5 -2-1-4 حفاظت اضافه ولتاژ

حفاظت اضافه ولتاژ سيمپيچي هاي اصلي ژنراتور، ضرورتي است كه بعضي مواقع حدي گرفته نشده و حتي در مواردي در باره آن بزرگ نمايي می‌شود. سیستم‌های برق اضطراري و پشتيبان و سیستم‌های توزيع مرتبط با آن‌ها در مقايسه با سیستم‌های تأمین برق و توزيع معمولي ازنظر مقدار اسمي نيروي برق سراسري و تعداد اجزاء، نسبتاً كوچك بوده و عالبا در داخل سيستم توزيع سراسري قرار دارند. درنتیجه، آن‌ها معمولاً با همان تعداد و شدت مشكلات اضافه ولتاژ مواجه نمی‌شوند. معذالك، ازآنجاکه نيروي برق اضطراري و پشتيبان، در صورت كاربرد و استفاده كارآمد، بايد قابل‌اعتماد باشد، حفاظت اضافه ولتاژ بايستي هميشه در فرآيند طراحي و پيادهسازي پیش‌بینی گردد. مطمئنا اگر يك ژنراتور اضطراري ازنظر فيزيكي به سيستم برق شهري بنحوي اتصال يابد كه در معرض همان خطرات ناشي از ولتاژهای گذراي رعد و برق باشد، يك مورد غیرعادی خواهد بود. ولي ساير انواع ولتاژهاي گذراي حاصل از سويچينگ و غيره می‌تواند صدمه وارد كرده و بايد مدنظر باشد.

حفاظت اضافه ولتاژ در ژنراتورهاي بزرگ با مقادير اسمي ولتاژ بالاتر در مقايسه با ژنراتورهاي كوچك با مقاديراسمي ولتاژ پايين (V600) اهميت بيشتري دارد. يك دليل محافظت از سرمایه‌گذاری بوده و دليل ديگرحاشيه اطمينان کاهش‌یافته‌ایمني در عايقبندي به‌واسطه افزايش مقادير اسمي ولتاژ می‌باشد. به عبارتديگر، نسبت ظرفيت عایق‌بندی به ولتاژ سيستم معمولاً براي واحدهاي کوچک‌تر، بيشتر از واحدهاي بزرگ‌تر و با مقدار اسمي ولتاژ بزرگ‌تر خواهد بود. براي مثال، استاندارد ANSI / NEMA MG 1 تصريح می‌کند كه آزمون پتانسيل بالاي مناسب براي سیم‌پیچي هاي آرميچر V1000 بعلاوه دو برابر ولتاژ اسمي متداول ترين انواع ژنراتورهاي ac صورت پذيرد. ولتاژ آزمون براي ژنراتور V4160 در اين شرايط 12٪ بيشتر از دو برابر مقدار اسمي خواهد بود. ولتاژ آزمون براي ژنراتور V480 حدود 100٪ بيشتر از دو برابر مقدار اسمي خواهدشد.

شرايط اضافه ولتاژ می‌تواند ماهيت گذرا يا ماهيت حالت پايدار داشته باشد. حالت گذرا ازنظر دامنه و فركانس بالاتر در نظر گرفته‌شده ولي مدت‌زمان بسيار كمتري از حالت پايدار دارد. به‌منظور حفظ يكپارچگي عايقبندي، حفاظت در برابر هر نوع شرايط اضافه ولتاژ بنحو متفاوتي صورت ميپذيرد. اگرچه اندا زهگيري يا محاسبه در هرگونه شرايط اضافه ولتاژ امري مشكل است، اين شرايط بدون توجه به این‌که مدت‌زمان آن چقدر كوتاه است، به عایق‌بندی فشار و استرس وارد كرده و عمر آن را كوتاه خواهد کرد. به همين علت شرايط مذكور هميشه موردتوجه می‌باشد.

حفاظت در برابر ولتاژهای گذرا معمولاً توسط برقگيرها در تركيب با خازنها صورت ميپذيرد. معذالك، به‌استثنای گذراي بالا، اين ولتاژ از يك ضربه رعد و برق ناشي می‌شود. برقگيرها هميشه كارآمد نيستند اگرچه خازن‌ها افزايش يا افت ناگهاني ولتاژ را در هر سطع تضعيف می‌کنند. افزايش يا افت ناگهاني ولتاژ حاصل از سويچينگ، به‌ندرت به مقدار جرقه دستگاه برق گير رعد و برق می‌رسد. اگر ژنراتور اضطراري يا پشتيبان بنحوي مستقر شود كه در معرض ولتاژهاي گذراي حاصل از القاء رعد و برق باشد، برقگيرها بايد ترجیحاً در ترمینال‌های ژنراتور و اگر لازم باشد در مرزهاي بخش روباز و اشكار سيستم، مانند انتهاي قسمت روباز خط انتقال برق، نصب شوند. حاشيه اطمينان ايمني تا حد زيادي تحت تأثیر مقدار قابل‌انتظار فركانس و دامنه افزايش (يا افت) ناگهاني ولتاژها قرار دارد و طراح آن را اکثراً بر اساس قضاوت تعيين می‌کند. هر وقوع اضافه ولتاژ عمر عايقبندي سیم‌پیچها را، به‌صورت رابطه معكوس بين دامنه (اندازه) و مدت‌زمان مجاز، كوتاه می‌کند. سازنده ژنراتور می‌تواند اطلاعات لازم در مورد قابليت ايستادگي عايقبندي سيمپيچي را ارائه دهد. اين اطلاعات در تعيين حدود فوقاني اضافه ولتاژ و مدت‌زمان مجاز مفيد خواهد بود. به‌هرحال، مقداري حاشيه اطمينان اضافي براي ايمني بايددر مدنظر باشد. استاندارد IEEE Std. 141 پيشنهاد می‌کند كه اندازه تقریباً به چهار پنجم ولتاژ آزمون مصوب محدود شود. ازنظر نرخ افزايش مجاز گذرا، نيز پيشنهاد می‌شود كه از مقدار پيك آزمون پتانسيل بالا (2H60) در مدت‌زمان افزايش يكنواختµsec 10 بيشتر نباشد. با استفاده ازخازنهاي افزايش (يا افت) ناگهاني ولتاژ مناسب در ترمینال‌های ژنراتور، اين نرخ افزايش كنترل می‌شود.

انواع ديگر گذراها كه معمولاً در سیستم‌های صنعتي و تجارتي رخ مي دهد، از سويچينگ و قطع و وصل مداركه جريان را صفر می‌کند ناشي شده و اين امر به نوبه خود ولتاژ گذرايي به‌واسطه فروپاشي ناگهاني مغناطيسي توليد می‌نماید اين نوع اضافه ولتاژ می‌تواند از عملكرد گسترهاي از وسايل گوناگون، از كليدهاي خودكار تا SCRS به وجود آيد. حتي قطع مدار توسط سوختن يك هادي كه به خرابي ارتباطي ندارد می‌تواند اضافه ولتاژ گذرا را توليد كند.

مؤثرترین روش حفاظت ژنراتور اضطراري از ولتاژهای گذراي سويچينگ، طراحي دقيق مدارها و تأسیسات است. همان طور كه در سطور قبل گفته شد، ولتاژهاي گذراي سويچينگ به‌ندرت به وخامت و شدت ولتاژهاي گذراي حاصل از رعد و برق بوده و معمولاً در مورد آن‌ها ملاحظات مشابه اي به عمل نمی‌آید. اگرچه دفعات وقوع آن‌ها می‌تواند از تعداد ولتاژهاي گذراي رعد و برق بيشتر باشد ولي در درون سيستم توزيع، حفاظت ذاتي بيشتري، مانند تعداد مدارهاي كابلي و تجهيزات متصل بهم كه سهم عظيمي در كاهش اندازه و مدت‌زمان افزايش (افت) ناگهاني ولتاژها دارند، وجود دارد. اتصال زمين هادي خنثي سيستم، استرس و فشار اضافي ولتاژ ـ به ـ زميني، كه در اثر افزايش (افت) ناگهاني ولتاژ سويچينگ و خرابی‌های زمين به وجود می‌آید را به حداقل برساند. علاوه بر آن، صرفنظر از این‌که هادي خنثي سيستم اتصال زمين شده يا نشده باشد، سويچينگ می‌تواند استرس اضافه ولتاژ بين سیم‌پیچي ها، كه از اثر نوساني ولتاژ در هنگام رفع خرابي در سويچ حاصل می‌شود را ايجاد نمايد.

استاندارد IEEE Std. 141-1 تحليل مشروحي از علل و اثرات ولتاژهاي افزايشي (افت) ناگهاني به همراه اصول كاربردي توصیه‌شده كه از عهده حفاظت بر می‌آیند را ارائه دهد.

شرايط حالات پايدار اضافه ولتاژ به‌اندازه اضافه ولتاژهاي گذرا جدي ن می‌باشند چون اندازه آن‌ها کوچک‌تر بوده و كنترل آن‌ها آسان تر است. به هر صورت بايد به آن‌ها توجه شود چون مدت‌زمان اين اضافه ولتاژها سبب كوتاه شدن عمر عايقبندي می‌شوند. برخي علل متداول عبارت‌اند از، اضافه تحريك، تماس تصادفي بامنبع ولتاژ بالاتر و جابجايي هادي خنثي سيستم در سیستم‌های زمين نشده می‌باشد.

اضافه تحريك می‌تواند از كنترل نامحدود تحريك كننده و رگولاتور ولتاژ ياتوان راكتيو اضافي حاصل از وسايل خارجي مانند خازنها كه فقط براي كار با منابع تغذيه برق عادي طراحی‌شدهاند، ناشي شود. تماس تصادفي با منبع ولتاژ بالاتر در موارد نادري رخ می‌دهد. شايد به‌صورت نتيجه شكست عایق‌بندی بين سیم‌پیچهاي بالا و پايين در يك ترانسفورماتور، اين پديده اتفاق بيافتد. در سیستم‌های زمين نشده، هادي خنثي به‌اندازه مقداري برابر با ولتاژ بالاتر از مرجع زمين بالاتر برده شده و درنتیجه مطاقبا هر فاز به همان اندازه، بالاي زمين افزايش می‌یابد. وقوع چنين حالتي به‌قدری نادر است كه به‌منظور مقابله با آن به‌ندرت اندازه‌گیری هاي عمدي بهعمل مي آيد. در يك سيستم زمين شده، زمين ثانويه و اوليه (با فرض این‌که طرف ولتاژ بالا ازنظرفيزيكي نسبت به زمين اندازه‌گیری شده و ارجاع می‌شود)، هنگامی‌که دو منبع ولتاژ به يكديگر اتصال يافته وسبب عمل نمودن وسايل اضافه جريان می‌شوند، يك مسير اتصال كوتاه كامل را تشكيل می‌دهند. از ولتاژگذراي اوليه جلوگيري به عمل نميآيد ولي مدت‌زمان آن را به حداقل ميرسانند.

خرابی‌های خط ـ به ـ زمين در سيستم زمين نشده يا زمين شده مقاومتي، باعث جابجايي اضافه ولتاژهاي خنثي و فاز متناظر نسبت به زمين تحت شرايط حالت پايدار می‌شود. آشكارسازي زمين هنگامي از ژنراتور در مقابل اثرات تخريبي اضافه ولتاژ يا خرابي زمين خارجي يا داخلي ثانوي حفاظت می‌کند كه در صورت آشكار شدن، سريعا جهت تصحيح عدم تعادل، اقدام لازم انجام شود. استانداردهاي ANSI / NEMA MG 1 و ANSI C50. 10 مقادير اسمي ولتاژ خط ـ به ـ خط سیم‌پیچيهاي خط ـ به ـ خنثي در ژنراتور بااتصال Υ را تضمين می‌کنند. ارجاع و ذكر يكي از اين استانداردها در مشخصات فني مرتبط الزامي است.

5 -3-1-4 هارمونیک‌ها

افزايش مصرف مبدلهاي توان استاتيك، چراغ‌های فلورسنت و دشارژ با شدت بالا، محركهاي فركانس قابل تنظيم و منابع تغذيه برق مبتني بر سويچينگ سبب توجه بيشتر به اثرات آن‌ها بر ژنراتورهاي برق اضطراري و پشتيبان شده است. برخي از وخيمترين اثرات به عملكرد مناسب و كيفيت نيروي برق مربوط می‌شود. ولي، همچنين حفاظت ژنراتور ازجمله انگي زههاي توجه به اين موضوع می‌باشد. چند نكته قابل‌توجه بديهي عبارت‌اند از:

- هارمونيكهاي فركانس بالا سبب اتلاف و گرمايش اضافي در ژنراتور می‌شوند. بخش مهمي از اتلاف ها در روتور كه گرمايش ان اندازه‌گیری نمی‌شود، رخ می‌دهد.

- به علت پديده اثرپوستي در اقلام حسگر جريان، ر لههاي اضافه جريان حساستر می‌شوند. ممكن است علمكرد رله‌های الكترو مكانيكي و استاتيك تغيير كند به‌طوری‌که مدت‌زمان و مقدار تغيير از معيار قابل پیش‌بینی تبعيت نمی‌کنند. نتيجه نهايي درواقع عمل نكردن رله دقيقا بر اساس مندرجات مشخصات فني می‌باشد. استاندارد NEMA AB 3 اطلاعاتي در مورد كاربرد كليدهاي خودكار با بارهاي هارمونيك را ارائه می‌دهد.

- اگرچه در باره اثرات هارمونيكها بر كليدهاي خودكار و فيوزها، اطلاعات كمي اندكي وجود دراد، انتظار می‌رود كه ظرفيت حمل جريان آن‌ها با افزايش دماي عناصر حرارتي به علت اثرپوستي، كاهش يابد.

5- 2-4 سيستم تحريك و روتور

كليد خودكار تحريك (يا ميدان) جهت حفاظت سيستم تحريك و روتور در مقابل صدمات حاصل از جریان‌های به وجود آمده از خرابيهاي خارجي، سرعت پايين، شرايط بار معين يا ازکارافتادن اقلام سيستم تحريك، وسيله مؤثری است. به‌هرحال، كليد خودكار تحريك به‌تنهایی براي حفاظت سيمپيچي هاي استاتور كافي نبوده ونبايستي جايگزين وسيله اضافه جريان در خروجي ژنراتور (در صورت نياز به اين وسيله) گردد.

سیستم‌های تحريك كننده / رگولاتور حالت‌جامد اکثراً موجود ودر دسترس هستند. ویژگی‌های محافظت مرسوم عبارت‌اند از، محدود كردن فوق ـ تحريك و تحت ـ تحريك، حسگري ولتاژ خودكار بين مدارهاي تنظيم دستي و خودكار كه انتقال روان از عمليات خودكار به دستي و بالعكس را امکان‌پذیر مي سازد و آشكارسازي یک‌سوساز معيوب.

در ماشین‌های نوع جاروبك (شامل ماشین‌هایي با تحريك كننده استاتيك)، كليد تحريك می‌تواند در سر سيم هاي حلقه هاي (Slip rings)، در سر سيمهاي ميدان تحريك كننده يا در منبع رگولاتور قرار گيرد. در ژنراتورهاي بدون جاروبك فقط دو مكان اخير امكان دارد. چون سر سيمهاي اصلي روتور قابل دستيبابي نيستند. مكان كليد در ورودي برق رگولاتور معمولاً ترجيح داده می‌شود زيرا آن حفاظت اتصال كوتاه را براي رگولاتور فراهم ساخته و رگولاتور وظيفه دشارژ ميدان را به عهده می‌گیرد. در چنين وضعيتي، ممكن است كليد خودكار شامل كنتاكت هاي اضافي باشد كه حفاظت اتصال كوتاه را براي مدارات حسگر ولتاژ تأمین مي نمايند. بنابراين، زماني كه به علت خرابي يا عملكرد وسيله حفاظتي حسگري از دست رود، جهت پرهيز از فوق ـ تحريك، تحريك بايد حذف شود.

5- 5 حفاظت محرك اوليه

5- 1-5 الزامات كلي

مستق يمترين شكل حفاظت در برابر اضافه‌بار و درعین‌حال تا حدي حفظ قابليت اعتماد، ريزش بار∗ خواهد بود.

بسته به وخامت مسائل پايداري، می‌توان از كليد خودكار يا وسايل حسگر فركانس جهت اقدام اوليه استفاده كرد.

در شرايطي كه چندين دستگاه ژنراتور به‌کاررفته و زماني كه يك يا چند ژنراتور از كار مي افتند، ريزش بار خودكار لحظه‌ای تأمین نيروي برق به بارهاي مهمتر باقيمانده را تضمين می‌کند. در سیستم‌های کوچک‌تر، بخصوص، هنكامي كه فقط يك ژنراتور به كار می‌رود، حسگري فركانس می‌تواند در شرايطي كه هميشه به ريزش بار نيازي ندارد، نيروي برق مطمئنتري را تأمین كند. تركيب دو روش امكان ريز ش لحظه‌ای بارهاي انتخابي را به سيستم داده و حسگري فركانس به‌عنوان پشتيبان براي ريزش بار اضافي در صورت لزوم مورداستفاده قرار می‌گیرد. در برخي موارد، مرسوم است كه از رله‌های زير فركانس به‌عنوان وسايل حسگري ثانويه استفاده كرده و سبب لغزش كليدهاي بار انتخابي در مراحل چندگانه، با تأخیر زماني بين هر مرحله شوند. بررسي پايداري و تنظيم فركانسي در هر مرحله متوالي را تعيين می‌کند. اين بررسي، همچنين، تعيين خواهد كرد كه با چه

∗ ريزش بار (load shedding) خارج كردن برخي بارها از مدار و قطع منبع تغذيه آن‌ها در شرايطي كه تقاضا براي نيروي برق بيش از توان منابع تأمین نيروي برق باشد.

سرعتي ريزش بار عمل كرده ودرنتیجه نوع و سرعت تجهيزات مورداستفاده را مشخص خواهد كرد. طرح موردنظر معمولاً بنحوي طراحي می‌شود كه توليد كافي را برقرار و از قطعي كلي، مستقل از شرايط بار، جلوگيرينمايد.

حفاظت اضافه‌بار در محرك اوليه را می‌توان با استفاده از تنظيم ولتاژ حساس به فركانس تقويت كرد. برقراري و حفظ نسبت ولتاژ ـ به ـ فركانس ثابت، اثرات اضافه‌بار را به حداقل رسانده و به واحد مذكور امكان بازيابي آسان ولتاژ نرمال را پس از اضافه‌بار، می‌دهد. ولتاژ خروجي دستگاه مولد متناسب با فركانس (سرعت محرك اوليه) كاهش می‌یابد. استفاده از مرجع ولتاژ غير حساس به فركانس، در برخي موارد، مستلزم كاهش بار در حدود 50 تا 60 درصد جهت بازگشت به‌سرعت اسمي می‌باشد. اگرچه برخي سازندگان می‌توانند هر نوع مرجع ولتاژ را تأمین كنند، كاربر می‌تواند ازجحيت خويش را در اين مورد مشخص كند. به‌هرحال، به كار برد تنظيم ولتاژ حساس به فركانس، نبايد اهميت تطبيق صحيح ژنراتور يا مشخصه هاي گشتاور محرك اوليه را تحت الشعاع قرار دهد.

رله توان معكوس، نوع مهمي از حفاظت محرك هاي اوليه است. هنگامی‌که دستگاه‌های ژنراتور موازي با يكديگر كار می‌کنند اين روش از عمل موتوري جلوگيري كرده و در كاربرد ديگر، زماني كه نيروي برق به سيستم برق شهري جريان دارد با رله نمودن سريع از اضافه‌بار ژنراتور جلوگيري می‌کند. در جلوگيري از كار موتوري ژنراتور، كاربر بايد توجه داشته باشد كه برخي محركهاي اوليه حساسيت كمتري به صدمه دارند. براي مثال، حساسيت در توربین‌ها در مقايسه با ماشین‌های تقابلي (reciprocating) مهم تر و حیاتی‌تر بوده و اگر اين موضوع در نظر گرفته نشود لغزش هاي بيهوده می‌تواند رخ دهد. حفاظت در برابر كارموتوري محرك اوليه آن را از گرم شدن بیش‌ازحد يا ايجاد حفره در تيغه هاي توربين و احيانا آتش يا انفجار در سوخت ماشين تقابلي مصون نگاه می‌دارد. معمولاً رلهاي جهت آشكارسازي جريان معكوس توان به‌عنوان حفاظت پشتيبان وسايل مكانيكي كه براي آشكارسازي اين شرايط طراحی‌شده‌اند به كار می‌رود. براي جلوگيري از لغزش بيهوده در افزايش (افت) ناگهاني نيروي برق به‌صورت معكوس مانند مواردي كه در هم‌زمانی رخ می‌دهد، می‌توان از تأخیر زماني استفاده كرد. چند مقدار نوعي كه در ذيل آمده است نيروي برق (توان) معكوس مورد لزوم براي عمل موتوري ژنراتور، هنگامی‌که محرك اوليه بدون توان ورودي با سرعت هم‌زمان ميچرخد را نشان می‌دهد:

- توربين تراكمي: 3 درصد مقدار درج‌شده در صفحه مشخصات، برحسب كيلووات

- توربين غيرتراكتي: 3 درصد مقدار درج‌شده در صفحه مشخصات، برحسب كيلووات

- ماشين ديزل: 25 درصد مقدار درج‌شده در صفحه مشخصات، برحسب كيلووات

- توربين هيدروليكي: تا 2/0 2 درصد مقدار درج‌شده در صفحه مشخصات، برحسب كيلووات