جزیره ای شدن عمدی شبکه برق

جزیره ­ای شدن عمدی[1] :

این نوع عملکرد معمولاً در هنگام خاموشی ­های سراسری و جهت تأمین برق مشترکان تا زمان بازسازی مجدد شبکه صورت می­گیرد. در حال حاضر شبكه­ هاي توزيع با حضور منابع توليد پراكنده جهت بهره برداري در حالت جزيره­ اي طراحي نشده اند. در صورتي كه مشكلات جزيره­اي شدن حل شود، اين طرح مي­تواند يك روش مناسب جهت افزايش قابليت اطمينان شبكه باشد.

يكي از مشكلات جزيره­اي شدن نياز به بررسي مسائلي در شبكه­ ي توزيع است كه در حالت عادي فقط در شبكه­ ي انتقال رخ مي­دهند، که از آن جمله می­توان به تغذيه­ي چند سويه­ي جريان خطا، دستورالعمل­ هاي بهره برداري و كنترلي جديد و كاهش ميزان جريان خطا در حالت جزيره­اي اشاره کرد.[2]

موقعيت بهره برداري جديد:

يك جزيره در حقيقت يك سيستم قدرت است و نيازمند دستورالعمل­ هاي بهره برداري است كه در حالت عادي در شبكه­ ي انتقال اعمال مي­شوند. در يك سيستم جزيره­ اي تعادل توان اكتيو و راكتيو بايد حفظ شود تا ولتاژ و فركانس در محدوده­ي مجاز خود قرار گيرند. همچنين واحد­هاي توليد پراكنده­ي قسمت جزيره­اي بايد در كنترل فركانس شركت كنند. حتي در شرايط اضطراري از حذف بار يا كاهش توليد نيز مي­توان جهت دستيابي به تعادل بار و توليد در قسمت جزیره­ای استفاده كرد.

تغذيه­ ي چند سويه­ ي جريان خطا:

با وجود منابع توليد پراكنده در شبكه­ ي توزيع، جريان خطا از جهات گوناگون تغذيه مي­شود و با توجه به اینکه رله های نصب شده در شبکه های توزیع، رله های یکطرفه هستند، تغذیه­ی چند سویه­ ی جریان خطا می تواند باعث ایجاد مشکلاتی در عملکرد این تجهیزات حفاظتی گردد.

مي­توان مشكلات اين تغذيه­ي چند سويه را با عملكرد سريع تجهيزات حفاظتي و خروج ژنراتور از مدار، رفع كرد. در اين حالت تا زماني كه شبكه مجدداً بازيابي نشده باشد، تجهيزات حفاظتي اجازه­ي ورود مجدد منابع توليد پراكنده به مدار را نمي­دهند. بنابراين با استفاده از اين سيستم حفاظتي امكان عملكرد جزيره­اي وجود نخواهد داشت.

اگر بخواهيم از شبكه به صورت جزيره­اي بهره برداري كنيم خطا بايد بدون اينكه منابع توليد پراكنده از مدار خارج شوند، رفع شود. در اين حالت بايد خطا هم از طرف منابع توليد پراكنده و هم از طرف شبكه، قطع گردد. با استفاده از رله ­هاي جهت دار مي­توان جريان­ هاي خطاي سمت شبكه و سمت منابع توليد پراكنده را از هم تشخيص داد و بدين ترتيب هماهنگي حفاظتي ساده تر خواهد بود.

كاهش جريان خطا:

هنگام عملكرد جزيره­اي، ظرفيت اتصال كوتاه شبكه كم بوده و شبكه از اين نظر ضعيف است در نتیجه جريان­ هاي خطا به ازاي يك خطاي مشخص كاهش مي­يابند، بنابراین تشخيص آنها از جريان­ هاي بار مشكل خواهد بود. حال اگر تنظيمات رله­ي اضافه جريان مشابه حالت كار عادي شبكه باشد، به علت كاهش جريان خطا، زمان رفع خطا افزايش مي­يابد. اين امر به دليل افت ولتاژ حين خطا، باعث كاهش كيفيت توان مي­گردد يا به عبارت ديگر افزايش امپدانس اتصال كوتاه باعث افزايش افت ولتاژ حين خطا و افزايش زمان رفع خطا شده و در نتيجه كيفيت توان كاهش خواهد يافت.

سيستم_­هاي حفاظتي امروزه طوري طراحي مي­شوند كه خطاهاي با مقاومت 20 kΩ و پائين­تر، بايد شناسايي شوند و خطاهاي با مقاومت 3 kΩ و پائين­تر بايد قطع شوند. بنابراين كاهش ظرفيت اتصال كوتاه طي حالت جزيره­اي، شناسايي خطاها را مشكل تر مي­سازد. به دليل تجربيات كمي كه در زمينه­ي بهره برداري جزيره­اي وجود دارد، تعيين ميزان تأثير كاهش دامنه­ي جريان خطا بر روي تنظيم حفاظت­هاي خطاي زمين و اتصال كوتاه، مشكل است.

انواع بهره برداری جزیره­ای:

به صورت سنتی، تأمین برق مصرف کنندگان با اتصال به شبکه ­های بزرگ صورت می­گیرد. اما اپراتورهای شبکه می­توانند جهت تأمین برق مصرف­ کنندگان محلی خود تحت شرایط خطا، از روش های دیگری نيز استفاده کنند. استفاده از واحدهای تولید محلی مانند منابع تولید پراکنده که تحت شرایط جزیره­ای عمل می کنند، یکی از این روش­هاست.

با توجه به نوع و اندازه­ی ژنراتورهایی که برق جزیره را تأمین می­کنند، جزیره­ها را می توان به انواع زیر تقسیم بندی کرد.

1- ناحیه­ای :

شامل توربین­های گازی، نیروگاههای آبی و ژنراتورهای بادی متصل به شبکه­ی محلی و حتی شبکه­ی اصلی با سطح ولتاژ 63-400 kV

2- صنعتی:

شامل دیزل ژنراتورها و توربین­های گازی متصل به واحدهای صنعتی با سطح ولتاژ 20-63 kV

3- برق اضطراری:

معمولاً شامل دیزل ژنراتورهاست که در بیمارستان­ها، ساختمان­ های اداری بزرگ و مراکز خرید نصب می­شوند و به عنوان سیستم تأمین برق اضطراری در سطح ولتاژ 0.4-20 kV مورد استفاده قرار می­گیرند.

4- تولید پراکنده :

شامل دیزل ژنراتورها، ژنراتورهای بادی، فتوولتائیک، میکروتوربین­ هاو دیگر واحدهای تولیدی کوچک که به شبکه­ی توزیع (0.4 – 20 kV )متصل می­شوند.

تأثیر مدل بار بر بهره برداری جزیره ای:[2]

بار یک پارامتر نامعين است که مدام تغییر می­کند. بنابراین مطلع بودن از رفتار بار هنگام راه اندازی مجدد قسمت جزیره­ای و همچنین اتصال مجدد این قسمت به شبکه، بسیار مهم است.داشتن اطلاعات دقیق از بارها، به خصوص تا زمانی که هنگام بهره برداری جزیره­ای امکان تنظیم فرکانس توسط واحد تولید پراکنده دارای محدودیت باشد، اهمیت به سزایی دارد.

به طور کلی بارها را می توان به سه گروه صنعتی، تجاری و خانگی تقسیم بندی کرد. جهت در اختیار داشتن اطلاعات مناسب از بارها، باید رفتار هر گروه از بارها در بازه­های زمانی مشخص، تعیین گردد.

راه­ اندازی با بار سرد:

اتصال مجدد بارها پس از یک خاموشی، نسبت به ورود بارها به شبکه در حالت عادی بسیار متفاوت است (به خصوص در صورتیکه خاموشی طولانی باشد). به این پدیده راه اندازی با بار سرد گفته می­شود.

میزان مصرف اكثر صنایع( اگر نگوییم تمام بارهای صنعتی) هنگام وصل مجدد بعد از یک خاموشی طولانی، بسیار کمتر از میزان مصرف آن قبل از خاموشی است. به عنوان مثال در صنایع کاغذ سازی، شیمیایی و پالایشگاه ها، راه اندازی کامل ممکن است چندین ساعت یا حتی چندین روز طول بکشد. صنایع کوچکتر مانند صنایع مهندسی و چوب بری بسیار سریعتر راه اندازی می­شوند.

بارهای مسکونی در مقایسه با بارهای صنعتی رفتار متفاوتی را به نمایش می­گذارند. در بارهای خانگی میزان مصرف بعد از خاموشی از میزان مصرف قبل از آن، بیشتر خواهد بود. دلیل اصلی این افزایش اینست که وسائل خانگی مانند یخچال­ها، فریزرها، سیستم­های تهویه، بویلرهای الکتریکی، رادیاتورهای الکتریکی و ... تنظیماتشان پس از قطع برق از بین نرفته و هنگام وصل مجدد برق، در حالت روشن قرار می­گیرند به عنوان مثال کولرهای یک مرکز اداری برای حفظ دمای ساختمان در 22 درجه سانتیگراد تنظیم شده­اند، هنگام خاموشی دمای ساختمان افزایش می­یابد، پس از وصل مجدد برق، کولرها جهت بازگرداندن دمای ساختمان به 22 درجه، جریان بیشتری از شبکه دریافت می­کنند.

تجهیزات مدرن طوری طراحی شده­اند که این افزایش میزان مصرف بعد از خاموشی را، کاهش می­دهند که این کار باعث کاهش تأثیر پدیده­ی راه اندازی با بار سرد می­شود.

بارهای وابسته به ولتاژ و فرکانس:

هنگام بازیابی سیستم، ولتاژ و فرکانس ممکن است به طرز قابل توجهی نوسان کنند و این امر می­تواند روی میزان بارهای وابسته به ولتاژ و فرکانس تأثیر بگذارد. برای بارهای وابسته به ولتاژ ترموستاتي، هنگام کاهش ولتاژ ابتدا توان مصرفی کاهش می­یابد(با مربع ولتاژ) اما با کاهش بیشتر ولتاژ، توان مصرفی افزایش می­یابد به صورتی که کاهش 10 درصدی ولتاژ طی مدت 15-10 دقیقه منجر به افزایش 40-30 درصدی توان مصرفی می­گردد و پس از گذشت 40-30 دقیقه این افزایش توان به 10-5 درصد خواهد رسید. اما با توجه به ترکیب بارها در یک منطقه، می­توان گفت با کاهش ولتاژ، میزان توان مصرفی کاهش می­یابد.

پاسخ فرکانسی بارهای مختلط تقریباً خطی بوده و طی شرایط بارگذاری معمولی تغییرات آنها بسیار کم است(حدود 0.01 pu/Hz ). به هر حال اکثر بارها وابسته به ولتاژند و در صورت افت ولتاژ کاهش می­یابند. بنابراین وابستگی بارها به ولتاژ و فرکانس یک ویژگی مطلوب است که می تواند به کنترل فرکانس طی دوره­ی بازیابی سیستم کمک کند.

قطع بارها:

یک سئوال مهم هنگام خاموشی اینست که در این زمان چه اتفاقی برای بارها می­افتد. کلیدهای قدرت، مجهز به حفاظت زیر ولتاژاند و اگر ولتاژ برای مدت 7 ثانیه کمتر از 50 % مقدار نامی­اش باشد، کلید عمل می­کند.در کلید های 132kV و 63 kV این زمان روی 10 ثانیه تنظیم می­شود.

درحالیکه این عملکرد در سطوح ولتاژ پائین­تر وجود ندارد و این بدين معناست که هنگام خاموشی تمام بارهای متصل به سطح ولتاژ 20 kV وصل باقی خواهند ماند. این مشکل می­تواند با کنترل از راه دور کلیدهای 20kV رفع شود. در این صورت اپراتور می­تواند قبل از بازیابی ولتاژ سیستم، تمام بارها را از مدار خارج کند و بعد از بازیابی آنها را یکی یکی وارد مدار کند.