بررسي محدود كننده هاي جريان خطا (FCL)

مقدمه:
پيشرفتهاي صنعتي سبب استفاده از انواع انرژي ها و در رأس آنها استفاده از انرژي الكتريكي شده است ؛ انرژي الكتريكي به دليل تنوع در روشهاي توليد،قابليت انتقال وكنترل،سهولت در تبديل به انرژي هاي ديگر ، عدم آلودگي محيط زيست و … بيش از انواع ديگر انرژي مورد توجه قرار گرفته است.
تأمين انرژي مورد نياز مصرف كنندگان به طور مداوم و با كيفيت مطلوب يكي از مهمترين اهداف شبكه برق رساني است .افزایش مصرف انرژی الکتریکی و توسعه هماهنگ شبکه انتقال و توزیع باعٍ میگردد که واحدهای تولیدی بزرگ و جدید در شبکه ایجاد شده و همزمان با پستهای انتقال و توزیع و ارتباطات الکتریکی مابین آنها در شبکه افزوده شود،به سادگی روشن است که بر اثر عوامل فوق الذکر میزان جریان اتصال کوتاه در پستها افزایش خواهد یافتو همچنین مهمترين خطري كه شبكه قدرت همواره با آن مواجه مي باشد وقوع پديده اتصال كوتاه است كه در ادامه به اختصار تشريح خواهد شد.
افزایش سطح اتصال کوتاه از نقطه نظر بهره برداری و حفاظت شبکه پیامد هایی نظیر تعویض و تبدیل تجهیزات پستها شامل کلید ها و فیوزها و ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ را به دنبال داشته و در شرایط بروز اتصالی مخاطرات بیشتری را برای تجهیزات موجود ایجاد میکند.کلیدهای قدرت یکی از گرانترین تجهیزات پستها میباشدند وقیمت انها تا حد زیادی بستگی به قدرت قطع انها دارد.
اما با توجه به تمامي موارد فوق اتصال كوتاه يك پديده ذاتي در شبكه قدرت است و گسترش شبكه هاي انتقال و توزيع موجب بالا رفتن جريان اتصال كوتاه در شبكه مي شود . افزايش جريان اتصال كوتاه باعث بالا رفتن اضافه ولتاژ هاي گذرا ، افزايش نيروهاي ديناميكي وارد بر تجهيزات ، افزايش گرماي حاصل از عبور جريان در تجهيزات و كاهش قابليت اطمينان شبكه مي گردد . در هنگام وقوع اتصال كوتاه جريان خطا از تجهيزات شبكه كه جريان نامي آنها كمتر از جريان اتصال كوتاه مي باشد ، عبور مي كند و چون در طراحي و ساخت
تجهيزات شبكه جريان اتصال كوتاه لحاظ مي شود لذا با گسترش شبكه و بالا رفتن جريان اتصال كوتاه قيمت و ابعاد تجهيزات اضافه مي شود.
از اوايل دهه هفتاد ميلادي مطالعات كاهش سطح اتصال كوتاه شبكه به عنوان يكي از موضوعات مهم تحقيقاتي در جهان آغاز شده و محققين تلاش خود را متوجه ساخت تجهيزاتي كرده اند كه بتواند دامنه جريان خطا را در حد قابل قبولي محدود نمايد . يكي از تجهيزاتي كه موجب كاهش دامنه جريان خطا در حد متعارف براي تجهيزات شبكه مي گردد محدودساز جريان خطا مي باشد . محدود كننده هاي جريان خطا عناصري سري با تجهيزات شبكه بوده و وظيفه دارند با وارد كردن يك امپدانس بزرگ جريان اتصال كوتاه مدار را قبل از رسيدن به مقدار حداكثر خود محدود نموده بطوريكه توسط كليد هاي قدرت موجود قابل قطع باشند .
بهینه ‌سازی سیستم‌های توزیع یکی از مباحث بنیادی و اساسی مدیران،کارشناسان و کارکنان و … شبکه‌های تولید است و همچنین مساله کیفیت توان با توجه به افزایش آگاهی مصرف‌کننده‌ها و رشد بارهای حساس در سیستم قدرت، یکی از موارد مورد توجه شرکتهای توزیع برق است. دلایل اصلی اهمیت موضوع کیفیت توان در سیستم‌های توزیع امروزی به قرار زیر است:
1-    بارهای جدید نسبت به تغییرات کمی و کیفی برق دارای حساسیت بیشتری شده‌اند و این به دلیل استفاده از اجزای میکروپروسسوری و تجهیزات الکترونیک قدرت در این بارها است که نسبت به اغتشاشات توان حساسیت بالایی دارند.

2- افزایش توجه به بازده در سیستم قدرت که باعث به کار بردن تجهیزات بازده بالا درایوهای موتور با سرعت قابل تنظیم و خازنهای شنت که به منظور اصلاح ضریب توان به کار می‌روند که در نتیجه این امر سطح اتصال کوتاه بالا رفته و مصرف‌کننده‌ها نسبت به قابلیت سیستم حساستری می‌شوند.
3- افزایش بیشتر آگاهیهای مصرف‌کننده‌های انتهایی درمورد مسائل کیفیت توان که باعث توجه بیشتر شرکتهای توزیع برق به مشکلات کیفیت توان می‌شود. اتصالات داخلی در سیستم قدرت بیشتر شده و مسائل کیفیت توان بالا رفته و اهمیت بالایی پیدا کرده است.
بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که در زمان وقوع یک خطای تکفاز در فازهای سالم سیستم توزیع ولتاژ بالاتر رفته و مساله افزایش دینامیکی ولتاژ رخ می‌‌دهد؛ به عنوان یک راه حل برای بهبود مسئله افزایش دینامیکی ولتاژ قراردادن یک محدودکننده جریان خطا در سیستم توزیع پیشنهاد شده. قراردادن محدودکننده جریان خطا باعث کاهش میزان جریان در فاز دچار خطا شده و به دنبال آن سبب بهبود افزایش دینامیکی ولتاژ نیز می‌شود.
تا کنون انواع مختلفي از محدود كننده‌هاي خطا براي شبكه‌هاي توزيع و انتقال معرفي شده‌اند كه ساده‌ترين آنها فيوزهاي معمولي است كه البته پس از هر بار وقوع اتصال كوتاه بايد تعويض شوند. از آنجاييكه جريان اتصال كوتاه در لحظات اوليه به خصوص در پريود اول موج جريان، داراي بيشترين دامنه است و بيشترين اثرات مخرب از همين سيكل‌هاي اوليه ناشي مي‌شود، بايد محدودسازهاي جريان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گيرند. محدودكننده‌هاي جريان اتصال كوتاه طراحي شده در دهه‌هاي اخير، به طور سري با ساير تجهيزات شبكه در مدار قرار گرفته و وظيفه محدود کردن جريان اتصال كوتاه مدار را قبل از رسيدن به مقدار حداكثر خود دارند به طوري كه توسط كليدهاي قدرت موجود قابل قطع باشند. اين تجهيزات، در حالت عادي مقاومت كمي در برابر عبور جريان از خود نشان مي‌دهند ولي پس از وقوع اتصال كوتاه و در لحظات اوليه شروع جريان، مقاومت آنها يكباره بزرگ شده و از بالا رفتن جريان اتصال كوتاه جلوگيري مي‌كنند. اين تجهيزات پس از هر بار عملكرد بايد قابل بازيابي بوده و در حالت ماندگار سيستم، باعث ايجاد اضافه ولتاژ و يا تزريق هارمونيك به سيستم نگردند.
محدودسازهاي اوليه با استفاده از كليدهاي مكانيكي، در زمان خطا امپدانسي را در مسير جريان قرار مي‌دادند. با ورود ادوات الكترونيك قدرت كليدهاي تريستوري براي اين موضوع مورد استفاده قرار گرفته و مدارهاي متعددي از جمله مدارهاي امپدانس تشديد و ابررسانا، ارائه گرديد.

فهرست مطالب   :
فصل اول : كليات    1
مقدمه:    1
تعاریف و اصطلاحات:    5
اتصال کوتاه (short circuit):    5
مؤلفه متناوب جریان اتصال کوتاه:    7
گسترش شبکه ها و افزایش سطوح اتصال کوتاه در پستها:    7
مهمترین عوامل افزایش سطح اتصال کوتاه مفرط در شبکه :    10
1- بالا رفتن قدرت تولیدی نیروگاههای جدید:    10
2- افزایش مدارهای ارتباطی:    10
3- کلاس ولتاژ بالا:    10
4- پستهای تبدیل ولتاژ:    11
5-افزایش ظرفیت پستها:    11
اثرات سطح جریان اتصال کوتاه مفرط در امنیت شبکه:    12
روشهای کاهش سطح اتصال کوتاه:    14
جریان خطا:    17
فصل دوم:    18
محدود کننده های جریان خطا:    18
1- محدود کننده امپدانسی با کلید مکانیکی:    20
1-1- محدود کننده جریان خطا با متوقف کننده های موازی و سوئیچ مقاومتی:    20
1-2- محدود کننده جریان خطا مبتنی بر رانده شدن قوس    22
1-2-1- محدود کننده جریان خطا با ریل مقاومتی (چند تیر- multi shop):    22
1-2-2- محدود کننده جریان خطا با عنصر منحرف کننده قوس چند بخشی   (of commutating elements multi-divided type):    24
2- محدود کننده فیوز با قدرت قطع بالا:    26
3- محدود کننده ابر رسانا:    29
3-1- محدود کننده ابر رسانا بدون هسته آهن :    30
3-2- محدود کننده ابررسانا با هسته آهن:    32
3-3- محدود کننده ابر رسانای هیبرید:    32
3-4- معادلات و شرح عملکرد    34
4- محدود کننده امپدانسی و مدار تشدید با سوئیچ تریستوری    37
4-1- محدود کننده امپدانسی با کنترل سوئیچ تریستوری    38
4-2- محدود کننده مدار تشدید LC موازی    42
4-3- محدود کننده مدار تشدید LC سری    45
5 – محدود کننده جریان با کلید تریستوری با مقاومت غیر خطی    47
5-1- تجهیز محدود کننده جریان (CLD)    47
5-2- تجهیز کننده و قطع جریان(CLID)    49
فصل سوم:    50
نتیجه گیری    50
منابع و مؤاخذ    54