چه نوع ها و ویژگی های رایج اورولود در شبکه توزیع وجود دارد؟

شبکه‌های توزیع، با ویژگی‌های پخش گسترده، تعداد زیاد تجهیزات و سطح عایق‌بندی کم، آسیب‌پذیر به حوادث عایق‌بندی ناشی از ولتاژ بیش از حد هستند. این مسئله نه تنها پایداری کل سیستم توزیع و عملکرد عایق‌بندی خطوط را کاهش می‌دهد بلکه تأثیر معکوس قابل توجهی بر عملکرد ایمن شبکه برق و توسعه سالم و پایدار صنعت برق دارد.

از دیدگاه مداری، به جز منبع تغذیه، سیستم برق را می‌توان با ترکیبات مختلف سه مولفه نمونه شامل مقاومت (R)، القایی (L) و خازن (C) نشان داد. در میان آن‌ها، القایی (L) و خازن (C) مولفه‌های ذخیره‌کننده انرژی هستند که شرایط اصلی تشکیل ولتاژ بیش از حد هستند؛ مقاومت (R) مولفه‌ای مصرف‌کننده انرژی است که معمولاً می‌تواند از رشد ولتاژ بیش از حد جلوگیری کند. با این حال، در موارد فردی، افزودن نامناسب مقاومت می‌تواند منجر به ایجاد ولتاژ بیش از حد شود.

نوع‌ها و ویژگی‌های رایج ولتاژ بیش از حد در شبکه‌های توزیع

نوع‌های رایج ولتاژ بیش از حد در شبکه‌های توزیع عمدتاً شامل ولتاژ بیش از حد قوس متقطع، ولتاژ بیش از حد رزونان خطی و ولتاژ بیش از حد فرورزونان (شامل ولتاژ بیش از حد رزونان جداشدن و ولتاژ بیش از حد اشباع PT) هستند.

ولتاژ بیش از حد قوس متقطع

ولتاژ بیش از حد قوس متقطع یک نوع ولتاژ بیش از حد تغییر وضعیت است. دامنه آن با عواملی مانند مشخصات تجهیزات برق، ساختار سیستم، پارامترهای عملیاتی، شکل عملیات یا خرابی‌ها و غیره مرتبط است و دارای تصادفی بودن واضح است. این نوع ولتاژ بیش از حد در شبکه‌های برق با نقطه میانی غیرفعال یا غیرفعال شده رایج‌تر است.

انرژی ولتاژ بیش از حد تغییر وضعیت از خود سیستم برق ناشی می‌شود و دامنه آن تقریباً متناسب با ولتاژ اسمی سیستم است. معمولاً با ضربه بیشینه ولتاژ فازی عملیاتی سیستم بیان می‌شود. وقتی عملیات یا خرابی‌ها باعث تغییرات در وضعیت کاری شبکه برق می‌شوند، انرژی مغناطیسی ذخیره شده در مولفه‌های القایی در لحظه‌ای به انرژی الکتریکی مولفه‌های خازنی تبدیل می‌شود که منجر به فرآیند موقت تکانشی می‌شود و بدین ترتیب یک ولتاژ موقتی چند برابر ولتاژ تغذیه تولید می‌شود که به آن ولتاژ بیش از حد تغییر وضعیت گفته می‌شود.

قوس‌های متقطع باعث تغییرات مکرر در وضعیت کاری شبکه برق می‌شوند که منجر به نوسانات الکترومغناطیسی در مدارهای القایی و خازنی می‌شود و سپس فرآیندهای موقت در فاز غیرخراب، فاز خراب و نقطه میانی اتفاق می‌افتد که منجر به ولتاژ بیش از حد می‌شود. این ولتاژ بیش از حد قوس متقطع (همچنین به آن ولتاژ بیش از حد قوس گفته می‌شود). مکانیسم تشکیل آن به طور مستقیم با خاموش شدن و روشن شدن مجدد قوس مرتبط است: هر بار که جریان خرابی زمینی به طور طبیعی صفر می‌شود، قوس زمینی برای مدت کوتاهی خاموش می‌شود؛ وقتی ولتاژ بازیابی کانال قوس بیش از قدرت بازیابی دی‌الکتریک آن باشد، قوس دوباره روشن می‌شود. به طور خاص:

• وقتی جریان زمینی زیاد است، کانال قوس به طور قوی یونیزه شده و قوس به طور پایدار سوختن می‌کند؛

• وقتی جریان کم است، قدرت عایق‌بندی کانال قوس به سرعت بازیابی می‌شود، قوس دوباره روشن شدن دشوار است و خاموش شدن موقت می‌تواند به خاموش شدن دائمی تبدیل شود؛

• وقتی جریان متوسط است، پدیده قوس زمینی متقطعی که روشن و خاموش می‌شود تشکیل می‌شود.

ولتاژ بیش از حد قوس زمینی شدید ناشی از تجمع مداوم انرژی در شبکه برق است. از دیدگاه محدود کردن ولتاژ بیش از حد، اگر بار بیش از حد تجمع یافته در شبکه برق در طول فرآیند روشن شدن و خاموش شدن قوس بتواند در طول نیمه چرخه فرکانس تغذیه از طریق مقاومت داخل شبکه تسرب یابد، ولتاژ جابجایی نقطه میانی تقریباً صفر خواهد بود و ولتاژ بیش از حد با دامنه بالا ایجاد نخواهد شد.

ولتاژ بیش از حد رزونان خطی

در شبکه برق، ولتاژ بیش از حد ناشی از رزونان سری بین مولفه‌های القایی بدون هسته آهن (مانند القایی خط، القایی پخش ترانسفورماتور و غیره) یا مولفه‌های القایی با هسته آهن که مشخصات تحریک آن‌ها به خطی نزدیک است (مانند کویل خنثی‌کننده و غیره) و مولفه‌های خازنی در شبکه برق (مانند خازن خط به زمین و غیره) تحت تأثیر ولتاژ نامتقارن به نام ولتاژ بیش از حد رزونان خطی شناخته می‌شود. شکل رایج آن جابجایی ولتاژ نقطه میانی است.

بر اساس استاندارد صنعتی DL/T620-1997 "محافظت از ولتاژ بیش از حد و هماهنگی عایق‌بندی دستگاه‌های الکتریکی متناوب"، در سیستم‌های زمین‌شده با کویل خنثی‌کننده، در شرایط کاری عادی، جابجایی ولتاژ مداوم نقطه میانی نباید بیش از ۱۵٪ ولتاژ فازی اسمی سیستم باشد.

ولتاژ بیش از حد فرورزونان

در مدار نوسانی سیستم برق، ولتاژ بیش از حد پایدار با دامنه بالا که توسط اشباع هسته آهن مولفه‌های القایی تحریک می‌شود به نام ولتاژ بیش از حد فرورزونان شناخته می‌شود. دو نوع ولتاژ بیش از حد فرورزونان نمونه در شبکه‌های توزیع زیر ۳۵kV وجود دارد: ولتاژ بیش از حد ناشی از رزونان جداشدن و ولتاژ بیش از حد ناشی از اشباع PT که به طور کلی به عنوان ولتاژ بیش از حد رزونان غیرخطی شناخته می‌شوند. این نوع ولتاژ بیش از حد ویژگی‌ها و خصوصیات کاملاً متفاوتی نسبت به ولتاژ بیش از حد رزونان خطی و ولتاژ بیش از حد قوس متقطع دارد. تحت ترکیبات پارامتری مختلف، ممکن است ولتاژ بیش از حد رزونان فرکانس اصلی، فرکانس کسری و فرکانس بالا رخ دهد.

• ولتاژ بیش از حد رزونان جداشدن: هنگامی که سیستم به دلیل قطع سیم، عملکرد غیرتمام‌فازی دستگاه‌های قطع‌کننده، عملکرد غیرهمزمان شدید، ذوب یک یا دو فاز فیوز‌های فشار بالا و غیره در حالت غیرتمام‌فازی قرار گیرد، ولتاژ بیش از حد فرورزونان تولید شده ولتاژ بیش از حد رزونان جداشدن نامیده می‌شود. هنگام جداشدن، معمولاً پتانسیل سه‌فاز متقارن به بارهای نامتقارن سه‌فاز تغذیه می‌کند و مدار پیچیده و شامل مولفه‌های غیرخطی است. بنابراین، لازم است از قضیه تونن و روش مولفه‌های متقارن برای تبدیل مدار سه‌فاز به مدار معادل یک‌فاز استفاده شود، آن را به ساده‌ترین مدار سری LC مرتب کنید و سپس شرایط رزونان را تحلیل و محاسبه کنید. سه نوع خرابی قطع یک فاز وجود دارد: جداشتن بدون زمینی، جداشتن با زمینی طرف تغذیه و جداشتن با زمینی طرف بار.

• ولتاژ بیش از حد اشباع PT: در سیستم‌های با نقطه میانی غیرفعال، معمولاً ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترومغناطیسی Y0-متصل شده (PT) برای نظارت بر شرایط عایق‌بندی در برازش‌های نیروگاه‌ها و زیرстанیون‌ها نصب می‌شوند. در حالت کاری عادی، امپدانس تحریک ترانسفورماتور ولتاژ الکترومغناطیسی بسیار بالاست، بنابراین امپدانس زمینی شبکه خازنی است و سه فاز به طور کلی متعادل هستند. با این حال، پس از برخی عملیات تغییر وضعیت یا اختفاء خرابی‌های زمینی، می‌تواند مدار رزونان سه‌فاز یا یک‌فاز خاصی را با خازن سیم یا خازن پراکنده تجهیزات دیگر تشکیل دهد و می‌تواند ولتاژ بیش از حد فرورزونان هارمونیک‌های مختلف را تحریک کند که به آن ولتاژ بیش از حد اشباع PT گفته می‌شود. از بین آن‌ها، ولتاژ بیش از حد رزونان فرکانس کسری بیشتر خطرناک است. این ولتاژ موجب افزایش قابل توجه جریان تحریک برای مدت طولانی، ذوب فیوز ترانسفورماتور و حتی گرم شدن شدید، تخلیه روغن یا انفجار ترانسفورماتور می‌شود. علاوه بر این، ولتاژ بیش از حد اشباع ترانسفورماتور ولتاژ دارای ویژگی‌های صفر-سیمی واضح است.

ولتاژ بیش از حد صاعقه

صاعقه به طور اساسی یک پدیده رها شدن غیر.spark در یک میدان الکتریکی بسیار نامساوی با فاصله هوایی بسیار طولانی است. فرآیند اصلی آن شامل رها شدن پیشرو، رها شدن اصلی و رها شدن پس‌رنگ است. هر جریان صاعقه تشکیل شده توسط صاعقه قطب منفی یک موج پالسی یک‌قطبی دارد. پارامترهای اصلی توصیف کننده موج پالسی شامل مقدار اوج، زمان جبهه موج و زمان نیم‌اوج هستند.

ولتاژ بیش از حد صاعقه به دو دسته ولتاژ بیش از حد صاعقه مستقیم و ولتاژ بیش از حد صاعقه القایی تقسیم می‌شود. در میان آن‌ها، ولتاژ بیش از حد صاعقه القایی شامل القای الکترواستاتیک (اغلب) و القای الکترومغناطیسی است و دارای ویژگی‌های زیر است:

• قطبیت آن مخالف قطبیت ابر صاعقه است، یعنی مخالف قطبیت جریان صاعقه است؛

• در سه فاز به طور همزمان ظاهر می‌شود و مقادیر آن‌ها تقریباً مساوی هستند و اختلاف پتانسیل بین فاز‌ها و خروج از فاز وجود ندارد؛

• اگر دامنه آن زیاد باشد، ممکن است خروج از زمین رخ دهد؛

• موج آن تخت‌تر و طولانی‌تر از ولتاژ بیش از حد صاعقه مستقیم است؛

• اگر خط محافظ صاعقه‌ای در بالای سیم نصب شده باشد، ولتاژ القایی روی سیم به دلیل اثر پوشش الکترومغناطیسی کاهش می‌یابد. هر چه فاصله بین خطوط کمتر باشد، ضریب کوپلینگ بیشتر است و ولتاژ القایی روی سیم کمتر است.

معمولاً خطوط محافظ صاعقه برای شبکه‌های توزیع ۳۵kV و زیر آن در طول کل خط نصب نمی‌شود و فقط ۱-۲km خط محافظ صاعقه در ورودی و خروجی زیرستانیون‌ها برای محافظت از بخش ورودی خط نصب می‌شود.