عنوان انگلیسی مقاله:

One-port nonlinear electric circuit for simulating grounding systems under impulse current

عنوان فارسی مقاله:
مدار الكتريكي غير خطي تك پورتي براي شبيه سازي سيستم هاي اتصال به زمين تحت جريان ايمپالس

سال: 2016 عنوان سايت منتشركننده مقاله: Elsevier  

عنوان مجله: Electric Power Systems Research

وضعيت ترجمه : بسيار عالي (جداول و عكس ها جاگذاري شده و مقداري ترجمه شده اند). ارجاع درون متني در ترجمه موجود است. 

تعداد صفحات انگليسي: 4 ضفحه         تعداد صفحات فارسي: 16 صقحه

مقاله انگليسي: كليك كنيد

چکیده انگلیسی:

A one-port nonlinear electric circuit to simulate grounding systems behaviors under high impulse currents is presented. The circuit is based on Loboda’s and Pochanke’s equations, which describe non-linear behaviors of soil ionization phenomena. One of the major features of this nonlinear circuit is the possibility to simulate both ionization regions (linear and nonlinear) as a complete grounding system, in commercial simulation software such as Pspice, Work Bench®, ATP or EMTP. In order to determine the linear and nonlinear circuit parameters, two known impulse current curves i(t) were applied on scale models and the corresponding impulse voltages U(t) were measured. From these circuit parameters,the U(t) × i(t) experimental curves were compared with one-port simulated results and the similarities,evaluated using the Area Under Curve (AUC) method, varied in the range 92–99%. In order to compare simulations with experimental data, a field circuit was elaborated to test three experimental scale models using single rods of different lengths.

Keywords:Grounding ; Impulse impedance ; Impulse current ; Electric circuit simulation

چکیده فارسی :

یک مدار الکتریکی غیر خطی تک پورتی برای شبیه سازی رفتارهای سیستم های زمین کننده تحت جریان ایمپالس بالا ارائه شده است. این مدار مبتنی بر معادلات Loboda و Pochanke است، که رفتارهای غیر خطی پدیده یونیزاسیون زمین را توصیف می کند. یکی از ویژگی های مهم این مدار غیر خطی احتمال شبیه سازی هر دو ناحیه یونیزاسیون (خطی و غیر خطی) به عنوان یک سیستم زمین کننده کامل، در نرم افزارهای شبیه سازی مانند Pspice، WorkBench، ATP یا EMTP، است. به منظور تعیین پارامترهای خطی و غیر خطی مدار، دو منحنی جریان ایمپالس شناخته شده i(t) بر روی مدل های مقیاس بندی شده بکار برده شده است و ولتاژهای ایمپالس U(t) متناظر اندازه گیری شده اند. از این پارامترهای مدار، منحنی های تجربی U(t) × i(t) که با نتایج شیه سازی شده تک پورتی مقایسه شده اند و تشابهات، با استفاده از روش سطح زیر منحنی (AUC) ارزیابی شده است، در دامنه 92-99% متنوع بودند. به منظور مقایسه شبیه سازی ها با داده های تجربی، یک میدان مداری برای تست سه مدل شاخص آزمایشی با استفاده از میله های تکی با طول های متفاوت مقیاس بنده شده است.

کلمات کلیدی: زمین کننده، امپدانس ایمپالس، جریان ایمپالس، شبیه سازی مدار الکتریکی.

1. مقدمه:

   حفاظت از تجهیزات توان الکتریکی شدیدا با سیستم های اتصال به زمین در ارتباط است، بنابراین درک رفتار آنها تحت شبیه سازی های الکتریکی مختلف برای طراحی مناسب و ارزیابی سیستم آنها اساسی است.

   مقاومت سیستم های اتصال به زمین ارائه شده به فرکانس جریان های توان صنعتی، خطی و شناخته شده هستند، و می توانند بوسیله معادلات و مدل های ریاضی به دست آمده از سنجش مقاومت خاک پیش بینی شوند. اگرچه، زمانی که این سیستم ها در معرض جریان های ایمپالس قرار بگیرند، می توانند رفتارهای غیر خطی گذرایی را ارائه دهند که از پیچیدگی بیشتری برخوردار هستند.

   در سال 1981، Kosztaluk و دیگران مدلی برای شبیه سازی نواحی یونیزاسیون-اتصال به زمین بوسیله مطالعه رفتار گذرای امپدانس های زمین با اضافه جهش بلوک های مقاومت متغیر برقگیر بهبود دادند [7]. در سال 1984، Velazquez و Mukhedkar همان رفتار را تحت جریان های ایمپالس بالا بوسیله یک مدل مدار معادل برای الکترود زمین با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی و خطی خاک بررسی کردند. این مدار معادل مبتنی بر جنبه مسیر تلگرافی با یک الگوریتم محاسباتی خاص حل شد [8].

2. مدل مدار معادل غیر خطی تک پورتی:

   مدار غیر خطی تک پورتی کنونی بر اساس داده های تجربی به دست آمده از تست های میدانی توصیف شده با مدل های مقیاسی میله تکی بهبود داده شده است. از این تست ها، منحنی های U(t) × i(t) متناظر به دست آمده اند، که U(t) ولتاژ ایمپالس اندازه گیری شده و i(t) جریان ایمپالس بکار برده شده است. این منحنی ها، که در شکل 1 ارائه گردیده اند،

   و اگر شرط تساوی 1/T با RN0/LN را برقرار کنیم و (4) را داخل (3) قرار دهیم، معادلات (3) و (7) به ترتیب با معادلات (1) و (2) Lododa و Pochanke یکسان می شوند.

2.1. پارامترهای مدار:

   ثابت ها و پارامترهای مدار معادل تک پورتی همان طور که شرح داده می شود، به دست می آیند:

2.1.1. رسانایی GL:

   رسانایی GL، که با ناحیه خطی سیستم اتصال به زمین ارائه شده در (8) مطابق است، بوسیله جایگزینی (4) در (3) و مشتق (3) نسبت به جریان i(t) در t=0، تعیین می شود.

2.1.2. ثابت های 𝛂 و A:

   رفتار غیر خطی ولتاژ یک سیستم اتصال به زمین ارائه شده در شکل 1 به خاطر دو جریان ایمپالس متفاوت است.

2.1.3. پارامترهای RN0، RN و LN:

   پارامترهای RN0، RN و LN را می توان با جایگزینی (4) در (3) و مشتق تابع نسبت به t به دست آورد، بنابراین (12) به دست می آید:

(12)                                                                                          

   اگر بیشترین مقدار U(t) در یک زمان بحرانی tcr بررسی شود، مشتق U(t) نسبت به t برابر با صفر است، و (12) تبدیل می شود به:

3. آزمایش:

3.1. راه اندازی آزمایش:

   به منظور تولید رفتار غیر خطی، مانند آنچه که در شکل 1 نشان داده شد، سه مدل مقیاس سیستم اتصال به زمین، همان طور که در شکل 3 نشان داده شده، نصب شده است. برای درست کردن این مدل مقیاس، 10 میله فلزی کمکی با قطر 25 mm و طول 2.5 m در خاک با یک مقاومت 100 m دفن شده است، که یک محیط 10 m در قطر را شکل می دهد.

3.2. داده های تجربی:

   تست های تجربی با بکارگیری یک جریان ضربه ای به مدل های مقیاس و سنجش ولتاژ ضربه همان طور که در نوسان سنج  در شکل 4a نشان داده شده، انجام می شوند. از نوسان سنج ها، پارامترهای مدار الکتریکی تک پورتی بوسیله سنجش پیک دامنه ولتاژ (Umax)، پیک دامنه جریان (Imax)، و زمان صعود جلویی متناظر آنها (T1) و زمانی که موج ایمپالس به نیمی از قله می رسد (T50%) را می توان به دست آورد.

4. شبیه سازی مدارات:

   از داده های تجربی ارائه شده در جداول 2 و 3 احتمال تعیین پارامترهای مدار معادل تک پورتی نشان داده شده در شکل 2 و شبیه سازی رفتارهای خطی و غیر خطی الکترودهای میله ای با استفاده از نرم افزار شبیه سازی WrkBench (از تکنولوژی های تصویر Ltd) به همراه مدار ارائه شده در دو قسمت همبسته (I و II) متصل به یک ژنراتور جریان ایمپالس همان طور که در شکل 5 نشان داده شده، وجود دارد.

5. نتایج:

   منحنی های U(t) × i(t) از نتایج تجربی و از آنهایی که با مدار تک پورتی برای پارامترها شبیه سازی شده اند در جدول 4 نمایش داده شده و در شکل های 7-9 برای مدل های مقیاس 0.4,0.6, 0.9 m نشان داده شده است. از این موضوع، می توان مشاهده کرد که مدار معادل تک پورتی پیشنهاد شده در اینجا، هم رفتار یونیزاسیون خطی و هم غیر خطی را شبیه سازی می کند.

6. نتیجه گیری:

   یک مدل مدار معادل تک پورتی به عنوان یک راهکار برای معادلات Loboda و Pochanke برای شبیه سازی رفتار خطی و غیر خطی سیستم های اتصال به زمین تحت جریان های ایمپالس با استفاده از نرم افزار شبیه سازی مدار ارائه شد. پارامترهای مدار تک پورتی از داده های تجربی واقع گرایانه به دست آمده که این داده ها از تست هایی بر روی سیستم های اتصال به زمین مدل مقیاس شامل الکترودهای میله با طول های متفاوت (0.4, 0.6, 0.90 m) استخراج شده است. نتایج شبیه سازی شده و تجربی مقایسه شده اند و یک رضایت 90% به دست آمده است.