چکیده: یک مدل برای برق‌گیرها با اکسید فلزی، برگرفته از مدل پیشنهادی IEEE W.G. 3.4.11 ارائه شده‌است. نوآوری اصلی معرفی‌شده توسط این مقاله، سادگی معیارهای پیشنهاد شده برای شناسایی پارامتر مدل را نشان می‌دهد. چنین معیارهایی امکان محاسبه پارامترهای مدل را به طور مستقیم از داده‌های استاندارد گزارش‌شده در ورقه‌های داده وصل شده با یک روش ساده و ساده فراهم می‌کند. اثربخشی این مدل برای چندین برق‌گیر تولید کننده مختلف هم برای ولتاژ واسطه و هم برای کاربرد ولتاژ بالا مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج تست تخلیه به‌دست‌آمده توسط تولید کنندگان با نتایج شبیه‌سازی‌های انجام‌شده با برنامه گذرا جایگزین (‏ATP)‏مقایسه شد. کارآیی و سادگی استفاده، مدل پیشنهادی را به یک ابزار مفید برای مطالعات هماهنگی عایق‌بندی شامل حالت‌های گذار با جبهه تند تبدیل کرده‌است. ​

 

کلمات کلیدی: برق‌گیر فلز – اکسید، گذاره‌ای الکترومغناطیسی، EMTP، مدل‌سازی، صاعقه، مدل وابسته به فرکانس، هماهنگی تحریک، بیش از حد ولتاژ

 

۱٫ مقدمه

​​​​​​​​اگرچه برق‌گیرها اکسید فلزی (‏MOA)‏چندین سال پیش در بازار معرفی شدند، مدل‌سازی آن‌ها هنوز هم یک مشکل است [‏ l، ۲، ۳ ]‏. چندین مدل دقیق برای توصیف رفتار برق‌گیر برای انواع مختلف تنش پیشنهاد شده‌است. نقطه سخت شناسایی پارامترهای مدل، و نیاز به آزمون‌های می‌دانی یا روش‌های آزمون و خطا برای تعیین مقادیر قابل‌قبول است. در حقیقت، با توجه به این مشکلات، امروزه تنها تولیدکنندگان و یا آزمایشگاه‌های تخصصی، امکان انجام مطالعات هماهنگی بیش از حد ولتاژ را دارند. ​

هدف این مقاله ارائه یک مدل برای MOA و پیشنهاد یک روش ساده و / یا بهتر برای شناسایی پارامتر آن است. ساختار مدل پیشنهادی براساس مدل معروف وابسته به فرکانس توصیه‌شده توسط  IEEE W.G. 3.4.11 در [‏ ۲ ]‏، با اصلاحات جزئی مفید برای ساخت راه‌حل‌های کامپیوتری قوی‌تر است. این روش با دقت خوبی رفتار دینامیکی MOA را نشان می‌دهد. روند شناسایی پارامترهای مدل مطابق با الزامات زیر است:

۱. تمام داده‌های لازم بر روی کاتالوگ‌های کارخانه یا برگه‌های داده گزارش می‌شوند؛ ​

2. برای شناسایی پارامترها نیازی به تصحیح تکراری نیست؛ ​
3. عملکرد مدل‌ها با رفتار ابزار واقعی برای برق‌گیر مدل‌های مختلف و از تولیدکنندگان مختلف مطابقت دارد. ​

نیاز اساسی کار پیدا کردن یک ابزار برای تعریف یک مدل MOA بود که از داده‌های آزادانه در دسترس شروع شود. راه‌حل پیشنهادی براساس روابط ریاضی بسیار ساده بین عملکردهای دویس و پارامترهای مدل است. ​

کارایی ابزار پیشنهادی با مقایسه داده‌های آزمون‌های تخلیه استاندارد [‏ ۴ ]‏ با نتایج مدل پیشنهادی محاسبه‌شده با برنامه گذرا جایگزین تایید شد. به طور خاص، ولتاژهای باقیمانده محاسبه‌شده با ولتاژهای اندازه‌گیری شده توسط تولید کنندگان و منتشر شده در کاتالوگ‌ها مقایسه شدند. ​

۲. مدل IEEE

​​​​​​​​مدل توصیه‌شده توسط IEEE W.G. 3.4.11 [‏ ۲ ]‏ در شکل ۱ نشان‌داده شده‌است. در این مدل ویژگی غیر خطی V – ۱ با استفاده از دو مقاومت غیر خطی (‏تگ شده نارنجی و Al)‏جدا شده با یک فیلتر R – L به دست می‌آید. برای موج‌های کند، امپدانس فیلتر بسیار پایین است و Ao و A۱ عملا به صورت موازی به هم متصل شده‌اند. در مقابل، در طول موج‌های سریع، امپدانس فیلتر قابل‌توجه می‌شود و باعث توزیع جریان بین دو شاخه می‌شود. به خاطر دقت، جریان از طریق شاخه A0 زمانی که مدت‌زمان جبهه کاهش می‌یابد، افزایش می‌یابد. از آنجا که مقاومت Ao بیشتر از مقاومت A۱ برای هر جریان داده‌شده است، هر چه موج جریان سریع‌تر باشد، ولتاژ باقی مانده بالاتر خواهد بود. این امر به این دلیل است که جریان‌های فرکانس بالا توسط اندوکتانس L1 به جریان بیشتر در مقاومت در برابر عامل نارنجی نسبت به مقاومت در برابر A1 مجبور می‌شوند [‏ ۲ ]‏. ​

شکل ۱٫ مدل وابسته به فرکانس IEEE

​​​​​​​​

مقایسه مقادیر پیک محاسبه‌شده با مقادیر اندازه‌گیری شده نشان می‌دهد که مدل وابسته به فرکانس نتایج دقیقی را برای جریان‌های تخلیه با زمان تا تاج بین ۰٫۵ و ۴۵ میکرو ثانیه ارائه می‌دهد. مشکل اصلی این مدل نحوه شناسایی پارامترهای آن است. W.G. 3.4.11 یک روش تکراری را پیشنهاد می‌کند که در آن اصلاحات در عناصر مختلف تا زمانی که رفتار رضایت‌بخش به دست آید ضروری است. مقادیر شروع را می توان از طریق فرمول‌هایی که داده‌های الکتریکی (‏ولتاژهای باقی مانده)‏و پارامترهای فیزیکی (‏ارتفاع کلی، قطر بلوک، تعداد ستون‌ها)‏را در نظر می‌گیرند، به دست آورد. ​

شکل ۲ مدل پیشنهادی

 

۳. مدل پیشنهادی

مدل ارائه‌شده در اینجا از مدل استاندارد [‏ ۲ ]‏، با برخی تفاوت‌های جزئی ناشی می‌شود.​ ​​​​​​

با مقایسه مدل های شکل ۱ و شکل ۲ می توان به این نکته اشاره کرد که:

ظرفیت خازنی به دلیل ناچیز بودن اثر آن بر رفتار مدل، حذف می‌شود. ​

دو مقاومت موازی با اندوکتانس توسط یک مقاومت R (‏در مورد MQ)‏بین ترمینال‌های ورودی، با تنها حوزه برای جلوگیری از مشکلات عددی جایگزین می‌شوند. ​

اصل عملکرد کاملا شبیه به مدل وابسته به فرکانس IEEE است. ​

 

۴. تعریف اجزا

​​​​​​​​نشان داده خواهد شد که مدل پیشنهادی می‌تواند به راحتی با اتخاذ دو قانون زیر تعریف شود:

تعریف ویژگی‌های مقاومتی غیر خطی (‏A0 و A1)‏براساس منحنی‌های نشان‌داده‌شده در شکل ۳ است. این منحنی‌ها از منحنی‌های پیشنهاد شده توسط IEEE W.G. ۳.۴.۱۱ مشتق می‌شوند، و به مقدار پیک ولتاژ باقی مانده اندازه‌گیری شده در طول یک تست تخلیه با یک ضربه جریان صاعقه (‏Vr۸t)‏ارجاع داده می‌شوند؛ ​

برای تعریف اندوکتانس می توان از معادلات زیر استفاده کرد (‏مقادیر در)‏:

​

 

که در آن: ولتاژ باقیمانده مجاز به برق‌گیر در بار جریان جبهه سریع ۱۰ kA (‏۱/T2 μs)‏است. زمان کاهش به صراحت نوشته نشده است زیرا تولیدکنندگان مختلف ممکن است از مقادیر مختلفی استفاده کنند. این حقیقت هیچ مشکلی ایجاد نمی‌کند، زیرا مقدار پیک ولتاژ باقی مانده در جبهه رو به افزایش ضربه ظاهر می‌شود. VrS/lO = ولتاژ باقیمانده در نوسان ۱۰  kA با شکل ۸/۲۰ میکرو ثانیه. معیار پیشنهادی هیچ ویژگی فیزیکی برق‌گیر را در نظر نمی‌گیرد. تنها داده‌های الکتریکی مورد نیاز است. این روش با روش‌های دیگر ارائه‌شده در [‏ ۱، ۲، ۵ ]‏ که در آن به داده‌های دیگر نیاز است، متفاوت است. معادلات (‏۱)‏ و (‏۲)‏براساس این حقیقت هستند که پارامترهای L0 و L1 به نقش‌هایی که این عناصر در مدل دارند مرتبط هستند. به عبارت دیگر، از آنجا که عملکرد عناصر القایی توصیف رفتار مدل با توجه به موج‌های سریع است، تعریف این عناصر با استفاده از داده‌های مربوط به رفتار برق‌گیر در طول موج‌های سریع منطقی به نظر می‌رسد. ​

​

 

شکل ۳٫ ویژگی‌های استاتیک عناصر غیر خطی. ولتاژ در pu است که به Vr8/20 گفته می شود

 

 

۵. عملکردهای مدل

با توجه به مدل بالا، خطاهای نسبی بین ولتاژهای باقی مانده محاسبه‌شده و اندازه‌گیری شده برای جریان‌های تخلیه با زمان تا تاج در محدوده ۱ تا ۳۰ میکروثانیه، کم‌تر از ۴.۵ % است. خطا زمانی کاهش می‌یابد که زمان در نظر گرفته شده‌برای تاج بیشتر از ۸ میکروثانیه نباشد.این نتایج با در نظر گرفتن برقگیرهایی از سازندگان مختلف، با جریان‌های تخلیه اسمی و سطوح ولتاژ نامی متفاوت به دست می‌آیند. اگرچه چنین عملکردهایی مشابه عملکردهایی هستند که در [‏ ۲ ]‏ رضایت‌بخش در نظر گرفته شده‌اند، اما مهم است که مشاهده کنیم که آن‌ها در آزمایش اول به دست آمده‌اند. نیازی به تکرار نیست، متفاوت از آنچه که در [‏ ۲ ]‏ توصیف شده‌است. در صورت لزوم، دقت مدل را می توان با در نظر گرفتن دوباره عامل نارنجی و پروفایل A1 افزایش داد، زیرا کمی از یک سازنده به سازنده دیگر تغییر می‌کند. ​

 

۶. اعتبار مدل

شکل ۴ مداری را نشان می‌دهد که بر روی ATP برای شبیه‌سازی رفتار برق‌گیر با ایمپالس‌های جریان مختلف اجرا می‌شود. شبیه‌سازی‌ها تست‌های تخلیه را با پالس‌های جریان موجی سریع (‏یا)‏، پالس‌های جریان صاعقه (‏)‏و پالس‌های جریان کلیدزنی با دامنه‌های بین و در نظر گرفته‌اند. ​

شکل ۴٫ مدار تست شبیه سازی شده

​​​​​​​​

برای نشان دادن کارایی مدل پیشنهادی، خطاهای نسبی بین ولتاژهای باقیمانده محاسبه‌شده و خطاهای گزارش‌شده در کاتولوگ تولیدکنندگان نشان‌داده شده‌اند. ​

نکته مهم، معیار انتخاب مقادیر پارامترهای القایی است در حالی که تعریف ویژگی‌های مقاومت غیر خطی با توجه به شاخص‌های IEEE W.G۳.۴.۱۱ انجام می‌شود. ​

این مقایسه بر روی مجموعه‌ای از برق‌گیرها که توسط ABB تولید شده‌اند، انجام شده‌است. برق‌گیرها دارای حداکثر ولتاژ عملیاتی پیوسته (‏MCOV)‏بین ۴ کیلوولت و ۳۷ کیلوولت می‌باشند. نتایج به‌دست‌آمده با ایمپالس‌های جریان کلیدزنی گزارش نشده اند زیرا آن‌ها برای رفتار دینامیکی برق‌گیرها اکسید فلزی مناسب نیستند. شکل ۵ عملکرد مدل را در زمانی که معیارهای سنتی برای تعریف عناصر استقرایی استفاده می‌شوند، نشان می‌دهد. ​

این مدل با روش تکرار متوالی برای برق‌گیر ABB MWA ۱۶ تنظیم شد، سپس یک رابطه نسبی با ارتفاع دویس برای محاسبه پارامترهای برق‌گیرها با ولتاژ مختلف معرفی شد. ​

مشاهده این موضوع که این معیارها همواره برای حفظ خطاها در حد قابل قبولی به یک روش اصلاحی نیاز دارند، آسان است. ​

شکل ۵٫ خطاهای نسبی در ولتاژهای باقی مانده با عناصر القایی تعریف‌شده در رابطه با ابعاد فیزیکی دستگاه. ​

به طور متفاوت، شکل ۶ نتایج اتخاذ شده از قوانین پیشنهادی را نشان می‌دهد. همگنی قابل‌توجهی را می توان به عنوان اثبات کارایی آن‌ها مشاهده کرد. ​

شکل ۶٫ خطاهای نسبی روی ولتاژهای باقی مانده با عناصر القایی تعریف‌شده در رابطه با عملکردهای اندازه‌گیری شده. ​

نتایج به‌دست‌آمده با در نظر گرفتن برق‌گیرها از تولیدکنندگان مختلف، تایید بیشتری از راندمان مدل ارائه می‌دهد (‏شکل ۷ را ببینید)‏. داده‌های فنی چنین برق‌گیرها در جدول ۱ گزارش شده‌اند. ​

 

 

جدول ۱٫ داده‌های فنی برق‌گیرها در نظر گرفته‌شده.

 

 

شکل ۷٫ خطاهای نسبی در ولتاژهای باقی مانده به‌دست‌آمده از مدل تعمیم‌یافته در اولین تلاش برای برخی از برق‌گیرها تولید شده از زیمنس و GEC Alsthom.​ ​​​​​​​

 نتیجه‌گیری

​​​​​​​​برای انجام مطالعات اضافه ولتاژ آسان اما با این حال دقیق، یک مدل ساده برای برق‌گیرها ارائه شده‌است. این مدل براساس استاندارد IEEE یک، با تغییرات جزئی است، اما یک روش جدید برای شناسایی پارامترهای آن توصیف شده‌است. این مدل را می توان با شروع از ورقه‌های داده استاندارد تولیدکنندگان که ولتاژهای باقی مانده را برای پالس‌های جریان مختلف گزارش می‌کنند، به طور کامل شناسایی کرد. ​

این مقاله روش مدل‌سازی کامل و همچنین برخی آزمون‌های انجام‌شده بر روی برق‌گیرها از تولیدکنندگان مختلف برای بررسی دقت آن را نشان می‌دهد. ​

​

ضمیمه

مثال انتخاب پارامتر برای یک برق‌گیر متال اکسید

​​​​​​​​این ضمیمه چگونگی تعیین پارامترهای مدل پیشنهادی برای یک برقگیر اکسید فلزی معمولی را نشان می‌دهد. این روش مرحله به مرحله فهرست می‌شود و از داده‌های تولید کننده که معمولا در هر برگه داده بدهی تجهیز شده‌اند، شروع می‌شود. شکل ۱ – A این داده‌ها را نشان می‌دهد، برای مدل‌سازی برق‌گیر، همانطور که معمولا در کاتالوگ‌های تولید کنندگان نشان داده می‌شوند (‏کلیدزنی ولتاژهای باقی مانده موجی حذف می‌شوند)‏. ​

شکل A1: داده‌های برق‌گیر (‏ABB MWA ۱۶)‏.

​​​​​​​​

A1 اطلاعات مربوط به برق‌گرفتگی مورد نیاز است

V0 ولتاژ نامی برقگیر

​​​​​​​​ولتاژ باقی مانده برای یک ضربه جریان صاعقه ۱۰ kA اندازه‌گیری شد. ​

ولتاژ باقی مانده در موج جریان جبهه سریع ۱۰ kA

​​​​​​​​

از شکل A1 به دست می‌آوریم:

​

A2 تعیین پارامترهای مدل

​​​​​​​​مقاومت های غیر خطی

​​​​​​​​مقاومت‌های غیر خطی نارنجی و آل با معادلات به شکل I = BV ‘ I در ATP با استفاده از کارت‌های شاخه نوع ۹۲ مدل‌سازی می‌شوند. مقادیر صحیح پارامترهای B و q محاسبه شده‌اند که برخی از نقاط مشخصه V – I را برای زیر روال اختصاصی فراهم می‌کنند [‏ ۶، ۷ ]‏. نقاط ویژگی‌های V – I که منحنی‌های نشان‌داده‌شده در شکل ۳ در این مقاله را تعریف می‌کنند، در جدول A فهرست شده‌اند. مقادیر ولتاژ در Vr8/20. ​

 

جدول A2.1

​​​​​​​​مقادیر ولتاژ مقیاس گذاری شده به وسیله ضریب Vr۸f۲۰ از برق‌گیر که باید مدل‌سازی شود، ویژگی‌های C۲ و A۱ توسط نقاط ذکر شده در جدول A ۲.۲ تعریف شده‌اند. ​

 

جدول A2.

​​​​​​​​ویژگی V- 1 مورد استفاده برای عامل نارنجی و AI در مدل ریکستر

A2.2 عناصر القایی

با استفاده از معادلات (‏۱)‏و (‏۲)‏ارائه‌شده در این مقاله، مقادیر عناصر القایی به صورت زیر تعیین می‌شوند: \

  A2.3. مقاومت همگرایی

همانطور که قبلا در این مقاله بیان شد، یک مقدار lMO برای مقاومت R برای جلوگیری از مشکلات عددی توصیه می‌شود. ​

A.3 آزمون مدل

در این پاراگراف، نتایج تست‌های تخلیه با ATP با استفاده از مدل تعریف‌شده بالا شبیه‌سازی می‌شود. نتایج از نظر مقادیر پیک ولتاژهای باقی مانده و خطاهای مربوط به عملکرد برق‌گیر در جدول A۳ نشان‌داده شده‌است. ​

 

جدول A3. ​

ولتاژهای باقیمانده محاسبه‌شده برای برق‌گیر ABB MWA ۱۶. ​

 

شکل A3.1 – شکل A3.3 نتایج شبیه سازی آزمایش تخلیه را در دو صفحه استاندارد نشان می دهد:

– جریان/ولتاژ در مقابل زمان،
– جریان در مقابل ولتاژ

این مدل با دقت بالایی با عملکردهای برق‌گیر گزارش‌شده در برگه داده متناسب است. تفاوت بین ولتاژهای باقیمانده محاسبه‌شده و ولتاژهای اعلام‌شده کم‌تر از ۲ % است. علاوه بر این شکل‌ها پاسخ دینامیکی مدل برای جریان‌های تخلیه با اشکال مختلف را نشان می‌دهند. ​

شکل A.31 رفتار دینامیکی مدل MWA ۱۶ با پالس‌های جریان lO kA. ​

شکل A3.2 ولتاژ باقی مانده مدل MWA ۱۶ برای جریان تخلیه ۲۰ kA ۸ / ۲۰ میکروثانیه. ​

شکل A.3.3 ولتاژ باقی مانده مدل MWA ۱۶، یک جریان تخلیه ۲۰ kA ۱ / ۵ میکروثانیه است. ​

​

​