چه نوع‌ها و ویژگی‌های رایج برای بیش‌ولتاژ 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 موضوع نه تنها پایداری کل سیستم توزیع و عملکرد عایق‌بندی خطوط را کاهش می‌دهد بلکه تأثیر قابل توجهی منفی 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 نمادین معمول نمایش داد: مقاومت (R)، القایی (L) و خازنی (C). در میان آنها، القایی (L) و خازنی (C) مولفه‌های ذخیره‌کننده انرژی هستند که شرایط اساسی تشکیل ولتاژ بیش از حد را فراهم می‌کنند؛ مقاومت (R) مولفه‌ای مصرف‌کننده انرژی است که معمولاً رشد ولتاژ بیش از حد را می‌تواند محدود کند. با این حال، در موارد خاص، افزودن نامناسب مقاومت ممکن است منجر به ایجاد ولتاژ بیش از حد شود.

انواع معمول و ویژگی‌های ولتاژ بیش از حد در شبکه‌های توزیع

انواع معمول ولتاژ بیش از حد در شبکه‌های توزیع شامل ولتاژ بیش از حد زمین‌بندی قوسی متناوب، ولتاژ بیش از حد هماهنگ خطی و ولتاژ بیش از حد فرورنسانس (شامل ولتاژ بیش از حد هماهنگ قطع و ولتاژ بیش از حد اشباع PT) هستند.

ولتاژ بیش از حد زمین‌بندی قوسی متناوب

ولتاژ بیش از حد زمین‌بندی قوسی متناوب نوعی از ولتاژ بیش از حد سوئیچینگ است. دامنه آن با عواملی مانند ویژگی‌های تجهیزات برق، ساختار سیستم، پارامترهای عملیاتی، شکل عملیات یا خطا مرتبط است و تصادفی است. این نوع ولتاژ بیش از حد بیشتر در شبکه‌های برق با نقطه میانی غیرفعال مشاهده می‌شود.

انرژی ولتاژ بیش از حد سوئیچینگ از خود سیستم برق می‌آید و دامنه آن تقریباً متناسب با ولتاژ اسمی سیستم است. معمولاً با چند برابر دامنه ولتاژ فازی حداکثر عملیاتی سیستم بیان می‌شود. هنگامی که عملیات یا خطاها وضعیت کاری شبکه را تغییر می‌دهند، انرژی مغناطیسی ذخیره شده در مولفه‌های القایی در لحظه‌ای به انرژی الکتریکی مولفه‌های خازنی تبدیل می‌شود که منجر به فرآیند گذرا نوسانی می‌شود و بدین ترتیب یک ولتاژ گذرا چند برابر ولتاژ تغذیه تولید می‌شود که به آن ولتاژ بیش از حد سوئیچینگ گفته می‌شود.

قوس‌های متناوب باعث تغییرات مکرر در وضعیت کاری شبکه می‌شوند که منجر به نوسانات الکترومغناطیسی در مدارهای القایی و خازنی می‌شود و سپس فرآیندهای گذرا در فاز غیرخطا، فاز خطای و نقطه میانی رخ می‌دهند که منجر به ولتاژ بیش از حد می‌شود. این ولتاژ بیش از حد زمین‌بندی قوسی متناوب (همچنین به عنوان ولتاژ بیش از حد قوسی شناخته می‌شود). مکانیسم تشکیل آن به طور نزدیکی با خاموش شدن و دوباره روشن شدن قوس مرتبط است: هر بار که جریان خطای زمین‌بندی به طور طبیعی صفر می‌شود، قوس زمین‌بندی برای مدت کوتاهی خاموش می‌شود؛ هنگامی که ولتاژ بازیابی کانال قوس بزرگتر از قدرت بازیابی دی‌الکتریک آن باشد، قوس دوباره روشن می‌شود. به طور خاص:

• وقتی جریان زمین‌بندی بزرگ است، کانال قوس به شدت یونیزه شده و قوس به طور پایدار سوخته می‌شود؛

• وقتی جریان کم است، قدرت عایق‌بندی کانال قوس به سرعت بازیابی می‌کند، قوس به سختی دوباره روشن می‌شود و خاموشی موقت می‌تواند به خاموشی دائمی تبدیل شود؛

• وقتی جریان متوسط است، پدیده‌ای از زمین‌بندی قوسی متناوب که روشن و خاموش می‌شود تشکیل می‌شود.

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

ولتاژ بیش از حد هماهنگ خطی

در شبکه برق، ولتاژ بیش از حد تولید شده توسط هماهنگ سری بین مولفه‌های القایی بدون هسته آهن (مانند القایی خط، القایی تسرب ترانسفورماتور و غیره) یا مولفه‌های القایی با هسته آهن که ویژگی‌های تحریک آن‌ها به خطی نزدیک است (مانند دیسیپیتورهای قوس و غیره) و مولفه‌های خازنی در شبکه (مانند ظرفیت خط به زمین و غیره) تحت تأثیر ولتاژ نامتقارن به ولتاژ بیش از حد هماهنگ خطی معروف است. شکل معمول آن جابجایی ولتاژ نقطه میانی است.

براساس استاندارد صنعت DL/T620-1997 "محافظت از ولتاژ بیش از حد و هماهنگی عایق‌بندی دستگاه‌های الکتریکی AC"، در سیستم‌های زمین‌بندی با دیسیپیتور قوس، در شرایط کاری معمولی، جابجایی ولتاژ طولانی مدت نقطه میانی نباید بیش از 15٪ ولتاژ فازی اسمی سیستم باشد.

ولتاژ بیش از حد فرورنسانس

در مدار نوسانی سیستم برق، ولتاژ بیش از حد پایدار با دامنه بالا که توسط اشباع القایی هسته آهن تحریک می‌شود به ولتاژ بیش از حد فرورنسانس معروف است. دو نوع معمول ولتاژ بیش از حد فرورنسانس در شبکه‌های توزیع زیر 35kV وجود دارد، یعنی ولتاژ بیش از حد ناشی از هماهنگ قطع و ولتاژ بیش از حد ناشی از اشباع PT که به طور کلی به عنوان ولتاژ بیش از حد هماهنگ غیرخطی شناخته می‌شوند. این نوع ولتاژ بیش از حد ویژگی‌ها و خصوصیات کاملاً متفاوتی نسبت به ولتاژ بیش از حد هماهنگ خطی و ولتاژ بیش از حد زمین‌بندی قوسی متناوب دارد. تحت ترکیبات پارامتری مختلف، ممکن است ولتاژ بیش از حد هماهنگ فرکانس اصلی، فرکانس کسری و فرکانس بالا رخ دهد.

• ولتاژ بیش از حد هماهنگ قطع: وقتی سیستم به دلیل قطع سیم، عملکرد غیرکامل دستگاه‌های قطع، عدم همزمانی شدید، ذوب یک یا دو فاز فیوز‌های فشار بالا و غیره در حالت غیرکامل عمل می‌کند، ولتاژ بیش از حد فرورنسانس تولید شده ولتاژ بیش از حد هماهنگ قطع است. هنگام قطع، معمولاً پتانسیل متقارن سه‌فاز به بارهای نامتقارن سه‌فاز تغذیه می‌کند و مدار پیچیده و شامل مولفه‌های غیرخطی است. بنابراین، لازم است از قضیه Thevenin و روش مؤلفه‌های متقارن برای تبدیل مدار سه‌فاز به مدار معادل یک‌فاز استفاده کرد، آن را به ساده‌ترین مدار سری LC مرتب کرد و سپس شرایط هماهنگ را تحلیل کرد و محاسبه و تجزیه و تحلیل انجام داد. سه شکل از خطا قطع یک فاز وجود دارد: قطع بدون زمین‌بندی، قطع با زمین‌بندی طرف تغذیه و قطع با زمین‌بندی طرف بار.

• ولتاژ بیش از حد اشباع PT: در سیستم‌های با نقطه میانی غیرفعال، معمولاً ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترومغناطیسی Y0-متصل شده (PT) بر روی بارهای ایستگاه‌های تولید و زیراستانیون‌ها نصب می‌شوند تا وضعیت عایق‌بندی را نظارت کنند. در حالت کاری معمولی، امپدانس تحریک ترانسفورماتور الکترومغناطیسی بسیار بالا است، بنابراین امپدانس زمین شبکه خازنی است و سه فاز به طور کلی متوازن هستند. با این حال، پس از برخی عملیات سوئیچینگ یا اختفاء خطاها، می‌تواند یک مدار هماهنگ خاص سه‌فاز یا یک‌فاز با ظرفیت سیم یا ظرفیت پخش شده دیگر تجهیزات تشکیل دهد و می‌تواند ولتاژ بیش از حد فرورنسانس هارمونیک‌های مختلف را تحریک کند که به آن ولتاژ بیش از حد اشباع PT گفته می‌شود. در میان آنها، ولتاژ بیش از حد هماهنگ فرکانس کسری بیشتر ضار است. این ولتاژ باعث افزایش قابل توجه جریان تحریک برای مدت طولانی می‌شود، فیوز ترانسفورماتور را می‌سوزاند و حتی می‌تواند باعث گرم شدن شدید، تخلیه روغن یا حتی انفجار ترانسفورماتور شود. علاوه بر این، ولتاژ بیش از حد اشباع ترانسفورماتور ولتاژ ویژگی‌های صفر-ترتیب واضحی دارد.

ولتاژ بیش از حد برخورد برق

برخورد برق اساساً یک پدیده دیسچارژ غیرفلشری در یک میدان الکتریکی بسیار ناهمگن با فاصله هوایی بسیار طولانی است. فرآیند اساسی آن شامل دیسچارژ رهبر، دیسچارژ اصلی و دیسچارژ پس‌درخش است. هر جریان برق ناشی از برخورد برق با قطبیت منفی یک موج پالسی یک‌قطبی دارد. پارامترهای اصلی توصیف کننده موج پالسی شامل دامنه، زمان مقدم و زمان نیم‌دامنه است.

ولتاژ بیش از حد برخورد برق به دو نوع تقسیم می‌شود: ولتاژ بیش از حد برخورد مستقیم و ولتاژ بیش از حد القایی. در میان آنها، ولتاژ بیش از حد القایی شامل القای الکترواستاتیک (به طور اصلی) و مولفه‌های القای مغناطیسی است و دارای ویژگی‌های زیر است:

• قطبیت آن برخلاف قطبیت ابر برق، یعنی برخلاف قطبیت جریان برق است؛

• در سه فاز به طور همزمان ظاهر می‌شود با مقادیر تقریباً مساوی و اختلاف پتانسیل و فلاش بین فاز‌ها رخ نمی‌دهد؛

• اگر دامنه آن بزرگ باشد، ممکن است فلاش زمینی رخ دهد؛

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

• اگر خط محافظ برق بالای سیم قرار دارد، 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 برق برای شبکه‌های توزیع 35kV و پایین‌تر در طول کل خط نصب نمی‌شوند و فقط 1-2km خط محافظ برق در ورودی و خروجی زیراستانیون‌ها به عنوان محافظ بخش ورودی نصب می‌شود.