تحقیق در مورد حالت اتصال زمین خنثی ولتاژ بالادیزل ۱۰ کیلووات ژنراتور

0 مقدمه

اتصال الکتریکی بین نقطه خنثی و زمین شبکه توزیع، حالت اتصال به زمین نقطه خنثی نامیده می‌شود که به آن حالت عملکرد نقطه خنثی نیز می‌گویند. اینکه چه نوع روش اتصال به زمینی برای نقطه خنثی استفاده می‌شود، یک مسئله فنی و اقتصادی بسیار گسترده است. حالت‌های مختلف اتصال به زمینی به طور مستقیم بر اضافه ولتاژ، سطح عایق تجهیزات الکتریکی، قابلیت اطمینان شبکه برق، انتخاب‌پذیری و حساسیت حفاظت رله و تداخل خطوط ارتباطی تأثیر می‌گذارد.

۱ نقطه خنثی، راه مشترک زمینی

چهار نوع سیستم ارتینگ رایج در سیستم‌های قدرت وجود دارد:

(1) نقطه خنثی مستقیماً به زمین متصل است: نقطه خنثی سیستم برق AC ولتاژ بالا مستقیماً به زمین متصل است، هنگامی که خطای تک فاز به زمین در سیستم رخ می‌دهد، اتصال کوتاه تک فاز به زمین تشکیل می‌شود و جریان اتصال کوتاه بسیار بزرگ است که برای حفاظت رله بسیار مفید است، ولتاژ غیرخطی نسبت به زمین افزایش نمی‌یابد و باعث اضافه ولتاژ متناوب قوس نمی‌شود.

(2) اتصال به زمین سیم‌پیچ مهار قوس: اتصال به زمین سیم‌پیچ مهار قوس نول سیستم برق AC ولتاژ بالا، بین نقطه خنثی و اتصال به زمین به صورت سری با یک راکتور برای جبران جریان خازنی، جریان اتصال کوتاه خطای اتصال به زمین تک فاز را محدود می‌کند.

(3)نقطه خنثی توسط مقاومت (مقاومت بالا، مقاومت پایین) زمین شده است: سیستم برق AC ولتاژ بالا با مقاومت بالا در نقطه خنثی زمین شده است و یک مقاومت امپدانس بالا به صورت سری بین نقطه خنثی و نقطه اتصال به زمین متصل شده است، جریان اتصال کوتاه خطای اتصال به زمین تک فاز به 5 ~ 20A محدود شده است. نقطه خنثی سیستم برق AC ولتاژ بالا با مقاومت کم زمین شده است و یک مقاومت امپدانس پایین به صورت سری بین نقطه خنثی و نقطه اتصال به زمین متصل شده است، جریان اتصال کوتاه خطای اتصال به زمین تک فاز به 100 ~ 1000A محدود شده است.

(4)خنثی بدون اتصال به زمین: نقطه خنثی سیستم برق AC ولتاژ بالا بدون اتصال به زمین است، جریان اتصال به زمین تک فاز در صورت وجود خطای اتصال به زمین تک فاز، جریان خازنی است. وقتی جریان اتصال به زمین تک فاز کوچک باشد (بیش از 10 آمپر نباشد)، سیستم می‌تواند به مدت 1 تا 2 ساعت با خطا کار کند. عیب این است که وقتی خطای اتصال به زمین تک فاز رخ می‌دهد، قوس الکتریکی نمی‌تواند خود را خاموش کند، زیرا جریان اتصال به زمین بزرگ است و این منجر به اضافه ولتاژ قوس الکتریکی، به خطر انداختن تجهیزات، از بین رفتن عایق و حتی ایجاد اتصال کوتاه چند فاز می‌شود.

۱.۱ عوامل مؤثر بر انتخاب روش اتصال زمین

عوامل مؤثر در انتخاب حالت اتصال به زمین عبارتند از: ۱. قابلیت اطمینان منبع تغذیه؛ ۲. ایمنی پرسنل و تجهیزات؛ ۳. ضریب اضافه ولتاژ؛ ۴. حفاظت رله؛ ۵. سرمایه‌گذاری.

۱.۲ مقایسه جامع حالت‌های اتصال زمین مشترک نول

مقایسه جامعی از حالت‌های رایج اتصال زمین نول در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول 1 مقایسه جامع حالت‌های اتصال زمین نول مشترک

۲ دستگاه دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی ولتاژ بالا

وقتی نقطه خنثی زمین نشده باشد، اگر خطای تک فاز به زمین در خارج از دیزل ژنراتور ولتاژ بالای 10 کیلووات قرار داشته باشد، اگر جریان خازنی بیشتر از یک مقدار مشخص باشد، قوس خطا به خودی خود خاموش نمی‌شود و اغلب با قوس متناوب همراه است، فاز انباشته شده باعث ایجاد اضافه ولتاژ می‌شود که باعث آسیب عایق می‌شود و هارمونیک مرتبه بالای متصل به دلتا ژنراتور یک حلقه گرمایشی تشکیل می‌دهد، بنابراین استفاده عمومی از اتصال y است. استاندارد ولتاژ قابل تحمل 1.5 برابر ولتاژ خط نامی، یعنی 2.6 فاز u است.

به منظور اطمینان از عملکرد ایمن سیستم ولتاژ بالای 10 کیلوواتدیزل ژنراتوردر سیستم، لازم است اطمینان حاصل شود که اضافه ولتاژ فاز غیرخطا در صورت خطای تک فاز به زمین سیستم، کمتر از 2.6 واحد فاز باشد، و اضافه ولتاژ فاز غیرخطا در صورت خطای تک فاز به زمین سیستم دیزل ژنراتور ولتاژ بالای 10 کیلووات، کمتر از 2.6 واحد فاز باشد. اگر ولتاژ قوس الکتریکی وجود نداشته باشد، جریان مقاومت نقطه اتصال زمین I∑ C باید بزرگتر از جریان خازنی کل I∑ C باشد، که عموماً I∑ C ≥(1.0 ~ 1.5) I∑ C است، که می‌تواند اضافه ولتاژ چندگانه کمتر از 2.5 واحد فاز را بیشتر سرکوب کند، هنگامی که I≥3.0 I∑ C (یا Xc/r ≥3.0) باشد، اثر سرکوب اضافه ولتاژ داخلی می‌تواند برآورده شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

حالت اتصال به زمین با مقاومت بالا فقط زمانی استفاده می‌شود که جریان اتصال به زمین کوچک باشد، اثر خاموش شدن خودکار قوس الکتریکی واضح است، به طور کلی برای جریان خازنی اتصال به زمین کمتر از 10 آمپر در سیستم ولتاژ بالا قابل استفاده است، جریان خازنی I ∑ C سیستم دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی در مرکز شانگهای 6 آمپر است.

با تجزیه و تحلیل مکانیسم اتصال زمین با مقاومت نقطه خنثی ژنراتور، به منظور برآورده کردن الزامات اصلی نوع اتصال زمین ژنراتور، باید از نوع اتصال زمین با مقاومت بالا در نوع اتصال زمین ژنراتور الکتریکی استفاده شود.

مزایا: ۱. تضمین تداوم منبع تغذیه، زمانی که جریان خطای تک فاز به زمین کمتر از حد مجاز ایمنی ژنراتور دیزلی ۱۰ کیلووات ولتاژ بالا باشد، با عملکرد خطا (عموماً ۲ ساعت). ۲. اضافه ولتاژ قوس الکتریکی شکاف سرکوب می‌شود، که باعث می‌شود اضافه ولتاژ کمتر از ۲.۶ میکروفاز باشد. ۳. حفاظت رله ساده.

معایب: ۱. مناسب برای جریان خازنی اتصال زمین سیستم ولتاژ بالا در مقیاس کوچک (کمتر از ۱۰ آمپر)، استفاده از اسیلوسکوپ را محدود می‌کند. هنگامی که جریان اتصال کوتاه خطای تک فاز به زمین زیاد باشد، جریان عبوری از مقاومت باعث مشکل گرمایش می‌شود و اگر زمان خیلی طولانی باشد، مقاومت خواهد سوخت.

شکل ۱. نمودار امپدانس سیستم و اضافه ولتاژ گذرای چندگانه

۳ انتخاب مقاومت اتصال زمین خنثی برای دیزل ژنراتور اضطراری ولتاژ بالای ۱۰ کیلووات در مرکز شانگهای

۳.۱ انتخاب مقاومت زمین خنثی

هر شرکت تولیدکننده دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی روش‌های انتخاب و کنترل متفاوتی برای مقاومت اتصال زمین نول دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی دارد و هیچ قانون یکسانی برای این موضوع در چین وجود ندارد.

(1)جریان اتصال زمین در محدوده ۱۰۰ تا ۱۵۰ آمپر، ۱۰ تا ۳۰ آمپر و ۱۰٪ جریان نامی کنترل می‌شود.

(2)چندین دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی + چندین کنتاکتور + یک طرح اتصال زمین با مقاومت، و چندین دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی + چندین کنتاکتور + طرح اتصال زمین با مقاومت چندگانه. اولی هزینه کم و مساحت کمی دارد، اما منطق کنترل آن پیچیده است، دومی برعکس.

(3)چندین دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی در حال کار هستند که با یک کنتاکتور برای کنترل گردش خون بسته می‌شوند، و چندین کنتاکتور نیز با کنترل کننده گردش خون بسته می‌شوند.

مقاومت اتصال به زمین نول ژنراتور دیزلی 10 کیلوواتی ولتاژ بالای اضطراری مرکز شانگهای به شرح زیر است:

بنابراین، ۴ مجموعه ۲۵۰۰ کیلووات (قدرت آماده به کار) / ۱۰.۵ کیلوولت، ۱ مجموعه جعبه مقاومت ولتاژ بالای ۳۰۳ با هشدار دما و ۴ مجموعه کنتاکتور AC ولتاژ بالا انتخاب شده‌اند.

۴ محاسبه جریان اتصال کوتاه خطای تک فاز به زمین با مقاومت بالا

نمودار شماتیک جریان اتصال کوتاه کابل با خطای تک فاز به زمین در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکل ۲ نمودار شماتیک جریان اتصال کوتاه کابل با خطای تک فاز به زمین

جریان اتصال کوتاه خطای تک فاز به زمین با خاصیت فلزی کامل کابل عبارت است از:

ICX جریان خازنی خط حفاظت‌شده است، جریان خازنی کوتاه‌ترین کابل در مرکز شانگهای 0.15 آمپر و جریان خازنی بلندترین کابل 0.7 آمپر است.

5 نقطه خطای کابل از مقاومت انتقال RG = (30 ~ 300) عبور می‌کند و جریان اتصال کوتاه خطای تک فاز به زمین برابر است با

جریان اتصال کوتاه کل در هنگام وقوع خطای تک فاز به زمین در سیستم دیزل ژنراتور اضطراری ولتاژ بالای ۱۰ کیلووات، ۲۰.۷ آمپر است. حداکثر حالت عملکرد ...

۵.۲ آمپر برای هر یک از چهار دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی، حداقل حالت کار دیزل ژنراتور ۳۱۰ کیلوواتی است، هر بار جریان ۶.۹ آمپر، بر عملکرد دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی تأثیری ندارد.

۵محاسبه حفاظت جریان توالی صفر برای خط اتصال زمین با مقاومت بالا و حفاظت جریان توالی صفر برای جعبه مقاومت ولتاژ بالا

۵.۱ محاسبه Idz0x خطوط انتقال حفاظت جریان توالی صفر

تنظیم حفاظت جریان توالی صفر، مطابق با شرایط جریان خازنی خط حفاظت‌شده، Idz0x = KIcx است.

زیر: K —— ضریب اطمینان، ۴ ~ ۵.

حساسیت برابر است با: Km = ID/IDZ0X ≥2

کیلومتر ≥۲ برای حفاظت اصلی و کیلومتر ≥۱.۵ برای حفاظت پشتیبان.

نسبت تبدیل CT توالی صفر خط ۱۰۰/۱ است، تنظیم حفاظت جریان صفر ۱ (سمت ثانویه) استIdz0x=5×0.53/100=0.0265 A

در 0.06 a/0.8 s، حساسیت برابر است با:کیلومتر=20.7/(0.06×100)≈3.4≥2

مقدار تنظیم شده حفاظت جریان صفر 2 (سمت ثانویه) برابر است باIdz0x= 4×0.53/100=0.0212 A

در زمان ۰.۰۳/۱.۶ ثانیه، حساسیت برابر است با:کیلومتر=11.3/(0.03×100)≈3.8≥2

محاسبه Idz0R حفاظت جریان توالی صفر برای جعبه مقاومت ولتاژ بالای 5.2

این مقدار ۱.۱ تا ۱.۲ برابر بزرگتر از مقدار تعیین‌شده برای حفاظت توالی صفر پایین‌تر است و محدودیت زمانی آن ۰.۳ ثانیه است.

نسبت CT توالی صفر جعبه مقاومت ولتاژ بالا ۵۰/۵ است و مقدار حفاظت جریان صفر ۱ (سمت ثانویه) برابر است باIdz0R = 1.1×0.06×100/10=0.66 آمپر

در 0.7 a/1.1 s، حساسیت برابر است با:کیلومتر = 20.7 / (0.7×10)≈2.9≥2

مقدار تنظیم شده حفاظت جریان صفر 2 (سمت ثانویه) برابر است باIdz0R = 1.1×0.03×100/10=0.33 آمپر

در 0.4 a/1.9 s، حساسیت برابر است با:کیلومتر = 11.3/(0.410)≈2.8≥2 برای اطمینان از ایمنی شخصی، ولتاژ تماس باید مطابق با استاندارد ملی باشد: وقتی زمان عملکرد حفاظت بیش از 1 ثانیه باشد، مقدار ولتاژ تماس 50 ولت است.

نقطه خطا به ولتاژ زمین استUgz= IdRjd=20.7×1=20.7 V<50 V

در میان آنها، RJD مقدار مقاومت زمین، ≤1.0 است.

۶ استراتژی عملیات اتصال زمین با مقاومت بالا

(1)وقتی خطای تک فاز به زمین در سیستم رخ می‌دهد، جریان اتصال کوتاه برای هشدار دمای جعبه مقاومت ولتاژ بالا بسیار کوچک است و بر عملکرد دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی تأثیری ندارد. چهار دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی در نقطه خنثی به زمین با مقاومت بالا متصل شده‌اند.

(2)وقتی خطای تک فاز به زمین در سیستم رخ می‌دهد، جریان اتصال کوتاه بزرگتر است، که باعث می‌شود زنگ دمای جعبه مقاومت ولتاژ بالا به صدا درآید، و سیستم کنترل دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی، چهار کنتاکتور AC ولتاژ بالا را کنترل می‌کند تا مقاومت بالای زمین خنثی را قطع کند، چهار دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی در حالت بدون زمین خنثی کار می‌کنند.

(3)چهار دیزل ژنراتور 10 کیلوواتی در حالت نقطه خنثی بدون اتصال به زمین کار می‌کنند و جریان خازنی کابل سیستم به زمین I ∑ cL مطابق جدول 2 محاسبه شده است. همانطور که از جدول 2 مشاهده می‌شود، جریان خازنی خط مرکز شانگهای حدود 4 آمپر است.

جدول ۲ محاسبه جریان خازن زمین I ∑ cL کابل سیستم

جریان خازنی کابینت توزیع و سیستم تشکیل کابل به زمین استI∑c= α(1+β)I∑cL=۱.۳×(۱+۱۵%)×۴=۶ آمپر

فرمول به شرح زیر است: (1.2 ~ 1.8) به عنوان ضریب آزادی، (15% ~ 20%) به عنوان نرخ نفوذ تجهیزات توزیع برق.

(4) حساسیت حفاظت جریان توالی صفر (حفاظت پشتیبان ≥1.5) برابر است با

کیلومتر= (I∑c-Icx)/Idz0x=(6-0.53)/3≈1.8≥1.5

(4)تأثیر حالت عملکرد نقطه خنثی بدون اتصال به زمین بر روی دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی. جریان خطای تک فاز به زمین ۶ آمپر است، حداکثر حالت عملکرد ۱.۵ آمپر برای دیزل ژنراتور ۴۱۰ کیلووات و حداقل حالت عملکرد ۲ آمپر برای دیزل ژنراتور ۳۱۰ کیلووات است، که بر دیزل ژنراتور ۱۰ کیلوواتی تأثیری ندارد.

۷ نمودار سیستم مقاومت اتصال زمین نول

سیستم مقاومت اتصال زمین نول ژنراتور دیزلی 10 کیلوواتی ولتاژ بالای اضطراری مرکز شانگهای در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل ۳. سیستم مقاومت اتصال زمین نول ژنراتور دیزلی ۱۰ کیلووات با ولتاژ بالای اضطراری

۸. نتیجه‌گیری

اتصال زمین نول دیزل ژنراتور ولتاژ بالا 10 کیلووات، طیف بسیار وسیعی از مسائل اقتصادی را در بر می‌گیرد. کشورها و شهرهای مختلف در یک کشور، روش‌های مختلفی برای اتصال زمین نول دارند که عمدتاً بر اساس تجربه و سنت عملیاتی خود آنها است.