تجدید ساختار در شبکه‌های قدرت و ایجاد بازار‌های برق باعث تغییرات سریع در نحوه بهره‌برداری از شبکه قدرت شده‌اند. امروزه مقادیر بسیار بالای توان از خطوط انتقالی می‌گذرند که واقعا برای انتقال این توان طراحی نشده‌اند. واحدهای تولیدی خصوصی در مکان‌هایی ساخته می‌شوند که لزوما مکان‌های بهینه از نظر پایداری و نیاز‌های شبکه نیستند و شبکه‌های برق به نحوی تغییر داده می‌شوند که امکان استفاده از تمام ظرفیت شبکه میسر گردد. نتیجه این تغییرات این است که واحدهای تولیدی شدیدا در معرض ناپایداری و نوسان توان قرار می‌گیرند.
شبکه‌های قدرت در همه جای دنیا خاموشی‌های گسترده زیادی را در دهه‌های اخیر تجربه کرده‌اند. در تمام این خاموشی‌های گسترده از دست رفتن تولید و بی برق شدن مشتری‌های شبکه عده زیادی را تحت تاثیر قرار داده و باعث ایجاد خسارات زیادی شده است. این ناپایداری‌ها عموما زمان‌هایی رخ داده‌اند که شبکه شدیدا تحت بار بوده است و تعدادی خروج پشت سر هم در بازه زمانی کوتاهی رخ داده است. این خروج‌ها باعث نوسان بین واحد‌ها و سیستم‌های مجاور شده و به دلیل افت ولتاژ یا خروج از همگامی به ناپایداری انجامیده است.
یکی از دلایلی که پس از یک اغتشاش بزرگ در شبکه می‌تواند موجب خروج‌های متوالی شود و شبکه را به سمت ناپایداری پیش ببرد، عملکرد اشتباه رله‌های دیستانس به دلیل نوسانی شدن امپدانس دیده شده توسط رله در حین وقوع پدیده نوسان توان است. برای این منظور از عملکرد اشتباه رله دیستانس در هنگام نوسان توان باید جلوگیری کرد.
با این حال مبحث ناپایداری سیستم‌های قدرت مبحث جدیدی نیست و از دیرباز و از زمانی که اولین شبکه‌های قدرت مورد بهره‌برداری قرار گرفتند مورد توجه بوده و تحقیقات و مطالعات زیادی در این زمینه انجام شده است. طراحی، بهره‌برداری و حفاظت یک سیستم قدرت به طور مستقیم و غیرمستقیم متاثر از این موضوع است که سیستم‌های قدرت در هنگام بروز اغتشاشات ممکن است دچار ناپایداری شوند. معمولا حد بارگزاری سیستم قدرت، تنظیم زمان عملکرد سیستم‌های حفاظتی اصلی و پشتیبانی و نیز تنظیمات رله‌های خروج از سنکرونیزم با توجه به مسائل پایداری تعیین می‌شود.
تعریف نوسان توان
نوسان در توان منتقل شونده از سه فاز هنگامی اتفاق می‌افتد که زاویه روتور ژنراتور نسبت به بقیه ژنراتورها افزایش یا کاهش یابد. این اتفاق می‌تواند به دنبال تغییرات دامنه بار یا جهت آن، کلیدزنی خطوط، ورود یا خروج واحدهای تولیدی، خطاها و … اتفاق بیافتد.
انواع نوسان توان به دو دسته تقسیم بندی می‌شود:
نوسان توان پایدار
در حالتی که نوسان توان منجر به لغزش قطب نشود و پس از نوسان ژنراتور به نقطه کار پایدار و قابل قبول دیگری برسد.
نوسان توان ناپایدار
در این حالت نوسان توان منجر به لغزش قطب می‌شود و نیاز به انجام اقدامات اصلاحی خواهد داشت.
لغزش قطب نیز شرایطی است که در آن زاویه ولتاژ یک یا دسته‌ای از ژنراتورها نسبت به بقیه شبکه تا ۱۸۰ درجه عقب می‌افتد.
چرا نوسان توان اتفاق می‌افتد؟
نوسان توان می‌تواند به دلیل اعمال یک اغتشاش خارجی به سیستم، خطا بر روی سیستم تحریک یک ژنراتور، افزایش توان محرک ورودی ژنراتور و یا هر تغییر عمده دیگری در شبکه به وجود آید.
پس مهمترین عوامل ایجاد نوسان توان را می‌توان به شکل زیر نام برد:
- انواع خطا‌های گذرا
- تغییرات ناگهانی و شدید بار
- کلیدزنی خطوط
- ورود یا خروج واحدهای تولیدی
- از دست رفتن سیستم تحریک ژنراتور
از آنجا که سیستم‌های موجود در شبکه، یعنی واحدهای ژنراتوری، بسیار بزرگ و حجیم هستند، از این رو اینرسی بسیار بالایی دارند و جابه‌جا شدن نقطه کار آن‌ها همراه با نوسان خواهد بود. به این دلیل به طور کلی هر تغییر عمده‌ای که در شبکه ایجاد شود و لازمه آن تغییر نقطه کار ژنراتورهای شبکه، به صورت دائم یا موقت باشد، منجر به ایجاد نوسان در شبکه خواهد شد.
از دیدگاه یک ژنراتور شبکه، نوسان توان هنگامی اتفاق می‌افتد که توان مکانیکی ورودی به توربین ژنراتور برابر توان الکتریکی خروجی ار ترمینال آن نباشد. در این هنگام ژنراتور یا سرعت می‌گیرد یا سرعت خود را از دست می‌دهد و اگر این حالت برای مدت زمان طولانی (بیش از زمان بحرانی) به طول بیانجامد، ژنراتور نمی‌تواند به حالت همگام با شبکه بازگردد و در این زمان خروج از همگامی رخ خواهد داد.
نوسان در توان چه خساراتی به بار می‌آورد؟
نوسان توان از آن جهت که می‌تواند به شبکه خسارات جبران ناپذیری زیادی بزند، بسیار مورد توجه است و اگر در صورت بروز نوسان توان اقدامات حفاظتی لازم برای مقابله با آن صورت نگیرد، شبکه به سمت ناپایداری پیش خواهد رفت.
خسارات ناشی از نوسان توان به دو بخش تقسیم می‌شود که به شرح زیر است:
خسارات ناشی از نوسانات توان به ژنراتور
نوسان توان می‌تواند از طریق مختلف خسارات زیادی به ژنراتورهای شبکه وارد کند. اگر ژنراتور به یک شبکه قوی متصل باشد، در صورت بروز نوسان توان، جریان‌های نوسانی در حد جریان‌های خطا افزایش پیدا می‌کنند و این امر هم از نظر مکانیکی و هم از نظر افزایش دمای هادی‌ها می‌تواند باعث آسیب دیدن ژنراتور شود.
همچنین نوسان توان می‌تواند باعث بروز نوساناتی روی گشتاور محور ماشین شود و این نوسانات می‌تواند منجر به رزونانس محور ژنراتور گردد. دامنه نوسانات روی محور در صورت ادامه نوسان توان افزایش می‌یابد. لذا در صورت وقوع عدم همگامی، ژنراتور باید در کوتاه‌ترین زمان ممکن از شبکه قدرت جدا گردد.
خسارات ناشی از نوسانات توان به شبکه
در هنگام بروز نوسان متغیرهای شبکه شامل ولتاژ، جریان و توان حالت عادی خود را از دست می‌دهند و تخریب می‌شوند. این ولتاژها و جریا‌های غیرعادی می‌توانند باعث عملکرد نادرست رله‌های شبکه (خصوصا رله دیستانس) شوند و عملکرد نادرست ادوات حفاظتی شبکه می‌تواند سیستم را تا مرز ناپایداری پیش ببرد.
فرض کنید خطایی روی یکی از خطوط شبکه اتفاق افتاده است و با عملکرد رله‌ها این خط از شبکه جدا می‌گردد. این امر منجر به نوسانی شدن شبکه می‌گردد. اگر نوسان شبکه باعث عملکرد نادرست یک رله دیستانس دیگر شود، خط دیگری نیز از شبکه جدا خواهد شد و این خروج‌های پشت سر هم می‌تواند منجر به ناپایداری کل و یا بخش بزرگی از سیستم قدرت شود.
پس نتیجه می‌گیریم مهمترین خسارت ناشی ار نوسان توان در صورت عملکرد نادرست رله، ناپایداری شبکه قدرت خواهد بود. خسارت‌های ناشی از خاموشی‌های گسترده در شبکه قدرت، از آنجا که دارای جنبه‌های امنیتی نیز هست، غیرقابل تخمین است.
تغییر امپدانس در هنگام نوسان توان
همان طور که می‌دانیم نحوه عملکرد رله دیستانس به این صورت است که با اندازه‌گیری ولتاژ و جریان توسط CT و PT امپدانس دیده شده توسط رله را محاسبه می‌کند. اگر خطایی در خط پیش روی رله رخ نداده باشد، امپدانس دیده شده باشد از امپدانس خط بیشتر باشد. اما در صورت بروز خطا این امپدانس کمتر از کل امپدانس خط خواهد بود.
برای این منظور در رله دیستانس ناحیه‌های حفاظتی مختلفی برای عملکرد با تاخیر‌های متفاوت تعریف می‌شوند. این ناحیه‌ها همان طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید معمولا به دو شکل مهو و چهاروجهی هستند.
امپدانس دیده شده توسط رله دیستانس در هنگام نوسان توان وارد نواحی عملکرد رله دیستانس خواهد شد و از آنجا که این نوسانات بسیار کند هستند، به اندازه کافی در آن ناحیه خواهد ماند و آن را تحریک خواهد کرد. پس لازم است که هنگام وقوع نوسان و تشخیص آن از عملکرد رله دیستانس جلوگیری شود تا به اشتباه خط بدون خطا را از شبکه جدا نکند و وضعیت شبکه را بحرانی‌تر نکند.
بر این اساس رله‌های دیستانس محهز به واحدی با عنوان PSB هستند. وظیفه این واحد تشخیص نوسان توان و محدود کردن نواحی یک، دو و سه رله دیستانس در هنگام نوسان توان، برای جلوگیری از عملکرد اشتباه است.
انتخاب ناحیه‌هایی از رله که باید در هنگام نوسان غیرفعال و محدود شوند، نیاز به مطالعات زیادی روی سیستم قدرت دارد و خود مبحثی جدا و گسترده است.
تشخیص نوسانات توان
هنگامی که شبکه در حالت عادی کار خود قرار دارد، امپدانس دیده شده از محل رله امپدانس بار است که از ناحیه عملکردی رله بسیار دور است. با وقوع یک خطا این امپدانس سریعا تغییر می‌کند و تبدیل به امپدانس خطا می‌شود. در نوسان نیز امپدانس در صفحه امپدانسی شروع به تغییر می‌کند اما این تغییرات کند است و به فرکانس نوسان بستگی دارد.
با توجه به تفاوت نرخ تغییرات امپدانس در حین نوسان توان و وقوع خطا، این شاخص می‌تواند برای تشخیص وقوع نوسان به کار گرفته شود.
بدون دیدگاه