جریان‌های القایی ژئومغناطیسی یا Geomagnetically Induced Currents (GIC) یکی از پدیده‌های مهم و در عین حال کمتر شناخته‌شده در شبکه‌های قدرت هستند که در شرایط وقوع طوفان‌های خورشیدی می‌توانند عملکرد تجهیزات فشارقوی را به شدت تحت تأثیر قرار دهند. این جریان‌ها اگرچه ماهیتی شبه‌DC دارند، اما قادرند باعث اشباع هسته ترانسفورماتورها، افزایش اعوجاج هارمونیکی، افزایش توان راکتیو مصرفی و حتی آسیب‌های جدی به تجهیزات شبکه شوند. بررسی رفتار ترانسفورماتورها در برابر این جریان‌ها اهمیت ویژه‌ای در طراحی شبکه‌های انتقال ولتاژ بالا، مطالعات قابلیت اطمینان و تحلیل پایداری سیستم قدرت دارد.

در این شبیه سازی، اثر جریان‌های القایی ژئومغناطیسی بر اشباع یک اتوترانسفورماتور قدرت مورد بررسی قرار می‌گیرد. مدل ارائه شده با استفاده از محیط MATLAB/Simulink و Simscape Electrical امکان تحلیل دقیق رفتار شار مغناطیسی، جریان مغناطیس‌کننده، توان راکتیو و اعوجاج هارمونیکی را در حضور جریان‌های GIC فراهم می‌کند. همچنین تأثیر نوع هسته ترانسفورماتور و مدل خط انتقال بر مقدار جریان‌های القایی و میزان اشباع هسته نیز مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

جریان‌های القایی ژئومغناطیسی (GIC) چیست؟

اختلالات ژئومغناطیسی یا Geomagnetic Disturbances (GMD) در اثر تغییرات شدید میدان مغناطیسی زمین ایجاد می‌شوند. این تغییرات معمولاً ناشی از فوران‌های خورشیدی و برخورد ذرات باردار پرانرژی با میدان مغناطیسی زمین هستند. در نتیجه این پدیده، میدان‌های الکتریکی بسیار ضعیفی در سطح زمین ایجاد می‌شود که در خطوط انتقال بسیار بلند، خطوط راه‌آهن، خطوط مخابراتی و حتی خطوط لوله فلزی جریان‌هایی با فرکانس بسیار پایین یا تقریباً DC القا می‌کنند.

در شبکه‌های انتقال برق، این جریان‌ها از طریق سیم‌های انتقال وارد ترانسفورماتورها شده و باعث ایجاد یک مؤلفه DC در جریان سیم‌پیچ‌ها می‌شوند. از آنجا که ترانسفورماتورها برای عملکرد با جریان متناوب طراحی شده‌اند، حضور مؤلفه DC موجب جابه‌جایی نقطه کار هسته مغناطیسی و در نهایت اشباع بخشی از سیکل مغناطیسی می‌شود.

اثرات اشباع ترانسفورماتور در اثر GIC

اشباع هسته ترانسفورماتور تنها به افزایش جریان محدود نمی‌شود، بلکه مجموعه‌ای از پیامدهای نامطلوب را در شبکه قدرت ایجاد می‌کند. افزایش شدید جریان مغناطیس‌کننده، تولید هارمونیک‌های مرتبه پایین، افزایش تلفات آهنی، افزایش دمای هسته، افزایش توان راکتیو مصرفی، عملکرد نادرست تجهیزات حفاظتی و کاهش کیفیت توان از مهم‌ترین پیامدهای اشباع ناشی از GIC هستند.

در شبکه‌های فشارقوی، این مسئله می‌تواند موجب افت ولتاژ، افزایش بار سیستم‌های جبران‌سازی توان راکتیو و حتی وقوع خاموشی‌های گسترده شود. به همین دلیل بررسی رفتار ترانسفورماتورها در برابر این پدیده از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

ساختار شبکه مورد استفاده در شبیه سازی

مدل مورد استفاده شامل یک شبکه انتقال 735 کیلوولت است که اجزای اصلی آن عبارت‌اند از:

• نیروگاه تولید برق با ولتاژ 13.8 کیلوولت و توان 2000 مگاوات
• سطح اتصال کوتاه معادل 10000 مگاولت‌آمپر
• خط انتقال 735 کیلوولت به طول 200 کیلومتر
• اتوترانسفورماتور 735/315/12.5 کیلوولت با ظرفیت 1650 مگاولت‌آمپر
• ترانسفورماتور نیروگاهی T1 با هسته سه ستونه
• اتوترانسفورماتور T2 با سه هسته تک‌فاز مستقل
• بار مصرفی 300 مگاوات

برای شبیه‌سازی اثر میدان ژئومغناطیسی، یک میدان الکتریکی یکنواخت به شدت 8 ولت بر کیلومتر در امتداد خط انتقال در نظر گرفته شده است. با توجه به طول 200 کیلومتری خط، ولتاژ DC القایی برابر خواهد بود با:

Vdc = 8 × 200 = 1600 V

این ولتاژ توسط سه منبع ولتاژ DC که به صورت سری در هر فاز قرار گرفته‌اند مدل‌سازی می‌شود تا شرایط واقعی ایجاد جریان‌های GIC در شبکه انتقال شبیه‌سازی گردد.

مدل خط انتقال در شبیه سازی

یکی از مهم‌ترین نکات این شبیه سازی، انتخاب مدل مناسب برای خط انتقال است. از آنجا که جریان‌های GIC دارای فرکانس بسیار پایین هستند، مقاومت خط در فرکانس صفر اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. بنابراین از بلوک Distributed Parameters Line Frequency Dependent به همراه فایل پارامتری اختصاصی استفاده شده است.

این مدل قادر است مقاومت خط را هم در شرایط AC و هم در شرایط DC با دقت مناسبی مدل کند. در نتیجه مقدار واقعی جریان‌های GIC محاسبه شده و رفتار ترانسفورماتورها به شکل دقیق‌تری شبیه‌سازی می‌شود.

اجرای شبیه سازی

مدت زمان شبیه سازی برابر با 10 ثانیه در نظر گرفته شده است تا بخش قابل توجهی از پاسخ گذرا حذف شده و سیستم به شرایط نزدیک به حالت ماندگار برسد. در طول اجرای شبیه سازی پارامترهای مختلفی اندازه‌گیری می‌شوند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• ولتاژهای سه‌فاز
• جریان‌های شبکه
• شار مغناطیسی هسته ترانسفورماتور T2
• جریان‌های مغناطیس‌کننده
• مولفه DC جریان‌های خط
• مولفه DC شار ترانسفورماتورها
• توان راکتیو جذب شده توسط ترانسفورماتورها

نتایج نشان می‌دهد که اتوترانسفورماتور T2 دارای مؤلفه DC شار حدود 0.67 پریونیت است که نشان‌دهنده اشباع شدید هسته مغناطیسی می‌باشد. در نتیجه جریان مغناطیس‌کننده شکل موجی کاملاً غیرسینوسی پیدا کرده و مقدار قابل توجهی هارمونیک تولید می‌شود.

تحلیل نتایج شبیه سازی

یکی از مهم‌ترین پیامدهای اشباع هسته، افزایش شدید جریان مغناطیس‌کننده است. این جریان علاوه بر تولید هارمونیک، باعث افزایش توان راکتیو مصرفی نیز می‌شود. در این شبیه سازی مشاهده می‌شود که ترانسفورماتور T2 حدود 424 مگاوار توان راکتیو جذب می‌کند که مقدار بسیار بزرگی است و می‌تواند بر پروفیل ولتاژ کل شبکه تأثیر قابل توجهی بگذارد.

از سوی دیگر، ترانسفورماتور T1 که از هسته سه ستونه استفاده می‌کند، رفتار کاملاً متفاوتی دارد. مؤلفه DC شار در این ترانسفورماتور بسیار کوچک‌تر بوده و کاهش آن با گذشت زمان بسیار آهسته صورت می‌گیرد. حتی پس از 10 ثانیه نیز سیستم هنوز به حالت ماندگار کامل نرسیده و برای مشاهده رفتار نهایی لازم است شبیه سازی چند صد ثانیه ادامه یابد.

تأثیر نوع هسته اتوترانسفورماتور

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، بررسی تأثیر نوع هسته ترانسفورماتور بر میزان اشباع است. در این قسمت پارامتر نوع هسته ترانسفورماتور T2 از حالت «سه هسته تک‌فاز مستقل» به «هسته سه ستونه» تغییر داده می‌شود.

پس از اجرای مجدد شبیه سازی مشاهده می‌شود که ترانسفورماتور دیگر وارد ناحیه اشباع نمی‌شود. علت این موضوع به نحوه گردش شار مؤلفه صفر در هسته سه ستونه مربوط می‌شود. جریان‌های DC مساوی در هر سه فاز، شار توالی صفر تولید می‌کنند که مسیر بسته آن از داخل هسته عبور نمی‌کند، بلکه از هوا و بدنه فلزی ترانسفورماتور عبور می‌کند.

از آنجا که رلوکتانس مسیر هوا بسیار بزرگ‌تر از هسته آهنی است، مقدار شار DC ایجاد شده بسیار کاهش یافته و هسته وارد ناحیه اشباع نمی‌شود. این ویژگی یکی از مزایای مهم هسته‌های سه ستونه در برابر جریان‌های GIC محسوب می‌شود.

بررسی تأثیر مدل خط انتقال

در بخش دیگری از شبیه سازی، مدل خط انتقال از مدل وابسته به فرکانس به مدل Distributed Parameter Line (DPL) با پارامترهای ثابت تغییر داده می‌شود. همچنین نوع هسته T2 مجدداً به سه هسته تک‌فاز مستقل بازگردانده می‌شود.

نتایج نشان می‌دهد مقدار جریان‌های GIC به شدت کاهش یافته و از حدود 295 آمپر به تقریباً 25 آمپر می‌رسد. این کاهش شدید ناشی از خطای مدل‌سازی مقاومت مسیر برگشت زمین در مدل DPL است.

در واقع مدل DPL مقاومت مسیر زمین را همان مقدار مقاومت اندازه‌گیری شده در فرکانس 50 یا 60 هرتز فرض می‌کند، در حالی که در فرکانس صفر، مقاومت مسیر برگشت زمین تقریباً صفر است. بنابراین مدل DPL قادر به بازسازی صحیح جریان‌های ژئومغناطیسی نبوده و استفاده از آن برای مطالعات GIC توصیه نمی‌شود.

اهمیت استفاده از مدل وابسته به فرکانس

مدل وابسته به فرکانس (Frequency Dependent Line) قادر است تغییرات مقاومت، اندوکتانس و امپدانس خط را در گستره وسیعی از فرکانس‌ها مدل کند. به همین دلیل رفتار خط در شرایط جریان‌های DC، هارمونیک‌ها و فرکانس نامی شبکه به صورت هم‌زمان با دقت بسیار بالاتری شبیه‌سازی می‌شود.

این ویژگی باعث می‌شود نتایج حاصل از تحلیل اشباع ترانسفورماتورها، جریان‌های GIC و توان راکتیو با رفتار واقعی شبکه‌های انتقال فشارقوی تطابق بیشتری داشته باشند.

کاربردهای این شبیه سازی

این شبیه سازی کاربردهای فراوانی در مطالعات سیستم قدرت دارد و می‌تواند در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد، از جمله:

• بررسی اثر طوفان‌های خورشیدی بر شبکه انتقال برق
• تحلیل اشباع ترانسفورماتورهای قدرت
• مطالعه تولید هارمونیک ناشی از اشباع هسته
• بررسی افزایش توان راکتیو شبکه
• تحلیل کیفیت توان در حضور GIC
• مقایسه انواع هسته ترانسفورماتورها
• ارزیابی مدل‌های مختلف خطوط انتقال
• آموزش رفتار گذرای ترانسفورماتورها در شرایط غیرعادی
• طراحی سیستم‌های حفاظتی مقاوم در برابر GIC
• اعتبارسنجی مدل‌های Simscape Electrical برای مطالعات شبکه‌های فشارقوی

جمع‌بندی

جریان‌های القایی ژئومغناطیسی یکی از مهم‌ترین پدیده‌های طبیعی مؤثر بر عملکرد شبکه‌های انتقال قدرت هستند که می‌توانند موجب اشباع هسته ترانسفورماتورها، افزایش جریان مغناطیس‌کننده، تولید هارمونیک، افزایش توان راکتیو و کاهش کیفیت توان شوند. نتایج این شبیه سازی نشان می‌دهد که نوع هسته ترانسفورماتور و مدل مورد استفاده برای خط انتقال نقش تعیین‌کننده‌ای در مقدار جریان‌های GIC و میزان اشباع هسته دارند. استفاده از مدل Frequency Dependent برای خط انتقال و تحلیل دقیق رفتار شار مغناطیسی، امکان شبیه‌سازی واقع‌بینانه این پدیده را فراهم می‌کند. این شبیه سازی در محیط Matlab و Simscape Electrical ابزاری ارزشمند برای پژوهشگران، دانشجویان و مهندسان سیستم قدرت است تا بتوانند اثرات طوفان‌های ژئومغناطیسی را بر شبکه‌های انتقال فشارقوی به صورت دقیق ارزیابی کرده و راهکارهای مناسب برای افزایش قابلیت اطمینان شبکه ارائه دهند.