اضافه ولتاژ عبارت است از افزایش در مقدار موثر ولتاژ به میزان بیش از ده درصد در فرکانس نامی و برای مدت زمان بیشتر از یک دقیقه. همانطور که در مقدمه گفته شد دو منبع اصلی اضافه ولتاژهای گذرا کلیدزنی بانک خازنی و صاعقه می باشند که در این فصل مورد بررسی قرار می گیرند. همچنین بعضی از وسایل الکترونیک قدرت نیز هنگام کلیدزنی اضافه ولتاژ گذرا تولید می کنند.
۱-۲- کلیدزنی خازن
از آنجایی که خازنها برای جبرانسازی توان راکتیو و بهبود ضریب توان در مناطق صنعتی کاربرد فراوانی دارند، ضروری است تا همواه نگاه ویژه ای به این تجهیزات و اثرات احتمالی آنها بر سایر تجهیزات شبکه داشته باشیم. هنگام کلیدزنی بانک های خازنی اندوکتانس شبکه تحت تاثیر قرار می گیرد و یک حالت گذرای نوسانی ایجاد می شود. بعضی از خازن ها در تمام مدت زیر بار واقع می شوند در حالیکه سایر آنها براساس نیاز به جبرانسازی به صورت پله ای وارد مدار می شوند و یا از مدار خارج می شوند.
در شکل بالا کلیدزنی بانک خازنی در یک شبکه نمونه نشان داده شده است. با بسته شدن کلید ولتاژ گذرای نوسانی مشابه شکل زیر اینجاد می شود.
بسته به میزان خفه کننده سیستم، اضافه ولتاژ گذرا بین ۱ تا ۲ پریونیت ایجاد می شود. در حالت نشان داده شده در شکل بالا اضافه ولتاژ گذرا حدود ۱٫۴ پریونیت است. اضافه ولتاژهای گذرای کلیدزنی خازن ها عموما بین ۱٫۳ تا ۱٫۴ پریونیت هستند. اضافه ولتاژ نشان داده شده در شکل بالا به داخل سیستم قدرت منتشر می شود و عموما از طریق ترانسفورماتورها با مقداری حدودا معادل نسبت تبدیل ترانسفورماتورها به مصرف کننده ها منتقل می شود. اگر در این قسمت (سیستم ثانویه) خازن موجود باشد این اضافه ولتاژ ممکن است به ۲ پریونیت هم برسد. با توجه به اینکه اضافه ولتاژهای تا ۲ پریونیت به عایق سیستم صدمه ای وارد نمیکنند اما ضروری است آنها را محدود کنیم زیرا باعث عملکرد نادرست ادوات سیستم مانند تجهیزات الکترونیک قدرت می شوند. بعنوان مثال کنترل کننده های موجود در سیستم ممکن است این اضافه ولتاژ را به عنوان نشانه ای از یک موقعیت خطرناک تعبیر کنند و بار را قطع کنند. همچنین ولتاژ گذرا ممکن است با روشن شدن تریستورها تداخل کند.
مطابق شکل زیر کلیدزنی بانک های خازنی زمین شده ممکن است به دلیل موج ضربه ای که همراه با زیر بار قرار گرفتن خازنها ایجاد شود، باعث تولید اضافه ولتاژهای غیرعادی در سیستم زمین محلی می شود. جریان گذرای عبوری در پیک های فیدر ۴ برابر جریان نامی است.
همانطور که قبلا گفته شد اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی خازن در شکبه های قدرت معمولا در حد ۱٫۳ تا ۱٫۴ پریونیت می باشد. این اضافه ولتاژهای می توانند در باس مصرف کننده نهایی برای بعضی از خازنهای ولتاژ فشار ضعیف و تعدادی از ترانسفورماتورهای کاهنده بزرگ شوند. مدار مربوط به این پدیده در شکل زیر نشان داده شده است. در این شرایط در محدوده مشترکین برقگیرهایی با انرژی بالا می توانند برای محدود کردن ولتاژ گذار بکار روند. سطوح انرژی که با اضافه ولتاژهای گذرای بزرگ همراه هستند معمولا در حدود ۱ کیلوژول می باشند.
شکل زیر انرژی برقگیر مورد نظر برای یک محدوده از اندازه های خازن فشار ضعیف را نشان می دهد.
قابل ذکر است که فقط تا سطح حفاظتی برقگیر می توانیم ولتاژ را محدود کنیم. این سطح معمولا بعنوان ۱٫۸ برابر ولتاژ نرمال پیک است. یکی دیگر از راه های جلوگیری از بزرگ شدن ولتاژ گذرای ناشی از کلیدزنی بانک خازنی این است که بانکهای اصلاح ضریب قدرت را به فیلترهای هارمونیک مجهز کنیم. بطوریکه اضافه کردن یک راکتور بصورت سری با بانک خازنی، اضافه ولتاژهای گذرا را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهد.
سمینار کارشناسی ارشد: حفاظت اضافه ولتاژ در سیستم قدرت
۲-۲- صاعقه
یکی از منابع تولید اضافه ولتاژهای گذرای ضربه ای صاعقه است. در حال حاضر رفتار صاعقه بطور قابل قبولی قابل پیش بینی است اما رخدادهایی که توسط آن ایجاد می شوند قابل پیش بینی نیستند. اثرات صاعقه به دو دسته کلی تقسیم می شود: دسته اول، اثرات مستقیم مرتبط با انرژی، گرما، جرقه و آتش سوزی. دسته دوم، اثرات مستقیم مرتبط با رخدادهای اضافه ولتاژ در شبکه قدرت. شدیدترین صاعقه های جهان در مناطق گرمسیری نزدیک به خط استوا اتقاق می افتند. صاعقه در اکثر نواحی اقلیمی در تابستان اتفاق می افتد با این حال مناطقی وجود دارند که در زمستان شاهد رخداد صاعقه هستند.
آشکارترین مسیر هدایت، ضربه مستقیم به یک سیم فاز روی اولیه و یا روی ثانویه ترانسفورماتور می باشد که این حادثه می تواند اضافه ولتاژهای بزرگی را تولید کند. ولتاژهای گذرا می توانند توسط جریان های صاعقه در طول مسیر سیم زمین ایجاد شوند. قابل ذکراست که مسیرهای بیشماری جهت ورود جریان صاعقه به زمین می تواند وجود داشته باشد. همچنین ضرباتی که به فاز اولیه وارد می شود توسط برقگیرهای روی ترانسفورماتور توزیع به زمین منتقل می شود. بنابراین، ضربه های صاعقه می توانند بیش از حد تصور در بارها مشاهده شوند. از آنجایی که زمین نمی تواند به عنوان یک هادی کامل برای جریان صاعقه درنظر گرفته شود، موج صاعقه می تواند تا چندین کیلومتر در طول خط جاری شود. اگر برقگیرها بطور مناسب نصب شوند می توان از ضربه روی فازها جلوگیری کرد.
مهمترین مسائل کیفیت توان در رابطه با جریان های ضربه صاعقه که وارد زمین می شوند عبارتند از:
- بالا رفتن پتانسیل زمین در محل اصابت نسبت به سایر زمینها تا چندین کلیومتر. در این حالت تجهیزات الکترونیکی حساس که بین دو مرجع زمین متصل می شوند، مانند کامپیوتری که از طریق مودم به سیستم تلفن متصل می شود، وقتی در معرض ولتاژهای جرقه صاعقه قرار می گیرند می توانند دچار خطا شوند.
- جریان های صاعقه در حالیکه از طریق کابلهای در مسیرشان از زمین بهتری عبور می کنند می توانند ولتاژهای بالاتری را به هادی های فاز منتقل کنند.