مزایا و کاربرد برقگیرها در خطوط انتقال فشار قوی
مهندس محمد اسکویی
مرکز تحقیقات نیرو
اشاره:
در این مقاله استفاده از برقگیر آویزی به عنوان عامل حفاظتی در مقابل اصابت صاعقه انتقال و بالا بردن ضریب اطمینان شبکه تشریح شده است. در این راستا ساختمان داخلی و نحوه به کارگیری برقگیر آویزی در خطوط انتقال فشار قوی و تفاوتهای آن بر برقگیرهای متداول بیان شده است. در انتها، مدلی از شبکه با استفاده از نرم افزار ATP شبیه سازی و مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج آن ارائه شده است.
ABSTRACT:
In order to increase the reliability of transmission lines against lightning strikes, application of arresters is the useful way. Lightning surges cause flashover on insulator string, especially in towers with high ground resistance. So a short circuit between line and tower will be app eared. If there is a arrester beside the insulator string, surge current will pass through the arrester to arrester to ground and there is not any flashover. Also in this paper the basic concepts and construction of transmission line arrester. Will be described. At the end of poper. Performance and application of arresters in line will be proved by results of simulating a line with EMTP.
1- مقدمه
استفاده از برقگیر در خطوط انتقال به منظور افزایش قابلیت اطمینان شبکه و کاهش خطاهای ناشی از اصابت صاعقه و همچنین حذف مطمئن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه، صورت می گیرد. اضافه ولتاژهای ایجاد شده در شبکه تاثیر مخربی بر تجهیزات و تاسیسات الکتریکی بر جای می گذارند، اما حدود آسیب با توجه به مقاومت عایقی وسیله الکتریکی متفاوت می باشد. اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه که به صورت استاندارد 50/2/1 میکروثانیه بیان می شوند به دلیل پشتیبانی موج تیز و دامنه بالایی ک دارای اثرات تخریبی شدیدی در شبکه بر جای می گذارند.
از جمله این آثار، می توان به سوختن تجهیزات فشار قوی و ایجاد خطای اتصال کوتاه در پستهای فشار قوی و یا شکست الکتریکی سطحی در طول زنجیر مقره و ایجاد خطای اتصال کوتاه در آن اشاره کرد. تمامی این موارد منجر به ایجاد خطا و قطع شبکه می گردد. برای پیشگیری از این نوع خطاها در پستهای فشار قوی روشهای متعددی وجود دارد که عملی‌ترین و اقتصادی‌ترین آنها استفاده از سیم محافظ و برقگیر است. از طرف دیگر در خطوط انتقال فشار قوی نیز روشهای متعددی برای جلوگیری از شکست الکتریکی زنجیر مقره در اثر اصابت ساعقه وجود دارد که به طور خلاصه میتوان از سیم محافظ و کاهش مقاومت پای برج و افزایش سطح عایقی نام برد.
افزایش سطح عایقی در برجها، اگر چه از بروز شکست الکتریکی سطحی در زنجیر مقره جلوگیری می کند لیکن منجر به بزرگ شدن بازوها و ارتفاع برج و افزایش هزینه می گردد. از طرف دیگر، در مناطق سنگی و صخره ای که مقاومت زمین بالا است، مقاوت پای برج، بزرگ خواهد بود. در این صورت‌حتی اگر خط انتقال، توسط سیم زمین محافظت گردد، به دلیل بالا بودن مقاومت پای برج، در زمان اصابت صاعقه به برج، پتانسیل برج آنچنان بالا می رود که اختلاف آن با ولتاژ خط، از سطح عایقی مقره فراتر می رود و بنابراین شکست الکتریکی سطحی در زنجیر مقره روی داده و در صورت تداوم قوس الکتریکی، خط انتقال توسط کلیدهای قدرت قطع میگردد. بدین لحاظ در صورتی که بتوان با بکارگیری الکترودهای زمین در عمق زیاد و یا روشهای دیگر، مقاومت پای برج را کاهش داد، پدیده اخیر و یا قوس برگشتی روی نخواهد داد. ولی در مواردی مانند سخت بودن یا سنگی بودن زمین در کوههای مرتفع، این امکان وجود ندارد و تاثیر روشهای ذکر شده در عمل کم می باشد.
بنابراین استفاده از برقگیر برای کاهش خطاهای ناشی از شکست الکتریکی سطحی زنجیر مقره در اینگونه موارد بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. بکارگیری برقگیر در خطوط انتقال در چنین شرایطی درصد خطاهای ناشی از اصابت صاعقه به خط انتقال را به طور چشمگیری کاهش می دهد این امر به مفهوم افزایش قابلیت اطمینان که حذف مطمئن اضافه ولتاژهای حاصل از صاعقه و شدن خسارتهای مالی ناشی از قطع شبکه و تخریب تجهیزات می باشد.
2- ویژگیهای برقگیرهای خطوط انتقال
اساس کار و ساختمان برقگیرهای خطوط انتقال از برقگیرهای پستهای فشار قوی الهام گرفته شده است. اما تفاوتهایی نیز وجود دارد. به طور خلاصه، برقگیرهای متداولی که در پستهای فشار قوی به کار می رود. شامل برقگیرهای میله ای، انفجاری، فاصله هوایی‌کنترل کننده، کربورسیلیسیمی‌و اکسید فلزی می‌گردند. برقگیرهای یادشده، می توانند ترکیبی از یک یا چند جزء اساسی ساختمان برقگیر شامل محفظه، قسمت فعال شونده، (مانند مقاومت غیرخطی) و فاصله هوایی باشند. مشخصات هر یک از این برقگیرها در جدول خلاصه شده است.
با توجه به خواص ذکر شده برای برقگیرهای متداول، برقگیرهای خطوط انتقال، باید شرایط زیر را داشته باشند:
الف) قبل از فعال شدن کلیدهای فشارقوی، جریان پیرو را قطع کنند.
ب) حتی در شرایطی که برقگیر نتواند صحیح عمل کند، مانع بازبست مدار نشوند.
پ) در صورت عبور جریان صاعقه بیش از مقدار نامی، منفجر نشوند.
ت) از لحاظ فیزیکی کوچک و سبک باشند بطوری که بتوان آنها را در خطوط انتقال موجود، بدون تغییر دادن
جدول (1) مشخصات برقگیرهای میله ای، انفجاری و مقاومت غیرخطی
نوع
موضوع میله ای انفجاری کربورسیلسیم اکسید روی
با فاصله هوایی بدون فاصله هوایی با فاصله هوایی بدون فاصله هوایی
ولتاژ باقیمانده در حد صفر در حد صفر به دلیل آنکه در حالت عادی، شبکه، جریان نشتی بالایی دارد، ساخت این برقگیر بدون فاصله هوایی امکان پذیر نیست
وقوع خطا اتصال کوتاه شبکه در جریان کمتر یا بیشتر امکان غلط عمل نمودن
جریان پیرو دارد دارد ولی قطع می شود
تاخیر در زمان تخلیه وابسته به شرایط محیطی و ولتاژ وابسته به شرایط محیطی
زوال پذیری ناچیز زیاد کم ناچیز در صورت طراحی صحیح، کم است
سایر متاثر از شرایط آب وهوایی است زمان بین 1/0 میکروثانیه تا چند میلی ثانیه حداقل و حداکثر جریان برای آن باید تعریف شود نفوذ رطوبت و نشست گاز درون آن مشکل آفرین است امکان طراحی آن در ابعاد کوچک وجود دارد نسبت به رطوبت حساس می باشد.
ث) از لحاظ مکانیکی، شرایط مناسب را دارا باشند.
ج) هنگامی که خطایی در عملکرد برقگیر واقع شود، از آنجا که برقگیر بین خط و برج قرار می گیرد، بهتر است از لحاظ الکتریکی رابطه ای بین خط و برج برقرار نگردد. به این دلیل، در برقگیر بدون فاصله هوایی، در این خصوص باید تدبیری اندیشیده شود.
با توجه به موارد مطرح شده فوق، ذیلاً قسمتهای اساسی یک برقگیر خط، شرح داده می شوند
2-1- ساختمان و اصول کاربرقگیر خط
قسمتهای اساسی یک برقگیر خط شامل محفظه، قسمت فعال شونده یا مقاومت غیرخطی، فاصله هوایی سری و فشار شکن می بانشد که در برقگیرهای بدون فاصله هوایی مورد سوم وجود ندارد.
2-1-1- محفظه یا قسمت نگهدارنده
محفظه های پلیمری بطور کلی به دو دسته پلیمری و چینی تقسیم بندی می شوند و به شکل استوانه بوده و از دو لایه درونی و بیرونی تشکیل یم شوند. لایه درونی از جنس FRP و لایه بیرونی از جنس لاستیک اتیلن پروپیلن می باشد. علت بهره گیری از پلیمرها به دلیل سبکی آنهاست و از طرف دیگر در یک طول ثابت نسبت به پرسلین می توان فاصله خزشی‌را 5/1 برابر بزرگتر نمود. عمر این گونه محفظه ها بین 20 تا 30 سال برآورد شده است‌به طوری که در این زمان تغییری‌در خواص آنها ایجاد نمی‌شود.
نوع دیگر این محفظه ها از جنس پرسلین است که شبیه محفظه برقگیرهای متداول است. در سالهای اخیر نمونه جدید برقگیرهای بدون فاصله هوایی جهت استفاده در خطوط انتقال، ابداع شده است که در این برقگیرها قرص اکسید روی را در محفظه های استوانه ای شکلی که در باله مقره بشقابی تدارک دیده اند، قرار می دهند. این نوع برقگیرها به برقگیر آویزی موسوم هستند. از به هم پیوستن چند برقگیرآویزی، زنجیر مقره ای حاصل می شود که هر دو عمل مقره و برقگیر را انجام می دهد. از مزایای عمده این نوع برقگیر، حذف سریع و مطمئن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه میباشد [5].
2-1-2- مقاومتهای غیرخطی:
قرصهای اکسید روی در مقایسه با مقاومتهای غیرخطی دیگر از مشخصه غیرخطی بسیار خوبی برخوردار هستند. این مقاومتها وظیفه جذب و انتقال انرژی صاعقه به زمین را به عهده دارند. ابعاد قرص اکسید روی، بر اساس جریان تخلیه و انرژی قابل تحمل قرص، تعیین می گردد. بر مبنای نظریه آرمسترانگ، وایت هد [1] جریان تخلیه در برخورد صاعقه به سیم زمین و خطا در سیم زمین توسط نرم افزار ATP محاسبه می شود که در شکل (1) یک منحنی مربوط به خطای سیم زمین و جریان صاعقه نشان داده شده است. در نهایت با مشخص شدن جریان نامی، قطر قرص و ابعاد آن استخراج می گردد [5].
2-1-3- فاصله هوایی سری:
این فاصله هوایی، به صورت سری با محفظه برقگیر قرار می گیرد و در شرایط بروز اضافه ولتاژ گذرا، دچار شکست الکتریکی شده و جریان صاعقه را عبور می دهد. فاصله هوایی سری بر مبنای قطع جریان پیرو، هماهنگی عایقی، ولتاژ پایداری به ازای ولتاژ فرکانس قدرت و ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی، محاسبه میشود.
شکل (1) منحنی جریان صاعقه و خطای سیم زمین.
2-1-4- فشار شکن:
طراحی و نحوه عملکرد فشارشکن در این نوع برقگیرها، با برقگیرهای متداول پستهای فشار قوی متفاوت است. هنگامی که به علت جریان شدید صاعقه قرصهای اکسید روی صدمه دیده و فشار درونی محفظه، بالا می رود محفظه برقگیر در اثر این فشار منفرج می شود. برای مقابله با این امر، باید فشار را به گونه ای محدود نمود. یکی از روشهای عملی در محفظه های پلیمری، تعبیه سوراخهایی در محفظه است. به طوری که با ازدیاد فشار بیش از حد متعارف، سوراخها که با اتیلن پروپیلن پر شده اند، باز شده و قوس الکتریکی به بیرون از محفظه برقگیر منتقل می شود و فشار درونی آزاد میگردد.
در شکل (2) منفذهای فشارشکن در یک نمونه از برقگیر فاصله هوایی دار نشان داده شده است. شایان ذکر است که اگر به هر دلیلی منفذهای فشارشکن به درستی عمل نکنند و برقگیر منفجر شود به دلیل آنکه، محفظه های پلیمری تکه تکه نمی‌شوند، مثل برقگیرهای‌با محفظه چینی، برای‌محیط اطراف خود ایجاد خطر نمی‌کنند.
شکل (2) فشار شکن در یک نمونه از محفظه های پلیمری
3- هماهنگی عایقی
به منظور اطمینان از عملکرد صحیح برقگیر، لازم است که هماهنیگ عایقی صحیحی بین زنجیر مقره و برقگیر وجود داشته باشد و شکست الکتریکی در برقیگر نسبت به زنجیر مقره، سریعتر واقع شود. این مهم بر اساس سطوح عایقی متفاوت بین زنجیر مقره و برقگیر به دست می آید.
در زنجیر مقره، فاصله هوایی بین الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره توسط رابطه زیر تعریف می شود [2 و 1]:
(1)
که در آن به ترتیب: 1Z : فاصله بین دو الکترود 0 :Zطول زنجیر مقره
و از طرف دیگر فاصله بین بدنه برج و هادی خط از رابطه زیر به دست می آید:
(2)
این فاصله باید صحیح انتخاب شود تا شکست الکتریکی بطور حتم در فاصله هوایی زنجیر مقره واقع شود.لذا در یک طراحی صحیح، ولتاژ شکست 50% موج ضرقه صاعقه در برقگیر دارای فاصله هوایی، هیچگاه از ولتاژ شکست 50% موج ضربه صاعقه در الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره فراتر نخواهد رفت [2].
در صورت صدمه دیدن قرصهای اکسید روی فاصله هوایی سرد در برقگیر، باید در مقابل اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی پایدار باشد و از طرف دیگر، لازم است که این فاصله هوایی در مقابل موج ضربه صاعقه فعال شود تا زنجیر مقره دچار شکست الکتریکی نگردد. به بیان دقیق تر ولتاژ شکست برقگیر دارای فاصله هوایی در حالت عادی به صورت زیر تعریف می شود:
(3)
Var: ولتاژ شکست برقگیر زمانی که قرصهای اکسید روی سالم هستند.
V1Ma: ولتاژ مرجع قرصهای اکسید روی.
VFOG: ولتاژ شکست فاصله هوایی برقگیر
اگر به مقاومتهای غیرخطی برقگیر آسیبی برسد . بنابراین، طول فاصله هوایی سری باید به اندازه ای باشد که در مقابل موج ضربه کلیدزنی پایدار باشد. حداقل فاصله هوایی سری از روی ولتاژ پایداری موج ضربه کلیدزنی به شرح زیر محاسبه می شود:
(4)
VSP: ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی
ULm: حداکثر شبکه
1k : ضریب اضافه ولتاژ کلیدزنی (ضریب اضافه ولتاژ کلید زنی به ازای برابر 2 می باشد و به ازای برابر 84/1 می باشد).
برای استخراج ولتاژ پایداری در مقابل موج ضربه کلیدزنی، برای فاصله هوایی سری برقگیری که مقاومتهای غیرخطی آن آسیب دیده اند، مقدار انتخاب میشود و به این ترتیب حداقل طول فاصله هوایی سری به دست می آید.
از طرف دیگر زمانی که از برقگیر به موازات زنجیر مقره استفاده شود، باید هماهنگی عایقی دقیقی بین برقگیر و الکترودهای میله ای دو سر زنجیر مقره برقرار باشد. در شکل (3) شکست الکتریکی در مقابل موج ضربه کلیدزنی به ازای طول فاصله هوایی سری در برقگیر نشان داده شده است [2 و 1].
شکل (3) منحنیهای شکست الکتریکی موج ضربه کلیدزنی برحسب طول فاصله هوایی سری.
4- عملکرد و نحوه به کارگیری برقیگیرهای خطوط انتقال در شبکه
همانطور که گفته شد، برقگیرهای خطوط انتقال به موازات زنجیر مقره قرار می‌گیرند که در صورت اصابت صاعقه‌‌ای با دامنه بالا به برج یا خط، ولتاژ دو سر زنجیر مقره را که همان ولتاژ باقیمانده برقگیر است، در محدوده ای کمتر از ولتاژ شکست سطحی زنجیر مقره قرار می دهند. سوال این است که آیا کلیه دکلها وفازها باید برقگیر داشته باشند؟ اگر جواب منفی است، نقاط بهینه نصب برقگیر داشته باشند؟ اگر جواب منفی است، نقاط بهینه نصب برقگیر کجاست؟ برای پاسخ به این پرسش ذکر این نکته ضروری است که قرار دادن برقگیر به موازات زنجیر مقره دو وهله اول برای جلوگیری از شکست الکتریکی زنجیر مقره هنگام اصابت صاعقه می باشد و در مرحله دوم، برای حذف مطمئن اضافه ولتاژ ایجاد شده در خط و شبکه است. در شکل (4) قسمتی از یک خط انتقال نشان داده شده است. برجهای A و B در قسمتهایی از مسیر خط هستند که مقاومت زمین در آنها بالا است (مانند مناطق صخره ای، کوههای مرتفع و…) و برجهایC و D در بخشی از مسیر خط هستند که مقاومت زمین آنها پایین است و حداکثر به می رسد.
اگر در شکل (4- الف) صاعقه ای با دامنه بالا به نزدیکی برج A اصابت کند، به علت آن که مقاومت برج A بالا است، امکان تخلیه جریان صاعقه به زمین وجود نخواهد داشت لذا پتانسیل برج A به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت. بطوری که اختلاف پتانسیل بین برج و خط از BIL زنجیر مقره بیشتر شده و شکست الکتریکی در زنجیر مقره صورت خواهد گرفت. اما از آنجا که در این برج برقگیر نصب شده، به شرط آنکه ولتاژ باقیمانده برقگیر کمتر از BIL زنجیر مقره باشد، مقداری از ولتاژ صاعقه توسط برقگیر موجود به تدریج محدود شده و بخش باقیمانده آن به هادیهای فاز، به صورت موج سیار منتقل می شود. این موج سیار در دو سمت خط، روی هادیهای فاز و سیم زمین، شروع به حرکت می نماید. پس از رسیدن موج سیار به برج B به علت وجود برقگیر و همان شرایط حاکم در برج A ، اختلاف پتانسیل بین برج و هادی فاز در سطح ولتاژ باقیمانده برقگیر محدود می شود. بنابراین بدیهی است با توجه به هماهنگی صایقی بین برقگیر و زنجیر مقره، شکست الکتریکی در زنجیر مقره برج B نیز رخ ندهد. بدین ترتیب موج سیار به برجهای D وC که توسط برقگیر محافظت نشده اند، خواهد رسید. از آنجا که مقاومت پای برج این دکلها، کم می باشد موج سیاری که حامل آن سیم زمین است پس از رسیدن به برج مثلاً C به زمین تخلیه می شود و لذا ولتاژ برج به سمت مقادیر کمتر، کاهش داده میشود. این در حالی است که ولتاژ هادیهای فاز تقریباً در حد ولتاژ صاعقه باقیمانده‌است. بنابراین در این حالت اختلاف پتانسیل بسیار زیادی در زنجیر مقره های C وd ایجاد می شود که نهایتاً منجر به شکست الکتریکی در آنها می گردد. اما از طرف دیگر اگر مقاومت پای برج دکلهای C وD زیاد باشد، ولتاژی که در دو سر زنجیر مقره(بین‌هادی فاز و برج)قرار می‌گیرد کم بوده و شکست الکتریکی‌در مقره‌های این دو برج بروز نخواهد کرد. در نتیجه ملاحظه می شود نصب برقگیر در برجهایی که مقاومت پای برج آنها زیاد است از ایجاد شکست الکتریکی روی این برجها جلوگیری می کند ولی باعث بروز قوس در زنجیر مقره برجهای مجاور با مقاومت کم می گردد.
شکل (4) بخشی از خط انتقال که در این قسمت مقاومت پای برج بالا است.
در شکل (4- ب) علاوه بر دکلهای A و B در برجهای C و D نیز برقگیر نصب شده است. در این حالت پس از رسیدن موج سیار به این برجها، اختلاف پتانسیل ایجاد شده به دلیل کم بودن مقاومت پای برج دکلهای C و D توسط برقگیر در سطح ولتاژ باقیمانده محدود می گردد. بدین ترتیب شکست الکتریکی در زنجیر مقره روی نخواهد داد و جریان صاعقه از طریق برقگیر به زمین منتقل خواهد شد. بدین لحاظ می توان این برجها را به نام برج تخلیه نامگذاری نمود.
از طرف دیگر اگر صاعقه ای به برجهای C و D اصابت کند، به علت پایین بودن مقاومت پای برج، اضافه ولتاژ ایجاد شده مستقیماً از طریق این برجها به زمین منتقل می شود. در حالت دیگر، در صورت برخورد صاعقه به هادیهای فاز (خطای سیم زمین)، به همان دلیل، برقگیر از شکست الکتریکی زنجیر مقره پیشگیری خواهد کرد.
لذا در پاسخ به سوال ذکر شده می توان به نتایج زیر رسید:
الف) استفاده از برقگیر در بخشهایی از خط انتقال ضروری است که صاعقه خیز بوده، مقاومت زمین در آن مناطق بالا، امکان کاهش مقاومت زمین کم و یا مشکل و نیز صعب العبور باشند و زمان و هزینه زیادی جهت تعویض و جایگزینی مقره های صدمه دیده خط مورد نیاز باشد.
ب) در تمام هادیهای فاز بخش حفاظت شده (در بند الف) باید برقگیر نصب شود. در صورتی که به هر دلیلی نتوان در تمام هادیهای فاز، برقگیر نصب کرد، نصب برقگیر در بالاترین هادی فاز از لحاظ مکانی مهمتر از سایر هادیهای فاز می باشد.
ج) بخش حفاظت شده شامل برجهای با مقاومت بالا و دو برج ابتدایی و انتهایی بخش حفاظت شده می باشد. مقاومت پای برج ابتدایی و انتهایی کمتر از 10 اهم است و نصب برقگیر در آنها ضروری است.
با توجه به نتایج اخیر می توان مطمئن بود که اگر صاعقه در منطقه حفاظت شده اصابت کند در داخل و یا خارج محوطه حفاظت شده شکست الکتریکی در مقره ها ایجاد نخواهد شد. یادآور می شود که هزینه استفاده و نصب برقگیر در خط انتقال باید کمتر از هزینه ها و خساراتی باشد که در صورت عدم بکارگیری آن بروز خواهد کرد. از آنجا که صنایع برق هنوز روشی را برای محاسبه هزینه خطاهای ناشی از شکست الکتریکی زنجیر مقره و قطع و تعمیر و نگهداری خط و خسارات حاصل از دست رفتن بارهای صنعتی و احتمالاً از دست دادن کل سیستم و مخارج مربوط به جایگزینی مقره ها و زمان از دست رفته، ارائه نداده اند، نمی توان محاسبه و مقایسه اقتصادی دقیقی انجام داد. به همین ترتیب زمانی که مقره های آسیب دیده در مناطق دور دست باشند، زمان وهزینه لازم برای تعمیر و نگهداری بطور قابل‌توجهی افزایش خواهد‌یافت که استفاده از برقگیر در این گونه مناطق این زمان و هزینه را به حداقل ممکن می‌رساند [4 و3].
5- مدلسازی عملکرد برقگیر در خط انتقال
یک شبکه 132 کیلوولت تک مداره با سیم محافظ در شکل (5) را در نظر بگیرید. در این شکل مدل برجی که در شبیه سازی با نرم افزار EMTP به کار گرفته شده نشان داده شده است (اطلاعات شبکه مورد نظر در پیوست یک ارائه شده است). در این شبیه سازی خط با مدل گسترده مورد بررسی قرار گرفته و هر برج با مقاومتی به نام مقاومت زمین به زمین اتصال یافته است. با اعمال موج ضربه صاعقه به این خط در شرایط مختلف نتایج جالبی به دست آمده است که در شکل (6) نشان داده شده است.
شکل (5) خط انتقال مدلسازی شده
جمع بندی نتایج حاصل از این شبیه سازی در جدول شماره (2) بیان شده است.
با توجه به جدول (2) می توان موارد زیر را نتیجه گرفت:
الف) استفادهاز برقگیر به موازات زنجیر مقره مانع از ایجاد شکست الکتریکی در زنجیر مقره در اثر اضافه ولتاژ حاصل از صاعقه می شود.
ب) استفاده از برقگیر در مکنهایی از خط که مقاومت زمین در آنها بالاست و درصد خطاهای ناشی از اصابت صاعقه زیاد است باعث کاهش درصد خطا می گردد.
نکته قابل یادآوری آن است که استفاده از برقگیر باعث افزایش توان انتقالی در خطوط دو مداره می گردد زیرا در حالت عادی به طور معمول از نیمی از ظرفیت انتقال یک مدار استفاده می شود تا هنگام بروز خطا در یک مدار، بتوان از مدار دیگر توان خط قطع شده را منتقل نمود. لذا با نصب برقگیر درصد خطای خط پایین آمده و می توان توان انتقالی مدارها را بیشتر کرد [5].
نکته ای که مطرح می کردد این است که آیا استفاده از برقگیر به صورت گسترده و نه به شکل محدود آن در خط انتقال مقرون به صرفه است و آیا می توان کلاً سیم محافظ را حذف نمود و از برقگیر استفاده کرد؟ برای جواب به این سوال باید جنبه‌های مختلف مساله را مورد بررسی قرار داد. اما قسمت عمده پاسخ، به محاسبات اقتصادی و درصد خطای موجود هنگام استفاده از برقگیر خلاصه می گردد که این خود به مبحثی جداگانه نیاز دارد.
جدول (2) خلاصه نتایج شبیه سازی
ردیف وضعیت خط مقاومت زمین برج نصب برقگیر محل اصابت صاعقه شکست سطحی در زنجیر مقره عمل نمودن برقگیر خلاصه به صورت نمادی
1 سه فاز تک مداره با سیم محافظ همگی برجها
کمتر از 10 اهم ندارد برج سوم روی نداده است –
2
بقیه کمتر از 10 اهم ندارد برج سوم واقع شده است –
3
بقیه کمتر از 10 اهم در فاز A (بالاترین فاز) در برج سوم برج سوم در برجهای کناری و فازهای حفاظت نشده برج سوم رخ داده است در فاز A برج سوم عمل نموده است
4
بقیه کمتر از 10 اهم در فاز A کلیه برجهای منطقه حفاظت شده
برج سوم در فازهای بدون برقگیر رخ داده است در منطقه حفاظت شده عمل نموده است.
5
بقیه کمتر از 10 اهم کلیه برجهای منطقه حفاظت شده برج سوم روی نداده است در منطقه عمل نموده است
شکل (6) منحنیهای حاصل از شبیه سازی نرم افزار EMTP برای حالتهای دوم و سوم جدول (2)
شکل (6) منحنیهای حاصل از شبیه سازی نرم افزار EMTP برای حالتهای چهارم و پنجم جدول (2)
6- نتیجه
برقگیرهای خطوط انتقال از دو جنبه مورد بررسی قرار می گرفتند. اولین جنبه، ساختمان و چگونگی عملکرد آنها بوده که در این راستا نشان داده شده هماهنگی لازم را چه از نظر مکانیکی و چه از نظر الکتریکی با خط انتقال دارا می باشند. و آنها را میتوان در حفره موجود بدون تغییر ابعاد و یا شکل برج نصب نمود. کارکرد آنها از لحاظ سیستمی است. با استفاده از شبیه سازی EMTP ملاحظه گردید که عمدتاً آنها در مناطقی که مقاومتهای برج بالا و امکان قوس برگشتی زیاد است، از شکست سطحی در زنجیر مقره در منطقه حفاظت شده جلوگیری نموده و لیکن ترتیب خطای ناشی از اصابت صاعقه را به کمترین مقدار ممکن کاهش می دهد.
بررسی علل بروز عیب در برقگیرهای شبکه برق آذربایجان و روشهای مناسب پیشگیری
شکست الکتریکی در عایقها از متداولترین خطاهایی است که مسبب بروز اختلال در کار عادی سیستمهای قدرت بوده و اکثراً ناشی از ظهور اضافه ولتاژهای غیرقابل اجتناب می باشد. انتخاب استقامت عایقی تجهیزات در این سیسمتها با توجه به مشخصات وسایل حفاظتی صورت می پذیرد. بنابراین لازم است با اتخاذ تدابیر خاص ضمن محدود نمودن دامنه اضافه ولتاژهای ایجاد شده به مقابله با اثرات منفی آن بر کاهش عمر تجهیزات پرداخت. برای نیل به این هدف یکی از مهمترین تجهیزاتی که برای مهار تاثیرات اضافه ولتاژهای گذرای ناشی از صاعقه و کلیدزنی در ایستگاهها و خطوط کلیه نقاط شبکه به کار می روند. برقگیرها می باشند. در این مقاله ضمن مروری بر آمار حوادث برقگیرهای شبکه انتقال و فوق توزیع برق آذربایجان در ده سال اخیر، عوامل بروز این حوادث مورد بررسی قرار گرفته و روشهای مناسب پیشگیری به منظور بهینه سازی مجموعه سیستم ارائه می گردد.
تجاوز ولتاژ شبکه از مقدار نامی خود و ظهور اضافه ولتاژهای لحظه ای موجی با دامنه بالا و بیش از ولتاژ دی الکتریک ماده عایق، بروز قوس در آن را به صورت اتصالی فاز- فاز و یا فاز به زمین سبب می گردد. بروز اضافه ولتاژ در شبکه اجتناب ناپذیر بوده و تنها وسیله عمده و مطمئن برای جلوگیری از ورود ولتاژهای موجی تخلیه جوی به ایستگاهها و نیز مهار اضافه ولتاژهای کلید زنی گذرا، برقگیرها میباشند. بدین سبب برقگیرها معمولا در ابتدای ورودی خطوط انتقال انرژی به ایستگاهها و در نزدیکترین نقطه تجهیزات اصلی از جمله ترانسفورماتورها، ژنراتورها، راکتورها و … نصب می گردند. با استفاده از برقگیر ضمن جلوگیری از ورود امواج سیار با دامنه بالا و محدود نمودن آن، سطح عایقی تجهیزات منتهی به آن نیز تا حد مناسبی تقلیل یافته و از نظر اقتصادی دارای مزیت قابل توجهی می باشد.
قبل از تشریح علل بروز عیب در برقگیرهای شبکه برق آذربایجان لازم است عوامل موثر بر آسیب دیدگی این دسته از تجهیزات اساسی شبکه مورد بررسی قرار گیرد.
7- بررسی عوامل موثر بر آسیب دیدگی برقگیر
همان گونه که بیان شد، هدف از نصب برقگیرها تخلیه انواع اضافه ولتاژهای گذرا از سیستم به زمین می باشد، با این شرط که در هنگام تخلیه، ولتاژ دو سر برقگیر بیشتر از سطح حفاظتی تجهیزات نگردد، که در غیر این صورت موجب صدمه دیدن آنها خواهد شد. بنابراین یکی از عوامل مهم در آسیب دیدن برقگیرها اثرات اضافه ولتاژ به هر شکل آن می باشد. به طور کلی عوامل عمده ای که موجب آسیب دیدن برقگیرها می گردند عبارتند از[1و2]:
نفوذ رطوبت،
آلودگی محیط،
نحوه اتصال زمین برقگیر،
تاثیر اضافه ولتاژهای موقت،
عدم توجه به جایابی بهینه برقگیر،
عدم انطباق شرایط بهره برداری و مشخصه برقگیر و عدم دقت به پارامترهای طراحی.
7-1- تاثیر نفوذ رطوبت در کاهش عمر برقگیر
معمولا نفوذ رطوبت به سبب عدم توجه به آب بندی و ترکهای محفظه ای صورت می گیرد. تراکم رطوبت در سطوح خزنده، مقاومت فواصل را کاهش داده و موجب بروز جرقه در سطوح تقلیل یافته شده و نهایتا آسیب دیدگی برقگیر را به همراه خواهد داشت. برقگیرها ممکن است رطوبت داخلی را برای مدتهای مدید تحمل نمایند و در این حالتها جریان نشتی آنها بیشتر خواهد شد. بنابراین باید دقت شود که فلز محفظه تخلیه گاز دچار خوردگی نشده و با حفظ آب بندی مناسب، بخارات و رطوبت، داخل استوانه برقگیر نگردد. مضافا اینکه در برقگیرهای سیلیکون کارباید، بخار آب علاوه بر اینکه جذب مقاومتهای غیر خطی می گردد، در حد فواصل هوایی المانها متمرکز و موجب یونیزه شدن محیط شده و عملکرد برقگیر هنگام شارژ سریعتر و در هنگام دشارژ غیر ممکن می گردد. البته باید توجه داشت که محفظه برقگیرها با فشاری حدود هفت میلی بار، پس از مدتی، رطوبت می تواند جایگزین گاز گشته و ضمن افزایش درجه حرارت، جریان نشتی برقگیر زیاد شده و تحت تاثیر کاهش عمر آن، برقگیر دچار آسیب جدی گردد.
7-2- تاثیر آلودگی محیط
برقگیر به آلودگی محیط بسیار حساس میباشد. تشکیل هر گونه لایه سطحی‌ناشی از آلودگیها، شرایط کار آن را مختل ساخته و ضمن تغییر شدت میدان، توزیع ولتاژ روی مقاومتها نیز تغییر می نماید. تحت تاثیر افزایش ولتاژ در فواصل هوایی، در پی بروز قوس در سطح خارجی برقگیر به سبب خاصیت خازنی سطح خارجی و محفظه داخلی آن، ولتاژ قابل ملاحظه به فواصل هوایی داخلی منتقل و موجب سوختن برقگیر می گردد.
لازم به ذکر است که یکی از عوامل عمده بروز قوس در سطح خارجی برقگیر تشکیل لایه های خاک و رسوب املاح صنعتی و یا طبیعی بر سطح خارجی ستون مقره می باشد. بروز قوس در سطح خارجی در فاصله کوتاهی به قوس داخلی تحت ولتاژ سینوسی تبدیل می گردد و این ولتاژ سینوسی غیر قابل کنترل بوده و بلافاصله به انفجار برقگیر منجر می گردد و جریان بعد از این انفجار بسیار بیشتر از میزان قابل تحمل برقگیر از نظر انرژی حرارتی حاصل از آن می باشد. در ضمن رطوبت ناشی از تراکم شبنم خصوصا در مناطق آلوده عامل بسیار مهمی در تشکیل قوس الکتریکی و در نهایت قوس داخل برقگیر و ترکیدن آن می باشد. بنابراین انجام اقدامات زیر ضروری می باشد:
تمیز نگهداشتن و شستشوی مداوم سطح خارجی برقگیر در زمانهای معین و بخصوص در محیطهای آلوده از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
پوشاندن سطح محفظه برقگیر توسط مواد دافع آب مانند سیلیکون یا گریس هیدروکربن. این عمل سبب می گردد، آب سطح ستون مقره برقگیر به صورت قطرات کوچک در آمده و از تشکیل لایه مرطوب و عبور جریان خزنده جلوگیری شود.
7-3- تاثیر سیستم اتصال زمین برقگیر بر تجهیزات جانبی
به طور کلی هر ایستگاه دارای دو سیستم زمین می باشد. سیستم زمین حفاظتی که برای ایمنی افراد مورد نظر بوده و سیستم زمین الکتریکی که برای تخلیه مناسب اضافه ولتاژهای موجی می باشد. سیستم زمین برقگیرها به منظور تخلیه جریانهای موجی با فرکانس بالا با حداقل مقاومت موجی طراحی می شود و مقاومت زمین چنین سیستمی پایین تر از 5/0 اهم می باشد. وجود اتصالات پرپیچ و خم در مسیر جریان موجی، اندوکتانس قابل ملاحظه ای را عرضه می نماید و چون جریانهای تخلیه برقگیر دارای فرکانسهای بسیار بالایی هستند، بنابراین ظاهر شدن امپدانس بالا تحت تاثیر این فرکانسهای بالایی هستند، بنابراین ظاهر شدن امپدانس بالا تحت تاثیر این فرکانسهای بالا در مسیر تخلیه برقگیر، مانع عبور جریان شده و عدم تخلیه به موقع، بروز اضافه ولتاژ قابل ملاحظه ای را در طرف زمین برقگیر موجب می شود که در نتیجه افزایش سطح حفاظتی برقگیر را به همراه دارد. این امر علاوه بر ایجاد آسیبهای جدی در ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات، باعث آسیب دیدن برقگیر نیز خواهد شد. بنابراین لازم است سیستم زمین برقگیر را میله های قائم و مستقیم تشکیل داده و از هرگونه پیچش و انحراف در سیستم اتصال زمین جلوگیری گردد. در ضمن باید برای هر برقگیر در هر فاز، میله اتصال مستقلی منظور گردید، و به لایه تحتانی زمین وصل گردد [1 و 3].
7-4- تاثیر اضافه ولتاژهای موقت
آمار نشان داده است که اضافه ولتاژهای موقت به دو صورت موجب آسیب دیدگی برقگیرها می گردند:
اضافه ولتاژ موقت با دامنه کم و زمان زیاد، مثل اتصالی یک فاز به زمین در شبکه‌های توزیع و افزایش ولتاژ فازهای سالم و یا اثر فرانتی در مواقع کم باری شبکه که هر دو حالت موجب افزایش جریان نشتی برقگیر و تغییر نقطه کار برقگیر میگردد. در خیلی از موارد مشاهده شده که این عارضه، جریان نشتی برقگیر را از حد 1/0 میلی آمپر به 5/0 آمپر به مدت چند ساعت متوالی تغییر داده که در این حالت عمر 20 سال برقگیر حداکثر به 10 سال کاهش خواهد یافت. این مساله خصوصاً زمانی بیشترین تاثیر خود را خواهد داشت که حداکثر ولتاژ کار دائم برقگیر مناسب انتخاب نگردد.
اضافه ولتاژ موقت با دامنه زیاد و زمان کم، مثل اتصالی فاز به زمین در شبکه های انتقال و افزایش ولتاژ فازهای سالم و مسائلی همچون پدیده فرورزونانس که برقگیرها قادر به مهار چنین اضافه ولتاژهایی نمی باشند. اگر این اضافه ولتاژ از ولتاژ عمل برقگیر بالاتر رود موجب سوختن آن خواهد شد و اگر در حد پایین تر از ولتاژ عملکرد برقگیر باشد جریان نشتی افزایش یافته و احتمال سوختن یکی از المانهای مقاومتی وجود داشته و تحت تاثیر افزایش ولتاژ المانهای دیگر و افزایش حرارت، برقگیر صدمه می بیند.
این عمل تحت تاثیر گسیختگی و فروپاشی حرارتی برقگیر صورت می پذیرد، قطع و وصلهای مکرر تحت تاثیر اتصالیهای فاز به زمین نیز موجب افزایش جریان نشتی و انباشت حرارت و گذر از حد پایداری حرارتی برقگیر و در نهایت سوختن آن می گردد. بنابراین در انتخاب ولتاژ نامی برقگیر که از اهمیت ویژه ای برخورد ار است باید ضریب اضافه ولتاژهای موقت را به دقت تاثیر داد [1 و 4].
7-5- تاثیر استفاده نامناسب از برقگیر
هنگام کار عادی، برقگیر دارای امپدانس بسیار زیادی است. مدارک و آمار نشان می دهند که در بعضی از موارد آسیب دیدن برقگیرها ارتباطی به مشخصه آنها نداشته بلکه به نحوه به کارگیری و استفاده از آنها مربوط می شود.
مثلاً استفاده از برقگیرهای سیلیکون کار باید و یا اکسد روی به جای یکدیگر مسائلی را ایجاد نموده که در مواردی، یا آسیب دیدگی برقگیر و یا کاهش عمر سایر تجهیزات را به همراه داشته است.
در برقگیرهای سیلیگون کار باید تحت تاثیر اضافه ولتاژ بیش از ولتاژ نامی، شکست الکتریکی در فواصل هوایی شکافها رخ داده و موج ولتاژ مورد بحث به زمین تخلیه می گردد. ولی برقگیرهای اکسید روی فاقد فاصله هوایی بوده و در ولتاژهای کم، مقاومت خیلی زیادی در مقابل عبور جریان دارند، در حالی که در ولتاژهای ضربه‌ای با دامنه بسیار زیاد به سرعت هادی و مقاومت الکتریکی آنها تقریباً صفر میشود. مقدار ولتاژ تخلیه در این دو نوع برقگیر اختلاف چندانی ندارد و فقط ولتاژ باقیمانده دو سر آنها متفاوت است. هیچ گونه تغییری در میزان ولتاژ عملکرد برقگیرهای اکسید روی در طول مدت کارکرد حاصل نمی شود، در حالی که با هر دفعه عملکرد برقگیر سیلیکون کار باید ولتاژ جرقه آن بیشتر شده، طوری که بعد از چند بار عملکرد، ولتاژ جرقه به حدی می رسد که برقگیر قادر به حفاظت از تجهیزات سیستم نبوده و درست عمل نمی نماید.
عامل مهم در انتخاب و قراردادن برقگیر سیلیکون کار باید در شبکه، شروع ولتاژ عادی آنهاست و آن بالاترین ولتاژی است که برقگیر ایستگاه پس از هدایت و تخلیه موج اضافه ولتاژ به زمین، دوباره قطع می شود. این ولتاژ هرچه کمتر باشد برقگیر حفاظت بهتری را انجام دهد. البته باید دقت شود که مقدار آن خیلی نزدیک به ولتاژ سیستم نگردد زیرا برقگیر در کار عادی نیز عمل نموده و در نهایت صدمه می بیند. همه این ولتاژها معمولاً 25/1 برابر ولتاژ نامی سیستم در نظر گرفته می شوند که 20% به سبب اضافه ولتاژ موقت ناشی از اتصالی فاز به زمین و 5 درصد به سبب رگولاسیون در نظر گرفته می شود. ولی برای بررسی دقیقتر باید ضریب زمین شدگی در بیشینه ولتاژ سیستم (فاز – فاز) ضرب شود و ولتاژ نامی برقگیر مساوی یا بیش از این مقدار باشد.
این عامل در واقع مهمترین عامل در انتخاب و استفاده از برقگیر سیلیکون کارباید می باشد، در حالی که در انتخاب و استفاده از برقگیرهای اکسید روی باید دو عامل بالاترین ولتاژ کار مداوم و اضافه ولتاژ موقت در نظر گرفته شوند و این دو عامل از طرف کارخانه سازنده ارائه می گردد. حتی سازندگان مختلف، برقگیرهای اکسید روی را برای ولتاژهای مشخص، یکسان در نظر نمی گیرند و از این نظر استاندارد نشده اند عدم دقت به دو مساله اضافه ولتاژ موقت و بیشینه ولتاژ کار مداوم برقگیر در نوع اکسید روی، بارها موجب آسیب دیدگی این نوع برقگیرها شده است، به طوری که اگر برقگیرهای اکسید روی تحت اضافه ولتاژ 17/1 پریونیت قرار گیرند. در اکثر موارد آسیب می بیند ولی در برقگیرهای سیلیکون کار باید چنین پدیده ای وجود ندارد. زیرا این اضافه ولتاژها آنقدر قوی نیستند که موجب شکست الکتریکی در شکافهای هوایی برقگیر نوع سیلیکون کارباید گردند.
بنابراین در استفاده از برقگیرهای اکسید روی که برحسب تجربه بهترین نوع برقگیرها می باشند سیستم باید کاملاً شناسایی شود. برای خطوطی که اکثر مواقع با نوسان ولتاژ مواجه هستند، باید برقگیرهای نوع سیلیکون کارباید انتخاب و نصب گردد [1 و5 ].
7-6- تاثیر عدم انطباق شرایط بهره برداری و مشخصه برقگیر
این مساله بیشتر به عدم دقت به طراحی برقگیر با منظور نمودن شرایط بهره برداری مربوط می گردد و یا ممکن است در حالت کار سیستم، شرایط بهره برداری خاصی در شبکه بروز نماید که در انتخاب مشخصات فنی برقگیر مورد توجه قرار نگرفته باشد. نحوه زمین شدگی سیستم در این حالت نقش تعیین کننده‌ای ایفا می نماید.
این حالت نیز نوع برقگیر از نظر جنس (سیلیکون کارباید یا اکسید روی) اهمیت دارد. در سیستمهایی که نوسان ولتاژ زیاد می باشد و معمولاً این نقاط قسمتهای است شبکه از نظر سطوح اتصال کوتاه و … می باشند، ضریب رگولاسیون برای انتخاب برقگیرها به جای 5 درصد باید 10 درصد در نظر گرفته شود.
8- بررسی علل سوختن برقگیرهای شبکه برق آذربایجان
حوزه فعالیت شرکت برق منطقه ای آذربایجان شامل استانهای آذربایجان شرقی و غربی و اردبیل بوده که مساحت این محدوده 110764 کیلومتر مربع و 73/6 درصد مساحت کل کشور را تشکیل می دهد. شبکه برق آذربایجان در بخش انتقال و فوق توزیع دارای چهار سطح 400 ، 230 ، 132 ، 63 کیلوولت می باشد و در حال حاضر دارای یک پست 400 ، 10 پست 230 ، 40 پست 132 ، 23 پست 63 کیلوولت بوده که برقگیرهای با مشخصه های مختلف روی خطوط و ترانسفورماتورهای این پستها نصب گردیده اند [6].
1-8- آمار حوادث برقگیرهای شبکه برق آذربایجان
دراین بخش آمار حوادث برقگیرهای شبکه برق آذربایجان تا آخر سال 1376 مطابق جدول شماره (1) ارائه می گردد و در بخش بعدی به بررسی این حوادث پرداخته می شود [6].
2-8- بررسی علل حوادث و ارائه روشهای مناسب پیشگیری
تجزیه و تحلیل عملکرد نادرست و آسیب دیدگی برقگیرهای نصب شده در مجموعه نقاط شبکه مستلزم در اختیار داشتن اطلاعات کافی و دقیق از وضعیت سیستم در طول بهره برداری و زمان اختلال می باشد. کسب چنین اطلاعاتی از طریق بررسی داده های دستگاههای ثبت حادثه و خطا و حفظ آمار حوادث و وضعیت سیستم در مواقع بروز حوادث امکان پذیر است. در اکثر پستهایی که برقگیرهای آسیب دیده وجود داشته اند چنین دستگاههایی نصب نگردیده و تجزیه و تحلیل بر اطلاعات تجربی و آمار بهره برداری متکی است. متاسفانه در شبکه هیا توزیع علاوه بر عدم وجود چنین ثباتهایی، آمار بهره برداری نیز به هیچ وجه ثبت و نگهداری نمی‌شود و هیچ گونه بررسی و تجزیه و تحلیلی در این زمینه صورت نمی گیرد. به همین دلیل حوادث تجهیزات در این شبکه بخصوص در مرود برقگیرها به مراتب بیش از شبکه‌های انتقال و فوق توزیع می باشد. بااین توصیف به بررسی علل بروز عیب در برقگیرهای مورد نظر در جدول (1) و روشهای مناسب پیشگیری از آنها پرداخته میشود.
جدول (1) آمار حوادث برقگیرهای شبکه برق آذربایجان
نام پست نسبت تبدیل پست نوع برقگیر محل نصب برقگیر تعداد حادثه‌دیده تاریخ حادثه
روشنایی 20/132 SEMS هوا روی ترانسفورماتور طرف 132 کیلوولت 1 21/5/76
ستارخان 20/132 SEMS روی خطوط 132 کیلووات 2 8/2/76
ستارخان 20/132 SEMS روی خطوط 132 کیلووات 1 17/12/76
سلماس 20/132 PYB 125 روی خطوط 132 کیلووات 1 2/12/74
سلماس 20/132 PYB 125, PYB11 روی خطوط 132 کیلووات 1 7/7/73
نقده 20/132 PYB 125, PYB11 روی خطوط 132 کیلووات 1 17/6/73
مهاباد 20/132 PYB 125, PYB11 روی خطوط 132 کیلووات 1 20/1/73
اثل گلی 20/132 HML 120 KH روی ترانسفورماتور 132 کیلوولت 3 1367
اثل گلی 20/132 PYB 125 روی خطوط 132 کیلووات 3 1367
شفا 20/132/230 XAP145A1PB1,PYB11 روی خطوط 132 کیلووات 1 1369
سردرود 5/10/132/230 BHF-BE طرف 230 کیلوولت ترانسفورماتور 1 1363
خوی 20/132 HML 120 KH طرف 132 کیلوولت ترانسفورماتور 1 1363
خوی 20/132 PYB 125 روی خطوط 132 کیلووات 1 1369
صوفیان 20/132 HML 120 KH طرف 132 کیلوولت ترانسفورماتور 1 25/10/72
صوفیان 20/132 PYB 125 روی خطوط 132 کیلوولت 1 25/10/72
قراملک 20/132 PYB11 روی خطوط 132 کیلوولت 1 14/8/76
1-2-8 پستهای 20/132 کیلوولت روشنایی و ستارخان
مشخصات عمده برقگیرهای نصب شده در پستهای فوق به شرح زیر می باشد:
ولتاژ نامی: 120 کیلوولت
ولتاژ باقیمانده در جریانهای تخلیه5 ،10و20کیلوآمپر به ترتیب260 ،290و230 کیلوولت
جریان تخلیه: 10 کیلوآمپر
در تاریخ 21/5/76 برقگیر فاز A ترانسفورماتور پست روشنایی منفجر می شود. بالا بودن سطح اتصال کوتاه پست روشنایی منفجر می شود. بالا بودن سطح اتصال کوتاه پست روشنایی و آلودگی شدید برقگیر و نیز پایین بودن جریان تخلیه عامل بروز حادثه بوده است.
برقگیر مذکور با برقگیر با جریان تخلیه 20 کیلوآمپر تعویض گردید. بنابراین لازم است همواره جریان نشتی برقگیر اندازه گیری شود. لازم به توضیح است که در موقع عیب دیدن برقگیر مذکور هیچ کدام از رله های حفاظتی عمل ننموده و پست روشنایی از پستهای تغذیه بی برق گردیده است.
دو دستگاه برقگیر فازهای A و C یکی از خطوط پست ستارخان در تاریخ 8/2/76 منفجر شده اند. حادثه در اثر برخورد صاعقه به خط و کم بودن جریان تخلیه برقگیر پیش آمده است.
در تاریخ 17/12/76 نیز یک دستگاه برقگیر فاز C یکی از خطوط منفجر می شود.
بررسی بعدی نشان داد که برقگیر مذکور از عایق بیرونی صدمه دیده و دلیل آن کوتاه بودن طول عایق و نشست گرد وخاک بر روی عایق بیرونی بوده است. بنابراین شستشوی مرتب تجهیزات پست خصوصاً برقگیر و انتخاب صحیح آنها بسته به نقطه نصب مانع بروز چنین حوادثی می باشد [6 و 7].
2-2-8 پستهای 20/132 کیلوولت سلماس، ائل گلی، نقده، مهاباد، خوی و صوفیان
مشخصات عمده برقگیرهای نصب شده در پستهای فوق به شرح زیر است می باشد:
ولتاژ نامی: 120 کیلوولت
جریان تخلیه: 10 کیلوآمپر
در مورد پستهای سلماس، ائل گلی، نقده و مهاباد پایین بودن جریان تخلیه و آلودگی محیط ناشی از وجود کارخانه سیمان عامل حادثه بوده است. در ضمن اندازه گیری جریان نشتی این برقگیرها نشان می دهد که به سبب عمر زیاد آنها (حدود 20 سال) و نیز آلودگی محیط، مقدار این جریان زیاد بوده که خود دلیل قاطع و تعیین کننده ای در کاهش عمر آنها میباشد. بنابراین اندازه گیری جریان نشتی و انتخاب مشخصه مناسب و شستشوی منظم برقگیرها عامل تعیین کننده ای در تداوم عمر آنهاست.
در مورد پست ائل گلی بدون برخورد صاعقه، برقگیر نصب شده در پست صدمه دیده است. با توجه به اینکه حادثه در موقع در مدار قرار دادن ترانسفورماتور در حالت بی‌باری اتفاق افتاده است، به احتمال قوی پدیده فرورزونانس عامل بروز حادثه بوده‌است. بنابراین ضروری است که:
در برقدار نمودن ترانسفورماتورها به دستورالعملهای بهره برداری توجه شود.
برای مناطق آلوده، فاصله عایقی‌مناسب انتخاب‌گردد و شستشوی‌دوره‌ای، پوشاندن سطح مقره‌ها توسط مواد دفع آب‌و استفاده از مقره‌های مخصوص‌مورد توجه قرارگیرد.
3-2-8 پست 20/132/230 کیلوولت شفا
یک دستگاه برقگیر در سال 1369 بر روی یکی از فازهای خط 132 کیلوولت منفجر می شود و سپس بدون آلارم مشخصی، پست بی برق می گردد.
بررسیهای بعدی نشان داد که عوامل عمده ترکیدگی برقگیر به شرح زیر بوده است:
انتخاب نادرست مشخصه برقگیر بسته به موقعیت، وضعیت و سطح اتصال کوتاه پست
شبکه زمین پست کاملاً غیرموثر بوده و مقاومت زمین طبق اندازه گیری بیش از 5 اهم بوده است.
سیم اتصال زمین به طور مستقیم زمین نشده بود و مشاهدات نشان داد که سیم اتصال برقگیر به زمین به دور پایه نگهدارنده پیچیده شده و چون امپدانس سیم پیچ از فرکانس تبعیت می نماید در موقع تخلیه برقگیر، ولتاژ زیادی بین ترمینال طرف پایه و فاز برقگیر ظاهر شده و موجب شکست برقگیر از سمت عایق بیرونی گشته است.
4-2-8 پست 5/10/132/230 کیلوولت سردرود در هنگام برقدار کردن ترانسفورماتور 5/10/132/230 کیلوولت از طریق یکی از خطوط 230 کیلوولت، در تاریخ 1363 یک دستگاه برقگیر 230 کیلوولت ترانسفورماتور منفجر می شود و این در حالی است که ترانسفورماتور بی بار برقدار گردیده است.
در پست مذکور دو ترانسفورماتور قدرت به طور همزمان با یک کلید 230 کیلوولت برقدار می گردند و ترانسفورماتورها با کابلهای حدود 500 متر به باسهای 132 کیلوولت وصل می گردند.
بنابراین برقدار نمودن ترانسفورماتور در حالت بی باری و بروز تشدید از جمله پدیده فرورزونانس و ظهور اضافه ولتاژ ناشی از آن، عامل حادثه بوده که معمولاً برقگیر در چنین حالتهایی قادر به تخلیه نبوده و در نهایت منفجر می گردد.
بررسیهای بعدی نشان داد که با توجه به بسته بودن کلید 230 کیلوولت در موقع برقدار کردن خط مورد اشاره از فاصله حدود یک صد کیلومتر و برقدار شدن ترانسفورماتور بی بار از فاصله خیلی زیاد و با توجه به عد وجود برقگیر در ابتدای خطوط 230 کیلوولت، اثر فرانتی نیز می توانسته است عامل بروز حادثه باشد.
بنابراین برای جلوگیری از بروز چنین حوادثی، انجام اقدامات زیر ضروری می باشد:
برقگیرها ابتدای خطوط 230 کیلوولت نصب گردند.
طبق دستورالعملهای ثابت بهره برداری اول باید خطوط وصل شده و بعد ترانسفورماتور برقدار گردد.
مقاومت زمین‌پست با توجه به‌گذشت‌حدود30سال از عمر احداث آن، اندازه‌گیری شده و در صورت لزوم سیستم زمین تقویت نمود.
5-2-8 پست 20/132 کیلوولت خوی
برقگیر دارای ولتاژ نامی 120 کیلوولت و جریان تخلیه 10کیلوآمپر و تحت تاثیر برخورد صاعقه به خط دچار حادثه شده است.
با توجه به عدم وجود سیم محافظ در قسمتی از خط صاعقه مستقیماً به فاز برخورد نموده و جریان تخلیه کم برقگیر و نیز وجود انشعاب (T-off) در خط مذکور اضافه ولتاژی با دامنه خیلی زیاد ایجاد کرده و موجب ترکیدگی برقگیر شده است. شبیه سازی کامپیوتری با استفاده از برنامه EMTP نیز بروز اضافه ولتاژ با دامنه بالا را تایید کرد.
بنابراین لازم است برای چنین مواردی اقدامات زیر صورت گیرد:
برقگیر انتخابی از نظر مشخصات فنی با وضعیت محل نصب مطابقت داشته باشد.
با توجه به صاعقه خیز بودن منطقه، سیم گارد خط با منظور نمودن زاویه پوشش مناسب تکمیل گردد.
تا حد امکان انشعاب (T-off) در خطوط حذف و مصرف کننده به طور مستقل از پست تغذیه شود.
9- نتیجه
با توجه به بررسیهای به عمل آمده مشخص می گردد که یکی از مهمترین و حساسترین تجهیزات حفاظتی شبکه، برقگیرها می باشند که تحت تاثیر عدم عملکرد به موقع و یا صدمه دیدن آنها، سایر تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای مختلف قرار گرفته و صدمه می بینند. بنابراین برای عملکرد مطمئن در مواقع بروز اضافه ولتاژها و نیز جلوگیری از انفجار و یا صدمه دیدن برقگیرها باید به نکات زیر توجه نمود:
الف) در انجام مانورهای مختلف، به دستوالعملهای بهره برداری نتیجه خاص مبذول شده و آموزشهای مورد نیاز عوامل بهره برداری در اولویت قرار گیرد.
ب) برای تشخیص وضعییت المانهای داخلی برقگیر، اندازه گیری جریان نشتی در برقگیرها به صورت دوره ای انجام پذیرد.
ج) مشخصات فنی برقگیرها با توجه به محل نصب و ساختار شبکه انتخاب شود.
د) سیستم پست به طور مناسب انتخاب و سیم زمین برقگیر به طور مستقیم و بدون پیچ و خم وصل گردد. این عمل دامنه ولتاژهای برگشتی را نیز کاهش داده و از BFO ها جلوگیری می نماید.
هـ) تست دوره ای مقاومت و پیوستگی سیستم زمین ایستگاهها در برنامه کرای گروههای تعمیرات قرار گیرد.
و) در پایه های انتهایی (حداقل سه پایه مانده به ایستگاه) شاخکهای زنجیر مقره‌ها برای مستهلک نمودن اثر برخورد مستقیم صاعقه به فاز در تمامی ایستگاهها نصب گردند.
ز) برای ایستگاههایی که در مناطق با آلودگیهای سنگین و فوق سنگین نصب شده اند، شستشوی دوره ای تجهیزات از جمله برقگیرها توصیه می گردد.
ح) وضعیت نشان دهنده‌های تعداد عملکرد برقگیرها به طور مرتب مورد بازرسی قرار گیرد.
ط) به جاز برقگیرهای صدمه دیده با جریان تخلیه 10 کیلو آمپر، استفاده از برقگیرهای از نوع اکسید روی و با جریان تخلیه 20 کیلو آمپر توصیه می شود.
کلید واژه:
برقگیر، اضافه ولتاژ، اکسید روی، ولتاژ باقی مانده، جریان تخلیه
Abstract:
Electrical breakdown in insulations which is mainly due to appearance of unavoidable overvoltages, is one of the most common faults which causes disturbance at normal operation of power systems. Selection of equipment insulation level at these systems is performed with regard to the characteristics of protection equipment in order to reduce the probability of arising defect at the system due to over voltage. Therefore it is necessary to confront hazardous influence of it (life reduction of equipment) by planning special actions together with amplitude limitation of generated over voltages. To reach this goal. Lightning arrester is one of the most appropriate devices installed at stations and different points of transmission lines to control influence of lightning and switching over voltages. This paper is aimed at reviewing causes of arising these events in addition to list events took place at Azerbaijan transmission and medium voltage grid at late ten years. Moreover. Appropriate preventive methods to optimise the system are introduced.
Keywords: Lightning Arrester over voltage, Zinc oxide, Residual Voltage Discharge Current.
