کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده - بخش اول

منظور از تولید پراکنده در این سلسله مقالات DG یا همان نیروگاه‌های کوچک محلی است که اغلب برای تولید برق کارخانجاتی مانند ذوب آهن و ... بکار می‌روند. سیاسیت‌های جدید در حوزه انرژی سعی در یکپارچه کردن این تولید‌های پراکنده در شبکه‌های سراسری دارد. در مقاله  مورد نظر گاه از اصطلاح "تولید پراکنده" و گاه از "نیروگاه محلی" استفاده شده است.

آوریل  (۲۰۰۷ میلادی)، دپارتمان انرژی ایالات متحده گزارشی با عنوان "مزایای بالقوه تولید پراکنده و بخشنامه‌هایی که ممکن است با گسترش آن در تضاد باشند" منتشر کرد. این گزارش تصریح می‌کند:" در بعضی موارد، مقررات و نیازمندی‌های اتصال به شبکه سراسری بیش از حد سختگیرانه و زمان بر بوده و هزینه زیادی بر پروژه‌های تولید پراکنده تحمیل می‌کنند. " این گزارش با مشاوره کمیسیون رگولاتوری انرژی فدرال به عنوان فرمانی تحت قانون سیاستگذاری انرژی ۲۰۰۵ برای دپارتمان انرژی تهیه شده است تا مزایای بالقوه همکاری در تولید برق و تولیدکننده‌های کوچک مشخص شود و موانعی که ممکن است بر سر راه تولید پراکنده باشد بر طرف کند.

بر اساس این گزارش ۳۰ سال پس از تصویب سیاست‌های رگولاتوری شبکه‌های عمومی در سال ۱۹۷۸، اتصال یک نیروگاه کوچک به شبکه سراسری هنوز هم در بسیاری از ایالات با مشکلات حادی مواجه است. به دلیل فقدان استاندارد‌های مورد نیاز در نیروگاه ها، بسیاری از صاحبان نیروگاه‌های کوچک (کمتر از ۱۰ مگاوات) با هزینه‌های زیاد و تبعیض‌هایی مواجه هستند که آن‌ها را با منابع اندک مالی و صورت حساب‌های سنگین تنها رها می‌کند. این گزارش همچنین می‌گوید:" هیچ مدل، ابزار یا تکنیک استانداردی برای ارزیابی تولیدکنندگان کوچک و داخل کردن آن‌ها در برنامه ریزی‌ها و عملیات شبکه سراسری وجود ندارد. "

استاندارد‌های ناقص

تا کنون چند استاندارد‌های برای اتصال نیروگاه‌های کوچک به شبکه سراسری توسط نهاد‌های زیر ارائه شده اند:

آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده

مدل اتصال تولید پراکنده تولید کننده‌ها و توافق منتشر شده در ۲۰۰۲

 

 انجمن ملی رگولاتوری شرکت‌های برق. شورای انرژی بین ایالتی (۲۰۰۵)

 انجمن ملی همکاری‌های برقی روستایی

شناخته شده‌ترین و مورد قبول‌ترین این استانداردها، استاندارد IEEE۱۵۴۷ است که با عنوان "استاندارد‌های اتصال منابع پراکنده به سیستم‌های قدرت" در سال ۲۰۰۳ منتشر شد. استاندارد ۱۵۴۷ راهنمای همه گروه‌های درگیر است چرا که این استاندارد توسط انیستیتو استاندار‌های ملی آمریکا بازبینی و بهبود یافته و شامل یک چارچوب واقع گرایانه از قوانین و نیازمندی هاست. اهداف بیان شده این استاندارد به عنوان یک سند منحصر به فرد از استاندارد‌های فنی برای اتصال نیروگاه‌های کوچک، نیازمندی‌های صاحبان آن‌ها و شرکت‌های برق می‌باشد. به دلیل تفاوت استاندارد هر ایالت با ایالت‌های دیگر گسترش این استاندارد به کندی پیش می‌رود. کالیفرنیا و نیویورک قابل ذکرترین این استثناءات هستند.

تمام استاندارد‌هایی که در بالا ذکر شده اند مشخص می‌کنند که عملکرد اصلی حفاظت در اتصال به شبکه جلوگیری از جزیره‌ای شدن شبکه با کشف ژنراتور‌های آسنکرون شده نیروگاه‌های کوچک می‌باشد. به عبارت دیگر، تعیین جایی که ژنراتور دیگر به صورت موازی با شبکه کار نمی‌کند به صورت حیاتی مهم است.

در طراحی حفاظت همچنین باید موارد زیر را نیز در نظر گرفت:

قطع نیروگاه محلی هنگامی که ژنراتور‌های آن دیگر به صورت موازی با شبکه کار نمی‌کنند.

 حفاظت شبکه از آسیب‌هایی که از اتصال به نیروگاه محلی ناشی می‌شوند. در میان این گونه آسیب‌ها می‌تواند به ولتاژ‌های گذرا و جریان خطای تغذیه شده توسط ژنراتور‌های کوچک اشاره کرد. این اتفاقات می‌توانند تجهیزات شبکه را آسیب برسانند یا هماهنگی رله‌ها را از بین ببرند و به قطعی غیرضروری شبکه سراسری بیانجامند.

· حفاظت نیروگاه محلی از آسیب‌هایی که ناشی از شبکه هستند به ویژه کلیدزنی‌های خودکار شبکه.

اگرچه استاندارد‌ها بر روی این موارد تأکید می‌کنند، اما بازهم نقاط ضعفی در استاندارد‌ها وجود دارد که یک طراح خوب باید به آن‌ها دقت کند. کسانی که به فکر توسعه تولید پراکنده هستند باید با جدیت پیشنهاد‌های فنی که در زیر آمده است را مدنظر قراردهند. قبل از اینکه طراحان شبکه با طرحی از اتصال شبکه سراسری با نیروگاه محلی شما نزدتان بیایند خودتان باید برای یافتن راه حل‌هایی برای رفع این نواقص پیشگام شده باشید. بدین منظور، چند راهکار برای پوشش دادن نواقص IEEE۱۵۴۷ بررسی می‌شوند.

حفاظت: یک جاده دوطرفه

اغلب ژنراتور‌های ۱۰ مگاوات یا کوچکتر در نیروگاه‌های محلی با سطح ولتاژ توزیع یا فوق توزیع به شبکه سراسری متصل می‌شوند. این گونه نیروگاه‌ها برای تغذیه بار‌های شعاعی طراحی شده اند. نه تنها ژنراتور‌های کوچک نیازدارند که از اتصال کوتاه حفاظت شوند بلکه باید در برابر شرایط بهره برداری نامناسب، که ممکن است شبکه به آن‌ها تحمیل کند، هم باید حفاظت شوند. نمونه‌هایی از این شرایط غیرعادی عبارتند از: تحریک اضافه، ولتاژ بالا/پایین خروجی، جریان‌های غیرمتعادل، فرکانس‌های غیراستاندارد و گشتاور بیش از حد بر روی روتور‌های توربین به دلیل کلیدزنی‌های خودکار شبکه.

اگر یک ژنراتور به چنین شرایطی بربخورد، ممکن است که ظرف چند ثانیه خسارت‌های جبران ناپذیری به آن وارد شود. این مسئله از دلواپسی‌های آشکار دارندگان چنین نیروگاه‌هایی است. شبکه، از طرف دیگر، بیشتر نگران اتصال نیروگاه‌های کوچک و خسارات‌هایی که ممکن است به تجهیزات شبکه بزنند می‌باشد.

استاندارد‌ها محدوده‌ای از راهنمایی‌های مخصوص برای حفاظت از آسیب‌های ناشی از فرکانس بالا/پایین یا ولتاژ بالا/پایین ارائه می‌کنند. به هرحال، رله گذاری‌ها در نقطه اتصال شبکه به نیروگاه محلی در نظر گرفته شده اند. این رله‌ها ممکن است در سمت ثانویه ترانسفورماتوری که شبکه را به نیروگاه محلی متصل کرده است (تصویر ۱ بالا) یا در سمت اولیه آن (تصویر ۱ پایین) نصب شده باشند و محل نصب آن‌ها تعیین می‌کند که ترانسفورماتور از کدام جهت آسیب خواهد دید.

 

تصویر ۱- رله‌های حفاظت ژنراتور‌های کوچک از شبکه عموما در این نقاط نصب می‌شوند: در سمت ثانویه (بالا) یا اولیه (پایین) ترانسفورماتور اتصال به شبکه سراسری.

 

بیشتر این گونه نیروگاه‌ها به شبکه توزیع متصل شده اند. در آمریکا، اغلب شبکه‌های توزیع از خطوط ۴ سیمه زمین شده با ولتاژ ۴ تا ۳۴.۵ کیلوولت استفاده می‌کنند. این طرح اجازه می‌دهد تا ترانسفورماتور‌های تک فازه هوایی با ولتاژ فاز به زمین مورد استفاده شبکه توزیع قراربگیرند. بنابراین، در یک شبکه توزیع ۱۳.۸ کیلوولت ترانسفورماتور‌های تک فاز ۸Kv=۱.۷۳/۱۳.۸ می‌توانند نصب شوند. این ترانسفورماتور‌ها و برقگیرهایشان می‌تواند (بسته به انتخاب نوع اتصالی که شبکه را به نیروگاه‌های محلی وصل می‌کنند) از طریق ولتاژ‌های بالا آسیب ببینند. ۵ گونه اتصال که بیشتر برای اتصال به شبکه سراسری استفاده می‌شوند در تصویر ۲ (پایین) آمده اند. هر کدام از آن‌ها مزایا و مشکلات خود را دارد.

تصویر ۲- نحوه اتصال شبکه سراسری به نیروگاه‌های کوچک

 

استاندارد‌ها نیازمندی‌های اساسی شبکه را ذکر می‌کنند، اما روشها، راه حل‌ها و یا انتخاب‌های اندکی برای مواجه با آن‌ها را ارائه می‌کنند. راهنمایی‌های موجود در استاندارد‌ها در هر یک از این سطوح اساسی آنقدر نیست که جزئیات لازم برای تکمیل یک طرح را شرح دهند. در ادامه، ۶ محدوده اصلی که در آن‌ها نیازمنداست استاندارد‌ها را اصلاح شود بیان خواهد کرد.