برقگیر اکسید روی

برقگیر

برقگیرها با جذب انرژی اضافه ولتاژهای گذرا و تبدیل آن به گرما، موجب محدود شدن سطح اضافه ولتاژها می گردند. گرما ودمای قرصهای برقگیر از عوامل اصلی در کیفیت کارکرد برقگیرها بوده و نقش اصلی در تنش های حرارتی- مکانیکی ، افزایش جریان نشتی و گریز حرارتی دارا می باشد. مدل الکتریکی جهت شبیه سازی دقیق رفتار برقگیر در قبال اضافه ولتاژها ، لحاظ نمودن اثر دما بر روی جریان نشتی و مدل حرارتی انتقال گرمای برقگیر همگی در یک مجموعه منسجم، مدل الکترو-حرارتی برقگیر را ارائه می دهند.

مقاله پیش رو مسایل فوق را بررسی نموده،در ضمن مدل الکتروحرارتی را بر روی یک برقگیر اکسید روی ازنوع مدل پست(Station class surge arrester) از رده انتقال، پیاده سازی می نماید همچنین از مدل مطروحه درشبیه سازی یکی از آزمونهای استاندارد استفاده می گردد.

افزون بر سه دهه از بکارگیری برقگیرهای اکسیدروی در صنعت برق می گذرد.افزایش قابلیت جذب انرژی اضافه ولتاژها به همراه انتقال سریع آن به محیط اطراف از مسایل مهم در توسعه روز افزون بهبود عملکرد برقگیرها می باشد.

ستون قرصهای برقگیر، در حالت عادی شبکه به مثابه ستونی از عایق عمل نموده و تنها جریان نشتی ناچیزی از آن عبور می-نماید، که ضریب دمایی آن منفی می باشد، به این معنا که افزایش دمای قرصها منجر به افزایش دامنه جریان نشتی می-گردد، واین خود گرمایش بیشتر قرصها را در پی دارد. دمای قرصهای برقگیر از عوامل اصلی در کیفیت کارکرد برقگیرها بوده و نقش اصلی در تنش های حرارتی- مکانیکی،افزایش جریان نشتی و گریز حرارتی دارد لذامحاسبه دقیق انرژی الکتریکی ورودی ناشی از تنشهای الکتریکی به منزله توان حرارتی ورودی و چگونگی انتقال حرارت به خارج محفظه در نقش توان خروجی حائز اهمیت می باشد، در این میان تفاوت توان ورودی و توان خروجی برقگیر عامل گرمایش قرصهای برقگیر است.

از حاصلضرب جریان عبوری لحظه ای و ولتاژ دو سربرقگیر، توان لحظه ای ورودی به برقگیر حاصل می شود.در حالت عملکرد برقگیر ،تمامی این توان بطور تقریبی معادل توان تلف شونده در برقگیر است اما درحالت عادی کارکردسیستم،از آنجا که جریان دارای مولفه اهمی وخازنی است توان ورودی شامل توان حقیقی و توان راکتیو است. حرارت ایجاد شده در قرص ها از طریق انتقال حرارت از بدنه برقگیر گذشته و به محیط اطراف منتقل می گردد.

رسانایی حرارتی بدنه برقگیر نقش بسزایی در کاهش دمای داخلی برقگیرها دارد. تلاشهای بسیاری درزمینه مدلسازی الکتریکی-حرارتی برقگیر انجام شده است، تا بتوانند بعضی از عیب ها و بروز حوادث در برقگیرها را توجیه نمایند. عمده این تلاشها در دوروش مدلسازی اجزاء محدودF.E.Mو مدلسازی انتقال حرارت خلاصه می شود. اولی برای مطالعه توزیع دما و میدان الکتریکی جهت تعیین اثر نقطه سوز شدن و سوراخ شدگی برقگیر و محاسبه تنش حرارتی-مکانیکی و روش دوم برای مطالعه رفتار گریز حرارتی مناسب می باشند.

برقگیر
شکل(۱):نمودار مدل الکتریکی–حرارتی برقگیر

در شکل(۱) اصول این روش بصورت نموداری ترسیم شده است. ورودی اولیه همان تنش های ناشی از ولتاژ شبکه و اضافه ولتاژهای حادث بوده که در مرحله بعد در دو بخش مجزا،توان تلفاتی ناشی ازجریان نشتی وگرمایش قرصها به کمک مدل ریاضی وتوان تلفاتی ناشی از اضافه ولتاژها توسط مدل پویا محاسبه می شود. با اعمال توان کل تلفاتی به مدل حرارتی و با توجه به دمای محیط ، دمای قرصهای برقگیر بدست می آید ،که از این دما جهت تعیین میزان جریان نشتی و تعیین امکان ایجاد گریز حرارتی استفاده می شود. درادامه به جزئیات بیشتر هر بخش ساختار فوق م یپردازیم.

مدل الکتریکی پویای دینامیکی(IEEE) برقگیر :

از ویژگی مهم برقگیرهای ZnO ، مشخصه به شدت غیرخطی ولتاژ-جریان بوده،به نحوی که برقگیر در ولتاژ نامی جریانی در حد چند ده میکرو آمپر از خود عبور داده اما در ولتاژ عملکرد برقگیر که معمولا ۲تا ۳ برابر ولتاژ نامی است،جریانی درحد چندین کیلو آمپر عبور می دهد.

ویژگی دیگر آن عملکرد پویا(دینامیکی) مشخصه ولتاژ- جریان است.در نتایج آزمون های عملی مشاهده گردیده است که اولا در زمان عبور ضربه جریان ،قله ولتاژ دو سربرقگیر جلوتر از قله ولتاژ موج ضربه جریان است.به این معنا که ولتاژ سریعتر از جریان به حد بیشینه(ماکزیمم) خود میرسد،ثانیا با کاهش پیشانی موج ضربه جریان ،دامنه ولتاژ قله افزایش می یابد،توضیح بیشتر اینکه اگر بازاء دامنه ثابت ضربه جریان،پیشانی موج ر اکاهش دهیم یا موجهای ضربه جریان سریعتری اعمال کنیم،دامنه قله ولتاژ افزایش بیشتری پیدا می کند.

برقگیر

تحقیقات نشان داده است بازاء یک جریان با دامنه ثابت، تغییر زمان پیشانی موج ازμs 8به ۱/۳ μs منجر به افزایش تقریبی ۶ % ولتاژ در دو سر برقگیر می شود. گروه تحقیقاتی کمیته بررسی حفاظت در برابر اضافه ولتاژ IEEE مدلی را ارائه نموده است که بتواند اثرپویایی(دینامیکی) و غیرخطی برقگیر را بخوبی مدلسازی نماید که این مدل در شکل ( ۲) نمایش داده شده است.دراین مدل بخش غیرخطی با دو قسمت مقاومت غیرخطی Ao وA1 نشان داده شده است که با یک فیلتر پایین گذر R-L ازهم جدا شده اند. این فیلتر در موقع جریانهای با پیشانی تیزتربا اعمال امپدانس بزرگ جریان بیشتری را به سمت Ao هدایت نموده و چون Ao مشخصه ولتاژ-جریان بزرگتری دارد در نهایت منجر به افزایش بیشتر ولتاژ دو سر برقگیر می شود.

برقگیر
شکل(۲): مدل IEEE برقگیر

مدل نهایی الکتروحرارتی :

در شکل(۳) مدل نهایی مورد نظر که در محیط SIMULINK/SimPowerSystem پیاده سازی شده ترسیم گردیده است.

شکل(3): مدل الکترو–حرارتی برقگیر
شکل(۳): مدل الکترو–حرارتی برقگیر

این مدل در برگیرنده منبع ولتاژACبه عنوان اعمال تنش ولتاژ شبکه و منبع تزریق جریان جهت اعمال اضافه ولتاژها و مدل الکتریکی و حرارتی به منظور بررسی رفتار ولتاژ و جریان بر حسب دمای محیط می باشد.

برقگیر

مطابق شکل(۳) در بلوک خاکستری رنگ ۱ جریان ضربه دلخواه توسط تابع ریاضی Fcn وبا دامنه Ipeak تولید شده و در بلوک ۲ منبع ولتاژ سینوسی معادل حداکثر ولتاژ اعمالی از طرف شبکه MCOV ( Operating Voltage (Maximum Continues قرار دارد که هر دو این منابع الکتریکی از طریق دو کلید ۱,۲ Breaker با کمک بلوک تولید سیگنال کنترل کلیدها، Signal Builder که در بلوک ۳ قرار دارند می توانند به مدل الکتریکی برقگیر که دربلوک ۵ قرار دارد اعمال گردند.جریان مدل الکتریکی وافزایش جریان ناشی از گرمایش قرصها که در بلوک ۴ پیاده سازی شده با یکدیگر جمع شده و در ولتاژ لحظه ای دو سر برقگیرضرب می شوند تا توان لحظه ای اعمالی به برقگیر حاصل شود.البته لازم است تا توان حقیقی خالص درنقش توان اتلافی به برقگیرداده شود وتوان لحظه ای شامل توان حقیقی و راکتیو است.در بلوک ۶ از توان لحظه ای در یک پریود انتگرال گرفته می شودتا توان متوسط حقیقی حاصل و به برقگیر اعمال گردد.این توان در نقش یک منبع تزریق جریان به مدل حرارتی واقع در بلوک ۷ اعمال گردیده تا میزان درجه حرارت قرصها بدست آید که ازاین دمای بدست آمده به عنوان سیگنال فیدبکی درجهت محاسبه جریان نشتی حرارتی نیز استفاده می گردد.

نتیجه گیری :

ملاحظه گردید که در موقع برخورد اضافه ولتاژهای گذرا، دمای قرصها به شدت افزایش می یابد که این افزایش ناگهانی دما و اختلاف آن با دمای قسمتهای مجاور منجر به تنش مکانیکی-حرارتی می گردد،به همین دلیل است که در بسیاری از موارد قرصها از سمت لبه و کناره ها دچار شکستگی و خوردشدگی می گردند.

همچنین اضافه ولتاژهای موقت می توانند با گرم کردن تدریجی قرصها شرایط را برای بروز ناپایداری حرارتی و

بدنبال آن گریز حرارتی آماده نمایند. به همین دلیل است که در شبکه هایی که دارای زمین نوسانی و یا احتمال وقوع اضافه ولتاژهای موقت نظیر فرورزنانس دارد ،متخصصین از برقگیرهای با فاصله هوایی استفاده می نمایند که در اصل جریان نشتی ناچیزی تا قبل از عمل نمودن از خود عبور می دهند.

مدل الکترو-حرارتی طرح شده در این بخش در واقع برای انجام کارهای مطالعاتی و پژوهشی و بررسی رفتار کیفی حرارتی برقگیر مفید می باشد که البته در اینجا به جهت اجتناب از تفصیل و خارج از حوصله شدن از موارد مختلفی صرفنظر ویا تقریب هایی انجام شده است. بعنوان مثال از تغییر ظرفیت حرارتی قرصها با دما ویا مدل نمودن اثر اتصالات فلزی در بالا و پایین برقگیر و غیره خودداری شده است، و هدف بررسی ابعاد مختلف مدل الکترو-حرارتی و کاربردهای آن بوده است.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.