Name: Protection of wind energy systems against the indirect effects of lightning
SKU: g341
Availability: InStock

توضیحات

Protection of wind energy systems against the indirect effects of lightning

حفاظت نیروگاه های بادی از اضافه ولتاژ صاعقه

شبیه سازی با نرم افزار EMTP انجام شده است.

فهرست مطالب

عنوان … صفحه

فصل 1 4

1-1- اضافه ولتاژ صاعقه در نیروگاه های بادی 5

1-2- تخمین انتشار صاعقه 7

1-3- سیستم های محافظت کننده 9

1-4- حفاظت مستقیم پره ی توربین بادی 10

1-5- حفاظت غیر مستقیم 12

1-6- تعدیل کننده های اضافه ولتاژ 13

1-6-1- منبع جریان صاعقه 14

1-6-2- ساختار توربین بادی در مقابل اضافه ولتاژ صاعقه 15

1-6-3- الکترود زمین 15

مقدمه

تولید توان الکتریکی از توان باد

در ابتدا باید دو اصطلاح را در تولید برق شرح داد؛ عامل کارایی و عامل گنجایش.

عامل کارایی به این موضوع بر می‌گردد که چقدر می‌توان انرژی مفید (در این مورد، برق) از منبع انرژی کسب کرد.

یک ماشین انرژی صد درصد کارا، می‌تواند تمام انرژی را به انرژی مفید تبدیل کند و هیچ انرژی را هدر نمی‌دهد.

هیچ ماشین با کارایی یا بهره وری صد درصد وجود ندارد.

بعضی انرژی‌ها همیشه وقتی که شکلی از انرژی به شکل دیگر تبدیل می‌شود، از دست می‌روند.

انرژی هدر رفته معمولاً به شکل گرمای پراکنده شده در هوا است و نمی‌توان از آن بهرة اقتصادی مجدد برد.

ماشین های بادی تنها به اندازة دستگاه های دیگر مانند دستگاه های زغال بهره وری دارند.

ماشین‌های بادی 30 تا 40 درصد انرژی متحرک باد را به برق تبدیل می‌کند، یک دستگاه مولد نیروی زغال سوز، حدود 30 تا 35 درصد انرژی شیمیایی زغال را به الکتریسیته ی قابل استفاده تبدیل می‌کند.

واژة گنجایش، به توانایی دستگاه نیرو در تولید برق بر می‌گردد.

یک دستگاه نیرو با گنجایش صد درصد، تمام روز و هر روز هفته با تمام نیرو کار می‌کند.

در چنین شرایطی هیچ وقتی برای تعمیر یا سوخت گیری صرف نمی‌شود، که این چنین چیزی طبق قانون دوم ترمودینامیک برای هر دستگاهی غیرممکن است.

مشخصاً دستگاه های زغالی اگر تمام روزهای سال و به طور شبانه روزی کار کنند، دارای ظرفیت 75 درصد خواهند بود.

دستگاههای نیروی باد متفاوت از دستگاه های مولد نیروی سوخت سوز هستند.

بهره‌وری آنها به میزان و سرعت باد بستگی دارد.

بنابراین ماشین‌های بادی نمی‌توانند در طول سال به طور 24 ساعت کار کنند.

یک توربین بادی در یک مزرعهی بادی شاخص معمولا 65 تا 80 درصد شبانه روز کار می‌کند، اما این مقدار معمولاً کمتر از گنجایش کامل خود است، زیرا سرعت باد همیشه در بیشترین مقدار خود نیست.

بنابراین عامل گنجایش حدود 30 تا 35 درصد بازده کل تعریف می شود.

حتی اگر در علم اقتصاد نیز بخش عظیمی از گنجایش را داشته باشند، این امر خود اقتصادی نیست، زیرا تصمیم در این مورد براساس خروجی الکتریسیته در هر دلار، سرمایه‌گذاری به حساب می آید.

یک ماشین بادی می‌تواند 5/1 تا 4 میلیون کیلو وات ساعت (kWh) برق در سال تولید کند.

این میزان برق برای 150 تا 400 خانه در سال کافی ا‌ست.

مثلا در کشور امریکا، ماشین های بادی 10 میلیارد کیلو وات ساعت انرژی در سال تولید می کنند.

انرژی بادی حدود 1/0 درصد برق ملت را که مقدار کمی هست، تأمین می‌کند.

این میزان برق برای کارهای خانگی یک میلیون خانه که به اندازة شهرهای شیکاگو و ایلی نویز است، کافی‌ می باشد.

کالیفرنیا بیشترین برق بادی را نسبت به سایر ایالت‌ها تولید می‌کند و تگزاس، منیسوتا و آیوا بعد از آن قرار دارند، 1300 ماشین بادی موجود بیشتر از یک درصد برق کالیفرنیا را که حدود نصف میزان برق تولیدی در یک دستگاه نیروی هسته‌ای می باشد، تولید می‌کنند [3] .

در سه سال گذشته گنجایش باد کل جهان بیش از دو برابر شده است.

متخصصان انتظار دارند در چند سال بعد، تولید انرژی از ماشین های بادی، سه برابر شود.

هند و بسیاری از کشورهای اروپایی در حال برنامه‌ریزی برای تأسیس صنایع بادی جدید هستند.

بسیاری از طرحهای جدید باد به علت عدم کنترل قانونی صنعت برق به تعویق درآورند.

شرکت‌های خدماتی رفاهی و اجتماعی اطمینان نداشتند که چقدر عدم کنترل^[1] روی تکنولوژی‌های جدید تأثیر می‌گذارد.

با این وجود سرمایه گذاری روی انرژی بادی به علت هزینة کم و تکنولوژی در حال پیشرفتش، در حال افزایش است.

باد در حال حاضر یکی از رقابتی‌ترین منابع برای تولید است.

نشانه ی امیدوار کننده ی دیگر برای صنعت بادی تقاضای مصرف کننده برای انرژی‌های سبز است.

بسیاری از شرکت‌های خدماتی به تازگی به مصرف کنندگان اجازه داده که به طور داوطلبانه برای برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر پول بیشتری بدهند.

صنعت بادی برای برگشت به حالت تعویق یا موازنه درآمده است.

یک برآورد کلی این گونه می‌گوید که ۷۲ تراوات (TW) انرژی باد بر روی زمین وجود دارد که پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی را دارد و این مقدار قابل ترقی نیز هست[2] .

آموزش اضافه کردن تولباکس در متلب

توان پتانسیل توربین

انرژی موجود در باد را می‌توان با عبور آن از داخل پره‌های و سپس انتقال گشتاور پره‌ها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد.

در این حالت میزان توان تبدیلی با تراکم باد، مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد.

به این ترتیب میزان توان قابل تبدیل در باد را می‌توان به این ترتیب به دست آورد[4] :

که در این فرمول P توان تبدیلی به وات، α ضریب بهره‌وری^[2] (که به طراحی توربین وابسته‌است)، ρ تراکم باد^[3] بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب، r شعاع پره‌های توربین برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر بر ثانیه ‌است.

زمانی که توربین انرژی باد را می‌گیرد سرعت باد کم خواهد شد که این خود باعث جدا شدن باد می‌شود.

آلبرت بتز^[4] فیزیکدان آلمانی در ۱۹۱۹ اثبات کرد که یک توربین حداکثر می‌تواند ۵۹ درصد از انرژی بادی را که در مسیر آن می‌وزد، استخراج کند و به این ترتیب α در معادله بالا هرگز بیشتر از 59/0 نخواهد شد.[4]

از ترکیب این قانون با معادله بالا می‌توان اینگونه نتیجه گرفت:

حجم هوایی که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور می‌کند، به میزان سرعت باد و چگالی هوا وابسته ‌است. برای مثال در روزی سرد با دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد (۵۹ درجه فارنهایت) در سطح دریا، چگالی هوا برابر 225/1 کیلوگرم بر متر مکعب است. در این حالت عبور بادی با سرعت ۸ متر بر ثانیه در روتوری به شعاع ۱۰۰ متر تقریباً موجب عبور 77000 کیلوگرم باد در منطقه جاروب شده توسط پره‌ها خواهد شد.
انرژی جنبشی حجم مشخصی هوا به مجذور سرعت آن وابسته‌است و از آنجایی که حجم هوای عبور از توربین به صورت خطی با سرعت رابطه دارد، میزان توان قابل دسترسی در یک توربین با مکعب سرعت نسبت مستقیم دارد. مجموع توان در مثال بالا در توربینی با شعاع جاروب ۱۰۰ متر برابر 5/2 مگاوات است که بر طبق قانون بتز بیشترین میزان انرژی استخراج شده از آن تقریباً برابر 5/1 مگاوات خواهد بود.

توزیع سرعت باد

میزان باد دائماً تغییر می‌کند.

مقدار متوسط مشخص شده برای یک منطقهی خاص صرفاً نمی‌تواند میزان تولید توریبن بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کند.

برای مشخص کردن فراوانی سرعت باد در یک منطقه معمولاً از یک ضریب توزیع^[5] در اطلاعات جمع‌آوری شده مربوط به منطقه استفاده می‌کنند.

مناطق مختلف دارای مشخصه توزیع سرعت متفاوتی هستند.

مدل رایلی^[6] به طور دقیقی میزان ضریب توزیع سرعت در بسیاری مناطق را منعکس می‌کند.

از آنجایی که بیشتر توان تولیدی در سرعت بالای باد تولید می‌شود، بیشتر انرژی تولیدی در بازه‌های زمانی کوتاه تولید می‌شود.

بر طبق الگوی لی رنچ^[7] نیمی از انرژی تولیدی تنها در ۱۵٪ از زمان کارکرد توربین تولید می‌شود، و در نتیجه نیروگاه‌های بادی مانند نیروگاه‌های سوختی دارای تولید انرژی پایداری نیستند.

تاسیساتی که از برق بادی استفاده می‌کنند، باید از ژنراتورهای پشتیبانی برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند[5] .

Study on Transient Recovery Voltages for Transformer-Limited Faults

ضریب ظرفیت^[8]

تا زمانی که سرعت باد ثابت نباشد تولید سالیانه انرژی الکتریکی توسط نیروگاه بادی هرگز برابر حاصل ضرب توان تولیدی نامی در مجموع ساعت کار آن در یک سال نخواهد شد.

نسبت میزان توان حقیقی تولید شده توسط نیروگاه به ماکزیمم ظرفیت تولیدی نیروگاه را ضریب ظرفیت می‌نامند[2].

یک نیروگاه بادی نصب شده در یک محل مناسب در ساحل ضریب ظرفیتی سالیانه‌ای در حدود ٪۳۵ دارد.

برعکس نیروگاه‌های سوختی ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته ‌است.

ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه‌ها معمولاً به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد.

از آنجایی که نیروگاه‌های هسته‌ای دارای هزینه سوخت نسبتاً پایینی هستند، بنابراین محدویت‌های مربوط به تامین سوخت این نیروگاه‌ها نسبتاً پایین است که این خود ضریب ظرفیت این نیروگاه‌ها را به حدود ٪۹۰ می‌رساند.

نیروگاه‌هایی که از توربین‌های گاز طبیعی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند به علت پر هزینه بودن تامین سوخت معمولاً تنها در زمان اوج مصرف به تولید می‌پردازند.

به همین دلیل ضریب ظرفیت این توربین‌ها پایین بوده و معمولاً بین %۵-%۲۵ می‌باشد[5].

بهره‌برداری از نیروگاه های بادی

در جهان هزاران توربین بادی در حال بهره‌برداری وجود دارد که ظرفیت تولیدی آنها به 90473 مگاوات می‌رسد و در این میان اتحادیه اروپا ٪۶۵ از کل توان بادی جهان را تولید می‌کند.

تولید برق بادی در میان دیگر روش‌های تولید انرژی الکتریکی دارای بیشتری شتاب رشد در قرن ۲۱ بوده‌است به طوری که تولید توان بادی جهان در بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۶ چهار برابر شده‌است.

در دانمارک و اسپانیا برق بادی حدود ٪۱۰ یا بیشتر ازکل تولید انرژی الکتریکی را تشکیل می‌دهد.

گرچه ٪۸۱ از توان بادی تولید شده در جهان به ایالات متحده و اتحادیه اروپا تعلق دارد اما سهم پنج کشور اول تولید کننده برق بادی از ٪۷۱ در سال ۲۰۰۴ به ٪۵۵ در سال ۲۰۰۵ کاهش یافته ‌است[2].

از جمله کشورهایی که سرمایه گذاری زیادی در این زمینه انجام داده‌اند می‌توان به آلمان, اسپانیا, ایالات متحده, هند و دانمارک اشاره کرد.

کشور دانمارک یکی از کشورهای برجسته در تولید تجهیزات و استفاده از توان بادی است.

دولت دانمارک در دهه ۱۹۷۰ ملزم شد تا تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد را به ٪۵۰ کل تولید برق برساند و تا به امروز برق بادی ٪۲۰ (بیشترین میزان تولید برق بادی از نظر درصد تولید) از کل تولید انرژی الکتریکی در این کشور را تشکیل می‌دهد؛ این کشور هچنین پنجمین تولید کننده بزرگ برق بادی محسوب می‌شود (در حالی که دانمارک از نظر میزان مصرف در جهان رتبه ۵۶ را دراست).

آلمان و دانمارک دو کشور پیشتاز در زمینه صادرات توربین‌های بزرگ (66/0 تا ۵ مگاوات) به حساب می‌آیند.

آلمان یکی از کشورهای پیشتاز در زمینه تولید برق بادی بوده‌است، به طوری که در سال ۲۰۰۶ این کشور ٪۲۸ از کل توان بادی تولید شده در جهان (٪3/7 در آلمان) را به خود اختصاص داده‌است.

این در حالی است که آلمان برنامه دارد تا سال ۲۰۱۰ ٪5/12 از کل توان تولیدی خود را از منابع تجدیدپذیر تامین نماید.

کشور آلمان دارای حدود ۱۸۶۰۰ توربین بادی است که بیشتر آنها در شمال آلمان نصب شده‌اند که در این میان سه توربین از بزرگترین توربین‌های جهان نیز وجود دارند.

در سال ۲۰۰۵ دولت اسپانیا قانونی را تصویب کرد که بر طبق آن نصب ۲۰۰۰۰ مگاوات ظرفیت بادی تا سال ۲۰۱۲ در برنامه دولت قرار گرفت.

البته در سال ۲۰۰۶ یارانه‌ها و پشتیبانی دولت از ساخت این ظرفیت‌ها به ناگهان قطع شد.

قابل ذکر است که در سال ۲۰۰۵ در هر دو کشور آلمان و اسپانیا، تولید انرژی الکتریکی از راه استفاده از نیروگاه‌های بادی از تولید انرژی الکتریکی به وسیله نیروگاه‌های برق آبی بیشتر بوده است.

در سال‌های اخیر، کشور ایالات متحده از هر کشور دیگری بیشتر توربین بادی به شبکه برق خود افزوده‌است.

تولید برق بادی در ایالات متحده در بازه زمانی بین فوریه ۲۰۰۶ تا فوریه ۲۰۰۷ ٪8/31 رشد را نشان می‌دهد.

ایالت تگزاس با پیشی گرفتن از کالیفرنیا اکنون بیشترین تولید برق بادی را دربین ایالت‌های مختلف این کشور دارد.

تگزاس در سال ۲۰۰۹ نزدیک به ٪۱۷ برق خود را از باد بدست آورد، و تگزاس اکنون بزرگترین مزرعه بادی جهان را با ۷۸۲ مگاوات ظرفیت در روستایی بنام راسکو در اختیار دارد[2].

توربین‌ها بادی برای راه‌اندازی و بهره‌برداری نیاز به هیچ گونه سوختی ندارند و در قبال تولید انرژی الکتریکی، آلودگی مستقیمی ایجاد نمی‌کنند. بهره‌برداری از این توربین‌ها دی‌اکسید کربن, دی‌اکسید گوگرد, جیوه، ذرات معلق یا هیچ گونه عامل آلوده کنندهی هوا تولید نمی‌کند.

اما توربین‌ها بادی در مراحل ساخت از منابع مختلفی استفاده می‌کنند.

در طول ساخت نیروگاه‌های بادی باید از موادی مانند فولاد, بتن, آلمینیوم و… استفاده کرد که تولید و انتقال آنها نیازمند مصرف انواع سوخت‌ها می باشد.

دی‌اکسید کربن تولید شده در این مراحل پس از حدود ۹ ماه کار کردن نیروگاه جبران خواهد شد.

نیروگاه‌های سوخت فسیلی که برای تنظیم برق تولیدی در نیروگاه‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند، موجب ایجاد آلودگی خواهند شد.

بعضی از اوقات به این نکته اشاره می‌شود که نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند میزان دی‌اکسید کربن تولیدی را کاهش دهند، چراکه برق تولیدی از طریق نیروگاه بادی به دلیل نامنظم بودن، همیشه باید به وسیله یک نیروگاه سوخت فسیلی پشتیبانی شود.

نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند به طور کامل جایگزین نیروگاه‌های سوخت فسیلی شوند.

اما با تولید انرژی الکتریکی مبنای تولیدی نیروگاه‌های حرارتی را کاهش داده و از تولید آنها می‌کاهند، که به این ترتیب میزان انتشار دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد.

برخلاف نیروگاه‌های هسته‌ای و نیروگاه‌های سوخت فسیلی که مقدار زیادی آب را برای خنک کردن منتشر می‌کنند، نیروگاه‌های بادی نیازی به آب برای تولید انرژی الکتریکی ندارند.

درباره نشت روغن یا آب سیالی که در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد حوادث متعددی گزارش شده.

در برخی موارد سیال وارد آب شرب مناطق اطراف نیز می‌شود که خسارت‌هایی را بر جای خواهد گذاشت.

این سیال‌های معمولاً در اثر حرکت در پره توربین موادی را در خود حل کرده و سپس در محیط پراکنده می‌کنند.

اکنون در جدول (1-1) زیر می توان کاربرد های توربین بادی را با ظرفیت های مختلف مشاهده نمود[4].

کاربرد های توربین بادی را با ظرفیت های مختلف

اندازه ی توربین های بادی	نوع توربین	انرژی برق تولید شده
< 1 kW	سیستم های کوچک	< 1 kW
1 – 50 kW	سیستم های بادی و آبی خانگی	1 – 100 kW
100 kW – 1 MW	تولید کنندگان غیر متمرکز	100 kW – 10 MW
>500 kW	نیروگاه های بادی روی زمین	10 MW – 100 MW
>2 MW	نیروگاه های بادی روی دریا	>100 MW

[ محدودیت‌های بهره برداری از نیروگاه بادی

میزان انرژی الکتریکی تولیدی توسط نیروگاه‌های بادی می‌تواند به شدت به چهار مقیاس زمانی، ساعت به ساعت، روزانه و فصلی وابسته باشد.

این میزان به تحولات آب و هوایی سالیانه نیز وابسته ‌است، اما تغییرات در این مقیاس زیاد محسوس نیستند.

از آنجایی که برای ایجاد ثبات در شبکه، میزان انرژی الکتریکی تامین شده و میزان مصرف باید در تعادل باشند، از این جهت تغییرات دائم در میزان تولید این ضرورت را به وجود می‌آورد که از تعداد بیشتری نیروگاه بادی برای تولیدی متعادل‌تر در شبکه استفاده شود.

از طرفی ادواری بودن طبیعی تولید انرژی باد موجب افزایش هزینه‌های تنظیم و راه اندازی می‌شود و (در سطوح بالا) ممکن است نیازمند اصول مدیریت تقاضای انرژی یا ذخیره‌سازی انرژی باشد.

از ذخیره‌سازی با استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای یا دیگر روش‌ها ذخیره سازی برق در شبکه می‌توانند برای به وجود آوردن تعادل در میزان تولید نیروگاه‌های بادی استفاده کرد، اما در مقابل استفاده از این روش‌ها موجب افزایش ٪۲۵ هزینه‌های دائم اجرای چنین طرح‌هایی می‌شوند.

ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی موجب به وجود آمدن تعادل بین دو بازه زمانی کم مصرف و پر مصرف خواهد شد و از این جهت میزان صرفه‌جویی، عاید از ذخیره‌سازی انرژی هزینه‌های اجرای آن را جبران می‌کند.

یکی دیگر از راهکارهای ایجاد تعادل در تولید و مصرف، سازگار کردن میزان مصرف با میزان تولید با استفاده از ایجاد تعرفه‌های متفاوت زمانی برای مصرف‌کننده‌هاست [3].

اهمیت حفاظت از اضافه ولتاژ ها در نیروگاه های بادی

تاکنون اضافه ولتاژ های پدید آمده در شبکه ی قدرت نیروگاه بادی کمتر مورد توجه بودند و به دلیل اینکه فرض می شد که دامنه ی آنها محدود است، مطالعات کمی در این زمینه صورت گرفته است.

اما با گذشت زمان و پیشرفت دانش، ثابت شده است که برخلاف این نظر، دامنه ی بزرگ اضافه ولتاژ ها در نیروگاه بادی می تواند به عنوان یک تهدید جدی و خطرناک در عایق بندی داخلی تجهیزات، شناخته شود.

حال باید توجه داشت که دامنه ی اضافه ولتاژ ها در شبکه های توزیع به حدود 2 تا 5/2 پریونیت با فرکانس 50 هرتز می رسد.

به همین دلیل نیز درصد حوادث روی داده ناشی از اضافه ولتاژ ها و اختلال در عایق بندی در مقایسه با درصد حوادث مشابه در شبکه های انتقال، در صورت رعایت دستورالعمل ها و پیش بینی های استاندارد ناچیز می باشد.

با این همه، تاثیر اضافه ولتاژ ها در عمر و استقامت عایقی سایر تجهیزات نیروگاه بادی را نیز می توان در ردیف اضافه ولتاژ های بدخیم نظیر اضافه ولتاژ های خطوط انتقال در نظر گرفت.

در کلیه ی مطالعات انجام شده، تاکید عمده بر اضافه ولتاژ های ناشی از قطع و وصل کلید ها و بروز قوس های طولی و عرضی در شبکه و تاثیر آنها بر کاهش عمر عایق بندی تجهیزات فشار قوی شبکه و بروز حوادث، بسیار مداوم بوده است.

در مورد اضافه ولتاژ های موقت با فرکانس 50 هرتز و اضافه ولتاژ های موجی و تخلیهی جوی (که در ادامه با جزییات بیان خواهند شد)، دستورالعمل ها و مقررات خاص به منظور انتخاب سطح استقامت عایقی و مشخصات مناسب تجهیزات موجود به کار برده می شود و وظیفه و مسئولیت طراحان و سازندگان از یک طرف و بخش بهره برداری از طرف دیگر، از جمله روش های کاهش دامنه ی اضافه ولتاژ ها و هم آهنگ بودن سطح عایقی با آنها و … روشن و مشخص می باشد.

در عوض در قبال اضافه ولتاژ ناشی از قطع و وصل کلید ها، باز شدن هادی های ارتباطی، jumper ها و خطا های اتصال به زمین که همراه با قوس^[9] می باشند، هیچ گونه توصیه و دستورالعمل مشخصی در استاندارد ها ارائه نشده است.

لذا هر گونه عدم کنترل در دامنه و مشخصات این نوع اضافه ولتاژ ها، به طور مستقیم عمر و دوام عایق بندی تجهیزات شبکه را تهدید می نماید و باعث بروز عیب و صدمه ی غیر عادی و قابل توجه به آنها می گردد.

بنابراین اضافه ولتاژ ها نقش تخریبی بسیار مهمی در قابلیت اطمینان شبکه و سلامت مردم ایفا می کنند که باید به درستی و با استفاده از روش های صحیح از وقوع آن ها جلوگیری به عمل آورد.

از این نظر، در این سمینار تاکید عمده معطوف به اضافه ولتاژ های موجی ناشی از قطع و وصل گذرا و تاثیر آنها بر عمر استقامت عایقی ترانسفورماتور ها، توربین های بادی، ژنراتور ها، کلید های قدرت و … بوده است[4].

مطالعات به هم پیوستگی سیستم قدرت از آن جهت حائز اهمیت است که از تامین بخشی از نیاز های شبکه توسط نیروگاه های بادی اطمینان حاصل گردد.

این مطالعات معمولا شامل پخش بار، بررسی خطا ها، کلید زنی، کنترل توان راکتیو و … می باشد.

این بررسی ها اطلاعاتی درباره ی ریسک های اعمالی ناشی از اضافه ولتاژ های موقت و گذرا بر اجزای نیروگاه های بادی در اختیار ما قرار می دهد.

برای طراحی یک نیروگاه بادی قابل اعتماد و مناسب، بررسی ماکزیمم مقدار و مشتق (گرادیان) بر حسب زمان اضافه ولتاژ ها با دقت کافی امری مهم و ضروری به نظر می رسد.

برخی از بهربردار های شبکه اهداف دقیقی را به منظور مطالعه ی دامنه و مدت زمان مجاز اضافه ولتاژ های موقت دنبال می کنند.

حال برای برآورده کردن آن اهداف، بررسی حالات گذرایی که در آنها اضافه ولتاژ های موقت و خطرناکی به وقوع می پیوندد، لازم و حیاتی است.

اجزای مختلف نیروگاه بادی مانند ترانسفورماتورها و ماشین های الکتریکی و … در محدوده های فرکانسی مختلف، رفتار های غیر یکسانی را از خود نشان می دهند.

برای مثال رفتار غالب یک سیم پیچ این گونه است که در فرکانس های پایین خاصیت سلفی و در فرکانس های بالا، خاصیت خازنی از خود نشان می دهد.

مقاومت کابل ها نیز بر اثر افزایش فرکانس، طبق اثر پوستی افزایش می یابد و اثر میرا کنندگی به وجود می آورد.

همچنین در مورد کلید های خلا و SF₆، در نظر گرفتن اثر سیستم بر عملکرد آنها (نوع اغتشاشی که منجر به پاسخ کلید ها می شوند) و همچنین اثر آنها بر سیستم مانند مقاومت خود کلید و یا خازن موازی شده با کلید، امری ضروری به نظر می رسد.

در این میان باید این نکته را نیز مد نظر قرار داد که ابزار های شبیه سازی حالات گذرای الکترو مغناطیسی، دقت کافی را در مدل کردن اجزای اصلی شبکه ی قدرت نیروگاه بادی در محدوده های فرکانسی لازم ندارند، لذا در برخی موارد استفاده از مدل تعریف شده به وسیله ی کاربر می تواند در بالا بردن دقت شبکه برای لحاظ کردن مدار معادل اجزا، نقشی تاثیر گذار ایفا کند.

با این تفاسیر، در طراحی، برنامه ریزی و ساخت تجهیزات نیروگاه بادی و نیروگاه های سنتی تفاوت هایی وجود دارد.

به عنوان مثال بعضی از تفاوت هایی که در نیروگاه های بادی بیشتر مورد توجه است عبارتند از:

استفاده ی گسترده از انواع کابل ها
استفاده ی بسیار زیاد از کلید های خلا در شبکه ی قدرت نیروگاه بادی
قطع و وصل مداوم کلید های خلا و SF₆ در شبکه ی قدرت نیروگاه بادی
عدم استفاده از ژنراتور های مرسوم و سنتی
عدم استفاده از ترانسفورماتور با عایق نوع خشک

این تفاوت ها بیشتر در رفتار گذرایی که معمولا در نیروگاه های معمولی دیده نشده اند، در نیروگاه های بادی خود را نشان می دهند.

به طور معمول با توجه به بر هم کنش فرکانس بالای دو یا چند جزء در سیستم قدرت ، ممکن است نمونه ای از یک حالت گذا را وجود آورد که منجر به استرس عایقی شدید و در نتیجه شکست عایقی در سایر اجزا گردد.

لذا باید به این نکته توجه داشت که یک جزء که در یک سیستم به خوبی کار می کند، اگر در سیستم دیگری نصب شود ممکن است باعث به وجود آمدن اضافه ولتاژ های خطرناکی در شبکه گردد.

این موضوع نشان می دهد که در هر سیستمی باید مدل مجرایی از اجزا را در نظر گرفت و وجود یک مدل مجتع با کاربرد در محدوده ی فرکانسی وسیع و مورد نیاز، دقت لازم برای شبیه سازی تک تک عناصر استفاده شده در نیروگاه بادی را افزایش می دهد.

چنین مدل جامع و مجتمعی امکان بحث و تحلیل را درباره موضوعاتی که بتوانند از استرس زیاد وارد شده به قسمت های عایقی سیستم جلوگیری نمایند، ساده تر می نماید.

معرفی صاعقه و تاثیرات مخرب آن

اضافه ولتاژ صاعقه^[10] در نیروگاه های بادی

منابع تجدید پذیر، مخصوصا انرژی باد به طور گسترده به عنوان ابزاری برای کاهش آلودگی هوا به کار گرفته می شوند.

لذا انتظار می رود انرژی باد به عنوان بخش مهمی از انرژی مورد نیاز در آینده ظاهر گردد و با توجه به هزینه ی انرژی های فسیلی متداول، سهم منابع انرژی تجدید پذیر در ترکیب کلی تولید به میزان قابل توجهی افزایش یابد.

هرچه تولید توان بادی افزایش می یابد، خسارات اضافه ولتاژ های ناشی از صاعقه نیز با دقت بیشتری مورد توجه قرار می گیرد [1].

صاعقه در حقیقت یک پدیده ی طبیعی شگفت انگیز است که در عین زیبایی، می تواند بسیار خطر آفرین باشد.

در این بخش به بررسی آن دسته از مشکلات اضافه ولتاژ های ناشی از صاعقه در نیروگاه های بادی می پردازیم که معمولا در تجهیزات دیگر دیده نمی شود، از جمله اینکه :

توربین های بادی ساختاری با ارتفاع بلند حدود 150 متری دارند؛
توربین های بادی معمولا در مکان هایی نصب می شوند که بسیار در معرض برخورد صاعقه هستند؛
تجهیزات توربین بادی که بیشترین نرخ برخورد صاعقه را دارند مانند پره ها و ناسل، اغلب از مواد کامپوزیتی ساخته می شوند که قادر به تحمل مستقیم صاعقه و یا هدایت جریان آن نمی باشند؛
جریان صاعقه باید از طریق سازه ی توربین بادی به زمین هدایت شود که به موجب آن در عمل، بخش قابل توجهی از جریان صاعقه از طریق تجهیزات توربین بادی یا از نزدیکی آن عبور می کند؛
در مزارع بادی، توربین های بادی از نظر الکتریکی به هم متصل هستند و بیشتر در مکان هایی با مقاومت زمین بالا (زمین های محکم و صخره ای و خشک) نصب می گردند[1].

هنگامی که صاعقه به یک سیستم انرژی بادی فاقد میرا کننده های اضافه ولتاژ برخورد کند، خسارات شدیدی را بر جای می گذارد.

شکل (1-1) یک توربین بادی آسیب دیده بر اثر صاعقه را نشان می دهد.

توربین های بادی جدید، نه تنها با ارتفاع بیشتر، بلکه با حضور فزایندهی سیستم کنترل و پردازش الکترونیکی نیز مشخص می گردند.

لذا با این وجود، محافظت از تجهیزات نیروگاه بادی در مقابل اضافه ولتاژ های صاعقه، امری چالش برانگیز تلقی می شود.

توسعه ی آتی تولید توان بادی و ساخت مزارع بادی بیشتر، بحث جدی در زمینه ی تعدیل کننده های اضافه ولتاژ و طراحی عایقی چنین تاسیساتی را ایجاب می کند.

در ادامه و با کمک ابزار شبیه سازی EMTP، این مطالعات به پیش برده خواهد شد[2].

توربین آسیب دیده بر اثر صاعقه[4]

ضربات مستقیم و غیر مستقیم صاعقه می تواند خساراتی روی سیستم های الکتریکی و الکترونیکی و همچنین اجزای مکانیکی از قبیل پره ها و یاتاقان ها وارد نماید.

حوادث در مدار های ولتاژ پایین، تنها با برخورد مستقیم صاعقه اتفاق نمی افتد، بلکه بر اثر ولتاژ القایی صاعقه و انتشار امراج برگشتی حول مزارع مجاور، بلافاصله پس از اصابت صاعقه به ژنراتور بادی دیگر نیز رخ می دهد.

بنابراین وجود یک سیستم موثر که همه ی تجهیزات را در مقابل اضافه ولتاژ ها محافظت کند و همچنین نه تنها در مقابل اثرات مستقیم صاعقه، بلکه در مقابل آثار غیر مستقیم آن مقاوم و از طراحی عایقی مناسبی برخورداد باشد، امری مهم و حیاتی است.

در این بخش، خسارات احتمالی ناشی از اضافه ولتاژ های گذرا که با برخورد مستقیم و غیر مستقیم صاعقه به وجود می آیند، به طور مفصل مطالعه می شود.

لذا در ادامه روش های حفاظت از پره های توربین بادی که از آسیب های مستقیم به توربین بادی و ژنراتور جلوگیری می کند، ارزیابی می شود.

سپس مطالعات خاصی را برای یک توربین بادی و یک ترانسفورماتور متصل به آن ارائه می گردد و فرض می شود که صاعقه به خاک مجاور برج و در فاصله ای که اتصال گالوانیکی از طریق الکترود زمین اتفاق می افتد، برخورد کند.

پس از آن در ادامه روابط تخمین انتشار صاعقه بررسی می گردد و به ارزیابی روش های حفاظت از پره ها برای آسیب های مستقیم و غیر مستقیم پرداخته می شود.

تخمین انتشار صاعقه

تخمین انتشار صاعقه را می توان از اطلاعات جمع آوری شدهی ناشی از رخداد های صاعقه در سال های پیشین به دست آورد و یا از مجموع روابط ذیل (برای مکان های جدید نصب توربین که اطلاعاتی از بروز صاعقه در دسترس نیست) انتشار صاعقه ی رو به بالا^[11] و رو به پایین^[12] در توربین های بلند، به شرح زیر قابل محاسبه اند [2]:

که زیرنویس های u و d به ترتیب نشان دهنده ی صاعقه ی روبه بالا و صاعقه ی روبه پایین می باشند.

مقادیر a و b مقادیر نسبی از برخورد های رو به بالا و رو به پایین می باشد که شرط

الزامی است. مجموع سالانه برخورد هر دو نوع اصابت برابر N می باشد که برابر تعداد کل تمام برخورد ها در سال است.

این مقدار برای کشور های متفاوت از فرمول زیر محاسبه می گردد:…

بر حسب برابر متوسط تراکم سالانه ی برخورد صاعقه با زمین است و می توان با استفاده از رابطه ی تقریبی زیر، آن را تخمین زد.

…

که تعداد روز های سال است که در آن ها صاعقه به وقوع پیوسته است.

مقادیر p و q را معمولا به ترتیب 04/0 و 25/1 در نظر می گیرند. بر حسب متر، ارتفاع موثر توربین بادی می باشد که بسته به مقادیر ناهمواری های زمین باید محاسبه گردد. می توان از رابطه ی

…

که بیشترین ارتفاع توربین بادی تا سطح زمین است، مقدار را تخمین زد.

فاکتور طبیعیای است که در محدوده ی قرار می گیرد و از تعداد برخورد صاعقه در مناطق مستعد (دریاها) یا در زمستان حاصل می شود.

بر حسب متر مربع، متوسط مساحت منطقه ی برخورد صاعقه در زمین های صاف است که به صورت یک بخش تقریبا دایره ای شکل و با رابطه ی زیر محاسبه می گردد:

…

سیستم های محافظت کننده

به طور کلی، سیستم حافظت از صاعقه از سه بخش عمده شامل گیرنده ی صاعقه، هدایت کننده ی رو به پایین صاعقه و المان زمین می باشد.

این المان های باید رسانایی الکتریکی را به خوبی انجام دهند تا بتوانند به طور ایمن صاعقه را به زمین انتقال دهند که این موضوع مربوط به سیستم های زمین توربین بادی می باشدو اولین راهبرد در سال 2002 به عنوان یک گزارش فنی انتشار یافت [3] و پس از یک سری اصلاحات و اطلاعات جامع در زمینه ی تست های آزمایشگاهی ولتاژ و جریان بالا، یک استاندارد در سال 2010 منتشر شد.

استاندارد منتشر شده راهبرد هایی را برای حفاظت صاعقه در همه ی اجزای یک توربین بادی ارائه می دهد، اما تمرکز اصلی بر روی پره های توربین می باشد.

به این دلیل که پره ها به عنوان مرتفع ترین نقاط توربین مشغول به کار هستند و اصابت صاعقه به آنها محتمل تر می باشد.

در اغلب موارد، صاعقه در مقایسه با سایر اجزا به پره های آن اصابت می کند.

به علاوه پره ها در زمینه ی حفاظت از صاعقه، یکی از اجزای بسیار مهم به شمار می آیند.

به طور کلی هدف اصلی از این کار عبارتند از [2]:

فراهم کردن شرایط یک برخورد موفقیت آمیز صاعقه به نقاطی نظیر گیرنده های صاعقه که روی پره ها نصب شده اند؛
سهولت بخشیدن به عبور جریان صاعقه به زمین از طریق هدایت کننده های نصب شده؛
به کارگیری سیستم های زمین برای توربین بادی به منظور حداقل سازی امپدانس زمین در پایه برج؛

در مجموع، حفاظت از توربین های بادی به دو دسته کلی از آسیب های مستقیم و غیر مستقیم وارده بر توربین بادی تقسیم می شود. در بحث حفاظت مستقیم، راهکار های موجود مورد بررسی و ارزیابی قرار می گیرند و برای حفاظت غیر مستقیم، مدل سازی هایی به منظور کاهش اضافه ولتاژ روی خروجی توربین بادی صورت گرفته است.

حفاظت مستقیم پره ی توربین بادی

به منظور کاهش خسارات ناشی از صاعقه به توربین بادی و جلوگیری از آسیب های مستقیم واده به توربین روش های حفاظت از پره ها به صورت زیر انجام می شود [5]:

نصب هادی های با مقاومت پایین بر روی پره ها
به کار گیری کلاهک رسانا روی لبه های پره
استفاده از مواد رسانا روی سطح پره
به کار گیری نوار های رسانا روی سطح پره

روش حفاظت صاعقه توصیه شده توسط استاندارد ها در شکل (2-1) نشان داده شده است.

این روش ها را می توان هم در سطح داخلی و هم در سطح خارجی پره ها نصب کرد.

به علاوه، هر دو حالت نصب باید یک قابلیت موثری از انتقال جریان صاعقه به زمین را داشته باشند.

در مجموع، ارزیابی چهار روش مرسوم برای تعدیل اولیه ی اضافه ولتاژ ها این گونه می باشد [1]:

روش های محافظت از صاعقه برای پره توربین های بادی [1]

استفاده از گیرنده های مسی: در این روش از گیرنده های مسی به صورت متمرکز روی سطح پره استفاده می شود.
نحوه ی تخلیه ی جریان صاعقه از درون پره انجام می پذیرد که یک مزیت برای این روش به شمار می رود.
میزان جذب صاعقه در این حالت بالای 90 درصد برآورد شده است.
استفاده از پوشش رسانایی نصب شده روی نوک پره: با این روش سطح انتهایی پره توسط پوشش های نازک رسانا پوشیده شده و از این رو درصد جذب صاعقه افزایش می یابد.
نحوه ی انتقال جریان از پره به برج، از درون پره انجام می گیرد.
این روش درصد جذب صاعقه ی بیشتری نسبت به دیگر روشها دارد و تنها عیب ان، برخورد صاعقه با لبه ی زیرین پوشش است که موجب تمرکز حرارت روی پره می شود و در نهایت منجر به آتش سوزی می گردد.
استفاده از سیم های نصب شده روی حاشیه ی پره: این روش به دلیل انتقال جریان از خارج از پره و در مجاورت سطح بیرونی پره، برای پره های بلند توصیه نمی شود. اما درصد جذب بالایی از صاعقه را به همراه دارد.
به کار گیری نوار های متخلخل روی سطح پره: در این مورد نیز همانند روش قبل، عیب انتقال جریان از خارج از پره مشهود است. اما با به کار گیری نوار های رسانا روی سطح پره بستر جذب صاعقه برای این روش بیشتر خواهد شد.

حفاظت غیر مستقیم

در این قسمت فرض می شود که پس از برخورد صاعقه با پره ی توربین بادی، تخلیه ی الکتریکی بدون آسیب به توربین صورت گرفته است.

سپس تاثیر القای ولتاژ روی دیگر تجهیزات مورد بررسی قرار می گیرد و راهکار های مناسب ارائه می شود.

فرض کنید سیستم درایو به دلیل سرعت پایین، تنها دو یاتاقان با حرکت کند دارد و ژنراتور استوانه ای، یک ژنراتور سنکرون سرعت پایین بدون اتصال مستقیم به شبکه می باشد.

از این رو ولتاژ خروجی و فرکانس متناسب با سرعت تغییر می کنند. این مسئله بر نیاز به یک اینورتر با اتصال از طریق لینک dc جهت اتصال به شبکه ی برق دلالت دارد.

ترانسفورماتور فشار ضعیف به فشار قوی در پایین توربین نصب می شود و طراحی ویژه ای به منظور گنجاندن ابعاد کاهش یافته و شرایط کاری توربین دارد.

اطمینان از تامین مناسب توان شبکه از طریق توربین بادی، نیازمند پایش اتصالات شکه می باشد که در شکل (3-1) نشان داده شده است.

پایش اتصالات در توربین بادی [4]

اکنون دو حالت را بررسی می نماییم: در حالت اول، هیچ برقگیری به عنوان حفاظت مدار کنترلی به طرف اولیه (طرف فشار ضعیف) یا به طرف ثانویه (طرف فشار قوی، سمت شبکه ی قدرت) ترانسفورماتور افزاینده متصل نیست.

این امر امکان ارزیابی نیاز واقعی بعدی آن را میسر می سازد.

علاوه بر اینها، یک موج استاندارد جریان صاعقه با زمان پیشانی 10 میکرو ثانیه، زمان پشت موج 350 میکرو ثانیه و مقدار پیک 10 کیلو آمپر همانند شکل (4-1) در نظر گرفته می شود. زیرا 80% صاعقه هایی که اصابت می کنند، بیشینه جریان بزرگتر از 8 تا 10 کیلو آمپر دارند.

منبع جریان صاعقه

تعدیل کننده های اضافه ولتاژ

به منظور مطالعه ی حالت گذرا در سیستم های قدرت بزرگ یا در شبکه های الکتریکی دلخواه، از نرم افزار EMTP استفاده می شود که در ادامه، مهمترین مدل های استفاده شده شرح داده خواهد شد.

منبع جریان صاعقه

برای تحلیل منبع جریان صاعقه، مدل ICIGRE که یک مدل استاندارد در نرم افزار EMTP است، انتخاب شده است.

این وسیله برای محاسبات دقیق عملکرد تجهیزات در برابر صاعقه به کار می رود.

توصیف این مدل و دلایلی که ارائه تحلیلی شکل موج جریان را فراهم می سازد در [2] آمده که معادلات زیر از آن استخراج شده شده است.

پیشانی موج جریان اولین صاعقه با رابطه زیر بیان می شود:

…

که در آن:

….

معادله ی پشت موج جریان با رابطه ی زیر مشخص می شود:

…

از معادله ی (9) زمانی استفاده می شود که EMTP در به ناحیه ی پشت وارد می شود.

ساختار توربین بادی در مقابل اضافه ولتاژ صاعقه

برای مدل سازی پره و برج توربین بادی، از خط با پارامتر های ثابت که یک مدل خط انتقال مستقل از فرکانس است، استفاده می شود.

برای اهداف این قسمت، مدل خط با پارامتر های ثابت می تواند به طور موفقیت آمیزی به کار گرفته شود [1].

خط با پارامتر ثابت، یک مدل پارامتری توزیع شده است. معادلات پایه ای یک خط تک فاز با پارامتر های توزیع شده به صورت زیر است:

…

پارامترهای خط مورد نظر در یک فرکانس معلوم محاسبه می شوند که بهتر است بیش از MHz 1 در نظر گرفته می شود و به این دلیل، مستقل از فرکانس نامیده می شود. پارامترهای این خط با توجه به اطلاعات فنی سازنده از قبیل مشخصات موادی و ابعاد تجهیزات محاسبه شده اند.

الکترود زمین

مدل سازی دقیق عملکرد دینامیکی تحت جریان صاعقه هم باید شامل یونیزاسیون غیر خطی وابسته به زمان خاک و هم پدیده های وابسته به فرکانس باشد.

این پدیده ها ممکن است تاثیر متقابلی مخالف هم داشته باشند، زیرا یونیزاسیون خاک به طور موثری عملکرد خال را بهبود می دهد. در حالی که رفتار القایی وابسته به فرکانس آن را تخریب می کند.

در حالتی که صاعقه جریانی به الکترود های زمین تزریق شود، پالس جریان دارای تغییرات سریع و مقادیر بزرگ دامنه می باشد.

پاسخ دینامیکی الکترود های زمینی که در معرض چنین پالس های جریانی قرار می گیرند، به طور عمده از عوامل زیر تحت تاثیر قرار می گیرند:

یونیزاسیون خاک در مجاورت مستقیم الکترود زمین که با چگالی پالس جریان مرتبط می باشد؛
انتشار پالس صاعقه در طول الکترود زمین که مرتبط با زمان پیشانی پالس جریان می باشد.

با این حال در این بخش از یک رویکرد مداری در حوزه ی فرکانس پایین استفاده شده است که منجر به فرمول های شناخته شده ای برای مقاومت R مربوط به زمین است. بنابراین برای الکترود های افقی داریم [1]:

…

به گونه ای که مقاومت ویژه ی زمین، l=40 m طول الکترود افقی زمین، a=0/004 m شعاع الکترود و d=1 m عمق دفن الکترود افقی است. با این فرض که و می باشد.

مقاومت R با فرمول (12) محاسبه می شود و ظرفیت الکتریکی زمین C که با R در ارتباط است که به صورت زیر محاسبه می شود:

…

در این حالت ثابت در الکتریک است.

اندوکتانس L اندکی با افزایش عمق دفن سیم کاهش می یابد. بنابراین برای سیم افقی در اعماق معمولی، اندوکتانس از رابط زیر به محاسبه می گردد:

…

که است.

برقگیر

معادله ی اصلی برقگیر با رابطه ی (15) بین می شود که جریان برقگیر و ولتاژ آن می باشد.

…

برای برقگیر های SiC (سیلیکون کاربید) مقدار بین 2 تا 6 قرار دارد.

برای برقگیرهای اکسید فلزی (MO) که می باشد.

پارامتر k یک ضریب ثابتی است که در تطبیق مشخصات برقگیر استفاده می شود [1].

شبیه سازی با EMTP

مقدمه

در دنیای امروز با توجه به سرعت پیشرفت دانش، توربین های بادی به یکی از مهمترین عناصر تولید کننده ی توان الکتریکی در شبکه های قدرت تبدیل شده اند.

جانمایی یک ژنراتور پر قدرت در بالای برج توربین بادی، احتمال آسیب ناشی از ضربه های صاعقه را در آنها افزایش می دهد.

همچنین چون اکثر تجهیزات حفاظتی در پای برج قرار می گیرند، لذا با توجه به پیکر بندی اصلی توربین بادی و پره ها، حفاظت از ژنراتور در مقابل صاعقه در آن ارتفاع بالا، امری دشوار تلقی می شود.

روش های حفاظت از صاعقه در استاندارد های IEC-1024 و NFPA-780 تشریح شده اند [15].

اما کاربرد این استاندارد ها تنها در ساختار هایی مانند برج های مخابراتی نسبتا سر راست است.

با توجه به گستردگی موضوع و تنوع بررسی های صورت گرفته در ارتباط با تحلیل اضافه ولتاژ صاعقه در نیروگاه بادی، در اینجا فقط خلاصه ای از آنها تشریح خواهد شد.

در این مطالعه، ابتدا یک توربین بادی با 2 مگاوات توان نامی در نظر گرفته شده است.

طول پره ی روتور 41 متر بوده و ارتفاع پایه ی برج 75 متر می باشد.

در این قسمت دو حالت مختلف به منظور بررسی برخورد صاعقه با توربین بادی مورد مطالعه قرار می گیرد.

در حالت اول، توربین بادی بدون تجهیزات حفاظتی برای موج صاعقه در نظر گرفته می شود.

درون توربین بادی یک ژنراتور، توان الکتریکی تولید می کند که آن را به ترانسفورماتور قدرت کمکی YD-1 و ترانسفورماتور اصلی DY-1 تحویل می دهد.

ترانسفورماتور DY-1 تجهیزات کنترل الکتریکی را تغذیه می کند.

شکل (2-1) مدار معادل مزرعه ی بادی سیستم مورد مطالعه در نرم افزار EMTP را نشان می دهد.

در بررسی اضافه ولتاژها در این قسمت، فرضیات زیر برای مدل توربین بادی لحاظ شده اند [3]:

ژنراتور توربین بادی، یک سو کننده و مبدل به عنوان یک مجموعه رفتار می کنند، به طوری که یک ژنراتور سنکرون 690 ولت، به قدر کافی در فرکانس Hz 50 پایدار می باشد؛
یک ترانسفورماتور افزاینده 690 ولت به 20 کیلو ولت، داخل توربین بادی یا نسبتا نزدیک به آن نصب می شود.
علاوه بر این، برای اولیه و ثانویه آن اتصال به زمین مشترک در نظر گرفته می شود؛
در مدل ترانسفورماتور، تنها انتقال الکترومغناطیسی در نظر گرفته شده و از انتقال استاتیکی چشم پوشی می گردد؛

مدار معادل مزرعه ی بادی سیستم مورد مطالعه در حالت اول [3]

در حالت اول فرض می شود که برقگیری در این شکل وجود نداشته باشد.

صاعقه به پره توربین برخورد می کند.

شکل (2-2) منحنی اضافه ولتاژ در سمت اولیه ترانسفورماتور را نشان می دهد که m نشان دهنده ی اندازه و “a,b,c” بیانگر فاز ها می باشند.

در این منحنی مشاهده می شود که حداکثر دامنه اضافه ولتاژ از kV 10 تجاوز می کند.

منحنی اضافه ولتاژ در سمت اولیه ترانسفورماتور اصلی [5]

شکل (2-3) بیانگر منحنی اضافه ولتاژ در تجهیزات کنترلی الکترونیکی می باشد.

در این منحنی حداکثر دامنه ولتاژ تقریبا به kV 11 می رسد که بیش از مقداری است که این نوع تجهیزات می توانند تحمل کنند.

در شکل (2-4) هم اضافه ولتاژ روی ثانویه ترانس کمکی قابل مشاهده است.

منحنی اضافه ولتاژ در ثانویه ترانسفورماتور اصلی [5]

اضافه ولتاژ روی ثانویه ترانسفورماتور کمکی [5]

همان گونه که در شکل (2-5) نشان داده شده است، برقگیری در محل مناسب نصب می شود.

در این شکل، برقگیر ZnO مورد استفاده در مجاورت ترانسفورماتور های اصلی و کمکی مشخص گردیده است.

شکل (2-6) منحنی اضافه ولتاژ در سمت اولیه ترانسفورماتورهایی را که در کنار آنها یک برقگیر نصب شده است نشان می دهد.

در این شرایط مقدار حداکثر اضافه ولتاژ به 4/5 کیلو ولت کاهش می یابد.

…

مدار معادل مزرعه ی بادی سیستم مورد مطالعه در حالت دوم [5]

منحنی اضافه ولتاژ در سمت اولیه ترانسفورماتور اصلی در حالت دوم [5]

شکل (2-7) منحنی اضافه ولتاژ در تجهیزات کنترلی الکترونیکی در حضور برقگیر را نشان می دهد.

حداکثر دامنه ی اضافه ولتاژ ها تقریبا به 2/5 کیلو ولت می رسد که ولتاژ قابل قبولی برای تحمل تجهیزات توربین بادی می باشد.

در شکل (2-8) مشاهده می شود به علت سطح ولتاژ بالاتر ترانسفورماتور کمکی، اضافه ولتاژ ها و نوسانات آن در خروجی بسیار کاهش یافته است.

منحنی اضافه ولتاژ در ثانویه ترانسفورماتور اصلی [5]

اضافه ولتاژ روی ثانویه ترانس کمکی در حالت دوم [5]

در این مطالعات اتصال به شبکه ی قدرت از طریق یک ترانسفورماتور 20 به 60 کیلو ولت صورت می گرفته است.

اکنون فرض کنید که برقگیر بدون مقاومت به سیستم متصل شود.

همانند آنچه در بالا شرح داده شد، اضافه ولتاژ های اعمال شده به سیستم در نقاط اولیه توانسفورماتور اصلی، اضافه ولتاژ در ثانویه ترانسفورماتور اصلی، اضافه ولتاژ روی ثانویه ترانس کمکی در حالت دوم به ترتیب در شکل های (3-9) و (3-10) و (3-11) به تصویر کشیده شده است.

منحنی اضافه ولتاژ در اولیه ترانسفورماتور اصلی

منحنی اضافه ولتاژ در ثانویه ترانسفورماتور اصلی

اضافه ولتاژ روی ثانویه ترانس کمکی

نتیجه گیری

لذا در یک ارزیابی کلی می توان بیان نمود که میزان دامنه ی اضافه ولتاژ در تجهیزات کنترلی بدون برقگیر، بسیار افزایش می یابد.

همچنین این امر، می تواند اتصال غیر ایده آل برقگیر به زمین (در تجهیزاتی که از برقگیر برخودارند) نیز باشد.

با این وجود، می توان برای کاهش اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه، در سمت فشار قوی ترانسفورماتور قدرت، برقگیر مناسبی را به صورت تفاضلی نصب نمود.

با توجه به نتایج فوق و بررسی های اقتصادی می توان نتیجه گرفت که نصب برقگیر در محل مطلوب، به عنوان مناسب ترین وسیله تعدیل کننده ی اضافه ولتاژ، می تواند با بیشترین صرفه جویی مالی مفید واقع شوند.

Deregulation ↑
Operation Coefficient ↑
Wind Density ↑
Albert Betz ↑
Distribution Coefficient ↑
Rayleigh Model ↑
Lee Rench ↑
Capacity Coefficient ↑
i.e. Arcing Ground Fualt ↑
Lightning Overvoltage (LOV) ↑
Upward Lightning ↑
Downward Lightning ↑

کلید واژه : Electromagnetic transients, Lightning protection, Wind energy

شبیه سازی با EMTP

شبیه سازی