فن‌آوری انتقال بار الکتریکی صاعقه

انتقال بار الکتریکی صاعقه فن‌آوری جدیدی برای حفاظت تجهیزات در مقابل صاعقه است که از سال ۱۹۷۰ مورد توجه قرار گرفته است. تئوری انتقال بار، صدها سال است که شناخته شده ولی کاربرد تجاری آن واقعاً چند دهه است که مطرح است. سیستم برقگیر میله‌ای از روشهای سنتی برای مقابله با صاعقه است که از زمان فرانکلین مورد استفاده بوده و بر اساس هدایت بار الکتریکی صاعقه به زمین عمل می‌کند.
صاعقه یکی از پدیده‌های قدرتمند و مخرب دنیای طبیعی است که سطح ولتاژ آن گاهی تا ۱۰۰ میلیون ولت در هر ضربه می‌رسد. ضربات صاعقه به تجهیزات شبکه‌های قدرت یکی از عوامل جدی خطر و آسیب برای شرکتهای برق و مصرف‌کنندگان است. در بعضی از مناطق آمریکا بخصوص مناطق جنوب شرقی، صاعقه یک پدیده تقریباً روزانه است، اما تا بحال امکان پیش‌بینی و کنترل این پدیده وجود نداشته است. در سالهای اخیر فناوری پیش‌بینی و رهیابی توسعه یافته و شبکه ملی آشکارسازی صاعقه NLDN هنوز برای رهیابی صاعقه بیش از پیش تاکید دارد زیرا این امر می‌تواند در شبکه‌های حمل ونقل هوایی، دریایی و فضانوردی بسیار موثر واقع شود.
سیستمهای حفاظتی جایگزین بجای روش سنتی میله‌های برقگیر، سیستم انتقال بار الکتریکی
CTS (Charge Transfer System) و سیستم استهلاک بار الکتریکی DAS (DISSIPATION Array System) هستند.
اصول کار سیستم‌های انتقال بار الکتریکی CTS بر طبق نشر جری کر و کولربلدر که از صاحبنظران موضوع صاعقه هستند بر این استوار است که یک نقطه تیز با میدان الکترواستاتیکی قوی می‌تواند الکترونهایی از مولکولهای هوای اطراف را که یونیزه شده‌اند هدایت کند. پتانسیل این نقطه بیش از ۱۰ کیلوولت نسبت به نقاط اطراف است.
سیستم DAS از هزاران نقطه تیز تشکیل شده که بر روی سازه‌ای نصب می‌شوند و در شرایط ابری و طوفانی نقاط یونی فراوانی در فضا ایجاد کرده و بدین ترتیب احتمال تشکیل مسیرهای جریان بار صاعقه را کاهش می‌دهند. در واقع سیستم DAS بعنوان یک محدودساز میدان الکتریکی عمل می‌کند.
در مجله کاربرد صنایع IEEE در جلد ۳۷شماره ۲ مورخ مارس ۲۰۰۱،‌ آقای دان‌زیپس و همکارانش تفاوت بین میله‌های برقگیر و سیستم انتقال بار را بیان کرده‌اند.
▪ سیستم‌های حفاظت صاعقه به دو گروه تقسیم‌بندی می‌شوند:
۱) جمع‌آوری ضربه‌های صاعقه
۲) پیش‌بینی ضربه‌های صاعقه
میله‌های برقگیر فرانکلین به عنوان جمع‌کننده محسوب می‌شوند بدین صورت که ضربه‌های صاعقه را در مجاورت خود جذب می‌کنند. سیستم انتقال بار CTS یک سیستم جلوگیری کننده است و مانع از پیشروی جرقه‌های صاعقه می‌شود.
بعبارتی دیگر ارزیابی مکانیزم عملکرد سیستم DASنشان می‌دهد که این سیستم بطور ساده همان نظریه رد شده فرانکلین برای میله‌های برقگیر است که با خنثی کردن بار الکتریکی ابرهای صاعقه‌ای از تشکیل صاعقه جلوگیری می‌کرد. اگر چه این میله‌ها احتمال ضربه‌ها را کاهش می‌دهند. اما این اثر غیر قابل پیش‌بینی است. برای اینکه بتوان نتایج سیستم‌های CTS و DAS را در حفاظت صاعقه اریابی کرده و در مورد وسعت محدوده قابل حفاظت تصمیم‌گیری کرد لازم است که درباره اثرات فن‌آوری این دو سیستم انداره‌گیری‌های سازمان یافته و عملی انجام دهیم.
بعضی از مشتریهای استفاده کننده از فن‌آوری CT راضی هستند به طوری که در جنوب شرق آمریکا مشکلات متعددی در خصوص رعد و برق هست و کاربردهای این سیستم،‌ استفاده از آن را مورد تأکید قرار داده‌اند. شرکت برق Auburndale دارای ژنراتورهای
MW۱۵۰ بوده و در منطقه‌ای قرار گرفته که میزان صاعقه در آن بالاست و دستگاهها بایستی ۴ تا ۶ صاعقه سنگین را در روز تحمل کنند که در بعضی موارد به خاموشی‌های ۱۲ تا ۲۴ ساعته منجر شده است. پس از استفاده از سیستم DAS برای مهارکردن (محدودسازی) جریان‌های صاعقه در سال ۲۰۰۰ فقط یکبار در طول طوفانها و صاعقه خاموشی داشته‌اند و مهندسین اتاق کنترل از این موضوع متعجب شده‌اند که صدمه‌ای به دستگاهها وارد نشده است. آنها مصمم هستند که دستگاههای بعدی را نیز به سیستم DAS مجهز کنند تا تعداد ضربه‌های صاعقه را از ۶ به یک کاهش دهند. چنین تجربه مشابهی نیز در Lexington که منطقه پر صاعقه است نیز اتفاق افتاده است.
در آنجا نیز با استفاده از سیستم DAS هزینه‌های سنگین صدمه دیدن تجهیزات بواسطه صاعقه را کاهش داده‌اند و از کاربرد این سیستم راضی هستند در گزارش Ayers آمده است که قبل از استفاده از این سیستم صدمات ناشی از صاعقه در طول یک دوره پنج ساله بین ۲۵/۱ تا ۵/۱ میلیون دلار بوده حال آنکه پس از استفاده از سیستم DAS این رقم به ۵۰۰۰ دلار کاهش یافته است.
اما کارآیی قناوری انتقال بار صاعقه، بحث‌انگیز بوده و نظر منتقدین بر این است که این سیستم مانع از وقوع صاعقه نمیشود ضمن این که هزینه نصب آن نیز گران است. این اختلاف نظرها ادامه داشته تا اینکه در سالهای اخیر انجمن IEEE تصمیم گرفت که یک استاندارد برای سیستمهای انتقال بار صاعقه ارائه کنند.
به طور خلاصه این سیستم‌ها در مقابل ضربه‌های صاعقه نمی‌توانند به طور کامل عمل حفاظت را انجام دهند زیرا روش معینی برای اندازه‌گیری یا اثبات درستی کار این دستگاهها وجود ندارد. البته خبرهای دریافت شده از مشتریهای کاربرد این تجهیزات هنوز جالب است. منتها خود مهندسین برق قدرت هستند که باید از دستگاههای خود در مقابل صاعقه حفاظت و مراقبت کنند اگر چه این کار با اطمینان کامل، دست نیافتنی است. لذا آنها باید تلاش کنند تا ضربه‌های صاعقه تا حد امکان کاهش یافته در این سیستم DAS یا CTS می‌تواند به آنها کمک بکند.
● آسیب‌پذیری کابلهای توزیع در محل اتصالات جدا شونده
شکست الکتریکی اتصالی به هنگام جدا کردن آرنج کابل‌های توزیع (اتصالات قابل جدا شدن کابل‌ها) از بوشینگ‌ها و کلاهک‌های عایقی وهمچنین کلید زنی‌های معمول در بهره‌برداری که با قطع جریان بار کم یا جریان شارژ کابل توام است،‌ فراوان اتفاق می‌افتد. در این میان بویژه وقوع شکست الکتریکی هنگام برداشتن کلاهک‌های عایقی،‌ سوال برانگیز است چون اصولا با این کار جریانی قطع نمی‌شود. به دلیل نزدیکی پرسنل بهره‌بردار به محل وقوع این نوع اتصالی‌ها، اهمیت و خطر مسأله مورد توجه است. همچنین قطع برق مشترکین و صرف هزینه‌های لازم برای تعویض قطعات و زمان گروه تعمیرات،‌ از دیگر نتایج منفی این نوع خطاها به حساب می‌آیند. کارشناسان دلیل اصلی شکست الکتریکی مزبور را ناشی از پدیده خلاء جزئی می‌دانند. برداشتن کلاهک عایقی،‌ یا اتصال جداشونده (آرنج) حجم هوای داخل آرنج کابل را افزایش میدهد، این امر باعث ایجاد خلاء جزئی می‌شود که قدرت دی‌الکتریک هوا را کاهش می‌دهد. در این راستا سازندگان معروف با تجدیدنظر در طراحی بعضی از اجزاء نسبت به کاهش اثر کاهش اثر پدیده خلاء جرئی اقدام کرده‌اند.
گروه تحقیق،‌ بهره‌برداری و آزمایشی سیستم‌های توزیع (Dstar) مجموعه تحقیقات و آزمایشهایی را از سال ۱۹۹۵ در زمینه شناخت دلائل اینگونه اتصالی‌ها آغاز کرده است. از جمله در مواردی شکست الکتریکی بعد از جدا شدن آرنج از بوشینگ و در شرایطی که میزان خطا جزئی در حد فاصل دو قطعه یکسان بوده،‌ رخ داده است. از این رو بدلیل مخفی ماندن دلایل ریشه‌ای و اصلی وقوع این جرقه‌ها و شکست‌ها، باید اطلاعات بیشتری از عملکرد قطعه بدست آید.
بر این اساس Dstar یک پروژه دو ساله را به‌منظور‌ جمع‌آوری و پردازش گزارش‌های مربوطه به نقص اتصالات جدا شونده در کابلها به موارد اجراء گذاشته است در این راستا یک فرم مخصوص در وب سایت شرکت Dstar www.dstar.org قرار داده شده است تا شرکت‌های برق با وارد کردن اطلاعات و تجربیات عملی خود در زمینه نقص اتصالات مذکور،‌ در انجام این پروژه، سهیم شوند.
بررسی و تحلیل اطلاعات جمع‌آوری شده بر اساس داده‌های کارشناسان صنعت برق و نتایج بدست آمده از محیط آزمایشهای انجام گرفته توسط Dstar است. اطلاعات قابل جمع‌آوری باید شامل کلیه شرایط بهره‌برداری و محیطی باشد. برای حفاظت کابل در مقابل پدیده خلاء جزئی در ناحیه اتصال جداشونده آنها اخیراً شرکت Hubbell در آمریکا یک رینگ فلزی مخصوص و عرضه کرده است که با قرار دادن آن در محل آرنج کابل از وقوع پدیده شکست الکتریکی بواسطه خلاء جزئی جلوگیری می‌کنند.
علاوه بر این کمیته‌هادیهای عایقی بخش قدرت IEEE اقدام به اصلاح استانداردهای مربوطه کرده است.طبق استاندارد IEEE ۳۸۶ ،‌ آرنج‌ها و بوشینگ‌ها باید از نظر ایمنی در برابر قطع بارهای مجاز آزمایش شوند،‌ اما استاندارهای موجود راهی برای آزمایش این تجهیزات تحت شرایطی بی‌باری یا بار کم ارائه نمی‌دهند.
● مکان‌یابی محل خطا در خطوط انتقال با استفاده از فناوری Data" IED "
اخیراً‌ شرکت برق TVA (Tennessee valley Authority) یک نرم‌افزار تعیین محل خطا قابل اجرا توسط کامپیوترهای شخصی را بکار گرفته و به شبکه ارتباطی نیز مجهز شده است. در پیکربندی بکار رفته در این شرکت پایگاه اطلاعات مربوط به تعیین موقعیت خطا که در پایگاه اطلاعات کمکی ORACLE نگهداری می‌شود، با ارتباط از طریق شبکه سرویس گیرنده، پایگاه اطلاعات را می‌توان از راه دور بکار برد. این شرکت در برنامه‌های آتی خود قصد ارتباط با سایر تولیدکنندگان رله‌ها و توسعه این سیستم برای ارتباط با شبکه ملی بازیابی را دارد.
در این نرم‌افزار برای تعیین محل خطا از اطلاعات فازوری دو انتهای خط انتقال استفاده می‌شود. لذا استفاده از این نرم‌افزار منوط به استفاده از تجهیزات هوشمند الکترونیکی IED است. امروزه دو نوع IED قابل دسترسی هستند که عبارتند از رله‌های میکروپروسسوری و ثبات‌های دیجیتالی خطا. رله‌های حفاظتی میکروپروسسوری در زمانی که خطا را تشخیص می‌دهند. اطلاعات مربوط به آن را به صورت شکل موج اسیلوگرافیگ ثبت می‌کنند. نرخ نمونه برداری معمولاً بین ۸ تا ۳۲ نمونه در هر سیکل است. در ثباتهای دیجیتالی سرعت نمونه‌برداری معمولاً درحدود ۱۰۰ نمونه در هر سیکل است. اما بهر حال در کاربردهای تعیین محل خطا به صورت اتوماتیک،‌ رله‌های مبتنی بر میکروپروسسور نسبت به ثباتهای دیجبتالی بدلایل لزوم ثبت ولتاژ و جریانهای فقط مربوط به فاز خطادار،‌ نرخ نمونه‌برداری پائین و لذا حجم اطلاعاتی ارسالی کمتر و تریگر نمایش گرافیکی بر اساس موج خطا دارای مزیت است.
در این نرم افزار کاربر می‌تواند محاسبه محل خطا را برای یک خط انتقال با انتخاب یک کلید انجام دهد. این عمل که به طور خودکار با IEDها در ورودی‌های خط انتقال و داده‌های اسیلوگرافیک ارتباط برقرار می‌کند، داده‌های ثبت شده در ایستگاه‌های مختلف را با هم هماهنگ می‌کند و با بهره‌گیری بهترین الگوریتم محاسباتی،‌ محل خطا را برای هر خطا محاسبه کرده،‌ و نتایج را در همان صفحه نمایش به کاربر برمی‌گرداند. همچنین این نرم‌افزار می‌تواند بطور کاملاً اتوماتیک بوسیله پردازشگر حالات شبکه در سیستم مرکزی مدیریت انرژی راه‌اندازی شود.
● تجزیه و تحلیل شکل موجهای اسیلوگرافیک
اطلاعات ثبت شده اسیلوگرافیک که بوسیله سیستم جمع‌آوری اطلاعات تعیین محل خطا بازیابی شده‌اند، در پایگاه‌های اطلاعات موقعیت خطا با یک فرمت مشترک ذخیره می‌شوند. این اطلاعات می‌تواند بوسیله قابلیت‌های گسترده پردازش اطلاعات ثبت شده اسیلوگرافیک تحلیل شوند،‌ این قابلیت‌ها شامل موارد زیر هستند:
۱) قابلیت نشان دادن چند شکل موج.
۲) بزرگ نمایی محدوده شکل موج به‌صورت فازوری.
۳) اجرای سیستماتیک،‌ در یک پنجره بنا به انتخاب کاربر و محاسبه هارمونیک‌ها.
۴) محاسبه کمیت‌های RMS.
استفاده کنندگان می‌توانند اطلاعات ثبت شده اسیلوگرافیک را به صورت دستی وارد کرده و یا از طریق بانک اطلاعاتی به فایل‌های COMTRADE وارد کنند.
● شبکه ارتباطی برای کاربران پراکنده
یکی از مشکلات کاربرد کامپیوترهای PC برای اجرای نرم‌افزار این است که این نرم‌افزار می‌باید در کامپیوترهای سرویس گیرنده نصب شوند. نرم‌افزارهای کاربردی پردازش،‌ اغلب به منظور اجتناب از به کارگیری نرم‌فزارهای گران قیمت نوع سرویس دهنده،‌ بر روی کامپیوترهای سرویس گیرنده نصب می‌شوند. در فرایند تعیین موقعیت خطا که شامل عملیات گسترده جمع‌آوری اطلاعات است، وظیفه جمع‌آوری اطلاعات به کامپیوترهای سرویس گیرنده تحمیل می‌شود.
در این روش کار، درخواست تعیین محل خطا در روی یک خط انتقال توسط کاربرهای گوناگون،‌ منجر به تلاقی این درخواست‌ها با یکدیگر می‌شوند. این روش کاری محدودیت‌های جدی را برای کارکنان عملیاتی یک حوزه کاری، که باید نرم‌افزار سرویس گیرنده را در روی کامپیوترهای شخصی خود نصب کنند،‌ ایجاد می‌کند. برای دستیابی به یک سیستم گسترده سرویس دهندگی و سرویس گیرندگی،‌ یک شبکه ارتباطی برای کاربردهای تعیین موقعیت خطا ایجاد شده است. در بکارگیری روش شبکه‌ای از یک سو شبکه سرویس‌دهنده کمکی برای هر دو وظیفه کسب اطلاعات و تعیین موقعیت محل خطا استفاده می‌شود.
تکنولوژی مبتنی بر Java به سرویس گیرنده‌ها اجازه می‌دهد تا اطلاعات،‌ محاسبات موقعیت خطا و تحلیل اطلاعات اسیلوگرافیک را تنها با به کارگیری جستجو‌گر (Web browser) کامپیوتر سرویس گیرنده به کامپیوتر خود منتقل کنند. هیچ نرم‌افزار دیگری در سرویس گیرنده شبکه مورد نیاز نیست. سرویس گیرنده همچنین می‌تواند اطلاعات اسیلوگرافیک را از کامپیوتر شخصی با استفاده از قابلیت‌های جدید مبتنی بر Java به پایگاه اطلاعاتی انتقال دهد. ارتباط شبکه اجازه می‌دهد که هر کاربر مجازی که به یک کامپیوتر با قابلیت جستجوگری شبکه و ارتباط به شبکه داخلی کمکی دسترسی دارد،‌ اطلاعات به دست آمده از تجهیزات التکرونیکی هوشمند و محاسبات تعیین موقعیت خطا در خطوط انتقال را بازیابی کند. این کاربران می‌توانند در دفاتر شرکتها، دفاتر عملیاتی یا در واحدهای متحرک تعمیر و نگهداری که از طریق ارتباط بی‌سیم به شبکه داخلی متصل هستند مستقر باشند. ‌

منبع : ماهنامه صنعت برق