میکرو گرید یا ریز شبکه

 ریز شبکه که به آن Microgrid نیز می‌گویند، شامل مجموعه‌ای از تولید پراکنده نظیر توربین بادی، دیزل ژنراتور، پیل سوختی و سیستم فتوولتاییک، سیستم ذخیره انرژی و بار‌ها بوده که قابلیت کنترل داشته و تامین کننده توان الکتریکی و در صورت نیاز گرمایی می‌باشد. میکرو گرید می‌تواند به صورت اتصال به شبکه و یا عملکرد جزیره‌ای مورد بهره ‌برداری قرار گیرد. انتخاب  سیستم های زمین-نول (ارتینگ) به نیازها و اهدافی بستگی دارد که غالباً متفاوت است.

به حدی که گاهی اوقات چندین سیستم باید در یک تاسیسات (جزیره ای) ایجاد شوند تا بتوانند ایمنی ، قابلیت نگهداری یا کارایی لازم را داشته باشند. در این مقاله سه سیستم ارت (TT ، TN و IT) برای محافظت از میکرو شبکه (MG) در برابر انواع مختلف خطا در حالت اتصال به شبکه ،تست و مقایسه شده است. قسمت اصلی این مقاله شامل مدلهای منابع ریز شبکه است که توسط مبدل های الکترونیکی قدرت به میکروگرید واسطه می شوند.

نتایج ثابت کرد که مناسبترین سیستم ارت برای محافظت از ریز شبکه در حین اتصال به شبکه، سیستم ارت TN است. این سیستم منجر به مقدار مناسبی جریان خطا می شود که برای فعال کردن اضافه جریان رله های محافظ جریان کافی است. اگر محدود کننده جریان همراه با ترانسفورماتور شبکه اصلی که متصل کننده میکروگرید است باشد، با استفاده از سیستم ارتینگ TN، ولتاژ لمسی (Touch Voltage) در باس خطا و سایر باس های مصرف کننده کمتر از مقدار محدوده ایمن خواهد بود.

برای دو سیستم ارت دیگر (TT و IT) ، جریان خطا کم است و تقریباً برابر با اضافه جریان بار است که باعث می شود رله محافظتی نتواند بین جریان خطا و جریان اضافه بار تفاوتی قائل شود. تمام مدل های منابع میکرو، سیستم های ارتینگ، مبدلها، شبکه اصلی و طرح های کنترل با استفاده از محیط Matlab® / Simulink® ساخته شده اند.

کلمات کلیدی: محفاظت از میکرو شبکه، سیستمهای ارتینگ میکرو شبکه ها، جریان خطا، ولتاژ لمس (touch voltage)، منابع میکرو و مبدل ها، حالت اتصال به شبکه.

ارت پست برق

1. مقدمه

ارت یک سیستم الکتریکی نیازمند این است که سایت شبکه و تجهیزات الکتریکی مصرف کننده به سیستم ارت وصل باشند. تاسیستم ارتینگ، ایمنی را ارتقاء داده و احتمال آسیب به تجهیزات را کاهش دهد. ارت موثر از اضافه ولتاژ طولانی مدت جلوگیری کرده و خطرات ناشی از شوک الکتریکی را به حداقل می رساند. همچنین ارتینگ، یک مسیر از پیش تعیین شده برای جریانهای نشتی زمین را نیز فراهم می کند که با استفاده از دستگاههای محافظ برای قطع نیروگاه یا مدارهای معیوب استفاده می شود.

یک میکروگرید، نمونه ای منحصر به فرد از یک سیستم توزیع است و قبل از تصمیم گیری در مورد سیستم ارت ، ریز شبکه نیاز به ارزیابی دقیق دارد. یک میکروگرید از مجموعه ای از منابع میکرو، سیستم های ذخیره انرژی و بارها تشکیل شده است که به عنوان یک سیستم کنترل پذیر عمل می کنند. سطح ولتاژ MG ، 400 ولت یا کمتر است. معماری ریز شبکه با تعدادی فیدر به صورت شعاعی شکل گرفته است. میکروگرید اغلب برق و گرما را برای منطقه محلی تأمین می کند.

ریز شبکه را می توان در هر دو حالت متصل به شبکه و حالت مجزا به کار برد. منابع میکرو معمولاً از بسیاری از فن آوری های جدید ساخته می شوند. به عنوان مثال توربین های گازی میکرو، پیل های سوختی، سیستم های فتوولتائیک و انواع توربین های بادی. سیستم ذخیره انرژی غالباً یک سیستم چرخ دنده ای (سیستم تبدیل انرژی باد با استفاده از پره ها و چرخ دنده) است. منابع میکرو و چرخ دنده ای برای تأمین مستقیم انرژی شبکه مناسب نیستند.

آنها باید از طریق یک مرحله مبدل با شبکه ارتباط برقرار کنند. بنابراین استفاده از رابط های الکترونیکی قدرت در ریز شبکه ،منجر به یک سری چالش ها در طراحی و عملکرد MG می شود. یکی از مهمترین چالش ها، طراحی محافظت از میکرو گرید برای مطابقت با کدهای توزیع ملی مربوطه و حفظ ایمنی و ثبات ریز شبکه در هر دو حالت اتصال شبکه و حالت مجزا است. با این حال، MG (میکروگرید)مبتنی بر اینورتر (یا مبدل) به طور معمول نمی تواند سطح مورد نیاز جریان اتصال کوتاه را تأمین کند.

در موارد مهم، جریان خطای ناشی از منابع میکرو ممکن است فقط دو برابر جریان بار یا کمتر باشد. برخی از دستگاه های اندازه گیری اضافه جریان، حتی به این سطح از حد اضافه جریان هم پاسخ نمی دهند. علاوه بر این، محافظت از اضافه ولتاژ/فرکانس، یا ولتاژ/فرکانس پایین ممکن است به دلیل کنترل ولتاژ و فرکانس ریز شبکه، خطاهای MG را تشخیص ندهد. این ماهیت منحصر به فرد میکروگرید ،نیاز به نگاهی تازه در طراحی و عملکرد حفاظت دارد.

این مقاله سه سیستم ارتینگ را برای محافظت از ریز شبکه در حالت اتصال به شبکه ارائه می دهد. دو قسمت اصلی این مقاله عبارتند از: 1) در نظر گرفتن مدلهای منابع میکرو (و مبدل های آنها) نصب شده در ریز شبکه و 2) محدود کننده جریان شامل اینورتر در داخل میکروگرید برای شبیه سازی دقیق وضعیت واقعی.  سه سیستم ارتینگ روی ریز شبکه پیاده سازی و آزمایش می شوند. مقایسه عملکرد سه سیستم مطرح شده است. مناسب ترین سیستم ارتینگ از این مقایسه استنباط می شود.

این مقتاله به صورت زیر طبقه بندی شده است: بخش 2 سه سیستم ارت طراحی شده را توصیف می کند. بخش 3 رفتار خطا را در هر سیستم ارت به علاوه مزایا و معایب هر سیستم را ارائه می دهد. شبکه میکرو گرید شامل منابع میکرو، مبدل ها و سیستم ارت در بخش 4 ارائه شده است. بخش 5 نتایج بدست آمده با استفاده از سه سیستم ارت را ارائه می دهد. نتیجه گیری نیز در بخش 6 ارائه شده است.

2. انواع سیستم های ارت در میکرو گرید

یک سیستم توزیع ولتاژ پایین (LV) ممکن است با توجه به سیستم ارت آن شناسایی شود. این سیستم ها با استفاده از پنج حرف T (اتصال مستقیم به زمین) ، N (نول) ، C (ترکیبی) ، S (جداگانه) و I (جدا شده از زمین) تعریف می شوند. حرف اول نشان می دهد که چگونه نول ترانسفورماتور (منبع تامین) زمین می شود. در حالی که حرف دوم نحوه زمین شدن فلز نصب شده (قاب) را نشان می دهد. حرف سوم و چهارم به ترتیب عملکرد هادی های نول و محافظتی را نشان می دهد. سه نوع پیکره بندی ممکن وجود دارد:

1. TT: نول ترانسفورماتور و قاب زمین شده
2. TN: نول ترانسفورماتور زمین شده، قاب متصل به نول
3. IT: نول ترانسفورماتور زمین نشده، قاب زمین شده

سیستم TN شامل سه زیر سیستم است: TN-C ، TN-S و TN-C-S ، همانطور که در بخشهای زیر بحث شده است.

2-1 سیستم ارتینگ TT

در این سیستم منبع تامین ارتباط مستقیمی با زمین دارد. تمام قسمتهای رسانا موجود نصب نیز به یک الکترود ارت متصل هستند که از نظر الکتریکی مستقل از زمین مبنا است. ساختار سیستم TT در شکل 1 نشان داده شده است.

2-2 سیستم ارتینگ TN

در یک سیستم ارتینگ TN، منبع تغذیه (ترانسفورماتور نول) مستقیماً به زمین متصل است و تمام قسمتهای رسانای نصب شده به هادی نول قرار وصل شده اند. ایمنی پرسنل تضمین شده است، اما ایمنی اموال (آتش سوزی، آسیب به تجهیزات الکتریکی) نسبتا کمتر است. سه زیر سیستم در سیستم ارتینگ TN با مشخصات اصلی آنها در زیر شرح داده شده است.

2-2-1 سیستم ارتینگ TN-C

همانطور که در شکل 2 (a) نشان داده شده است ، سیستم TN-C دارای ویژگی های زیر است:

1. عملکردهای نول و محافظتی در یک هادی منفرد در کل سیستم ترکیب شده اند. (PEN — ارت نول محافظتی).
2.  منبع تامین مستقیماً به زمین متصل است و تمام قسمتهای رسانا در نصب به هادی PEN متصل می شوند.

2-2-2 سیستم ارت TN-S

معماری سیستم TN-S در شکل 2 (ب) نشان داده شده است و دارای ویژگی های زیر است:

1.  یک سیستم TN-S دارای هادی های نول و محافظ جداگانه در سراسر سیستم است.
2. منبع تأمین مستقیماً به زمین متصل است. تمام قسمتهای رسانا در نصب از طریق ترمینال اصلی زمین به هادی محافظ (PE) متصل می شوند.

2-2-3 سیستم ارتینگ TN-C-S

پیکربندی سیستم زمینی TN-C-S در شکل 2 (c) نشان داده شده است و دارای ویژگی های زیر است:

1. عملکردهای نول و محافظتی در یک هادی در بخشی از سیستم TN-C-S ترکیب شده اند. منبع آن TN-C است و ترتیب آن در نصب TN-S است.
2. استفاده از TN-S ناشی از TN-C.
3. تمام قسمتهای رسانای نصب از طریق ترمینال اصلی و ترمینال نول به هادی PEN متصل می شوند، این ترمینال ها بهم متصل می شوند.

اتصال زمین

3 سیستم ارتینگ IT

در این سیستم ، منبع تأمین یا از طریق امپدانس ارتینگ بالا (سیستم امپدانس زمینی IT) به زمین متصل می شود یا همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، از زمین جدا شده است. تمام قسمت های رسانا در نصب به الکترود ارت وصل شده اند. هر قسمت رسانا باید زمین شود تا شرایط زیر را برای هر مدار تأمین کند:

که:

• Rb: مقاومت های الکترود ارت برای قطعات رسانا.
• Id: جریان خطایی که جریان های نشتی و کل امپدانس ارتینگ برق را در نظر می گیرد.

1. رفتار و ویژگی های خطا در هر یک از سیستم های ارتینگ

نقص عایق در تاسیسات الکتریکی خطرات انسانی و تجهیزات را به همراه دارد. در عین حال، ممکن است باعث عدم دسترسی به برق شود. جریان و ولتاژهای خطا از یک سیستم ارتینگ به سیستم دیگر متفاوت است، همانطور که در زیر بخش های زیر شرح داده شده است.

 

3- خطا در سیستم ارتینگ TN

شکل 4 رفتار خطا در سیستم زمینی TN و مسیر جریان خطا را نشان می دهد. وقتی خطای عایق وجود دارد، Id جریان خطا فقط توسط امپدانس کابلهای حلقه خطا محدود می شود. دستگاههای محافظ اتصال کوتاه (قطع کننده مدار یا فیوزها) با تریپ های اتوماتیک وابسته به حداکثر زمان قطع به طور کلی از خطرات عایق محافظت می کنند (بسته به ولتاژ فاز تا نول Uo). زمانهای معمول شکست/قطع در سیستم ارتینگ TN در جدول 1 مطابق با IEC جدول بندی شده است (UL ولتاژ ایمنی محدود است).

3-1-1 مزایای سیستم ارتینگ TN

1.  سیستم ارتینگ TN همیشه مسیر بازگشتی را برای خطاهای شبکه LV فراهم می کند. هادی های اتصال زمین در ترانسفورماتور و در تمام کاربران به هم متصل هستند. این موضوع باعث می شود که ارت توزیع شود و خطر عدم وجود ارت ایمن برای مشتری را کاهش می دهد.
2. مقاومت ارتینگ پایین تر از هادی PEN.
3.  سیستم TN این مزیت را دارد که در صورت بروز خطای عایق، ولتاژهای خطا (ولتاژهای لمس) به طور کلی کمتر از سیستم های ارتینگ TT هستند. این موضوع به دلیل افت ولتاژ در هادی فاز و امپدانس پایین تر از هادی PEN در مقایسه با ارت مصرف کننده در سیستم های TT است.
4.  عدم ولتاژ بیش از حد بر روی عایق تجهیزات.
5. مطمئناً وقتی کابل LV با غلاف زمینی اعمال می شود، سیستم TN-S دارای بهترین ویژگی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) برای جریانهای 50 هرتز و فرکانس بالا است.
6. سیستم ارتینگ TN می تواند با محفاظت اضافه جریان معمولی کار کند.
7. قابلیت اطمینان بالا در قطع خطا توسط قطعات اضافه جریان (یعنی جریان خطا به اندازه کافی بزرگ هست تا قطعات محافظتی اضافه جریان را فعال کند).

3-1-2 معایب سیستم ارتینگ TN

1.  اشکال در شبکه الکتریکی در سطح ولتاژ بالاتر ممکن است به زمین شبکه LV ورود کرده و باعث ایجاد ولتاژ تماس/لمس در کاربران LV شود.
2.  خرابی در شبکه LV ممکن است باعث ولتاژ لمس در سایر کابران LV شود.
3. خطر بالقوه قطعات رسانا با هادی نول در صورت شکست هادی نول شبکه و همچنین خطاهای فاز شبکه LV به خطاهای نول و فاز به زمین و خطاهای MV به LV.
4. شرکت تامین نه تنها مسئول ایجاد زمین مناسب بلکه ایمنی مصرف کنندگان در هنگام ایجاد اختلال در شبکه برق است.
5.  حفاظت متناسب در صورت اصلاح شبکه (افزایش امپدانس حلقه خطا).
6.  سیستم TN-C برای مشکلات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) کارایی کمتری دارد.

 

3-2 رفتار خطا در سیستم ارتینگ TT

شکل 5 توضیح می دهد که خطا در سیستم ارت TT رخ داده است. هنگامی که یک خطای عایق رخ می دهد، Id جریان خطا عمدتا توسط مقاومت زمین (Ra و Rb) محدود می شود. حداقل یک دستگاه جریان باقیمانده (RCD) باید در انتهای منبع نصب شود. به منظور افزایش در دسترس بودن توان الکتریکی، استفاده از چندین RCD باعث تضمین زمان و جریان تمایز در هنگام قطع می شود.

3-2-1 مزایای سیستم ارتینگ TT

1.  معمول ترین سیستم ارتینگ
2.  خطاهای موجود در شبکه LV و MV به مصرف کنندگان دیگر در شبکه LV ورود نمی کنند.
3.  شرایط ایمنی خوب، همانطور که افزایش احتمالی قطعه رسانای زمینی باید در 50 ولت برای خطای داخل نصب و در 0 ولت برای خطای شبکه محدود شود.
4. ساده ترین روش ارتینگ برای اجرا.
5. عدم نفوذ در گسترش شبکه.

3-2-2معایب سیستم ارتینگ TT

1. هر کاربر نیاز به نصب و نگهداری الکترود زمینی خود دارد. ایمنی و حفاظت به کاربر بستگی دارد، بنابراین اطمینان کامل حاصل نمی شود.
2. اضافه ولتاژهای زیاد ممکن است بین تمام قطعات فعال و هادی PE وجود داشته باشد.
3. فشار اضافی احتمالی در عایق تجهیزات تاسیسات.

3-3 رفتار خطا در سیستم ارتینگ IT

3-3-1 اولین خطا در سیستم ارتینگ IT

شکل 6 وقوع اولین خطا در سیستم ارت IT را نشان می دهد. ولتاژ خطا کم است و خطرناک نیست. بنابراین در صورت بروز یک خطا لازم به قطع تجهیزات نصب نیست. با این حال ضروری است بدانید که خطایی وجود دارد و نیاز به پیگیری و از بین بردن سریع آن قبل از وقوع خطای دوم است. برای تأمین این نیاز، اطلاعات مربوط به خطا توسط دستگاه مانیتورینگ عایق (IMD) ارائه می شود که کلیه هادیهای فعال از جمله نول را کنترل می کند. هنگامی که نول در سیستم توزیع واقع نمی شود (توزیع سه فاز سه سیم)، شرایط زیر باید رعایت شود:

که:

• ZS = امپدانس حلقه خطا ارت شامل هادی فاز و هادی محافظ
• اگر = جریان خطا
• Uo = فاز تغذیه تا ولتاژ نول/خنثی

هنگام توزیع نول (توزیع سه فاز چهار سیم و توزیع تک فاز)، شرایط زیر باید رعایت شود:

که:  Zs= امپدانس حلقه خطای ارت شامل هادی خنثی و هادی محافظ است.

3-2-2 خطای دوم در سیستم ارتینگ IT

شکل 7 وقوع خطای دوم در سیستم ارت IT را نشان می دهد. حداکثر زمان قطع اتصال برای سیستم زمینی IT در جدول 2 آورده شده است (مانند جدول IEC 60364 جداول 41B و 48A).

سیستم ارتینگ IT زمانی استفاده می شود که ایمنی افراد و اموال و تداوم خدمات از موارد ضروری است.

4- دیاگرام و نقشه میکرو شبکه ها

شکل 8 نمودار تک خطی ریز شبکه مورد مطالعه در این متن را نشان می دهد. میکرو گرید مورد مطالعه از طریق یک ترانسفورماتور سه فاز 400 kVA ،KV 20.4  Y/Δ به شبکه اصلی متصل می شود. ریز شبکه از 7  باس تشکیل شده است. چرخ دنده/Flywheel (دستگاه ذخیره سازی) با درجه بندی 30 کیلووات / 0.5 کیلووات ساعت در باس 1 وصل می شود. سیستم تولید باد (10 کیلو وات) به باس 2 وصل شده است.

اتصال دو پانل فتوولتائیک با درجه بندی 10 کیلووات و 3 کیلووات به باس های 4 و 5 به ترتیب وصل شده است. یک میکروتوربین تک شافت (SSMT) با درجه بندی 25 کیلووات به باس 6 متصل می شود. باس 7 با یک سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) با درجه بندی 20 کیلووات ارائه می شود. مدل توسعه یافته یک مدل کلی است و می تواند برای بررسی رفتار میکروگرید تحت انواع مختلف خطا مورد استفاده قرار گیرد.

خطای ارائه شده در این مطالعه یک خطای تک فاز به زمین است که شایعترین خطا در محل مصرف کننده است. در مدل شبیه سازی، منابع میکرو در نظر گرفته شده است. فرض بر این است که تمام مبدل های الکترونیکی قدرت که برای اتصال منابع میکرو استفاده می شدند، توسط محدودکننده های جریان ارائه می شوند تا جریان خطا را به حدود 150٪ جریان بار کامل مبدل محدود کنند. این محدودیت جریان در هر مدار مبدل گنجانده شده است تا از سوئیچ های نیمه هادی مبدل در برابر آسیب محافظت کند.

و وضعیت واقعی را به طور دقیق نشان دهد. در شکل 8، MG مورد مطالعه نشان داده شده است. پارامترهای خط در جدول 3 جدول بندی شده اند.

5- عملکرد سه سیستم ارتینگ در محافظت از میکروگرید در وضعیت اتصال به شبکه

در این حالت، میکروگرید در حالت اتصال به شبکه کار می کند. شبکه اصلی نمایانگر باس (مرجع) ریز شبکه است. اختلال مورد مطالعه، یک اتصال کوتاه (تک فاز به خطای زمین) است که در ورودی های مصرف کننده در باس شماره 2 اتفاق می افتد. جریان خطا، ولتاژهای لمس/تماس در تمام مصرف کنندگان، ولتاژ فازهای سالم و ولتاژ نقطه خنثی /نول ترانس اصلی در شکلهای زیر زمانی که سه سیستم ارترینگ (TN-S ، TT و IT) در ریز شبکه به کار می روند نشان داده شده است (شکلهای 9-16).

از نتایج نشان داده شده در شکلهای قبلی ، می توان موارد زیر را نتیجه گرفت:

شکل 9 جریان خطا را در حالت متصل به شبکه نشان می دهد. با استفاده از سیستم ارتینگ TN-S ، جریان خطا بسیار زیاد است (حداکثر مقدار تقریباً 1900A). این به این دلیل است که شبکه اصلی با بیشترین قسمت جریان خطا در ارتباط است. در مورد بخصوص ما، هیچ محدود کننده فعلی با شبکه اصلی استفاده نمی شود. در شرایط واقعی، یک محدود کننده جریان معمولاً در طول دوره خطا به صورت سری با شبکه اصلی وصل می شود تا جریان خطا را تا حد مشخصی محدود کند که به راحتی با یک دستگاه حفاظت از اضافه جریان با درجه کوچک پاک می شود.

از طرف دیگر، با سیستم های ارتینگ TT و IT، جریان خطا کمی بیشتر از مقدار حالت پایدار است.

مطالب مرتبط:

• دستورالعمل همبندی و مقررات ملی ارت ساختمان

• میله ارت ساختمان مسکونی چیست

• دستمزد اجرای چاه ارت سطحی

• روش اجرای چاه ارت

• ارت_سیستم ارت و اتصال زمین_هادی زمین چیست

با تشکر؛ آسان ژنراتور در زمینه دیزل ژنراتور و برق صنعتی فعال می باشد. نوشته 1400/3/16