post3

باز و بستن کلیدها در برخی کاربردها باعث ایجاد اضافه ولتاژو جریان های شدید گذرا می گردد . این اضافه ولتاژها درکلید رخ داده ولی بخش های مجاور را نیز تحت تاثیر قرارمی دهد . اقدامات متقابلی نظیر مقاومت های کار گذاشته شده،راکتور یا مقاومت میرا کننده و برق گیر ها برای محدود کردن اثرات ناپایداری سوییچینگ اتخاذ می شوند . این روش ها نامطمئن و گران می باشد و مشکل را به صورت اساسی حل نمی کند. 

چکیده :
باز و بستن کلیدها در برخی کاربردها باعث ایجاد اضافه ولتاژو جریان های شدید گذرا می گردد . این اضافه ولتاژها درکلید رخ داده ولی بخش های مجاور را نیز تحت تاثیر قرارمی دهد . اقدامات متقابلی نظیر مقاومت های کار گذاشته شده،راکتور یا مقاومت میرا کننده  و برق گیر ها برای محدود کردن اثرات ناپایداری سوییچینگ اتخاذ می شوند . این روش ها نامطمئن و گران می باشد و مشکل را به صورت اساسی حل نمی کند.
هدف از این مقاله استفاده از کنترل کننده سوییچینگ برای کلید های قدرت در شرایط غیر عادی می باشد. در این مطالعه ابتدا سوییچینگ کلید ها در شرایط غیر عادی که شامل برش جریان, افزایش ولتاژ در زمان سوییچینگ خازن , افزایش ولتاژدر زمان سوییچینگ راکتور و حالات گذرای سیستم سه فازمی باشد بررسی شده و در ادامه راهکارهایی جهت جلوگیری از حالات مذکور ارائه می گردد . استراتژی های مختلف سوییچینگ برای خازن های شنت, راکتور های شنت, ترانسفورماتور های قدرت و خطوط انتقال به تفصیل بحث می شود و نکات لازم در مورد باز و بسته کردن کلید درحالات فوق الذکر مطرح می گردد. در ادامه کنترل تطبیقی درباز و بستن کلید بر رسی می شود. کنترل تطبیقی به این صورت است که خطای دریافت شده از هدف نهایی در عملیات کنترلی بعدی به طور خودکار جبران خواهد شد .
images
١-مقدمه
در برخی کاربردها باز یا بسته شدن تصادفی و لحظه ای کلیدها باعث ایجاد ولتاژ و جریان های شدید گذرا می شود. این ناپایداری ها در مدارات اصلی اتفاق می افتد و به دلیل همجواری با سیستم های ولتاژ پایین ممکن است باعث ناپایداری هایی در کنترل و مدارات اضافی شود. ناپایداری های سوییچینگ با گستره ای از تنشهای مکانیکی ناشی از عایقها در تجهیزات ولتاژ بالا در ارتباط است و ممکن است باعث تخریب لحظه ای و یا تدریجی تجهیزات و سیستم شود. به علاوه اینکه ناپایداری ها ممکن است یکسری تاثیرات در کنترل پست، سیستم های حفاظت، کامپیوترها و مخابرات داشته باشد.
کنترل سوییچینگ روشی برای حذف ناپایداری های مخرب در زمان عملیات سوییچینگ است.فرمان های باز شدن و یا بسته شدن کلید بگونه ای تاخیر داده می شوند تا باز شدن و یا بسته شدن کنتاکت در بهترین لحظه و زاویه فاز مر بوطه اتفاق بیفتد. بوسیله مفهوم کنترل سوییچینگ عملیات های برقدار کردن و بی برق کردن میتواند با توجه به وضعیت موج کنترل شده و هیچ ناپایداری مخربی تولید نشود.
٢ – سوییچینگ درشرایط غیرعادی
در یک سیستم تک فاز به سادگی ممکن است در زمان سوییچینگ ، ولتاژ به دو برابر مقدار نامی برسد و یا در زمان بستن یک خازن جریان به دو برابر جریان نامی برسد . با این وجود حتی این مقادیر را ما عادی تلقی می کنیم . منظورازشرایط غیر عادی شرایطی هستند که ولتاژ و جریان از این مقادیر هم بیشتر می شوند. همه این شرایط ناشی از انرژی ذخیره شده در بخشی از سیستم هستند.
 ۱-۲ برش جریان(Current chopping or current suppression)
گاهی پیش از آنکه جریان به صورت طبیعی صفر شود بر اثرباز شدن کنتاکتهای کلید و عملیات اطفای قوس جریان به طور ناگهانی صفر می شود. این پدیده به خصوص هنگام بازکردن کلید راکتورهای شنت و یا ترانسفورماتورهای بی باررخ می دهد. برش جریان ترانسفورماتور بی بار یا راکتور منجربه ایجاد اضافه ولتاژ گذرا میشود.
 ۲-۲ تصعیدولتاژدرزمان سوییچینگ خازن
در زمان بستن خازن جریان هجومی ممکن است تنشهای سختی را به خازن تحمیل کند که پدیده ای آشنا است . ولی باید دانست که امکان بروز مشکل در هنگام قطع جریان خازنی وجود دارد که می توان گفت مشابه پدیده ایست که درزمان قطع جریان شار ژ یک خط رخ می دهد. جریان و ولتاژخازن ۹۰ درجه اختلاف فاز دارند پس در زمانی که جریان قطع می شود ولتاژ خازن بیشینه است . از طرفی ممکن است با اینکه هنوز تیغه های بریکر به اندازه کافی فاصله نگرفته باشند ولتاژ دو سر بریکر به ۲P.U  برسد و اگر در این لحظه استقامت عایقی به اندازه کافی نباشد طبیعی است که ضربه مجدد رخ می دهد. جریان در زمان ضربه مجدد جاری می شود و خازن به همراه راکتانس منبع یک مدار نوسانی تشکیل میدهد که قطع این مدار میتواند ولتاژ دو سر کلید را تا ۳P.U  افزایش دهد. به این پدیده تصعید(افزایش) ولتاژ می گویند.
۳-۲تصعید ولتاژدرزمان سوییچینگ راکتور
پس از آنکه احتراق مجدد (Reignition )رخ می دهد جریانهای I1 و  I2 در مدار جاری می شوند. کلید ممکن است در زمانی که I1 برابر صفر می باشد جریان را قطع کند در حالیکه I2 صفر نیست پس مقداری انرژی در سیستم ذخیره شده است که موجب ولتاژ حالت گذرا می شود و اگر استقامت الکتریکی بین تیغه های کلید نتواند این مقدار تنش را که مولفه های فرکانس بالا دار د تحمل کند مجددا می شکند و ادامه این ر وند می تواند موجب تصعید ولتاژ شود.
۲-۴ حالات گذرا درسیستم های سه فاز
هنگامی که نقطه صفر یک سیستم سه فاز زمین شده باشد میتوان هر فاز را مستقل از د و فاز دیگر در نظر گرفت و آنها را به صورت سه فاز مجز ا تحلیل کرد و در این حالت بریکری که اول مدار را قطع می کند شرایطی متفاوت از دو فاز دیگر ندارد اما در سیستمهای زمین نشده شرایط متفاوت است. یعنی کلیدی که اول مدار را قطع می کند به علت جابجایی نقطه صفر شرایط سخت تری را تجربه می کند و دو کلید دیگر در زمان قطع مدار شرایط آسانتری را نسبت به کلید اول پیش رو خواهند داشت . در این شرایط که نقطه صفر زمین نشده است ولتاژی که بر روی کلید می افتد ۵۰٪ بیش از ولتاژی است که در سیستمهای با نقطه صفر زمین شده به کلید اعمال می شود.
٣-روشهای مدرن سوییچینگ
۳-۱ سوییچینگ خازنهای شنت
کنترل کننده سوییچنگ اصولا برای کنترل عملیات بسته شدن بانک های شنت استفاده می شود. یک خازن دشارژ شده هنگام اتصال به منبع ا نرژی شبیه به اتصال کوتاه عمل میکند. زمانی که ولتاژ منبع بالاست ، برقراری اتصال باعث ناپایداری ولتاژ و جریان می شود. بسته به نوع پیکربندی شبکه ممکن است افزایش ولتاژ باعث شکسته شدن عایقها و آسیبب جدی تجهیزات ولتاژ پایین شود . کنترل کلید در ولتاژ صفر کلید ها ناپایداری مخرب را کاهش می دهد. برای بانک های خازنی با صفر زمین شده سه پل کلید باید به صورت پیاپی و فواصل زمانی۰٫۱۶۶ سیکل بسته شوند(۳/۳ میلی ثانیه در فرکانس ۵۰ هرتز ). برای بانک های خازنی که صفر آنها زمین نشده است دو کلید باید همزمان و در لحظه ای که ولتاژ فاز -فاز صفر است بسته شوند و کلید سوم ۰٫۲۵ سیکل (۵ میلی ثانیه در فرکانس ۵۰ هرتز) دیرتر بسته می شود.
در حالتیکه از کلید های تک پل استفاده شود کنترل کننده سوییچنگ هر پل را بطور جداگانه و در زمان صحیح می بندد. سوییچینگ خازن شنت به عوامل زیر وابسته است :
·        نقطه صفر بار زمین شده باشد یا زمین نشده باشد.
·        فرکانس سیستم.
اصولا باز کردن کلید های خازن شنت باعث ناپایداری سوییچینگ نخواهد شد . چرا که کلیدها به گو نه ای طراحی گردیده اند که کمترین ریسک ضربه مجدد را به محض قطع جریان داشته باشند . اگر چه در موارد خاص و با شرایط سخت ممکن است کنترل کننده سوییچینگ برای باز کر دن کلیدهای خازن شنت نیز استفاده شود . معمولاً برای کلیدها کمیتی به نام RDDS (Rate of Decrease of Dielectric Strength یا نرخ کاهش استقامت الکتریکی درنظر گرفته می شود. جهت آنکه اتصال در لحظه مناسب انجام شود باید RDDS  بسیار بیشتر از نرخ کاهش ولتاژ دو سر کلید باشد . در عمل RDDS همیشه مقدار ثابتی نیست به همین دلیل نقطه هدف کمی بعد از نقطه صفر ولتاژ در نظر گرفته میشود.
۳-۲ سوییچینگ راکتورهای شنت
شرایطی که بر توالی و ترتیب سوییچینگ قطبهای کلید مؤثرند عبارتند از :
·        نوع هسته (SHELL TYPE. LIMBED)
·        نوع اتصال ( ستاره یا مثلث )
·        روش زمین کردن
به عنوان مثال اگر راکتور SHELL TYPE باشد فازها از هم مستقل هستند و بین فازها کوپلینگ وجود ندارد و این امر بر توالی سوییچینگ قطبها مؤثر است.
باز کردن کلید راکتورها می تواند موجب برش جریان شود و برش جریان اضافه ولتاژهایی بر روی راکتور تولید می کند که  اندازه آن بین ۱/۲ تا ۲ برابر ولتاژ نامی می تواند باشد و فرکانس این نوسانات در حد چند کیلوهرتز است که برای راکتور خطری ندارد اما اگر این اضافه ولتاژها موجب احتر اق مجدد شوند اضافه ولتاژهای بعدی چند صد کیلوهرتز خواهد بود. امواج با فرکانس بالا به صورت یکنواخت بر روی سیم پیچ توزیع نمی شوند و ممکن است به عایق راکتور آسیب برسانند. در کلید های راکتور شنت بطور معمول کنترل کننده سوییچینگ برای عملیات باز کردن مورد استفاده قرار می گیرد. با کنترل فواصل اتصال که به میزان کافی قبل از جریان صفرحادث می شود, می توان احتراق مجدد را حذف نمود . بسته شدن کلید های ر اکتور شنت نیز در چندین مورد کنترل می شود. سوییچینگ در این حالت شبیه به برقدار کردن ترانسفورماتور بدون بار است و ممکن است باعث اعوجاج شدید جریانی و تنشهای الکترومکانیکی شود . معمولا کلید های راکتور شنت به دلیل سطح مجاز ولتاژ به صورت تک پل استفاده می شوند.
۳-۳ سوییچینگ ترانسفورهای قدرت
در کلید های ترانسفورماتور ، کنترل کننده سوییچینگ برای کنترل عملیات بسته شدن مورد استفاده قرار می گیرد تا جریان شدید ورودی را محدود کند . برقدار شدن کنترل نشده در یک وضعیت موج نامناسب باعث یک جریان شدید و ضعیف میرادر ورودی خواهد شد که نتیجه آن تنشهای مکانیکی در سیم پیچی ها و تداخل فرکانسی در ثانویه در نتیجه اعوجاج جریانی و اختلال در شبکه بوسیله هارمونیک های جریان می باشد.
اصولا سه روش برای کنترل کلید های ترانس وجود دارد:
·        اگر فلوی پسماند قابل صرف نظر کردن باشد می توان تنها کنترل بستن را به کار برد. با این فرض دامنه جریان های هجومی محدود خواهد شد.
·        عمل باز کردن کلید به منظور داشتن فلوی پسماند معین قابل کنترل بوده و عمل بستن کلید به منظور محدود کردن جریان هجومی کنترل می شود.
·        باز کردن کلید به صورت تصادفی صورت می گیرد. به صورتی که شار پسماند حاصل بر اساس ولتاژدریافتی ازCVT مجاور ترانس بدست می آید. براساس شار پسماند محاسبه شده عمل بستن کنترل شده تا جریان هجومی کاهش پیدا کند.
۳-۳-۱ برقدار کردن ترانسفورماتور بدون درنظر گرفتن شار پسماند
اگر نقطه صفر به زمین متصل شده باشد ابتدا یک فاز در لحظه ماکزیمم بودن ولتاژ بسته می شود اما اگر نقطه صفر زمین نشده باشد دو فاز به صورت همزمان بسته می شوند. کلیدهای فاز یا فازهای بعدی در زمانی بسته می شوند که شار جاری درهسته مربوط به آن فازها پس از بستن کلیدهای فازها یا فازاول مشابه با شاری باشد که در شرایط دایم در آن هسته جاری خواهد شد.
۳-۳-۲ برقدارکردن ترانسفورماتور با در نظر گرفتن شار پسماند
الف) بدون استفاده از باز شدن کنترلی:
در این حالت باز کردن کلید ترانسفورماتور به صورت کنترل شده نیست . اما با استفاه از CVT های سر ترانسفورماتور و انتگرالگیری از ولتاژ شار به دست می آید.
ب) با استفاده از باز شدن کنترلی:
در این حالت باز کردن کلید به صورت کنترل شده انجام می شود تا در هنگام بستن کلید و برقدار شدن ترانسفورماتورجریان هجومی کمینه باشد . معمولاً برنامه ریزی به نحوی انجام می شود که جریان بی باری در لحظه گذر از صفر قطع شود و شار پسماند مینیمم باشد . در این حالت کلید باید دارای سه مکانیزم باشد.
برتری این روش نسبت به روش قبلی آن است که چنانچه قطع ترانسفورماتو ر به دلیل وقوع خطا هم صورت گیرد برقدار کردن بعدی باز هم کنترل شده خواهد بود . اما در حالت پیشین چون تریپ های حفاظتی مستقیم به کلید ارسال می شوند و بی برق کردن کنترل نشده است برقد ار کردن هم کنترل نشده خواهد بود.
۴-۳قطع و وصل خطوط انتقال
در خطوط و شبکه های( EHV (Extra High Voltage ولتاژ ضربه قابل تحمل سیستمP.u 2-3  است و لذا اضافه ولتاژها باید تحت کنترل باشند . قطع و وصل پیش بینی شده خط اضافه ولتاژهای زیادی ایجاد نمی کند زیرا ولتاژ خط صفر است و بارها کاملاً تخلیه شده اند . اما دوباره برق دارکردن خط مخصوصاً به هنگام باز- وصل، اضافه ولتاژهای بسیار زیادی ایجاد می کند چرا که بارهای به دام افتاده هنوزتخلیه نشده اند . هر چقدر اختلاف ولتاژ دو سر کلید بیشترباشد ممکن است پلارتیه ولتاژ خط و منبع با یکدیگرمتفاوت باشد ولتاژهای گذرای بعدی بیشتر خواهند بود به ویژه آن هنگام که سر دیگر خط باز باشد.
۱-۴-۳برقدار کردن خطوط جبران نشده(بدون راکتور شنت )
الف) بدون در نظر گرفتن بار خط:
تنها ولتاژ سمت منبع تحلیل می شود و در لحظه صفر ولتاژکلید بسته می شود. با این روش می توان انتظار داشت اضافه ولتاژ تا حد زیادی محدود شود . بهتر است از کلیدی استفاده شود که RDDS زیادی داشته باشد.
ب) با در نظر گرفتن بار خط:
در این روش ولتاژ سمت خط هم در نظر گرفته می شود . بعد از قطع کلید ، ولتاژ خط که یک مقدار dc است همان مقدار قبل از قطع کلید لحاظ می گردد و کلید زمانی بسته خواهد شد که ولتاژ دو سر آن مینیمم باشد . پس از ۲۰ ثانیه خط بدون بار در نظر گرفته می شود.
۲-۴-۳برقدارکردن خطوط جبران شده(با راکتور شنت )
در این حالت ولتاژ خط به صورت نوسانی به تدریج صفر می شود. فرکانس آن بین ۳۰- ۵۵ هرتز است و فرکانس آن بستگی به در صد جبران خط دارد . فرکانسهای طبیعی دیگری هم داریم که به جابجایی فازها بستگی دارند . این فرکانسها چندان مهم نیستند . ولتاژ دو سر کلید ترکیب این دو ولتاژ است که ولتاژ پالسی خواهد بود که بین صفر تا ۲ P.u تغییر می کند. تزویج متقابل فازها موجب می شود تا ولتاژ دو سر کلید برای فازهای دیگر متفاوت از آنچه کنترل کننده پیش بینی کرده است باشد . از این تغییرات هم می توان صرفنظر کرد . طبیعت نوسانی ولتاژ باعث می شود که بتوان آنرا توسط CVT ها آشکارسازی نمود و فرمان بستن زمانی صادر می شود که ولتاژ دو سر کلید صفر باشد.
۴کنترل تطبیقی (Adaptation control)
کنترل تطبیقی میتواند هم برای عملکرد بستن مدار یک کلید و هم برای باز نمودن آن مورد استفاده می باشد. گاهی به دلیل تغییر شرایط کاری کلید، انحرافی در عملکرد کنترل کننده پیش می آید. ازجمله عواملی که ممکن است زمان عملکرد کلید را دچار تغییر نمایند برای مثال می تواند افزایش تدریجی سطح سوختگی کنتاکت ها و تغییر درجه حرارت محیط و نوسانات ولتاژ باشد . روش کنترل تطبیقی به این صورت است که خطای دریافت شده از هدف نهایی در عملیات کنترلی بعدی به طور خودکار جبران خواهد شد . اگر لازم باشد کلید در زمان عملکردی محاسبه شده تغییری ایجاد نماید، یک سیگنال بازخورد تطبیقی توسط سنسور یا ترانسدیوسر، کمی زودتر یا کمی دیرتر از زمان مورد انتظار در اختیار کنترل کننده قرار می گیرد. بنابراین و قتی خطایی توسط کنترل کننده دیده شد، یک زمان انتظار داخلی برای عملکرد بعدی بوجود می آورد تا کلید را به سمت زمان مورد انتظار راهنمایی نماید. برای کلیدهای تک قطبی، کنترل تطبیقی می تواند برای هر قطب به طور مجزا انجام گیرد و در حالت کلیدهای سه قطبی تنها یک قطب تحت نظارت قرار می گیرد و دیگر قطب ها به صورت مکانیکی به همان قطب کنترل شده متصل هستند.
۵-نتیجه گیری
در این مقاله کنترل کننده سوییچینگ ها برای کلید های قدرت مورد مطالعه قرار گرفتند . استراتژی های مختلف سوییچینگ برای خازن های شنت ، راکتور های شنت ، ترانسفورماتور های قدرت و خطوط انتقال مورد بحث قرار گرفت و نکات لازم در مورد باز و بسته کردن کلید در حالات فوق الذکر مطرح گردید .
در مورد آیتم شماره ۴ این توضیح ضروری است که در هنگام باز کردن مدارهای سه فاز در مدار اضافه ولتاژ ایجاد می شود که مقدار اضافه ولتاژ دو سر کلید از۲/۴ برابر ولتاژ فا ز به نول بیشتر نمی شود . چون کلید و دیگر تجهیزات شبکه می توانند این مقدار را تحمل کنند در هنگام باز کردن نیازی به کنترل کننده نمی باشد . طبق مطالب گفته شده با استفاده از کنترل کننده سوییچینگها می توانیم ناپایداریهای مربوط به سوییچینگ را از بین ببریم.
مطلب را در شبکه های اجتماعی اشتراک گذاری کنید.