مدل سازی فرکانس بالای سيستم زمين با استفاده از مفاهیم کیفی جدید در الکترومغناطیس :پایان نامه ارشد مهندسی برق-قدرت
پایان نامه ای که به شما همراهان صمیمی فروشگاه دیجی لود معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته مهندسی برق-قدرت و با عنوان مدل سازی فرکانس بالای سيستم زمين با استفاده از مفاهیم کیفی جدید در الکترومغناطیس در 110 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب مهندسی برق قرار گیرد.
چکیده تحقیق مدل سازی فرکانس بالای سيستم زمين با استفاده از مفاهیم کیفی جدید در الکترومغناطیس:
سیستم زمین به مجموعه ای از هادیها با ساختارهای متفاوت اطلاق می شود که در خاک قرار داده می شوند تا حفاظت از تجهیزات، ایمنی انسان در برابر برق گرفتگی، جلوگیری از اضافه ولتاژهای ناخواسته و آسیب دیدن تجهیزات HV را بر عهده بگیرد و از طرفی مبنا بودن برای ولتاژ صفر در پدیده های گذرا، مانند صاعقه و کلیدزنی بر عهده سیستم زمین است.
اهمیت مقاومت زمین از آن جهت است که نقش مهمی در حفاظت از سیستم قدرت بر عهده دارد لذا مقدار آن را اندازه گیری می کنند تا از یک مقدار استاندارد مشخص در هر سیستمی تجاوز ننماید.
در روشهای عملی فعلی با استفاده از شیوه های مرسوم مقدار امپدانس DC زمین که همان مقدار اهمی است اندازه گیری و ثبت می شود در حالی که جریان صاعقه با توجه به نوع شکل موج آن، شامل فرکانسهای مختلفی است که امپدانس متفاوتی از آنچه گفته شد از خود نشان می دهد و دانستن مقدار این امپدانس جهت حفاظت شبکه حائز اهمیت فراوان است.
برای محاسبه امپدانس زمین روشهای مختلفی ارائه شده است که آخرین روشهای مذکور شامل روش مداری، خط انتقال و الکترومغناطیسی می باشد. در دو روش اول با استفاده از فرضهای ساده شونده و با تقریب، مسئله حل می شود در حالی که در روش الکترومغناطیسی با روش دقیق، محاسبه انجام می شود.لازم به ذکر است روشهای تحلیلی و حل مستقیم بسیار سخت و زمانبر بوده و روش های عددی نیز به به نوبه خود با مشکلات زیادی روبرو می باشند.
در این پایان نامه رفتار سیستم زمین در حوزه فرکانس بررسی و با استفاده از یک شیوه فازی جدید مدلسازی شده است. بدین صورت که امپدانس سیستم زمین که در حوزه فرکانس در مختصات قطبی دارای یک حرکت دایروی می باشد با استفاده از تئوری فازی مدلسازی شده است. ضمن آنکه بدون استفاده از تقریب های نادرست و با استفاده از داده اولیه دقیق به دست آمده از روش الکترومغناطیسی،اثر پارامترهای مختلف مانند شعاع میله زمین و مقاومت ویژه زمین نیز لحاظ شده است. همچنین با حفظ دقت زمان شبیه سازی نیز کاهش یافته و با استفاده از قابلیت های منطق فازی تحلیل ها و تفسیرهای مهمی نیز از پارامترهای موثر بدست آمده است.
مقدمه
سیستم زمین به مجموعه ای از هادیها با ساختارهای متفاوت اطلاق می شود که در خاک قرار داده می شوند تا اهداف زیر را برآورده سازند:
- حفاظت از تجهیزات با میرا نمودن خطا
- ایمنی انسان در برابر برق گرفتگی
- جلوگیری از اضافه ولتاژهای ناخواسته و آسیب دیدن تجهیزات HV
- مبنا بودن برای ولتاژ صفر
انواع سیستمهای زمین به کار رفته در شبکه های الکتریکی به شکل الکترود صفحه ای، الکترود میله ای،مش وچاه زمین هستند.
یکی از متداولترین سیستم های زمین، استفاده از میله رسانای عمودی(راد) جهت اتصال زمین است؛ در این نوع سیستم زمین پارامترهای مختلفی بر رفتار دینامیکی آن دخیل هستند. این پارامترها عبارتند از رسانایی زمین، پرمابیلیته زمین، یونیزاسیون خاک، جنس و شعاع هادی های مدفون در زمین و … .
در مورد اثر پارامترهاي مختلف زمين بر رفتار سيستم ارتينگ[1] و درنتيجه اضافه ولتاژ صاعقه بطور خلاصه مي توان گفت كه از بين رسانايي و پرمابيليته[2]، رسانايي زمين بيشترين اثر را بر پاسخ گذراي هادي لخت مدفون در زمين دارد. و اثر افزايش مقاومت زمين بر سيستم ارتينگ در نهايت موجب افزايش اضافه ولتاژ صاعقه خواهد شد.
يكي از موارد مهم حالتهاي گذرا صاعقه مي باشد. بمنظورارزیابی مناسب اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه، فهم مناسب میدان الکترومغناطیسی در طول مسير موج صاعقه مورد نیاز می باشد.[2]یکی از مهمترین بخشها درمسیر موج صاعقه، سیستم زمین می باشد و از این رو است که اندازه گیری یا محاسبه امپدانس زمین حائز اهمیت فراوان می باشد.از طرف دیگر روش های مختلفی برای حل این نوع مسائل الکترومغناطیسی وجود دارند. روابط ماکسول به عنوان مدل اصلی و قانون کلی حاکم بر مسائل الکترومغناطیس بوده و بسیاری دیگر از روش ها از این روابط شروع شده و یا از آنها استخراج شده اند. به عنوان مثال به موازات روشهاي متداول حل مسائل الكترومغناطيسي، روشهاي عددي نيز به عنوان ابزاري ارزشمند در حل اينگونه مسائل مورد توجه قرار گرفته و در سال های اخیر توسعه یافته و کاربردهای گسترده ای نیز پیدا کرده اند. فلوچارت پیش رو نمایشی ساده از روشهای حل مسائل الکترومغناطیسی کلاسیک را نشان می دهد:[3]
روشهای عددی و تحلیلی هر يك به نوبه خود مشکلاتی به همراه داشته و در برخورد با مسائل عملی محدودیت هایی به همراه دارند. در ذیل به برخی از مهمترین مشکلات روشهای عددی حل مسائل الکترومغناطیسی اشاره شده است:
- زمانبر بودن آنالیزهای عددی
- روابط تحلیلی پیچیده
- سخت بودن مدل سازيها
- عدم توانایی در درک و تفسیر صحیح اطلاعات صرفا با روشهای حل فیزیکی
از آنجا که سرعت حل این گونه مسائل از اهمیت بالایی در نظر مهندسین برخوردار است، لذا تلاش های بسیاری برای یافتن روشهای بهینه، سریع و دقیق صورت گرفته است. از اینرو یافتن راه حل های جدید همواره مدنظر محققین این عرصه بوده است.[3]
منطق فازی در مهندسی
با معرفي تئوري فازي بوسيله زاده و سپس منطق فازي بوسيله ممداني، اين روشها به عنوان واسطه در حل بسياري از مسائل مورد استفاده قرار گرفت.
از مهمترين مزاياي منطق فازي در مسائل مهندسي مي توان به موارد زير اشاره نمود:
- استخراج نتايج دقيق از داده هاي غير دقيق
- سرعت بالاي محاسبات
- مدل سازي ساده سيستم هاي پيچيده
- شناسایی الگوها
- تحلیل سیستم های MIMO
از اينرو استمداد از اينگونه روشها در حل عددي مسائل الكترومغناطيسي نيز ميتواند راهگشا باشد.[3]
منطق فازي در حل عددي مسائل الكترومغناطيسي
آنچه كه انسان از مسائل الكترومغناطيسي استنباط مي كند در حالت عادي فقط بوسيله پارامترها و قوانين معمول است.از اينرو شناسايي و فرمول بندي پارامترهاي موثر در حل مسئله در روشهاي رايج حل مسائل الكترومغناطيسي هنوز چالشي اساسي است. اين بدان علت است كه در بسياري از موارد ممكن است اطلاعات اوليه مسئله گنگ و مبهم بوده، بوسيله مغز انسان قابل درك نبوده، تعداد متغيرها زياد باشد و … . اما اگر بتوان پارامترهاي ثانويه اي- كه تفسير جديدي از اطلاعات به ما ارائه مي دهند و بوسيله انسان قابل درك تر هستند- را از اطلاعات اوليه استخراج نمود و با اين اطلاعات ثانويه به حل مسئله پرداخت آنگاه ممكن است گشايشي قابل توجه در حل مسئله حاصل مي شود.[3]
در حقيقت يكي از مهمترين نقش هاي منطق فازي در حل عددي مسائل الكترومغناطيسي، استخراج پارامترهاي ثانويه از اطلاعات اوليه و سپس ارائه راه حل مناسب مي باشد. علاوه بر آن متغیرهای زبانی نیز در تبيين و حل مسئله مورد اشاره موثر است. همچنين تحليل مسائل چند ورودي –چند خروجي با تركيب چند سيستم تك ورودي از ديگر مزاياي اين روش مي باشد.[3]
در ذیل به چند ویژگی منطق فازی که می تواند در حل عددی مسائل الکترومغناطیس موثر واقع شود اشاره شده است:[3]
- امکان کار با تعداد زیاد متغیرها و ورودی ها
- استخراج نتایج دقیق از داده های غیر دقیق
- سرعت بالای محاسبات
- مدلسازی ساده سیستم های پیچیده
- شناسایی الگوها و در نتیجه توانایی مدلسازي
- تحلیل ساده سیستم های MIMO
در این پایان نامه از یک روش فازی که برای حل برخی مسائل الکترومغناطیسی پیشنهاد شده است استفاده شده و بوسیله آن طیفی از مسائل الکترومغناطیسی در حوزه روابط مربوط به سيستم زمين تحلیل شده است.
فهرست مطالب تحقیق مدل سازی فرکانس بالای سيستم زمين
1- فصل اول: مقدمه 12
1.1) منطق فازی در مهندسی 15
1.2) منطق فازي در حل عددي مسائل الكترومغناطيسي 16
1.3) خلاصه 17
2- فصل دوم: مروری بر پیشینه تحقیق 18
2.1) خلاصه مطالعات انجام شده 18
2.2) پارامترهای تاثیرگذار صاعقه بر سیستم زمین 20
2.3) مقادیر بکار رفته در توصیف عملکرد دینامیکی سیستم زمین 23
2.4) مدل مداری 25
2.5) مدل خط انتقال 28
2.6) مدل الکترومغناطیسی 29
2.7) آثار یونیزاسیون غیر خطی خاک 31
2.7.1) مقاومت غیر خطی زمین 31
2.8) روش تقریبی برای تحلیل همزمان حوزه زمان و فرکانس 32
2.9) مقایسه مدلهای مختلف در حوزه فرکانس 33
2.10) محاسبات در حوزه زمان 37
2.10.1) مشخصات شکل موجهای صاعقه 37
2.10.2) محاسبه همزمان آثار وابسته به فرکانس و یونیزاسیون خاک 37
2.11) مقایسه مدلها در حوزه زمان 40
2.12) فرمول سازی برای ضریب ایمپالس 42
2.13) اعتبارسنجی محاسبات 45
2.14) وابستگی پارامترهای زمین به فرکانس 48
2.15) اثر نوع صاعقه 49
2.16) نتیجه گیری 50
2.17) خلاصه 51
3- فصل سوم: روش فازی به کار رفته در حل مسئله 52
3.1) مقدمه 52
3.2) مفاهیم تناوب، تلفات و مکان هندسی جزئی 52
3.3) فاز جزئی 56
3.3.1) توابع عضویت فضایی 58
3.3.2) خلاصه 60
4- فصل چهارم: استفاده از روش فازی معرفی شده در مدلسازی سیستم زمین 62
4.1) مقدمه 62
4.2) مدل سیستم زمین در مجاورت صاعقه 63
4.3) امپدانس ورودی سیستم زمین 64
4.3.1) منطبق کردن دوایر 66
4.3.2) تشکیل توابع عضویت فازی برای مکان هندسی جزئی 66
4.3.3) مکان هندسی جزئی 68
4.3.4) منحني فاز جزئي 69
4.3.5) رسم خروجي 70
4.4) امپدانس ورودی با تغییر شعاع میله زمین 73
4.5) امپدانس ورودی با تغییر رسانایی زمین 78
4.6) امپدانس زمین با تغییر همزمان مقاومت ویژه زمین و شعاع میله زمین 83
4.7) ولتاژ گذرای سیستم زمین 91
4.8) محاسبه امپدانس زمین در میله افقی 94
4.9) خلاصه 98
5- فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات 99
5.1) نتیجه گیری 99
5.1.1) عدم نیاز به حل معادلات 99
5.1.2) استخراج اطلاعات ثانویه از داده مبهم اولیه 99
5.1.3) تشخیص رفتار سیستم 100
5.1.4) پیش بینی اثرات تغییر پارامترها 100
5.1.5) قابل فهم بودن بوسیله انسان 100
5.1.6) عدم استفاده از تقریب های نادرست 101
5.1.7) تحلیل سیستم های چند ورودی چند خروجی 101
5.2) پیشنهادات 101
5.2.1) در نظر گرفتن وابستگی پارامترهای زمین به فرکانس 101
5.2.2) مدلسازی سایر سیستم های زمین 102
5.2.3) تحلیل مسئله در حضور سایر بخشهای شبکه قدرت 102
5.2.4) تحلیل حالت گذرای ناشی از کلیدزنی 102
5.2.5) استفاده از این روش در سایر مسائل مهندسی 102
فهرست شکل ها
شکل 1‑1-روشهای سنتی حل مسائل الکترومغناطیسی 15
شکل 2‑1-روش تئوري در اندازه گيري امپدانس زمین 21
شکل 2‑2-شكل مو ج اوليه و ثانويه صاعقه 22
شکل 2‑3-توزيع پتانسيل در طول يك الكترود افقي 60 متري در زمین با وSµ= و 100=ρ و و جریان پالس 23
شکل 2‑4-مدلهای جریان پایین الکترود زمین (a مقاومت زمین فرکانس پایین b ( مدار RLC فرکانس بالا 27
شکل 2‑5-اندازه امپدانس زمین مدوله شده برای میله زمین 10 متری در زمین با مقاومت ویژه 10،100،1000،1000 28
شکل 2‑6-مقایسه نتایج سه روش مداری خط انتقال و الکترومغناطیسی برای میله 1 متری عمودی 35
شکل 2‑7-مقایسه نتایج سه روش مداری خط انتقال و الکترومغناطیسی برای میله0 1 متری عمودی 35
شکل 2‑8-مقایسه نتایج سه روش مداری خط انتقال و الکترومغناطیسی برای میله 30 متری عمودی 36
شکل 2‑9-مقایسه نتایج سه روش مداری خط انتقال و الکترومغناطیسی برای میله 1 متری افقی 36
شکل 2‑10-مقایسه نتایج سه روش مداری خط انتقال و الکترومغناطیسی برای میله0 1 متری افقی 37
شکل 2‑11-مقایسه نتایج سه روش مداری خط انتقال و الکترومغناطیسی برای میله30 متری افقی 37
شکل 2‑12-مولفه های مختلف پتانسیل در نقطه برخورد صاعقه با موج اولیه با طول 10 متر در زمین با مقاومت 100 اهم متر 39
شکل 2‑13-مولفه های مختلف پتانسیل در نقطه برخورد صاعقه با موج ثانویه با طول 10 متر در زمین با مقاومت 100 اهم متر 39
شکل 2‑14-مشخصات صاعقه از نوع موج اولیه 41
شکل 2‑15-مشخصات صاعقه از نوع موج ثانویه 41
شکل 2‑16-موج اولیه صاعقه در الکترود 10 متری 42
شکل 2‑17-موج اولیه صاعقه در الکترود 30 متری 42
شکل 2‑18-موج ثانویه صاعقه در الکترود 10 متری 43
شکل 2‑19-موج ثانویه صاعقه در الکترود 30 متری 43
شکل 2‑20-مقایسه نتایج مدل الکترومغناطیسی در آزمایشگاه با نتایج محاسبات 46
شکل 2‑21-مقایسه نتایج مدل الکترومغناطیسی در آزمایشگاه با نتایج محاسبات برای الکترود افقی 47
شکل 2‑22-مقایسه ضرایب ایمپالس به دست آمده از روشهای منابع مختلف با نتایج محاسبات 48
شکل 2‑23-مقایسه ضرایب ایمپالس به دست آمده برای دو زمان 0.2 و 3 میکروثانیه 49
شکل 3‑1-چند نمونه از شکل های با حرکت دایروی در مختصات قطبی 54
شکل 3‑2-شکل یک مسئله کلی در محتصات قطبی و کارتزین 54
شکل 3‑3-دایره منطبق شده روی منحنی اصلی 55
شکل 3‑4-نمونه توابع عضویت برای محاسبه مکان هندسی جزئی 56
شکل 3‑5-مکان هندسی جزئی برای مسئله شکل 3‑2 57
شکل 3‑6- منحنی فاز جزئی به همراه توابع عضویت و خطوط منطبق شده روی آن 58
شکل 3‑7- یک نمونه تابع عضویت فضایی برای ترکیب دو متغیر مستقل و 60
شکل 4‑1-شکل سیستم زمین تحریک شده با صاعقه 64
شکل 4‑2- مدار معادل شکل 4‑1 ( تقسیم میله زمین به تعداد n مدار RLC ) 65
شکل 4‑3-منحنی امپدانس ورودی میله زمین در حوزه فرکانس در مختصات کارتزین 66
شکل 4‑4- منحنی امپدانس ورودی میله زمین در حوزه فرکانس در مختصات قطبی 66
شکل 4‑5-دوایر منطبق شده روی منحنی با انتخاب 3 فرکانس برای هر دایره 67
شکل 4‑6-توابع عضویت برای تشکیل منحنی مکان هندسی جزئی 68
شکل 4‑7-مکان هندسی جزئی 69
شکل 4‑8-منحنی فاز جرئی به همراه خطوط اصلی و توابع عضویت جزئی 71
شکل 4‑9- توابع عضویت بهینه شد(الف )مربوط به مکان هندسی جزئی. (ب ) مربوط به منحنی فاز جزئی. 72
شکل 4‑10-مقایسه شکل اصلی و خروجی حاصله از روش فازی در مختصات کارتزین 73
شکل 4‑11- مقایسه شکل اصلی و خروجی شبیه سازی در مختصات قطبی 74
شکل 4‑12-امپدانس ورودی سیستم زمین به ازای شعاع های مختلف(از روش MoM) 75
شکل 4‑13-مختصات مرکز و شعاع دوایر منطبق شده به ازای تغییرات شعاع میله زمین) دایره اول دوم و سوم به ترتیب با *،+ وo نشان داده شده است) 76
شکل 4‑14- خطوط منطبق شده روی نقاط شکل 4‑13) دایره اول دوم و سوم به ترتیب با *،+ وo نشان داده شده است) 76
شکل 4‑15- مختصات شیب و عرض از مبدا خطوط منطبق شده به ازای تغییرات شعاع میله زمین) دایره اول دوم و سوم به ترتیب با *،+ وo نشان داده شده است) 77
شکل 4‑16- خطوط منطبق شده جهت شیب و عرض از مبدا به ازای تغییرات شعاع میله زمین ) دایره اول دوم و سوم به ترتیب با *،+ وo نشان داده شده است) 78
شکل 4‑17-مقایسه خروجی شبیه سازی شده با استفاده از اطلاعات شکل 4‑18با نتایج دقیق 79
شکل 4‑19-امپدانس ورودی سیستم زمین در مختصات قطبی به ازای مقاومت ویژه های مختلف زمین 80
شکل 4‑20- مقایسه شکل اصلی و خروجی شبیه سازی در مختصات قطبی به ازای تغییرات مقاومت ویژه زمین 81
شکل 4‑21- مختصات مرکز و شعاع دوایر منطبق شده به ازای تغییرات مقاومت ویژه زمین به ازای مقاومت ویژه 600 ،800،1000،1200و 1400 81
شکل 4‑22-منحنی های منطبق شده روی نقاط مربوط به مختصات مراکز و شعاع دوایر به ازای مقاومت ویژه 600 ،800،1000،1200و 1400 82
شکل 4‑23شیب و عرض از مبدا خطوط منطبق شده به ازای تغییرات مقاومت ویژه زمین به ازای مقاومت ویژه 600 ،800،1000،1200و 1400 82
شکل 4‑24 منطبق کردن منحنی بر روی نقاط شیب و عرض از مبدا به ازای تغییرات مقاومت ویژه زمین در بازه 600 ،800،1000،1200و 1400 82
شکل 4‑25-مقایسه خروجی شبیه سازی شده برای زمین با مقاومت ویژه 1300 با استفاده از اطلاعات شکل 4‑26با نتایج دقیق 83
شکل 4‑27- توابع عضویت فضایی جهت ترکیب اثر دو متغیر مستقل 85
شکل 4‑28-توابع عضویت فضایی بهینه شده برای ترکیب اثر ارتفاع خط و رسانایی زمین 86
شکل 4‑29-استفاده از توابع عضویت فضایی جهت خط انتقال با شعاع 14mm ومقاومت زمین 900 اهم متر. 86
شکل 4‑30-مقایسه خروجی حاصله با استفاده از توابع عضویت فضایی با روش MoM 87
شکل 4‑31-منحنی طول از مبدا مرکز دایره اول 88
شکل 4‑32-منحنی عرض از مبدا مرکز دایره اول 88
شکل 4‑33-منحنی شعاع دایره اول 89
شکل 4‑34 – منحنی طول از مبدا مرکز دایره دوم 89
شکل 4‑35-منحنی عرض از مبدا مرکز دایره دوم 90
شکل 4‑36-منحنی شعاع دایره دوم 90
شکل 4‑37- منحنی طول از مبدا مرکز دایره سوم
شکل 4‑38-منحنی عرض از مبدا مرکز دایره سوم 91
شکل 4‑39-منحنی شعاع دایره سوم 92
شکل 4‑40-شکل موج جریان صاعقه موج اولیه 93
شکل 4‑41-شکل موج ولتاژ سیستم زمین ناشی از صاعقه 94
شکل 4‑42-شکل موج جریان صاعقه موج ثانویه 94
شکل 4‑43-شکل موج ولتاژ سیستم زمین ناشی از صاعقه موج ثانویه 95
شکل 4‑44-مقدار امپدانس سیستم زمین در روش فازی در مقایسه با روش MOM با استفاده از میله افقی 96
شکل 4‑45- توابع عضویت (الف )مربوط به مکان هندسی جزئی. (ب ) مربوط به منحنی فاز جزئی در میله افقی 10 متری. 97
شکل 4‑46-تغییرات طول و عرض ومرکز دوایر و شعاع آن برای دایره اول (* ) دایره دوم(+) و دایره سوم (o ( 98
شکل 4‑47-منحنی خطوط منطبق شده بر روی طول و عرض ومرکز دوایر و شعاع آن برای دایره اول (* ) دایره دوم(+) و دایره سوم (o ( در میله افقی 98
راهنمای خرید و دانلود فایل
برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.
بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.
در صورت بروز هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا شکایت شما مورد بررسی قرار گیرد.
برای دانلود فایل روی دکمه خرید و دانلود کلیک نمایید.
ديدگاه ها