در طول دهه­ ی گذشته، تقاضا برای خطوط طولانی و ظرفیت جریانی بیشتر برای کابل های برق فشار قوی، نیازمند روش­های جدید پیشگیری و کاهش تلفات بود. در عین حال، اطمینان از قابلیت اطمینان بالای این خطوط به تدریج اهمیت بیشتری پیدا کرده­اند. با هم، این تحولات، سرعت استفاده از حفاظت در شبکه های کابلی زیرزمینی را افزایش داده است. این مقاله از سال ۲۰۱۲ توسط متخصص برقگیر و مقاله نویسINMR ، جاناتان وودورث، طرح محافظت از برقگیر توسط محدود کننده­های ولتاژ غلاف (SVLs) – دستگاه­های مورد نظر برای محافظت از غلاف کابل در برابر تنش­های الکتریکی در شرایط گذرا – توضیح داده شده است. از آنجایی که کابل­های ولتاژ بالا این روزها در مجموعه ای از انواع و طرح های مختلف در دسترس هستند، به خاطر سادگی در تمرکز مطالعه در اینجا یک کابل فشار قوی تک هسته با غلاف فلزی و پوشش پلیمری را مد نظر قرار می­دهیم (به شکل ۱).

شکل ۱: کابل ساده فشار قوی که نشان دهنده­ ی پوشش پلیمری است که ممکن است نیاز به برقگیر داشته باشد.

مقدمهافزایش میزان نصب کابل های زیرزمینی توجه بیشتری به برخی از اثرات منفی محیطی آن را موجب شده است. از آنجا که کابل اغلب با غلاف های فلزی نصب می­شود، جریانی از رسانای اولیه بر روی غلاف القا می­شود و آن به طور مستقیم به زمین منتقل می­شود که این موضوع ۱۰۰٪ باعث از دست رفتن و تلفات انرژی می شود. این فرآیند همچنین می تواند درجه حرارت کابل را افزایش دهد، که بعداً از آن می شود تحت یک عامل محدود کننده در قابلیت اضافه بار سیستم نام برده شود.

شکل ۲: کاهش تلفات در سیستم های کابلی با استفاده از محدود کننده های ولتاژ غلاف و تقسیم بندی.

یک وسیله رایج برای کاهش چنین تلفاتی، بخش بندي غلاف کابل (همانطور که در شکل ۲) می­باشد. با این حال، اگر تقسیم بندی برای قطع جریان القایی مورد استفاده قرار گیرد، باید اقدامات لازم برای محدود کردن ولتاژ القایی از غلاف در شرایط گذرا نیز انجام شود. در غیر این صورت، دیفرانسیل ولتاژ بین پوشش کابل و زمین می­تواند از آستانه تحمل پوشش فراتر رود و منجر به سوراخ شدن آن شود. این موضوع می­تواند به یک نقطه برای نفوذ رطوبت تبدیل شود، که می­تواند در طولانی مدت منجر به مسائل دی الکتریکی و شکست شود.

شکل ۳: پیکربندی معمولی کابل، SVL و برقگیر فاز در قطب گذرا با SVL نصب شده در نزدیکی انتهای آن.

شکل ۴: جعبه تقسیم با سه SVL و پوشش نصب شده به صورت ضربدری (متقاطع).

درحالی که محدوده­ای از ساختار ها برای کاهش میزان تلفات در سیستم های کابلی استفاده می­شود (از جمله اتصال ضربدری (متقاطع) پوشش ها و هادی­های ترانهاده کننده ­ی فازها)، تقسیم بندی در طول برقگیر پوشش کابل، موثرتر است. جعبه تقسیم در این مورد یک جعبه اتصال مهر و موم شده است که در یک حفره یا کابینت قرار می­گیرد و دارای برقگیر و همچنین نقطه ای است که پوشش ها به طور متقاطع به یکدیگر متصل می­شوند. شکل ۴ یک تنظیم معمولی برای جعبه تقسیم را نشان می دهد که محلی را برای محدود کننده های ولتاژ غلاف و همچنین اتصال متقاطع پوشش­ها فراهم می کند. هادی های فاز به جعبه تقسیم وارد نمی شوند.

SVL

یک غلاف محدود کننده ولتاژ (SVL) اساسا یک برقگیر، اما تحت یک اصطلاح متفاوت است. این SVL به عنوان یک برقگیر در سیستم عمل می کند و در اغلب موارد، در واقع یک برقگیر توزیع است، اما با یک برچسب دیگر. دو نمونه از محدود کننده­های ولتاژ غلاف در شکل های ۵ و ۶ نشان داده شده است. در شکل ۵، برقگیر هیچ حفاظی ندارد، زیرا این طراحی خاص فقط برای استفاده در محیط خشک یک جعبه تقسیم در نظر گرفته شده است. در مقابل، مدل SVL در شکل ۶ نشان داده شده که مانند به یک برقگیر دارای محافظ می­باشد ، زیرا برای برنامه­های کاربردی در فضای باز طراحی شده است.

شکل ۵: محدود کننده ولتاژ غلاف با مقدار معمول ۸/۰ تا ۸/۴ کیلوولت Uc (MCOV) که در داخل جعبه های تقسیم استفاده می شود.

شکل ۶: محدود کننده ولتاژ غلاف با استفاده از استانداردهای معمول ۴ تا ۱۴ کیلوولت Uc (MCOV) برای استفاده در کاربردهای خارجی.

انتخاب یک SVL

همانطور که قبلا ذکر شد، هدف اصلی محدود کننده ولتاژ غلاف، استحکام یا محدود کردن ولتاژ در طول پوشش کابل است. اگر غلاف کابل در هر دو طرف به زمین متصل شود، تنش ولتاژ در شرایط حالت دائم و همچنین حالت گذرا بسیار کم است. با این حال، اگر کابل به منظور کاهش تلفات، تقسیم بندی شده­باشد و یا اگر جعبه های تقسیم در کنار مکان ترانهاده­سازی فاز ها و اتصال متقاطع قرار گرفته باشند، نصب SVL در این مکان­ها برای از بین بردن هر گونه خطر شکست پوشش عایق کابل و یا جعبه تقسیم ضروری است . هیچ روش استانداردی توسط IEC یا IEEE برای انتخاب نرخ مطلوب محافظت از غلاف / پوشش کابل وجود ندارد. بنابراین روش زیر براساس بحث با تولید کنندگان کابل، تولید کنندگان برقگیر و با کمک مدل سازی گذرا از سیستم برای تعیین اثرات تنش الکتریکی در حالت گذرا پیشنهاد شده است. در این تجزیه و تحلیل فرض بر این است که تقسیم بندی غلاف تک نقطه­ای است (یک انتهای غلاف زمین شده است) و از سمت دیگر باز می­باشد.

ولتاژ پوشش کابل از منابع فرکانس توان

از آنجا که غلاف کابل در نزدیکی هادی قرار دارد، ولتاژ ظاهر شده در یک غلاف با انتهای باز می­تواند قابل توجه باشد و به طور مستقیم مرتبط با جریان عبوری از طریق هادی فاز است. این رابطه در حالت پایدار و همچنین در زمان خطا نیز صادق است.

گام­های انتخاب بهینه­ ی یک محدود کننده­ ی ولتاژ غلاف

گام اول: تعیین ولتاژ که در طی حالت­های گذرا بر روی غلاف ظاهر می­شو

دگام دوم: انتخاب نرخ های AC و

TOVگام سوم: بررسی محدوده­ ی حفاظت نرخ انتخاب شده

گام چهارم: بررسی نرخ انرژی SVL که کفایت کارایی مد نظر را داشته باشد

گام پنجم: بررسی نصب و حالت شکست و خطا در نصب و عملکرد

شکل ۸ یک مثال را نشان می دهد که یک خطا با جریان ۱۷ کیلوآمپر در ولتاژ rms 3800 در غلاف رخ می دهد. شایع ترین روش انتخاب یک برقگیر برای محافظت از غلاف این است که SVL را با بدترین حالت ولتاژ فرکانس توان القا شده انتخاب کنید. این به این معنی است که SVL در طول یک اضافه ولتاژ موقت (TOV) ناشی از خطا نیازی به تخلیه انرژی ندارد. برای برگیرهای بالایی، این به طور کلی قاعده نیست و در این موارد، برقگیرها برای انتقال جریان در طول شرایط TOV اندازه گیری شده­اند، اما برای شرایط خطا کافی نیستند. منطق اندازه گیری سربار با استفاده از توان TOV برقگیر برای انتخاب SVL مورد استفاده قرار نمی­­گیرد، مگر اینکه دست یافتن به حاشیه حفاظت بهتر و بیشتر لازم باشد.

شکل ۸: مثال ولتاژ غلاف در طول خطایی با اندازه­ ی ۲۷ کیلوآمپر در پیکربندی کابل trefoil.

محاسبات ولتاژ غلاف کابل

گرادیان ولتاژ حالت پایدار، ولتاژی است که در طول ۱ کیلومتر از غلاف با ۱۰۰۰ آمپر جریان به طور مداوم جریان می­یابد و عملکرد پیکربندی کابل در حفره و همچنین ابعاد آن حائز اهمیت می­گردد. دو پیکربندی مجزا وجود دارد: trefoil، که شامل سه کابل است که به فاصله­ ی مساوی از یکدیگر قرار دارند به گونه ای که بخش تقاطع آن­ها یک مثلث متساوی الاضلاع را می­سازد. و پیکربندی مسطح که در آن تمام کابل ها به گونه ای قرار می­گیرند که در یک صفحه قرار داشته باشند و از یکدیگر دارای فاصله­ ی یکسانی باشند. اگر گرادیان ولتاژ توسط سازنده کابل برای تنظیم پیکربندی در اختیار قرار نگرفته باشد، می توان آن را با استفاده از معادلات مربوطه و روش­های مشتق شده از IEEE 575 “راهنمای محافظ کابل های قدرت با یک هادی با سطح ولتاژ نامی ۵ تا ۵۰۰ کیلوولت” محاسبه کرد:

که در این رابطه:

E: گرادیان ولتاژ غلاف V / km / kA

K ثابت

S فاصله­ ی بین مرکز به مرکز کابل ها بر حسب متر

و d قطر غلاف کابل یر حسب متر می­باشد

برای نوع trefoil و هادی مرکزی مسطح:

برای هادی خارجی نوع مسطح:

گرادیان ولتاژ برای ۱ کیلومتر با میزان جریان ۱ کیلوآمپر شناخته می­شود، ولتاژی که در انتهای باز یک بخش در طول رخ دادن یک خطا ظاهر می­شود نیز می­تواند محاسبه شود. مهم این است که این ولتاژ را تعیین کنید، زیرا ولتاژ نامی SVL (Uc) نیاز به تنظیم دقیق تری دارد تا برقگیر در طی یک خطا جریانی را از خود عبور ندهد. اگر برقگیر در این شرایط عمل­کند، این نیاز به توانایی بسیار بالاتری برای انتقال انرژی نسبت به نوع معمول موجود برای برقگیر های نوع توزیع دارد. اگر بعدا در فرایند اندازه گیری که سطح Uc پایین تری مورد نیاز باشد، یک تجزیه و تحلیل حالت گذرا انجام گیرد و مقادیر Uc و نرخ انرژی SVL تعیین خواهد شد. با فرض اینکه حاشیه حفاظت کافی باشد، نرخ Uc  برای SVL بزرگتر یا برابر ولتاژ در نقطه­ ی باز (Eopen) خواهد بود، که این موضوع به شرح زیر است: Uc ≥ Eopen = گرادیان ولتاژ بخش x طول x حداکثر، جبران خطا انتظاریجایی که گرادیان ولتاژ V / km / 1000A است، طول بر حسب کیلومتر است و جریان خطا بر حسب کیلوآمپر بیان می شود. برای مثال، اگر یک گرادیان ولتاژ در یک سیستم خاص ۲۰۰V / km / kA باشد و خط ۲ کیلومتر با پتانسیل ۵/۱۷کیلوآمپر باشد، حداقل نرخ قابل پذیرش Uc  برای  SVL 7000 ولت خواهد بود. توجه داشته باشید که اگر خط تنها ۱ کیلومتر طول داشت، حداقل  Uc برای SVL دارای نیمی از مقدار آن برای خطی با طول ۲ کیلومتر بود و لذا می­تواند حداقل ۳۵۰۰ ولت باشد. شکل ۹ جریان عبوری از طریق یک SVL با نرخ مناسب در خطی با طول ۱ کیلومتر با گرادیان ولتاژ ذکر شده در قسمت بالا و جریان خطا را نشان می دهد. می­توان دید که تنها چند میکروپام از طریق SVL جریان می یابد که دقیقا همان چیزی است که مورد نظر و مطلوب ماست. با این حال اگر همان SVL به یک خط مشابه با طول ۲ کیلومتر اعمال شود، جریان عبوری از طریق SVL قابل توجه خواهد بود (همانطور که در شکل ۱۰ قابل مشاهده می­باشد) و افزایش دمای سریع که به شکست منجر می­شود در شکل ۱۱ نشان داده شده است.

شکل ۹: هدایت جریان از SVL با اندازه­ ی مناسب.

شکل ۱۰: هدایت جریان از طریق SVL با اندازه و نرخ نامناسب با سطوح پیک ۶۰۰ آمپر در هر نصف چرخه.

شکل ۱۱: افزایش دمای ناگهانی SVL با اندازه و نرخ نامناسب که اگر دژنکتور بلافاصله در ایجاد خطا وقفه ایجاد نکند، شکست قریب الوقوع می­شود.

بنابراین، هنگام تعیین نرخ مناسب Uc برای SVL ها، نمی توان یک نرخ را برای تمام جعبه های تقسیم انتخاب کرد، مگر اینکه طول تمام بخش ها برابر باشد. علاوه بر این، اگر SVL به درستی انتخاب شود، لازم نیست که در طول رخداد یک خطا در سیستم، مقدار قابل توجهی از انرژی را جذب کند.

محافظت از پوشش کابل در برابر پالس ناشی از کلیدزنیوقفه های ناشی از پوشش و غلاف کابل به طور کلی ضعیف ترین عایق در یک سیستم کابل کشی فشار قوی می باشد. شکل ۱۲ سطح آستانه تحمل آن ها را تحت استاندارد IEEE 575 نشان می دهد. فرض بر این است که کلیدزنی پوشش و غلاف کابل شبیه به دیگر انواع عایق و ۸۳ درصد نرخ آستانه تحمل پالس صاعقه (BIL) باشد. هنگامی که یک پالس ناشی از کلیدزنی بر روی هادی فاز یک کابل وجود دارد، جریان عبوری از آن موجب ایجاد ولتاژ القایی بر روی غلاف خواهد شد، همانطور که در وضعیت پایدار و یا در حوادث خطا اتفاق می افتد، حتی اگر شکل موج به طور قابل توجهی متفاوت باشد. از آنجایی که ولتاژ و جریان بر روی هادی در طول پالس کلیدزنی ، سینوسی یا حتی یک پالس ساده نیستند (نگاه کنید به شکل ۱۳)، ولتاژ و جریان موجود در غلاف به درستی قابل پیش بینی نمی باشد.

شکل ۱۲: آستانه تحمل غلاف و پوشش کابل در برابر پالس صاعقه.

شکل ۱۳: پالس کلیدزنی بر روی فاز هادی با سطح ولتاژ ۳۴۵ کیلوولت با حفاظت (سبز) و بدون حفاظت (قرمز) در آن فاز٫

تنها راه دقیق تعیین ولتاژ واقعی و جریان در غلاف، از طریق شبیه سازی های گذرا یا آزمایش های میدان واقعی است. از آنجاییکه تست ها عملی نیستند، شبیه سازی گذرا واقعا تنها گزینه است و برخی از قوانین مفید از همین نوع شبیه سازی­های در حال اجرا گرفته می­شود:۱٫ اگر SVL انتخاب شده باشد تا به دلیل یک خطا حداقل و حتی هیچ هدایت الکتریکی جدی وجود نداشته باشد، آستانه تحمل انرژی پالس کلیدزنی یک برقگیر نوع توزیع ۱۰ کیلوآمپری کافی است. اگر SVL برای عبور خطا ابعاد یابی نشده باشد، ممکن است به برقگیرهای نوع پست برق الکتریکی نیاز باشد. ۲٫ اگر ولتاژ باقی­مانده­ ی پالس کلیدزنی ۱۰۰۰ آمپری دردسترس نباشد، ولتاژ باقی­مانده ­ی پالس صاعقه ۵/۱ کیلوآمپری ۲۰/۸ می­تواند برای محاسبه حاشیه حفاظت استفاده شود. در مورد مطالعه مورد استفاده برای ایجاد شکل ۱۴، ولتاژ پالس کلیدزنی در غلاف بدون حفاظت SVL به بیشتر از ۱۰۰ کیلوولت افزایش خواهد یافت. با توجه به شکل ۱۲، این بیشتر از ۴۰ کیلوولت بالاتر از آنچه که پوشش یا عایق وقفه ­می­تواند تحمل کند، می­باشد. این موضوع نشان دهنده شکست خاصی برای پوشش کابل است. در این مورد، با SVL  ۶/۹ کیلوولت Uc، ولتاژ در غلاف به حداکثر ۳۳ کیلوولت محدود می­شود. برای محاسبه حاشیه حفاظت در طول یک کلیدزنی، توصیه می­شود که ولتاز باقی مانده ­ی پالس کلیدزنی ۱۰۰۰ آمپری استفاده شود. از آنجایی که ولتاژ باقیمانده­ ی پالس کلیدزنی، یک آزمون مجاز برای برقگیر های نوع توزیع نیست، ولتاژ باقیمانده ۱۰۰۰ آمپری ممکن است در دسترس نباشد. در این مورد، یک جایگزین معقول برای ولتاژ پالس کلیدزنی، ولتاژ باقیمانده­ ی ۸ × ۲۰ در ۵/۱ کیلوآمپر است. برای SVL 6/9 کیلوولت مورد استفاده در مطالعه فوق، ولتاژ باقی مانده ۴/۲۸ کیلوولت است.  از شکل ۱۲، می­توان مشاهده نمود که سطح تحمل  BILپوشش کابل برای خط ۳۴۵ کیلوولت، ۶۰ کیلوولت است. این بدان معنی است که حاشیه محافظت از کلیدزنی (MP2) برای این مورد:

شکل ۱۴: ولتاژ القایی پالس کلیدزنی بر روی غلاف کابل ۳۴۵ کیلوولت با محافظ SVL و بدون آن. ۳ پریونیت پالس کلیدزنی روی هادی فاز بدون SVL (سبز) و با SVL (قرمز).

محافظت از پوشش در برابر پالس­های رعد و برق که به خطوط انتقال هوایی برخورد می­کنند، این پالس ها توسط برقگیر ها که به طور کلی در اینگونه مکان ها نصب شده اند، به زمین منتقل می­شود. با این حال، یک ولتاژ پالس با دامنه­ ی قابل توجه می­تواند به کابلی با سطح متوسط ​​جریان نیز نفوذ کند. شکل ۱۵، به عنوان مثال، ولتاژ و جریان ورودی به یک کابل ۳۴۵ کیلوولت را با یک پالس صاعقه­ ی ۱۰۰ کیلوآمپری را نشان می­دهد.

شکل ۱۵: ولتاژ و جريان در هادي فاز کابل ۳۴۵ کیلوولتی با ۱۰۰ کیلوآمپر به فاز با مقداری فاصله از قطب انتقال.

محاسبه حاشیه حفاظت (MP1) برای رعد و برق بسیار شبیه آنچه که در مورد پالس کلیدزنی اتفاق می­افتد، انجام می شود. در اینجا ۱۰ کیلوآمپر برای جریان هماهنگی استفاده می شود و BIL کامل برای تحمل پوشش و عایق وقفه استفاده می شود. با استفاده از همان SVL همانطور که در بالا برای محاسبه­ ی پالس کلیدزنی ، ولتاژ باقی مانده در ۱۰ کیلوآمپر ۳۰ کیلوولت وBIL  کابل ۶۰ کیلوولت است. بنابراین:مجددا،Uc SVL با  ۹/۶ کیلوولت ، محافظت عایقی مناسب برای پوشش کابل را فراهم می­کند.

منبع: INMR