در معرض جریانهای نامتعادل …

 

در معرض جریانهای نامتعادل …

همانطور که می دانید، ژنراتور ها و موتورها باید با بارگذاری سه فاز متعادل کار کنند، اما قرار گرفتن در معرض جریان نامتعادل اجتناب ناپذیر است. نا متعادلی ها می تواند از بسیاری از منابع مختلف مانند بارهای نامتعادل، ساخت خط انتقال ترانسپوز نشده ، خطا ها و باز شدن یک فاز ، و غیره بوجود بیایند

مقاله مرتبط:

حفاظت توالی منفی در ژنراتور(Negative-Sequence Protection)

حفاظت ژنراتور

 جریان توالی منفی چیست و چگونه کار مولد را تحت تاثیر قرار می دهد

این نا متعادلی ها به عنوان جریان توالی منفی در سر سیم های ژنراتور ظاهر می شوند. بر اساس تعریف، جریان های  توالی منفی یک جهت چرخش بر عکس سیستم قدرت دارند. این جریان استاتور برعکس شده ، جریانهایی با فرکانس های دو برابر را در ساختارهای روتور ایجاد می کند.

و حرارت حاصل می تواند خیلی سریع به روتور آسیب برساند.

برای چندین دهه، رله های اضافه جریان توالی منفی الکترومکانیکی، به عنوان حفاظت استاندارد جریان نامتعادل برای ژنراتورهای متوسط ​​و بزرگ ارائه شده اند. تکنولوژی الکترومکانیکی حساسیت این رله را بسیار محدود کرده است. در نتیجه، آنها تنها می توانند حفاظت پشتیبان را برای خطای فاز به فاز پاک نشده و خطای زمین ارائه دهند .

خطاهای بالقوه آسیب زا با جریان کم ، مانند باز بودن یک فاز یا خطای محدود، غیر قابل کشف بود.

با ظهور فناوری حالت جامد(solid-state) و تکنولوژی ریزپردازنده ها، در حال حاضر انواع رله های حفاظتی  برای حفاظت ژنراتور در طیف وسیعی از شرایط نا متعادلی وجود دارد.
 

بنابراین جریان توالی منفی چیست؟

مفهوم جريان توالی منفي ريشه در روش مولفه های متقارن (symmetrical component) دارد. تئوری پایه اجزای متقارن این است که جریان و ولتاژ در یک سیستم قدرت سه فاز می تواند توسط سه مولفه تک فاز نشان داده شود.

این مولفه ها مثبت، منفی و صفر است. مولفه توالی مثبت جریان یا ولتاژ همان جهت چرخش سیستم قدرت را دارا می باشد. این توالی نشان دهنده بار متعادل است.

اگر جریان های فاز ژنراتور برابر و اختلاف آنها دقیقا 120 درجه باشد،   فقط جریان توالی مثبت وجود خواهد داشت . عدم تعادل اندازه های جریان یا ولتاژ بین فاز ها و یا زاویه  فازها ، منجر به ایجاد توالی منفی و صفر می شود.

 شکل 1 – مولفه های متقارن: توالی مثبت، منفی و صفر

مولفه توالی منفی دارای جهت چرخشی برعکس سیستم قدرت است. مولفه توالی صفر نشان دهنده عدم تعادل است که باعث جریان در سیم خنثی(نول) می شود.

مولفه توالی منفی شبیه به سیستم توالی مثبت است، به استثنای آن که میدان واکنشی حاصل از آن در جهت مخالف چرخانده می شود. بدین ترتیب، یک شار تولید می شود که از روتور را با دو برابر سرعت چرخش عبور می کند، در نتیجه باعث ایجاد جریان های با فرکانس دو برابر در سیستم میدان و درون روتور می شود.

جریان های گردابی (eddy currents)حاصل از آن بسیار بزرگ است و باعث گرمای شدید روتور می شود.

این اثر به قدری شدید است که یک بار تک فاز برابر با جریان معمولی سه فاز معمولی می تواند به سرعت لبه های شیار روتور را تا نقطه نرم شدن گرم کند .

سپس ممکن است تحت نیروی سانتریفیوژ باعث تغییر شکل روتور شوند تا این جریان ها بتوانند روی سطح روتور قرار گیرند ، و حتی ممکن است به سطح استاتور نیز ضربه بزنند.

یک ژنراتور دارای یک توان نامی توالی منفی است.

برای توربو ژنراتورها این توان کم است – مقادیر استاندارد 10٪ و 15٪ از توان نامی ژنراتور است. مقدار های پایین تر نامی  زمانی استفاده می شود که تکنیک های خنک کنندگی شدیدتری مانند خنک سازی با هیدروژن یا با کانال های گاز در روترو برای سهولت خنک سازی اعمال می شود،

گرمایش کوتاه مدت در شرایط خطا سیستم مورد توجه است و معمولا در تعیین توانایی ژنراتور در  تحمل  جریان توالی منفی ، فرض این است که تبادل حرارتی در این دوره ها بسیار ناچیز است و تمام گرما در روتور می ماند.

با استفاده از این تقریب می توان به وسیله قانون گرما را بیان کرد:

I₂²t = K

که :

• I₂ = مولفه توالی منفی (پر یونیت توان دائمی نامی)
• t   = زمان (ثانیه)
• K = ثابتی است که متناسب با ظرفیت حرارتی روتور ژنراتور است

برای گرمایش بیش از یک دوره بیش از چند ثانیه، لازم است که  اجازه دهیم تا  گرما تبادل داشته باشد. از   ترکیبی از مقدار نامی دائم و مقدار نامی کوتاه مدت ویژگی کلی گرمایش را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد:

که  I_2R  مقدار نامی جریان دائم توالی فاز منفی بر حسب پر یونیت حداکثرتوان نامی دائمی است (maximum continuous rating)(MCR)

برای نشان دادن چگونگی استنتاج ، به بارگیری ژنراتور نمونه نشان داده شده در شکل 2 مراجعه کنید.

 شکل 2 – جریانهای نامتعادل ژنراتور

بارگیری ژنراتور نامتعادل است و بنابراین، علاوه بر جریان توالی مثبت، جریان توالی منفی و یا توالی صفر نیز موجود است. زمانی که مقدار جریان و زاویه جریان فازها موجود است می توان جریان های توالی را از جریان های فاز به دست آورد.

از نظر ریاضی،   مثبت (I₁)، منفی (I₂) و صفر (I₀) جریانهای توالی   در یک سیستم با   چرخش ABC به صورت زیر تعریف می شود: (معادله 1):

جایگزینی جریان و زاویه فاز از شکل 1 در معادله (1)، جریانهای توالی به صورت زیر می شوند:

جریان نامی برای سیستم نمونه 4370 آمپر است. جریان توالی مثبت 4108 A/4370 A = 0.94 pu و جریان توالی منفی 175 A/4370 A = 0.04 pu می باشد.

جریان  توالی صفر مجموع برداری جریانهای فازی است   و باید در خنثی یا زمین جریان یابد .

ژنراتور نمونه سیستم به سیم پیج مثلث ترانسفورماتور افزاینده ژنراتور (Generator Step Up (GSU) transformer)متصل شده است. با هیچ   مسیر برگشت سیم خنثی، جریان توالی  صفر نمی تواند وجود داشته باشد. جریان صفر محاسبه شده ناشی از خطای اندازه گیری است و باید صفر در نظر گرفته شود

اثرات جریان توالی منفی

گرمایش روتور

میدان مغناطیسی در شکاف هوا در سرعت سنکرون (روتور) و در همان جهت روتور می چرخد.   از آنجا که روتور و میدان مغناطیسی توالی مثبت القا شده روتور با همان سرعت و جهت حرکت می کنند، میدان یک موقعیت ثابت نسبت به روتور را حفظ می کند و هیچ جریانی در روتور القا نمی شود.

جریان نامتادلی  منجر به ایجاد جریان توالی منفی می شود که به نوبه خود باعث ایجاد میدان معکوس گردشی در فاصله هوای می شود. این میدان مغناطیسی دارای سرعت سنکرون است اما جهت چرخش آن برعکس می باشد ،

از نقطه نظر یک نقطه در سطح روتور، به نظر می رسد که این میدان در سرعتی دو برابر سرعت سنکرون چرخش دارد.   همانطور که این میدان در سراسر روتور عبور می کند،    باعث ایجاد جریان با فرکانس دو برابر در داخل بدنه روتور یک ماشین با روتور استوانه ای و در بیرون قطب های یک روتور برجسته می شود   

بخشی از مسیر جریان القا شده مقاومت الکتریکی بالا به جریان القایی نشان می دهد و نتیجه آن گرم شدن سریع است.

آسیب به علت از دست دادن یکپارچگی مکانیکی یا شکست عایق می تواند در عرض چند ثانیه رخ دهد.

ژنراتور روتور استوانه ای

یک روتور استوانه ای از یک قالب فولادی جامد با شکاف های برش خورده در طول آن ساخته شده است. هر کویل میدان نیاز به دو شکاف، یکی برای هر طرف سیم پیچ نیاز دارد. یک شیار ممکن است شامل یک یا چند سیم پیچ کویل باشد.

لبه بین شیار ها دندانه نامیده می شود. شکل 3 پیکربندی روتور را نشان می دهد.

 شکل 3 – روتور

شیارها در دو طرف هر دندانه ماشین کاری می شوند تا تا گوه ها را در امتداد طول کامل شکاف قرار دهند. گوه ها سیم پیچ های درداخل  شیار ها را نگه می دارند. در بعضی از ماشین ها، نوارهای رسانا بین گوه ها  و سیم پیچ میدان نصب می شود.

این نوارها در حلقه های نگه دارند اتصال کوتاه می شوند تا یک مسیر کم مقاومت برای جریان های القا شده ایجاد شود. حلقه های جریانی تشکیل شده توسط این نوار ها به عنوان سیم پیچ amortisseur  شناخته می شود .

پیکربندی شیار گوه، کویل میدان و  سیم پیچ اختیاری amortisseur در شکل 4 نشان داده شده است.

 شکل 4 – شکاف ها و گوه ها

در انتهای روتور، حلقه های نگهدارنده، انتهای سیم پیچ میدان را در مقابل نیروی گریز از مرکز نگه می دارند. حلقه های نگهدارنده معمولا جمع می شوند تا کاملا روی روترو فیت شوند ، اما در ماشین های قدیمی تر آنها می توانستند آزادانه شناور باشند و به صورت تصادفی با بدنه روتور متصل شوند

حلقه ها و گوه ها برای مقاومت مکانیکی طراحی شده اند زیرا آنها باید سیم پیچ میدان های بزرگ را در سرعت ژنراتور نامی ژنراتور ثابت روی روتور نگه دارند . حلقه های نگهدارنده بیشترین استرس و فشار را در بی قطعات روتور دارا می باشند.

جریان 120 هرتز القا شده در حلقه ها های الکتریکی در طول یک روتور استوانه ای جریان دارد، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. مقدار حلقه های جریانی برابر با تعداد قطب روی استاتور است.

هنگامی که جریان متناوب درون هادی  عبور می کند ، در این مورد در بدنه روتور ، تراکم جریان یکنواخت نیست.

 شکل 5 – جریان های روتور

“اثر پوستی”   باعث می شود جریان متناوب به سطح بیرونی هادی حرکت کند. این روند با افزایش فرکانس افزایش می یابد.

در یک روتور استوانه ای، جریان القایی 120 هرتز یک سطح مقطع عرضی از سطحی روتور به عمق نه بیشتر از 0.1 تا 0.4 اینچ را اشغال می کند .   این باعث می شود تا جریان های القایی به دندانه ها و گوه ها در سطح روتور بروند. تراکم جریان بالا باعث افزایش مقاومت روتور به مقدار زیادی برای جریان 120 هرتز نسبت به جریان DC یا 60 هرتز می شود.

مقاومت بالاتر باعث تولید تلفات بیشتر و گرمای بیشتر در هر آمپر برای جریان 120 هرتز نسبت به جریان فرکانس پایین تر می شود.

جریان های القا شده حداکثر حرارت را در انتهای بدنه روتور تولید می کنند. گرمای قابل توجهی از طریق مقاومت تماسی ایجاد می شود که جریان از گوه به دندانه انتقال می یابند تا به حلقه نگهدارنده وارد شوند و از حلقه به دندانه ها و سپس به گوه ها تا حلقه بازگشتی جریان ایجاد می شود.   افزایش گرما نیز به علت  تراکم بالای جریان در این مکان ها است چون جریان در دندانه ها تراکم شدید پیدا می کند تا به حلقه نگهدارنده در انتهای روترو وارد یا خارج شوند.

تحمل جریان توالی منفی یک ژنراتور بستگی به تماس الکتریکی خوب بین ساختارهای روتور دارد. مقاومت کم، حرارت را به حداقل می رساند   و از جرقه در نقاط تماس جلوگیری می کند . طراحان ویژگی های بسیاری برای بهبود هدایت التکریکی اضافه می کنند.

این ها شامل اضافه کردن سیم پیچ های amortisseur در شکاف های روتور است تا یک  مسیرهای کم مقاومت   در سراسر سطح روتور ایجاد شود. انتهای سیم پیچ های amortisseur به حلقه های نگهدارنده متصل می شوند تا یک اتصال  کم مقاومت از شیار به حلقه ایجاد شود.

گوه های  آلومینیومی داخل  شیار نیز می تواند برای کاهش مقاومت در این مسیر جریان مورد استفاده قرار گیرد.

گوه های آلومینیومی نقره اندود شده می توانند مسیر جریان کم مقاومت را از گوه ها به حلقه های نگهدارنده ایجاد کنند. سطح روتور در محل فیت شدن حلقه نگهدارنده اغلب با پوشش نقره ای است تا مقاومت و حرارت در محل اتصال کاهش پیدا کند.

دو نوع خطا در  روتور مرتبط با جریان نامتعادلی است.

گرما در گوه های شیار باعث نرم شدن و تغییر شکل به خاطر نیرو ها اجزا در شیار می شود. خطای دوم می تواند حلقه نگهدارنده باشد. گرمایش اضافه می تواند باعث شود تا حلقه نگهدارنده از بدنه روتور جدا شود. 

حلقه ی نگهدارنده پس از خنک شدن مجدد ممکن است تغییر شکل دهد و به صورت یک موقعیت کج شدگی  بر روی روتور قرار گیرد و در نتیجه باعث  لرزش در روترو خواهد شد

همچنین، از دست دادن تماس الکتریکی خوب در هنگام شناور شدن، باعث می شود که نقاط اتصال ضعیف و یا تماس ضعیف ایجاد شود. حلقه های نگهدارنده که برای حالت شناور بودن طراحی شده اند نیز ممکن است در نقاط تماس به علت اتصال ضعیف جرقه ایجاد کند

دماهای بالا ایجاد شده در محدوده ی حلقه نگهدارنده می تواند وضیعت را تشدید کند   منجر به ترک خوردن تحت تنش های متنوع راه اندازی و خاموش شدن شود .

ویژگی های گرمایی طرح های مختلف ژنراتور در شکل 6 زیر نشان داده شده است.

 شکل 6 – تحمل جریان توالی منفی یک  ژنراتور روتور استوانه ای

ژنراتور های قطب برجسته

ژنراتورهای قطب برجسته به طور معمول سیم پیچ آموریتسور را به شکل میله های رسانایی که در طول هر قطب روتور قرار دارند ساخته می شوند. انتهای آنها به شکل یک مسیر کم مقاومت در قطب ها جوش داده می شود.

دو نوع اساسی از Amortisseurs وجود دارد :  

• سیم پیچهایغیر  متصل شده Amortisseurs در هر سطح قطب جدا شده اند و عایق هستند(isolated).
• Amortisseurs های متصل شده   دارای میله هایی هستند که بین قطب ها پل می شوند تا انتهای تمام گروه های amortisseurs را در هر قطب به هم متصل کنند.

بخش عمده ای از جریان القایی در روتور یک ماشین قطب برجسته در سطح قطب amortisseurs جاری است . از آنجا که اتصالات جوش داده شده اند، این مسیر نقاط داغ اتصالات در حالت روتور استوانه ای را ندارند،

با این حال، جریان amortisseurs تمایل به جریان یافتن در میله های بیرونی است و جریان القا شده می تواند باعث ایجاد فشار و اسیب به علت در فشار بودن میله ها شود.

 شکل 7 – سیم پیچهای Amortisseur

اگر آموریتسورها بین قطب ها متصل نشوند، بخش بزرگي از جريان های اتصالات کاهش می یابد اما جریان زیاد در داخل اتصالات بین قطب های جاری می شود. اتصال Amortisseur ها همچنین یک ویژگی بالانس کردن جریان روی میله های سطح قطب ها دارد

ماشین های قطب برجسته با سیم پیچ های Amortisseur متصل شده دارای ظرفیت جریان توالی منفی بیشتری نسبت به حالت دیگر هستند. بخش محدود کننده در ماشین های متصل شده معمولا میله هایی هستند که قطب ها را پل می کنند.

جريان القا شده بزرگ در اين ميله ها جريان مي تواند باعث ایجا گرمایی شود که میله ها را نرم کند و   منجر به شکست مکانیکی در شرایط وجود  نیروی گریز از مرکز شود .

 شکل 8 – اختلاف در روتور قطب برجسته و روتور گرد یا استوانه ای

گشتاور پالسی

جریان توالی منفی یک میدان مغناطیسی چرخشی با جهت معکوس در فاصله هوایی ایجاد می کند. این میدان یک گشتاور ضربانی در شفت با فرکانس دو برابر فرکانس منبع  ایجاد می کند. مقدار گشتاور متناسب با جريان توالی منفی در استاتور است. ضربانها به استاتور منتقل می شوند.

اگر استاتور با فنر به زمین وصل شود، ضربان آن جذب خواهد شد. بدون لرزه گیر و فنر، پالسها به پایه استاتور منتقل می شوند، که باید آنها را در طراحی در نظر گرفت

به طور کلی، مشکلات مربوط به پالس گشتاور بعد از  نگرانی های گرمای روتور مهم می شود.

منابع:

1. Protective relaying for power generation systems by Donald Reimert
2. Network protection and automation guide by Alstom

مقاله مرتبط:

هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟