كاهش سطح اتصال كوتاه شبكه

كاهش سطح اتصال كوتاه شبكه

رشد سریع مصرف در شبکه‌های برق با توسعه و گسترش منابع تولید و ایستگاههای تبدیل و توزیع همراه می‌باشد. کیفیت برقرسانی از نقطه نظر ایمنی و قابلیت اطمینان و ملاحظات پارامترهای اقتصادی ایجاد سیستم‌های بهم پیوسته را مدنظر قرار داده است که بدنبال آن مسائل دیگری از قبیل تامین پایداری شبکه و انتخاب سطوح ولتاژ بالاتر را در پی دارد. گسترش وسیع شبکه مسائلی را ایجاد می‌کند که در مواردی موضوعاتی با کیفیتی جدید و در موارد دیگر آن هایی هستند که بطور عام در شبکه‌های برقرسانی وجود دارند ولی در شبکه‌های بزرگ با سرعت بیشتر و بشکل حادتری بروز می‌کنند. یکی از عمده‌ترین این موضوعات افزایش سطوح اتصال کوتاه و چگونگی کاهش آن می‌باشد. موضوع این مقاله بررسی روش های کاهش سطح اتصال کوتاه بویژه ارائه پیشنهادات در مورد بکارگیری این روش ها در شبکه بهم پیوسته برق ایران است.
یک شبکه الکتریکی که در شرایط عادی بکار مشغول است عهده دار وظایفی است که به آن محول شده است. بطور مثال در یک شبکه ساده انتقال نیرو از مرکز تولید به محل مصرف می‌بایستی تنظیمات و کنترل آنچنان باشد که فرکانس و ولتاژ مورد نظر مصرف کننده را در حد مشخص تامین نماید.
بدلایل مختلف مواردی پیش می‌آید که اختلافی در شرایط کار عادی شبکه بوقوع می‌پیوندد که در این حالت مقادیر کمیات الکتریکی شبکه مورد نظر از حدود نقطه کار عادی آن فاصله بسیاری دارند. طراحی تجهیزات و نحوه کنترل بایستی قابلیت تحمل و پیشگیری این شرایط ناخواسته را داشته باشد. اختلالاتی که در شبکه ایجاد می‌شوند متنوع هستند مانند قطع و وصل ناگهانی بار، خارج شدن و یا در مدار آمدن المانی از شبکه که خارج از قابلیت تحمل آن باشد. شدت افزایش اختلالات است که درجه اهمیت شناسائی و نحوه برخورد با آن ها را مشخص می‌سازد. شاخص‌ترین آن ها عیب‌های غیر متعارفی هستند که در شبکه بوقوع می‌پیوندد و با عنوان اتصال کوتاه می‌شناسیم.
اتصال کوتاه در شبکه‌های سه فاز بستگی به نحوه اتصال فازهای مختلف با هم و یا با زمین انواع مختلفی دارند که مهمترین آن ها اتصال کوتاه سه فازه است. اتصال کوتاه ممکن است در هر نقطه‌ای از ژنراتور تا المان های موجود در پست و یا خطوطی ارتباطی رخ دهد. با گسترش شبکه‌های انتقال و افزایش خطوط انتقال نیرو بدلیل عوامل غیر قابل کنترل احتمال وقوع این حوادث بر روی خطوط انتقال نیرو به مراتب خیلی بیشتر از حوادثی است که در ایستگاه ها بوقوع می‌پیوندند. دستیابی به کمیات الکتریکی در موقع بروز این حوادث بمنظور بکارگیری تجهیزات از نظر قابلیت تحمل و همچنین تنظیمات وسایل حفاظتی اهمیت محاسبات اتصال کوتاه را آشکار می‌سازد.
با توسعه شبکه‌های تولید و انتقال نیرو سطوح اتصال کوتاه شبکه افزایش می‌یابد و این مقادیر در مورد تاسیسات موجود از حدود قدرت تجهیزات بکار گرفته شده فراتر می‌روند و در نتیجه می‌بایستی  تجهیزات موجود تعویض شوند و در مورد طرح های آینده تجهیزات با قدرت بیشتری انتخاب شوند. تعویض تجهیزات در صورت جابجائی آن ها در دستگاه های مختلف به همراه تقویت مناسب تجهیزات و یا انتخاب قدرت های بالاتر علاوه بر محدودیت های تکنولوژیکی از نقطه نظر اقتصادی هم مقرون بصرفه نمی‌باشد.
اگر فقط از همین دیدگاه به مسئله بنگریم لزوم کاهش سطوح اتصال کوتاه مشخص می‌شود و اهمیت بررسی روش هایی که کاهش سطوح اتصال کوتاه را سبب می‌گردند بارزتر می‌شود. در این رابطه عوامل افزایش سطوح اتصال کوتاه و روشهای کاهش آن و چگونگی کاربرد این روش ها در شبکه برق ایران مورد بررسی قرار می‌گیرد.

افزایش سطوح اتصال کوتاه

به جهت رسیدن به روش هایی که سطوح اتصال کوتاه را کاهش دهند قدری بیشتر به عواملی که سبب افزایش سطوح اتصال کوتاه می‌شوند می‌پردازیم زیرا که قبلاً این عوامل را باید شناخت و سپس به مقابله با آن ها پرداخت. مهمترین این عوامل را بصورت زیر میتوان دسته‌بندی نمود.

بالا رفتن قدرت تولیدی نیروگاه های جدید

نیروگاه هایی که در رابطه با توسعه شبکه در مدار قرار می‌گیرند در مجموع از قدرت تولیدی بیشتری نسبت به نیروگاههای قدیمی برخوردار هستند و واحدهای جدید این نیروگاه ها دارای قدرت زیاد می‌باشند. واضح است که با بالا رفتن مصرف نصب نیروگاه های جدید الزامی است و در مدار آمدن این نیروگاه ها جریان اتصال کوتاه شبکه را بالا می‌برند. این افزایش در مورد پست های نیروگاه و پست های مجاور آن از شدت بیشتری برخوردار است.

افزایش مدارهای ارتباطی

در سطح ولتاژ معین بمنظور تغذیه بارهای جدید در مراحلی از توسعه شبکه برای انتقال بار احداث خطوط ارتباطی جدید اجتناب ناپذیر است و همانطور که قبلاً هم اشاره شده به جهت بالا بردن ضریب اطمینان شبکه وجود ارتباطات بیشتر الزامی است.
جدا از مسائل فوق بهم پیوسته شدن سیستمهای نواحی مختلف هم عامل عمده‌ای در ایجاد اتصالات جدید و بالا رفتن سطوح اتصال کوتاه هستند. تأمین پایداری شبکه در سیستم های بهم پیوسته از عوامل مهم افزایش اتصالات و عامل تعیین کننده‌ای در انتخاب کلاس ولتاژ بالاتر است.

کلاس ولتاژ بالا

در مراحلی از توسعة شبکه با توجه به میزان انتقال بار و اهمیت پایداری شبکه به دلایل فنی و اقتصادی کلاس ولتاژ بالاتری انتخاب می‌گردد. در مواردی که ولتاژ بالاتر برای تغذیه پست‌های با بارهای سنگین بکار گرفته می‌شوند به دلیل مشخصات الکتریکی مدارهای ارتباطی در کلاس ولتاژ بالاتر افزایش سطوح اتصال کوتاه مطرح است ولی با ارتباط سیستم جدید با ولتاژ بالاتر به سیستم موجود با ولتاژ پائین‌تر مسئله افزایش سطح اتصال کوتاه برای سیستم با ولتاژ پائین‌تر به صورت هادی مطرح خواهد شد.

پست های تبدیل ولتاژ

چنانکه در مرحلة قبل ذکر شد انتخاب کلاس ولتاژ بالاتر به منظور انتقال بار بیشتر است که در مسیرهای انتقال از طریق ترانسفورماتورهای تبدیل ولتاژ در ایستگاه های مورد نظر این عمل انجام می‌گردد. محل ایستگاه های تبدیل در مراحل برنامه‌ریزی توسعه شبکه تعیین می‌شود. نکته مهم این است که وقتی در نقطه‌ای از شبکه چنین تبدیلی انجام شود در طرف ولتاژ پائین‌تر معمولاً مدارات موجود در این ایستگاه ها ورود و خروج می‌گردندکه علاوه بر اتصال از طریق ترانسفورماتور به شبکه با ولتاژ بالاتر، افزایش تعداد مداراتی که با نیروگاه ها در سطح ولتاژ پائین‌تر رینگ هستند باعث افزایش جریان اتصال کوتاه می‌گردند.

افزایش ظرفیت پست ها

جابجایی و یا اضافه شدن ترانسفورماتورها به منظور بالا بردن ظرفیت پست از مواردی است که باعث افزایش جریان اتصال کوتاه و به خصوص در طرف فشارضعیف پست ها توزیع می گردد.

روش های کاهش سطوح اتصال کوتاه

با توجه به شناخت عوامل عمده افزایش سطوح اتصال کوتاه به بررسیروش های کاهش آن می‌پردازیم. خطوط اساسی کاهش سطح اتصال کوتاه را می‌توان بشرح زیر طبقه‌بندی کرد.

استفاده از تجهیزات با ظرفیت مناسب

در مرحله‌ای که قدرت تجهیزات از سطوح اتصال کوتاه کمتر می گردد می‌توان اقدام به تعویض آن نمود و تجهیزاتی با قدرت بیشتر نصب کرد و همچنین با در نظر داشتن سطوح اتصال کوتاه آینده شبکه که برای فاصله زمانی مناسبی محاسبه گردیده ظرفیت تجهیزات مورد نظر را انتخاب نمود.
کاربرد این روش در شبکه‌هائی که زیاد گسترده نیستند معمول است و حتی در مورد شبکه‌های بسیار بزرگ هم تا جائی که امکانات تکنولوژی اجازه می‌دهد محدودیتی وجود ندارد ولی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

چگونگی قابلیت اطمینان، پایدار و انعطاف‌پذیری سیستم

در نظر گرفتن کاهش جریان اتصال کوتاه در طراحی با احتساب معیار لازم برای منظور آن است که طرح پست ها و اتصالات به گونه‌ای باشند که قابلیت مانور فراوان داشته باشند و در شرایط به خصوصی به توان امکانات تغذیه مناسب را از طریق آن ها برقرار ساخت و یا اینکه راکتور سری که در زمان بروز عیب بتواند با پدیده ـ افزایش جریان اتصال کوتاه مقابله نماید منظور شود. به عنوان مثال در ایستگاهایی که اهمیت آن ها از این نظر بارز است با بررسی مشخص می‌شود که ترتیب شینه بندی و کلیدهای کوپلاژو تقسیم کننده چگونه باشد تا بتوان امکان جداسازی شینه‌ها و مانور خطوط بر روی شینه مورد نظر را فراهم آورد. هزینه در این روش با توجه به قابلیت مانور گران ولی از تجهیزات استفاده بیشتری حاصل می‌آید.

جداسازی شینه‌ها قابلیت اطمینان شبکه را در مواقعی که این عمل انجام شود پائین می‌آورد.
طرح های ویژه اتصالات سیم‌پیچی ژنراتورها و ترانسفورماتورها سبب کاهش جریان اتصال کوتاه به مقدار مؤثری می‌گردند.

استفاده از وسایل محدود کنندة جریان اتصال کوتاه

استفاده از دستگاه های محدود کننده جریان اتصال کوتاه در شبکه‌های بسیار بزرگی که حتی با بکا گرفتن کلیدهای با قدرت قطع 50 و 63 کیلو آمپر هنوز با افزایش سطح اتصال کوتاه مواجه می‌باشند مطرح گردیده است. متذکر می‌گردد که برای شبکه برق ایران که جریان اتصال کوتاه آن تا قدرت قطع کلیدهای فوق الذکر فاصله زیادی دارد بکارگیری چنین وسایلی توصیه نمی گردد.

بکارگیری سیستم‌های حفاظتی ویژه جهت کاهش صدمات ناشی از وصل‌های مجدد و بی مورد کلیدها:

جهت کاهش اثرات جریان اتصال کوتاه بر روی تجهیزات با اندازه‌گیری های BACK-UP و استفاده رله‌های حفاظتی خاص می‌توان از شدت خسارت وارده جلوگیری کرد. این روش با کاربرد سیستم‌های حفاظتی ویژه در مقیاس ـ وسیعی برای تجهیزات مختلف با توجه به امکانات عملی می‌تواند بکار گرفته شود. و بدین وسیله می‌توان صدمات وارده به تجهیزات ناشی از باقی ماندن عیب در وصل‌های مجدد بطور خودکار و یا بطور دستی را کاهش داد.

کاهش سطح اتصال کوتاه در شبکه برق ایران

شبکه برقرسانی ایران در ابتدا مانند شروع و بکارگیری این صنعتدر ممالک پیشرو در این زمینه از سیستم های جداگانه تشکیل می‌شد که بعداً با گسترش و بهم پیوسته شدن سیستم های جدا از هم سیستم بهم پیوسته برق ایران بوجود آمد بطوریکه امروز بغیر از نواحی خراسان و سیستان و بلوچستان بقیه نواحی در مجموعه سیستم بهم پیوسته برق ایران قرار گرفته‌اند. در مراحل اولیه گسترش سیستم بغیر از ناحیة تهران و تا حدودی خوزستان بسیاری از شبکه‌های نواحی آلت تغذیه شعاعی را داشتند هر چند که در داخل شبکه‌های مورد نظر منابع تولید وجود داشت ولی میزان تولید کم و واحدها کوچک بودند. شبکة مازندران از طریق خط تک مداره 230 کیوولت بعثت ـ قائم شهر، ناحیه غرب شامل استانهای همدان و باختران از خط 230 کیلوولت تک مداره خرم‌آباد کنگاور، به ناحیه‌آذربایجان از خط تک مداره 230 کیلوولت لوشان ـ سرد رود و ناحیه گیلان از طریق خط 132 کیلوولت سفید رود رشت تغذیه می‌شدند و نواحی فارس، اصفهان، بندرعباس و جنوب شرقی سیستم‌های تغذیه جداگانه را داشتند. در همان زمان که ناحیه اصفهان از شبکه جدا بود در محدوده تهران رینگ کامل 230 کیلوولت با تعداد زیادی پست 63/230 کیلوولت با منابع تولیدی نزدیک به آن وجود داشت.
با گسترش بیشتر شبکه افزایش سطوح اتصال کوتاه در ناحیه تهران آثار خود را نشان داد  انتظار می‌رود که نواحی دیگر بخصوص خوزستان و اصفهان در آینده با مشکل بالا بودن جریان اتصال کوتاه مواجه شوند. بنابراین لازم است که به طریقی جریان اتصال کوتاه در شبکه بهم پیوسته برق ایران کاهش یابد. با توجه به حاد بودن این مسئله برای ناحیه تهران اعمال روش های فوق را برای شبکه تهران مورد بررسی قرار داده و نتایج حاصله از بررسی ناحیه تهران می‌تواند برای سایر نواحی مفید واقع شود.
از میان روش های شناخته شده همانطور که قبلاً هم گفته شد استفاده از دستگاه های محدود کننده جریان اتصال کوتاه توصیه نمی‌گردد زیرا که اساساً سطح اتصال کوتاه در ناحیه تهران در حدی نیست که نتوان آن را بدلیل محدودیت های تکنولوژی بر طرف ساخت. بکار گرفتن سیستم های حفاظتی ویژه احتمال وقوع صدمات را کاهش می‌دهد و استفاده از آن ایمنی بیشتری را برای آن دسته از تجهیزات که در وضعیت بحرانی نیستند فراهم می‌آورد ولی مشکل در مورد تجهیزاتی که قدرت تحملشان پائین‌تر از جریان اتصال کوتاه ناحیة تهران است. به قوت خود باقی است.
بنظر می‌رسد که روش تعویض تجهیزات پاسخگوی حل مشکل باشد. اعمال این روش با محدودیت هایی روبروست که از آن جمله بار مالی آن است که می‌بایستی صرف خرید تجهیزات جدید گردد. در صورتیکه از نظر مالی محدودیت هایی وجود نداشته باشد. در بعضی موارد بدلیل محدودیت های که در پستها وجود دارد امکان کاربرد این روش بسیار محدود است و حتی در بعضی پست ها مشکل بنحوی است که باید تغییراتی اساسی در طراحی پست بعمل آورد. با بکارگیری این روش می توان برای آن گروه از پستها که امکان تعویض تجهیزات وجود دارد به مقابله با مشکل پرداخت. برای این گروه از پست ها در فاصله زمانی که اینکار انجام می‌شود. مسئله بقدرت خود باقی است و همچنین برای آن گروه از پست هایی که کاربرد این روش هزینه زیادی در بر دارد روش دیگری باید مورد بررسی قرار گیرد.

معایب سطح اتصال کوتاه در شبکه برق

از میان روش های ذکر شده روش جداسازی شینه‌ها و کم کردن تعداد مدارات ارتباطی می‌تواند برای آن گروه از پست ها که در فاصله زمانی معینی مواجه با شکل بالا بودن سطح اتصال کوتاه هستند مفید واقع شود. لازم به ذکر است که در مراحل مختلف برنامه ریزری توسعه شبکه است که زمان تعویض تجهیزات هم برای سیستم موجود و هم برای طرح های آینده مشخص می‌شود. در مورد برنامه‌های آینده با در نظر گرفتن موضوع کاهش جریان اتصال کوتاه، طرح پست بایستی به نحوی باشد که قابلیت مانور برای جداسازی شینه‌ها را فراهم آورد. راکتور سری و یا طرح های ویژه برای سیم‌پیچی ژنراتورها و ترانسفورماتورها که در کاهش سطح اتصال کوتاه به مقدار قابل ملاحظه ای مؤثرند می‌توان در نظر گرفته شود. منظور نمودن پارامترهای ذکر شده در طرح ها باید با معیارهای قابل قبول برای قابلیت اطمینان، پایداری و حداقل تلفات همراه باشد. که مسلماً هزینه طرح را افزایش خواهد داد ولی از تجهیزات استفاده بیشتری به عمل خواهد آمد.
در مورد سیستم موجود که به اجبار باید روش جداسازی را به کار گرفت تعداد پست‌هایی که امکان این کار را دارند محدود است و ضریب اطمینان تا حدودی پائین خواهد آمد. جدا از محدودیت های فوق اعمال این روش واحد بهره‌برداری را با اشکالاتی دیگر مواجه می‌سازد که از نقطه نظر بهره‌برداری از شبکه بسیار مهم است.
برای رسیدن به ترتیب بخصوص برای جداسازی شینه‌ها قبلاً بایستی مطالعات لازم از نظر پرباری خطوط و تا حدودی پایداری شبکه انجام گیرد و نتایج حاصله در اختیار بهره‌بردار قرار گیرد تا وضعیت مورد نظر را ایجاد نماید. بهره‌ بردار با هر اتفاقی باید وضعیت جدیدی را بوجود آورد ولی برای ایجاد وضعیت جیدی احتیاج به مطالعه و محاسبات دارد. در صورت وجود امکانات محاسباتی با سرعت زیاد در مراکز کنترل بهره‌بردار باید راساً مطالعه لازم را جهت دستیابی به وضعیت جدید انجام دهد که این خارج از توانائی و یا حداقل کار بهره‌بردار را ـ فوق‌العاده مشکل می‌سازد. در صورتی که بهره‌بردار بخواهد از نتایج مطالعاتی که قبلاً انجام شده مدد بگیرد نتایج حاصله از چنین مطالعاتی بسیار حجیم است که برای بهره‌بردار قابل استفاده نخواهد بود.
بنابراین در چهارچوب همین روش باید آن جداسازی را انجام داد که عملی‌تر و ساده‌تر باشد. برای شبکه‌ای مانند ناحیه تهران که دارای رینگ کامل 230 کیلوولت است و تعداد مدارهای کافی 400 کیلوولت آن را در بر گرفته است می‌توان با در نظر گرفتن میزان بار انتقالی به پست‌های 63/230 کیلوولت تعدادی از مدارهای 230 کیلوولت را از مدار خارج کرد.
با مانور درسطح ولتاژ فوق توزیع 63 کیلوولت برای تهران می‌توان بار پست‌های 63/230 کیلوولت را در حد مطلوب نگاه‌داشت و با ادامه خارج ساختن خطوط 230 کیلوولت به تغذیه شعاعی پست‌ها رسید. در این روش بهره‌بردار با مشکل خاصی از نظر ترتیب اتصالات مواجه نیست و فقط در موقع خروج مدار در اثر عیب ماندگار است که پت را از طریق مدار دیگر برقرار می‌نماید. مطالعه در این زمینه برای ناحیة تهران نشان می‌دهد که با این کار جریان اتصال کوتاه در سطح ولتاژ 230 کیلوولت به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد و اگر با جداسازی شینه‌ها در سطح ولتاژ 63 کیلوولت همراه نباشد میزان کاهش جریان اتصال کوتاه در سطح ولتاژ 63 کیلوولت برق تهران بسیار زیاد خواهد بود.
اشکال این روش بی‌برق شدن پست برای مدت کوتاهی در زمان خروج مدار تغذیه کننده آن است که در مقابل مزایای استفاده طولانی‌تر از تجهیزات و سهولت اجرای آن قابل صرف نظر کردن است. خلاصه روش آن است که همان وضعیت شبکه 63 کیلوولت در مقابل شبکه 230 کیلوولت را برای شبکه 230 کیلوولت در مقابل 400 کیلوولت ایجاد نماییم. این روش که برای شبکه ناحیه تهران عملی است برای شبکه‌های سایر نواحی سیستم بهم پیوسته برق ایران که در آینده با چنین مشکلی مواجه شوند می‌تواند بکار گرفته شود.
نتایج حاصله از مطالعه روش جداسازی شینه‌ها برای سیستم 230 کیلوولت موجود و اعمال روش تقلیل مدارات برای سیستم 230 کیلوولت آینده تهران که به تغذیه شعاعی پست ها می‌انجامد در جدول 1 درج گردیده‌اند. در بررسی شبکه آینده تهران ارتباط مدارات به نحوی در نظر گرفته شده که هر پست از دو طرف تغذیه شود و فقط پست دوشان تپه به صورت شعاعی تغذیه شده است. در صورتی که در مورد سایر پست ها 230 کیلوولت هم تغذیه شعاعی مطرح گردد میزان کاهش جریان اتصال کوتاه از مقادیر ارائه داده شده به مراتب کمتر خواهد بود.

روش های مقابله با افزایش و کاهش جریان اتصال کوتاه

1. تعویض تجهیزات
2. جداسازی شینه‌ها و تقلیل مدارات
3. بکارگیری دستگاههای محدود کننده جریان اتصال کوتاه.
4. استفاده از سیستم‌های حفاظتی ویژه بمنظور کاهش صدمات ناشی از اتصال کوتاه در مورد شبکه برق ایران به خصوص ناحیه تهران برای مقابله با افزایش جریان اتصال کوتاه در مرحله اول می‌توان روش تعویض تجهیزات را بکار گرفت و در صورت وجود محدودیتهایی برای اعمال این روش در مرحله بعدی روش جداسازی شینه‌ها و تقلیل مدارات را بکار برد. برای سهولت اجرا فقط تقلیل مدارات می‌تواند برای شبکه 230 کیلوولت اعمال شود و نهایتاً به تغذیه شعاعی پست‌ها 63/230 ـ کیلوولت بیان جامد استفاده از دستگاه های محدود کننده جریان اتصال کوتاه برای شبکه برق ایران مورد نظر نیست ولی بکارگیری سیستم‌های حفاظتی ویژه بمنظور کاهش صدمات به تجهیزات می‌تواند مطرح گردد.

مدل های پیشنهادی اندازه گیرهای جریان با توجه به این زمینه کاری