حفاظت نامتقارن ستاره زمین شده و زمین نشده

حفاظت نامتقارن ستاره زمین شده و زمین نشده بانک‌های خازنی موازی (شنت)

حفاظت نامتقارن ستاره زمین شده و زمین نشده

Unbalance protection of grounded & ungrounded wye shunt capacitor banks

سطح مقاله تخصصی (4)

حفاظت نامتقارن خازن

محافظت از بانک‌های خازنی شنت در برابر خطاهای داخلی شامل چندین دستگاه حفاظتی در یک طرح هماهنگ‌ست. به طور معمول، عناصر حفاظتی موجود در بانک‌های خازنی شنت (SCB) در برابر خطاهای داخلی عبارتند از: فیوزهای مجزا (در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرد)، حفاظت نامتقارن و فراهم‌کردن هشدار یا قطع و رله‌های اضافه جریان برای حافظت در برابر خطای بانک خازنی.

حذف یک عنصر یا واحد خازن مشکل دار توسط فیوز آن منجر به افزایش ولتاژ در عناصر / واحدهای باقیمانده و عدم تعادل در بانک می‌شود.

حفاظت نامتعادل به طور معمول تغییرات مرتبط با خرابی یک عنصر یا واحد خازنی را حس می‌کند و وقتی اضافه ولتاژ حاصل در واحدهای خازن سالم باقی‌مانده بیش از حد باشد، از سرویس خارج می‌شود.

حفاظت نامتعادل به طور معمول محافظت اولیه در برابر خطای آرک در یک بانک خازنی و سایر ناهنجاریهایی که ممکن‌است به عناصر / واحدهای خازنی آسیب برساند، فراهم می‌کند. خطای آرک ممکن است در کسر کوچکی از ثانیه سبب آسیب جدی گردد.

 انواع مختلفی از برنامه‌های حفاظتی نامتقارن برای خازن شنت با فیوز داخلی، خارجی و  بدون فیوز استفاده می‌شود.

مقالات مرتبط:

حفاظت بانک‌های خازنی با استفاده از فیوزها در حین برق‌دار کردن و بهره‌برداری

بانک خازنی در سیستم های قدرت (مقاله ای کامل راجع به بانک خازنی. مطالعه این مقاله توصیه می شود)

تابلو بانک خازنی – مشخصات و کاربرد آن ها

چرا بانک خازنی نباید زمین شود

1- روش‌های حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده

• الف. بانک‌های ستاره تکی
• ب. بانک‌های ستاره دوبل

2- روش‌های حفاطت نامتقارن برای برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

• الف. بانک‌های ستاره تکی
• ب. بانک‌های ستاره دوبل
• پ. روش حفاطت دیفرانسیلی ولتاژ

روش‌های حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده

الف. بانک‌های ستاره تکی

ساده‌ترین روش برای تشخیص عدم تعادل در بانکهای ستاره زمین نشده مجزا، اندازه‌گیری ولتاژ توالی خنثی یا صفر بانک‌است. اگر بانک خازنی متعادل باشد و ولتاژ سیستم متعادل باشد، ولتاژ خنثی برابر با صفر خواهد‌بود. تغییر در هر مرحله از بانک منجر به یک ولتاژ توالی خنثی یا صفر خواهد‌شد.

تصویر 1 

 

روش‌ حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده.

شکل 1 (a)

روشی را نشان می‌دهد که ولتاژ بین خازن خنثی و زمین را با استفاده از یک VT و یک رله ولتاژ با فیلتر هارمونیک سوم اندازه‌گیری می کند.  این روش ساده‌است اما از عدم تعادل ولتاژ سیستم و عدم تعادل ذاتی رنج می‌برد.

دستگاه سنجش ولتاژ به طور کلی یک ترانسفورماتور ولتاژ است اما می‌تواند یک دستگاه پتانسیل خازنی یا یک دستگاه پتانسیل مقاومتی باشد.

دستگاه سنجش ولتاژ باید برای کمترین نسبت ولتاژ قابل دستیابی انتخاب شود، در حالی که هنوز هم می‌تواند در برابر شرایط ولتاژ گذرا و پیوسته مقاومت کند تا حداکثر حساسیت تشخیص عدم تعادل را بدست آورد. با این حال، یک ترانسفورماتور ولتاژ مورد استفاده در این کاربرد باید برای ولتاژ کامل سیستم رتبه بندی شود زیرا ولتاژ خنثی در بعضی شرایط می تواند در هنگام کلیدزنی به حداکثر 2.5 پریونیت برسد.

مؤلفه توالی صفرِ معادل، که عدم تعادل سیستم را از بین می برد، با استفاده از سه دستگاه سنجش ولتاژ با اتصال ستاره که در سمت فشارقوی از خط به زمین متصل شود و ثانویه‌ها دارای اتصال مثلث شکسته می‌باشد ایجاد می شود. منبع ولتاژ VT ها می‌تواند در یک بانک خازن باشد یا از VT های مورد استفاده در  شین بانک خازنی استفاده نمود.

شکل 1 (b)

یک طرح حفاظت رله عدم تعادل خنثی را برای یک بانک خازنی با اتصال ستاره و زمین نشده را با استفاده از سه ترانسفورماتور ولتاژ فاز به خنثی نشان می‌دهد که ثانویه‌های آن دارای اتصال مثلث باز هستند و به به یک رله اضافه ولتاژ متصل شده‌است. در مقایسه با  طرح  شکل 1 (a)، این طرح از مزیت عدم حساسیت به وضعیت نامتقارن ولتاژ سیستم برخوردار‌است.

همچنین ولتاژ نامتقارن که به رله اضافه ولتاژ می‌رود سه برابر ولتاژ خنثی است که از شکل 1 (الف) بدست می‌آید.

به ازای نسبت ترانس ولتاژ برابر، افزایش ۳ برابری  حساسیت نسبت به طرح ترانسفورماتور ولتاژ خنثی به زمین وجود دارد. ترانسفورماتورهای ولتاژ برای ولتاژ خط به خط باید رتبه بندی شوند.

رله های دیجیتالی

رله های دیجیتالی مدرن می‌توانند ولتاژ توالی صفر را  مطابق شکل 2 (a) از ولتاژ فاز محاسبه کنند و نیاز به VT های کمکی اضافی را برای به دست آوردن ولتاژ توالی صفر را از بین می‌برد. شکل 2 (b) همان اصل را اما با استفاده از VT ها در شین بانک خازنی نشان می‌دهد. شکل 3 یک طرح حفاظتی را نشان می‌دهد که عدم تعادل سیستم را برطرف می کند و عدم تعادل ذاتی خازن را نیز جبران می‌کند که در واقع تغییرات طرح تفاضلی ولتاژ برای بانکهای زمین‌شده‌است.

بهترین روش برای از بین بردن عدم تعادل سیستم، تقسیم بانک به دو اتصال ستاره است. اما شاید این مطلب همیشه ممکن و مطلوب نباشد. عدم تعادل سیستم به عنوان ولتاژ توالی صفر هم در پایانه بانک خازنی و هم در نقطه خنثی بانک ظاهر میشود.

مؤلفه توالی صفر ترمینال بانک خازنی از 3 VT خط با اتصال ستاره در سمت فشارقوی و ثانویه با اتصال مثلث به دست می‌آید. اختلاف ولتاژ بین سیگنال نامتقارن خنثی به دلیل عدم تعادل سیستم و توالی صفر محاسبه شده از طریق VT های ترمینال به ازای کلیه شرایط عدم تعادل سیستم جبران می‌شود. خطای باقی مانده در خنثی به دلیل تلورانس سازندگان خازن ظاهر می‌شود و با استفاده از یک تغییر فاز جبران می‌شود.

ب. حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره دوبل زمین نشده

بانکهای زمین نشده را می‌توان به دو بانک مساوی تقسیم کرد. این پیکربندی بانکی ذاتا برای جبرانسازی عدم تعادل ولتاژ سیستم بکار می‌رود. با این حال، اثرات تلورانس سازندگان خازن بر عملکرد رله تأثیر خواهد گذاشت مگر اینکه برای جبران این خطا اقدامی انجام شود.

سه روش برای حفاظت عدم تقارن برای بانک‌ های دوبل با اتصال ستاره زمین نشده ارائه‌شده‌است. در شکل 4 (a)  از ترانسفورماتور جریان برای اتصال دو خنثی و یک رله اضافه جریان (یا یک شنت و رله ولتاژ) استفاده‌شده‌است.

شکل 4 (b)

از ترانسفورماتور ولتاژ متصل شده بین دو خنثی و یک رله ولتاژ استفاده می‌کند.

اثر عدم تعادل ولتاژ سیستم توسط در هر دو طرح حذف می شود، و ولتاژ ها یا جریان‌های هارمونیک سوم در هنگام تعادل بی تأثیر هستند. ترانسفورماتور جریان یا ترانسفورماتور ولتاژ باید برای ولتاژ سیستم رتبه بندی شود.

جریان خنثی به میزان نصف جریان یک بانک مجزا با همان اندازه می‌باشد. با این حال، نسبت ترانسفورماتور جریان و مقدار مجاز رله ممکن‌است برای حساسیت مورد نظر انتخاب شوند زیرا طرح های خنثی زمین‌شده در معرض اضافه جریان ناشی از کلیدزنی یا جریان تک فاز قرار ندارند.

اگرچه ترانسفورماتور ولتاژ با نسبت پایین مطلوب‌است، اما ترانسفورماتور ولتاژ با ولتاز نامی سیستم برای خنثی زمین‌نشده لازم است. بنابراین، یک نسبت دور بالاتر قابل قبول‌است.

شکل 5

طرحی را نشان می‌دهد که در آن نقاط خنثی دو بخش خازن زمین نشده‌اند اما به هم گره‌خورده‌اند.

از ترانسفورماتور ولتاژ برای اندازه گیری ولتاژ بین خازن خنثی و زمین استفاده می‌شود. رله باید دارای فیلتر هارمونیک باشد.

روش‌های حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

1- حفاظت نامتقارن برای بانک تکی زمین شده

عدم تعادل در بانک خازنی باعث می‌شود جریان در خنثی جاری شود. شکل 6 (a) حفاظتی را بر اساس ترانسفورماتور جریان نصب شده بر روی اتصال بین زمین و خنثی بانک خازنی نشان می‌دهد. این ترانسفورماتور جریان دارای شرایط لازم اضافه ولتاژ و جریان بالای غیرمعمول است.

نسبت به گونه‌ای انتخاب شده‌است تا هم قابلیت اضافه جریان کافی و هم سیگنال مناسب برای حافظت را داشته باشد. خروجی ترانسفورماتور جریان دارای مقاومت بار (burden resistor) و رله حساس به ولتاژ است.  به دلیل وجود جریان های هارمونیک (به ویژه هارمونیک سوم، یک هارمونیک توالی صفر که در اتصال خنثی به زمین جریان می یابد)، رله باید به گونه‌ای تنظیم شود تا حساسیت آن نسبت به فرکانس های غیر از فرکانس برق (اصلی) کاهش یابد.

ولتاژ دو سر مقاومت بار(بردن) همفاز با جریان خنثی به زمین است. این جریان خنثی به زمین، مقدار بردار مجموع جریانهای سه فاز است که با فاز سیستم فاز به زمین 90 درجه اختلاف دارد.

هر بار که بانک خازن برقدار می‌گردد، جریان های لحظه ای شارژ نا متعادلی خازن در فازها و در خنثی خازن گردش می‌کنند. هر جا که یک بانک موازی در حال کار است، این جریان می‌تواند از مرتبه هزار آمپر باشد که باعث خرابی شدن رله و CT می‌شود.

شکل 6 (ب)

یک طرح حفاظتی ولتاژ نامتعادل را برای SCB دارای اتصال ستاره زمین‌شده که از ولتاژ نقطه تپ خازن استفاده می‌کند را نشان می‌دهد. عدم تعادل در بانک خازنی باعث عدم تعادل در ولتاژها در محل تپ سه فاز خواهد شد. طرح حفاظت شامل یک دستگاه سنجش ولتاژ‌است که بین نقطه میانی خازن و زمین در هر فاز متصل می‌شود. رله ولتاژ با قابلیت  تاخیر زمانی با فیلتر هارمونیک سوم به ثانویه های مثلث باز متصل می‌شود.

2- حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره دوبل زمین شده

شکل 7 طرحی را نشان می‌دهد که یک ترانسفورماتور جریان در قسمت خنثی هر دو بخش SCB  دودارای اتصال ستاره  نصب شده‌است.

نقاط خنثی به یک زمین مشترک متصل می شوند و ثانویه های ترانسفورماتور جریان به صورت برعکس به یک رله اضافه جریان متصل شده‌اند به همین دلیل  رله نسبت به شرایط بیرونی که هر دو بخش از بانک خازن را در یک جهت یا شیوه تحت تأثیر قرار می دهد، حساس نیست.

ترانسفورماتورهای جریان می‌توانند در معرض جریانهای گذرا قرار گیرند و بنابراین حفاظت در برابر افزایش ناگهانی ولتاژهای ضربه ناشی از آن لازم‌است در صورت امکان باید به اندازه جریان بارهای تک فاز سایز شوند.

در طرح جایگزین، اتصالات از خنثی به زمین از دو اتصال ستاره ممکن‌است و در جهت مخالف از طریق یک ترانسفورماتور جریان قرار بگیرند.

3- روش حفاظت ولتاژ تفاضلی برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

در SCB های بزرگ با تعداد زیادی واحد خازنی، تشخیص از دست دادن 1 یا 2 واحد خازن بسیار دشوار‌است زیرا سیگنال ناشی از عدم تعادل در بانک خازنی بطور ذاتی پنهان میشود.

ولتاژ تفاضلی یک روش بسیار حساس و کارآمد را برای جبران عدم تعادل بانک خازنی و سیستم در بانک‌های خازنی با اتصال ستاره زمین شده پایه فراهم می‌کند.

در این طرح از دو ترانسفورماتور ولتاژ در هر فاز استفاده می‌شود:

یکی متصل به یک تپ در بانک خازنی و دیگری متصل به شین بانک دارای اتصال ستاره یا برای بانک‌های دوبل دارای اتصال ستاره در تپ مشابه بانک دوم.

با مقایسه ولتاژهای هر دو VT، یک سیگنال ناشی  از دست رفتن عناصر یا واحدهای خازن مجزا ایجاد می‌گردد. ولتاژ تپ بانک خازنی با اتصال دستگاه سنجش ولتاژ در انتهای گروه زمین (یا گروه ها) خازن‌ها بدست می‌آید که ممکن است یک تپ میانی باشد، جایی که ولتاژ بین نقطه میانی فاز و زمین اندازه گیری می شود. در طرح دیگر ممکن‌است، ولتاژ تپ در خازنهای ولتاژ پایین در انتهای نقطه خنثی فاز اندازه‌گیری ‌شود.

برای راه اندازی، پس از بررسی اینکه تمام خازن‌ها سالم هستند و هیچ فیوزی عمل نکرده است، در ابتدا سطح ولتاژ در مقدار برابر تنظیم. سیگنال تقاضلی اولیه بین ولتاژ تپ خازن و سیگنال ولتاژ شین (برای بانک های دارای اتصال ستاره) صفر است و تلورانس خازن و عدم تعادل ولتاژ سیستم اولیه جبران میشود.

اگر عدم تعادل ولتاژ سیستم متغیر باشد، سیستم رله هنوز جبران‌شده‌است زیرا درصدی تغییر در ولتاژ شین منجر به همان درصد تغییر در تپ بانک خازنی میشود.برای بانک های دوبل با اتصال ستاره، ولتاژ تپ با دیگر ولتاژ تپ های دیگر مقایسه میشود.

رله دیجیتال مدرن بطور دینامیکی خطاهای ثانویه‌ای را که با ایجاد تغییر در دستگاه و اختلاف دما بین واحدهای خازنی درون بانک ایجاد می شود، را جبران می‌کند.

اگر تب بانک در خط میانی قرار داشته باشد، حساسیت برای خرابی‌های داخل و خارج از بخش در حال کار یکسان است. اگر بانک زیر خط میانی قرار بگیرد، حساسیت برای شکست‌های این قسمت بیشتر از قسمت خارج از تپ ​​خواهد بود.

این اختلاف ممکن است در دستیابی به تنظیم مناسب رله مشکل ایجاد کند. حساسیت برای تپ میانی و تپ واقع در خازنهای فشارضعیف در انتهای نقطه خنثی فاز، یکسان است.

تپ کردن در طول خازنهای ولتاژ پایین برای بانکهای خازنی بدون فیوز مناسب است.

مقالات مرتبط:

هارمونیک ها چگونه بر عملکرد موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن ها و غیره تأثیر مخرب می گذارند

خازن و انواع خازن ها| ثابت، متغیر، قطبی و غیرقطبی

تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

نگه داری بانک های خازنی

تست بانک خارنی

هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

مرجع // حفاظت و اصول بانک‌های خازنی شنت نوشته

Gustavo Brunello, M.Eng, P.Eng, Dr. Bogdan Kasztenny and Craig Wester (all from GE Multilin, USA)

لینک مقاله زبان اصلی:

https://electrical-engineering-portal.com/unbalance-protection-wye-shunt-capacitor-banks