تحلیل مختصر خودکاربسته‌ی مدار در اتوماسیون خط توزیع

بازکنندهٔ خودکار مدار دستگاهی سوئیچینگ با ولتاژ بالا است که کنترل داخلی دارد (به‌طور ذاتی قابلیت تشخیص جریان اتصال کوتاه، کنترل توالی عملیات و اجرای عملکرد را دارد و نیازی به رله حفاظتی یا تجهیزات عملیاتی اضافی ندارد) و امکانات حفاظتی نیز دارد. این دستگاه قادر است جریان و ولتاژ در مدار خود را به‌صورت خودکار تشخیص دهد، در صورت بروز اشکال، جریان اتصال کوتاه را بر اساس مشخصه‌های حفاظت معکوس-زمان قطع کند و بر اساس تأخیرهای زمانی و توالی‌های از پیش تعیین‌شده چندین بار به‌صورت خودکار مجدداً بسته شود.

۱. اصل و ویژگی‌های اتوماسیون فیدر پیاده‌سازی‌شده توسط طرح بازکنندهٔ خودکار مدار

اتوماسیون خطوط توزیع هوایی با استفاده از طرح بازکنندهٔ خودکار مدار، از قابلیت بازکننده در قطع جریان اتصال کوتاه و همچنین از عملکردهای یکپارچه حفاظت، نظارت و ارتباطات بهره می‌برد. بدون وابستگی به عملکرد حفاظتی تجهیزات سوئیچینگ پست، این طرح به‌صورت خودکار محل اشکال را تشخیص داده و آن را از طریق هماهنگی تنظیمات حفاظتی و زمان‌بندی بین بازکننده‌ها جدا می‌کند و به‌طور مؤثر شین پست را در طول خط توزیع ادامه می‌دهد. در فیدر اصلی، بازکننده‌های خودکار مدار به‌عنوان تجهیزات حفاظتی عمل می‌کنند و امکان تقسیم سریع اشکال و جداسازی خودکار اشکالات در خطوط فرعی را فراهم می‌آورند.

عملکرد اصلی طرح بازکنندهٔ خودکار مدار دستیابی به اتوماسیون فیدر است. این طرح حتی بدون وجود سیستم اتوماسیون مبتنی بر ارتباطات نیز قادر به جداسازی خودکار اشکال است و اجازه می‌دهد کل پروژه اتوماسیون به‌صورت مرحله‌ای اجرا شود. هنگامی که شرایط اجازه دهند، سیستم‌های ارتباطی و اتوماسیون بعداً می‌توانند بهبود یافته و عملکرد اتوماسیون کامل را محقق کنند.

اتوماسیون فیدر مبتنی بر بازکنندهٔ خودکار مدار برای ساختارهای شبکه‌ای نسبتاً ساده مناسب است، مانند شبکه‌های حلقه‌ای دو منبع "دست در دست". در این پیکربندی، دو فیدر از طریق یک سوئیچ اتصال میانی به هم متصل می‌شوند. در حالت عادی، سوئیچ اتصال باز است و سیستم به‌صورت حلقه باز کار می‌کند. هنگامی که اشکالی در یک بخش رخ می‌دهد، بازآرایی شبکه امکان انتقال بار را فراهم کرده و تأمین برق در بخش‌های بدون اشکال را حفظ می‌کند که قابلیت اطمینان تأمین انرژی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. هنگامی که فاصله بین دو منبع بیش از ۱۰ کیلومتر نباشد، با در نظر گرفتن تعداد بخش‌ها و هماهنگی اتوماسیون، پیکربندی سه بازکننده (بازکنندهٔ خودکار مدار)، چهار بخش توصیه می‌شود که طول هر بخش به‌طور متوسط حدود ۲٫۵ کیلومتر است.

با در نظر گرفتن نمودار اتصال در شکل ۱ به عنوان مثال: B1 و B2 قطع‌کننده‌های خروجی از پست‌ها هستند؛ R0 تا R2 سوئیچ‌های تقسیم‌بندی خط (بازکننده‌های خودکار مدار) هستند. در شرایط عادی، B1، B2، R1 و R2 بسته هستند و R0 باز است.

• اشکال در بخش ①: برای اشکالات گذرا، تأمین برق توسط عملکرد بسته شدن مجدد اول یا دوم B1 بازیابی می‌شود. برای اشکالات دائمی، پس از اینکه B1 بسته شدن مجدد انجام داده و سپس قفل شود (باز شده و بسته شدن مجدد بیشتر مسدود شود)، R1 افت مداوم ولتاژ در بخش ① را تشخیص می‌دهد. پس از یک مدت زمان مرده از پیش تعیین‌شده t₁، R1 باز می‌شود. در ادامه، R0 افت مداوم ولتاژ در بخش ② را برای مدت زمان طولانی‌تر t₂ (t₂ > t₁) تشخیص داده و به‌صورت خودکار با موفقیت بسته می‌شود و بدین ترتیب اشکال را درون بخش ① جداسازی می‌کند.

• اشکال در بخش ②: اشکالات گذرا توسط عمل بسته شدن مجدد R1 رفع می‌شوند (هماهنگی حفاظتی مانع از قطع شدن B1 می‌شود). برای اشکالات دائمی، پس از اینکه R1 بسته شدن مجدد انجام داده و سپس قفل شود، R0 افت مداوم ولتاژ در بخش ② را برای مدت زمان t₂ تشخیص داده و به‌صورت خودکار بسته می‌شود. پس از بسته شدن روی خط معیوب، بلافاصله قطع شده و قفل می‌شود و اشکال را درون بخش ② جداسازی می‌کند. فرآیند جداسازی اشکال و بازیابی برای دو بخش در سمت مقابل سوئیچ اتصال از همین منطق پیروی می‌کند.

ملاحظات اضافی در کاربرد شامل موارد زیر است:

• برای پیاده‌سازی جداسازی اشکال با استفاده از طرح بازکنندهٔ خودکار مدار، باید عملکرد حفاظت جریان زیاد لحظه‌ای (بدون زمان) قطع‌کننده خروجی پست غیرفعال شده و با حفاظت لحظه‌ای با تأخیر زمانی جایگزین شود.

• هنگامی که اشکالات گذرا یا دائمی در خطوط فرعی رخ می‌دهند، توسط بازکننده‌های خودکار مدار نصب‌شده روی شاخه‌ها رفع می‌شوند. تنظیمات حفاظتی و زمان‌های عملیاتی بازکننده‌های شاخه باید به‌ترتیب کمتر و کوتاه‌تر از بازکننده‌های اصلی خط بالادستی باشند.

سیستم اتوماسیون توزیع با استفاده از کنترل محلی می‌تواند قابلیت اطمینان تأمین برق را با سرمایه‌گذاری نسبتاً کم بهبود بخشد. علاوه بر این، از آنجا که بازکننده‌های خودکار مدار مدرن مبتنی بر میکروپروسسور و هوشمند هستند، رابط‌هایی برای گسترش نظارت از راه دور در آینده فراهم می‌کنند. هنگامی که زیرساخت‌های ارتباطی و سیستم‌های ایستگاه مرکزی در دسترس باشند، سیستم می‌تواند به‌صورت یکپارچه به طرح اتوماسیون فیدر تحت کنترل ایستگاه مرکزی تبدیل شود.

۲. نحوه بهبود قابلیت اطمینان تأمین برق و کاهش مدت زمان قطعی خط

• استفاده از PLC با عملکرد بالا (کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر) به‌عنوان مرکز کنترل بازکنندهٔ خودکار مدار.

• رفع سریع اشکالات گذرا به‌منظور به حداقل رساندن مدت زمان قطعی. در سیستم‌های برق، بیش از ۷۰٪ از اشکالات خطوط گذرا هستند. اگر اشکالات گذرا مانند اشکالات دائمی برخورد شوند، قطعی طولانی‌مدتی رخ می‌دهد. بنابراین، به بازکننده‌های خودکار مدار عملکرد بسته شدن مجدد اولیه و سریع اضافه شده است که می‌تواند اشکالات گذرا را در مدت ۰٫۳ تا ۱٫۰ ثانیه رفع کند (تنظیمات بسته به شرایط خط متفاوت است)، که مدت زمان قطعی در حوادث گذرا را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

• قفل شدن همزمان در هر دو انتهای بخش معیوب. قطع‌کننده‌های سنتی تنها در صورت بروز اشکال می‌توانند یک انتهای خط معیوب را قفل کنند. در مقابل، بازکننده‌های خودکار مدار قادر به جداسازی همزمان هر دو انتهای بخشی با اشکال دائمی هستند، که از قطعی در مناطق بدون اشکال جلوگیری کرده، زمان بازیابی را کوتاه می‌کند، تعداد دفعات بسته شدن مجدد را کاهش داده و تنش واردشده به شبکه را به حداقل می‌رساند.

۳. اصول کاربرد بازکننده‌های خودکار مدار در شبکه‌های توزیع

• شرایط عملکردی: باید به تمام خطاها اجازه داده شود که به عنوان خطاها موقت در نظر گرفته شوند، تا از عملکرد نادرست به دلیل جریان ورودی جلوگیری شود. قفل شدن پس از قطع باید فقط در صورت وجود خطا دائمی رخ دهد.

• انتخاب و نصب خودکاربازکننده‌های مداری به طور اقتصادی و منطقی بر اساس اندازه بار و طول خط انجام شود.

• بر اساس محل نصب، جریان اسمی، ظرفیت قطع، درجه جریان کوتاه‌مداری و مقاومت دینامیکی/حرارتی خودکاربازکننده مداری را انتخاب کنید. درجه جریان کوتاه‌مداری بیشینه باید معمولاً بالاتر از ۱۶ کیلوآمپر باشد تا ظرفیت شبکه در حال افزایش را تأمین کند.

• تنظیمات حفاظتی را به درستی هماهنگ کنید، از جمله جریان قطع، تعداد تلاش‌های بازسازی و ویژگی‌های تأخیر زمانی.

• هماهنگی بین خودکاربازکننده‌های مداری بالادست و پایین‌دست: تعداد عملیات جریان خطا مجاز باید سطح به سطح کاهش یابد و تأخیر زمانی برای بازسازی باید سطح به سطح افزایش یابد (معمولاً به ۸ ثانیه در هر مرحله تنظیم می‌شود).