتاژ خط به خط نزدیک باشد. این وضعیت هنگامی بدتر می شود که در زمان تریپ دادن فیدر A توان خروجی ژنراتورهای نیروگاه محلی نزدیک به بار فیدر باشند. در نتیجه این اضافه ولتاژ سبب می شود که ترانسفورماتورهای هوایی ، که به صورت معمولی در پاشنه منحنی اشباع هستند، به سرعت به ناحیه اشباع بروند.

بسیاری از شبکه ها تنها زمانی از ترانسفورماتورهای بدون اتصال زمین استفاده می کنند که در زمان تریپ دادن فیدر A 200% یا بیشتر اضافه بار برای نیروگاه محلی اتفاق بیافتد. در طی اتصال زمین یک فاز، این اضافه بار به ولتاژ فازهای دیگر اجازه نمی دهد که از ولتاژ فاز به نول نامی شبکه خیلی بیشتر شوند و از به اشباع رفتن ترانسفورماتورهای هوایی جلوگیری می کند. به همین دلیل، سیم پیچ اولیه زمین نشده معمولا برای تولید کننده های کوچک ،جایی که اضافه بارها دست کم 200% مقدار مورد انتظار هستند، اختصاص داده می شود.

ب)سیم پیچ اولیه زمین شده.

 این انتخاب دو نقطه ضعف عمده دارد: اول اینکه یک جریان زمین ناخواسته تولید می کند که برای تغذیه مدارات حفاظت زمین مشکل ایجاد می کند و دوم اینکه جریانی که از فیدر A می گذرد را کاهش می دهد. این امر ممکن است که هماهنگی بین رله ها را از بین ببرد. موارد زیر را در نظر بگیرید:

• ·   اگر محل خطای اتصال به زمین دور از فیدر باشد کاهش جریان اتصال کوتاه ممکن است که از عمل کردن رله پست توزیع جلوگیری کند. در این صورت، شبکه سراسری ناچار است تا برای کشف خطاهای دور از فیدر از وصل مجدد خودکار استفاده کند.

  ·   اگر شبکه برای حفاظت از فیوز استفاده کند کم شدن جریان منبع و افزایش جریان فیوز به همین نتیجه منفی منتهی می شود: از بین رفتن هماهنگی بین رله های حفاظتی.

  ·   اگر اتصال کوتاه به زمین در نزدیکی فیدر اتفاق بیافتد (نقطه F2 در تصویر2) جریان زمینی که از باسهای پست توزیع عبور می کند می تواند هماهنگی رله ها را از بین ببرد و سبب قطع ناخواسته بریکر A بشود. برای اجتناب از این وضعیت، ممکن است تا ناچار شویم در بریکر A از رله های جریان بالا جهت دار استفاده کنیم که در این صورت این رله ها تنها به خطاهای اتفاق افتاده در فیدرA پاسخ خواهند داد.

1-اتصال ستاره(اولیه)/ مثلث (ثانویه) ترانسفورماتور اتصال با ستاره زمین شده.

برای استفاده از این اتصال لازم است به خاطر داشته باشیم که حتی اگر هنگامی که نیروگاه محلی خاموش است (بریکرهای ژنراتور بازهستند)، اگر ترانسفورماتور اتصال به شبکه وصل باشد ممکن است تا جریان خطای زمین در شبکه ایجاد شود. این امر عادی است چرا که نوعا حفاظت اتصال به شبکه، بریکر ژنراتور را تریپ می دهند. ترانسفورماتورهای پخش شده در نیروگاه محلی (برای مصرف کننده های داخلی) مانند یک ترانسفورماتور زمین با جریان توالی صفر که در سیم پیچ های مثلث شده ثانویه می چرخند عمل می کنند. علاوه بر این مشکلات، بارهای نامتقارن ،که مقدم بر ترانسفورماتور اتصال به شبکه هستند، از طریق زمین این ترانسفورماتور به زمین بازمی گردند و این در حالی است که زمینهای بین ترانسفورماتورهای مصرف محلی و ترانسفورماتور اتصال به شبکه از همدیگر جدا شده اند. این امر می تواند ظرفیت تغذیه بارها را برای ترانسفورماتورهای محلی کاهش دهد و هنگامی که جریان تغذیه فازها به دلیل عملکرد وسایل حفاظتی مانند فیوزها و وصل مجدد خودکار غیرمتعادل می شود مشکل ساز شود. اگر چه اتصال ستاره زمین شده/ مثلث به صورت عمومی برای اتصال ژنراتورهای بزرگ به شبکه سراسری مورد استفاده قرار می گیرند زمانی که برای پخش از روشهای چهار سیمه استفاده کنیم می توانند مشکلات عدیده ای ایجاد کنند.

2-اتصال ستاره(اولیه)/ ستاره (ثانویه) ترانسفورماتور اتصال به شبکه با نقطه نول زمین شده برای هر دو طرف.

بزرگترین نگرانی در هنگام استفاده از اتصال ترانسفورماتور اتصال به شبکه با اولیه و ثانویه ستاره زمین شده نیز ایجاد یک جریان زمین ناخواسته برای رله های شبکه ،مانند آنچه در بخش قبل توضیح دادیم، می باشد. این امر حساسیت رله های پست توزیع را برای پاسخ به خطای اتصال زمین در ثانویه ترانسفورماتور نیروگاه محلی (نقطه F3 در تصویر2) را بالاتر می برد. این امر می تواند سبب شود تا شبکه ناچار جریان نمونه گیری برای رله هایش را افزایش دهد یا برای ایجاد هماهنگی بین رله ها یک تأخیر زمانی درنظر بگیرد. کاهش حساسیت و یا سرعت پاسخ رله ها ممکن است که در هنگام اتصال کوتاه سبب آسیب دیدن خود فیدر شود.

مشکل دوم

عدم توجه به تشدید آهنی (تشدید غیرخطی یا ferroresonance)

پدیده خود تحریکی ژنراتورهای القایی سالها است که شناخته شده است. این امر زمانی اتفاق می افتد که یک ژنراتور ایزوله به وسیله یک خازن هم اندازه یا بزرگتر از رآکتانس مورد نیاز به یک سیستم وصل می شود. بسته به به اندازه خازن و توان مصرف کننده ها ممکن است که ولتاژ ژنراتور به 1.5 تا 2 برابر مقدار نامی برسد.

ترکیب مشکل ژنراتورهای ایزوله با سیستمهای توزیع دارای بانک خازنی ممکن است که سبب پدیده بی مانندی تشدید آهنی شود که در ژنراتور القایی اتفاق نمی افتد ولی در ماشین های سنکرون ممکن است بوجود آید. ممکن است که ولتاژ تا 3 پریونیت افزایش پیداکند. شارژ و دشارژ خازن از طریق سیم پیچهای غیرخطی ترانسفورماتور اتصال به شبکه این ولتاژ اضافی را ایجاد می کند.

این تشدید با تشدید آهنی معمولی که به دلیل سوئچینگ در شرایط بارهای غیرمتعادل ایجاد می شود تفاوت دارد. اگر تمام شرایط زیر برقرار باشند تشدید آهنی ممکن است روی دهد:

• ·        ژنراتور محلی باید از شبکه سراسری جدا (ایزوله) باشد.

  ·        بار مصرف داخلی باید از یک سوم توان نامی ژنراتور کمتر باشد.

  ·        ظرفیت سیستم باید بیشتر از 25 درصد و کمتر از 500 درصد توان نامی ژنراتور باشد.

  ·        یک ترانسفورماتور باید وجود داشته باشد که شرایط غیرخطی را فراهم کند.

اما چنین اضافه ولتاژی را چگونه می توان کاهش داد؟ مطالعات نشان می دهند که ژنراتورهای القایی و سنکرون و تمام ترانسفورماتورهای اتصال استعداد دارند در این چرخه بحرانی وارد شوند. برقگیرها پیک موج ولتاژ را خواهند گرفت اما آنها نمی توانند تشدید آهنی را متوقف کنند و ممکن است که آسیب ببینند. برقگیرهای متال-اکساید ممکن است که شانس بیشتری برای نجات داشته باشند. بهترین راه حل عملی در این موارد تریپ دادن ژنراتور برای از بین بردن منبع ولتاژ ناخواسته است. البته تریپ دادن ژنراتور در عمل به سادگی گفتن آن نیست چرا که موج ولتاژ این تشدید غیرسینوسی است و بیشتر رله های دیجیتال امروزی تنها می توانند اضافه ولتاژهای سینوسی 50 یا 60 هرتز را تشخیص دهند. یک شرکت سازنده رله به این مشکل اشاره کرده اگرچه یک رله اضافه ولتاژ (رله I 59) وظیفه حفاظت در برابر پیک اضافه ولتاژ را برعهده دارد. 

منبع: 

http://www.powermag.com/instrumentation_and_controls/DG-interconnection-standards-remain-elusive_351_p2.html