دانلود رایگان مقاله ولتاژ شکست کنترل شده در سیستم کنتاکت دیسکانتکتور برای کاهش VFTO

چکیده

           روش‌های گوناگونی تاکنون در مورد کاهش اضافه ولتاژهای گذرای بسیار سریع (VFTO) در سوئیچ گیرهای گازی (GIS) ارائه شده‌اند و مورد بررسی قرار گرفته اند. روش‌های مدرن و پیشرفته در وهله نخست مبتنی بر اتلاف انرژی مرتبط با امواج الکترومغناطیسی هستند که VFTO از طریق آن حاصل‌ می‌شود و متشکل از آن است. مقاله حاضر در خصوص یک مفهوم متناظر کاهش VFTO بر اساس اصل کنترل شرایط ولتاژ پیش از آن ارائه شده است که ولتاژ شکست در گاز SF6 منجر به تولید VFTO گردد. مقاله حاضر الگوریتم‌های کنترل مختلفی را معرفی‌ می‌نماید و نشان‌ می‌دهد که الگوریتم‌ها به چه نحوی‌ می‌توانند سبب محدود شدن حداکثر مقدار VFTO و تعداد کل ولتاژهای شکست در حین کار دیسکانکتور GIS شوند. چنین مفهومی برای کاهش VFTO در ولتاژ فوق العاده بالای GIS به کار برده شده است. به عنوان مورد مطالعه، از یک مجموعه تست 1100 کیلوولت استفاده شد که اخیراً گزارشی در خصوص ایستگاه GIS ووهان (چین)، به همراه مشخصات دیسکانکتور منتشر شده است که از طریق تست‌های توسعه 1100 کیلوولت بدست آمد.

1. مقدمه

            اضافه ولتاژهای گذرای بسیار سریع (VFTO) ناشی از ولتاژ شکست در گاز SF6 می‌باشند که عمدتاً با هر بار عمل کردن دیسکانکتور سوئیچ گیر گازی (GIS) تولید‌ می‌شوند [1[. فرآیند VFTO اساساً با حداکثر میزان VFTO، فرکانس مولفه‌های اصلی خود و تعداد رخدادها در طی عملیات باز یا بسته شدن دیسکانکتور توصیف‌ می‌گردد. مولفه‌های فرکانس VFTO دارای رابطه مستقیمی با مدت زمان اعمال ولتاژ شکست در گاز SF6 و شرایط موج رونده در امتداد GIS هستند. حداکثر مقادیر VFTO از شرایط ولتاژ در لحظه دقیقاً پیش از ولتاژ شکست (احتراق جرقه ای) و شرایط موج رونده در امتداد GIS حاصل‌ می‌گردد [2[. شکل 1 نمونه‌ای از شکل موج VFTO حاصل از آزمایشات توسعه دیسکانکتور 1100 کیلو ولت را نشان‌ می‌دهد.
 
               شیوه‌های تجزیه و تحلیل و کاهش در رابطه با VFTO  مورد توجه خاصی در میان صنایع و دانشگاه ها، به ویژه طی سال‌های اخیر واقع شده‌اند که شبکه برق با ظهور GIS کلاس ولتاژ فوق العاده بالا (EHV) و ولتاژ فوق العاده بالا (UHV) مواجه شده است. به ازای چنین سطوح بالایی از ولتاژ، ممکن است حداکثر مقادیر VFTO از ولتاژ مقاومت عایق GIS تجاوز کنند و از این رو،‌ می‌تواند به صورت یکی از عوامل طراحی مرتبط با مولفه‌های GIS درآید [3[. بدین معنا است که VFTO حاصل طی عملیات دیسکانکتور باید به دقت مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد تا از طراحی مناسب مولفه‌های GIS اطمینان حاصل گردد و نیز از فرایند تصمیم گیری در خصوص کاربرد بالقوه شیوه‌های کاهش VFTO پشتیبانی نماید. VFTO باید در بسیاری از راه حل‌های GIS، به منظور حفظ حداکثر مقادیرVFTO در محدوده قابل قبولی کاهش یابد که برای یک طراحی خاص مولفه‌ها باید تقلیل یابد.

A. روش‌های تضعیف و میرایی VFTO

              تاکنون روش‌های گوناگونی برای کاهش VFTO ناشی از عمل کردن دیسکانکتور GIS ارائه شده اند. همچنین، آثار نقد و بررسی متعددی، همانند مقالات [4] و [5] منتشر شده‌اند که همگی مروری بر آخرین و مدرن ترین روش‌هایی‌ می‌باشند که تاکنون ارائه شده اند. متداول ترین و آخرین روش‌های کاهش VFTO عبارتند از دیسکانکتور مجهز به مقاومت در سیستم کنتاکت دیسکانکتور [6] و کاربرد حلقه‌های مغناطیسی از انواع گوناگون (فریت [7] - [9]، آمورفس [10] یا نانو کریستالی [9]، [11] - [13]) در باسداکت‌های GIS. اخیراً هم با توجه به روش‌های مبتنی بر اتلاف انرژی در مواد مغناطیسی، ماده مغناطیسی جدیدی پیشنهاد شده است و برای میرایی VFTO مورد آزمایش قرار گرفت همان طور که در گزارش [14] هم بدان اشاره شده است. روش‌های جدیدی که اخیراً منتشر شده‌اند هم عبارتند از رزوناتورها یا تشدید کننده‌هایی با المان جرقه زنی که به واسطه فرکانس‌های رزونانسی با مولفه‌های اصلی VFTO متناسب گشته‌اند [15]، باس بارهای GIS مجهز به برقگیرها [16] و دیسکانکتور با ترکیب جدید سیستم کنتاکت [17]. تمامی این روش‌ها مبتنی بر یک اصل مشترک میرایی انرژی مرتبط با امواج الکترومغناطیسی هستند که متشکل از VFTO هستند یا VFTO را تشکیل‌ می‌دهند.

              یکی از روش‌های پیشرفته برای کاهش VFTO که کاربرد آن تا حد قابل توجهی گسترش یافته است مشتمل بر کنترل شرایط ولتاژ‌ می‌باشد که پیش از ولتاژ شکست در سیستم کنتاکت دیسکانکتور قرار دارد که مبتنی بر کاهش ولتاژ مرتبط با بار محصور است (اصطلاحاً ولتاژ بار محصور، TCV) که پس از اتمام عملیات باز شدن همچنان در سمت بار دیسکانکتور باقی‌ می‌ماند [4]، [18]، [19[. بدترین شرایط ولتاژی برای آزمایش نوع دیسکانکتور در مقاله [20] تعریف شده است که همانا برای نخستین ولتاژ شکست در حین عملکرد بسته شدن به ازای TCV برابر با 1.1 p p.u. می‌باشد (که 1 p.u. = Vr √2 / √3؛ ولتاژ نامی Vr).
طبق آنچه که در مقالات [4]، [18]، [19[، عنوان شده است، TCV را‌ می‌توان با طراحی مناسب دیسکانکتور کنترل نمود. رایج ترین تغییرات طراحی که برای کنترل TCV عنوان شده‌اند مرتبط با سرعت جابجایی کنتاکت دیسکانکتور هستند.

B. کنترل ولتاژ جرقه در ادوات سوئیچینگ

              از آثار و تحقیقات پیشین در رابطه با این موضوع‌ می‌توان پی برد که کنترل ولتاژ شکست در هر یک از ادوات سوئیچینگ امکان پذیر است. کاربردهای تکنیک‌های انتخابی کنترل ولتاژ شکست در حال حاضر در ادوات سوئیچینگ MV در خلاء به کار رفته‌اند [21[. یكی از راهکارهای پیشنهادی، وارد كردن الكترود تریگر به سیستم کنتاکت محفظه قطع كننده خلاء برای آغاز تخلیه‌های الکتریکی ولتاژ اضافی میان کنتاکت‌ها در فواصل زمانی مفروض است. همچنین، شکاف‌های جرقه برانگیخته برای آزمایش‌های دی الکتریک عایق HV به کار‌ می‌روند تا آزمایش‌هایی با ولتاژ ضربه بریده در هر فاصله زمانی در جلو یا در دنباله انجام گیرند [22[. چنین روشی در تریگاترون‌های HV مورد استفاده قرار‌ می‌گیرد که مشخصات خاص عملکرد که در مقاله [23] شرح داده شده‌اند که با توجه به ساختار دقیق ادوات مورد بحث قرار گرفته اند.

            پدیده‌های مختلفی به عنوان پدیده‌های بالقوه و مفیدی برای برانگیختن ولتاژ شکست در سیستم کنتاکت ادوات سوییچینگ شناخته‌ می‌شوند. گزارشاتی در خصوص آزمایشات مربوط به شکست الکتریکی لیزری با مطرح نمودن تنظیمات و پیکربندی‌های مختلف الکترود تریگرینگ برای گازها در مقاله [24] و برای مایعات در مقاله [25] ارائه شده اند. گزارشی هم مبنی بر ولتاژهای شکست ناشی از میکروموج‌ها در مقاله [26] ارائه شده است.

C. مروری کلی بر مقاله

            مقاله حاضر مفهوم کاهش VFTO با بهره گیری از کنترل شرایط ولتاژی را ارائه‌ می‌دهد که پیش از ولتاژ شکست در سیستم کنتاکت دیسکانکتور GIS حاکم هستند. تجزیه و تحلیلی که در رابطه با کاهش VFTO برای الگوریتم‌های کنترل مختلف صورت گرفته است همانا برای مجموعه تست 1100 کیلوولت به کار رفته است که اخیراً گزارشی مبنی بر انجام آن در ایستگاه GIS ووهان (چین) ارائه شده است [27[. مجموعه تست ووهان به طور کامل در مقالات [19]، [27] تا [30] شرح داده شده‌اند و مشخصات خاص طراحی دیسکانکتور هم اخیراً در مقاله [27] مطرح شده اند. ما در مقاله حاضر به طور خلاصه مجموعه تست را شرح‌ می‌دهیم و با بهره گیری از الگوریتم‌های کنترل پیشنهادی، بر تجزیه و تحلیل کاهش VFTO تمرکز‌ می‌کنیم.

Abstract

             Several methods have been proposed and investigated so far on mitigation of Very Fast Transient Overvoltages (VFTO) in Gas-Insulated Switchgear (GIS). The state-of-the-art methods are primarily based on dissipation of the energy associated with electromagnetic waves that the VFTO originate from and are composed of. Present paper reports on an alternative concept of VFTO mitigation based on the principle of controlling voltage conditions preceding voltage breakdown in SF6 gas that leads to VFTO generation. The paper introduces different control algorithms and shows how the algorithms can limit VFTO maximum value and total number of voltage breakdowns during operation of the GIS disconnector. The concept is applied for mitigation of VFTO in ultra-high voltage (UHV) GIS. As the study case, an 1’100 kV test set-up is used as recently reported for Wuhan (China) GIS station, with the disconnector characteristics obtained from 1’100 kV development tests.

I. INTRODUCTION

           VERY Fast Transient Overvoltages (VFTO) originate from voltage breakdowns in SF6 gas that inherently accompany any operation of Gas-Insulated Switchgear (GIS) disconnector [1]. The VFTO process is characterized mainly by the VFTO peak value, frequency of its main components, and the number of occurrences during the disconnector opening or closing operations. The frequency components of VFTO are related to the time duration of the voltage breakdown in SF6 gas and to the travelling wave conditions along the GIS. The VFTO peak values result from the voltage conditions at the time instance just preceding of the voltage breakdown (spark ignition) and to the travelling wave conditions along the GIS as well [2]. Fig. 1 presents an example of VFTO waveform obtained from development tests of 1’100 kV disconnector.

              Analysis and mitigation techniques related to VFTO attract high attention among industry and academia, specifically in recent years when the power grid faces the advent of extra-high voltage (EHV) and ultra-high voltage (UHV) class GIS. For these high voltage levels the VFTO peak values can exceed the GIS insulation withstand voltage and thus can become a design factor of the GIS components [3]. It implies that the VFTO generated during the disconnector operations needs to be accurately investigated to ensure proper design of the GIS components and to support a decision making process on the potential application of VFTO mitigation techniques. In some GIS solutions the VFTO needs to be mitigated in order to maintain the VFTO peak values within the limits that are acceptable for a specific design of components.

A. Methods of VFTO attenuation

               Several methods have been proposed so far for mitigation of VFTO originating from the GIS disconnector operations. Also, review works, such as [4] and [5], have been published, giving an overview of the state-of-the-art methods. The state-of-the-art methods of VFTO mitigation include disconnector equipped with a resistor inserted in the disconnector contact system [6], and application of magnetic rings of different types (ferrite [7], [8], [9], amorphous [10], or nanocrystalline [9], [11], [12], [13]) in the GIS busducts. With respect to the methods based on the energy dissipation in the magnetic materials, recently a new magnetic material was proposed and tested for VFTO attenuation as reported in [14]. The recently published new methods include also resonators with a sparking element, with the resonance frequencies that are fitted to the main VFTO components [15], the GIS busbars equipped with surge arresters [16], and the disconnector with a new arrangement of the contact system [17]. All of these methods are based on a common principle of attenuation of the energy associated with the electromagnetic waves that constitute or have constituted the VFTO.

               A state-of-the-art method on VFTO mitigation that to some extent involves controlling of the voltage conditions that precede the voltage breakdowns in the disconnector contact system, is based on reducing the voltage associated with the trapped charge (the so-called trapped charge voltage, TCV) that remains at the load-side of the disconnector after the opening operation is completed [4], [18], [19]. The most severe voltage conditions for the disconnector type testing are defined in [20], for the first voltage breakdown during the closing operation for the TCV = -1.1 p.u. (where 1 p.u. = Vr∙√2/√3; Vr – rated voltage). According to [4], [18], [19], the TCV can be controlled by proper disconnector design. The most common design changes that are reported for controlling of the TCV are related to the disconnector moving contact speed.

B. Controlling of voltage ignition in switching devices

            It is known from previous works in the subject that the voltage breakdown can be controlled in a switching device. Applications of selected techniques of voltage breakdown control have already been implemented in MV switching devices in vacuum [21]. One of the solutions is to introduce a trigger electrode into the contact system of the vacuum interrupter chamber to initiate additional voltage flashovers between the contacts at the assumed time instances. Also, triggered spark gaps are in use for dielectric tests of HV insulation to conduct tests with voltage impulse chopped at any time instance on the front or on the tail [22]. This method is also used in HV trigatrons, for which specific operating characteristics are discussed in [23] as dependent upon the detailed construction of the device.

           Different phenomena are recognized as potentially useful to ignite a voltage breakdown in the contact system of the switching device. Experiments with laser-triggered electrical breakdown with a proposal of different triggering electrode configurations are reported for gases [24] and for liquids [25]. The voltage breakdowns induced by microwaves are reported in [26].

C. Paper overview

          This paper presents a concept of VFTO mitigation by means of controlling voltage conditions that precede the voltage breakdowns in the GIS disconnector contact system. The analysis is presented of the VFTO mitigation for different control algorithms applied to 1’100 kV test set-up as recently reported for the Wuhan (China) GIS station [27]. The Wuhan test set-up has been thoroughly described in [19], [27], [28], [29], [30], and the disconnector design-specific characteristics has been recently described in [27]. In the present paper we outline the test set-up briefly and focus on the VFTO mitigation analysis with the use of the proposed control algorithms.

چکیده
1. مقدمه
A. روش‌های تضعیف و میرایی VFTO
B. کنترل ولتاژ جرقه در ادوات سوئیچینگ
C. مروری کلی بر مقاله
2. شرح مفهوم: کاهش VFTO با بهره گیری از كنترل ولتاژ شکست در سيستم کنتاکت دیسکانکتور
A. فرآیند تولید VFTO بدون کاربرد الگوریتم کنترل
B. الگوریتم‌های کنترل
C. خلاصه از الگوریتم‌های کنترل
3. مجموعه تست برای تجزیه و تحلیل‌های VFTO
A. طرح کلی مجموعه تست و پارامترهای مربوطه
B. منحنی مشخصات ولتاژ شکست دیسکانکتور (BDV)
4. شبیه سازی‌ها به ازای GIS 1100 کیلوولتی با بهره گیری از الگوریتم‌های کنترل گوناگون مرتبط با ولتاژ شکست
A. نتایج شبیه سازی به ازای توزیع‌های VFTO
B. نتایج شبیه سازی به ازای تعداد جرقه ها
5. نتایج
منابع

Abstract
1. INTRODUCTION
A. Methods of VFTO attenuation
B. Controlling of voltage ignition in switching devices
C. Paper overview
2. CONCEPT DESCRIPTION: VFTO MITIGATION BY CONTROLLED VOLTAGE BREAKDOWN IN DISCONNECTOR CONTACT SYSTEM
A. VFTO generation process with no control algorithm
B. Control algorithms
C. Summary on control algorithms
3. TEST SET-UP FOR VFTO ANALYSES
A. Test set-up layout and parameters
B. Disconnector Breakdown Voltage Characteristics (BDV)
4. SIMULATION RESULTS FOR 1’100 KV GIS WITH DIFFERENT CONTROL ALGORITHMS OF VOLTAGE BREAKDOWN
A. Simulation results for VFTO distributions
B. Simulation results for number of sparks
5. CONCLUSIONS
REFERENCES