شبکه های توزیع انرژی در واحدهای صنعتی و خصوصیات رله های حفاظتی

نوشته شده توسط الیکا الکتریک 1397/08/16 00:57:56 0 نظرات مطالب برقی,

 شبکه های توزیع انرژی در واحدهای صنعتی و خصوصیات رله های حفاظتی

   پیش بینی رله های حفاظتی در واحدهای صنعتی متفاوت از شبکه های انتقال و توزیع انرژی است. روش حفاظت تجهیزات و تأمین انرژی مداوم، همچنین نوع رله های حفاظتی با توجه به اهمیت انرژی در واحد صنعتی و نقش انرژی در روند تولید انتخاب می شود، آن چنان که در پاره ای موارد علی رغم قدرت محدود مصرفی، رله های حفاظتی متعدد همراه با مدارات اتوماتیک به منظور برقراری انرژی ضرورت یافته، پیش بینی می شوند.

   گذشته از رله های حفاظتی، مدارهای اتوماتیک به منظور راه اندازی واحدهای رزرو و تأمین انرژی مداوم مصرف کننده ها در واحدهای صنعتی به کار برده می شوند. خصوصیات شبکه های توزیع صنعتی متفاوت از روش معمول توزیع در واحدهای تجاری، خانگی و شهری است که شامل ردیف ولتاژها، وضعیت نقطه نول، نوع تجهیزات و پیش بینی واحدهای رزرو متعدد هستند. به همین علت آشنایی مقدماتی با خصوصیات شبکه های توزیع صنعتی، قبل از پرداختن به نوع رله های حفاظتی امری ضروری است.

 

                                                                                   

                                                                                                                رله حفاظتی مایکوم اشنایدر الکتریک

 

ساختمان شبکه های توزیع صنعتی با مصرف بالا

   نوع شبکه توزیع صنعتی و وسعت آن از نظر میزان انرژی و اهمیت قطع انرژی، به نوع واحد صنعتی بستگی دارد. واحدهای صنعتی و تولیدی از نظر میزان قدرت مصرفی به دو دسته واحدها با مصرف محدود ≤ 10-15MWو واحدها با مصرف بالا بیش از 20MW (در حدود 100-200MW) تقسیم می شوند. مصرف انرژی ممکن است به صورت مداوم با مقدار ثابت (تغییرات محدود %±10) بوده و یا به صورت متغیر و ضربه ای تغییر نماید. که در این حالت به عنوان بارهای ضربه نامیده می شود.

   واحدهای صنعتی با مصرف بالا شامل واحدهای ذوب فلز، (فولاد، آلومینیوم، مس) و یا واحدهای شیمیایی (پلی-اومینا- پتروشیمی) هستند. این گونه واحدها به طور معمول دارای تولید بالا بوده، قدرت بالغ بر 20-200MW را مصرف می نمایند. تأمین انرژی این واحدها از طریق احداث نیروگاه های مستقل و جدا امکان پذیر نیست. روش مناسب و اقتصادی تغذیه این واحدها، استفاده از شبکه های سراسری تحت ولتاژهای 400 تا 630 ولت می باشد. در حالی که احتمال قطع انرژی به صورت لحظه ای و بدون پیش بینی قبل قابل قبول نبوده، موجب توقف روند تولید در کل واحد تولیدی و یا بخشی از آن خواهد شد. به همین علت این گونه مراکز به واحدهای تولید انرژی اضطراری شامل ژنراتورهای جداگانه و مستقل از شبکه سراسری، با ظرفیت محدود، بالغ بر %10-20 مصرف کلی خود مجهز هستند. تغذیه این گونه واحدها از شبکه سراسری از طریق احداث دو خط به صورت اصلی و رزرو و ایستگاه فشار قوی در محوطه واحد صنعتی صورت می گیرد. در شکل زیر تأمین انرژی مورد نیاز واحد صنعتی با مصرف 15MW با استفاده از دو خط 63KV و دو واحد ترانسفور ماتور نشان داده شده است.

   در واحدها با مصرف بالا، بیش از 20MW ایستگاه اصلی تغذیه در محوطه صنعتی در مجاور کارگاه یا واحد با بالاترین قدرت مصرفی احداث می شود، برای این منظور انرژی از طریق خطوط تحت ولتاژهای انتقال، تا نزدیکترین نقطه به کارگاه با مصرف بالا منتقل شده ایستگاه اصلی را تغذیه می نماید.                                                          

                                                                                       

نمایش تغذیۀ واحدهای صنعتی با مصرف 15 مگا وات با حداکثر اطمینان در تأمین انرژی از طریق دو خط 63 کیلو ولت مجهز به ایستگاه 63 کیلو ولت اختصاصی

 

   در این حالت %50-80 انرژی در محل احداث ایستگاه اصلی به مصرف رسیده، %20-30 آن در سطح واحد صنعتی از طریق شبکه توزیع 6-10KV توزیع می شود. بدین ترتیب در این گونه واحدهای صنعتی، انرژی در ایستگاه اصلی مستقیماً از ردیف انتقال به ردیف ولتاژهای توزیع منتقل می شود. به عنوان مثال در واحدهای تولیدی فلزات نظیر آلومینیوم، مس، روی و غیره، تولید فلزات فوق از طریق خطوط الکترولیز صورت می پذیرد. در این گونه واحدها، مصرف انرژی قابل ملاحظه بوده، ایستگاه اصلی در مجاور خط الکترولیز احداث می شوند، انرژی در محل ایستگاه به جریان مستقیم تبدیل شده، بلافاصله خط الکترولیز را تغذیه می نماید. در شکل زیر خط الکترولیز تولید آلومینیوم با ظرفیت 100 هزار تن در سال و خط 230KV  تغذیه واحد فوق تا محل ایستگاه و تأسیسات یکسو کننده نشان داده شده است.

   به طور معمول شبکه توزیع داخلی در مراکز صنعتی تحت ولتاژهای توزیع مختلف مورد نیاز بوده، شبکه های توزیع تحت ولتاژهای مختلف به صورت پله ای احداث می شوند. به عنوان مثال در مراکز ذوب فلزات و کارخانجات ذوب آهن و فولاد شبکه های توزیع63KV ،30KV ،20KV ،10KV ،6.3KV ،4.3KV مورد نیازند که انرژی از هر ردیف به ردیف بعدی با ولتاژ کمتر منتقل می شود.

   انتقال انرژی از ردیف ولتاژهای انتقال به ردیف ولتاژهای توزیع با افزایش قابل ملاحظه قدرت اتصال کوتاه و جریان های عیب فاز- فاز همراه می باشد. افزایش قدرت اتصال کوتاه در شبکه های توزیع به شرح فوق تا چند برابر مقادیر معمول و استاندارد قابل قبول نبوده، لازم است به روش های مناسب تا مقادیر استاندارد کاهش داده شود. به همین علت برآورد قدرت اتصال کوتاه در کلیه واحدهای صنعتی با مصرف بالا، مورد توجه بوده، در ردیف خصوصیات عمده این نوع شبکه های توزیع محسوب می شود.

 

                                                                                  

                                               واحد تولید آلومینیوم تغذیه شده از طریق خطوط 230 کیلو ولت و ایستگاه اصلی 230 کیلو ولت در مجاور خط تولید

 

   شرایط مشابه از نظر افزایش قدرت اتصال کوتاه در شبکه مصرف داخلی نیروگاه ها با قدرت تولیدی بالا مشاهده می شود.

   کاهش قدرت اتصال موجب تقلیل هزینه تجهیزات شبکه، تقلیل ابعاد و اندازه تابلوها، ساده شدن مدارات رله های حفاظتی و مدارات کنترل اتوماتیک می شود. به همین علت تجهیزات محدود کننده جریان عیب و کاهش قدرت اتصال کوتاه، پیش بینی های عمده در شبکه های توزیع به شرح فوق را تشکیل می دهند.

   تفاوت دیگر شبکه های توزیع صنعتی، تأمین مدوام انرژی در بخشی از کارگاه ها و واحدهای تولید دیده می شود. به عبارت دیگر در این گونه کارگاه ها و واحدها، قطع انرژی به هیچ وجه قابل قبول نبوده، به عنوان کارگاه ها و واحدها با انرژی غیرقابل قطع محسوب می شوند. پیش بینی اولیه در این واحدها و مراکز صنعتی، تأمین مداوم انرژی از طریق احداث نیروگاه های اضطراری، نصب تجهیزات رزرو شامل خطوط ترانسفورماتورها، پیش بینی شینه های اصلی و رزرو، همچنین تجهیزات قطع و وصل از نوع NO و یا NC است که همزمان با بروز عیب به طور اتوماتیک تغییر موقعیت می دهد و شینه یا دستگاه رزرو را برق دار می نماید. منظور از “NO”  و یا “NC” موقعیت و وضعیت دستگاه قطع و وصل نظیر کلید یا سکسیونر در شرایط عادی بهره برداری هستند که در شرایط اضطراری ناشی از بروز عیب و بی برق شدن بخشی از شبکه یا کارگاه ها، تجهیزات قطع و و صل در موقعیت NO یا NC به طور اتوماتیک تغییر موقعیت داده از وضعیت NO به NC و یا بالعکس تغییر می نماید. پیش بینی دیگر در شبکه های توزیع صنعتی، احداث ایستگاه های متعدد توزیع در سطح واحد صنعتی و ارتباط آنان از طریق خطوط متعدد اصلی و رزرو، همچنین نصب ترانسفورماتورهای اصلی و رزرو می باشد. در شکل زیر نمونه شبکه توزیع واحد صنعتی تحت ولتاژ توزیع 10KV مجهز به دو ایستگاه اصلی 110KV و دو ایستگاه 10KV جداگانه نشان داده شده است.

   در واحدهای صنعتی، خطوط تغذیه اصلی که به شبکه سراسری متصل اند، به دستگاه های وصل مجدد اتوماتیک مجهزند تا تعداد قطعی ها را کاهش دهند. به طور معمول خطوط تحت ولتاژ انتقال شامل دو خط به صورت اصلی و رزرو هستند که به طور اتوماتیک برق دار شده و انرژی واحد صنعتی را تأمین می نماید.

   اصولاً از کار کردن موازی خطوط و ترانسفورماتورها برای افزایش اطمینان در تأمین انرژی جلوگیری می شود. کار کردن موازی یا پارالل همزمان خطوط و ترانسفورماتورها، مستلزم پیش بینی های خاصی است مانند محاسبه رله های حفاظتی یا زیاد کردن تعداد آنها که باعث می گردد هزینه محافظت افزایش یابد، احتمالاً کارکرد رله ها را مختل کرده یا باعث قطع اتفاقی آنها می شود. خطوط و ترانسفورماتورهای رزرو و اصلی هیچگاه به صورت موازی مورد بهره برداری قرار نمی گیرند.

                                                                           

                                            شبکه توزیع صنعتی 10 کیلو ولت تغذیه شده از شبکۀ اصلی 110 کیلو ولت

 

   با این همه، در پاره ای موارد از سیستم کارکرد موازی خطوط تغذیه اصلی و ترانسفورماتورها تحت ولتاژ انتقال استفاده می شود:

  • هنگامی که در صورت عدم کار موازی خطوط و ترانسفورماتورها، در صورت قطع خط و یا ترانسفورماتور در حال بهره برداری، وصل و برق دار نمودن خط و ترانسفورماتور رزرو، توقف موتورهای سنکرن در حال کار را موجب شده، صدمه کلی به روند تولید را سبب شده، راه اندازی مجدد خطوط و موتورها را ایجاب نماید.
  • هنگامی که شینه ای متعدد مجهز به ارتباط NO، از طریق منابع مختلف تغذیه شده باشند، وصل ارتباط NO به سهولت امکان پذیر نبوده، مستلزم سنکرن نمودن دو شبکه بوده، لذا تأخیر زمانی بالا را تا بیش از یک دقیقه موجب شود.
  • هنگامی که بار صنعتی مورد تغذیه، مشخصه ضربه ای را دارا بوده، به طور مداوم، به طور ناگهانی و لحظه ای تا چند برابر بار اسمی برای فاصله زمانی کوتاه افزایش یافته، قطع مداوم کلید تغذیه را سبب شود، به طور معمول در این گونه موارد منابع مختلف با اتصال موازی، واحد تولیدی با بار ضربه را تغذیه می نماید.

 

                               

نمونه شبکه توزیع صنعتی، مجهز به راکتورهای سری به منظور کاهش قدرت اتصال کوتاه و کلیدهای رزرو به منظور وصل اتوماتیک در شرایط اضطراری

چنانچه که اشاره شد برخی مصرف کننده های صنعتی، دارای مشخصه ضربه ای بوده، به بارهای ضربه ای موسوم می باشند. برخی دیگر از مصرف کننده های صنعتی بار ثابت و یکنواخت، اهمی یا القایی و یا خازنی را مصرف نموده، به عنوان مصرف کننده ها با مشخصه صاف یا ثابت با زمان محسوب می شوند. مقدار جریان بار یا ضربه در مصرف کننده ها با مشخصه ضربه از طریق نصب تجهیزات مناسب و خاص، تا سطح مناسب در شبکه انتقال و فشار قوی کاهش داده می شود.

منبع تغذیه مصرف کننده ها با بار ضربه لازم است از قدرت اتصال کوتاه بالا برخوردار باشد. عدم برخورداری از قدرت اتصال کوتاه بالا، مانع از کار دستگاه مصرف کننده، به علت افت ولتاژ قابل ملاحظه در هنگام برقراری جریان ضربه خواهد بود.

پیش بینی های به عمل آمده در شبکه های توزیع صنعتی به منظور تغذیه واحدها با بار ضربه، با قدرت اتصال کوتاه بالا به شرح زیر می باشند:

  • افزایش ولتاژ  در محل مصرف از طریق نصب واحدهای اضافی تولید انرژی در مجاور مصرف کننده ها با بار ضربه.
  • تغذیه واحدها با بار ضربه، از طریق خطوط مستقل و جداگانه از محل مرکز تولید و ایستگاه های اصلی با ظرفیت بالا در محل واحد صنعتی، روش مناسب تر احداث ایستگاه اصلی تحت ولتاژهای انتقال 63-400KV  در مجاور واحدهای تولیدی با بار ضربه می باشد.
  • پیش بینی خطوط تغذیه با حداقل اندوکتانس. به عنوان مثال تغذیه از طریق خطوط کابل و یا شینه ها با حداقل اندوکتانس و خطوط با خاصیت خازنی بالا بدون استفاده از راکتورهای سری.
  • ترانسفورماتور تغذیه واحدها با بار ضربه، با دو سیم پیچی ثانویه در نظر گرفته شده، سیم پیچی دوم به عنوان رزرو به کار رود.

علی رغم افزایش قدرت اتصال کوتاه در محل بارهای ضربه، قدرت قطع کلیدهای تغذیه کمتر از جریان ضربه پیش بینی شده، حدود معمول را دارا می باشد. به عنوان مثال در ردیف 10KV، قدرت قطع کلیدها، 750MVA یا 40KA انتخاب می شود. پیش بینی کلیدها با قدرت قطع بالا به منظور قطع جریان های بار ضربه با هزینه بالا همراه بوده، مشکلات متعدد را در احداث شبکه موجب می شود.

  • تفکیک بارها با مشخصه ضربه از بارهای معمول با مشخصه ثابت و یکنواخت با استفاده از ترانسفورماتورهای جداگانه و یک واحد ترانسفورماتور به صورت مشترک برای هر دو ترانسفورماتور
  • پیش بینی راکتورهای دو بازویی با نقطه وسط، تغذیه بارها با مشخصه ضربه از یک ترمینال و تغذیه بارها با مشخصه ثابت از ترمینال دیگر.
  • پیش بینی ترانسفورماتور با دو سیم پیچی ثانویه، یک سیم پیچی مخصوص تغذیه بارها با مشخصه ضربه و سیم پیچی دیگر به منظور تغذیه بارها با مقدار ثابت، تغییرات لحظه ای ولتاژ در سیم پیچی تغذیه بارهای ضربه، ناشی از ضربه های جریان در ولتاژ خروجی سیم پیچی دیگر چندان مؤثر نمی باشد.

در حالت اخیر نوسانات ولتاژ در سیم پیچ تغذیه بارهای ضربه به نسبت اندوکتانس مدار تغذیه به اندوکتانس ترانسفورماتور تغذیه بستگی دارد. هر قدر اندوکتانس مدار تغذیه در مقایسه با اندوکتانس سیم پیچی ترانسفورماتور کمتر باشد، نوسانات ولتاژ بیشتر خواهد بود.

در برخی حالات به منظور جلوگیری از تأخیر بارهای ضربه و نوسانات ولتاژ ناشی از آن، فیدرهای تغذیه واحدهای مختلف ترتیب داده می شوند. در شکل فوق فیدرهای تغذیه بارهای ضربه با Y مشخص شده، فاقد راکتور می باشند. در حالی که در فیدرهای تغذیه مصرف کننده های معمولی از راکتور استفاده می شود. وجود راکتور ضمن کاهش قدرت اتصال کوتاه، نوسانات ولتاژ در شینه های خروجی ترانسفورماتور تغذیه را ناشی از بارهای ضربه، تا مقدار مناسب محدود می سازد. در این روش کلید نصب شده در فیدرهای تغذیه بارهای ضربه، قدرت قطع بالا را در مقایسه با فیدرها یا بار محدود دارا می باشد. در صورت استفاده از ترانسفورماتورها با سیم پیچی های ثانویه متعدد، فیدرها به طور موازی وصل می شوند.

 

                                                       

روش های مختلف تفکیک بارهای ضربه از بارهای معمول در تأسیسات صنعتی الف- استفاده از راکتور با نقطه وسط ب- استفاده از ترانسفورماتور با دو سیم پیچی ثانویه ج- پیش بینی فیدرهای مختلف

 

چنانچه علی رغم پیش بینی های فوق ولتاژ تغذیه بارها با مشخصه یکنواخت، تحت تأثیر بارهای ضربه، ثابت نبوده، نوسانات و تغییرات قابل ملاحظه را دارا باشد، تجهیزات اضافی از جمله کمپانساتورهای سنکرن نوع مخصوص متصل به شینه تغذیه بارهای غیرخطی و تجهیزات کمپانسه کننده استاتیک با سرعت پاسخگویی بالا به کار برده می شوند.

به طور معمول شبکه تغذیه صنعتی به صورت شعاعی با ردیف ولتاژهای اسمی مختلف، در سطح واحد صنعتی پیش بینی می شود. شکل شبکه، تعداد خطوط، و مسیرهای مناسب با توجه به اهمیت تأمین انرژی و اطمینان مورد نظر در تغذیه واحدهای تولیدی انتخاب می شود. واحدها با اطمینان فوق العاده در تأمین انرژی از طریق 2 یا چند خط به صورت رزرو، از طریق مسیرهای مختلف تغذیه می شوند. در صورتی که تغذیه از شبکه سراسری صورت گرفته باشد. با توجه به احتمال قطع تغذیه، از دو خط و دو واحد ترانسفورماتور استفاده می شود.

مقدار پله های ولتاژی با توجه به نوع مصرف کننده ها و قدرت مورد نیاز آنان انتخاب می شود. در ساده ترین حالت از دو یا سه پله استفاده می شود. به عنوان مثال پله های 63KV ،20 ،11 ،6.3. در صورتی که واحد صنعتی مجهز به موتورهای فشار قوی 3.2KV یا 6.3KV و غیره باشد، خط تغذیه موتورها تحت ولتاژ اسمی موتورها، به صورت جداگانه از ترانسفورماتور مخصوص تغذیه می شود. در صورتی که تعداد موتورهای فشار قوی محدود باشند، شبکه تغذیه موتورها محدود به یک دستگاه تابلوی فشار قوی و کابل یا شینه تغذیه موتورها خواهد بود. پیش بینی فوق امکان می دهد تا شبکه تغذیه موتورها به صورت شبکه جدا و مستقل از شبکه توزیع صنعتی، از نوع نول ایزوله و یا نول زمین شده با مقاومت بالا در نظر گرفته شود. نمونه شبکه فوق در مثال دیده می شود. بر طبق آن شبکه توزیع داخلی در سطح واحد صنعتی تحت ولتاژ 13.8KV از ترانسفورماتورهای جداگانه که تنها به منظور تغذیه موتورهای 4.16KV به کار برده می شوند، استفاده شده است. تغذیه موتورها از ترانسفورماتورها با جریان زمین محدود 5 آمپر صورت می پذیرد.

 

ارسال نظر