گسترش شبکه های انتقال و افزایش روز افزون مصرف برق و انرژی، طرح و احداث خطوط با ظرفیت 2000 تا 5000 مگاوات را ایجاب می نماید. افزایش ظرفیت انتقالی خطوط تنها با استفاده از ردیف ولتاژهای بالا متناسب با قدرت و مسافت بالا امکان پذیر می باشد، به همین علت احداث شبکه های سراسری انتقال انرژی با ردیف ولتاژهای 750 تا 1200 کیلوولت به طول چندین هزار کیلومتر، با ظرفیت چند ده هزار مگاوات در کشورهای بزرگ عمومیت کامل یافته است و مطالعات و تحقیقات مداوم به منظور استفاده از ردیف ولتاژهای بالاتر در دست انجام می باشند.
تامین ایزولاسیون کافی و مطمئن هادی های تحت ولتاژ بالا در خطوط انتقال انرژی و تجهیزات فشار قوی نظیر ترانسفورماتورها، راکتورها، کلیدها و غیره در طی کار شبکه و تغییرات روی داده در آن، یکی از مسائل عمده ی خطوط انتقال انرژی و استفاده از ردیف ولتاژهای بالا را تشکیل می دهد.
افزايش ولتاژ شبکه از مقدار نامي خود و ظهور ولتاژهای لحظه ای موجی با دامنه بالا، بیش از ولتاژ دی الکتریک ماده ایزوله، به اضافه ولتاژ در شبكه موسوم مي‌باشد. از آنجاكه ظهور اضافه ولتاژ در شبكه اجتناب‌ناپذير است، لذا احتمال بروز قوس در ايزولاسيون و ماده ايزوله در شبكه وجود دارد.كاهش درصد بروز قوس‌ها و اتصالي‌ها مستلزم شناخت كامل اضافه ولتاژها، انواع مختلف آن ها، شرايط ايجاد و پديد آمدن آن ها و همچنين نحوه تاثير آن ها در ايزولاسيون شبكه مي‌باشد. در صورت برخورداري از چنين شناختي، انتخاب مشخصات مناسب شبكه و تجهيزات موجود در آن امكان پذير مي‌گردد.
معرفی انواع اضافه ولتاژها
تجاوز ولتاژ از مقدار اسمی خود، به اضافه ولتاژ در شبکه موسوم می باشد.کلیه اضافه ولتاژهای ظاهر شده در شبکه برحسب شکل و یا منبع بروز خود تقسیم بندی می شوند. تقسیم بندی آنان برحسب شکل موج و نحوی تغییرات آنان به شرح زیر است.
اضافه ولتاژهای پایدار
تجهیزات روی سیستم انتقال می توانند ولتاژهایی حدود %5 بیشتر از ولتاژهای نامی را برای دوره های زمانی طولانی (چند دقیقه یا بیشتر) تحمل کنند. موسسه استانداردهای ملی امریکا (ANSI)، برای سیستم 115 کیلو ولت، حداکثر ولتاژ 121 کیلو ولت و برای سیستم345 کیلو ولت حداکثر ولتاژ362 کیلو ولت را در نظر می گیرد. این استاندارد حداکثر ولتاژ سیستم را به صورت زیر تعریف می کند:
"بالاترین ولتاژ سیستمی که تحت شرایط کار نرمال رخ می دهد، و بالاترین ولتاژ سیستمی که تجهیزات و سایر اجزا برای کار مداوم رضایت بخش و بدون هر گونه ایراد، در آن طراحی شده اند."
اضافه ولتاژهای موقت
اضافه ولتاژهای موقت افزایش ولتاژ شبکه و تجاوز آن را از مقدار اسمی فرکانس 50 هرتز را شامل می گردند. افزایش ولتاژ اسمی شبکه تا بیش از مقدار اسمی آن، برای مدت طولانی ادامه نیافته و با توجه به پیش بینی های صورت گرفته در شبکه در فاصله زمانی معین مقدار اسمی خود را باز می یابند. به عنوان مثال در فاصله برقراری جریان عیب و یا در فاصله زمانی بی باری خط ولتاژ شبکه از مقدار اسمی خود تجاوز کرده یا به صورت اضافه ولتاژ موقت ظاهر می گردد.
به علت کوتاهی فاصله زمانی و موقتی بودن افزایش ولتاژ به صورت فوق را اصطلاحا اضافه ولتاژ موقت می نامند. اضافه ولتاژهای موقت تا رفع علت اصلی بروز آنان و یا به کار افتادن تجهیزات اتوماتیک کنترل ولتاژ ادامه می یابند. اضافه ولتاژهای موقت معمولا در پی تغییر شکل شبکه ظاهر می گردند. تغییر شکل شبکه به عللی چون بروز عیب، قطع و وصل خطوط، جدا شدن بارهای اکتیو و راکتیو عمده، وارد و خارج شدن ترانسفورماتورها، راکتورها، مانور غلط در شبکه، تنظیم نا بجای دستگاه های کنترل ولتاژ ترانسفورماتورها، ژنراتورها و غیره، همچنین بروز برخی پدیده ها در شرایط خاص نظیر پدیده های رزونانس و فرورزونانس روی می دهند.
به طور خلاصه این اضافه ولتاژها به علل کلی زیر روی می دهند:
1. بروز عیوب مختلف در شبکه
2. قطع و وصل کلید ها و تغییر بارهای اکتیو راکتیو
3. بروز رزونانس و فرورزونانس در شبکه
4. قطع فازها
5. بروز نوسانات power swing
6. اضافه ولتاژ بی باری خط
بروز هر گونه عیب در شبکه با به کار افتادن رله های حفاظتی و قطع کلیدهای مناسب و تعیین شده همراه می باشد. فاصله زمانی قطع کلیدها از لحظه ی بروز عیب با توجه به شرایط پایداری شبکه تعیین شده در خطوط انتقال انرژی با ولتاژ بالا از حدود چند سیکل تجاوز نمی نماید. ظهور اضافه ولتاژهای موقت و عدم تعادل ظاهر شده تنها در فاصله زمانی برقراری جریان عیب برای مدت چند سیکل ادامه می یابد. اگرچه مقدار اضافه ولتاژها در این فاصله زمانی کوتاه شرایط بروز قوس و اتصالی را در ایزولاسیون شبکه و سیم پیچی ترانسفورماتورها موجب نمی گردد، با این همه فشار الکتریکی قابل توجه را بر ایزولاسیون آن ها وارد می سازد.
ظهور اضافه ولتاژهای موقت کار برقگیر های فشار قوی را مختل می سازد. این پدیده هنگامی مشاهده می گردد که بروز عیب همزمان با برقراری شرایط تخلیه در برقگیر روی می دهد، و یا متقابلا شرایط تخلیه در برقگیر در طول مدت برقراری جریان عیب (در فاصله زمانی بروز عیب و قطع کلید) و ظهور اضافه ولتاژهای موقت فراهم گردد.
اضافه ولتاژهای موجی
این اضافه ولتاژها به صورت موج در ولتاژ شبکه ظاهر گشته ، و با سرعتی نزدیک به سرعت نور در طول هادی ها منتشر می گردند. موج در طی انتشار خود در طول هادی تغییر شکل داده و دامنه آن با سرعت ثابت بر حسب کیلو ولت بر میکروثانیه افزایش می یابد. اضافه ولتاژهای موج از طریق دو منبع گوناگون در شبکه ظاهر می گردند:
1.اضافه ولتاژهای رعد و برق
2.اضافه ولتاژهای قطع و وصل(کلیدزنی)
اضافه ولتاژهای رعد و برق
منبع ظهور این اضافه ولتاژها تخلیه جوی بر خطوط انتقال انرژی ایستگاه ها و تجهیزات موجود در شبکه بوده و به اضافه ولتاژهای رعد و برق موسوم می باشند، و چون منبع بروز این اضافه ولتاژها عامل خارج از شبکه می باشد اضافه ولتاژهای خارجی نامیده می شوند.
اضافه ولتاژهای موجی رعد و برق در پی تخلیه جوي الكتريكي بر قسمتهاي مختلف شبكه، بارهاي الكتريكي انباشته در ابرها و فضا از طريق كانال يونيزه تشكيل شده در فضا به صورت قوس مرئي رعد و برق در قسمت هاي مختلف شبكه تخليه گشته، اصطلاحاً به تخلية جوي الكتريكي موسوم مي‌باشد. تخليه بارهاي الكتريكي جوي، موجبات افزايش ولتاژ را به طور لحظه‌اي در محل تخليه فراهم ساخته، ولتاژ موجي با سرعت نور در طول هادي‌هاي فاز منتشر مي‌شود و اضافه ولتاژهاي تخليه جوي را در شبكه پديد مي‌آورد. اضافه ولتاژهاي موجي رعد و برق حداكثر سرعت افزايش را در ميان انواع مختلف اضافه ولتاژهاي موجي دارا مي‌باشند. سرعت افزايش آنها در حدود 500 تا 5000 كيلوولت بر ميكروثانيه متغير مي‌باشد. اين دسته امواج غير پريوديكي داراي زمان پيشاني حدود يك و نيم ميكروثانيه و زمان پشت موج در حدود چند ده ميكرو ثانيه هستند. با توجه به شيب پيشاني اين دسته اضافه ولتاژها، تنش بيشتري روي عايق بندي طولي پيچك هاي اندوكتيو اعمال مي‌كنند و به دليل زمان كوتاه تر، عموماً تنش براي عايق‌بندي در مقايسه با امواج كليد‌زني با دامنه يكسان قدري بيشتر خواهد بود. ميزان تنش تحمل شده بستگي به نوع عايق خواهد داشت.
می توان انواع برخورد صاعقه را نیز به دو نوع مستقیم و غیر مستقیم طبقه بندی کرد. در نوع مستقیم صاعقه مستقیما به هادی برخورد می کند که این برخورد منجر به تزریق چندین کیلو آمپر به خط می شود. این موج جریان ممکن است سبب ذوب هادی ها در هر طرف نقطه برخورد شود. در این برخورد اضافه ولتاژی در حد چندین میلیون ولت تولید می شود که هیچ خطی نمی تواند آن را تحمل کند. در نوع غیر مستقیم برخورد خود به سه طریق، برخورد صاعقه به سر دکل، برخورد صاعقه به سیم گارد و برخورد صاعقه به نزدیکی هادی، می باشد.
اضافه ولتاژهای قطع و وصل (کلید زنی)
اضافه ولتاژهاي قطع و وصل به صورت موج در شبكه ظاهر گرديده و از نظر شكل و تغييرات لحظه‌اي خود،كاملاً مشابه اضافه ولتاژهاي موجي تخليه جوي مي‌باشند. تفاوت عمده در زمان پيشاني و زمان استهلاك يا كاهش دامنه موج می باشد. سرعت افزايش دامنه ولتاژهاي موجي قطع و وصل به حدود چند كيلوولت بر ميكروثانيه می رسد. چون اين اضافه ولتاژها از عوامل و تجهيزات داخلي شبكه ناشي مي‌گردند لذا به اضافه ولتاژهاي داخلي موسوم مي‌باشند.
اضافه ولتاژهاي موجي قطع و وصل در پي قطع و وصل كليدها و نرخ گذراي ظاهر شده در آنان نتيجه گرديده، لذا اضافه ولتاژهاي گذرا نيز ناميده مي‌شوند. بدين ترتيب منبع بروز اين اضافه ولتاژها، نرخ گذراي ظاهر شده در شبكه بوده و خصوصيات اضافه ولتاژها بستگي كامل به كميات، مشخصات الكتريكي شبكه و نرخ‌هاي گذراي آنان خواهد داشت. دامنه موج هاي اضافه ولتاژ قطع و وصل به مشخصات شبكه، مشخصات كليد، نوع دستگاه هاي مورد قطع و وصل بستگي دارد. مهمترين عامل در افزايش دامنه موج ها، ولتاژ اسمي شبكه مي‌باشد. در ولتاژهاي پايين اين موج ها محدود بوده و از حدود ايزولاسيون پيش‌بيني شده شبكه تجاوز نمي‌نمايند. دامنه اضافه ولتاژهاي گذراي قطع و وصل و احتمال بروز آنها در ولتاژهاي اسمي پايين بسيار محدود بوده، بطوريكه هيچگونه پيش بيني را جهت كاهش آنها ايجاب نمي‌نمايد. نهایتا به منظور تامين توانايي سيستم ايزولاسيون شبكه و ساير تجهيزات فشار قوي در قبال موج هاي اضافه ولتاژ گذراي قطع و وصل، موج استاندارد با شكل مشخص به عنوان موج ولتاژ استاندارد قطع و وصل تعيين می گردد.
