Εισαγωγή σε Συμμετρικά Εξαρτήματα

Τα σύγχρονα συστήματα ισχύος έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν υπό ισορροπημένες συνθήκες τριών φάσεων, όπου οι τάσεις και τα ρεύματα έχουν ίσο μέγεθος και διαχωρίζονται με 120 βαθμούς στη φάση. Ωστόσο, οι διαταραχές του πραγματικού κόσμου ⁇ όπως οι κεραυνοί, οι αστοχίες εξοπλισμού, ή οι εργασίες αλλαγής ⁇ εισάγουν ανισορροπία. Η ανάλυση αυτών των ανισόρροπων συνθηκών χρησιμοποιώντας τις ποσότητες άμεσης φάσης γρήγορα γίνεται δυσκίνητη, επειδή οι εξισώσεις του συστήματος γίνονται συζευγμένες και ασύμμετρες. Εδώ είναι όπου τα συμμετρικά συστατικά βήμα. Αρχικά διατυπώνεται από Charles L. Fortescue το 1918, η μέθοδος μετατρέπει ένα ανισόρροπο σύνολο τριών φάσορ σε τρία ισορροπημένα σύνολα: θετικής αλληλουχίας, αρνητικής αλληλουχίας, και μηδενικής αλληλουχίας συστατικά. Με την αποσύνδεση του συστήματος σε ανεξάρτητα δίκτυα αλληλουχιών, οι μηχανικοί μπορούν να εφαρμόσουν τις αρχές υπερθέσης και να απλοποιήσουν τις μελέτες ελαττωμάτων, τις ρυθμίσεις ρελέ, και τις αξιολογήσεις σταθερότητας.

Τι Είναι Συμμετρικά Στοιχεία;

Μετασχηματισμός του Φορτέσκου

Η Fortescue απέδειξε ότι οποιοδήποτε σύνολο τριών μη ισορροπημένου φάσορ (τάσεις ή ρεύματα) μπορεί να αντιπροσωπεύεται ως το άθροισμα τριών ισορροπημένων συνόλων. Μαθηματικά, ο μετασχηματισμός χρησιμοποιεί έναν σύνθετο φορέα εκμετάλλευσης a = 1 ⁇ 120° (μια μετατόπιση φάσης 120°) για να καθορίσει τη σχέση μεταξύ ποσοτήτων φάσεων και ποσοτήτων αλληλουχίας. Ο πίνακας μετασχηματισμού και ο αντίστροφος μηχανισμός είναι τα θεμέλια για τη μετατροπή μεταξύ περιοχών. Για παράδειγμα, δεδομένη τάση φάσης V]a], Vb, Vc, οι τάσεις αλληλουχίας V] [zero-sequence], V[FT:10][θέση] [επωνυμία] [επωνυμία] [επωνυμία] [επαρχία:[επωνυμία:10] και]][επωνυμία]

V0 = (1/3)Va[ + Vb + Vc]]
]V1] = (1/3)V]a]c]]]b] + a] [FL:17]]c]]][FL:19]]V
][FL:[FL:[FL:22][FL:[FL:[FL:22]][FL:[FL:]]

Ομοίως, ο αντίστροφος μετασχηματισμός ανακτά τις ποσότητες φάσης από τα συστατικά ακολουθίας. Αυτός ο γραμμικός μετασχηματισμός ισχύει για οποιαδήποτε μη ισορροπημένη κατάσταση, καθιστώντας το ένα καθολικό εργαλείο στην ανάλυση συστημάτων ισχύος.

Δίκτυα ακολουθίας

Κάθε συστατικό ακολουθίας αντιστοιχεί σε ένα ξεχωριστό, μονοφασικό δίκτυο ⁇ τα δίκτυα θετικής, αρνητικής και μηδενικής αλληλουχίας. Αυτά τα δίκτυα είναι κατασκευασμένα από τα εμπόδια των γεννητριών, των μετασχηματιστών, των γραμμών μετάδοσης και των φορτίων όπως φαίνεται από τη συγκεκριμένη ακολουθία. Τα δίκτυα θετικής αλληλουχίας αντιπροσωπεύουν την κανονική ισορροπημένη ροή ισχύος. Τα δίκτυα αρνητικής αλληλουχίας αντανακλούν ανισορροπίες λόγω ανισορροπίας ή ελαττωμάτων. Τα δίκτυα μηδενικής αλληλουχίας επηρεάζονται από την γείωση και παρέχουν μια διαδρομή για τα ρεύματα βλάβης εδάφους. Επειδή αυτά τα δίκτυα είναι ανεξάρτητα (για γραμμικά συστήματα), η συνολική απόκριση είναι η υπερθέση των μεμονωμένων απαντήσεων αλληλουχίας.

Τύποι Συμμετρικών στοιχείων

Εξαρτήματα Θετικής Σημασίας

Το σύνολο θετικής αλληλουχίας αποτελείται από τρεις phasors ίσης μεγέθους, χωρισμένες 120° χώρια, και περιστρεφόμενες προς την ίδια κατεύθυνση (ABC) με το αρχικό σύστημα υπό ισορροπημένη λειτουργία. Σε συνθήκες υγείας, υπάρχουν μόνο ρεύματα θετικής αλληλουχίας και τάσεις. Κατά τη διάρκεια μιας ισορροπημένης τριφασικής βλάβης, το σύστημα παραμένει συμμετρικό, έτσι υπάρχουν μόνο θετικές ποσότητες αλληλουχίας. Η θετική-απόσταση του κάθε στοιχείου είναι συνήθως η ίδια με την τυπική του παρεμπόδιση (Z1]).

Εξαρτήματα αρνητικής αλληλουχίας

Το σύνολο αρνητικής αλληλουχίας έχει επίσης ίσα μεγέθη και διαπόσταση 120°, αλλά περιστρέφεται προς την αντίστροφη κατεύθυνση (ACB). Οι ποσότητες αρνητικής αλληλουχίας εμφανίζονται όποτε το σύστημα είναι ανισόρροπο ⁇ όπως κατά τη διάρκεια των βλαβών μονής γραμμής-σε-εδάφους, των βλαβών γραμμής-σε-γραμμή, ή των ανισόρροπων φορτίων. Οι κινητήρες επαγωγής, οι γεννήτριες και οι μετασχηματιστές έχουν συγκεκριμένες παρεμβολές αρνητικής αλληλουχίας (Z2) που είναι συχνά διαφορετικές από Z1 λόγω της κατασκευής της μηχανής. Για στατικές συσκευές όπως γραμμές μετάδοσης, Z2]] ισούται με Z1]].

Εξαρτήματα μηδενικής αλληλουχίας

Το σύνολο μηδενικής αλληλουχίας περιλαμβάνει τρεις πανομοιότυπους φάσες που βρίσκονται σε φάση (χωρίς αντιστάθμιση περιστροφής). Οι ποσότητες μηδενικής αλληλουχίας εμφανίζονται όταν υπάρχει σύνδεση με έδαφος, όπως σε ένα γείωση ή όταν ο ουδέτερος μετασχηματιστής είναι γειωμένος. Η παρεμπόδιση μηδενικής αλληλουχίας (Z0) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την γείωση, τις διαμορφώσεις περιέλιξης μετασχηματιστή (delta, wye, zigzag) και την παρουσία των συρμάτων εδάφους. Για μια γραμμή μετάδοσης, Z]0 είναι συνήθως τρεις έως τέσσερις φορές μεγαλύτερες από το Z1] λόγω της εγγύτητας των ρευμάτων επιστροφής εδάφους.

Γιατί να Χρησιμοποιείτε Συμμετρικά Στοιχεία;

Πριν από συμμετρικά εξαρτήματα, οι μηχανικοί έπρεπε να λύσουν ένα σύνολο από 3x3 συζευγμένες εξισώσεις με αμοιβαία εμπόδια για κάθε τύπο ελαττώματος. Με τη μετατροπή σε δίκτυα ακολουθίας, το πρόβλημα αποσυνδέεται σε τρία ανεξάρτητα μονοφασικά κυκλώματα. Αυτό απλοποιεί δραστικά τους υπολογισμούς ρεύματος ελαττωμάτων, επιτρέπει τη διαισθητική κατανόηση του πώς οι διαφορετικοί τύποι ελαττωμάτων επηρεάζουν τις τάσεις και τα ρεύματα, και επιτρέπει στους μηχανικούς προστασίας να ρυθμίσουν σωστά τα όρια ρελέ. Τα βασικά οφέλη περιλαμβάνουν:

  • Απλοποιημένη ανάλυση ελαττωμάτων: Κάθε τύπος ελαττώματος αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη διασύνδεση δικτύων αλληλουχιών, καθιστώντας τον υπολογισμό απλό.
  • Συντονισμός της συστηματικής προστασίας: Τα εξαρτήματα ακολουθίας βοηθούν στην ανίχνευση και ταξινόμηση ελαττωμάτων (π.χ., υπερτρέχοντα, κατευθυντικά, τα ρελέ απόστασης χρησιμοποιούν ποσότητες ακολουθίας).
  • Κατανοώντας τη συμπεριφορά της γεννήτριας: Τα ρεύματα αρνητικής αλληλουχίας προκαλούν θέρμανση στροφείου σε σύγχρονες μηχανές· συμμετρικά συστατικά ποσοτικοποιούν αυτό το στρες.
  • Ανίχνευση βλάβης γύρω από το έδαφος: Τα στοιχεία μηδενικής αλληλουχίας αποτελούν τη βάση για συστήματα προστασίας από το έδαφος, όπως τα ευαίσθητα ηλεκτρονόμους βλάβης της γης.

Εφαρμογή στην ανάλυση ελαττωμάτων συστήματος ισχύος

Κοινή διασύνδεση τύπων ελαττωμάτων και δικτύου ακολουθίας

Μόλις τα δίκτυα ακολουθίας κατασκευαστούν (κάθε ένα ισοδύναμο Thevenin στη θέση βλάβης), η μέθοδος ακολουθεί μια καθολική διαδικασία: καθορίζει τον τύπο του ελαττώματος, συνδέει τα δίκτυα ακολουθίας σε μια συγκεκριμένη διάταξη, υπολογίζει ρεύματα ακολουθίας, στη συνέχεια μετατρέπει πίσω σε ρεύματα φάσης. Παρακάτω είναι οι τυπικές συνδέσεις:

Σφάλμα σε μία γραμμή προς ένα γύρο (SLG)

Επικρατεί όταν μια φάση έρχεται σε επαφή με το έδαφος μέσω μιας παρεμπόδισης Z[[LFT:0]]f[[[LFT:1]]]. Τα δίκτυα ακολουθίας συνδέονται σε σειρά: τα δίκτυα θετικής, αρνητικής και μηδενικής αλληλουχίας ενώνονται σε σειρά στο σημείο βλάβης, με 3Z[[LFT:2]f[[LFT:3]] να περιλαμβάνονται στην ουδέτερη διαδρομή. Αυτό αποδίδει το υψηλότερο μηδενικό ρεύμα μεταξύ ανισόρροπων ελαττωμάτων, καθιστώντας το κρίσιμο για επίγεια υπερτρέχοντα ρελέ.

Σφάλμα γραμμής προς γραμμή (LL)

Δύο φάσεις βλάβη μαζί (π.χ., B και C). Μηδενική αλληλουχία δεν εμπλέκεται επειδή το σφάλμα δεν είναι γειωμένο. Τα δίκτυα θετικής και αρνητικής αλληλουχίας συνδέονται παράλληλα μέσω της παρεμπόδισης ελαττωμάτων. Τα LL σφάλματα παράγουν ισορροπημένα ρεύματα αρνητικής αλληλουχίας αλλά καμία μηδενική αλληλουχία.

Σφάλμα διπλής γραμμής προς γύρο (DLG)

Δύο φάσεις ταυτόχρονα βλάβη στο έδαφος. Και τα τρία δίκτυα αλληλουχιών συνδέονται παράλληλα. Αυτό το σφάλμα παράγει και μηδενικά και αρνητικά ρεύματα αλληλουχίας, με μεγέθη ανάλογα με τις παγωμένες παρεμβολές.

Ισορροπημένο σφάλμα τριών φάσεων

Και οι τρεις φάσεις είναι ελαττωματικές μαζί, συχνά με παρεμπόδιση ελαττωμάτων Zf[]. Μόνο το δίκτυο θετικής αλληλουχίας είναι ενεργό· τα δίκτυα αρνητικής και μηδενικής αλληλουχίας παρακάμπτονται επειδή το σφάλμα είναι συμμετρικό. Αυτό αποδίδει το μεγαλύτερο ρεύμα σφάλματος υπό τυπικές συνθήκες συστήματος.

Πρακτικό Παράδειγμα: SLG Σφάλμα τρέχον υπολογισμό

Οι τιμές των εκπομπών CO2 από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές [1] είναι οι εξής:

Σύγχρονη Συνάφεια και Πέρα από την Ανάλυση Ατυχημάτων

Τα συμμετρικά συστατικά δεν περιορίζονται σε μελέτες ελαττωμάτων. Είναι αναπόσπαστο σε σύγχρονα εργαλεία του συστήματος ενέργειας όπως:

  • Παρακολούθηση της ποιότητας ισχύος: Στοιχεία ακολουθίας ποσοτικοποιούν την ανισορροπία της τάσης, η οποία επηρεάζει την απόδοση των κινητήρων και τη διάρκεια ζωής του μετασχηματιστή.
  • Ανανεώσιμη ενεργειακή ολοκλήρωση: Οι πόροι που βασίζονται σε inverter εγχέουν μη ισορροπημένα ρεύματα κατά τη διάρκεια διαταραχών του πλέγματος· τα συμμετρικά συστατικά βοηθούν στο μοντέλο της συμπεριφοράς τους και της συμμόρφωσης του κώδικα δικτύου.
  • Ρήτρα προστασίας σε πραγματικό χρόνο: Αριθμητικά ρελέ υπολογίζουν ποσότητες ακολουθίας για τον εντοπισμό κατεύθυνσης ελαττωμάτων, τον προσδιορισμό τύπου ελαττωμάτων και την εφαρμογή συστημάτων προσαρμοστικής προστασίας.
  • Μελέτες σταθερότητας συστήματος: Τα ρεύματα αρνητικής αλληλουχίας προκαλούν θέρμανση στροφείου σε σύγχρονες μηχανές, περιορίζοντας την ικανότητα γεννήτριας κατά τη διάρκεια ανισόρροπων συνθηκών.

Για περισσότερες λεπτομέρειες, οι αναγνώστες μπορούν να διερευνήσουν την επισκόπηση του Electrical4U, ] την τεχνική εξήγηση της παρεμπόδισης της αλληλουχίας της ScienceDirect, ή την ΙΕΕ Συνιστώμενη Πρακτική για την Προστασία και το Συντονισμό των Βιομηχανικών και Εμπορικών Συστημάτων Ηλεκτρισμού (IEEE Buff Book)] για ολοκληρωμένες κατευθυντήριες γραμμές.

Συμπέρασμα

Από τις μελέτες πρώιμων ελαττωμάτων σε σύγχρονες εφαρμογές έξυπνου πλέγματος, η ικανότητα εξαγωγής θετικών, αρνητικών και μηδενικών ποσοτήτων επιτρέπει στους μηχανικούς να σχεδιάζουν ασφαλή, αξιόπιστα και αποδοτικά ηλεκτρικά δίκτυα. Η διαχείριση αυτής της τεχνικής ⁇ συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας δικτύων αλληλοσυνδέσεων αλληλουχιών, των κανόνων διασύνδεσης σφαλμάτων και της ερμηνείας των ρευμάτων αλληλουχίας ⁇ είναι απαραίτητη για κάθε επαγγελματία του συστήματος ισχύος. Καθώς το δίκτυο εξελίσσεται με κατανεμημένη παραγωγή και ψηφιακή προστασία, τα συμμετρικά συστατικά θα συνεχίσουν να παρέχουν το αναλυτικό θεμέλιο για την κατανόηση και τον έλεγχο των ανισόρροπων συνθηκών.