مقدمه

برق‌گیرها مهم‌ترین وسایل حفاظت کننده عایق تجهیزات پست در مقابل انواع مختلف اضافه ولتاژهاي مـوجی ناشـی از صـاعقه وکلیدزنی (در رده‌های بالاي ولتاژ، اضافه ولتاژهاي ناشی از کلید زنی و در رده‌های ولتاژهاي پایین‌تر اضافه ولتاژهاي ناشـی از صاعقه دارای اهمیت است) می‌باشند. بدیهی است که سلامت تجهیزاتی که توسط برق‌گیرها حفاظت می‌گردند منـوط بـه انتخـاب صـحیح مشخصه‌های برق‌گیر می‌باشد. انتخاب برق‌گیر براي هر کاربرد خاص، مصالح‌های بین سطوح حفاظتی برق‌گیر، قابلیـت تحمـل اضـافه ولتاژهاي موقت (TOV) و ظرفیت جذب انرژي توسط برق‌گیر می‌باشد. افزایش قابلیت تحمل اضافه ولتاژهاي موقت، یعنـی انتخاب ولتاژ نامی بزرگ‌تر، امکان سالم ماندن برق‌گیر در ازاي تنش‌های ولتاژي سیستم را افزایش می‌دهد اما در مقابل حاشیه ایمنی فراهم شده توسط برق‌گیر را به ازاي یک سطح حفاظتی یکسان کاهش می‌دهد. انتخاب برق‌گیری با ظرفیت جذب انرژي بالاتر احتمال بروز خطا را کاهش می‌دهد اما از طرف دیگر موجب افزایش قیمت برق‌گیر می‌گردد. در صورتی کـه اطلاعـات صـحیحی از سـطوح استقامت عایقی تجهیزات مورد حفاظت و تنش‌های ولتاژي ایجاد شده در محل تجهیز موردنظر در ازاي عوامل مختلف در دسترس باشـد آنگاه این امکان وجود دارد که مشخصه‌های بهینه‌ای براي برق‌گیر انتخاب گردند. این انتخاب بهینه همچنـین مسـتلزم داشـتن اطلاعات کاملی از مشخصات برق‌گیر مورد استفاده براي حفاظت تجهیز موردنظر است. این مشخصه‌ها معمولاً توسط سازنده در اختیـار خریدار قرار می‌گیرند.

در این فصل، روش قدم به قدم طراحی، جهت انتخاب مشخصه‌های برق‌گیر تشریح می‌گردد.

2-1- اصول کلی کاربرد برق‌گیرها

استاندارد IEC شماره 60071 ولتاژهاي تحمل عایقی را براي حداکثر ولتاژ تجهیز (Um) به دو رده زیر تقسیم بندي می‌کند:

 ـ شبکه‌هایی که در برگیرنده ولتاژهاي بالاتر از 1 کیلوولت تا 245 کیلوولت می‌باشند.

ـ شبکه‌هایی که در برگیرنده ولتاژهاي بالاتر از 245 کیلوولت هستند.

براي شبکه‌هایی که در رده اول قرار می‌گیرند بیشترین خطر براي تجهیز به‌واسطه القاء و برخورد مستقیم ضربات صاعقه به خطوط هوایی متصله به پست به وقوع می‌پیوندد. در سیستم‌هایی که در محدوده دسته دوم قرار می‌گیرند علاوه بر عوامل دسته اول، اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی داراي اهمیت بیشتري نسبت به سایر عوامل می‌گردند. اضافه ولتاژهـا ممکـن اسـت موجـب بـروز قوس الکتریکی و صدمات قابل توجهی بر روي تجهیز گردنـد و در نتیجـه موجـب بـه خطـر افتـادن شـبکه قـدرت سـرویس دهنـده به مصرف کنندگان گردند. بنابراین ضروري است که جهت پرهیز از این‌گونه وقایع، همـاهنگی مناسـبی بـین برق‌گیرها و سـطح عایقی تجهیزات صورت گیرد.

برق‌گیرها باید قادر به فراهم کردن شبکه‌ای باقابلیت اطمینان مناسب باشند. آن‌ها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که با در نظر گرفتن شرایط محیطی، سطح این اضافه ولتاژها را تا حد معینی پایین آورده و از صدمه دیدن تجهیزات جلوگیري به عمل می‌آورند.

به‌طور کلی شبکه‌های قدرت در معرض تنش‌های ولتاژي زیر قرار دارند:

- ولتاژ کار دائم

- اضافه ولتاژهاي موقت

- اضافه ولتاژهاي با پیشانی کند (صاعقه، کلید زنی)

- اضافه ولتاژهاي با پیشانی تند

2-2- روش گام به گام انتخاب پارامترهاي برق‌گیر

پارامترهاي برق‌گیر را می‌توان مطابق روش گام به گامی که در فلوچارت شکل (2-1) نشان داده شده است، انتخـاب نمـود. روال این گام‌ها به شرح ذیل می‌باشد:

2-2-1- انتخاب ولتاژ کار دائم برق‌گیر (UC)

مقدارUC براي برق‌گیرهایZnO، با در نظر گرفتن پدیده پیري، توزیع ولتاژ غیریکنواخت و تنش‌های انرژي ایجاد شـده به‌وسیله امواج ضربه صاعقه و کلید زنی به همراه پایداري حرارتی مشخص می‌شود.  

یک برق‌گیر کامل با محفظه، المان‌های داخلی و رینگ‌های توزیع کننده میدان (در صورت وجود) باید براي یـکUc معـین طراحی گردد. این مقدار ولتاژ کار دائم باید بر اساس آزمون‌های نوعی هم براي بخش‌ها و هم براي برق‌گیر کامل تحقیق شود.

جهت ایجاد تمایز بین مقدار مؤثر ولتاژ واقعی (پیک ولتاژ واقعی تقسیم بر  ) اعمال شده به دو سر ترمینال‌های برق‌گیر و ولتـاژ کار دائمUc، این ولتاژ را با علامت Uca مشخص می‌کنیم. Uc همیشه باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که بزرگ‌تر یـا معـادل بـاUca باشد.

در سیستم‌های معمولی، میزان افزایش پیک ولتاژ به‌وسیله هارمونیک‌ها را می‌توان به‌وسیله ضـرب فـاکتور ایمنـی 05/1 در ولتاژ فرکانس قدرت به‌حساب آورد. بر اساس یک قانون کلی، ولتاژ کار دائم می‌بایستی به‌صورت زیر محاسبه شود:

- در سیستم‌های با برطرف کننده خطاي زمین اتوماتیک، معادل یا بزرگ‌تر از مقدار پیک حداکثر ولتاژ کاری فاز به زمین تقسیم بر 2 براي برق‌گیرهای فاز ـ زمین و معادل یا بزرگ‌تر از مقدار پیک حداکثر ولتاژ کاری فاز به فاز براي برق‌گیرهای فاز ـ فاز است:

1-2() براي برق‌گیر فاز ـ زمین (Uc ‡ (Uca = Um

 (2-2)

(Uc ‡ (Uca = Um براي برق‌گیر فاز ـ فاز

ـ در سیستم‌های که نوترال آن‌ها زمین نشده یا با امپدانس زمین شده است (رزونانسی)، معادل یا بزرگ‌تر از ماکزیمم ولتاژ کاری در نظر گرفته شود.

(2-3) برق‌گیر فاز ـ زمین و برق‌گیر فاز ـ فازUc ‡ Uca = Um

نکته: براي این قبیل سیستم‌ها (نوترال ایزوله یا رزونانسی) فاکتور ایمنی 05/1 بـراي پوشـش دادن محـدودیت مـدت زمـان تداوم خطای زمین در “مشخصه ولتاژ استقامت فرکانس قدرت برحسب زمان برق‌گیر” در نظر گرفته می‌شود.

اگر حداکثر ولتاژ کاری در محل برق‌گیر به‌درستی مشخص نباشد، مقدارUm باید معادل بـا حـداکثر ولتـاژ سیسـتم یـا حـداکثر ولتاژ تجهیزات مورد استفاده در آن محل انتخاب گردد.

2-2-2- انتخاب اولیه براي ولتاژ نامی برق‌گیر

ولتاژ نامی برق‌گیرهای اکسید فلز به‌صورت توانایی برق‌گیر در تحمـل اضـافه ولتاژهـاي بـرآورد شـده از آزمون‌های دوره کاری مشخص می‌گردد. برق‌گیرهای متفاوت ممکن است داراي Uc یکسان باشند اما با ولتاژهاي نـامی متفـاوت. یعنـی اینکـه آن‌ها برای ولتاژهای شبکه یکسانی طراحی شده‌اند اما نیازمندی‌های اضافه ولتاژ موقت متفاوتی را برآورده می‌سازند.

ولتاژ نامی برق‌گیر بر اساس اضافه ولتاژهاي موقت شبکه در محل برق‌گیر و با در نظر گرفتن مدت زمان استمرار و دامنه آن‌ها تعیین می‌گردد. نیاز اساسی آن است که مشخصه ولتاژ استقامت فرکانس قدرت برحسب زمان برق‌گیر باید بزرگ‌تر از مشخصه دامنـه اضافه ولتاژهای موقت شبکه برحسب مدت زمان تداوم آن‌ها باشد. به عبارت دیگر مشخصه ولتاژ استقامت فرکـانس قـدرت برحسـب زمـان برق‌گیر باید این مشخصه شبکه را پوشش دهد. براي برق‌گیرهای اکسید فلز تمامی ولتاژهایی کـه بزرگ‌تر ازUc هسـتند به‌صورت ولتاژ موقت (TOV) تعریف می‌گردند. در پیوست 1-2() اطلاعات مختصري جهت تعیین اضافه ولتاژهاي موقت سیستم ارائه گردیده است.

2-2-2-1- روال ساده

براي پوشش اغلب وضعیت‌های متداول شبکه، رویه ساده زیر براي انتخاب UR پیشنهاد می‌گردد:

الف ـ در صورت اطلاع داشتن از دامنه و مدت زمان استمرار TOV در شبکه موردنظر

- براي مدت زمان استمرار کوچک‌تر از 10 ثانیه،UR باید به‌گونه‌ای انتخاب گردد که UR ‡ TOV باشد.

- براي مدت زمان استمرار بزرگ‌تر از 10 و کوچک‌تر از 100 ثانیه، UR باید به‌گونه‌ای انتخاب گردد کهU R ‡1.05· TOV باشد.

- براي مدت زمان استمرار کوچک‌تر از 2 ساعت، UR باید با توجه به منحنی قابلیت TOV بر حسب زمان سازنده برق‌گیر انتخاب گردد.

- براي مدت زمان استمرار بزرگ‌تر از 2 ساعت، باید فرض نمود کهTOV دائمی است وUc برق‌گیر را معـادل بـاTOV انتخاب کرد.

ب ـ در صورتی که از کیفیت TOV در شبکه موردنظر اطلاعاتی در دست نباشد ـ براي سیستم‌هایی که نوترال آن‌ها مستقیماً زمین شده است:

فرض می‌کنیم که دامنه و مدت زمان استمرارTOV به ترتیب برابر با 5/1 پریونیت 1 و 10 ثانیه بـوده و در ایـن صـورت رابطـه

UR ‡ TOV

 باید برقرار باشد. این انتخاب اغلب وضعیت‌های ناشی از ترکیب آثار خطاهاي زمین و قطع بار را به دلایل زیر پوشـشمی‌دهد:

 مدت زمان استمرار خطاهاي زمین معمولاً در این گونه سیستم‌ها کمتر از یک ثانیه است. ¤

 Um معمولاً 5 الی 10 درصد بزرگ‌تر از ولتاژ کار عادي شبکه است. ¤

 UR براي مدت زمان استمرار 10 ثانیه تعریف می‌گردد و از این‌رو قابلیت TOV هایی که مدت زمان استمرار آن‌ها برابـر یـک ¤

ثانیه است تقریباً 5 درصد بزرگ‌تر خواهد بود.

ـ براي سیستم‌های با نوترال زمین نشده یا نوترال رزونانسی:

فرض می‌کنیم که دامنهTOV بر ابر 73/1 پریونیت باشد. روال انتخاب ولتاژ نامی برق‌گیر مشـابه قسـمت الـف بنـد 1-2-2-2() خواهد بود.

2-2-2-2- روال کامل

براي استفاده از این روش، داشتن اطلاعات مناسبی از دامنه و مدت زمان استمرار اضافه ولتاژهاي موقت ضروري اسـت. در این حالت فرض می‌شود که فرکانس پایه کلیه اضافه ولتاژهاي موقت معادل یا نزدیک فرکانس شبکه قدرت باشند. براي حالت‌های خاص که امکان تفاوت فرکانس پایه TOV با فرکانس شبکه وجود دارد محاسبات را می‌توان بر مبناي پیوست (2-2) انجام داد.

U 2m

۱- در این نشریه، یک پریونیت معادل مقدار (برحسب مقدار پیک ولتاژ) در نظر گرفته می‌شود.

3

در صورت مشخص بودن دامنه اضافه ولتاژ موقت با مدت زمان استمرار 10 ثانیه (10(TOV، این امکان فراهم می‌شود کـه به ازای ولتاژهاي مختلف اعمال شده به برق‌گیر از روي منحنی قابلیـت TOV برحسـب زمـان برق‌گیر، مـدت زمـان تحمـل آن ولتاژ مشخص گردد.

نمونه‌ای از منحنی قابلیت TOV بر حسب زمان برق‌گیر که مربوط به یکی از کارخانجات سازنده می‌باشد در شـکل (2-2) آمـده

است. در این شکل TR فاکتور استقامت برق‌گیر به ازاي اعمال یک TOV مشخص می‌باشد. (U R = TOV)

TR

به‌عنوان اولین گام در روال انتخاب، ولتاژ نامی باید معادل یا بزرگ‌تر از اضافه ولتاژ موقت 10 ثانیه (10(TOV انتخاب گـردد. اگـر10TOV مشخص نباشد اما برخی دیگر ازTOV ها با مدت زمان‌های در محدوده 1/0 ثانیه تا 100 ثانیه مشخص باشند، آنگاه می‌توان بر اساس میزان انرژي تلف شده در برق‌گیر، براي هرTOV با مدت زمان استمرار مشـخصTOV معـادلی بـا دامنـه و مـدت زمان استمرار دیگري به دست آورد به نحوي که انرژي تلف شده حاصل از این دو نوع TOV معادل هم باشند.

شکل 2-2: منحنی قابلیت TOV بر حسب زمان براي یک نمونه برق‌گیر میزان انرژي تلف شده در برق‌گیر از رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

W=K.T.U.I (4-2)

که در آن:

W : انرژي تلف شده در برق‌گیر [kJ]

K : ثابت عددي

U : ولتاژ دو سر برق‌گیر [kV] I : جریان عبوري از برق‌گیر [ A] T : مدت زمان برقراري ولتاژ U در دوسر برق‌گیر [ Sec] می‌باشد.

از طریق معادل قرار دادن انرژی‌های تلف شده در برق‌گیر و با توجه به رابطه (1-1)، در ازاي TOV هایی با مدت زمان تداوم متفـاوت، می‌توان نشان داد:

T1 TOV2 a+1

() = () (5-2)

T2 TOV1

باα معادل 50 که کاملاً براي برق‌گیری که آزمون‌هایIEC را پشت سر می‌گذارد معقول است و براي محدوده جریـانی مـوردنظر، براي هر دامنه دیگري ازTOV و مدت زمان‌های استمرار آن در محدوده 1/0 ثانیه تا 100 ثانیه می‌توان 10TOV را به‌وسیله رابطه زیر

تعیین کرد: 1

T 51 TOV10 = TOVT ·()

10 (6-2)

TOV : TOVT با مدت زمان استمرار T ثانیه و T : مدت زمان استمرار TOVT برحسب ثانیه است.

در رابطه (2-6)، مقدارa برابر 50 فرض شده است. به هر حال به دلیل وجود تنوع در ساخت برق‌گیرها ممکن اسـت مقـدار این ضریب براي برق‌گیرهای مختلف برابر 50 نباشد. شکل3-2() منحنی توزیع TOV بر حسب زمان یک برق‌گیر را براي a هاي متفاوت نشان می‌دهد. در صورت امکان کنترل نهایی جهت مقایسهTOV بـاa برابـر 50 و منحنی‌هایTOV کارخانـه سـازنده برق‌گیر می‌بایستی صورت گیرد. این منحنی‌ها باید بر اساس آزمون‌های استاندارد IEC استخراج شده باشند تا این مقایسه قابل انجام باشد.

 TOV/TOV10

شکل 2-3: منحنی قابلیت TOV بر حسب زمان براي یک برق‌گیر با a هاي متفاوت

 گاهی اوقات ممکن استTOV هایی با دامنه‌های متفاوت در یک زمان اتفاق افتند. در این حالت باید به TOV معـادلی دست‌یافت که داراي مدت زمان تداوم و اندازه معینی است. به‌عنوان مثال شکل 4-2() را در نظر بگیرید. در این شکل Um=420kV بوده و یک پریونیت معادل  کیلوولت است. براي انتخاب ولتاژ نامی برق‌گیر به‌صورت زیر عمل می‌شود:

همان‌طوری که در منحنیTOV شکل 4-2() ملاحظه می‌گردد، در این شبکه سه نوعTOV با دامنه‌ها و مـدت زمـان اسـتمرار متفاوت رخ داده است که می‌تواند ناشی از وقوع هم‌زمان چندین عامل خطا در سیستم باشد.

شکل 2-4: مثالی از منحنی اضافه ولتاژهاي موقت ظاهر شده در یک سیستم 400 کیلوولت

براي به دست آوردنTOV معادل، یکی از سه سطح ولتاژ نشان داده شده در شکل 4-2() را به‌عنوان مبنا قرار می‌دهیم. برای نمونه در اینجا سطح ولتاژ 5/1 پریونیت را انتخاب می‌کنیم.

اضافه ولتاژ موقت 3/1 پریونیت با مدت زمان تداوم 9 ثانیه طبـق رابطـه 5-2() و بـاa برابـر 50، معـادلTOV بـا دامنـه5/1 پریونیت و مدت زمان استمرار 0/006 ثانیه است. اضافه ولتاژ 4/1 پریونیت با مدت زمان تداوم 9/0 ثانیه نیز معادل با TOV با دامنـه

5/1 پریونیت و مدت زمان استمرار 03/0 ثانیه خواهد بود.

در نتیجهTOV معادل این سه اضافه ولتاژ موقت برابر است با یک TOV با دامنه 5/1 پریونیت و مدت زمان استمرار 14/0 ثانیه

.(0/03+0/006+0/1» 0/14)

از آنجایی که در کاتالوگ‌های مشخصات برق‌گیر مقدار 10TOV داده می‌شود، با استفاده از رابطـه (2-6) مقـدار ایـن اضـافه ولتاژ موقت با مدت زمان استمرار 10 ثانیه برابر است با:

TOV10 =1.5·(0.14) 151 =1.38PU = 335kVr.m.s

10

بنابراین باید برق‌گیری با ولتاژ نامی معادل با نخستین مقدار بزرگ‌تر پس از 335 کیلوولت یا برق‌گیری باقابلیت TOV10 بزرگ‌تر یا معادل با 335 کیلوولت مؤثر انتخاب گردد.

نکته‌ای که باید در اینجا به آن توجه نمود این است که این اطلاعات بر اساسa برابر 50 محاسبه گردیده اسـت. لـذا در هنگام انتخاب ولتاژ نامی برق‌گیر بهتر است مقدار محاسبه شده برايTOV10 با منحنی‌های قابلیـتTOV برق‌گیر کـه توسـط کارخانه سازنده ارائه می‌گردد، جهت اطمینان بیشتر تطبیق داده شود. به هر حال همان‌طوری که از شکل 3-2() نیز ملاحظه می‌گردد تغییـراتα تأثیر کمی بر روي منحنی قابلیت TOV دارد.