کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده؛قسمت چهارم

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

مشکل چهارم: بحث اندک درباره استفاده از جریان خطای نیروگاه محلی برای حفاظت اتصال به شبکه

ژنراتورهای القایی تنها دو یا سه سیکل از جریان خطا را برای خطاهای بیرونی ایجاد می کنند. ماشینهای سنکرون کوچک نوعا پس از اینکه بریکرهای اتصال به شبکه سراسری تریپ دادند آنچنان دچار اضافه بار می شوند که جریان خطای شان قابل صرف نظر کردن است. این ژنراتورها به رله خاصی جهت تشخیص خطای برگشت توان نیاز ندارند. برای این ژنراتورهای کوچک استفاده از رله های 81O/U یا 27/59 برای کشف غیر موازی بودن شان با شبکه سراسری ضروری است.

ژنراتورهای سنکرون بزرگتر شانس بیشتری برای ایجاد یک جریان تأثیر گذار بر روی سیستمهای حفاظتی شبکه سراسری دارند. نوعا یک رله 51-V، 21-V یا –V67 می تواند برای کشف منبع چنین خطایی و جداکردن نیروگاه محلی از شبکه سراسری مورد استفاده قرار گیرد.

نصب وسیله ای برای برداشتن خطای برگشت توان باید در سمت اولیه ترانسفورماتور اتصال نیروگاه محلی به شبکه سراسری انجام شود. برای یک ترانسفورماتور با اولیه زمین شده، یک رله اضافه جریان نول N51 یا یک رله جهت دار زمین N67 باید انتخاب شود. برای ترانسفورماتورهای زمین شده یک رله اضافه ولتاژ N59 یا N27 می تواند منبع تولید خطا را آشکار کند.

سیم پیچ اولیه ترانسفورماتورهای ولتاژی (PT) که برای تغذیه این رله ها انتخاب می شود باید از یک طرف به خط و از طرف دیگر به نول وصل شود. این ترانسفورماتورهای ولتاژ معمولا با ولتاژ خط به خط مشخص می شوند. بعضی از شبکه ها از یک ترانسفورماتور ولتاژ تکی به همراه رله های 59N و 27N استفاده می کنند یا از سه ترانسفورماتور ولتاژ که به صورت مثلث باز آرایش داده شده اند. تصویر 6 حفاظت یک نیروگاه محلی را به همراه ترانسفورماتور اتصال زمین نشده نشان می دهد.

 

تصویر6- یک رله چند کاره می تواند از چهار خطای مشترک برای ژنراتورهای متوسط که از طریق ترانسفورماتورهای زمین نشده به شبکه سراسری متصل شده اند جلوگیری کند.

مشکل پنجم: عدم کشف شرایط آسیب رسان

وضعیت جریان نامتعادل که از بازشدن مدار سلفها یا برگشت فاز در تغذیه شبکه ایجاد می شود می تواند در یک نیروگاه محلی سبب ایجاد جریانهای توالی منفی با دامنه بالا شود. عملکرد یک وسیله حفاظتی تک فاز (مانند فیوزها و یا وصل کننده خودکار خطوط) در شبکه توزیع نیز می تواند به مشکل بالا منجر شود. جریان زیاد توالی منفی حرارت روتور ژنراتورهای محلی را به سرعت بالا می برد و آسیبهای زیادی به دستگاه وارد می سازد.

بسیاری از شبکه ها از رله ی جریان بالای توالی منفی (46 relay) برای حفاظت در برابر جریانهای نامتعادل در محل اتصال به نیروگاه محلی استفاده می کنند. تعداد اندکی هم از رله توالی منفی ولتاژ (47 relay) برای حفاظت در برابر برگشت فاز ناشی از "تعویض فاز" غیرعمدی پس از وصل مجدد شبکه استفاده می کنند.

یک وضعیت آسیب زننده ی دیگر که می تواند برای ژنراتورهای سنکرون روی دهد از دست رفتن سنکرونیسم با شبکه به علت طولانی شدن رفع خطا در شبکه سراسری است. موتورهای رفت و برگشتی (پیستونی) مخصوصا در برابر این مشکل آسیب پذیرتر هستند چرا که اینرسی کمی دارند. چنین وضعیتی می تواند به آسیب فیزیکی محور آنها بیانجامد.

موتورهای پیستونی زمانی که توان الکتریکی ژنراتور و توان مکانیکی خروجی موتور به صورت ناگهانی نامتعادل شوند از سنکرونیسم خارج می شوند. توان الکتریکی خروجی به وسیله یک اتصال کوتاه سخت(معمولا سه فاز) ،که دیر برداشته شود، می تواند ناگهان کاهش یابد در حالی که در طی زمان خطا توان مکانیکی خروجی ثابت باقی می ماند. یک عدم تعادل بزرگ بین توان الکتریکی و توان مکانیکی سبب می شود تا ژنراتور سرعت بگیرد و از وضعیت سنکرون خارج شود.

برای روشن شدن این وضعیت، یک خطا در کنار ترانسفورماتورهای هوایی مجهز به وصل کننده مجدد را در نظر بگیرید. معمولا، تریپ وصل کننده مجدد دارای تأخیری است تا با فیوزها هماهنگی ایجاد شود. تریپ بریکر ایستگاه نیز دارای تأخیر است تا با وصل کننده ها هماهنگی ایجاد شود. در نتیجه، ژنراتورهای نیروگاه محلی یک ولتاژ کاهش یابنده را تجربه می کنند درحالیکه از شبکه جدانشده اند. به دلیل ثابت ماندن فرکانس در ژنراتورهای محلی رله فرکانس پایین تریپ نخواهد داد. رله ولتاژ پایین مشکل را کشف می کند اما نمی تواند با سرعت کافی تریپ دهد تا از غیرسنکرون شدن ژنراتورها جلوگیری کند. یک رله اختصاصی برای کشف آسنکرون شدن (78 relay) می تواند برای حفاظت ژنراتور از چنین مشکلی نصب شود. چنین حفاظتی نیز توسط رله های دیجیتال چند کاره قابل دستیابی است.

طرح اولیه استاندارد IEEE 1547 شامل یک فصل مهم در اینباره بود اما این فصل در طی تصویب نهایی حذف شد. قانون 21 کالیفرنیا حفاظت در برابر آسنکرون شدن را برای ژنراتورهای سنکرونی که آنقدر بزرگ باشند که بتوانند ده درصد از کل جریان خطا را در سمت فشار قوی ترانسفورماتور اتصال به شبکه تأمین کنند سفارش می کند. این قسمت هم البته بعدا از قانون 21 حذف شد. عدم سنکرونیسم و آسیب به محور درحقیقت بزرگترین نگرانی  مهندسینی که مسئول طراحی اتصال ژنراتورهای با موتور پیستونی به شبکه هستند را تشکیل می دهد.

مشکل ششم: مشخصه وصل مجدد ناکافی

پس از اینکه مدارات حفاظتی ترانسفورماتور اتصال به شبکه ژنراتور محلی را از شبکه سراسری جداکردند اتصال به شبکه باید مجددا برقرار شود. دو روش تریپ/ وصل مجدد برای وصل نیروگاه های محلی به شبکه به صورت گسترده تری استفاده می شوند. اولین روش نوعا در جایی بکار می رود که ظرفیت تولید ژنراتورهای محلی با مصرف محلی مطابقت نداشته باشد. در این موارد حفاظت ترانسفورماتور اتصال به شبکه بریکر ژنراتورها را تریپ می دهد(تصویر7). برای وصل مجدد بریکر ژنراتور باید به صورت خودکار سنکرون شود.

 

تصویر7- وصل مجدد نیروگاه محلی به شبکه پس از تریپ نیازمند وصل بریکرها در زمان سنکرون بودن هستند.

بسیاری از تأسیسات نیاز به نصب رله چک کردن سنکرونیسم (25) در بریکر اصلی هستند تا از آسنکرون بودن ژنراتور در زمان وصل مجدد به شبکه جلوگیری کند. این رله نوعا به رله منطقی ولتاژ پایین "باس مرده" مجهز هستند که در زمان خاموشی باس نیروگاه محلی فرمان وصل مجدد را صادر کند.

روش دوم در جایی استفاده می شود که توان خروجی نیروگاه محلی به اندازه بارهای محلی باشد. در این مورد، حفاظت اتصال به شبکه بریکر اصلی ورودی برق از شبکه را تریپ می دهد. بسیاری از نیروگاه های محلی در کارخانه های پتروشیمی و کاغذسازی از رله های داخلی فرکانس پایین تقسیم توان برای موازنه بارهای محلی با ظرفیت ژنراتورهایشان پس از اتصال به شبکه سراسری استفاده می کنند. سنکرون کردن مجدد این نیروگاه ها با شبکه نیاز به رله های سنکرونیسم پیچیده تری دارد که بتوانند همزمان زاویه فاز و همچنین تفاوت فرکانس لغزش و ولتاژ بین شبکه و نیروگاه محلی را اندازه گیری کنند. این نوع رله ها نوعا به صورت اتوماتیک یا دستی بر وضعیت نظارت می کنند و وصل مجدد را فرمان می دهند.

مترجم: رضاکیانی موحد

منبع:

http://www.powermag.com/instrumentation_and_controls/DG-interconnection-standards-remain-elusive_351_p4.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