در سیستم‌های انتقال قدرت فشارقوی، وقوع اضافه‌ولتاژهای ناشی از خطا، کلیدزنی تجهیزات و پدیده‌های گذرا یکی از مهم‌ترین عوامل تهدیدکننده تجهیزات الکتریکی به شمار می‌رود. این اضافه‌ولتاژها می‌توانند باعث آسیب دیدن تجهیزاتی مانند خازن‌های جبران‌ساز سری، راکتورهای شنت، ترانسفورماتورها و تجهیزات عایقی شوند. به همین دلیل استفاده از تجهیزات حفاظتی مناسب، به‌ویژه برق‌گیرهای اکسید فلزی یا Metal Oxide Varistor (MOV)، نقش بسیار مهمی در افزایش قابلیت اطمینان و پایداری شبکه‌های انتقال ایفا می‌کند.

در این شبیه‌سازی، عملکرد برق‌گیرهای اضافه‌ولتاژ در یک سیستم انتقال معادل با ولتاژ ۷۳۵ کیلوولت مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف اصلی این شبیه‌سازی، تحلیل رفتار برق‌گیرها هنگام وقوع اتصال کوتاه و همچنین بررسی نحوه محدودسازی اضافه‌ولتاژهای ایجاد شده پس از رفع خطا است. این مدل یکی از مثال‌های کاربردی در حوزه Simscape Electrical محسوب می‌شود و درک مناسبی از عملکرد تجهیزات حفاظتی در خطوط انتقال فشارقوی ارائه می‌دهد.

اهمیت استفاده از برق‌گیرها در خطوط انتقال

خطوط انتقال انرژی الکتریکی همواره در معرض انواع اغتشاشات قرار دارند. برخورد صاعقه، کلیدزنی خطوط، وقوع اتصال کوتاه، تغییرات ناگهانی بار و قطع یا وصل تجهیزات می‌توانند باعث ایجاد اضافه‌ولتاژهای بسیار بزرگی شوند. اگر این اضافه‌ولتاژها کنترل نشوند، تنش الکتریکی وارد شده به تجهیزات از سطح تحمل عایقی آن‌ها فراتر رفته و منجر به تخریب تجهیزات خواهد شد.

برق‌گیرهای اکسید فلزی یکی از مؤثرترین تجهیزات حفاظتی در شبکه‌های قدرت هستند. این تجهیزات در شرایط عادی تقریباً هیچ جریانی عبور نمی‌دهند، اما به محض افزایش ولتاژ از مقدار مجاز، مقاومت آن‌ها به شدت کاهش یافته و جریان اضافه را به زمین منتقل می‌کنند. بدین ترتیب ولتاژ دو سر تجهیزات حساس در محدوده ایمن باقی می‌ماند.

معرفی سیستم انتقال مورد بررسی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم انتقال معادل با ولتاژ نامی ۷۳۵ کیلوولت وظیفه تغذیه یک بار الکتریکی را از طریق یک خط انتقال به طول ۲۰۰ کیلومتر بر عهده دارد. برای بهبود عملکرد سیستم و افزایش ظرفیت انتقال توان، از دو نوع جبران‌سازی استفاده شده است.

• جبران‌سازی سری در نقطه میانی خط انتقال
• جبران‌سازی شنت در انتهای دریافت‌کننده خط

به منظور ساده‌سازی مدل، تنها یک فاز از سیستم انتقال شبیه‌سازی شده است و تمامی پارامترها متناظر با مولفه توالی مثبت در نظر گرفته شده‌اند. این فرض در بسیاری از مطالعات سیستم قدرت برای کاهش حجم محاسبات کاملاً متداول است.

مشخصات الکتریکی شبکه

سطح اتصال کوتاه سه‌فاز این شبکه برابر با ۱۵۰۰۰ مگاولت‌آمپر در نظر گرفته شده است که نشان‌دهنده قدرت بالای شبکه و ظرفیت زیاد آن در تأمین جریان خطا است. وجود چنین سطح اتصال کوتاهی باعث می‌شود انرژی بسیار زیادی در هنگام وقوع خطا آزاد شود و در نتیجه حفاظت تجهیزات اهمیت دوچندان پیدا کند.

خط انتقال مورد مطالعه دارای جبران‌سازی سری معادل ۴۰ درصد امپدانس خط است. این جبران‌سازی توسط یک بانک خازنی با راکتانس ۲۶٫۲ اهم در فرکانس ۶۰ هرتز انجام می‌شود. استفاده از خازن سری باعث کاهش امپدانس مؤثر خط، افزایش ظرفیت انتقال توان و بهبود پایداری سیستم می‌شود، اما در مقابل تجهیزات را در معرض اضافه‌ولتاژهای شدیدتری قرار می‌دهد.

در سمت بار نیز از یک راکتور شنت با ظرفیت ۳۳۰ مگاوار استفاده شده است که معادل ۱۱۰ مگاوار برای هر فاز خواهد بود. این راکتور وظیفه جذب توان راکتیو اضافی و کنترل افزایش ولتاژ در شرایط بار سبک را بر عهده دارد.

حفاظت خازن سری توسط برق‌گیر MOV1

خازن سری یکی از حساس‌ترین تجهیزات موجود در سیستم انتقال است. در هنگام وقوع اتصال کوتاه، ولتاژ دو سر این خازن می‌تواند به سرعت افزایش یابد و در صورت نبود حفاظت مناسب، آسیب جدی به آن وارد شود.

برای جلوگیری از این مشکل، یک برق‌گیر اکسید فلزی با نام MOV1 به صورت موازی با خازن نصب شده است. این برق‌گیر از ۳۰ ستون موازی تشکیل شده و وظیفه دارد هنگامی که ولتاژ خازن به حدود ۲٫۵ برابر مقدار نامی برسد، هدایت جریان را آغاز کند.

ولتاژ حفاظتی این برق‌گیر بر اساس جریان ۱۵ کیلوآمپر (معادل ۵۰۰ آمپر برای هر ستون) برابر حدود ۱۸۵ کیلوولت محاسبه شده است. بنابراین هرگاه ولتاژ خازن از این مقدار عبور کند، برق‌گیر وارد ناحیه هدایت شده و انرژی اضافه را جذب می‌کند.

حفاظت راکتور شنت توسط برق‌گیر MOV2

برای حفاظت از راکتور شنت نیز یک برق‌گیر دیگر با نام MOV2 در نظر گرفته شده است. این برق‌گیر از دو ستون تشکیل شده و برای حفاظت در سطح ۱٫۸ برابر ولتاژ نامی فاز به زمین طراحی شده است.

ولتاژ نامی فاز به زمین برابر ۴۲۴٫۴ کیلوولت مؤثر بوده و ولتاژ حفاظتی برق‌گیر حدود ۱۰۸۰ کیلوولت محاسبه می‌شود. این تجهیز هنگام وقوع اضافه‌ولتاژهای شدید ناشی از کلیدزنی یا رفع اتصال کوتاه، از افزایش بیش از حد ولتاژ جلوگیری می‌کند.

سناریوی شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، یک اتصال کوتاه در پایانه‌های بار اعمال می‌شود. پس از مدت مشخصی، خطا توسط باز شدن کلید بار برطرف می‌شود. این فرآیند باعث ایجاد دو پدیده مهم گذرا خواهد شد:

1. افزایش شدید جریان و ولتاژ هنگام وقوع اتصال کوتاه
2. ایجاد اضافه‌ولتاژ گذرا در زمان رفع خطا

برای تحلیل عملکرد تجهیزات حفاظتی، ولتاژ و جریان هر دو برق‌گیر توسط اسکوپ‌های مختلف اندازه‌گیری و ثبت می‌شوند.

رفتار MOV1 هنگام وقوع اتصال کوتاه

در لحظه وقوع اتصال کوتاه، ولتاژ دو سر خازن سری به سرعت افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه برق‌گیر MOV1 وارد ناحیه هدایت شده و بخشی از انرژی خطا را جذب می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد بیشترین جریان عبوری از برق‌گیر حدود ۸٫۴ کیلوآمپر بوده که در دومین پالس و تقریباً دو سیکل پس از وقوع خطا مشاهده می‌شود. پس از آن جریان برق‌گیر حالت متقارن پیدا کرده و در هر نیم سیکل جریان‌هایی در حدود ۴٫۵ کیلوآمپر از آن عبور می‌کند.

این رفتار نشان می‌دهد برق‌گیر توانسته است بدون وارد شدن به شرایط بحرانی، اضافه‌ولتاژ ایجاد شده را کنترل کرده و از آسیب دیدن خازن جلوگیری کند.

رفتار MOV2 هنگام رفع خطا

پس از باز شدن کلید و حذف اتصال کوتاه، موج‌های گذرای ولتاژ در باس B2 ایجاد می‌شوند. این موج‌های سریع معمولاً دارای دامنه بسیار بزرگی هستند و می‌توانند برای تجهیزات انتهای خط بسیار خطرناک باشند.

در این شرایط برق‌گیر MOV2 وارد عمل شده و ولتاژ باس را در محدوده قابل قبول نگه می‌دارد. عملکرد سریع این برق‌گیر موجب می‌شود انرژی موج گذرا جذب شده و از انتقال آن به تجهیزات پایین‌دست جلوگیری شود.

کنترل اضافه‌ولتاژهای ناشی از رفع خطا یکی از مهم‌ترین وظایف برق‌گیرهای نصب شده در شبکه‌های انتقال فشارقوی است و نتایج این شبیه‌سازی به خوبی کارایی این تجهیزات را نشان می‌دهد.

مزایای این شبیه‌سازی در Matlab و Simscape Electrical

شبیه‌سازی این سیستم در محیط Matlab و Simscape Electrical امکان بررسی دقیق رفتار تجهیزات حفاظتی را بدون نیاز به اجرای آزمایش‌های پرهزینه عملی فراهم می‌کند. مهندسان می‌توانند اثر تغییر پارامترهای مختلف مانند ظرفیت خازن سری، اندازه راکتور شنت، تعداد ستون‌های برق‌گیر، سطح اتصال کوتاه شبکه و محل وقوع خطا را بررسی کرده و بهترین طراحی حفاظتی را انتخاب کنند.

همچنین امکان مشاهده شکل موج‌های ولتاژ، جریان، توان، انرژی جذب شده توسط برق‌گیر و رفتار گذرای سیستم، تحلیل بسیار دقیقی از عملکرد شبکه در اختیار طراحان قرار می‌دهد.

کاربردهای عملی این شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی کاربردهای گسترده‌ای در مطالعات مهندسی قدرت دارد و می‌تواند در طراحی و تحلیل شبکه‌های انتقال فشارقوی مورد استفاده قرار گیرد. از جمله مهم‌ترین کاربردهای آن می‌توان به طراحی سیستم‌های حفاظتی خطوط انتقال، انتخاب مشخصات مناسب برق‌گیرهای اکسید فلزی، تحلیل عملکرد جبران‌سازی سری و شنت، بررسی رفتار شبکه در شرایط اتصال کوتاه، ارزیابی اضافه‌ولتاژهای ناشی از کلیدزنی و آموزش مفاهیم گذرای سیستم قدرت اشاره کرد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نمونه‌ای کاربردی از تحلیل عملکرد برق‌گیرهای اضافه‌ولتاژ در یک سیستم انتقال ۷۳۵ کیلوولت است که در آن از جبران‌سازی سری و شنت به طور هم‌زمان استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد برق‌گیر MOV1 به خوبی از خازن سری در برابر افزایش ولتاژ ناشی از اتصال کوتاه محافظت می‌کند و برق‌گیر MOV2 نیز اضافه‌ولتاژهای ایجاد شده پس از رفع خطا را در باس دریافت‌کننده محدود می‌سازد. استفاده از این مدل در Matlab و Simscape Electrical دید مناسبی نسبت به رفتار گذرای شبکه، عملکرد تجهیزات حفاظتی و نحوه انتخاب پارامترهای برق‌گیرها در اختیار دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان سیستم قدرت قرار می‌دهد و می‌تواند مبنای مناسبی برای طراحی و توسعه سیستم‌های انتقال فشارقوی با قابلیت اطمینان بالا باشد.