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

کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده ؛قسمت اول

چارلز جی. موزینا از شرکت بکویث الکتریک

منظور از تولید پراکنده در این سلسله مقالات DG یا همان نیروگاه های کوچک محلی است که اغلب برای تولید برق کارخانجاتی مانند ذوب آهن و ... بکار می روند. سیاسیتهای جدید در حوزه انرژی سعی در یکپارچه کردن این تولیدهای پراکنده در شبکه های سراسری دارد. درمتن ترجمه شده گاه از اصطلاح "تولید پراکنده" و گاه از "نیروگاه محلی" استفاده کردیه ایم. رضاکیانی

آوریل امسال (2007 میلادی)، دپارتمان انرژی ایالات متحده گزارشی با عنوان "مزایای بالقوه تولید پراکنده و بخشنامه هایی که ممکن است با گسترش آن در تضاد باشند" منتشر کرد. این گزارش تصریح می کند:" در بعضی موارد، مقررات و نیازمندی های اتصال به شبکه سراسری بیش از حد سختگیرانه و زمان بر بوده و هزینه زیادی بر پروژه های تولید پراکنده تحمیل می کنند." این گزارش با مشاوره کمیسیون رگولاتوری انرژی فدرال به عنوان فرمانی تحت قانون سیاستگذاری انرژی 2005 برای دپارتمان انرژی تهیه شده است تا مزایای بالقوه همکاری در تولید برق و تولیدکننده های کوچک مشخص شود و موانعی که ممکن است بر سر راه تولید پراکنده باشد بر طرف کند.

بر اساس این گزارش 30 سال پس از تصویب سیاستهای رگولاتوری شبکه های عمومی در سال 1978، اتصال یک نیروگاه کوچک به شبکه سراسری هنوز هم در بسیاری از ایالات با مشکلات حادی مواجه است. به دلیل فقدان استانداردهای مورد نیاز در نیروگاه ها، بسیاری از صاحبان نیروگاه های کوچک (کمتر از 10 مگاوات) با هزینه های زیاد و تبعیض هایی مواجه هستند که آنها را با منابع اندک مالی و صورت حسابهای سنگین تنها رها می کند. این گزارش همچنین می گوید:" هیچ مدل، ابزار یا تکنیک استانداردی برای ارزیابی تولیدکنندگان کوچک و داخل کردن آنها در برنامه ریزی ها و عملیات شبکه سراسری وجود ندارد."

استانداردهای ناقص

تا کنون چند استانداردهای برای اتصال نیروگاه های کوچک به شبکه سراسری توسط نهادهای زیر ارائه شده اند:

·        آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده

·        مدل اتصال تولید پراکنده تولید کننده ها و توافق منتشر شده در 2002

·        انجمن ملی رگولاتوری شرکتهای برق. شورای انرژی بین ایالتی (2005)

·        انجمن ملی همکاریهای برقی روستایی

شناخته شده ترین و مورد قبول ترین این استانداردها، استاندارد IEEE1547 است که با عنوان "استانداردهای اتصال منابع پراکنده به سیستمهای قدرت" در سال 2003 منتشر شد. استاندارد 1547 راهنمای همه گروه های درگیر است چرا که این استاندارد توسط انیستیتو استاندارهای ملی آمریکا بازبینی و بهبود یافته  و شامل یک چارچوب واقع گرایانه از قوانین و نیازمندی هاست. اهداف بیان شده این استاندارد به عنوان یک سند منحصر به فرد از استانداردهای فنی برای اتصال نیروگاه های کوچک، نیازمندی های صاحبان آنها و شرکتهای برق می باشد. به دلیل تفاوت استاندارد هر ایالت با ایالتهای دیگر گسترش این استاندارد به کندی پیش می رود. کالیفرنیا و نیویورک قابل ذکرترین این استثناءات هستند.

تمام استانداردهایی که در بالا ذکر شده اند مشخص می کنند که عملکرد اصلی حفاظت در اتصال به شبکه جلوگیری از جزیره ای شدن شبکه با کشف ژنراتورهای آسنکرون شده نیروگاه های کوچک می باشد. به عبارت دیگر، تعیین جایی که ژنراتور دیگر به صورت موازی با شبکه کار نمی کند به صورت حیاتی مهم است.

در طراحی حفاظت همچنین باید موارد زیر را نیز در نظر گرفت:

·        قطع نیروگاه محلی هنگامی که ژنراتورهای آن دیگر به صورت موازی با شبکه کار نمی کنند.

·   حفاظت شبکه از آسیبهایی که از اتصال به نیروگاه محلی ناشی می شوند. در میان این گونه آسیبها می تواند به ولتاژهای گذرا و جریان خطای تغذیه شده توسط ژنراتورهای کوچک اشاره کرد. این اتفاقات می توانند تجهیزات شبکه را آسیب برسانند یا هماهنگی رله ها را از بین ببرند و به قطعی غیرضروری شبکه سراسری بیانجامند.

·        حفاظت نیروگاه محلی از آسیبهایی که ناشی از شبکه هستند به ویژه کلیدزنی های خودکار شبکه.

اگرچه استانداردها بر روی این موارد تأکید می کنند اما بازهم نقاط ضعفی در استانداردها وجود دارد که یک طراح خوب باید به آنها دقت کند. کسانی که به فکر توسعه تولید پراکنده هستند باید با جدیت پیشنهادهای فنی که در زیر آمده است را مدنظر قراردهند. قبل از اینکه طراحان شبکه با طرحی از اتصال شبکه سراسری با نیروگاه محلی شما نزدتان بیایند خودتان باید برای یافتن راه حلهایی برای رفع این نواقص پیشگام شده باشید. بدین منظور،چند راهکار برای پوشش دادن نواقص IEEE1547 بررسی می شوند.

حفاظت: یک جاده دوطرفه

اغلب ژنراتورهای 10 مگاوات یا کوچکتر در نیروگاه های محلی با سطح ولتاژ توزیع یا فوق توزیع به شبکه سراسری متصل می شوند. این گونه نیروگاه ها برای تغذیه بارهای شعاعی طراحی شده اند. نه تنها ژنراتورهای کوچک نیازدارند که از اتصال کوتاه حفاظت شوند بلکه باید در برابر شرایط بهره برداری نامناسب ،که ممکن است شبکه به آنها تحمیل کند، هم باید حفاظت شوند. نمونه هایی از این شرایط غیرعادی عبارتند از: تحریک اضافه، ولتاژ بالا/پایین خروجی، جریانهای غیرمتعادل، فرکانسهای غیراستاندارد و گشتاور بیش از حد بر روی روتورهای توربین به دلیل کلیدزنی های خودکار شبکه.

اگر یک ژنراتور به چنین شرایطی بربخورد، ممکن است که ظرف چند ثانیه خسارتهای جبران ناپذیری به آن وارد شود. این مسئله از دلواپسی های آشکار دارندگان چنین نیروگاه هایی است. شبکه ،از طرف دیگر، بیشتر نگران اتصال نیروگاه های کوچک و خساراتهایی که ممکن است به تجهیزات شبکه بزنند می باشد.

استانداردها محدوده ای از راهنمایی های مخصوص برای حفاظت از آسیبهای ناشی از فرکانس بالا/پایین یا ولتاژ بالا/پایین ارائه می کنند. به هرحال، رله گذاری ها در نقطه اتصال شبکه به نیروگاه محلی در نظر گرفته شده اند. این رله ها ممکن است در سمت ثانویه ترانسفورماتوری که شبکه را به نیروگاه محلی متصل کرده است(تصویر1 بالا) یا در سمت اولیه آن (تصویر 1پایین) نصب شده باشند و محل نصب آنها تعیین می کند که ترانسفورماتور از کدام جهت آسیب خواهد دید.

 

تصویر1- رله های حفاظت ژنراتورهای کوچک از شبکه عموما در این نقاط نصب می شوند: در سمت ثانویه(بالا) یا اولیه(پایین) ترانسفورماتور اتصال به شبکه سراسری.

بیشتر این گونه نیروگاه ها به شبکه توزیع متصل شده اند. در آمریکا، اغلب شبکه های توزیع از خطوط 4 سیمه زمین شده با ولتاژ 4 تا 34.5 کیلوولت استفاده می کنند. این طرح اجازه می دهد تا ترانسفورماتورهای تک فازه هوایی با ولتاژ فاز به زمین مورد استفاده شبکه توزیع قراربگیرند. بنابراین، در یک شبکه توزیع 13.8 کیلوولت ترانسفورماتورهای تک فاز 8Kv=1.73/13.8 می توانند نصب شوند. این ترانسفورماتورها و برقگیرهایشان می تواند (بسته به انتخاب نوع اتصالی که شبکه را به نیروگاه های محلی وصل می کنند) از طریق ولتاژهای بالا آسیب ببینند. 5 گونه اتصال که بیشتر برای اتصال به شبکه سراسری استفاده می شوند در تصویر 2(پایین) آمده اند. هر کدام از آنها مزایا و مشکلات خود را دارد.

 

تصویر2- نحوه اتصال شبکه سراسری به نیروگاه های کوچک

استانداردها نیازمندی های اساسی شبکه را ذکر می کنند اما روشها، راه حل ها و یا انتخابهای اندکی برای مواجه با آنها را ارائه می کنند. راهنمایی های موجود در استانداردها در هر یک از این سطوح اساسی آنقدر نیست که جزئیات لازم برای تکمیل یک طرح  را شرح دهند. در ادامه، 6 محدوده اصلی که در آنها نیازمندیم استانداردها را اصلاح کنیم بیان خواهیم کرد.

مترجم:رضاکیانی موحد

منبع 

http://www.powermag.com/instrumentation_and_controls/351.html