محدودکننده جریان خطا و انواع آن

معرفي با محدودکننده جریان خطا

در اخیر، با افزایش نیاز به انرژی، توسعه قوی در تولید و انتقال برق اهمیت قابل توجهی پیدا کرده و به یک ضرورت بنیادی تبدیل شده است. با این حال، در هر سیستم تولید برق، کوتاه‌مدار یکی از مشکلات پایدار و چالش‌برانگیز است و تأثیر آن با افزایش مقیاس تولید افزایش می‌یابد. مشکلات ناشی از جریان‌های کوتاه یا خطا چند وجهی هستند:

• تنش حرارتی بر روی تجهیزات: تنش‌های حرارتی غیرقابل تحمل بر روی تجهیزات برق وارد می‌شود که می‌تواند منجر به زوال زودرس، آسیب و حتی خرابی قطعات شود.

• داخلی‌سازی الکترو-دینامیکی: تعداد زیادی از نیروهای الکترو-دینامیکی در مدار عملکرد طبیعی دستگاه‌ها را مختل می‌کنند و دقت و قابلیت اطمینان آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

• محدودیت‌های فناوری و اقتصادی: برای محافظت از مدار از آسیب، نیاز به شکست‌دهنده‌های مداری کارآمدتر است. این نیاز نه تنها موانع فناوری را ایجاد می‌کند بلکه محدودیت‌های اقتصادی قابل توجهی را نیز ایجاد می‌کند.

• خطرات ایمنی: نگرانی‌های ایمنی از مهم‌ترین مسائل هستند، زیرا کوتاه‌مدار تهدید مستقیمی به زندگی کارکنان و تمامیت ساختار برقی است.

• پیچیدگی‌های تغییرات ولتاژ: کوتاه‌مدار مشکل تغییرات ولتاژ در عملیات تغییر مدار را تشدید می‌کند و آن‌ها را حیاتی‌تر و دشوارتر برای مدیریت می‌کند.

با توجه به این چالش‌ها، توسعه سیستم‌های پیشرفته‌تر و دقیق‌تر برای رسیدگی به کوتاه‌مدار ضروری شده است. این مقاله چند رویکردی که پیشنهاد شده و اجرا شده است را برای کاهش تأثیر جریان‌های خطا بررسی خواهد کرد.

رویکردها

در ادامه چند روشی که یا در حال تحقیق فعال هستند یا از قبل در استفاده عملی هستند، بر اساس ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود آورده شده است:

• ریاکتور محدودکننده جریان (CLR): به خاطر کارایی بالا در محدود کردن جریان‌های خطا شناخته شده است.

• محدودکننده جریان حالت جامد: یک فناوری نوظهور که پتانسیل زیادی دارد اما هنوز در مراحل اولیه تحقیق و توسعه است.

• محدودکننده‌های جریان فوق رسانا: این دستگاه‌ها از خصوصیات منحصر به فرد فوق رساناها برای محدود کردن جریان استفاده می‌کنند و مانند محدودکننده‌های حالت جامد در مراحل اولیه توسعه هستند.

• 保险丝：作为一种传统但可靠的方法，通过在电流超过一定阈值时中断电流来保护电路。

• در توزیع شبکه‌ها: یک روش عملی که با تغییر ساختار الکتریکی زیرстанسیون به کاهش جریان‌های خطا کمک می‌کند.

• اجرای ترانسفورماتورهای با امپدانس بالا: این ترانسفورماتورها می‌توانند برای افزایش امپدانس در مدار استفاده شوند و بدین ترتیب مقدار جریان‌های خطا را محدود کنند.

• استفاده از رآکتورهای هسته‌ای برای محدود کردن جریان: اگرچه یک رویکرد غیرمعمول است، اما تحقیقاتی در مورد پتانسیل رآکتورهای هسته‌ای برای مکانیزم‌های محدود کردن جریان انجام شده است.

در میان این تکنیک‌ها، استفاده از دستگاه‌های حالت جامد و فوق رسانا هنوز در مرحله توسعه است. هنگام اجرای هر سیستم برای رسیدگی به مشکلات کوتاه‌مدار، دو نکته کلیدی باید در نظر گرفته شود:

استراتژی‌های کاهش جریان‌های خطا در زیرستانسیون‌ها و شبکه‌های توزیع

مکان‌یابی و تعداد ریاکتورهای محدودکننده

دو سؤال مهم در حوزه مهندسی برق شامل مکان‌یابی بهینه ریاکتورهای محدودکننده در زیرستانسیون‌ها و شبکه توزیع و تعیین تعداد مطلوب این ریاکتورها برای مدیریت مؤثر جریان‌های خطا است. این تصمیمات نیازمند درک جامعی از ویژگی‌های سیستم الکتریکی، نیازهای بار و سناریوهای خطا ممکن هستند.

ریاکتور محدودکننده جریان (CLR)

ریاکتور محدودکننده جریان یکی از جواب‌های موثر و عملی از نظر هزینه برای مدیریت جریان‌های خطا است. تأثیر آن بر قابلیت اطمینان زیرستانسیون کم است و این گزینه را برای بسیاری از سیستم‌های برق مطلوب می‌کند. با این حال، این ریاکتورها دارای برخی معایب هستند. سخت‌افزار فیزیکی ریاکتورهای CLR معمولاً بزرگ است و فضای قابل توجهی در زیرستانسیون اشغال می‌کند. علاوه بر این، وجود ریاکتورهای CLR می‌تواند منجر به کاهش پایداری ولتاژ شود که باید به دقت مورد نظارت و مدیریت قرار گیرد.

محدودکننده جریان حالت جامد

محدودکننده‌های جریان حالت جامد در حال حاضر در مرحله تحقیق و توسعه هستند. آن‌ها مزیت نسبتاً راحت بودن ادغام در سیستم‌های توزیع را دارند. با این حال، هزینه بالای آن‌ها مانعی عمده برای اجرای گسترده آن‌ها در مقیاس بزرگ است. محققان در حال تلاش برای کاهش هزینه و بهبود عملکرد آن‌ها برای ایجاد قابلیت تجاری بیشتر هستند.

فیوز

فیوزها به عنوان دستگاه‌های مقطع‌کننده جریان بسیار موثر و کارآمد عمل می‌کنند و برای استفاده به عنوان محدودکننده‌های جریان مناسب هستند. آن‌ها ارزان و ساده برای نصب هستند. با این حال، کارایی آن‌ها محدود به ظرفیت رتبه‌بندی شده آن‌ها است. به عنوان مثال، فیوزهای معمولی ممکن است برای مقاومت در برابر ولتاژ حداکثر 40 کیلوولت و جریان 200 آمپر طراحی شده باشند، که کاربرد آن‌ها را در سناریوهای ولتاژ و جریان بالا محدود می‌کند. فیوزهای HRC (High-Rupturing Capacity) عملکرد بهتری دارند اما همچنان محدودیت‌های خود را دارند.

محدودکننده جریان باربر

شکن‌های مدار باربر می‌توانند به عنوان محدودکننده‌های جریان باربر استفاده شوند، اما معمولاً به عنوان یک راه‌حل موقت یا پاسخ اضطراری در نظر گرفته می‌شوند. آن‌ها برای نصب دائمی در زیرستانسیون طراحی نشده‌اند به دلیل ویژگی‌های عملیاتی و محدودیت‌های خود.

کاربرد ریاکتور خنثی

ریاکتورهای خنثی گزینه دیگری برای محدود کردن جریان‌های خطا ارائه می‌دهند، به خصوص در مواجهه با جریان‌های زمین یا زمینی. طراحی و عملکرد آن‌ها آن‌ها را در سناریوهای خاص مربوط به مشکلات الکتریکی مرتبط با زمین بسیار موثر می‌کند.

نوع‌ها و ویژگی‌های ریاکتورهای محدودکننده جریان

ریاکتور محدودکننده جریان یک راه‌حل پذیرفته شده گسترده است و می‌توان آن را به دو نوع اصلی تقسیم کرد:

ریاکتور CLR خشک

ریاکتورهای CLR خشک ریاکتورهای هوا-هسته با پیچ‌های مسی هستند. استفاده از هسته آهنی به دلیل خطر اشباع که می‌تواند عملکرد ریاکتور را کاهش دهد، اجتناب می‌شود. این ریاکتورها برای انواع کاربردها مناسب هستند که شرایط محیطی نسبتاً تمیز و خشک هستند.

ریاکتور CLR روغنی

ریاکتورهای CLR روغنی از نظر عملکرد اساسی بسیاری از شباهت‌های خود را با نظایر خشک دارند. با این حال، تفاوت کلیدی آن‌ها در محدوده کاربرد آن‌ها است. ریاکتورهای CLR روغنی به طور خاص برای استفاده در محیط‌های آلوده بسیار زیاد طراحی شده‌اند. روغن استفاده شده در این ریاکتورها دارای ثابت دی‌الکتریک بالاتری نسبت به هوا در ریاکتورهای خشک است که ایزولاسیون و محافظت بیشتری در شرایط سخت فراهم می‌کند.

مشخصات عمومی ریاکتورهای محدودکننده جریان خطا

فرکانس و ولتاژ: این ریاکتورها برای عملکرد در محدوده نسبتاً کوچکی از فرکانس‌ها و ولتاژ‌ها طراحی شده‌اند. ویژگی‌های عملکردی آن‌ها برای پارامترهای خاص سیستم‌های الکتریکی بهینه شده‌اند.

انعطاف‌پذیری نصب: بر اساس نیازهای کاربردی، می‌توان آن‌ها را داخل یا خارج از ساختمان نصب کرد. این انعطاف‌پذیری امکان تطبیق بیشتر در تنظیمات مختلف زیرستانسیون و شبکه توزیع را فراهم می‌کند.

ظرفیت کوتاه‌مدار: آن‌ها برای مدیریت جریان‌های کوتاه‌مدار سیستم‌های الکتریکی که در آن‌ها یکپارچه شده‌اند، طراحی شده‌اند و قابلیت محدود کردن مؤثر جریان‌ها در شرایط خطا را فراهم می‌کنند.

پایداری موقت و ریاکتورهای محدودکننده جریان

پایداری موقت نقش کلیدی در سیستم‌های قدرت متناوب (AC) دارد. این مفهوم به توانایی چندین ماشین همزمان در یک سیستم قدرت برای حفظ همزمانی پس از وقوع خطا اشاره دارد. به عنوان مثال، در یک شبکه قدرت با موتورهای همزمان متعدد متصل شده، پایداری موقت تعیین می‌کند که آیا این موتورها می‌توانند پس از اختلال الکتریکی ناگهانی مانند کوتاه‌مدار، به صورت هماهنگ ادامه دهند. ریاکتورهای محدودکننده جریان می‌توانند به طور قابل توجهی بر پایداری موقت تأثیر بگذارند با کاهش مقدار جریان‌های خطا و به حداقل رساندن تنش‌های مکانیکی و الکتریکی روی ماشین‌های همزمان و افزایش احتمال حفظ پایداری سیستم در طول و پس از وقوع خطا.

ریاکتورهای محدودکننده جریان مبتنی بر فوق رسانا

محدودکننده‌های جریان خطا مبتنی بر فوق رسانا (SFCLs) یک راه‌حل عملی بسیار موثر برای افزایش پایداری موقت سیستم‌های قدرت ارائه می‌دهند و به طور موثری میان ملاحظات فنی و اقتصادی تعادل برقرار می‌کنند. خاصیت منحصر به فرد فوق رساناها که مقاومت غیرخطی بسیار بالایی دارند، آن‌ها را برای استفاده به عنوان محدودکننده‌های جریان خطا (FCLs) مورد نیاز می‌سازد.

یکی از مزایای کلیدی SFCLs در توانایی فوق رساناها برای افزایش سریع مقاومت خود و انتقال سریع از حالت فوق رسانا (که مقاومت الکتریکی آن تقریباً صفر است) به حالت رسانای عادی است. این تغییر سریع در مقاومت اجازه می‌دهد تا SFCL به سرعت به جریان‌های خطا واکنش نشان دهد، مقدار آن‌ها را محدود کند و بدین ترتیب تمامیت سیستم قدرت را حفظ کند.

برای درک بهتر عملکرد SFCLs، مثال زیر را در نظر بگیرید که یک موتور در یک سیستم الکتریکی و موقعیت استراتژیک یک محدودکننده جریان خطا را نشان می‌دهد.

بهینه‌سازی گروه ذرات

بهینه‌سازی گروه ذرات (PSO) شباهت‌های قابل توجهی با روش‌های محاسبات تکاملی مانند الگوریتم‌های ژنتیک (GA) دارد. در ابتدا، PSO یک جمعیت از راه‌حل‌های کاندید تصادفی را در فضای جستجو مقداردهی اولیه می‌کند. این راه‌حل‌ها، معمولاً به عنوان "ذرات" مفهومی‌سازی می‌شوند، سپس از طریق فضای جستجو حرکت می‌کنند و مکان و سرعت خود را به صورت مکرر به‌روزرسانی می‌کنند. از طریق این فرآیند پویای خود-تنظیم و تعامل با ذرات همسایه، سیستم به طور سیستماتیک فضای راه‌حل‌ها را بررسی می‌کند و به طور تدریج به راه‌حل‌های بهینه یا نزدیک به بهینه همگرا می‌شود.