شبیه‌سازی عملکرد خطوط انتقال فشارقوی در شرایط خطا، یکی از موضوعات مهم در بررسی قابلیت اطمینان و پایداری شبکه‌های قدرت است. در شبکه‌های انتقال با ولتاژ بالا، وقوع خطاهای تک‌فاز به زمین از جمله خطاهای متداول محسوب می‌شود. در چنین شرایطی، استفاده از روش‌های مناسب برای قطع خطای ایجادشده و بازگرداندن خط به وضعیت عادی اهمیت زیادی دارد. یکی از روش‌های مورد استفاده در خطوط انتقال فشارقوی، بازبست تک‌قطبی یا Single-Pole Reclosing است.

در این شبیه‌سازی، عملکرد دو خط انتقال موازی 735 کیلوولت بررسی می‌شود و یک خطای فاز به زمین در وسط یکی از خطوط ایجاد می‌شود. سپس با عملکرد کلیدهای قدرت، تنها فاز معیوب از مدار خارج شده و پس از گذشت یک زمان مرده مشخص، دوباره به مدار بازگردانده می‌شود. هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی جریان خطا، جریان قوس ثانویه، رفتار ولتاژها و جریان‌های سه‌فاز و همچنین تأثیر راکتانس‌های نول بر امکان خاموش شدن قوس الکتریکی است.

معرفی سیستم انتقال در شبیه‌سازی

سیستم مورد بررسی شامل دو خط انتقال سه‌فاز موازی است که هر یک دارای طول 200 کیلومتر هستند. این خطوط وظیفه انتقال توان تولیدشده در یک نیروگاه را به یک شبکه معادل بر عهده دارند. توان انتقالی خالص در حالت عادی برابر با 3000 مگاوات در نظر گرفته شده است. نیروگاه شامل 12 ژنراتور با توان نامی 350 مگاولت‌آمپر است و به کمک یک ترانسفورماتور افزاینده با نسبت ولتاژ 13.8/735 کیلوولت به شبکه انتقال متصل می‌شود.

برای مدل‌سازی بخش تولید، از یک ماشین سنکرون ساده‌شده استفاده شده است. راکتانس زیرگذرا یا Sub-transient این ماشین برابر با 0.22 پریونیت در نظر گرفته شده است. استفاده از مدل ساده‌شده ماشین سنکرون باعث می‌شود تمرکز اصلی شبیه‌سازی روی رفتار خط انتقال، خطای فاز به زمین، عملکرد کلیدها و فرآیند بازبست قرار گیرد.

در سمت دیگر خطوط، شبکه‌ای معادل با سطح اتصال کوتاه 20 گیگاوات‌آمپر قرار دارد. بنابراین سیستم شامل یک منبع تولید نسبتاً قدرتمند در یک طرف و یک شبکه معادل در طرف دیگر است. این ساختار شرایط مناسبی را برای بررسی رفتار یک خط انتقال فشارقوی در هنگام بروز خطای تک‌فاز فراهم می‌کند.

مدل‌سازی خطوط انتقال 735 کیلوولت

هر دو خط انتقال به صورت خطوط با پارامترهای توزیع‌شده یا Distributed Parameter Line مدل شده‌اند. این نوع مدل برای خطوط انتقال طولانی مناسب است، زیرا در خطوطی با طول زیاد نمی‌توان اثر توزیع‌شدگی مقاومت، اندوکتانس و ظرفیت خازنی را به سادگی نادیده گرفت.

پارامترهای الکتریکی خطوط شامل مقاومت، اندوکتانس و ظرفیت خازنی بر واحد طول هستند و با استفاده از مؤلفه‌های توالی مثبت و توالی صفر تعریف می‌شوند. همچنین فرض شده است که خطوط انتقال به صورت Transposed هستند. این فرض موجب می‌شود اثر نامتقارنی ناشی از آرایش فیزیکی هادی‌ها در مدل‌سازی کاهش پیدا کند و تحلیل سیستم با استفاده از پارامترهای توالی به شکل مناسب‌تری انجام شود.

هر خط انتقال دارای دو راکتور شنت با توان نامی 200 مگاوار است که در دو انتهای خط قرار گرفته‌اند. استفاده از راکتورهای شنت در چنین خطوط فشارقوی به منظور جبران بخشی از توان راکتیو تولیدشده توسط ظرفیت خازنی خط انجام می‌شود. این موضوع به‌ویژه در خطوط انتقال طولانی اهمیت دارد، زیرا ظرفیت خازنی زیاد خط می‌تواند موجب افزایش ولتاژ در شرایط بار کم و ایجاد توان راکتیو اضافی شود.

اهمیت راکتانس نول در بازبست تک‌قطبی

یکی از نکات تخصصی مهم در این شبیه‌سازی، استفاده از اندوکتانس نول برای راکتورهای شنت مربوط به خط دوم است. این عنصر در فرآیند بازبست تک‌قطبی نقش مهمی دارد.

هنگامی که یک خطای فاز به زمین رخ می‌دهد و تنها فاز معیوب توسط کلیدهای قدرت قطع می‌شود، دو فاز سالم همچنان به شبکه متصل باقی می‌مانند. در این حالت، بین فازهای سالم و فاز قطع‌شده کوپلینگ خازنی ایجاد می‌شود. این کوپلینگ باعث القای جریان در مسیر خطای بازشده می‌شود. جریانی که پس از قطع جریان اصلی خطا همچنان از مسیر قوس عبور می‌کند، جریان قوس ثانویه یا Secondary Arc Current نامیده می‌شود.

اگر مقدار این جریان زیاد باشد، قوس الکتریکی نمی‌تواند در اولین عبور جریان از صفر به‌طور طبیعی خاموش شود. در نتیجه، هنگامی که کلید دوباره بسته می‌شود، ممکن است خط هنوز در وضعیت خطادار قرار داشته باشد و بازبست موفقیت‌آمیز انجام نشود.

استفاده از اندوکتانس نول مناسب در راکتورهای شنت می‌تواند جریان قوس ثانویه را کاهش دهد. به همین دلیل، در این شبیه‌سازی امکان بررسی مقدار بهینه اندوکتانس نول نیز وجود دارد. با حذف یا غیرفعال کردن راکتورهای شنت خط دوم، می‌توان اثر این تغییر را بر جریان قوس ثانویه مشاهده کرد.

ایجاد خطای فاز به زمین

برای بررسی عملکرد بازبست تک‌قطبی، یک خطای فاز به زمین در نقطه میانی خط دوم اعمال می‌شود. از آنجا که مدل خط انتقال به صورت یکپارچه امکان اعمال دقیق خطا در نقطه میانی را فراهم نمی‌کند، خط دوم به دو بخش 100 کیلومتری تقسیم شده است. در نتیجه، محل اتصال دو بخش 100 کیلومتری همان نقطه میانی خط 200 کیلومتری خواهد بود و خطای فاز به زمین در این نقطه اعمال می‌شود.

این روش مدل‌سازی علاوه بر ایجاد امکان قرار دادن خطا در نقطه موردنظر، باعث می‌شود رفتار انتشار امواج و تغییرات ولتاژ و جریان در دو بخش خط نیز به شکل مناسبی در شبیه‌سازی لحاظ شود.

مکانیزم قطع و بازبست تک‌قطبی

پس از وقوع خطا، رله‌های حفاظتی باید خطا را تشخیص دهند. در این مدل، عملکرد جزئی رله حفاظتی به صورت مستقیم شبیه‌سازی نشده است، اما تأخیر مربوط به تشخیص خطا و صدور فرمان قطع در زمان‌بندی کلیدها لحاظ شده است.

پس از تشخیص خطای فاز به زمین، فرمان باز شدن به دو کلید مربوط به فاز معیوب در دو انتهای خط دوم ارسال می‌شود. نکته مهم این است که در بازبست تک‌قطبی، تنها کلیدهای فاز خطادار باز می‌شوند و دو فاز سالم همچنان در مدار باقی می‌مانند.

پس از باز شدن کلیدها، یک فاصله زمانی مشخص تحت عنوان زمان مرده یا Dead Time ایجاد می‌شود. در این مدت، فاز معیوب از مدار جدا باقی می‌ماند تا قوس ایجادشده در محل خطا فرصت خاموش شدن پیدا کند. در این مثال، زمان مرده حدود 30 سیکل در نظر گرفته شده است که در فرکانس 60 هرتز تقریباً برابر با 0.5 ثانیه است.

پس از پایان زمان مرده، دو کلید مربوط به فاز معیوب مجدداً بسته می‌شوند. اگر قوس در محل خطا خاموش شده باشد، بازبست با موفقیت انجام می‌شود و خط به شرایط عادی بازمی‌گردد. اما اگر قوس همچنان برقرار باشد، بسته شدن کلیدها باعث می‌شود جریان خطای قابل‌توجهی دوباره برقرار شود.

مدل قوس الکتریکی

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، مدل Arc Model است. قوس الکتریکی را می‌توان با استفاده از یک مقاومت ثابت یا مقاومتی غیرخطی که تابعی از جریان قوس است، مدل کرد.

در مدل غیرخطی، مقاومت متوسط قوس به صورت تابعی نمایی از مقدار مؤثر جریان قوس در نظر گرفته می‌شود. با کاهش جریان قوس، مقاومت متوسط آن افزایش پیدا می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود جریان قوس با سرعت بیشتری کاهش پیدا کند و احتمال خاموش شدن قوس افزایش یابد.

برای نمونه، با پارامترهای تعیین‌شده در مدل، مقاومت قوس برای جریان مؤثر 1 کیلوآمپر حدود 0.1 اهم است، در حالی که برای جریان مؤثر 100 آمپر مقدار مقاومت به حدود 30 اهم افزایش پیدا می‌کند. بنابراین کاهش جریان قوس باعث افزایش قابل‌توجه مقاومت آن می‌شود.

در مدل مورد استفاده، زمانی که مقدار مؤثر جریان قوس از یک مقدار آستانه مشخص کمتر شود، قوس خاموش در نظر گرفته می‌شود. مقدار معمول این آستانه در مثال حدود 50 آمپر است. بنابراین کاهش جریان مؤثر قوس به کمتر از 50 آمپر شرط مهمی برای خاموش شدن قوس و موفقیت بازبست محسوب می‌شود.

زمان‌بندی خطا، قطع و بازبست

خطا در زمان یک سیکل از شروع شبیه‌سازی اعمال می‌شود. سپس با فرض وجود سه سیکل زمان تشخیص و زمان عملکرد اولیه، فرمان قطع کلیدهای فاز معیوب در سیکل چهارم صادر می‌شود.

کلیدها پس از دریافت فرمان باز می‌شوند و فاز خطادار برای مدت 30 سیکل از مدار خارج باقی می‌ماند. در سیکل 34، فرمان بازبست صادر می‌شود. این فاصله زمانی همان زمان مرده‌ای است که برای خاموش شدن قوس در نظر گرفته شده است.

این زمان‌بندی به‌خوبی نشان می‌دهد که بازبست تک‌قطبی صرفاً یک عمل ساده برای بستن دوباره کلید نیست، بلکه شامل توالی مشخصی از وقوع خطا، تشخیص، قطع فاز معیوب، انتظار برای خاموش شدن قوس و در نهایت بازبست است.

بررسی جریان خطا

پس از اجرای شبیه‌سازی، می‌توان شکل موج‌های ولتاژ و جریان را در اسیلوسکوپ مشاهده کرد. در ابتدای وقوع خطا، جریان خطا مقدار بسیار بزرگی پیدا می‌کند. در این مثال، جریان قوس در اولین سیکل به حدود 22 کیلوآمپر می‌رسد.

پس از گذشت چند سیکل و باز شدن کلیدهای مربوط به فاز معیوب، جریان اصلی خطا به مقدار بسیار کوچکی کاهش پیدا می‌کند. با این حال، جریان کاملاً صفر نمی‌شود، زیرا کوپلینگ خازنی میان فازهای سالم و فاز خطادار باعث ایجاد جریان قوس ثانویه می‌شود.

برای بررسی دقیق این جریان کوچک، استفاده از قابلیت بزرگ‌نمایی محور Y در اسیلوسکوپ اهمیت زیادی دارد. در این حالت مشاهده می‌شود که جریان قوس ثانویه دارای یک مؤلفه DC با کاهش تدریجی و همچنین یک مؤلفه اصلی سینوسی است. مؤلفه اصلی در این شبیه‌سازی حدود 12 آمپر پیک گزارش شده است.

از آنجا که مقدار مؤثر جریان قوس ثانویه کمتر از آستانه 50 آمپر است، قوس در نخستین عبور جریان از صفر خاموش می‌شود. این وضعیت باعث می‌شود بازبست تک‌قطبی پس از پایان زمان مرده بتواند بدون بازگشت خطا انجام شود.

بررسی مدل مقاومت ثابت قوس

یکی از آزمایش‌های مهم در این شبیه‌سازی، تغییر مدل قوس از مقاومت غیرخطی به مقاومت ثابت است. برای این کار می‌توان مدل Arc Model را باز کرده و نوع مدل را روی مقاومت ثابت با مقدار 0.1 اهم قرار داد.

پس از اجرای مجدد شبیه‌سازی، رفتار سیستم تغییر می‌کند. در این حالت، مقاومت قوس با کاهش جریان افزایش پیدا نمی‌کند. بنابراین مکانیسم افزایش مقاومت قوس که در مدل غیرخطی باعث تسریع کاهش جریان می‌شد، حذف شده است.

در نتیجه، مؤلفه DC جریان قوس می‌تواند از خاموش شدن طبیعی قوس جلوگیری کند. در چنین شرایطی، قوس در زمان باز بودن کلیدها همچنان برقرار می‌ماند و زمانی که کلیدها پس از پایان زمان مرده دوباره بسته می‌شوند، خط هنوز در وضعیت خطادار قرار دارد. بنابراین بازبست تک‌قطبی با شکست مواجه می‌شود و جریان خطا دوباره برقرار خواهد شد.

تأثیر حذف راکتانس نول

آزمایش مهم دیگر، بررسی اثر حذف اندوکتانس نول از راکتورهای شنت خط دوم است. این تغییر امکان بررسی مستقیم نقش اندوکتانس نول در کاهش جریان قوس ثانویه را فراهم می‌کند.

در صورت حذف راکتانس نول، کوپلینگ خازنی میان فازهای سالم و فاز جداشده می‌تواند جریان بیشتری را در مسیر قوس ایجاد کند. افزایش جریان قوس ثانویه احتمال عبور نکردن جریان از محدوده لازم برای خاموش شدن قوس را افزایش می‌دهد. بنابراین انتخاب مناسب پارامترهای راکتور و اندوکتانس نول در خطوط 735 کیلوولت برای دستیابی به بازبست تک‌قطبی موفق اهمیت زیادی دارد.

شرایط موفقیت بازبست تک‌قطبی

بر اساس نتایج این شبیه‌سازی، موفقیت بازبست تک‌قطبی به چند عامل مهم وابسته است. نخست، جریان قوس ثانویه باید پس از قطع فاز معیوب به اندازه کافی کاهش پیدا کند. دوم، مدل قوس باید رفتار واقعی خاموش شدن قوس را به شکل مناسبی نمایش دهد. سوم، زمان مرده باید به اندازه‌ای باشد که قوس فرصت خاموش شدن داشته باشد. در نهایت، طراحی راکتورهای شنت و مقدار اندوکتانس نول باید به گونه‌ای انتخاب شود که جریان ناشی از کوپلینگ خازنی بین فازها محدود شود.

اگر جریان قوس ثانویه از مقدار بحرانی بالاتر باقی بماند، قوس ممکن است خاموش نشود. در چنین شرایطی، بستن مجدد کلید فاز معیوب موجب برقراری مجدد جریان خطا خواهد شد. این موضوع می‌تواند باعث عملکرد مجدد حفاظت و خروج دوباره خط از مدار شود.

نتایج شبیه‌سازی

شبیه‌سازی خط انتقال سه‌فاز 735 کیلوولت نشان می‌دهد که بازبست تک‌قطبی یک فرآیند وابسته به رفتار الکتریکی شبکه و قوس ثانویه است. در حالت اولیه، نیروگاه طوری مقداردهی اولیه شده است که در ولتاژ یک پریونیت حدود 3220 مگاوات تولید کند. پس از در نظر گرفتن شرایط شبکه، توان خالص منتقل‌شده از طریق دو خط برابر حدود 3000 مگاوات است.

با توجه به تقسیم توان بین دو خط، جریان عبوری از هر خط مقدار قابل‌توجهی دارد. در زمان وقوع خطای فاز به زمین، جریان خطا در سیکل نخست به حدود 22 کیلوآمپر می‌رسد. پس از قطع فاز معیوب، جریان اصلی خطا به مقدار بسیار کمی کاهش پیدا می‌کند، اما جریان قوس ثانویه همچنان وجود دارد.

در مدل غیرخطی قوس، افزایش مقاومت قوس با کاهش جریان باعث می‌شود جریان مؤثر قوس به کمتر از 50 آمپر برسد. در نتیجه قوس در نخستین عبور جریان از صفر خاموش می‌شود و بازبست پس از زمان مرده می‌تواند با موفقیت انجام شود.

در مقابل، استفاده از مقاومت ثابت 0.1 اهم باعث می‌شود شرایط خاموش شدن قوس متفاوت باشد. در این حالت مؤلفه DC جریان می‌تواند از خاموش شدن قوس جلوگیری کند و در نهایت بازبست روی خطای باقی‌مانده انجام شود.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

شبیه‌سازی Three-Phase Line – Single-Pole Reclosing یک نمونه تخصصی برای بررسی عملکرد خطوط انتقال بسیار فشارقوی در هنگام وقوع خطای فاز به زمین و فرآیند بازبست تک‌قطبی است. سیستم شامل دو خط انتقال موازی 735 کیلوولت با طول 200 کیلومتر، یک نیروگاه متشکل از 12 ژنراتور 350 مگاولت‌آمپری و یک شبکه معادل با سطح اتصال کوتاه 20 گیگاوات‌آمپر است.

یکی از مهم‌ترین مفاهیم بررسی‌شده در این شبیه‌سازی، جریان قوس ثانویه است. حتی پس از قطع فاز خطادار، به دلیل کوپلینگ خازنی میان فازهای سالم و فاز جداشده، جریان کوچکی می‌تواند در مسیر قوس برقرار باقی بماند. اگر این جریان از مقدار بحرانی بیشتر باشد، قوس خاموش نمی‌شود و بازبست می‌تواند با شکست مواجه شود.

استفاده از مدل غیرخطی قوس، راکتورهای شنت و اندوکتانس نول مناسب، امکان کاهش جریان قوس ثانویه و افزایش احتمال خاموش شدن قوس را فراهم می‌کند. همچنین بررسی مدل مقاومت ثابت نشان می‌دهد که انتخاب مدل مناسب برای قوس در تحلیل عملکرد بازبست اهمیت زیادی دارد.

این شبیه‌سازی در Matlab برای مطالعه رفتار گذرای خطوط انتقال، عملکرد کلیدهای قدرت، خطاهای فاز به زمین، جریان قوس ثانویه و بازبست تک‌قطبی کاربرد دارد و می‌تواند مبنایی مناسب برای تحلیل دقیق‌تر سیستم‌های انتقال فشارقوی و بررسی پارامترهای مؤثر بر موفقیت بازبست در شبکه‌های قدرت باشد.

شبیه‌سازی عملکرد خطوط انتقال فشارقوی در شرایط خطا، یکی از موضوعات مهم در بررسی قابلیت اطمینان و پایداری شبکه‌های قدرت است. در شبکه‌های انتقال با ولتاژ بالا، وقوع خطاهای تک‌فاز به زمین از جمله خطاهای متداول محسوب می‌شود. در چنین شرایطی، استفاده از روش‌های مناسب برای قطع خطای ایجادشده و بازگرداندن خط به وضعیت عادی اهمیت زیادی دارد. یکی از روش‌های مورد استفاده در خطوط انتقال فشارقوی، بازبست تک‌قطبی یا Single-Pole Reclosing است.

در این شبیه‌سازی، عملکرد دو خط انتقال موازی 735 کیلوولت بررسی می‌شود و یک خطای فاز به زمین در وسط یکی از خطوط ایجاد می‌شود. سپس با عملکرد کلیدهای قدرت، تنها فاز معیوب از مدار خارج شده و پس از گذشت یک زمان مرده مشخص، دوباره به مدار بازگردانده می‌شود. هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی جریان خطا، جریان قوس ثانویه، رفتار ولتاژها و جریان‌های سه‌فاز و همچنین تأثیر راکتانس‌های نول بر امکان خاموش شدن قوس الکتریکی است.

معرفی سیستم انتقال در شبیه‌سازی

سیستم مورد بررسی شامل دو خط انتقال سه‌فاز موازی است که هر یک دارای طول 200 کیلومتر هستند. این خطوط وظیفه انتقال توان تولیدشده در یک نیروگاه را به یک شبکه معادل بر عهده دارند. توان انتقالی خالص در حالت عادی برابر با 3000 مگاوات در نظر گرفته شده است. نیروگاه شامل 12 ژنراتور با توان نامی 350 مگاولت‌آمپر است و به کمک یک ترانسفورماتور افزاینده با نسبت ولتاژ 13.8/735 کیلوولت به شبکه انتقال متصل می‌شود.

برای مدل‌سازی بخش تولید، از یک ماشین سنکرون ساده‌شده استفاده شده است. راکتانس زیرگذرا یا Sub-transient این ماشین برابر با 0.22 پریونیت در نظر گرفته شده است. استفاده از مدل ساده‌شده ماشین سنکرون باعث می‌شود تمرکز اصلی شبیه‌سازی روی رفتار خط انتقال، خطای فاز به زمین، عملکرد کلیدها و فرآیند بازبست قرار گیرد.

در سمت دیگر خطوط، شبکه‌ای معادل با سطح اتصال کوتاه 20 گیگاوات‌آمپر قرار دارد. بنابراین سیستم شامل یک منبع تولید نسبتاً قدرتمند در یک طرف و یک شبکه معادل در طرف دیگر است. این ساختار شرایط مناسبی را برای بررسی رفتار یک خط انتقال فشارقوی در هنگام بروز خطای تک‌فاز فراهم می‌کند.

مدل‌سازی خطوط انتقال 735 کیلوولت

هر دو خط انتقال به صورت خطوط با پارامترهای توزیع‌شده یا Distributed Parameter Line مدل شده‌اند. این نوع مدل برای خطوط انتقال طولانی مناسب است، زیرا در خطوطی با طول زیاد نمی‌توان اثر توزیع‌شدگی مقاومت، اندوکتانس و ظرفیت خازنی را به سادگی نادیده گرفت.

پارامترهای الکتریکی خطوط شامل مقاومت، اندوکتانس و ظرفیت خازنی بر واحد طول هستند و با استفاده از مؤلفه‌های توالی مثبت و توالی صفر تعریف می‌شوند. همچنین فرض شده است که خطوط انتقال به صورت Transposed هستند. این فرض موجب می‌شود اثر نامتقارنی ناشی از آرایش فیزیکی هادی‌ها در مدل‌سازی کاهش پیدا کند و تحلیل سیستم با استفاده از پارامترهای توالی به شکل مناسب‌تری انجام شود.

هر خط انتقال دارای دو راکتور شنت با توان نامی 200 مگاوار است که در دو انتهای خط قرار گرفته‌اند. استفاده از راکتورهای شنت در چنین خطوط فشارقوی به منظور جبران بخشی از توان راکتیو تولیدشده توسط ظرفیت خازنی خط انجام می‌شود. این موضوع به‌ویژه در خطوط انتقال طولانی اهمیت دارد، زیرا ظرفیت خازنی زیاد خط می‌تواند موجب افزایش ولتاژ در شرایط بار کم و ایجاد توان راکتیو اضافی شود.

اهمیت راکتانس نول در بازبست تک‌قطبی

یکی از نکات تخصصی مهم در این شبیه‌سازی، استفاده از اندوکتانس نول برای راکتورهای شنت مربوط به خط دوم است. این عنصر در فرآیند بازبست تک‌قطبی نقش مهمی دارد.

هنگامی که یک خطای فاز به زمین رخ می‌دهد و تنها فاز معیوب توسط کلیدهای قدرت قطع می‌شود، دو فاز سالم همچنان به شبکه متصل باقی می‌مانند. در این حالت، بین فازهای سالم و فاز قطع‌شده کوپلینگ خازنی ایجاد می‌شود. این کوپلینگ باعث القای جریان در مسیر خطای بازشده می‌شود. جریانی که پس از قطع جریان اصلی خطا همچنان از مسیر قوس عبور می‌کند، جریان قوس ثانویه یا Secondary Arc Current نامیده می‌شود.

اگر مقدار این جریان زیاد باشد، قوس الکتریکی نمی‌تواند در اولین عبور جریان از صفر به‌طور طبیعی خاموش شود. در نتیجه، هنگامی که کلید دوباره بسته می‌شود، ممکن است خط هنوز در وضعیت خطادار قرار داشته باشد و بازبست موفقیت‌آمیز انجام نشود.

استفاده از اندوکتانس نول مناسب در راکتورهای شنت می‌تواند جریان قوس ثانویه را کاهش دهد. به همین دلیل، در این شبیه‌سازی امکان بررسی مقدار بهینه اندوکتانس نول نیز وجود دارد. با حذف یا غیرفعال کردن راکتورهای شنت خط دوم، می‌توان اثر این تغییر را بر جریان قوس ثانویه مشاهده کرد.

ایجاد خطای فاز به زمین

برای بررسی عملکرد بازبست تک‌قطبی، یک خطای فاز به زمین در نقطه میانی خط دوم اعمال می‌شود. از آنجا که مدل خط انتقال به صورت یکپارچه امکان اعمال دقیق خطا در نقطه میانی را فراهم نمی‌کند، خط دوم به دو بخش 100 کیلومتری تقسیم شده است. در نتیجه، محل اتصال دو بخش 100 کیلومتری همان نقطه میانی خط 200 کیلومتری خواهد بود و خطای فاز به زمین در این نقطه اعمال می‌شود.

این روش مدل‌سازی علاوه بر ایجاد امکان قرار دادن خطا در نقطه موردنظر، باعث می‌شود رفتار انتشار امواج و تغییرات ولتاژ و جریان در دو بخش خط نیز به شکل مناسبی در شبیه‌سازی لحاظ شود.

مکانیزم قطع و بازبست تک‌قطبی

پس از وقوع خطا، رله‌های حفاظتی باید خطا را تشخیص دهند. در این مدل، عملکرد جزئی رله حفاظتی به صورت مستقیم شبیه‌سازی نشده است، اما تأخیر مربوط به تشخیص خطا و صدور فرمان قطع در زمان‌بندی کلیدها لحاظ شده است.

پس از تشخیص خطای فاز به زمین، فرمان باز شدن به دو کلید مربوط به فاز معیوب در دو انتهای خط دوم ارسال می‌شود. نکته مهم این است که در بازبست تک‌قطبی، تنها کلیدهای فاز خطادار باز می‌شوند و دو فاز سالم همچنان در مدار باقی می‌مانند.

پس از باز شدن کلیدها، یک فاصله زمانی مشخص تحت عنوان زمان مرده یا Dead Time ایجاد می‌شود. در این مدت، فاز معیوب از مدار جدا باقی می‌ماند تا قوس ایجادشده در محل خطا فرصت خاموش شدن پیدا کند. در این مثال، زمان مرده حدود 30 سیکل در نظر گرفته شده است که در فرکانس 60 هرتز تقریباً برابر با 0.5 ثانیه است.

پس از پایان زمان مرده، دو کلید مربوط به فاز معیوب مجدداً بسته می‌شوند. اگر قوس در محل خطا خاموش شده باشد، بازبست با موفقیت انجام می‌شود و خط به شرایط عادی بازمی‌گردد. اما اگر قوس همچنان برقرار باشد، بسته شدن کلیدها باعث می‌شود جریان خطای قابل‌توجهی دوباره برقرار شود.

مدل قوس الکتریکی

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، مدل Arc Model است. قوس الکتریکی را می‌توان با استفاده از یک مقاومت ثابت یا مقاومتی غیرخطی که تابعی از جریان قوس است، مدل کرد.

در مدل غیرخطی، مقاومت متوسط قوس به صورت تابعی نمایی از مقدار مؤثر جریان قوس در نظر گرفته می‌شود. با کاهش جریان قوس، مقاومت متوسط آن افزایش پیدا می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود جریان قوس با سرعت بیشتری کاهش پیدا کند و احتمال خاموش شدن قوس افزایش یابد.

برای نمونه، با پارامترهای تعیین‌شده در مدل، مقاومت قوس برای جریان مؤثر 1 کیلوآمپر حدود 0.1 اهم است، در حالی که برای جریان مؤثر 100 آمپر مقدار مقاومت به حدود 30 اهم افزایش پیدا می‌کند. بنابراین کاهش جریان قوس باعث افزایش قابل‌توجه مقاومت آن می‌شود.

در مدل مورد استفاده، زمانی که مقدار مؤثر جریان قوس از یک مقدار آستانه مشخص کمتر شود، قوس خاموش در نظر گرفته می‌شود. مقدار معمول این آستانه در مثال حدود 50 آمپر است. بنابراین کاهش جریان مؤثر قوس به کمتر از 50 آمپر شرط مهمی برای خاموش شدن قوس و موفقیت بازبست محسوب می‌شود.

زمان‌بندی خطا، قطع و بازبست

خطا در زمان یک سیکل از شروع شبیه‌سازی اعمال می‌شود. سپس با فرض وجود سه سیکل زمان تشخیص و زمان عملکرد اولیه، فرمان قطع کلیدهای فاز معیوب در سیکل چهارم صادر می‌شود.

کلیدها پس از دریافت فرمان باز می‌شوند و فاز خطادار برای مدت 30 سیکل از مدار خارج باقی می‌ماند. در سیکل 34، فرمان بازبست صادر می‌شود. این فاصله زمانی همان زمان مرده‌ای است که برای خاموش شدن قوس در نظر گرفته شده است.

این زمان‌بندی به‌خوبی نشان می‌دهد که بازبست تک‌قطبی صرفاً یک عمل ساده برای بستن دوباره کلید نیست، بلکه شامل توالی مشخصی از وقوع خطا، تشخیص، قطع فاز معیوب، انتظار برای خاموش شدن قوس و در نهایت بازبست است.

بررسی جریان خطا

پس از اجرای شبیه‌سازی، می‌توان شکل موج‌های ولتاژ و جریان را در اسیلوسکوپ مشاهده کرد. در ابتدای وقوع خطا، جریان خطا مقدار بسیار بزرگی پیدا می‌کند. در این مثال، جریان قوس در اولین سیکل به حدود 22 کیلوآمپر می‌رسد.

پس از گذشت چند سیکل و باز شدن کلیدهای مربوط به فاز معیوب، جریان اصلی خطا به مقدار بسیار کوچکی کاهش پیدا می‌کند. با این حال، جریان کاملاً صفر نمی‌شود، زیرا کوپلینگ خازنی میان فازهای سالم و فاز خطادار باعث ایجاد جریان قوس ثانویه می‌شود.

برای بررسی دقیق این جریان کوچک، استفاده از قابلیت بزرگ‌نمایی محور Y در اسیلوسکوپ اهمیت زیادی دارد. در این حالت مشاهده می‌شود که جریان قوس ثانویه دارای یک مؤلفه DC با کاهش تدریجی و همچنین یک مؤلفه اصلی سینوسی است. مؤلفه اصلی در این شبیه‌سازی حدود 12 آمپر پیک گزارش شده است.

از آنجا که مقدار مؤثر جریان قوس ثانویه کمتر از آستانه 50 آمپر است، قوس در نخستین عبور جریان از صفر خاموش می‌شود. این وضعیت باعث می‌شود بازبست تک‌قطبی پس از پایان زمان مرده بتواند بدون بازگشت خطا انجام شود.

بررسی مدل مقاومت ثابت قوس

یکی از آزمایش‌های مهم در این شبیه‌سازی، تغییر مدل قوس از مقاومت غیرخطی به مقاومت ثابت است. برای این کار می‌توان مدل Arc Model را باز کرده و نوع مدل را روی مقاومت ثابت با مقدار 0.1 اهم قرار داد.

پس از اجرای مجدد شبیه‌سازی، رفتار سیستم تغییر می‌کند. در این حالت، مقاومت قوس با کاهش جریان افزایش پیدا نمی‌کند. بنابراین مکانیسم افزایش مقاومت قوس که در مدل غیرخطی باعث تسریع کاهش جریان می‌شد، حذف شده است.

در نتیجه، مؤلفه DC جریان قوس می‌تواند از خاموش شدن طبیعی قوس جلوگیری کند. در چنین شرایطی، قوس در زمان باز بودن کلیدها همچنان برقرار می‌ماند و زمانی که کلیدها پس از پایان زمان مرده دوباره بسته می‌شوند، خط هنوز در وضعیت خطادار قرار دارد. بنابراین بازبست تک‌قطبی با شکست مواجه می‌شود و جریان خطا دوباره برقرار خواهد شد.

تأثیر حذف راکتانس نول

آزمایش مهم دیگر، بررسی اثر حذف اندوکتانس نول از راکتورهای شنت خط دوم است. این تغییر امکان بررسی مستقیم نقش اندوکتانس نول در کاهش جریان قوس ثانویه را فراهم می‌کند.

در صورت حذف راکتانس نول، کوپلینگ خازنی میان فازهای سالم و فاز جداشده می‌تواند جریان بیشتری را در مسیر قوس ایجاد کند. افزایش جریان قوس ثانویه احتمال عبور نکردن جریان از محدوده لازم برای خاموش شدن قوس را افزایش می‌دهد. بنابراین انتخاب مناسب پارامترهای راکتور و اندوکتانس نول در خطوط 735 کیلوولت برای دستیابی به بازبست تک‌قطبی موفق اهمیت زیادی دارد.

شرایط موفقیت بازبست تک‌قطبی

بر اساس نتایج این شبیه‌سازی، موفقیت بازبست تک‌قطبی به چند عامل مهم وابسته است. نخست، جریان قوس ثانویه باید پس از قطع فاز معیوب به اندازه کافی کاهش پیدا کند. دوم، مدل قوس باید رفتار واقعی خاموش شدن قوس را به شکل مناسبی نمایش دهد. سوم، زمان مرده باید به اندازه‌ای باشد که قوس فرصت خاموش شدن داشته باشد. در نهایت، طراحی راکتورهای شنت و مقدار اندوکتانس نول باید به گونه‌ای انتخاب شود که جریان ناشی از کوپلینگ خازنی بین فازها محدود شود.

اگر جریان قوس ثانویه از مقدار بحرانی بالاتر باقی بماند، قوس ممکن است خاموش نشود. در چنین شرایطی، بستن مجدد کلید فاز معیوب موجب برقراری مجدد جریان خطا خواهد شد. این موضوع می‌تواند باعث عملکرد مجدد حفاظت و خروج دوباره خط از مدار شود.

نتایج شبیه‌سازی

شبیه‌سازی خط انتقال سه‌فاز 735 کیلوولت نشان می‌دهد که بازبست تک‌قطبی یک فرآیند وابسته به رفتار الکتریکی شبکه و قوس ثانویه است. در حالت اولیه، نیروگاه طوری مقداردهی اولیه شده است که در ولتاژ یک پریونیت حدود 3220 مگاوات تولید کند. پس از در نظر گرفتن شرایط شبکه، توان خالص منتقل‌شده از طریق دو خط برابر حدود 3000 مگاوات است.

با توجه به تقسیم توان بین دو خط، جریان عبوری از هر خط مقدار قابل‌توجهی دارد. در زمان وقوع خطای فاز به زمین، جریان خطا در سیکل نخست به حدود 22 کیلوآمپر می‌رسد. پس از قطع فاز معیوب، جریان اصلی خطا به مقدار بسیار کمی کاهش پیدا می‌کند، اما جریان قوس ثانویه همچنان وجود دارد.

در مدل غیرخطی قوس، افزایش مقاومت قوس با کاهش جریان باعث می‌شود جریان مؤثر قوس به کمتر از 50 آمپر برسد. در نتیجه قوس در نخستین عبور جریان از صفر خاموش می‌شود و بازبست پس از زمان مرده می‌تواند با موفقیت انجام شود.

در مقابل، استفاده از مقاومت ثابت 0.1 اهم باعث می‌شود شرایط خاموش شدن قوس متفاوت باشد. در این حالت مؤلفه DC جریان می‌تواند از خاموش شدن قوس جلوگیری کند و در نهایت بازبست روی خطای باقی‌مانده انجام شود.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

شبیه‌سازی Three-Phase Line – Single-Pole Reclosing یک نمونه تخصصی برای بررسی عملکرد خطوط انتقال بسیار فشارقوی در هنگام وقوع خطای فاز به زمین و فرآیند بازبست تک‌قطبی است. سیستم شامل دو خط انتقال موازی 735 کیلوولت با طول 200 کیلومتر، یک نیروگاه متشکل از 12 ژنراتور 350 مگاولت‌آمپری و یک شبکه معادل با سطح اتصال کوتاه 20 گیگاوات‌آمپر است.

یکی از مهم‌ترین مفاهیم بررسی‌شده در این شبیه‌سازی، جریان قوس ثانویه است. حتی پس از قطع فاز خطادار، به دلیل کوپلینگ خازنی میان فازهای سالم و فاز جداشده، جریان کوچکی می‌تواند در مسیر قوس برقرار باقی بماند. اگر این جریان از مقدار بحرانی بیشتر باشد، قوس خاموش نمی‌شود و بازبست می‌تواند با شکست مواجه شود.

استفاده از مدل غیرخطی قوس، راکتورهای شنت و اندوکتانس نول مناسب، امکان کاهش جریان قوس ثانویه و افزایش احتمال خاموش شدن قوس را فراهم می‌کند. همچنین بررسی مدل مقاومت ثابت نشان می‌دهد که انتخاب مدل مناسب برای قوس در تحلیل عملکرد بازبست اهمیت زیادی دارد.

این شبیه‌سازی در Matlab برای مطالعه رفتار گذرای خطوط انتقال، عملکرد کلیدهای قدرت، خطاهای فاز به زمین، جریان قوس ثانویه و بازبست تک‌قطبی کاربرد دارد و می‌تواند مبنایی مناسب برای تحلیل دقیق‌تر سیستم‌های انتقال فشارقوی و بررسی پارامترهای مؤثر بر موفقیت بازبست در شبکه‌های قدرت باشد.