جریان توالی منفی

در این بخش قصد داریم شما را با مفهوم جریان توالی منفی آشنا نماییم . پس در ادامه مطالب با ما همراه باشید 

همانطور که می‌دانید، ژنراتورها و موتورها باید با بارگذاری سه فاز متعادل کار کنند، اما قرارگرفتن در معرض جریان نامتعادل اجتناب ناپذیراست.

نا متعادلی‌ها‌می‌تواند از بسیاری از منابع مختلف مانند بارهای نامتعادل، ساخت خط انتقالترانسپوز نشده، خطاها و باز شدن یک فاز، و غیره، وجود بیایند.

این نامتعادلی‌ها به عنوان جریان توالی‌منفی در سر سیم‌های ژنراتور ظاهرمی‌شوند.

 بر اساس تعریف، جریان‌های‌توالی منفی‌یک جهت‌چرخش بر عکس سیستم‌قدرت دارند. این جریان استاتور برعکس شده، جریان‌هایی با فرکانس‌های دوبرابر را در ساختارهای روتور ایجادمی‌کند.

و حرارت حاصل می‌تواند‌خیلی سریع به روتور آسیب برساند.

برای چندین دهه، رله‌های اضافه جریان‌توالی‌منفی الکترومکانیکی، به عنوان حفاظت استاندارد جریان نامتعادل برای ژنراتورهای متوسط ​​و بزرگ ارائه شده‌اند.

تکنولوژی الکترومکانیکی حساسیت این رله را بسیار محدود کرده‌است. در نتیجه، آنها تنها می‌توانند حفاظت پشتیبان را برای خطای فاز به فاز پاک نشده و خطای زمین ارائه دهند .

خطاهای بالقوه آسیب زا با جریان‌کم، مانند باز بودن یک فاز یا خطای محدود، غیر قابل کشف بود.

با ظهور فناوری حالت جامد(solid-state) و تکنولوژی ریزپردازنده‌ها، در حال حاضر انواع رله‌های حفاظتی برای حفاظت ژنراتور در طیف وسیعی از شرایط نا متعادلی وجوددارد.

بنابراین جریان توالی‌ منفی چیست؟

مفهوم جریان توالی منفی ريشه در روش مولفه‌های متقارن (symmetrical component)دارد.

تئوری پایه اجزای متقارن این‌است که جریان و ولتاژ در یک سیستم‌قدرت سه فازمی‌تواند توسط سه مولفه تک فاز نشان‌داده‌شود.

این مولفه‌ها مثبت، منفی و صفر‌است. مولفه توالی مثبت جریان یا ولتاژ همان‌جهت چرخش سیستم‌قدرت را دارا می‌باشد. این‌توالی نشان‌دهنده بار متعادل‌است.

اگر جریان‌های فاز ژنراتور برابرو اختلاف آنها دقیقا 120 درجه باشد، فقط جریان توالی‌مثبت وجود خواهد داشت .

عدم تعادل اندازه‌های جریان یا ولتاژ میان فاز ها و یا زاویه فازها، منجر به‌ایجاد توالی‌منفی و صفرمی‌شود.

 شکل1 – مولفه‌های متقارن: توالی مثبت، منفی‌و صفر

که

مولفه‌توالی‌منفی دارای‌جهت چرخشی برعکس‌سیستم قدرت‌است.

مولفه توالی صفر نشان‌دهنده عدم تعادل‌است که‌باعث جریان در سیم خنثی(نول)‌می‌شود.

همچنین، مولفه‌توالی‌منفی شبیه به‌سیستم توالی مثبت‌است، به استثنای آن که میدان‌واکنشی حاصل از آن درجهت مخالف چرخانده‌می‌شود.

بدین‌ترتیب، یک شار تولید‌می‌شود که از روتور را با دو برابرسرعت چرخش عبور‌می‌کند، در نتیجه موجب‌ایجاد جریان‌های با فرکانس دوبرابر در سیستم‌میدان و درون روتور‌می‌شود.

جریان‌های گردابی (eddy currents)حاصل از آن بسیار بزرگ‌است وباعث گرمای شدید روتورمی‌شود.

این اثر به قدری شدید است‌که یک بار تک‌فاز براب با جریان معمولی سه فاز معمولی‌می‌تواند به سرعت لبه‌های شیار روتور را تا نقطه نرم شدن گرم کند.

سپس ممکن‌است تحت نیروی سانتریفیوژ موجب تغییرشکل روتور شوند تا این جریان‌ها بتوانند روی‌سطح روتور قرارگیرند، و حتی ممکن‌است به‌سطح استاتور نیز ضربه بزنند.

یک ژنراتور دارای یک توان‌ نامی‌توالی منفی‌است.

برای توربو ژنراتورها این توان کم‌است – مقادیر استاندارد 10٪ و 15٪ از توان‌نامی ژنراتور‌است.

 مقدارهای پایین‌تر نامی زمانی استفاده‌می‌شود که تکنیک‌های خنک‌کنندگی شدیدتری مانند خنک‌سازی با هیدروژن یا با کانال‌های گاز در روترو برای سهولت خنک‌سازی اعمال‌می‌شود،

گرمایش کوتاه مدت در شرایط خطاسیستم مورد توجه‌است و معمولا در تعیین توانایی ژنراتور در تحمل جریان‌توالی‌منفی ، فرض این‌است که تبادل حرارتی در این دوره‌ها بسیار ناچیزاست و تمام گرما در روتور می‌ماند.

با استفاده از این تقریب می‌توان به وسیله قانون گرما را بیان کرد:

I₂²t = K

که :

• I₂ = مولفه توالی منفی‌(پر یونیت توان دائمی نامی).
• t   = زمان (ثانیه).
• K = ثابتی‌است که متناسب با ظرفیت حرارتی روتور ژنراتور است.

برای گرمایش بیش از یک دوره بیش از چند ثانیه، لازم‌است که اجازه دهیم تا گرما تبادل داشته باشد.

از ترکیبی از مقدارنامی دائم و مقدارنامی کوتاه مدت ویژگی کلی گرمایش را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

که  I_2R  مقدارنامی جریان دائم توالی‌فازمنفی بر حسب پر یونیت حداکثرتوان نامی‌دائمی‌است (maximum continuous rating)(MCR)

برای نشان‌دادن چگونگی استنتاج، به بارگیری ژنراتور نمونه نشان‌داده‌شده در شکل2 مراجعه کنید.

 شکل2 – جریان‌های نامتعادل ژنراتور

بارگیری ژنراتور نامتعادل‌است و بنابراین، علاوه‌بر جریان توالی‌مثبت، جریان توالی‌منفی و یا توالی‌صفر نیز موجوداست.

زمانی که مقدار جریان و زاویه جریان فازها موجوداست می‌توان جریان‌های توالی را از جریان‌های فاز به‌دست آورد.

از نظر ریاضی، مثبت (I₁)، منفی‌(I₂) و صفر (I₀) جریان‌های‌توالی در یک‌سیستم با چرخش ABC به صورت زیر تعریف‌می‌شود: (معادله 1):

جایگزینی جریان و زاویه فاز از شکل 1در معادله (1)، جریان‌های‌توالی به صورت زیرمی‌شوند:

وجریان‌نامی برای‌سیستم نمونه 4370 آمپراست. جریان توالی مثبت 4108 A/4370 A = 0.94 pu و جریان توالی‌منفی 175 A/4370 A = 0.04 pu می‌باشد.

جریان توالی‌صفر مجموع برداری جریان‌های فازی‌است و باید در خنثی یا زمین جریان یابد .

ژنراتور نمونه سیستم‌به سیم‌پیج مثلث ترانسفورماتور افزاینده ژنراتور (Generator Step Up (GSU) transformer)متصل‌شده‌است.

با هیچ مسیر برگشت سیم خنثی، جریان توالی صفر‌نمی‌تواند وجود داشته‌باشد. جریان صفر محاسبه شده ناشی از خطای اندازه گیری‌است و باید صفر در نظر‌گرفته‌شود.

اثرات جریان توالی‌ منفی

گرمایش روتور

میدان‌مغناطیسی در شکاف هوا در سرعت سنکرون (روتور) و در همان‌جهت روتور می‌چرخد.

از آنجا که روتور ومیدان مغناطیسی توالی‌مثبت القا‌شده روتور با همان سرعت و جهت حرکت می‌کنند، میدان یک موقعیت ثابت نسبت به روتور را حفظ‌می‌کند و هیچ جریانی در روتور القا نمی‌شود.

جریان نامتادلی منجر به‌ایجاد جریان‌توالی‌منفی می‌شودکه به نوبه خود‌باعث ایجاد‌میدان معکوس گردشی در فاصله هوای می‌شود.

این میدان مغناطیسی دارای سرعت سنکرون‌است اما جهت‌چرخش آن برعکس می‌باشد،

از نقطه نظر یک نقطه درسطح روتور، به نظر می‌رسد که این میدان‌در سرعتی دو برابرسرعت سنکرون چرخش‌دارد.

همانطور‌که این‌میدان در سراسر روتور عبورمی‌کند، موجب‌ایجاد جریان با فرکانس دو برابردر داخل بدنه روتور یک ماشین با روتور استوانه‌ای و در بیرون قطب‌های یک روتور برجسته‌می‌شود.

بخشی از مسیر جریان القا‌شده مقاومت الکتریکی بالا به جریان القایی نشان‌می‌دهد و نتیجه آن گرم شدن سریع‌است.

آسیب به علت از دست دادن یکپارچگی مکانیکی یا شکست عایق‌می‌تواند در عرض چند ثانیه رخ دهد.

ژنراتور روتور استوانه‌ای

یک روتور استوانه‌ای از یک قالب فولادی جامد با شکاف‌های برش خورده در طول آن ساخته‌شده‌است.

هر کویل‌میدان نیاز به دو شکاف، یکی برای هر طرف سیم‌پیچ نیاز دارد. یک شیار ممکن‌است شامل یک یا چند سیم‌پیچ کویل باشد.

لبه‌بین شیارها دندانه نامیده‌می‌شود. شکل3 پیکربندی روتور را نشان‌می‌دهد.

 شکل3 – روتور

شیارها در دو طرف هر دندانه ماشین کاری‌می‌شوند تا تا گوه‌ها را در امتداد طول کامل شکاف قراردهند.

گوه‌ها سیم‌پیچ‌های درداخل شیارها را نگه می‌دارند. در بعضی از ماشین‌ها، نوارهای رسانا میان گوه‌ها  و سیم‌پیچ‌میدان نصب‌می‌شود.

این نوارها در حلقه‌های نگه دارند اتصال کوتاه‌می‌شوند تا یک مسیرکم مقاومت برای جریان‌های القا‌شده ایجاد‌شود.

حلقه‌های جریانی تشکیل‌شده توسط این نوارها به عنوان سیم‌پیچ amortisseur  شناخته‌می‌شود.

پیکربندی شیار گوه، کویل میدان و سیم‌پیچ اختیاری amortisseur درشکل 4‌نشان‌ داده‌شده‌است.

 شکل4 – شکاف‌ها و گوه‌ها

درانتهای روتور، حلقه‌های‌نگهدارنده، انتهای‌سیم‌پیچ میدان‌را در مقابل نیروی گریز از مرکز نگه‌می‌دارند.

حلقه‌های‌نگهدارنده معمولا جمع‌می‌شوند تا کاملا روی روترو فیت شوند، اما در ماشین‌های قدیمی‌تر آن‌ها می‌توانستند آزادانه شناور باشند و به صورت تصادفی با بدنه روتور متصل شوند.

 گوه‌‌ها و حلقه‌ها برای مقاومت مکانیکی طراحی شده‌اند زیرا آن‌ها باید سیم‌پیچ میدان‌های بزرگ را در سرعت ژنراتورنامی ژنراتور ثابت روی روتور نگه دارند .

حلقه‌های نگهدارنده‌بیشترین استرس و فشار را در بی قطعات روتور دارا می‌باشند.

جریان 120 هرتز القا‌شده در حلقه‌های الکتریکی در طول یک روتور استوانه‌ای جریان‌دارد، همانطور که درشکل 5 نشان‌داده‌ شده‌است. مقدار حلقه‌های جریانی برابربا تعداد قطب روی استاتور‌است.

هنگامی‌که جریان متناوب درون هادی عبورمی‌کند، در این مورد در بدنه روتور ، تراکم جریان یکنواخت نیست.

 شکل5 – جریان‌های روتور

“اثر پوستی”   باعث‌می‌شود جریان متناوب به سطح‌بیرونی هادی حرکت کند. این روند با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد.

در یک روتور استوانه‌ای، جریان القایی 120 هرتز یک‌سطح مقطع عرضی از سطحی روتور به عمق نه بیشتر از 0.1 تا 0.4 اینچ را اشغال‌می‌کند .

این باعث‌می‌شود تا جریان‌های القایی به دندانه‌ها و گوه‌ها در سطح‌روتور بروند.

تراکم جریان بالاباعث افزایش مقاومت روتور به مقدار زیادی برای جریان 120 هرتز نسبت به جریان DC یا 60 هرتزمی‌شود.

مقاومت بالاتر موجب تولید تلفات بیشتر و گرمای بیشتر در هر آمپر برای جریان 120 هرتز نسبت به جریان فرکانس پایین ترمی‌شود.

جریان‌های القاشده حداکثر حرارت را درانتهای بدنه روتور تولید می‌کنند.

گرمای قابل توجهی از طریق مقاومت تماسی ایجادمی‌شود که جریان از گوه به دندانه انتقال می‌یابند تا به حلقه‌نگهدارنده وارد شوند و از حلقه به دندانه‌ها و سپس به گوه‌ها تا حلقه بازگشتی جریان ایجادمی‌شود.

افزایش گرما نیز به علت  تراکم بالای جریان در این مکان ها‌است چون جریان در دندانه‌ها تراکم شدید پیدا‌می‌کند تا به حلقه‌نگهدارنده درانتهای روترو وارد یا خارج شوند.

تحمل جریان توالی‌منفی‌یک ژنراتور بستگی به تماس الکتریکی خوب‌بین ساختارهای روتوردارد. مقاومت‌کم، حرارت را به حداقل می‌رساند و از جرقه در نقاط تماس جلوگیری‌می‌کند .

طراحان ویژگی‌های بسیاری برای بهبود هدایت التکریکی اضافه می‌کنند.

که

این‌ها شامل اضافه کردن سیم‌پیچ‌های amortisseur در شکاف‌های روتوراست تا یک  مسیرهای کم مقاومت در سراسر سطح‌روتور ایجادشود.

انتهای‌وسیم‌پیچ‌های amortisseur به حلقه‌های نگهدارنده‌متصل‌می‌شوند تا یک اتصال‌کم مقاومت از شیار به حلقه‌ایجادشود.

گوه‌های آلومینیومی داخل شیار نیزمی‌تواند برای کاهش مقاومت در این مسیر جریان مورداستفاده قرارگیرد.

گوه‌های آلومینیومی نقره اندود‌شده می‌توانند مسیر جریان کم‌مقاومت را از گوه‌ها به حلقه‌های نگهدارنده ایجادکنند.

سطح‌روتور در محل فیت‌شدن حلقه نگهدارنده‌اغلب با پوشش نقره‌ای‌است تا مقاومت و حرارت در محل‌اتصال کاهش پیداکند.

دو نوع خطا در روتور مرتبط با جریان نامتعادلی‌است.

گرما در گوه‌های شیارباعث نرم‌شدن و تغییرشکل به خاطر نیروها اجزا در شیارمی‌شود. خطای دوم می‌تواند حلقه نگهدارنده‌باشد.

گرمایش اضافه‌می‌تواند باعث‌شود تا حلقه نگهدارنده‌از بدنه روتور جداشود.

حلقه‌ی‌نگهدارنده پس از خنک‌شدن مجدد ممکن‌است تغییر شکل دهد و به صورت یک موقعیت کج شدگی بر روی روتور قرار گیرد و در نتیجه باعث  لرزش در روترو خواهدشد.

همچنین، از دست‌دادن تماس الکتریکی خوب در هنگام شناورشدن، باعث‌می‌شود که نقاط اتصال ضعیف و یا تماس ضعیف ایجادشود.

حلقه‌های نگهدارنده‌که برای حالت شناور بودن طراحی شده‌اند نیز ممکن‌است در نقاط تماس به علت اتصال ضعیف جرقه ایجاد کند.

دماهای بالا ایجاد‌شده در محدوده‌ی حلقه‌نگهدارنده می‌تواندوضیعت را تشدیدکند منجر به ترک خوردن تحت تنش‌های متنوع راه اندازی و خاموش‌شدن‌شود.

ویژگی‌های گرمایی طرح‌های مختلف ژنراتور در شکل6 زیرنشان‌داده شده‌است.

که

 شکل6 – تحمل جریان‌توالی منفی‌یک  ژنراتور روتور استوانه ای

ژنراتورهای قطب برجسته

ژنراتورهای قطب برجسته به طور معمول سیم‌پیچ آموریتسور را به شکل‌میله‌های رسانایی که در طول هر قطب روتور قرار دارند ساخته‌می‌شوند.

انتهای‌وآنها به‌شکل یک‌مسیر کم‌مقاومت در قطب‌ها جوش داده‌می‌شود.

دو نوع اساسی از Amortisseurs وجوددارد :

• سیم‌پیچ‌های غیر متصل شده Amortisseurs در هرسطح قطب جدا شده‌اند و عایق هستند(isolated).
• Amortisseurs‌های متصل‌شده دارای میله‌هایی هستند که‌بین قطب‌ها پل می‌شوند تاانتهای تمام گروه‌های amortisseurs را در هر قطب به هم متصل کنند.

بخش عمده‌ای از جریان القایی در روتور یک ماشین قطب برجسته درسطح قطب amortisseurs جاری‌است . از آنجا که اتصالات جوش داده‌شده‌اند، این‌مسیر نقاط داغ اتصالات در حالت روتور استوانه‌ای را ندارند،

با این حال، جریان amortisseurs تمایل به جریان یافتن در میله‌های بیرونی‌است و جریان القا‌شده می‌تواند موجب‌ایجاد فشار و اسیب به علت در فشار بودن میله‌ها شود.

 شکل7 – سیم‌پیچ‌های Amortisseur

اگر آموریتسورها بین‌قطب‌ها متصل نشوند، بخش بزرگي از جريان‌های اتصالات کاهش‌می‌یابد اما جریان زیاد در داخل اتصالات‌بین قطب‌های جاری‌می‌شود.

اتصال Amortisseur ها همچنین یک ویژگی بالانس کردن جریان روی میله‌های سطح قطب‌هادارد.

ماشین‌های قطب برجسته با سیم‌پیچ‌های Amortisseur متصل‌شده دارای ظرفیت جریان‎‌توالی منفی‌بیشتری نسبت به حالت دیگر هستند.

بخش محدود کننده در ماشین‌های متصل‌شده معمولا میله‌هایی هستند که قطب‌ها را پل می‌کنند.

جريان القا‌شده بزرگ در اين ميله‌ها جريان‌مي‌تواند باعث‌ایجاد  گرمایی شود که میله‌ها را نرم کند و منجر به شکست مکانیکی در شرایط وجود نیروی گریز از مرکزشود .

 شکل8 – اختلاف در روتور قطب برجسته و روتور گرد یا استوانه‌ای

گشتاور پالسی

جریان‌توالی‌منفی یک میدان‌مغناطیسی چرخشی باجهت معکوس در فاصله هوایی‌ ایجادمی‌کند.

این‌میدان یک گشتاور ضربانی در شفت با فرکانس دووبرابر فرکانس منبع  ایجادمی‌کند. مقدار گشتاور متناسب با جريان توالی‌منفی در استاتوراست. ضربان‌ها به استاتور منتقل‌می‌شوند.

اگر استاتور با فنر به زمین وصل شود، ضربان آن جذب خواهد شد. بدون لرزه گیر و فنر، پالس‌ها به پایه استاتور منتقل می‌شوند، که باید آن‌ها را در طراحی در نظرگرفت.

به طور کلی، مشکلات مربوط به پالس گشتاور بعد از نگرانی‌های گرمای روتور مهم‌می‌شود.

منابع:

Protective relaying for power generation systems by Donald Reimert

Network protection and automation guide by Alstom

مقاله مرتبط:

هارمونیک چیست و چگونه آن‌ها را فیلتر و از سیستم‌حذف کنیم؟

حفاظت توالی منفی در ژنراتور(Negative-Sequence Protection)

حفاظت ژنراتور

جریان توالی منفی