تحلیل فناوری حفاظت زمین دهی ترانسفورماتور در مکان‌های ساخت و ساز

در حال حاضر، چین در این زمینه دستاوردهایی به دست آورده است. متن‌های مرتبط طرح‌های کنفیگوراسیون نمونه‌ای برای محافظت در برابر خطاهای زمینی در سیستم‌های توزیع ولتاژ پایین نیروگاه‌های هسته‌ای طراحی کرده‌اند. بر اساس تحلیل موارد داخلی و بین‌المللی که خطاهای زمینی در سیستم‌های توزیع ولتاژ پایین نیروگاه‌های هسته‌ای باعث عملکرد نامناسب محافظ صفر-سیکوئنس ترانسفورماتور شده‌اند، علل اساسی شناسایی شده‌اند. علاوه بر این، پیشنهادات بهبودی برای اقدامات محافظت در برابر خطاهای زمینی در سیستم‌های تغذیه کمکی نیروگاه‌های هسته‌ای بر اساس این طرح‌های کنفیگوراسیون نمونه‌ای ارائه شده‌اند.

متن‌های مرتبط الگوهای تغییر جریان دیفرانسیل و جریان محدودکننده را مطالعه کرده و با محاسبه نسبت بین جریان دیفرانسیل و جریان محدودکننده، تحلیل کمّی از انطباق محافظ نسبت دیفرانسیل ترانسفورماتور اصلی در شرایط چنین خطاها را انجام داده‌اند.

با این حال، روش‌های فوق هنوز با مشکلات فراوانی مواجه هستند که به سرعت حل نیاز دارند. به عنوان مثال، مقاومت زمینی بیش از حد، انتخاب نامناسب روش‌های زمینی، و اقدامات نامناسب محافظت در برابر برق از جمله مسائلی هستند که می‌توانند منجر به خرابی ترانسفورماتور و حتی حوادث ایمنی شوند. بنابراین، لازم است تحقیقات و تحلیل‌های عمیق‌تری درباره فناوری‌های محافظت در برابر زمینی ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز انجام شود و آخرین یافته‌های تحقیقاتی و توسعه‌های فناوری در نظر گرفته شود.

به وسیله این تحقیق، نه تنها سطح نظری فناوری محافظت در برابر زمینی ترانسفورماتور 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 سوی محققین به فناوری‌های محافظت در برابر زمینی ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز جلب کند و به طور جمعی توسعه این زمینه را ترویج دهد.

1 تعیین روش‌های زمینی ترانسفورماتور

روش مستقیم زمینی کردن نقطه خنثی ترانسفورماتور سنتی ممکن است در شرایط خاص منجر به جریان‌های کوتاه‌مداری بیش از حد شود که می‌تواند تجهیزات را خراب کند. بنابراین، روش زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی پیشنهاد شده است. زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی یک روش موثر برای زمینی کردن ترانسفورماتور است که با اتصال یک مقاومت کم بین نقطه خنثی ترانسفورماتور و زمین، کنترل مؤثر جریان زمینی ترانسفورماتور را انجام می‌دهد. این روش زمینی کردن نه تنها می‌تواند مقدار جریان زمینی را تنظیم کند و تأثیر برق و ولتاژ بیش از حد بر ترانسفورماتور را کاهش دهد و در نتیجه پایداری عملیاتی را افزایش دهد، بلکه می‌تواند جریان‌های کوتاه‌مداری را محدود کند و خطر خرابی تجهیزات را کاهش دهد.

به طور خاص، وقتی که زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز انجام می‌شود، مرحله اول تعیین مقدار مناسب مقاومت زمینی است. بر اساس قانون اهم، مقدار مقاومت زمینی با جریان زمینی و ولتاژ زمینی نسبت معکوس دارد. بنابراین، وقتی که مقدار مقاومت زمینی برای روش زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی انتخاب می‌شود، ابتدا مقدار مقاومت باید تعیین شود، و فرمول محاسبه به شرح زیر است:

در فرمول، R₀ نشان‌دهنده مقاومت مقاومت زمینی است؛ U₀ نشان‌دهنده ولتاژ متوسط اسمی سیستم الکتریکی در محل ساخت و ساز است؛ I₀ نشان‌دهنده جریان عبوری از مقاومت نقطه خنثی است. بر اساس محاسبه در فرمول (1)، مقدار مقاومت زمینی مناسبی باید انتخاب شود که بتواند جریان کوتاه‌مداری را مؤثرانه محدود کند و در عین حال تأثیر بیش از حد بر ترانسفورماتور را اجتناب کند.

مرحله بعدی تعیین پارامترهایی مانند مساحت مقطع و ماده سیم زمینی است. ماده سیم زمینی 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 زمینی کردن ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز را در نظر گرفته و سیم مسی روغنی را به عنوان رسانای زمینی انتخاب کرده است - یک ماده با رسانایی خوب، سیم‌کشی آسان و قابلیت مقاومت در برابر فرسودگی قوی که کاملاً با نیازهای روش زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی سازگار است.

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

در فرمول، S نشان‌دهنده مساحت مقطع سیم زمینی در روش زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی است؛ η نشان‌دهنده ضریب نسبت بین مقاومت زمینی نقطه خنثی و مقاومت زمینی ترانسفورماتور است؛ T نشان‌دهنده افزایش دمای مجاز سیم زمینی است. در نهایت، عمق دفن الکترود زمینی باید تعیین شود. برای تضمین عملکرد پایدار الکترود زمینی در محیط‌های سخت، عمق دفن آن باید بیشتر از ضخامت لایه خاک یخ‌زده در محل ساخت و ساز باشد، به طور جامع اطمینان و ایمنی سیستم زمینی را تضمین می‌کند.

به طور خلاصه، وقتی که زمینی کردن ترانسفورماتور در محل‌های ساخت و ساز انجام می‌شود، روش زمینی کردن با مقاومت کم نقطه خنثی اتخاذ می‌شود، با تنظیمات مناسب پارامترهای زمینی شامل مقدار مقاومت، مساحت مقطع سیم زمینی، انتخاب ماده و عمق دفن الکترود زمینی، پایه‌ای محکم برای عملکرد پایدار ترانسفورماتور در طول ساخت و ساز فراهم می‌کند.

2 طراحی طرح محافظت زمینی ترانسفورماتور

بر اساس محتوای فوق، روش زمین‌بندی مقاومت کم در تکنولوژی محافظت زمین‌بندی ترانسفورماتور در محل ساخت و ساز به کار گرفته شده است. این روش زمین‌بندی عمدتاً با استفاده از مقاومت کم جریان زمین‌بندی ترانسفورماتور را موثر کنترل می‌کند. طیف گسترده‌ای از خطاها ممکن است در طول عملکرد ترانسفورماتور رخ دهد، که پرتکرارترین آن‌ها خطاهای زمین‌بندی تک‌فازی هستند. خطای زمین‌بندی تک‌فازی به معنای کوتاه‌شدن بین یک فاز پیچش ترانسفورماتور و زمین است، در حالی که دو فاز دیگر به طور نرمال عمل می‌کنند. این خطا باعث تغییرات در پتانسیل نقطه میانی ترانسفورماتور می‌شود که منجر به عدم تعادل در جریان‌های سه‌فازی می‌گردد. با استفاده از این ویژگی، یک طرح محافظت بر اساس عدم تعادل جریان‌های سه‌فازی در ترانسفورماتور‌ها پیشنهاد شده است:

ابتدا محافظ قسمت صفر I است، با فرمول محاسبه تنظیم‌گذاری به شرح زیر:

در این فرمول، I₁ نشان‌دهنده مقدار جریان عملیاتی محافظ صفر ترانسفورماتور در محل ساخت و ساز است؛ γ₁ ضریب قابلیت اطمینان را نشان می‌دهد؛ γ₂ ضریب شاخه صفر را نشان می‌دهد؛ I₂ نشان‌دهنده مقدار جریان عملیاتی محافظ صفر مؤلفه‌های مجاور ترانسفورماتور در محل ساخت و ساز است. پس از محاسبه مقدار جریان برای محافظ قسمت صفر I بر اساس فرمول (3)، زمان عملیاتی محافظ قسمت I معمولاً حدود 0.5 ثانیه بیشتر از زمان عملیاتی محافظ صفر بعدی تنظیم می‌شود.

سپس محافظ قسمت صفر II است. فرمول محاسبه مقدار جریان محافظ برای آن مشابه با محافظ قسمت صفر I است، یعنی جریان محافظ 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 محافظ قسمت صفر I دارد.

در نهایت محافظ ولتاژ صفر وجود دارد. با توجه به اینکه در طول خطاهای زمین‌بندی تک‌فازی ترانسفورماتور در محل ساخت و ساز، نقطه میانی ممکن است حساسیت ذاتی خود را از دست دهد، ولتاژ عملیاتی محافظ ولتاژ صفر باید کمتر از بیشترین ولتاژ صفر ظاهر شده در نقطه نصب محافظ در طول خطاهای زمین‌بندی تک‌فازی باشد. مقدار ولتاژ محافظ ولتاژ صفر عمدتاً بر اساس فرمول زیر تعیین می‌شود:

در این فرمول، U₁ نشان‌دهنده ولتاژ عملیاتی محافظ ولتاژ صفر است؛ U₂ نشان‌دهنده ولتاژ اسمی سه پیچش ثانویه است.

به طور خلاصه، برای تشکیل یک طرح محافظت کامل از عدم تعادل جریان‌های سه‌فازی، نیاز به محاسبات پیچیده‌ای است، از جمله فرمول‌های محاسبه محافظ قسمت صفر I، محافظ قسمت صفر II و محافظ ولتاژ صفر. استخراج و کاربرد این فرمول‌ها به تعیین دقیق‌تر نوع و شدت خطاهای زمین‌بندی تک‌فازی در محل ساخت و ساز کمک می‌کند. این طرح محافظت نه تنها قادر به مکان‌یابی و جدا کردن سریع خطاها است بلکه احتمال وقوع حوادث قطع برق ناشی از خطاهای زمین‌بندی را نیز کاهش می‌دهد. همچنین با ترکیب با روش زمین‌بندی مقاومت کم نقطه میانی، یک ساختار محافظت زمین‌بندی جامع برای ترانسفورماتور‌ها در محل ساخت و ساز شکل می‌گیرد که محافظت قوی برای عملکرد ایمن ترانسفورماتور‌ها فراهم می‌کند.

3 تحلیل تجربی

برای تأیید اثربخشی تکنولوژی محافظت زمین‌بندی ترانسفورماتور فوق در محل ساخت و ساز، این فصل از نرم‌افزار شبیه‌سازی سیستم قدرت PowerFactory برای انجام آزمایش‌های شبیه‌سازی محافظت زمین‌بندی ترانسفورماتور استفاده خواهد کرد. ابتدا یک مدل سیستم الکتریکی ساختمانی در نرم‌افزار شبیه‌سازی ایجاد می‌شود که عمدتاً شامل ترانسفورماتورها، خطوط بالا و پایین ولتاژ، بارها و تجهیزات دیگر است. جدول 1 مشخصات مدل و پارامترهای ترانسفورماتور آزمایشی را ارائه 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 نقطه میانی با مقاومت کم، زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت بالا و زمینی‌سازی نقطه میانی با پیچک خنثی. در تنظیم روش‌های زمینی‌سازی، برای روش زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت کم، مقاومتی با مقادیر مقاومت کوچک انتخاب شد، به طور خاص به ۰٫۵ اهم تنظیم شد، برای شبیه‌سازی اثر زمینی‌سازی با مقاومت کم؛ برای روش زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت بالا، مقاومتی با مقادیر مقاومت بزرگتر انتخاب شد، به ۱۰ اهم تنظیم شد، برای شبیه‌سازی ویژگی‌های زمینی‌سازی با مقاومت بالا.

در طول آزمایش، سطوح جریان زمینی ترانسفورماتور تحت خطاهای زمینی یک‌فازی شبیه‌سازی شد. مکان خاص خطای در مرکز یک خط فازی در سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور تنظیم شد، با مقاومت خطا به ۱۰۰ اهم تنظیم شد برای شبیه‌سازی مقاومت زمینی در هنگام 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 اطمینان حاصل شود که تغییرات ظریف جریان زمینی ضبط شوند.

به علاوه از ضبط مقدار جریان زمینی در لحظه وقوع خطا، نقاط زمانی متعددی تنظیم شد، شامل ۰٫۱ ثانیه، ۰٫۵ ثانیه، ۱ ثانیه، ۵ ثانیه و ۱۰ ثانیه پس از وقوع خطا، برای مشاهده تغییرات جریان زمینی در نقاط زمانی مختلف. برای جلوگیری از تصادفی بودن نتایج آزمایشی، داده‌های جریان زمینی ۱۰ بار ضبط شدند و مقدار میانگین به عنوان نتیجه نهایی آزمایش در نظر گرفته شد. شکل ۲ مقایسه‌ای از اثرات حفاظت زمینی ترانسفورماتور تحت روش‌های مختلف زمینی‌سازی ارائه می‌دهد.

همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، تحلیل شبیه‌سازی مقایسه ویژگی‌های جریان زمینی ترانسفورماتورها تحت خطاهای یک‌فازی برای روش‌های زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت کم، مقاومت بالا و پیچک خنثی انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که، در هنگام خطای زمینی یک‌فازی در ترانسفورماتورها، جریان زمینی تحت روش زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت کم به طور قابل توجهی بیشتر از روش‌های زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت بالا و پیچک خنثی است.

تحت 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 تکنولوژی‌های گروه کنترل افزایش یافته است. این مورد کمک می‌کند تا شدت قوس در محل خطا کاهش یابد و توانایی خودپاکسازی خطا را تسهیل کند. بنابراین، فناوری حفاظت زمینی طراحی شده عملی و قابل اعتماد است و برای کاربرد عملی در خطاهای زمینی یک‌فازی ترانسفورماتورها مناسب است، به طور موثر ایمنی عملیاتی ترانسفورماتورها در سایت‌های ساخت و ساز را محافظت می‌کند.

۴. نتیجه‌گیری

فناوری حفاظت زمینی ترانسفورماتورها در سایت‌های ساخت و ساز یک طرح حفاظت جریان صفر-دنباله‌ای بر اساس روش زمینی‌سازی نقطه میانی با مقاومت کم پیشنهاد می‌کند. از طریق آزمایش‌های مقایسه‌ای، برتری فناوری حفاظت زمینی طراحی شده در حفاظت اصلی خطاهای یک‌فازی ترانسفورماتور مورد تأیید قرار گرفته است. اگرچه برخی دستاوردهای تحقیقاتی به دست آمده‌اند، هنوز محدودیت‌هایی وجود دارد. به عنوان مثال، شرایط آزمایشی و نمونه‌های داده ممکن است کافی نباشند، نیاز به تأیید بیشتر جهت جامعیت نتایج وجود دارد.

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