تحلیل فناوری حفاظت زمین‌گذاری ترانسفورماتور در مکان‌های ساخت و ساز

در حال حاضر، چین در این زمینه دستاوردهایی را به دست آورده است. مدارک مربوطه طرح‌های پیکربندی نمونه‌ای برای حفاظت از خطاهای زمین‌گذاری در سیستم‌های توزیع ولتاژ پایین نیروگاه‌های هسته‌ای طراحی کرده‌اند. بر اساس تحلیل موارد داخلی و خارجی که خطاهای زمین‌گذاری در سیستم‌های توزیع ولتاژ پایین نیروگاه‌های هسته‌ای باعث عملکرد نادرست حفاظت صفر-سیکل ترانسفورماتور شده‌اند، علل اساسی شناسایی شده‌اند. علاوه بر این، پیشنهادات بهبودی برای اقدامات حفاظت از خطاهای زمین‌گذاری در سیستم‌های برق کمکی نیروگاه‌های هسته‌ای بر اساس این طرح‌های پیکربندی نمونه‌ای ارائه شده‌اند.

مدارک مربوطه الگوهای تغییر جریان دیفرانسیل و جریان محدودکننده را مطالعه کرده‌اند و با محاسبه نسبت بین جریان دیفرانسیل و جریان محدودکننده، تحلیل کمّی از انطباق حفاظت دیفرانسیل نسبی ترانسفورماتور اصلی تحت چنین شرایط خطایی انجام شده است.

با این حال، روش‌های ذکر شده هنوز با مشکلات متعددی مواجه هستند که به سرعت حل نیاز دارند. به عنوان مثال، مقاومت زمین‌گذاری بیش از حد، انتخاب غیرمناسب روش‌های زمین‌گذاری و اقدامات ناکافی حفاظت از زمین‌گذاری برای برق‌آبی—این مشکلات همه می‌توانند منجر به خرابی ترانسفورماتورها و حتی ایجاد حوادث ایمنی شوند. بنابراین، لازم است تحقیقات و تحلیل‌های عمیق‌تری درباره فناوری‌های حفاظت از زمین‌گذاری ترانسفورماتورها در محل‌های ساخت و ساز انجام شود و آخرین یافته‌های تحقیقاتی و توسعه‌های فناوری را در نظر بگیرد.

با این تحقیق، نه تنها سطح نظری فناوری حفاظت از زمین‌گذاری ترانسفورماتورها افزایش می‌یابد، بلکه راه‌حل‌ها و اقدامات عملی و قابل اجرا برای پروژه‌های ساخت و ساز واقعی ارائه می‌شود. امید است که این تحقیق بتواند توجه و تأکید بیشتری از دانشمندان را به فناوری‌های حفاظت از زمین‌گذاری ترانسفورماتورها در محل‌های ساخت و ساز جلب کند و به طور کلی توسعه این زمینه را تقویت کند.

1 تعیین روش‌های زمین‌گذاری ترانسفورماتور

روش زمین‌گذاری مستقیم نقطه میانی ترانسفورماتور سنتی ممکن است در شرایط خاص جریان‌های کوتاه‌مداری بیش از حد ایجاد کند و به تجهیزات آسیب برساند. بنابراین، روش زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی پیشنهاد شده است. زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی یک روش موثر زمین‌گذاری ترانسفورماتور است که با اتصال مقاومت پایین بین نقطه میانی ترانسفورماتور و زمین، کنترل مؤثر جریان زمین‌گذاری ترانسفورماتور را انجام می‌دهد. این روش زمین‌گذاری نه تنها می‌تواند مقدار جریان زمین‌گذاری را تنظیم کند و تأثیر برق‌آبی و ولتاژ بیش از حد بر ترانسفورماتورها را کاهش دهد و بدین ترتیب پایداری عملیاتی را افزایش دهد، بلکه می‌تواند جریان‌های کوتاه‌مداری را محدود کند و خطر آسیب به تجهیزات را کاهش دهد.

به طور خاص، هنگام اجرای زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی برای ترانسفورماتورها در محل‌های ساخت و ساز، گام اول تعیین مقدار مناسب مقاومت زمین‌گذاری است. بر اساس قانون اهم، مقدار مقاومت زمین‌گذاری با جریان زمین‌گذاری و ولتاژ زمین‌گذاری نسبت معکوس دارد. بنابراین، هنگام انتخاب مقدار مقاومت زمین‌گذاری برای روش زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی، ابتدا مقدار مقاومت باید تعیین شود و فرمول محاسبه به شرح زیر است:

در فرمول، R₀ مقدار مقاومت مقاومت زمین‌گذاری را نشان می‌دهد؛ U₀ ولتاژ میانگین اسمی سیستم برق در محل ساخت و ساز را نشان می‌دهد؛ I₀ جریانی است که از مقاومت نقطه میانی می‌گذرد. بر اساس محاسبه در فرمول (1)، باید مقدار مقاومت زمین‌گذاری مناسبی انتخاب شود که بتواند جریان کوتاه‌مداری را به طور مؤثر محدود کند و در عین حال اثرات بیش از حد بر ترانسفورماتور را اجتناب کند.

گام بعدی تعیین پارامترهایی مانند مساحت مقطع و ماده سیم زمین‌گذاری است. ماده سیم زمین‌گذاری باید همچنین رسانایی و مقاومت در برابر فرسودگی خوبی داشته باشد تا عمر مفید و قابلیت اطمینان آن تضمین شود. این مطالعه به طور جامع شرایط واقعی زمین‌گذاری ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز را در نظر گرفته و سیم مس روی‌دار را به عنوان رسانه زمین‌گذاری انتخاب کرده است—ماده‌ای با رسانایی خوب، سیم‌کشی آسان و قابلیت مقاومت در برابر فرسودگی قوی که کاملاً با نیازهای روش زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی مطابقت دارد.

مساحت مقطع سیم زمین‌گذاری مستقیماً تأثیرگذار بر مقدار مقاومت آن است که به نوبه خود بر جریان زمین‌گذاری تأثیر می‌گذارد. بنابراین، مساحت مقطع مناسب سیم زمین‌گذاری بر اساس فرمول زیر انتخاب می‌شود:

در فرمول، S مساحت مقطع سیم زمین‌گذاری در روش زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی را نشان می‌دهد؛ η ضریب نسبت بین مقاومت زمین‌گذاری نقطه میانی و مقاومت زمین‌گذاری ترانسفورماتور است؛ T افزایش دمای مجاز سیم زمین‌گذاری است. در نهایت، عمق دفن الکترود زمین‌گذاری باید تعیین شود. برای تضمین عملکرد پایدار الکترود زمین‌گذاری در محیط‌های سخت، عمق دفن آن باید بیشتر از ضخامت لایه یخ‌زده در محل ساخت و ساز باشد، به این ترتیب اطمینان و ایمنی کلی سیستم زمین‌گذاری تضمین می‌شود.

به طور خلاصه، هنگام اجرای زمین‌گذاری برای ترانسفورماتورها در محل‌های ساخت و ساز، روش زمین‌گذاری با مقاومت پایین نقطه میانی اتخاذ شده و تنظیمات مناسب برای پارامترهای زمین‌گذاری شامل مقدار مقاومت، مساحت مقطع سیم زمین‌گذاری، انتخاب ماده و عمق دفن الکترود زمین‌گذاری ارائه شده است که پایه‌ای محکم برای عملکرد پایدار ترانسفورماتور در حین ساخت و ساز فراهم می‌کند.

2 طراحی طرح حفاظت از زمین‌گذاری ترانسفورماتور

بر اساس محتوای فوق، روش زمین‌بندی مقاومت کم در فناوری حفاظت زمین‌بندی ترانسفورماتور در سایت‌های ساخت و ساز استفاده می‌شود. این روش زمین‌بندی عمدتاً با استفاده از مقاومت کم جریان زمین‌بندی ترانسفورماتور را به طور موثر کنترل می‌کند. در طول عملکرد ترانسفورماتور ممکن است انواع خرابی‌ها رخ دهد، از جمله خرابی‌های متداول ترین آن‌ها خرابی زمین‌بندی یک‌فازی است. خرابی زمین‌بندی یک‌فازی به معنای کوتاه شدن بین یک پیچک ترانسفورماتور و زمین است، در حالی که دو فاز دیگر به طور نرمال عمل می‌کنند. این خرابی باعث تغییرات در پتانسیل نقطه محايد ترانسفورماتور می‌شود که منجر به عدم تعادل در جریان‌های سه‌فازی می‌گردد. با استفاده از این ویژگی، یک طرح حفاظتی بر اساس عدم تعادل جریان‌های سه‌فازی در ترانسفورماتور پیشنهاد شده است:

اولین مورد حفاظت بخش صفر-دنباله I است که فرمول محاسبه تنظیمات آن به صورت زیر است:

در فرمول، I₁ نشان‌دهنده مقدار جریان عملیاتی حفاظت صفر-دنباله ترانسفورماتور در سایت‌های ساخت و ساز است؛ γ₁ نشان‌دهنده ضریب قابلیت اطمینان است؛ γ₂ نشان‌دهنده ضریب شاخه صفر-دنباله است؛ I₂ نشان‌دهنده مقدار جریان عملیاتی حفاظت صفر-دنباله اجزای مجاور ترانسفورماتور در سایت‌های ساخت و ساز است. پس از محاسبه مقدار جریان برای حفاظت بخش صفر-دنباله I بر اساس فرمول (3)، زمان عملیاتی حفاظت بخش I معمولاً حدود 0.5 ثانیه بیشتر از زمان عملیاتی حفاظت صفر-دنباله بعدی تنظیم می‌شود.

بعدی حفاظت بخش صفر-دنباله II است. فرمول محاسبه مقدار جریان حفاظتی آن همانند فرمول حفاظت بخش صفر-دنباله I است، یعنی مقدار جریان حفاظتی نیز بر اساس فرمول (3) به دست می‌آید، اما زمان عملیاتی متفاوت است و نیاز به افزایش حدود 0.3 ثانیه بر اساس زمان عملیاتی حفاظت بخش صفر-دنباله I است.

در نهایت، حفاظت ولتاژ صفر-دنباله وجود دارد. با توجه به اینکه در طول خرابی‌های زمین‌بندی یک‌فازی ترانسفورماتور در سایت‌های ساخت و ساز، نقطه محايد ممکن است حساسیت ذاتی خود را از دست دهد، ولتاژ عملیاتی حفاظت ولتاژ صفر-دنباله باید کمتر از بیشترین ولتاژ صفر-دنباله ظاهر شده در نقطه نصب حفاظت در طول خرابی‌های زمین‌بندی یک‌فازی باشد. مقدار ولتاژ حفاظت ولتاژ صفر-دنباله عمدتاً بر اساس فرمول زیر تعیین می‌شود:

در فرمول، U₁ نشان‌دهنده ولتاژ عملیاتی حفاظت ولتاژ صفر-دنباله است؛ U₂ نشان‌دهنده ولتاژ اسمی سه پیچک ثانویه است.

به طور خلاصه، برای تشکیل یک طرح حفاظتی کامل عدم تعادل جریان‌های سه‌فازی، نیاز به محاسبات پیچیده‌ای است که شامل فرمول‌های محاسبه حفاظت بخش صفر-دنباله I، حفاظت بخش صفر-دنباله II و حفاظت ولتاژ صفر-دنباله است. استخراج و کاربرد این فرمول‌ها به تعیین دقیق‌تر نوع و شدت خرابی‌های زمین‌بندی یک‌فازی در سایت‌های ساخت و ساز کمک می‌کند. این طرح حفاظتی نه تنها می‌تواند خرابی‌های زمین‌بندی را به سرعت محل‌یابی و جدا کند بلکه احتمال وقوع حوادث قطع برق ناشی از خرابی‌های زمین‌بندی را نیز کاهش می‌دهد. همچنین با ترکیب با روش زمین‌بندی مقاومت کم، یک ساختار حفاظت زمین‌بندی جامع برای ترانسفورماتورها در سایت‌های ساخت و ساز شکل می‌گیرد که حفاظت قوی برای عملکرد ایمن ترانسفورماتورها فراهم می‌کند.

3 تحلیل آزمایشی

برای تأیید اثربخشی فناوری حفاظت زمین‌بندی ترانسفورماتور ذکر شده در سایت‌های ساخت و ساز، این فصل از نرم‌افزار شبیه‌سازی سیستم قدرت PowerFactory برای انجام آزمایش‌های شبیه‌سازی حفاظت زمین‌بندی ترانسفورماتور استفاده خواهد کرد. ابتدا یک مدل سیستم برق ساختمانی در نرم‌افزار شبیه‌سازی تعریف می‌شود که عمدتاً شامل ترانسفورماتورها، خطوط بالا و پایین ولتاژ، بارها و تجهیزات دیگر است. جدول 1 مشخصات مدل و پارامترهای ترانسفورماتور آزمایشی را نشان می‌دهد.

ساختار خاص ترانسفورماتور در شکل ۱ نشان داده شده است.

سپس، آزمایش‌های شبیه‌سازی حفاظت زمینی ترانسفورماتور با استفاده از سه روش مختلف زمینی‌سازی انجام شد: زمینی‌سازی مقاومت کم نقطه میانی، زمینی‌سازی مقاومت بالا نقطه میانی و زمینی‌سازی با کویل خنثی‌کننده قوس. در تنظیم روش‌های زمینی‌سازی، برای روش زمینی‌سازی مقاومت کم نقطه میانی، مقاومتی با مقادیر مقاومت کم انتخاب شد، به طور خاص به ۰.۵ اهم تنظیم شد، برای شبیه‌سازی اثر زمینی‌سازی مقاومت کم؛ برای روش زمینی‌سازی مقاومت بالا نقطه میانی، مقاومتی با مقادیر مقاومت بزرگتر انتخاب شد، به ۱۰ اهم تنظیم شد، برای شبیه‌سازی ویژگی‌های زمینی‌سازی مقاومت بالا.

در طول آزمایش، سطوح جریان زمینی ترانسفورماتور در حالت خطاهاي تک‌فازی شبیه‌سازی شد. مکان خاص خطا در نقطه میانی یک خط فازی در سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور تنظیم شد، با مقاومت خطا به ۱۰۰ اهم تنظیم شد، برای شبیه‌سازی مقاومت زمینی در حالت خطا. در فرآیند شبیه‌سازی خطا، سیستم جمع‌آوری داده با نرخ نمونه‌برداری بالا برای ضبط داده‌های جریان زمینی استفاده شد، با فرکانس نمونه‌برداری به ۱۰۰۰ بار در ثانیه تنظیم شد تا تغییرات جزئی جریان زمینی ضبط شود.

به علاوه از ضبط مقدار جریان زمینی در لحظه وقوع خطا، چندین نقطه زمانی شامل ۰.۱ ثانیه، ۰.۵ ثانیه، ۱ ثانیه، ۵ ثانیه و ۱۰ ثانیه پس از وقوع خطا تنظیم شد، برای مشاهده تغییرات جریان زمینی در نقاط زمانی مختلف. برای جلوگیری از تصادفی بودن نتایج آزمایشی، داده‌های جریان زمینی ۱۰ بار ضبط شدند، با میانگین مقدار به عنوان نتیجه نهایی آزمایش. شکل ۲ مقایسه‌ای از اثرات حفاظت زمینی ترانسفورماتور در روش‌های مختلف زمینی‌سازی ارائه می‌دهد.

همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، تحلیل شبیه‌سازی مقایسه ویژگی‌های جریان زمینی ترانسفورماتور در حالت خطاهاي تک‌فازی برای روش‌های زمینی‌سازی مقاومت کم نقطه میانی، زمینی‌سازی مقاومت بالا نقطه میانی و زمینی‌سازی با کویل خنثی‌کننده قوس. نتایج نشان می‌دهند که، در حالت خطا تک‌فازی در ترانسفورماتور، جریان زمینی در روش زمینی‌سازی مقاومت کم نقطه میانی به طور قابل توجهی بیشتر از روش‌های زمینی‌سازی مقاومت بالا نقطه میانی و زمینی‌سازی با کویل خنثی‌کننده قوس است.

با استفاده از فناوری حفاظت زمینی طراحی شده، میانگین جریان زمینی ترانسفورماتور ۷۰.۱۱ آمپر بود، که به ترتیب ۴۳.۴۴ آمپر و ۲۱.۶۲ آمپر نسبت به فناوری‌های گروه کنترل افزایش یافته است. این کمک می‌کند تا شدت قوس در نقطه خطا کاهش یابد و توانایی خودپاکسازی خطا افزایش یابد. بنابراین، فناوری حفاظت زمینی طراحی شده عملی و قابل اعتماد است، مناسب برای کاربرد عملی در خطاهاي تک‌فازی ترانسفورماتور، به طور موثر حفاظت از ایمنی عملیاتی ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز.

۴. نتیجه‌گیری

فناوری حفاظت زمینی برای ترانسفورماتورها در محل‌های ساخت و ساز یک طرح حفاظت از جریان صفر-توالی بر اساس روش زمینی‌سازی مقاومت کم نقطه میانی پیشنهاد می‌کند. از طریق آزمایش‌های مقایسه‌ای، برتری فناوری حفاظت زمینی طراحی شده در حفاظت اصلی از خطاهاي تک‌فازی ترانسفورماتور تأیید شده است. اگرچه برخی دستاوردهای تحقیقاتی به دست آمده است، هنوز محدودیت‌هایی وجود دارد. به عنوان مثال، شرایط آزمایشی و نمونه‌های داده ممکن است به اندازه کافی جامع نباشند، نیاز به تأیید بیشتر جهت جامعیت نتایج.

تحقیقات آینده می‌تواند روی زمینه‌های زیر تمرکز کند: اولاً، گسترش دامنه آزمایش‌ها و افزایش نمونه‌های داده برای بهبود دقت و جامعیت نتایج؛ دوماً، مطالعات عمیق‌تر درباره طرح‌های و فناوری‌های حفاظتی دیگر برای کشف روش‌های موثرتر و قابل اعتمادتر حفاظت زمینی ترانسفورماتور؛ و در نهایت، توسعه دستگاه‌ها و سیستم‌های حفاظتی با عملکرد بالاتر در ترکیب با کاربردهای مهندسی عملی.