پایان نامه بررسی علت تخریب برقگیرهای پست ۲۳۰/۴۰۰کیلوولت

در سیستمهای قدرت و شبکه‌های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، تک‌تک تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبکه، اتصال کوتاه و قطع برق را به همراه دارد.

خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه‌های هنگفتی را به شبکه تحمیل می‌نماید.

لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی کشور جلوگیری به عمل می‌آید.

برقگیرها از جمله تجهیزاتی هستند که جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و کلید‌زنی) در شبکه‌های انتقال و توزیع به کار می‌روند.

برقگیرها ضمن اینکه حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا را بر عهده دارند، باید در مقابل اضافه ولتاژهای موقتی از خود واکنشی نشان ندهند و همچنین با توجه به شرایط محیطی منطقه مورد بهره‌برداری ، نظیر رطوبت و آلودگی، عملکرد صحیح و قابل قبولی را ارائه دهند.

۱-۲- هدف: بر طبق گزارشهای رسیده از تخریب برقگیرهای پست ۲۳۰/۴۰۰ کیلوولت شهید کشوری کرمانشاه و به منظور بررسی علل این حوادث این پروژه را به انجام رسید.

در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبکه‌های قدرت پرداخته می‌شود، سپس برقگیرها به عنوان یکی از تجهیزات مهم برای محدود کردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبکه مورد بحث قرار می‌گیرد.

در فصل چهارم عوامل کلی که سبب اختلال در عملگرد برقگیر می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند.

در فصل پنجم با استفاده از نرم‌افزار EMTP که قادر است حالات گذرا را بطور دقیق در شبکه آنالیز نماید شبکه مورد نظر شبیه‌سازی شده و شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده در شبکه در زمان وقوع حادثه محاسبه و ترسیم شده است.

با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده با شکل موج اضافه ولتاژهای فروزرونانسی، وقوع پدیده فرورزونانسی در پست شهید کشوری کرمانشاه کاملاً مشهود است و اضافه ولتاژهای ناشی از این پدیده سبب تخریب برقگیرهای این پست گردیده است.

در پایان نیز پیشنهاداتی جهت جلوگیری از بروز مجدد چنین حوادثی در پست مذکور ارائه شده است.

خلاصه: در سیستمهای قدرت و شبکه‌های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، تک‌تک تجهیزات نقش اساسی دارند و بروز هرگونه عیبی در آنها، ایجاد اختلال در شبکه، اتصال کوتاه و قطع برق را به همراه دارد.

خاموشی و جایگزینی تجهیزات معیوب هزینه‌های هنگفتی را به شبکه تحمیل می‌نماید.

لذا بررسی و تحلیل بروز عیب در تجهیزات از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد و در صورت شناخت این عیوب و سعی در جلوگیری از بروز آنها از هدر رفتن سرمایه اقتصادی کشور جلوگیری به عمل می‌آید.

برقگیرها از جمله تجهیزاتی هستند که جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و کلید‌زنی) در شبکه‌های انتقال و توزیع به کار می‌روند.

برقگیرها ضمن اینکه حفاظت تجهیزات در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا را بر عهده دارند، باید در مقابل اضافه ولتاژهای موقتی از خود واکنشی نشان ندهند و همچنین با توجه به شرایط محیطی منطقه مورد بهره‌برداری ، نظیر رطوبت و آلودگی، عملکرد صحیح و قابل قبولی را ارائه دهند.

بر طبق گزارشهای رسیده از تخریب برقگیرهای پست ۲۳۰/۴۰۰ کیلوولت شهید کشوری کرمانشاه و به منظور بررسی علل این حوادث این پروژه را به انجام رسید.

در این پروژه ابتدا به بررسی انواع اضافه ولتاژهای محتمل در شبکه‌های قدرت پرداخته می‌شود، سپس برقگیرها به عنوان یکی از تجهیزات مهم برای محدود کردن این اضافه ولتاژها معرفی شده و چگونگی طراحی و تعیین پارامترها و مشخصات برقگیر جهت حفاظت مناسب از شبکه مورد بحث قرار می‌گیرد.

در فصل چهارم عوامل کلی که سبب اختلال در عملگرد برقگیر می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند.

در فصل پنجم با استفاده از نرم‌افزار EMTP که قادر است حالات گذرا را بطور دقیق در شبکه آنالیز نماید شبکه مورد نظر شبیه‌سازی شده و شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده در شبکه در زمان وقوع حادثه محاسبه و ترسیم شده است.

با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه شکل موج اضافه ولتاژهای تولید شده با شکل موج اضافه ولتاژهای فروزرونانسی، وقوع پدیده فرورزونانسی در پست شهید کشوری کرمانشاه کاملاً مشهود است و اضافه ولتاژهای ناشی از این پدیده سبب تخریب برقگیرهای این پست گردیده است.

در پایان نیز پیشنهاداتی جهت جلوگیری از بروز مجدد چنین حوادثی در پست مذکور ارائه شده است.

۲-۱- مقدمه سطح ایزولاسیون به عنوان یکی از پارامترهای مهم در طراحی شبکه مطرح می‌باشد و ارتباط مستقیمی با اضافه ولتاژهای موجود در شبکه دارد.

افزایش ولتاژ از مقدار نامی خود، به اضافه ولتاژ در شبکه موسوم می‌باشد.

از آنجائیکه ظهور اضافه ولتاژ در شبکه اجتناب‌ناپذیر است، لذا احتمال بروز قوس در ایزولاسیون و ماده ایزوله در شبکه همراه وجود دارد.

کاهش درصد بروز قوس‌ها و اتصالی‌ها مستلزم شناخت کامل اضافه ولتاژها، انواع مختلف آنها، شرایط ایجاد و پدید آمدن آنها و همچنین نحوه تاثیر آنها در ایزولاسیون شبکه می‌باشد و در صورت برخورداری از چنین شناختی، انتخاب مشخصات مناسب شبکه و تجهیزات موجود در آن امکان‌ پذیر می‌گردد.

۲-۲- انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبکه: کلیه اضافه ولتاژهای ظاهر شده در شبکه بر حسب شکل و یا منبع بروز خود، تقسیم‌بندی می‌شوند.

که می‌توان آنها را به شرح زیر تقسیم‌بندی نمود: ۲-۲-۱- اضافه ولتاژهای صاعقه۱ ۲-۲-۲- اضافه ولتاژهای کلیدزنی۲ ۲-۲-۳- اضافه ولتاژهای موقتی۱ که با توجه به عامل بوجود آورنده نیز به دو دسته داخلی۲ و خارجی۳ تقسیم می‌شوند.

بر اساس این تقسیم‌بندی اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه به اضافه ولتاژ خارجی و دو نوع دیگر به اضافه ولتاژهای داخلی موسوم می‌باشد.

۲-۲-۱- اضافه ولتاژ‌های صاعقه در پی تخلیه جوی الکتریکی بر قسمتهای مختلف شبکه، بارهای الکتریکی انباشته در ابرها و فصل از طریق کانال یونیزه تشکیل شده در فضا بصورت قوس مرئی رعد و برق در قسمتهای مختلف شبکه تخلیه گشته ، اصطلاحاً به تخلیه جوی الکتریکی موسوم می‌باشد.

تخلیه بارهای الکتریکی جوی، موجبات افزایش ولتاژ را به طور لحظه‌ای در محل تخلیه فراهم ساخته، ولتاژ موجی با سرعت نور در طول هادی‌های فاز منتشر می‌شود و اضافه ولتاژهای تخلیه جوی را در شبکه پدید می‌آورد.

شکل (۲-۱) : انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبکه اضافه ولتاژهای موجی رعد و برق حداکثر سرعت افزایش را در میان انواع مختلف اضافه ولتاژهای موجی دارا می‌باشند.

سرعت افزایش آنها در حدود ۵۰۰۰-۵۰۰ کیلوولت بر میکروثانیه متغیر می‌باشد.

۲-۲-۱-۱- مشخصه اضافه ولتاژهای صاعقه اضافه ولتاژهای صاعقه می‌توانند با یک موج صاعقه استاندارد ۵۰/۲ –۱ مطابق شکل زیر مدل شوند.

به عبارت دیگر این دسته امواج غیر پریودیکی دارای زمان پیشانی حدود یک و نیم میکروثانیه و زمان پشت موج در حدود چند ده میکرو ثانیه هستند.

با توجه به شیب پیشانی این دسته اضافه‌ ولتاژها، تنش بیشتری روی عایق بندی طولی پیچکهای اندوکتیو اعمال می‌کنند و به دلیل زمان کوتاهتر، عموماً تنش قابل برای عایق‌بندی در مقایسه با امواج کلید‌زنی با دامنه یکسان قدری بیشتر خواهد بود.

میزان تنش تحمل شده بستگی به نوع عایق خواهد داشت.

شکل (۲-۲) : موج استاندارد صاعقه ۲-۲-۲- اضافه ولتاژهای کلید زنی (قطع و وصل) اضافه ولتاژهای قطع و وصل به صورت موج در شبکه ظاهر گردیده و از نظر شکل و تغییرات لحظه‌ای خود،‌کاملاً مشابه اضافه ولتاژهای موجی تخلیه جوی می‌باشند.

تفاوت عمده در زمان پیشانی و زمان استهلاک یا کاهش دامنه موج بوده، سرعت افزایش دامنه ولتاژهای موجی قطع و وصل به حدود چند کیلوولت بر میکروثانیه بالغ می‌گردد.

چون این اضافه ولتاژها از عوامل و تجهیزات داخلی شبکه ناشی می‌گردند لذا به اضافه ولتاژهای داخلی موسوم می‌باشند.

اضافه ولتاژهای موجی قطع و وصل در پی قطع و وصل کلیدها و رژیم گذرای ظاهر شده در آنان نتیجه شده در آنان نتیجه گردیده، لذا اضافه ولتاژهای گذرا نیز نامیده می‌شوند.

بدین ترتیب منبع بروز این اضافه ولتاژها، رژیم گذرای ظاهر شده در شبکه بوده و خصوصیات اضافه ولتاژها بستگی کامل به کمیات، مشخصات الکتریکی شبکه و رژیم‌های گذرای آنان خواهد داشت.

دامنه موجهای اضافه ولتاژ قطع و وصل به مشخصات شبکه، مشخصات کلید، نوع دستگاههای مورد قطع و وصل بستگی دارد.

مهمترین عامل در افزایش دامنه موجها، ولتاژ اسمی شبکه می‌باشد.

در ولتاژهای پایین این موجها محدود بوده و از حدود ایزولاسیون پیش‌بینی شده شبکه تجاوز نمی‌نمایند.

دامنه اضافه ولتاژهای گذرای قطع و وصل و احتمال بروز آنها در ولتاژهای اسمی پایین بسیار محدود بوده، بطوریکه هیچگونه پیش بینی را جهت کاهش آنها ایجاب نمی‌نماید.

۲-۲-۲-۱- موج استاندارد قطع و وصل یا کلید زنی به منظور تامین توانایی سیستم ایزولاسیون شبکه و سایر تجهیزات فشار قوی در قبال موجهای اضافه ولتاژ گذرای قطع و وصل، موج استاندارد با شکل مشخص به عنوان موج ولتاژ استاندارد قطع و وصل تعیین گردیده است که منحنی آن در شکل زیر آورده شده است.

شکل (۲-۳) : موج استاندارد قطع و وصل یا کلید‌زنی موج توسط زمان پیشانی خود Td و زمان دم موج (پشت موج) T1 مشخص می‌گردد.

حدود این پارامترها در استانداردهای مختلف تعیین گردیده‌اند.

در استاندارد آمریکا و IEC مقدار معمول آن به ترتیب در حدود ۲۵۰ و ۲۵۰۰ میکروثانیه مشخص گردیده است.

۲-۲-۲-۲- علل بروز اضافه ولتاژهای کلید زنی: اضافه ولتاژهای کلید زنی عوامل متعددی دارند و اهمیت نسبی آنها در رده‌های مختلف ولتاژی یکسان نیست.

۲-۲-۲-۲-۱- اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی جریان‌های سلفی و خازنی: این مسئله ممکن است در هر دو زمینه توزیع و تاسیسات صنعتی و نیروگاهها نیازمند توجه باشند.

در حالت اخیر چنانچه کلید قدرت آن چنان دیونیزه شود که جریان را پیش از موقع صفر کند ممکن است اضافه ولتاژهای بزرگی به وجود آیند در همین زمینه باید موارد زیر را در نظر گرفت: الف) قطع جریان‌های سلفی، مثلا هنگامی که جریان مغناطیس کننده یک ترانسفورماتور یا راکتور قطع می‌شود.

ب) کلید زنی و عملکرد یک کوره قوس الکتریکی و ترانسفورماتور آن ممکن است باعث برش جریان شود.

ج) کلید زنی کابلهای بی بار و بانکهای خازنی.

د) قطع جریان با فیوزهای ولتاژ بالا.

۲-۲-۲-۲-۲- اضافه ولتاژهای کلید زنی ناشی از تغییرات ناگهانی بار در اثر تغییرات ناگهانی بار ممکن است اضافه ولتاژهای کلید زنی که توسط اضافه ولتاژهای موقتی دنبال می‌شوند بوجود آیند.

۲-۲-۳- اضافه ولتاژهای موقت۱ ۲-۲-۳-۱- مقدمه: اضافه ولتاژهای موقت، نوعی اضافه ولتاژ نوسانی فاز به زمین، یا فاز به فاز می‌باشند، که نسبتا طولانی مدت و یا نامیرا هستند و یا بطور ضعیفی میرا می‌شوند.

از آنجا که اضافه ولتاژهای موقت از نظر کار برقگیر حائز اهمیت فراوان هستند (برقگیرها باید بتوانند اضافه ولتاژهای موقت را تحمل کنند)، لازم است درصد اضافه ولتاژهای موقت شبکه محاسبه گردد.

اضافه ولتاژهای موقت از علل زیر نشات می‌گیرند: ۲-۲-۳-۱-۱- خطاها.

۲-۲-۳-۱-۲- تغییرات ناگهانی بار.

۲-۲-۳-۱-۳-اثر فرانتی.

۲-۲-۳-۱-۴-رزونانس خطی.

۲-۲-۳-۱-۵-فرورزونانس.

۲-۲-۳-۱-۶-قطع هادی (یارگی خط).

۲-۲-۳-۱-۷-رزونانس ناشی از مدارهای کوپل شده.

در این مجال سعی می‌شود به بیان تئوری برخی از این علل پرداخته شود.

۲-۲-۳-۱-۱- خطاهای زمین: اضافه ولتاژهای موقت ممکن است یا میرا شده باشند و یا میرا نشده یک خطای زمین وضعیتی است که اضافه ولتاژ نامیرا را بوجود می‌آورد.

که تا زمانی که ولتاژ توسط برخی از طرق کلید زنی برداشته نشود، بر روی عایق فشار وارد می‌آورد .

نوع غالب خطا، خطای تکفاز به زمین می‌باشد (حدودا ۹۵) خطاهای دو فاز به زمین و سه فاز به زمین و خطاهای غیر زمین، اغلب خیلی کمتر اتفاق می‌افتند.

شکل زیر حداکثر اضافه ولتاژهای موقتی در فازهای سالم در طی یک اتصال کوتاه تکفاز را بر اساس امپدانسهای توالی صفر و مثبت سیستم نشان می‌دهد.

شکل (۲-۳) اضافه ولتاژهای موقت در اثر اتصال کوتاه تکفاز حداکثر اضافه ولتاژهای موقتی بر حسب p.

u.

به عنوان ضریب خطای زمین نامیده می‌شود.

این ضریب تعیین کننده شرایط سیستم مورد نظر می‌باشد.

سیستمهای قدرت kv145 و بالاتر معمولا دارای نقطه صفر مستقیم زمین شده می‌باشند.

و این باعث کوچکی ضریب خطای زمین در این سیستمها و در نتیجه کاهش اضافه ولتاژهای موقتی می‌شود (معمولا کمتر از p.

u.

۱٫

۴ و غالبا بین ۱٫

۲ تا ۱٫

۳) و به همین دلیل به سطوح عایقی پایین تری احتیاج دارند.

سیستمهای با ولتاژ کمتر از kv145 نیز در اروپا غالب از طریق سلف پترزن زمین می‌شوند.

در این گونه سیستمها اضافه ولتاژهای موقتی برابر ولتاژ فاز به فاز می‌باشد و بعبارت دیگر دامنه اضافه ولتاژهای موقتی p.

u.

۱٫

۷۳ می‌شود.

۲-۲-۳-۲- تغییرات ناگهانی بار: بدترین حالت تغییر بار، از دست دادن بار یا قطع بار می‌باشد.

این موضوع زمانی اتفاق می‌افتد که کلید قطع مدار روی یک خط در پاسخ به برخی از شرایط سیستم یا عیوب کاذب عکس‌العمل نشان داده و عمل کند که این عمل منجر به کاهش جریان جاری و افزایش ولتاژ می‌شود.

دامنه اضافه ولتاژ موقت بستگی به محل قطع بار و قدرت اتصال کوتاه سیستم دارد.

اضافه ولتاژهای موقت ناشی از قطع کامل بار در ترانسفورماتورهای ژنراتور، بعلت بوجود آوردن شرایط افزایش سرعت، اهمیت زیادی دارند.

دامنه اضافه ولتاژهای ناشی از قطع بار، معمولا در طول مدتشان ثابت نیست.

در زیر ماکزیمم مقادیر چنین اضافه ولتاژهایی آورده شده است: قطع بار در ترانسفورماتورهای سیستم: دامنه‌ها: پستهای با قدرت اتصال کوتاه زیاد: ۰۵/۱ پست‌های با قدرت اتصال کوتاه کم:‌۰۲/۱٫

طول مدت وابسته به ترانسفورماتور (عمل تب چنجر) : (s-minutes)10.

قطع بار در ترانسفورماتورهای ژنراتور: دامنه‌ها: توربوژنراتورها: ۴/۱٫

هیدروژنراتورها: ۵/۱٫

طول مدت:‌s3.

در شکل‌های زیر مقدار اضافه ولتاژ موقت ظاهر شده در خط kv400 مجهز به راکتور شنت و خازن سری، بر حسب قدرت اتصال کوتاه شبکه تغذیه نشان داده شده است در شکل (b) طول خط ۳۰۰ کیلومتر و در شکل (c)، ۶۰۰ کیلومتر بوده است.

ولتاژ در ابتدا وانتهای خط، به ترتیب با خط پر و خط چین نشان داده شده است.

منحنی‌های ۱و ۱’ اضافه ولتاژهای موقت را بدون انجام جبران سازی خط، منحنی ۲ به ازای ۵۰% جبران سری و منحنی‌های ۳ و ‘۳ با ۵۰% تعادل سری و ۷۰% تعادل شنت نمایش می‌دهند.

شکل (۲-۴) : اضافه ولتاژ موقت ظاهر شده در خط ۴۰۰ کیلوولت بر حسب قدرت اتصال کوتاه شبکه ۲-۲-۳-۱-۲- اثر فرانتی: ولتاژ دائمی در انتهای باز یک خط انتقال جبران نشده، همیشه بالاتر از ولتاژ در ابتدای خط است، این پدیده به اثر فرانتی مشهور می‌باشد.

افزایش ولتاژ از شرایط خازنی خط و بار راکتیو آن در بی‌باری ناشی می‌گردد.

برای یک خط جبران نشده ولتاژ در انتهای باز خط برابر است با: (۲-۱) که در آن: V2 = ولتاژ انتهای خط مدار باز V1 = ولتاژ ابتدای خط انتقال = ثابت فاز ( در فرکانس و در فرکانس ) L = طول خط انتقال شکل زیر دامنه‌های تقریبی اضافه ولتاژهای ناشی از اثر فرانتی را نشان می‌دهد.

عمل جبران سازی برای اثر فرانتی ممکن است با اندوکتانس شنت متعادل یا خازن سری متعادل بدست آید.

۱- بدون جبران‌سازی ۲- با جبران سازی ۳- جبران سازی توسط ۵۰% خازن سری و ۷۰% راکتور شنت شکل (۲-۵) : اضافه ولتاژ ناشی از اثر فرانتی در یک خط باز، اضافه ولتاژهای ناشی از اثر فرانتی بصورت طبیعی سینوسی می‌باشند.

۲-۲-۳-۱-۳- تشدید در شبکه یکی از انواع اضافه ولتاژهای موقت که ممکن است بر روی یک سیستم انتقال بوقوع بپیوندد، از تشدید ناشی می‌شود.

در شکل ساده شده سیستم، مدار مشتعل است بر یک منبع، یک کلید و یک مدار تشدید، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

به وضوح ملاحظه می‌گردد که اگر مدار LC سری دارای تلفات کمی بوده و المانهای آن با فرکانس قدرت تنظیم شده باشند پس از بستن کلید ولتاژ به طور نامعینی از طریق سلف یا خازن افزایش خواهد یافت.

در عمل اثرات تلفات و اشباع هسته ترانسفورماتورها و راکتورها این نوع اضافه ولتاژها را محدود می‌کنند .

با صرفنظر از تلفات : (۲-۲) که در آن: L = اندوکتانس معادل منبع C = کاپاسیتانس معادل بار شکل (۲-۶) مدار رزونانس سری اگر چه سیستمهای انتقال عمدتاً برای تشدید طراحی نشده‌اند، شرایط نزدیک به تشدید اتفاق می‌افتد.

یک مثال از چنین شرایطی، حالتی است که قدرت انتقال داده شده از یک منبع فشار قوی، از طریق کابل و یک ترانسفورماتور به شبکه فشار ضعیف انجام گیرد، در این حالت راکتانس القایی ترانسفورماتور ممکن است تقریباً با راکتانس خازنی موازی کابل برابر شود.

۲-۲-۳-۱-۴- تشدید در خطوط موازی ]۳[ از دیگر حالات رزونانس که گاهی اوقات بوجود می‌آید، اثر تشدید در مدارهای موازی است.

این حالت زمانی بوجود می آید که چند مدار انتقال سه فاز بر روی یک مسیر همراه با ، یا تعادل راکتور شنت، یا ترانسفورماتورهای به طور موثر زمین شده، توأمان گشته، در حالی که یکی از مدارها دارای انرژی است، دیگری باز باشد.

یک مدار معادل ساده در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل (۲-۴) : تشدید در خطوط موازی در حالتهای سالم، سه حالت از تشدید که ممکن است منجر به اضافه ولتاژ شوند، وجود دارد.

برای مدل توالی صفر، دامنه برابر است با:‌ (۳-۲) که Cn و Cm توابعی از ظرفیت خازنی متقابل بین مدارها می‌باشند.

اضافه ولتاژهای ناشی از این اثر سینوسی شکل هستند، مگر اینکه ولتاژ آنقدر زیاد شود که منجر به اشباع یا شرایط فرورزونانس شود.

چنین اضافه ولتاژهایی غالباً به صورت احتمالی زمانی رخ می‌دهند که یک خط جهت تعمیرات خارج از سرویس است و می‌توان این پدیده را بطور ساده با زمین کردن خط بدون انرژی کنترل نمود.

۳-۱- مقدمه در سیستمهای قدرت فقط ولتاژهای کار عادی مطرح نیست، بلکه اضافه ولتاژهای غیر قابل اجتنابی نیز بوجود می‌آیند که عایقهای سیستم را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

بنابراین باید با تدابیر خاصی اضافه ولتاژهای ایجاد شده در سیستم را در محدوده‌ای که از نظر فنی و اقتصادی توجیه پذیر باشد، محدود نمود.

جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای ایجاد شده در سیستم از خازن‌های سری و راکتورهای شنت و برقگیر استفاده می‌شود.

از خازن‌های سری و راکتورهای شنت جهت محدود کردن اضافه ولتاژهای موقتی استفاده می شود.

از برقگیرها جهت حفاظت تجهیزات الکتریکی در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا ( صاعقه و کلیدزنی) استفاده می‌شود.

برقگیرها در سه نوع میله‌ای، سیلیکون کاباید و اکسید روی وجود دارند.

که امروزه در سیستمهای انتقال بیشتر از برقگیرها اکسید روی استفاده می‌شود.

در این فصل نحوه تعیین پارامترها و مشخصات برقگیرهای اکسید روی جهت حفاظت مناسب از شبکه در مقابل اضافه ولتاژها به تفصیل شرح داده شده است.

۳-۲- برقگیرهای اکسید روی ]۵[ برقگیرهای غیرخطی اکسید روی عبارت از ستون مقاومتهای غیرخطی می‌باشند که در فاصله هوایی فاز – زمین نصب شده و بر خلاف برقگیرهای با فاصله هوایی هیچگونه فاصله هوایی بصورت فاصله ایزولاسیون بین ستون مقاومتها و هادی تحت ولتاژ موجود نمی‌باشد.

با ظهور اضافه ولتاژهای موجی، مقاومتهای غیر خطی در چند میکروثانیه تغییر ماهیت داده، از قابلیت هدایت الکتریکی قابل ملاحظه‌ای برخوردار شده، جریان از هادیهای فاز به زمین را تا حدود چندین کیلوآمپر برقرار می‌سازند.

این برقگیرها می‌توانند اضافه ولتاژهای با فرکانس قدرت را برای مدت مشخصی تحمل کنند.

با در نظر گرفتن این ویژگی حتی در سیستمهای زمین نشده می‌توان سطح عایقی کمتری بدست آورد.

این برقگیرها می‌توانند سطح حفاظت کمتری را نسبت به برقگیرهای معمولی ایجاد نمایند.

۳-۲-۱- ساختمان مقاومتهای غیر خطی مقاومتهای غیر خطی از مخلوط اکسید فلزات شامل اکسید روی بطور عمده و اکسید سایر فلزات تشکیل شده‌اند.

به منظور ساخت مقاومت، اکسید روی به میزان ۸۰-۷۰ درصد و اکسید سایر فلزات شامل اکسید بیسموت (Bi2O3)، اکسید کبالت (CoO)، اکسید کروم (Cr2O3)، اکسید منگنز (MnO) و اکسید آنتیموان (Sb2O3) بصورت پودر آسیاب شده، به خمیر تبدیل شده، به استوانه به قطر cm 6-2 و ضخامت ۵ تا ۵۰ میلیمتر تغییر شکل یافته و در کوره پخته می‌شود.

مقاومتها با ابعاد و اندازه به شرح فوق، به عنوان المان مقاومت غیر خطی یا واریستور نامیده می‌شود.

کریستالهای Zno با ابعاد ۱۰-۵ توسط مخلوط مناسب از اکسید فلزات دیگر بصورت لایه با ضخامت ۱/۰ احاطه گردیده‌اند.

کریستالهای Zno از هدایت الکتریکی برخوردار بوده، مقاومت طولی آنها به حدود ۱-۱/۰ بالغ می‌شود ، در حالیکه لایه واقع در حد فاصل کریستالها مقاومت اهمی قابل ملاحظه ۱۰۱۳ را دارا می‌باشد.

لذا به عنوان لایه دی الکتریک یا لایه سد کننده عبور الکترونها محسوب شده ، پر مابلیته دی الکتریک لایه معادل می‌باشد.

در قبال شدت میدان ناچیز کریستالهای Zno و لایه سد کننده در وضعیت نامتقارن قرار داشته و المان واریستور فاقد هدایت الکتریکی می‌باشد.

(‌فقط جریان نشتی کمی موجود است) با افزایش شدت میدان کریستالهای Zno و لایه سد کننده در وضعیت متقارن قرار گرفته و جریان تخلیه به حدود چندین کیلو آمپر بالغ می‌گردد.

۳-۲-۲- منحنی – ولت – آمپر غیر خطی مقاومتها مقاومتهای معمولی بعنوان المان خطی دارای منحنی ولت – آمپر بصورت خط مستقیم با رابطه U = RI ، مقاومتهای غیر خطی دارای منحنی ولت – آمپر نزدیک به اکسپونانسیل با رابطه و و مقاومتهای کاملاً غیر خطی با واریستورهای دارای منحنی ولت – آمپر با رابطه و یا با مقادیر متفاوت بر حسب ولتاژ می‌باشند.

بعنوان ضریب غیر یکنواختی مشخصه ولت – آمپر مقاومتهای غیر خطی نامیده می‌شود.

شکل (۳-۱): منحنی ولت – آمپر مقاومتها : (a خطی (b غیر خطی (c کاملاً غیر خطی ۳-۲-۳- پایداری حرارتی ، اختلال حرارتی هنگامی که جریان نشتی برای دراز مدت از مقدار جریان مرجع۱ ( نقطه پایین‌تر از نقطه زانوی منحنی ولت – آمپر که در قبال برقراری جریانهای نشتی و حداکثر مولفه اهمی، افزایش درجه حرارت المانها را سبب نشود، که ولتاژ و جریان آن توسط کارخانه سازنده تعیین می‌شود.

) تجاوز نماید، درجه حرارت مقاومتها به میزان فوق‌العاده افزایش یافته ، خطر انهدام مقاومتها، برقراری جریان اتصالی فرکانس ۵۰ و انفجار برقگیر موجود خواهد بود.

انرژی حرارتی تولید شده در مقاومتها به مقدار جریان نشتی و فاصله زمانی برقراری آن بستگی خواهد داشت.

انرژی حرارتی درجه حرارت المانها را به تدریج افزونی بخشیده، درجه حرارت نهایی با توجه به ظرفیت مبادله انرژی حرارتی محفظه با فضای خارج از محفظه تعیین می‌شود.

برای بررسی بیشتر شکل (۳-۲) را در نظر می‌گیریم.

ظرفیت تبادل حرارتی محفظه با فضای خارج بر حسب محفظه با خط مستقیم نشان داده می شود ( منحنی (Q.

تغییرات افت انرژی حرارتی در ستون مقاومتها با درجه حرارت محفظه با منحنی P نشان داده شده است.

این دو منحنی یکدیگر را در نقطه M قطع می‌کنند.

در فاصله تغییرات حرارت بین صفر تا Tc انرژی حرارتی حاصل از جریان نشتی در مقاومتها، کمتر از فاصله تغییرات حرارتی محفظه بوده، فاصله فوق بعنوان ناحیه‌ با پایداری حرارتی۱ مقاومتها موسوم می‌باشد.

درجه حرارت مربوط به نقطه M درجه حرارت بحرانی یا Tc نامیده می‌شود.

در نقطه M افت حرارتی حاصل از ستون مقاومتها از ظرفیت تبادل حرارتی محفظه تجاوز نموده، درجه حرارت مقاومتها به سرعت افزایش می‌یابد.

فاصله تغییرات درجه حرارت که در آن می‌باشد، بعنوان ناحیه اختلال حرارتی۲ نامیده می‌شود .

در ناحیه پایداری حرارتی که در آن می‌باشد.

امکان کاهش درجه حرارت محفظه و المانهای غیر خطی همزمان با تقلیل دامنه اضافه ولتاژ موجود می‌باشد، در حالیکه در ناحیه اختلال حرارتی، به ازاء درجه حرارت مقاومتها بیش از درجه حرارت بحرانی ، امکان کاهش درجه حرارت مقاومتها علیرغم تقلیل دامنه اضافه ولتاژها موجود نمی‌باشد.

افزایش درجه حرارت محیط، تبادل انرژی حرارتی را از فضای داخلی محفظه به فضای خارج تقلیل داده موجب می شود تا امتداد مربوط به ظرفیت تبادل حرارتی محفظه برقگیر به موازات خود جابجا شود.

اختلال حرارتی مقاومتها ممکن است تحت تاثیر عواملی چون اضافه ولتاژ موقت و تخلیه جزئی در داخل برقگیر ایجاد شود.

شکل (۳-۲) : منحنیهای تغییرات ظرفیت تبادل حرارتی محفظه و افت انرژی حرارتی در ستون مقاومتها ۳-۲-۴- تعاریف و مشخصات برقگیرهای اکسید روی ]۵[ ۳-۲-۴-۱- ولتاژ نامی (Ur) اصولاً ولتاژ نامی برقگیر عبارت است از ولتاژی که بزرگتر یا مساوی با اضافه ولتاژ موقتی قابل تحمل در ۱۰ ثانیه باشد.

بعد از اینکه برقگیر دارای درجه حرارت cْ۶۰ شده و همچنین در معرض عبور و تزریق انرژی با جریان زیاد قرار گیرد.

برای شناسایی Ur ابتدا به شناسایی اضافه ولتاژهای موقت (TOV)1 باید پرداخت.

TOV غالباً ناشی از اتصال کوتاه تک فاز است ، به این معنی که در حالت اتصال تک فاز با زمین، ولتاژ فازهای سالم به نوع اتصال زمین شبکه بالا می‌روند.

مقدار ولتاژ افزایش یافته برابر است با: (ولتاژ در فازها قبل از اتصال کوتاه) / ( ولتاژ در فازهای سالم در حین اتصال کوتاه) = Ke Ke به فاکتور اتصال کوتاه معروف است که متناسب با مقاومت و راکتانس مولفه‌های توالی صفر و مثبت و منفی شبکه بین ۲/۱ تا ۷/۱ مطابق شکل (۳-۳) می‌باشد.

شکل (۳-۳) : منحنیهای تعیین Ke در این شکل R0 مقاومت توالی صفر، X0 راکتانس توالی صفر و X1 راکتانس توالی مثبت می‌باشد.

اگر پارامترهای شبکه شناخته شده نباشند، Ke برای شبکه‌هایی که نقطه صفر آنها مستقیماً زمین شده است در حدود ۴/۱ و برای شبکه‌هایی که صفر آنها زمین نشده و یا بصورت غیر مستقیم زمین شده است در حدود ۷۳/۱ در نظر گرفته می‌شود.

در صورتیکه احتمال قطع بار، همزمان با اتصال کوتاه‌ نیز پیش‌بینی گردد باید در محاسبه TOV لحاظ گردد.

بنابراین: (۳-۱) اصولاً برقگیرها به عنوان اجزاء حفاظتی در مقابل TOV نیستند، چرا که در این حالت نیاز به تعداد زیادی از ستون‌های موازی بلوکها می‌باشد.

اصولاً برقگیرها TOV های مختلفی را می‌توانند در زمانهای گوناگون تحمل نمایند.

معمولاً منحنی مربوط به رابطه TOV در زمان توسط سازندگان باید ارائه گردد که یک نمونه از منحنی‌های ولت – زمان برقگیرها در شکل (۳-۴) ارائه شده است.

شکل (۳-۲): منحنی زمان – TOV یک نمونه برقگیر جهت تعیین ولتاژ نامی باید ابتدا اضافه ولتاژ موقت شبکه را تعیین نموده و سپس به کمک رابطه زیر معادله ۱۰ ثانیه‌ای اضافه ولتاژ موقت شبکه را محاسبه کرد.

(۳-۲) Ut : اضافه ولتاژ موقتی شبکه T : زمان بقای این اضافه ولتاژ بر روی شبکه Ue: اضافه ولتاژ موقتی معادل ۱۰ ثانیه‌ای در محاسبه Ur خواهیم داشت: (۳-۳) معمولاً می‌توان از رابطه تقریبی زیر Ur را محاسبه نمود: (۳-۴) ۳-۲-۴-۲- مقدار حقیقی ولتاژ بهره‌برداری بیشترین مقدار موثر ولتاژ در فرکانس قدرت که بطور مداوم بیشتر از ۲ ساعت بین ترمینالهای برقگیر بکار گرفته شده است که در یک شبکه سه فاز با برقگیرهای متصل بین فاز و زمین بصورت زیر در نظر گرفته می‌شود: (۳-۵) ۳-۲-۴-۳- حداکثر ولتاژ کار دائم (Uc) اغلب به طور خلاصه MCOV 1 نیز نمایش داده می‌شود و به گونه‌ای انتخاب می‌گردد که مقدار مجاز ولتاژ موثر در فرکانس قدرت را که بر روی ترمینالهای برقگیر می‌افتد، نشان دهد بنابراین بایستی باشد.

معمولاً در عمل می‌توان Uc را از فرمول (۳-۶) بدست آورد که ضریب ۰۵/۱ به لحاظ ایجاد اطمینان بیشتر در نظر گرفته می‌شود.

(۳-۶) ۳-۲-۴-۴- فرکانس نامی فرکانس نامی که مورد تایید استاندارد می‌باشند ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز می‌باشد و در سیستمهای برق متناوب باید کمتر از ۴۸ هرتز و بیشتر از ۶۲ هرتز نباشد.

۳-۲-۴-۵- ولتاژ تخلیه (Ures)2 ولتاژی است که بین ترمینالهای برقگیر به هنگام عبور جریان تخلیه بوجود می‌آید.

برای جریانهایی که دامنه و شکل آنها متفاوت از جریان تخلیه نامی است، Ures معمولاً بصورت درصدی از ولتاژ تخلیه در جریان نامی بیان می‌شود.

۳-۲-۴-۶- مشخصه حفاظتی برقگیر مشخصه حفاظتی یک برقگیر Zno به مجموعه ولتاژهای تخلیه آن به ازاء جریانهای تخلیه استاندارد اطلاق می‌شود.

بر اساس این ولتاژهای تخلیه در برقگیرهای Zno دو سطح حفاظتی L.

I.

P.

L 1 (سطح حفاظتی در برابر امواج صاعقه) و S.

I.

P.

L2 (سطح حفاظتی در برابر کلیدزنی ) تعریف می‌شود.

برای یک حفاظت موثر مشخصه حفاظتی برقگیر (S.

I.

P.

L , L.

I.

P.

L) باید به خوبی در زیر مشخصه استقامت عایقی تجهیزات L.

I.

W.

L3 و S.

I.

W.

L4 در کلیه نقاط مشخصه قرار گیرد.

این سطوح حفاظتی در شکل (۳-۵) نشان داده شده است.

شکل (۳-۵): مشخصه حفاظتی برقگیر و سطح عایق تجهیزات شبکه ۳-۲-۴-۷- نسبت حفاظتی۱ نسبتی است که سطح عایقی مقاوم تجهیزات را به سطح حفاظتی برقگیر مربوط می‌سازد.

(سطح عایقی تجهیزات ) / ( سطح حفاظتی برقگیر) = نسبت حفاظتی ۳-۲-۴-۸- حاشیه حفاظت۲ عبارت است از نسبتی حفاظتی که کمتر از یک باشد و بصورت درصد بیان می‌شود.

۱۰۰ × (۱ – نسبت حفاظتی) = % حاشیه حفاظت ۳-۲-۴-۹- جریان مبنای برقگیر (Iref): عبارت است از مقدار پیک جریان مقاوم در فرکانس قدرت که در ولتاژ مرجع اندازه‌گیری شده است.

جریان مبنا باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا تاثیرات ظرفیتهای پراکندگی را که جزئی می‌باشند در اندازه‌گیری ولتاژ مبنا به خوبی نمایان سازد.

مقدار جریان مبنا در حدود mA 05/0 تا mA1 در هر سانتیمتر مربع محیط دیسک یک بلوک برقگیر است.

۳-۲-۴-۱۰- ولتاژ مرجع (Uref) عبارت است از مقدار پیک ولتاژ اندازه‌گیری شده در هنگام عبور جریان مرجع، تقسیم بر .

۳-۲-۴-۱۱- جریان دائم برقگیر (IC) جریانی است که برقگیر تحت ولتاژ Uc از میان خود عبور می‌دهد.

این جریان بیشتر خازنی است.

درجه حرارت، ظرفیت پراکندگی و آلودگی داخلی بر آن موثرند.

مقدار آن بر حسب r.

m.

s یا مقدار پیک بیان می‌گردد.

۳-۲-۴-۱۲- جریان تخلیه نامی برقگیر ((In یک ایمپالس جریانی با مشخصه ۲۰/۸ است که بیشترین مقدار ضربه جریانی صاعقه است و در کلاس‌بندی‌ برقگیرها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۳-۲-۴-۱۳- قابلیت تحمل انرژی عبارت است از حداکثر مقدار مجاز انرژی که بوسیله کیلوژول بیان می‌شود، به نحوی که برقگیر قادر باشد یک تک ضربه با مدت زمانی معین را جذب نماید.

مساله جذب انرژی مختص فشارهای ناشی از وصل کلید در انتهای باز خطوط انتقال طویل می‌باشد.

برقگیری که در انتهای باز خط نصب می‌شود می‌بایست توانایی ذب بارهای انباشته شده روی خط انتقال را داشته باشد.

۳-۲-۴-۱۴- کلاس تخلیه برقگیر اصولاً برقگیرها را مطابق شکل (۳-۶) دسته بندی می‌نمایند.

با داشتن W بر حسب (KJ / KV) در ولتاژ UC و همچنین نسبت Uref / Ur می‌توان تشخیص داد که چه کلاس تخلیه‌ای لازم است سپس اولین کلاس تخلیه بالاتر را انتخاب می‌نمایند.

برای برقگیرهای kA 5 و پایین‌تر کلاس تعیین نمی‌شود ولی برقگیرهای ۱۰ و ۲۰ کیلو آمپری را بر حسب قابلیت تحمل انرژی دسته‌بندی می‌نمایند.

برقگیرهای سیستم توزیع حداکثر کلاس ۱ می‌باشند.

کلاس ۲ و بالاتر مخصوص برقگیرهای نوع پست است.

در جدول (۳-۱) استاندارد تعیین جریان نامی برقگیر بر حسب ولتاژ نامی آورده شده است.

جدول (۳-۱) تعیین جریان تخلیه نامی برقگیرها بر حسب ولتاژ نامی Ur (KVr.

m.

s) ولتاژ نامی ۲۰۰۰۰ ۱۰۰۰۰ ۵۰۰۰ ۲۵۰۰ جریان تخلیه نامی استاندارد شکل (۳-۶) : کلاس‌بندی برقگیرها طبق استاندارد ۳-۲-۵- انتخاب برقگیرها با توجه به آشنایی کلی با ساختمان برقگیر و نحوه کاهش سطح اضافه ولتاژهای موجی، که بر طبق منحنی مشخصه غیر خطی مقاومتها امکان‌پذیر می‌شود.

همچنین احتمال صدمه و تغییر شکل منحنی ولت – آمپر تحت تاثیر انرژی حرارتی حاصل از برقراری جریانهای نشتی و بروز اختلال حرارتی، انتخاب نوع مناسب برقگیرها با توجه به مشخصات شبکه حائز اهمیت فراوان می باشد.

بر طبق استانداردها، پیش‌بینی‌ها و تعاریف لازم به منظور انتخاب نوع مناسب برقگیرها با توجه به مشخصات شبکه صورت گرفته، توصیه‌های لازم به عمل آمده‌اند.

بر طبق دستور‌العمل ارائه شده از طرف کنفرانس برق CIGRE1 و نتایج تجربی، مشخصات برقگیرها به منظور انتخاب به منظور انتخاب آنها به شرح زیر می‌باشد: ۱- تعیین و ارائه فاصله سطحی ، ایزولاسیون خارجی ستون مقره برقگیر (mm) 2- جریان اسمی تخلیه (KA) 3- سطح محافظت برقگیر یا (KV) P.

L 4- ولتاژ اسمی یا Urated ((KV 5- ولتاژ دائمی یا (KV ) Ucov 6- کلاس تخلیه کلیه مشخصات فوق به جز سطح محافظت برقگیر (P.

L) در روی پلاک یا Name Plate برقگیر ذکر می‌شوند و سطح محافظت برقگیر با توجه به سطوح عایقی L.

I.

W.

L و S.

I.

W.

L تعیین می‌گردد.

۳-۲-۵-۱- انتخاب ولتاژ نامی و ولتاژ کار دائم برقگیر برای اینکه یک برقگیر بتواند تحت کلیه شرایط شبکه پایدار باقی بماند بایستی Ur و Uc این برقگیر بطور مناسب انتخاب شود.

( انتخاب Ur و Uc که قابلیت تحمل برقگیرهای zno را در برابر ولتاژهای عادی شبکه و TOV‌ها مشخص می‌کنند دارای اهمیت زیادی می‌باشد.

) دامنه و مدت استمرار TOV‌ها هر دو در تعیین تنش‌های وارده به برقگیر نقش موثری داشته و در واقع انتخاب برقگیر برای شرایط معین نتیجه‌ سازش میان سطح حفاظتی مطلوب، قابلیت تحمل TOV و ظرفیت جذب انرژی برقگیر می‌باشد.

به عبارت دیگر هر چه برقگیر تحمل TOV شدیدتری ( از لحاظ دامنه و مدت استمرار (TOV را داشته باشد امکان سالم ماندن برقگیر بیشتر خواهد بود ولی در عین حال حاشیه ایمنی آن کاهش خواهد یافت.

از طرف دیگر برقگیر با ظرفیت جذب انرژی بالاتر احتمال بروز خطا را کاهش می‌دهد.

با توجه به این موارد روش کلی انتخاب Uc و Ur بدین صورت است که ابتدا پارامترهای شبکه نظیر حداکثر ولتاژ شبکه و نحوه زمین شدن شبکه و همچنین شرایط بهره‌برداری که ممکن است عادی یا غیر عادی باشد، مشخص می‌گردد.

سپس اطلاعات مربوط به برقگیرها با در نظر گرفتن شرایط زیر مورد بررسی قرار گرفته و برقگیر با ولتاژ Uc و Ur مناسب انتخاب می‌گردد.

۱- برقگیر باید از نظر حرارتی بتواند ولتاژ شبکه را بطور دائم تحمل نماید که چنانچه Uc > Uca انتخاب شود این شرط ارضاء خواهد شد.

۲- برقگیر ظرفیت جذب انرژی کافی برای تحمل شوک حرارتی ناشی از تخلیه امواج ضربه‌ای را داشته باشد که انتخاب ظرفیت انرژی برای برقگیر تابع عوامل زیادی از جمله تجربه عملی، آمار اتصالی‌ها در شبکه، آمار طوفانهای همراه با برخورد صاعقه به خط و اطلاعات لازم در مورد کلاس تخلیه خط می‌باشد.

۳- استقامت الکتریکی برقگیر متناسب با اضافه ولتاژهای موقت موجود در شبکه انتخاب شده باشد که برای ارضاء این شرط بایستی ابتدا TOV معادل ده ثانیه‌ای TOV ایجاد شده در شبکه محاسبه گردیده و ولتاژ نامی برقگیر بزرگتر یا مساوی این مقدار انتخاب گردد.

۴-۱- مقدمه استفاده از برقگیرهای اکسید فلزی برای حفاظت از تاسیسات و دستگاههای الکتریکی همچون ترانسفورماتورها در مقابل اضافه ولتاژها که از سالهای دهه ۱۹۷۰ آغاز گردیده است.

روز به روز در کشورهای مختلف جهان از جمله در کشور ما ایران گسترش می‌یابد.

بخش اصلی این برقگیرها وریستورهایی بصورت سرامیک هستند که ماده تشکیل دهنده شان آمیزه‌ای از اکسیدهای فلزات مختلف است.

قسمت اصلی این سرامیکها را اکسید روی تشکیل می‌دهد و اکسیدها دیگری از قبیل آنتیموان،‌بیسموت، منگنز و کبالت به آن اضافه شده‌اند.

با توجه به اینکه اکسید روی حدود ۹۵ درصد این وریستورها را تشکیل می‌دهد.

برقگیرهای مذکرو را معمولا تحت عنوان اکسید روی می‌شناسند.

لذا ما نیز در این پروژه آنها را تحت همین عنوان خواهیم نامید.

در این برقگیرها تعدادی قرص سرامیک اکسید روی بصورت سری – موازی با یکدیگر در داخل یک پوشش از جنس پرسلین یا صمغ مصنوعی در محیطی از هوا قرار داده شده‌اند.

پوشش خارجی مذکور در معرض آلودگی‌های جوی و صنعتی می‌باشد.

این آلودگی‌های سطحی می توانند در کار آن اختلال بوجود آورند.

عدم طراحی صحیح حرارتی و الکتریکی محفظه برقگیر نیز ممکنست به علت عدم کیفیت لازم مواد مصرفی، صحیح طی نشدن مراحل ساخت و یا ایرادات موجود در الکترودهای دو سر قرص‌ها نتوانند وظیفه خود را به نحو احسن انجام دهند و لذا طول عمر مناسب را دارا نباشند.

اینک به شرح یکایک موارد فوق خواهیم پرداخت: ۴-۲- اشکالات مربوط به طراحی و ساخت برقگیر (۴): چون برقگیر اکسید روی فاقد فاصله هوایی است همیشه تحت ولتاژ شبکه قرار دارد.

در نتیجه یک جریان نشتی کوچک از آن می‌گذرد که آنرا اندکی گرم می‌کند.

در شکل (۴-۱) شکل ولتاژ متناوب اعمال شده و جریان نشتی بقگیر zno که توسط اسیلوسکوپ ثبت شده دیده می‌شود.

مقدار موثر ولتاژ اعمال شده متناوب ۴۶۰۰ ولت بوده که در دمای ۸۵ درجه سلسیوس به یک وریستور به قطر و به ارتفاع ۴۰ میلی متر اعمال گردیده است.

هر خانه در جهت عمودی نشان دهنده ۲۵۰ میکروآمپر می‌باشد.

جهت اندازه‌گیری جریان از مقاومت سری به مقدار ۱۰ کیلو اهم استفاده بعمل آمده است.

شکل (۴-۱): شکل موج ولتاژ متناوب اعمال شده و جریان نشتی در برقگیر اکسید روی همانگونه که ملاحظه می‌گردد موج جریان به علت داشتن مولفه‌خازنی نسبت به ولتاژ پیش فاز است.

این موج از دو مولفه تشکیل شده است:‌مولفه جریان رآکتیو که بستگی به ظرفیت خازنی وریستورها داشته و یا ولتاژ ۹۰ درجه اختلاف فاز دارد و مولفه جریان آکتیو یا مقاومتی که با ولتاژ همفاز بوده و مسئولیت گرم شدن وریستورها را بعهده دارد.

اگر توان ورودی به برقگیر از طریق شبکه p و گرمای دفع شده از آن به محیط بیرون مساوی Q باشد.

در حالت عادی و پایدار P=Q خواهد بود و این شرط بر قراری تعادل حرارتی و ثابت ماندن دمای برقگیر است.

حال اگر به عنوان مثال یک موج صاعقه به برقگیر برسد و از طریق آن تخلیه شود.

توان اضافی در برقگیر وارد شده و P بالا می‌رود و لذا باید توان گرمایی دفع شده Q نیز بالا رود تا همچنان تعادل حرارتی برقرار بماند.

رابطه ریاضی هر یک از توانهای ورودی P و خروجی Q به شکل زیر است: (۴-۱) (۴-۲) که در آن: =U ولتاژ اعمالی به برقگیر.

=A ثابت ریچارد سون.

=T درجه حرارت وریستور بر حسب Kْ =q بار الکتریکی الکترون =(۱۹-)^۱۰×۶٫

۱ کولمب.

= ارتفاع سد پتانسیل بر حسب ولت.

=k ثابت بولتزمن =h ضریب تبادل حرارتی بین برقگیر و محیط اطرافش.

=s مساحت سطح تبادل حرارت.

=T اختلاف دمای وریستور نسبت به محیط خارج می‌باشد.

شکل (۴-۲): تعادل حرارتی یک برقگیر اکسید روی بنابر شکل ۲ در حالت تعادل، نقطه کار حرارتی در A واقع شده است باوارد شدن تنش الکتریکی اضافی، مثلا در زمان تخلیه یک اضافه ولتاژ توسط برقگیر، گرما در آن تولید می‌شود و نقطه کار روی منحنی P=f(T) جابجا می‌گردد.

اگر نقطه کار جدید در سمت چپ نقطه B باشد.

توان وارده کوچکتر از توان قابل تخلیه توسط برقگیر است و لذا برقگیر خنک می‌شود و نقطه کار به A باز می‌گردد.

اما اگر گرم شدن وریستورها به نحوی باشد که نقطه کار از B بالاتر رود.

توان اخذ شده بزرگتر و توان قابل دفع به وسیله برقگیر است و در نتیجه ناپایداری حرراتی پیش خواهد آمد واضح است که توانایی دفع حرارت بطور طبیعی از برقگیر به بیرون محدود است.

هر بار که P بالاتر رود به علت گرمتر شدن وریستورها و حضور دائمی ولتاژ شبکه روی برقگیر جریان نشتی نیز بالا می‌رود و گرمای بیشتری در داخل وریستورها تولید می‌شود.

این امر به نوبهه خود بر مقدار جریان می‌افزاید .

اگر این جریان ادامه پیدا کند و مقدار گرمای تولید شده بیشتر از گرمای دفع شده باقی بماند دمای داخلی محفظه برقگیر به مقدار کنترل نشده‌ای بالا رفته و منجر به خرابی برقگیر خواهد شد.

این پدیده را ناپایداری حرارتی می‌نامند.

طراحی محفظه برقگیر و تعداد قرص‌های سری – موازی شده باید به نحوی باشد که بتواند تنش‌های حرارتی – الکتریکی معمول را بدون ایجاد ناپایداری حرارتی تحمل نماید.

۴-۳- پایین بودن کیفیت قرص‌های وریستور (۴): وریستورهای اکسید روی بر اساس یک روش تهیه سرامیک بدست می‌آیند .

اکسیدها و نمکهای فلزی لازم که باید دارای خلوص بسیار زیاد باشند بصورت پودر به مقادیر معین با یکدیگر مخلوط شده همراه با آب مقطر به مدت زیاد ساییده می‌شوند.

سپس خشک شده تا دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شوند.

سپس از الکهایی با سوراخهای بسیار ریز عبور داده شده و توزین در داخل قالبهایی استوانه‌ای شکل پرس می‌گردند.

قطعاتی که به این شکل تولید شده‌اند تا دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شوند تا مواد آلی کمکی داخل آنها سوزانده شوند.

سپس سرامیک حاصله در دمای ۱۳۰۰-۱۱۰۰ درجه سانتیگراد پخته می‌شود.

این اعمال باعث می‌شود که سرامیک سخت و فشرده شده، ساختمان میکروسکوپی آن شکل پیدا کند و اکسیدهای مختلف در داخل ذرات اکسید نفوذ نماید.

وجود اکسیدهای فلزی اضافی نقش بسزایی در خواص وریستور دارد.

سطح جانبی قطعات استوانه‌ای که به این صورت آماده می‌شوند با یک لایه عایق محافظ به ضخامت ۵۰ تا ۲۰۰ میکرون پوشانده و دو قاعده آنها متالیزه می‌گردند تا دارای دو الکترود شوند.

کیفیت محصول نهایی به شدت تحت تاثیر کیفیت و خلوص مواد تشکیل دهنده و درصد هر یکا زآنها، طرز دانه‌بندی و ابعاد ذرات، شکل منحنی تغییرات درجه حرارت کوره در هنگام عملیات حرارتی بر روی سرامیک و نیز نوع و کیفیت الکترودها می‌باشد.

در صورتی که موارد فوق دقیقا رعایت نشود جریان نشتی وریستور تحت ولتاژ نامی بالا بوده خاصیت غیر خطی آن ضعیف خواهد بود و یا ظرفیت تحمل حرارتی کمی خواهد داشت که هر یک از این موارد باعث اختلال در کار برقگیر و خرابی آن در طول زمان خواهد گردید.

۴-۴- پیرشدن قرص‌های اکسید روی تحت ولتاژ نامی در طول زمان (۴): ولتاژ نامی شبکه در دمای میحط که در طول مدت زمانی به طور دائم به برقگیر اعمال می‌شود.

ممکن است در برخی از انواع وریستور پیری ا یجاد نماید.

این نوع خراب شدن وریستور که عبارت از یک تغییر بسیار کند خواص ذرات ماده در طول زمان است.

منجر به کاهش ارتفاع سدهای پتانسیل شاتکی۱ موجود در مرز بین دانه‌های اکسید روی می‌شود.

سدهای مزبور عامل خواص غیر خطی وریستور اکسید روی هستند و با ضعیف شدن آنها کیفیت وریستور تنزل خواهد کرد.

میزان این پیر شدن بستگی به طبیعت و کیفیت سرامیک مورد استفاده و میزان و نوع اکسیدهای اضافه شده دارد و در انواع جدید برقگیر ممکن است به یک میزان قابل صرفنظر کاهش یافته باشد.

۴-۵- نوع متالیزاسیون مورد استفاده روی قاعده قرص‌های اکسید روی(۴): همانگونه که ذکر شد دو قاعده وریستورها به منظور ایجاد الکترود متالیزه می‌شود (شکل ۴-۳).

این متالیزاسیون می‌تواند از طرقی مانند قرار دادن یک مرکب نقره و پاشیدن آلومینیوم مذاب بر روی آن ایجاد شود.

کیفیت این امر نقش مهمی در مقاومت الکتریکی آن و در نتیجه ولتاژ باقیمانده کل برقگیر دارد.

در صورتی که این سطح متالیزه در اثر اکسید شدن مقاومت بالایی پیدا نماید، یک اتصال الکتریکی نامرغوب بدست خواهد داد.

متالیزاسیون نقره‌ای کیفیت بالاتری نسبت به آلومینیوم دارد.

یکی از راههای حفاظت این الکترودها در مقابل اکسیداسیون قرار دادن وریستورها در روغن است.

شکل (۴-۳): وریستور اکسید روی به منظور نشان دادن نقش مقاومت اتصال در الکترودها بر روی عملکرد برقگیر نسبت به انجام آزمایش زیر اقدام می‌کنیم.

می‌دانیم که معمولا یک وریستور با ارتفاع بیشتر از ۴۰ میلیمتر ساخته نمی‌شود.

لذا برای داشتن ارتفاع بالاتر ستون وریستور باید چند قرص اکسید روی را با یکدیگر سری کرد.

در اینجاست که نقش مقاومت اتصال بین وریستورها اهمیت پیدا می‌کند.

یک فضا ساز فلزی با مقاومت قابل صرفنظر را بین دو وریستور قرار می‌دهیم تا بدین وسیله تعداد اتصالهای سری را که در حالت عادی برابر با ۳ عدد است، به ۴ عدد برسانیم، (شکل ۴-۴).

سپس در دو حالت یا ۳ کنتاکت و یا ۴ کنتاکت ، موج جریانی به برقگیر وارد می‌کنیم، در این آزمایش در هر دو حالت فوق‌الذکر مقدار شارژ خازن ژنراتور ضربه یکسان است.

شکل (۴-۴): دو وریستور اکسید روی سری همراه با فضاساز یا بدون آن شکل (۴-۵): مولد موج ضربه مورد استفاده در این آزمایش ها از مولد موج ضربه شکل (۴-۵) استفاده شده است.

مقایسه مقادیر ماکزیمم موج جریان نشان می‌دهد که در حالت با ۴ کنتاکت، جریان از ۳ کیلوآمپر به ۷/۲ کیلوآمپر کاهش یافته که یک تنزل ۳۰۰ آمپری را نشان می‌دهد.

این کاهش به علت ازدیاد مقاومت اتصال به سبب افزودن فضاساز ایجاد گردیده است .

یک محاسبه ساده نشان می‌دهد که مقاومت اتصال مقداری برابر ۵۷/۰ اهم داشته است.

این مقاومت اضافی در صورت عبور جریان تخلیه ۵ کیلو آمپر از برقگیر باعث افزودن ولتاژ باقیمانده به میزان بیش از ۵/۲ کیلوولت خواهد گردید.

وریستورهای استفاده شده در این آزمایش دارای الکترودهای آلومینیومی کم و بیش اکسیده بودند که اتصال بدی را نتیجه می‌دادند.

یک آزمایش دیگر با وریستورهای دارای الکترود نقره‌ای ، مقاومتی مساوی با ۰۲/۰ اهم را نشان می‌دهد.

۴-۶- عدم کیفیت لازم عایق سطحی روی وریستورها ]۴[ وظیفه عایق سطحی روی وریستورها، شکل (۴-۳) ، بسیار با اهمیت است.

دو وظیفه مهم آن عبارت است از: الف- حفظ اکسید روی و سایر اکسیدهای همراه آن در مقابل فعل و انفعال شیمیایی با محیط، از قبیل تاثیر محیطهای کاهنده مانند روغن معدنی ترانسفورماتور روی سطح وریستور و یا فعل و انفعال با محصولات ناشی از تخلیه جزئی در فضای داخل برقگیر در طول زمان.

ب- جلوگیری از وقوع فروپاشی روی سطح وریستور در اثنای تخلیه امواج صاعقه از طریق برقگیر.

لازم به ذکر است که در صورت وقوع تخلیه از روی سطح وریستورها، علاوه بر آنکه برقگیر وظیفه خود را انجام نمی‌دهد، اضافه ولتاژ منتقل شده به ترمینالهای ترانسفورماتور مورد حفاظت ممکن است مقادیر بالایی داشته باشد و بعلاوه شب پیشانی موج نیز به نحوی باشد که باعث وقوع شکست در عایق سیم‌پیچ گردد.

توزیع غیر یکنواخت ولتاژ ضربه روی سیم‌پیچ این امر را تشدید خواهد کرد.

بنابراین روکش عایقی سطح قرص‌های اکسید روی اهمیت بسزایی در عملکرد صحیح برقگیر دارد و در صورتی که در اثر عواملی از قبیل تخلیه جزئی، وقوع شکست سطحی، پدید آمدن تنش‌های حرارتی بزرگ و مانند آن این روکش ترک بخورد یا کنده شود، نقطه ضعف بزرگی برای برقگیر پدید می‌آید که آنرا در طول زمان از بین خواهد برد.

آزمایش‌ها نشان می‌دهد که پوشش‌های شیشه‌ای دارای مقاومت بهتری نسبت به پوشش‌های رزینی هستند.

۴-۷- اشکالات مربوط به انتخاب نوع برقگیر و محل آن در شبکه ۴-۷-۱- پایین‌بودن ظرفیت برقگیر مورد انتخاب نسبت به قدرت صاعقه‌های موجود در محل با توجه به سطح ایزوکرنیک و میزان احتمال وقوع صاعقه با پیشانی موج و دامنه مشخص ظرفیت خاصی برای برقگیر انتخاب می‌شود که از جمله این موارد ۵/۲ کیلو آمپر ، ۵ کیلو آمپر ، ۱۰ کیلو آمپر و یا بیشتر است.

این عدد دامنه موج جریان تست برقگیر را نشان می‌دهد.

اگر ظرفیت برقگیر مورد انتخاب با توجه به مطالب فوق کافی نباشد، احتمال خرابی آن بالا می‌رود.

توضی آنکه وریستورهای اکسید روی در اثر تخلیه جریان صاعقه دچار تنزل کیفیت می‌شوند که میزان آن بستگی به میزان بزرگی موج وارده دارد.

برای نشان دادن این امر طی آزمایشی امواج ضربه جریانی با دامنه بزرگ به یک وریستور به قطر و ارتفاع ۴۰ میلیمتر وارد می‌شود.

پوشش عایقی این وریستور از جنس شیشه می‌باشد.

به منظور جلوگیری از شکست سطحی وریستور آن را در داخل روغن قرار داده و آزمایش را انجام می‌دهیم.

در شکل (۴-۷) مشخصه جریان – ولتاژ وریستور مزبور قبل و بعد از اعمال سه موج ضربه ۲۰ کیلو آمپر و ۲ موج ضربه ۶۵ کیلوآمپر با مدت زمان ۱۵/۵ میکروثانیه دیده می‌شود.

همانگونه که ملاحظه می‌گردد، جریان نشتی وریستور افزایش و ولتاژ آستانه هدایت آن کاهش یافته است که این امر پایین آمدن کیفیت وریستور را نشان می‌دهد.

لازم به ذکر است که تخلیه یک موج جریان ۶۵ کیلو آمپر در چنین وریستوری ولتاژ باقیمانده ماکزیمم در حدود بیش از ۲۰ کیلو ولت را در دو سر آن نتیجه خواهد داد.

لذا انرژی تخلیه شده موجی در وریستور در حدود ۱۵ هزار ژول خواهد بود که چگالی حجمی آن در حدود ۳۰۰ ژول بر سانتی‌متر مکعب خواهد گردید.

شکل (۴-۷): مشخصه جریان – ولتاژ یک وریستور قبل و بعد از تحمل موج‌های جریانی با دامنه بزرگ اگر سطح مقطع و نسبت تحمل انرژی وریستور را با توجه به سطح صفحه در صفحه‌ها متناسب انتخاب شده باشد برقگیر دچار خرابی زودرس خواهد گردید.

با توجه به تنزل کیفیت آن پس از تخلیه صاعقه جریان نشتی بالاتری پیدا کرده و در دمای بالاتر کار خواهد کرد.

چنین برقگیری هرچند ظاهراً مشکلی ندارد ولی ممکن است به تدریج به حد ناپایداری حرارتی رسیده و بعد از اصابت یک صاعقه سنگین دچار خرابی نهایی و انفجار گردد.

۴-۷-۲- پایین بودن ولتاژ آستانه برقگیر انتخاب شده نسبت به سطح TOV انتخاب برقگیر اکسید روی باید به نحوی باشد که ولتاژ آستانه هدایت آن به قدر کافی بالاتر از سطح اضافه ولتاژهای موقت (TOV) شبکه در محل نصب آن باشد.

در غیر اینصورت در صورت وقوع چنین اضافه ولتاژهایی که متناوب هستند، انرژی بسیار بالایی در برقگیر تخلیه می‌شود که خرابی را به همراه خواهد داشت.

به خصوص با توجه به پیدایش اضافه ولتاژهای بزرگ ناشی از فرورزونانس در شبکه‌های فعلی،باید برقگیرها به نحوی طراحی شده باشند که بتوانند این اضافه ولتاژهای پایدار روی شبکه را بدون وقوع ناپایداری حرارتی تحمل نمایند.

۴-۸- اشکالات ناشی از نحوه نگهداری و بهره‌برداری از برقگیر ۴-۸-۱- وجود تخلیه جزئی در داخل محفظه برقگیر اگر بعلتی مثلاً نفوذ رطوبت، در داخل محفظه برقگیر تخلیه جزئی پیش بیاید، این امر باعث خرابی تدریجی وریستورها می‌گردد.

مطالعات اخیر نشان داده‌اند که تاثیرات شیمیایی ناشی از این پدیده، علاوه بر مستعد نمودن قرص‌ها جهت ایجاد شکست در اثر امواج صاعقه روی سطح آنها، لایه سطحی قرص‌های اکسید روی را خراب می‌کند و از خاصیت غیر خطی آنها می‌کاهد .

لذا وجود تخلیه جزئی باعث کاهش طول عمر برقگیر می‌گردد.

۴-۸-۲- آلودگی سطح خارجی محفظه برقگیر عمل کثافت سطحی روی برقگیرهای اکسید روی پدیده‌ای پیچیده است.

این آلودگی‌ها اگر از نوع نمکی باشند در هنگام رطوبت و اگر از نوع فلزی یا دوده باشند در حالت خشک یا تر دارای تاثیر منفی روی عملکرد برقگیر هستند.

آلودگی‌های سطحی بطور یکنواخت روی سطح خارجی محفظه برقگیر توزیع نمی‌شوند و لذا علاوه بر نزدیک نمودن الکترودها و کوتاه کردن فاصله عایقی، نحوه توزیع پتانسیل روی سطح برقگیر را نیز تغییر می‌دهند.

بنابراین دو توزیع پتانسیل متفاوت وجود خواهد داشت که یکی بوسیله وریستورهای اکسید روی در داخل برقگیر اعمال می‌شود و دیگری توسط لایه آلودگی سطحی در خارج برقگیر تحمل می‌گردد.

گرادیان‌هایی که بین این دو توزیع پتانسیل ظاهر می‌شود، پدیده‌ای مزاحم است.

این پدیده می‌تواند باعث گرم شدن موضعی قرص‌ها شود و یا ایجاد تخلیه جزئی بین ستون وریستورها و محفظه برقگیر بنماید.

این امر باعث کاهش طول عمر برقگیر خواهد بود.

البته عملکرد برقگیرهای اکسید روی فعلی در برابر آلودگی سطحی از رفتار برقگیرهای سیلیکون کارباید در این مورد بسیار بهتر است.

در برقگیرهای سیلیکون کارباید، تغییرات نحوه توزیع ولتاژ می‌تواند به ایجاد تخلیه در فاصله‌های هوایی سری با قرص‌های برقگیر، حتی تحت ولتاژ نامی، منجر شود که خرابی برقگیر را نتیجه خواهد داد، زیرا برقگیر نمی‌تواند در این شرایط خود را از قوس ایجاد شده برهاند.

به منظور جلوگیری از تاثیرات فوق باید سطح خارجی برقگیرها را با برنامه زمانی معین شستشو داد.

راه دیگر رهایی از مشکل آلودگی اکسید روی، قرار دادن وریستورها در داخل تانک ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن است که آنها را در برابر آلودگی‌های خارجی محافظت خواهد نمود.

۴-۸-۳- اکسید شدن و خرابی اتصالات خارجی برقگیر(۴): در صورت خرابی یا شل شدن کنتاکتهای مدار خارجی برقگیر یا اتصالات زمین، افت ولتاژ روی آنها در هنگام تخلیه جریان صاعقه بالا می‌رود.

این افت ولتاژها با ولتاژ باقیمانده دو سر برقگیر جمع شده و نتیجه آنها به عایق دستگاه مورد حفاظت (ترانسفورماتور) اعمال می‌گردد که ممکن است به آن صدمه برساند.

۵-۱- مقدمه: فورزنانس یکی از پدیده‌های نادر و مخرب در شبکه‌های قدرت می‌باشد.

که به دلیل وقوع تصادفی و کم تعداد بودن آن در سیستمهای قدرت اطلاعات دقیق، کامل و تدوین شده بسیار کمی در دسترس مهندسین و متخصین برق قرار دارد.

وقوع تعدادی از حوادث که سالانه در شبکه‌های قدرت اتفاق می‌افتد و اغلب آنها قابل تفسیر نمی‌باشند می‌تواند به دلیل وقوع این پدیده مخرب و پیچیده باشد.

شناخت پدیده فرورزنانس می‌تواند در تفسیر برخی حوادث مبهم ناشی از وقوع این پدیده در شبکه ‌های قدرت و نیز جلوگیری از تکرار آن کمک نماید.

در فصل حاضر ابتدا بطور مختصر به شرایط وقوع پدیده فرورزنانس در سیستمهای قدرت پرداخته و پس از آن با استفاده از نرم افزار EMTP حادثه مورخ ۲۸/۲/۱۳۸۱ پست ۲۳۰/۴۰۰ کیلوولت پست شهید کشوری کرمانشاه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۵-۲- شناسایی پدیده فرورزونانس: فرورزنانس یک پدیده رزنانس غیر خطی است که می‌تواند روی شبکه‌های قدرت تاثیر گذارد.

مقایدر غیر عددی هارمونیک‌ها و یا اضافه ولتاژ یا اضافه جریانهای گذرا یا پایدار که توسط آن ایجاد می‌گردد معمولا برای تجهیزات برقی خطرناک است.

بعضی از شکست‌های الکتریکی توجیه نشده را می‌توان به این پدیده غیر خطی نادر نسبت داد.

واژه فرورزنانس که تقریبا از اواخر دهه دوم قرن بیستم وارد مقالات و کتابها گردید، به کلیه پدیده‌های نوسانی رخ داده در مدارهای الکتریکی اطلاق می‌گردد که این مدارها حداقل شامل آیتم‌های زیر باشند: الف) سلف غیر خطی (فرومغناطیس قابل اشباع).

ب) خازن.

ج) منبع ولتاژ (عموما سینوسی).

د) تلفات بسیار کم.

شبکه‌های قدرت شامل تعداد بسیار زیادی از این سلف‌های قابل اشباع مانند ترانسفورماتورهای قدرت، ترانسفورماتورهای ولتاژ، راکتورهای شنت می‌باشد همچنین به عنوان خازن می‌توان از کابلها، خطوط هوایی بلند، ترانسفورماتورهای ولتاژ خازنی، بانکهای خازنی موازی با پل بریکرها نام برد.

اینها تجهیزاتی هستند که می‌توانند شرایط وقوع فرورزنانس را ایجاد نمایند.

بزرگترین مشخصه این پدیده این است که احتمال وجود بیش از یک پاسخ حالت پایدار برای یک نوع آرایش از پاراماترهای شبهک وجود دارد.

حالتهای گذرا، اضافه ولتاژهای رعد برق، برقدار یا بی برق کردن ترانسفورماتورها و وقوع خطاها می‌تواند موجب شروع فرورزنانس گردد که در این صورت پاسخ شبکه در یک حالت پایدار سیوسی – فرکانس منبع به پاسخ حالت پایدار فرورزونانسی دیگر با اضافه ولتاژهای بالا و سطوح مختلف هارمونیکی که می‌تواند برای تجهیزات بسیار مضر باشد جهش نماید.

اطلاعات مختصری درباره این پدیده پیچیده بدست آمده است زیرا که این پدیده بسیار نادر بوده و با روشهای محاسباتی معمول که مهندسین برق استفاده می‌کنند قابل تجزیه و تحلیل و حدس زدن نمی‌باشد.

و این ضعف اطلاعات باعث می‌شود که علت تعدادی از حوادث و انهدام و تخریب تجهیزات که توجیه نشده‌اند، پدیده فرورزنانس به نظر آید.

۵-۳-فرورزونانس ۵-۳-۱- فرورزونانس سری یا ولتاژی: مدار RLC زیر را در نظر بگیرید که در آن کاپاسیتانس و مقاومت خطی بوده و اندوکتانس غیر خطی (سلف با هسته آهن قابل اشباع) می‌باشد.

شکل(۵-۱) مدار RLC سری مشخصه ولت آمپر سلف مذکور با توجه به اینکه می‌دانیم مقدار ولتاژ سلف تابعی از جریان آن می‌باشد یعنی VL=F(I) بصورت منحنی یک در شکل (۵-۲) خواهد بود.

مشخصه ولت – آمپر خازن با توجه به رابطه بصورت یک خط راست یعنی منحنی ۲ و همچنین مشخصه ولت – آمپر مقاومت با توجه به رابطه V=RI نیز بصورت خط راست یعنی منحنی ۳ خواهد بود.

شکل (۵-۲): مشخصه ولت- آمپر المانهای مدار فرورزونانس سری حال اگر مقادیر مختلف ولتاژ را به مدار فوق اعمال کنیم با در نظر داشتن اینکه مقدار ولتاژ روی سلف و خازن همواره ۱۸۰ درجه با هم اختلاف فاز دارند منحنی شماره ۴ بدست می‌آید.

لازم به ذکر است هر چه قدر مقدار مقاومت کوچکتر باشد در ازای جریان Ip که VL و Vc از نظر قدر مطلق برابر هستند مقدار ولتاژ بین دو نقطه a و b کوچکتر بوه و به صفر نزدیکتر می‌شود در حوالی این نقطه که جریان هارمونیک اول با ولتاژ همفاز است، پدیده فرورزونانس روی می‌دهد.

پدیده فرورزونانس سری یا فرورزونانس ولتاژی را می‌توان با تغییر دادن مقدار ولتاژ منبع یا فرکانس آن و یا تغییر در ظرفیت خازن یا مشخصات سلف با هسته آهنی مدار، ایجاد نمود.

همانطور که گفته شد منحنی ۴ مشخصه ولت – آمپر مدار، فوق می‌باشد بار دیگر آنرا بصورت مجزا در شکل (۵-۳) نمایش داده و با افزایش تدریجی ولتاژ منبع، تغییرات جریان مدار را با توجه به منحنی مذکور بررسی می‌کنیم.

شکل(۵-۳): مشخصه ولت-آمپر مدار RLC سری با افزایش ولتاژ منبع در صفر تا V1 و از V1 تا V2 مقادیر I1 و I2 از روی منحنی بدست می‌آید حال اگر مقدار ولتاژ منبع را بار اضافه کنیم جریان از نقطه ۲ به نقطه ۴ جهش کرده دوباره مقدار افزایش آن از نقطه ۴ به نقطه ۵ از روی منحنی ادامه می‌یابد.

حال اگر ولتاژ را کاهش دهیم جریان از نقطه ۵ به ۴ و از آنجا به نقطه ۳ حرکت کرده و با کاهش بیشتر جریان از نقطه ۳ جهش کرده و روی نقطه ۱ قرار گرفته به طرف صفر حرکت می‌کند.

همانطور که دیده می‌شود با افزایش تدریجی ولتاژ منبع به V2 جریان از I2 به I4 جهش کرده و همزمان با آن اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ تغییر می‌کند بطوری که در نقطه ۲ جریان نسبت به ولتا عقب‌تر است یعنی VL>Vc ولی در نقطه ۴ جریان از ولتاژ جلوتر است یعنی Vc>VLمی‌باشد.

هنگام کاهش ولتاژ تا V1 نیز این جهش از I1 به I3 روی داده و تغییر فاز را خواهیم داشت.

این تغییرات ناگهانی جریان نسبت به تغییرات جزئی ولتاژ ورودی را عمل سوئیچینگ۱ در مدار فرورزونانس سری می‌گویند.

۵-۳-۲- فرورزونانس موازی یا فرورزنانس جریانی: مدار RLC موازی زیر را در نظر می‌گیریم: شکل (۵-۴):‌مدار RLC موازی مطابق آنچه در بخش قبلی گفته شد مشخصه ولت – آمپر سلف و خازن به ترتیب با منحنی ۱ و خط ۲ نشان داده شده است.

شکل (۵-۵).

شکل (۵-۵): مشخصه ولت – آمپر المانهای مدار فرورزونانس موازی منحنی شماره ۳ مقدار I یعنی حال جمع جبری Ic و IL می‌باشد.

پایین‌تر از نقطه P جریان Ic بزرگتر IL و بالاتر از نقطه P جریان IL بزرگتر از Ic می‌باشد.

در نقطه P که هارمونیک اول جریان راکتیو IL برابر Ic است فرورزونانس موازی یا (جریانی) روی می‌دهد.

در این حالت یعنی نقطه C در شکل (۵-۶) مجموع جریان صفر نمی‌باشد بلکه برابر هارمونیک اول مؤلفه اهمی جریان IL می‌باشد.

اگر مدار RLC فوق را به یک منبع جریان وصل کرده و مقدار جریان را به تدریج از صفر افزایش دهیم در I2 مقدار ولتاژ ورودی مدار از Va به Vb جهش می‌کند.

همچنین اگر مقدار جریان را به تدریج کاهش دهیم در I1 ولتاژ از مقدار Vc به Vd افت می‌کند.

این تغییرات ناگهانی ولتاژ را عمل سوئیچینگ در مدار فرورزونانس موازی گویند.

شکل (۵-۶):‌مشخصه ولت – آمپر مدار فرورزونانس موازی ۵-۴-طبقه‌بندی مدلهای فرورزونانس: با تجربه‌ای که از ظاهر شدن شکل موجهای مختلف در سیستم قدرت و همچنین از آزمایش‌های مختلف روی مدلهای ساده شده سیستم بدست آمده و شبیه سازی عددی،‌قادریم حالتهای فرورزونانس را به چهار حالت مختلف تقسیم کنیم این چهار حالت مربوط به حالت پایدار است یعنی وقتی که یک حالت گذرا تمام شده است زیرا برای مدار فرورزونانسی تفاوتی بین حالتهای گذرای عادی و حالت گذرای فرورزونانس وجود ندارد به هر حال باید پذیرفت که حالت فرورزونانس گذرا برای سیستم خطری ایجاد نمی‌کند.

این چهار حالت عبارتنداز: ۵-۴-۱- مدل پایه۱ در این حالت ولتاژ و جریان پریودیک می‌باشد و پریود آنها یعنی T با پریود سیستم برابر است.

شکل (۵-۷): تغییرات ولتاژ نسبت به زمان در مد پایه ۵-۴-۲- مدل زیر هارمونیک:۲ در این حالت جریان و ولتاژ با پریودی نوسان می کنند که ضریبی از پریود منبع است.

این حالت به زیر هارمونیک n‌ام یا هارمونیک ام معروف است.

حالت فرورزونانس زیر هارمونیک از مرتبه فرد است.

شکل (۵-۸): تغییرات ولتاژ نسبت به زمان در مد زیر هارمونیک ۵-۴-۳- مدل شبه پریودیک:۱ این حالت پریودیک محض نبوده ولی آشفتگی‌ها و نوسانات خود دارای پریود خاصی می‌باشند شکل (۵-۹) این حالت را نشان می‌دهد.

شکل (۵-۹): تغییرات ولتاژ نسبت به زمان در مد شبه پریودیک ۵-۴-۴- مدل آشوب گونه:۱ در این نوع فرورزونانس نوسانات کاملا اتفاقی و غیر پریودیک می‌باشند.

شکل (۵-۱۰) این حالت را نشان می‌دهد.

شکل (۵-۱۰): تغییرات ولتاژ نسبت به زمان در مد آشوب گونه

عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
۱٫۱- کلیات
۱٫۲- هدف

فصل دوم: بررسی انواع اضافه ولتاژها در سیستمهای قدرت و علل پیدایش آنها
۲-۱- مقدمه
۲-۲- انواع مختلف اضافه ولتاژها در شبکه
۲-۲-۱- اضافه ولتاژهای صاعقه
۲-۲-۱-۱- مشخصه اضافه ولتاژهای صاعقه
۲-۲-۲- اضافه ولتاژهای کلید زنی (قطع و وصل)
۲-۲-۲-۱- موج استاندارد قطع و وصل یا کلید‌زنی
۲-۲-۲-۲- علل بروز اضافه ولتاژهای کلیدزنی
۲-۲-۲-۲-۱- اضافه‌ ولتاژهای ناشی از کلید‌زنی جریان‌های سلفی و خازنی
۲-۲-۲-۲-۲- اضافه ولتاژهای کلیدزنی ناشی از تغییرات ناگهانی بار
۲-۲-۳- اضافه ولتاژهای موقت

عنوان صفحه
۲-۲-۳-۱- مقدمه
۲-۲-۳-۲- خطاهای زمین
۲-۲-۳-۳- تغییرات ناگهانی بار
۲-۲-۳-۴- اثر فرانتی
۲-۲-۳-۵- تشدید در شبکه
۲-۲-۳-۶- تشدید در خطوط موازی

فصل سوم: نحوه تعیین پارامترهای برقگیر جهت حفاظت از شبکه در مقابل اضافه ولتاژها
۳-۱- مقدمه
۳-۲- برقگیرهای اکسید روی
۳-۲-۱- ساختمان مقاومتهای غیر خطی
۳-۲-۲- منحنی ولت – آمپر غیرخطی مقاومتها
۳-۲-۳- پایداری حرارتی، اختلال حرارتی
۳-۲-۴- تعاریف و مشخصات برقگیرهای اکسید روی
۳-۲-۴-۱- ولتاژ نامی
۳-۲-۴-۲- مقدار حقیقی ولتاژ بهره‌برداری
عنوان صفحه
۳-۳-۴-۳- حداکثر ولتاژ کار دائم
۳-۳-۴-۴- فرکانس نامی
۳-۲-۴-۵- ولتاژ تخلیه
۳-۲-۴-۶- مشخصه حفاظتی برقگیر
۳-۲-۴-۷- نسبت حفاظتی
۳-۲-۴-۸- حاشیه حفاظتی
۳-۲-۴-۹- جریان مبنای برقگیر
۳-۲-۴-۱۰- ولتاژ مرجع
۳-۲-۴-۱۱- جریان دائم برقگیر
۳-۲-۴-۱۲- جریان تخلیه نامی برقگیر
۳-۲-۴-۱۳- قابلیت تحمل انرژی
۳-۲-۴-۱۴- کلاس تخلیه برقگیر
۳-۲-۵- انتخاب برقگیرها
۳-۲-۵-۱- انتخاب ولتاژ نامی و ولتاژ کار دائم برقگیر

عنوان صفحه
فصل چهارم: بررسی علل ایجاد اختلال در برقگیرهای اکسید روی
۴-۱- مقدمه
۴-۲- اشکالات مربوط به طراحی و ساخت برقگیر
۴-۳- پایین بودن کیفیت قرص‌های وریستور
۴-۴- پیرشدن قرص‌های اکسید روی تحت ولتاژ نامی در طول زمان
۴-۵- نوع متالیزاسیون مورد استفاده روی قاعده قرص‌های اکسید روی
۴-۶- عدم کیفیت لازم عایق سطحی روی وریستورها
۴-۷- اشکالات مربوط به انتخاب نوع برقگیر و محل آن در شبکه
۴-۷-۱- پایین‌بودن ظرفیت برقگیر مورد انتخاب نسبت به قدرت صاعقه‌های موجود در محل
۴-۷-۲- پایین‌بودن ولتاژ آستانه برقگیر انتخاب شده نسبت به سطح TOV
۴-۸- اشکالات ناشی از نحوه نگهداری و بهره‌برداری از برقگیر
۴-۸-۱- وجود تخلیه جزئی در داخل محفظه برقگیر
۴-۸-۲- آلودگی سطح خارجی محفظه برقگیر
۴-۸-۳- اکسید شدن و خرابی کنتاکتهای مدارات خارجی برقگیر

عنوان صفحه
فصل پنجم: شناسایی پدیده فرورزونانس و بررسی حادثه پست ۲۳۰/۴۰۰ کیلوولت شهید کشوری کرمانشاه
۵-۱- مقدمه
۵-۲- شناسایی پدیده فرورزونانس
۵-۳- فرورزونانس
۵-۳-۱- فرورزونانس سری یا ولتاژی
۵-۳-۲- فرورزونانس موازی یا فرورزونانس جریانی
۵-۴- طبقه‌بندی مدلهای فرورزونانس
۵-۴-۱- مدل پایه
۵-۴-۲- مدل زیر هارمونیک
۵-۴-۳- مدل شبه پریودیک
۵-۴-۴- مدل آشوب گونه
۵-۵- شناسایی فرورزونانس
۵-۶- جمع‌آوری اطلاعات شبکه و پست جهت شبیه‌سازی و بررسی حادثه پست شهید کشوری
۵-۷- بررسی حادثه مورخ ۲۸/۲/۸۱ پست شهید کشوری کرمانشاه
۵-۷-۱- مدلسازی و مطالعه حادثه با استفاده از نرم‌افزار emtp
۵-۷-۱-۱- رفتار برقگیرهای سمت اولیه و ثانویه ترانسفورماتور در هنگام وقوع حادثه
عنوان صفحه
۵-۷-۱-۲- رفتار برقگیر فاز T سمت KV230 ترانسفورماتور در هنگام وقوع حادثه
۵-۷-۱-۳- بررسی روشهای جهت جلوگیری از وقوع پدیده فرورزونانس در پست شهید کشوری کرمانشاه
الف- وجود بار در سمت ثانویه ترانسفورماتور
ب- ترانسپوز کردن خط بیستون – کرمانشاه

فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات
۶-۱- نتیجه‌گیری و پیشنهادات

ضمائم
منابع و مراجع