بررسي پديده رزونانس و فرورزونانس در شبکه های توزیع برق و مطالعه راهكارهاي مقابله با آن و مرتفع نمودن معايب و عوارض ناشي از آن سبب عدم قطع بي مورد، پايداري بالا و بهره برداري بهينه از شبكه خواهد شد.
خسارت هاي ناشي از ايجاد اين پديده از نظر اقتصادي و فني قابل تامل بوده و درصورت بكار بستن راه حلهاي اصولي ، موجب جلوگيري از خسارت هاي سنگين فني و اقتصادي خواهد شد. عوامل موثر در ايجاد رزونانس و فرورزونانس در سيستم هاي توزيع شامل هارمونيك ها، اشباع هسته تغيير اندوكتانس سيم پيچي ، قطع يك يا دو فاز سيستم ، بار نامتقارن ، استفاده بي مورد از فيوزها، استفاده از كابل ها با خاصيت خازني بالا و … مي باشند.
پدیده رزونانس:
در مدارهايي كه از خازن و سلف استفاده مي شود، در شرايط خاصي كميات ولتاژ و جريان مدار براي مدت زيادي از مقادير قابل توجهي برخوردار مي شوند. افزايش قابل ملاحظه اين مقادير جريان با توجه به وجود خاصیت خازنی C و خاصیت القاییL سبب بروز پديده اي موسوم به رزونانس مي شود.
در یک مدارRLC سری، اگر فرکانس منبع تغذیه مدار قابل تغییر باشد، با تغییر فرکانس منبع در یکی از فرکانس ها (فقط و فقط به ازای یک فرکانس) XL=XC می شود. این فرکانس را فرکانس رزونانس می نامند.
در فرکانس رزونانس، سلف و خازن اثر یکدیگر را خنثی می کنند. در این شرایط امپدانس مدار، مینیمم و برابر با مقاومت اهمی مدار یعنی Z=R می شود. در این حالت می گوییم مدار در حالت رزونانس یا تشدید است. فرکانسی که سبب این حالت خاص (XL=XC) می شود را فرکانس رزونانس می نامند.
در مدار RLC سری در حالت رزونانس، امپدانس مدار حداقل است و جریان حداکثر از مدار می گذرد. جریان مدار همان جریان عبوری از مقاومت R است. در مدار سری در فرکانس رزونانس (fr) روابط زیر برقرار است.
در یک مدارRLC موازی، اگر فرکانس منبع تغذیه مدار قابل تغییر باشد، با تغییر فرکانس منبع در یکی از فرکانس ها (فقط و فقط به ازای یک فرکانس) XL=XC می شود. این فرکانس را فرکانس رزونانس می نامند.
در مدار RLC موازی در حالت رزونانس، امپدانس مدار حداکثر است و جریان حداقل از مدار می گذرد . جریان مدار همان جریان عبوری از مقاومت R است.
در مدار موازی در فرکانس رزونانس (fr) روابط زیر برقرار است.
همانطور که می دانید در مدار RLC موازی در فرکانس رزونانس جریان عبوری از XL و جریان عبوری از XC با هم برابر است.
پدیده فرو رزونانس:
فرورزونانس یک پدیده رزونانس غیر خطی است که بین خازن شبکه (مانند خازن کابل) و اندوکتانس غیرخطی تجهیزات (مانند سلف ترانس) در هنگام اشباع رخ می‌دهد. این پدیده می‌تواند منجر به مشکلات عایقی شود.
در پاسخ به يك ولتاژ گذرا، خطاي فاز به زمين، باز شدن کلید، اضافه ولتاژ هاي صاعقه و … سيستم مي تواند يك جهش ناگهاني غير خطي از پاسخ حالت عادي خود به يك وضعيت ماندگار با اعوجاج هارمونيكي و اضافه ولتاژ هاي بزرگ (چند پریونیت) داشته باشد كه مي تواند به تجهيزات سيستم قدرت آسيب برساند.
بروز پدیده فرورزونانس در شبکه های توزیع با افزایش ولتاژ و صدمه به ایزولاسیون تجهیزات فشار قوی از جمله برقگیرها، کابل ها و ترانسفورماتورها همراه است که ترکیدن سر کابل ها و انفجار برقگیرها را موجب می شود. به علاوه جریان نشتی برقگیرهای غیر خطی را افزایش می دهد و از عمر و دوام آن ها می کاهد. در فرورزونانس اضافه ولتاژهایی حتی تا ۴ پریونیت بوجود می‌آید که باعث آسیب عایقی می‌شود.
هسته ترانسفورماتور
هسته ترانسفورماتور از مواد فرو مغناطیسی ساخته می شود (مانند آهن) که همین امر باعث ایجاد پدیده فرورزونانس در شبکه می شود. وقتيكه يك ماده فرو مغناطيسي مثل آهن در داخل يك سيم پيچ قرار گرفته است، مقدار اندوكتانس تغيير مي كند. اين موضوع به خاطر آن است كه مواد فرو مغناطيسي خاصيت افزايش شدت شار مغناطيسي را دارند و در نتيجه القاي مغناطيسي افزايش مي يابد. مواد فرومغناطیسی مي توانند اشباع شوند و اثر هيسترزيس را از خود نشان دهند.
زمانیکه جريان افزايش مي يابد، شدت ميدان مغناطيسي هم افزايش مي يابد تا آنجاییكه به نقطه اي مي رسيم كه افزايش بيشتر جريان باعث افزايش كوچك و كوچكتري در شدت ميدان مي شود. به اين نقطه، نقطه اشباع مي گويند. مقدار اندوكتانس براي مقادير بالاي نقطه اشباع متفاوت است بصورتیکه جريان در بالاي نقطه اشباع افزايش پيدا كند، اندوكتانس سيم پيچي به صورت ناگهاني تغيير مي كند.
در منحنی پایینی، شار با افزایش جریان منفی، افزایش می یابد و در منحنی بالایی شار با کاهش جریان مثبت، کاهش می یابد. این امر يك مشخصه مواد فرو مغناطيسي است. دامنه جرياني كه باعث مي شود آهن به اشباع برود برابر همان جرياني است كه باعث مي شود آهن از اشباع خارج مي شود.
در فرورزونانس، اندوكتانس ثابت نيست و اندوكتانس بر اساس اشباع تغيير مي كند و باعث تغيير راكتانس القايي مي شود (XL=2πf). بنابراین همچنانكه آهن به اشباع مي رود، يك تغيير ناگهاني در اندوكتانس، يك تغيير ناگهاني در فركانس را باعث مي شود.
تغييرات غير قابل پيش بيني در اندوكتانس بدان معني است كه يك محدوده وسيعي از ظرفيت هاي خازني مي توانند عاملي بالقوه براي رزونانس در يك فركانس اعمال شده باشند.
وقتي كه اندوكتانس فرو مغناطيسي به اشباع مي رود، در اشباع باقي مي ماند تا زمانيكه جريان كاهش يابد. اگر اندوكتانس زماني كه اشباع شده است باعث يك رزونانس شود (مثلاً يك راكتانس القايي و يك راكتانس خازني در يك مدار با هم تطبيق داده شوند) دامنه جريان شديداً افزايش پيدا مي كند و به علاوه آهن را به اشباع مي برد و مي تواند باعث تثبيت نقطه رزونانس شود.
به علت اشباع هسته ترانسفورماتور و عبور جريان هاي لحظه اي بزرگ در سيم پيچ هاي ترانسفورماتور در زمان وقوع اين پديده، ترانسفورماتور داغ مي شود. داغ شدن ترانسفورماتور به اين علت است كه به دليل اشباع هسته ترانسفورماتور، رلوكتانس ظاهري مسير آهني ديده شده به وسيله سيم پيچ هاي ترانسفورماتور بزرگ مي شود و بنابراين قسمتي از شار به بيرون هسته رانده مي شود.
قسمتي از اين شار مسير خود را از طريق تانك ترانسفورماتور مي بندد و به علت اينكه تانك ترانسفورماتور در مقابل جريان هاي فوكو طراحي نشده است، عبور شار باعث ايجاد جريان هاي فوكو در آن و داغ شدن بدنه مي شود. داغ شدن ترانسفورماتور قدرت عايقي آن را تضعيف كرده و منجر به شكست عايق تحت تنش هاي الكتريكي مي شود. در صورت عدم توقف اين پديده ترانسفورماتور شديداً آسيب ديده و ممكن است باعث اتصال كوتاه و يا انفجار و يا حتي آتش سوزي شود.
اگر ترانسفورماتور بي بار تغذيه شده از طريق خط كابلي تحت كليد زني تك فاز و يا دو فاز قرار گيرد احتمال وقوع فرورزونانس زیاد می شود. البته در رده توزيع خوشبختانه تمامي كليدهاي قدرت داراي قطع سه فاز بوده اما در حالت هايي كه از وسايل قطع تك فاز مانند كات اوت فيوز استفاده مي شود امكان وقوع چنين شرايطي بسيار مهيا است.
در اين حالت مدار فرورزونانس شامل ولتاژ القايي (ولتاژ القا شده از فازهاي ديگر ترانسفورماتور به فاز قطع شده) و مشخصه مغناطيسي هسته ترانسفورماتور و ظرفيت خازني بين كابل (يا خط انتقال) و زمين مي باشد. در اين حالت ولتاژ ظاهر شده در فاز قطع شده ترانسفورماتور به تناسب مقدار ظرفيت خازني كابل متصل به آن و ساير پارامترها مي تواند از چند پريونيت تجاوز نمايد.
اثرات تخريبي فرورزونانس بر ترانسفورماتورها
فرورزونانس اثرات تخريبي متعددي بر ترانسفورماتورها و تجهيزات ديگر دارد كه مهمترين اين تأثيرات را مي توان به صورت زير خلاصه نمود.
- به وجود آمدن ولتاژ ها و جريان هاي بزرگ ماندگار يا موقت در سيستم
- ايجاد اعوجاج در شكل موج هاي ولتاژ و جريان
- توليد صداهاي گوش خراش پيوسته در ترانسفورماتورها و راكتورها
- تخريب تجهيزات الكتريكي به علت گرماي زياد يا شكست الكتريكي
- عملكرد ناخواسته رله ها
- گرم شدن ترانسفورماتور (در حالت بی باری)
حذف رزونانس و فرورزونانس
براي حذف رزونانس و فرورزونانس در شبکه توزیع برق راهكارهايي نظير، محدود نمودن طول كابل بين كليد و ترانسفورمر، پيش بيني كليدهاي مناسب وصل فازها، زمين كردن نقطه نول تر انسفورماتور با اتصال ستاره از طريق مقاومت اهمي و … پيشنهاد مي شود.