theme wordpress
حفاظت و رله

حفاظت واحد (unit protection) چیست و چرا به طور گسترده در شبکه های انتقال استفاده می شود

مناطق حفاظتي

پاورقی: ( زون یا منطقه (Zone) حفاظتی معادل یک دیگر هستند و در این مقاله ممکن از به جای یکدیگر استفاده شوند)

کل سیستم قدرت باید محافظت شود. این به وسیله تقسیم آن به مناطق همپوشانی شده (overlapping zones) به دست می آید. اگر یک خطا در یک منطقه خاص اتفاق افتد، تنها سیستم حفاظتی که آن منطقه را پوشش می دهد باید عمل کند.  سیستم های مربوط به مناطق دیگر نباید عمل کنند.

حفاظت واحد چیست و چرا در شبکه های انتقال استفاده می شود

در بعضی موارد، مناطق مجاور ممکن است پس از یک تاخیر زمانی از پیش تعیین شده، برای تأمین حفاظت پشتیبانی، عمل کنند.

یک منطقه حفاظت شده بخشی از یک سیستم قدرت محافظت شده توسط یک سیستم حفاظتی است. هر گونه خطا در داخل یک منطقه باعث قطع مدار و عملکرد بریکر ها و تریپ در همان منطقه می شود.

وقتی این اتفاق می افتد،   تجهیزات حفاظت در مناطق دیگر نباید عمل کنند .

به طور کلی، دو نوع از مفاهیم حفاظتی وجود دارد: حفاظت واحد و غیر واحد. این مقاله فنی اولین مفهوم حفاظت واحد را توضیح می دهد.

فهرست:

  1. مقدمه ای بر حفاظت واحد
    1. حفاظت واحد ترانسفورماتور(Transformer Unit Protection)
    2. حفاظت واحد پایلوت(Pilot Unit Protection)
      1. ولتاژ متعادل(Balanced Voltage)
      2. جریان گردشی(Circulating Current)
    3. حفاظت واحد دیفرانسیل دیجیتال(Digital Differential Unit Protection)
    4. حامل مقایسه فاز(Phase Comparison Carrier)

1-مقدمه ای بر حفاظت  واحد

مرز عملیات به وضوح از نظر پلنت اولیه تعریف می شود. حفاظت واحد طراحی شده است که برای شرایط غیرطبیعی داخل منطقه حفاظت شده  عمل کند    در حالی که خارج از منطقه حفاظت شده سیستم پایدار باقی می ماند.

این طرح نیازمند اندازه گیری جریان در هر انتهای زون است. شکل 1 یک طرح حفاظت واحد ساده را نشان می دهد، در حالی که شکل 2 فقط یک فاز از طرح را نشان می دهد.

شکل 1 – طرح حفاظت واحد

شکل 1 - طرح حفاظت واحد
شکل 1 – طرح حفاظت واحد

حفاظت واحد در مفهوم بسیار ساده است. شکل 2a  جریان تولید شده در ترانسفورماتور جریان توسط یک خطا در خارج از منطقه حفاظت واحد را نشان می دهد. اگر دو ترانسفورماتور جریان یکسان باشند، جریان عبوری از  رله صفر است.

در عمل، با این حال،   ترانسفورماتورهای جریان هرگز یکسان نیستند ، بنابراین دز یک طرح عملی نیاز به نصب مقاومت های تثبیت کننده و دستگاه های محدود کننده ولتاژ است.

شکل 2b  وضعیت را برای یک خطا داخلی نشان می دهد. در این حالت، جریان عبوری  از رله صفر نیست.

شکل 2 – جریان رله برای خطا خارجی و داخلی

شکل 2 - جریان رله برای خطا خارجی و داخلی
شکل 2 – جریان رله برای خطا خارجی و داخلی

طرح حفاظت واحد ارزان ، سریع و بسیار پایدار است . این حفاظت ایده آل به طور گسترده ای برای موارد زیر مورد استفاده قرار می گیرد:

تعدادی از پیکربندی های حفاظت واحد در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد: ترانسفورماتور، حفاظت خط با استفاده از کابل پایلوت (ولتاژ متعادل و جریان گردشی)، حامل مقایسه فاز و حفاظت دیفرانسیلی دیجیتالی.

1-1-حفاظت واحد ترانسفورماتور

یک طرح حفاظتی واحد اتو ترانسفورماتور در شکل 3 نشان داده شده است. هر سیم پیچ فاز، سه منطقه حفاظت شده را تشکیل می دهد و ترانسفورماتورهای جریان در ولتاژ پایین و ولتاژ بالا و سرهای انتهای خنثی(نول) به صورت موازی متصل می شوند تا یک جریان گردشی را تشکیل دهند.

تمام ترانسفورماتورهای جریان دارای ثانویه یکسان هستند و یک   رله لحظه ای ساده می تواند مورد استفاده قرار گیرد (حفاظت تحت تاثیر جریان هجومی یا تغییر تپ ترانس نمی کند).

مقاومت تثبیت کننده تضمین می کند که برای خطا های خارج از ناحیه محافظت شده در طی چند دوره اول، هنگامی که ترانسفورماتورهای جریان  ممکن است به صورت صحیح جریان اولیه را تبدیل نکنند رله به صورت اشتباه عمل نمی کند

دستگاه محدود کننده ولتاژ، رله را از ایجاد ولتاژ بسیار زیاد که می تواند به علت جریان بزرگ که در رله و مقاومت تثبیت کننده در هنگام وقوع یک خطا در ناحیه محافظت شده ممکن است ایجاد شود، جلوگیری می کند.

مقاله مرتبط:

حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن

شکل 3 – حفاظت واحد اتوترانسفورماتور ترانسفورماتور

شکل 3 - حفاظت واحد اتوترانسفورماتور ترانسفورماتور
شکل 3 – حفاظت واحد اتوترانسفورماتور ترانسفورماتور

1-2 حفاظت واحد پایلوت

طرح های حفاظت واحد نیز برای خطوط هوایی و کابل های زیرزمینی استفاده می شود ، با این طرح ها راحت تر است که رله ها در هر انتهای خط  قرارد داده شود و از طریق کابل های پایلوت آنها را به هم متصل کرد.

برای این کاربرد، رله ها دو سیم پیچ شامل، سیم پیچ عمل کننده (operating winding) و یک سیم پیچ متوقف کننده یا بایاس(restraint or bias winding) دارند  . سیم پیچ بایاس پایداری را فراهم می کند، یعنی رله را برای یک خطای خارجی متوقف می کند، در حالی که اجازه می دهد رله برای خطای داخلی عمل کند. توجه داشته باشید که خطای خارجی در خارج از منطقه حفاظت رخ می دهد.

دو روش اصلی برای حفاظت واحد پایلوت استفاده می شود:

  1.                ولتاژ متعادل (نگاه کنید به شکل 4)، و
  2.                جریان گردشی (شکل 5 را ببینید).

1-2-1 ولتاژ متعادل

در شکل 4 ولتاژ های پایلوت برای یک  خطا خارجی هم دیگر را متعادل یا بالانس می کنند . اکثر جریان از طریق سیم پیچ بایاس یا همان متوقف کننده عبور می کند تا سیم پیچ عمل کننده

شکل 4 – حفاظت ولتاژ متعادل

شکل 4 - حفاظت ولتاژ متعادل
شکل 4 – حفاظت ولتاژ متعادل

تعدادی از این طرح ها هنوز در سرویس وجود دارد – برای نصب و راه اندازی های جدید این روش تقریبا به طور کامل توسط طرح جریان گردشی جایگزین شده است

این دوگانه حفاظت جریان گردشی است. با استفاده از جریان گذرنده اصلی، e.m.f.s ترانسفورماتور های جریان مخالف هم هستند و هیچ جریان در سرهای کابل متصل کننده پایلوت یا رله های سری ایجاد نمی کند.

خطا های درون منطقه منجر به یک جریان گردشی در ثانویه های CT می شود و از این رو رله عمل می کند.

یک نتیجه فوری از  این پیکربندی این  است که   ترانسفورماتورهای جریان به صورت فعال مدار باز هستند ، چون که هیچ جریان ثانویه ای برای شرایط جریان گذرنده اولیه ایجاد نمی شود.

پاورقی(جریان گذرنده اولیه به معنی جریان خارج از زون است)

برای جلوگیری از اشباع بیش از حد هسته و اعوجاج شکل موج ثانویه   هسته با شکاف غیر مغناطیسی می باشد که    برای جذب کل mmf اولیه . در حداکثر جریان کافی می باشد و ، چگالی شار در محدوده خطی باقی می ماند.  که به آن ترانزاکتور (transactor) ‌می گویند

Transactor ترکیب یک ترانسفورماتور و راکتور است. ترانزاکتور دارای یک هسته آهنی با فاصله هوایی است که باعث کاهش کوپلینگ بین سیم پیچ ها می شود

به همین دلیل  سیم پیچ ثانویه یک EMF ایجادمی کند . و می تواند به عنوان منبع ولتاژ در نظر گرفته شود. راکتانس موازی ترانسفورماتور  نسبتا کم است، بنابراین دستگاه به عنوان یک ترانسفورماتور بارگذاری شده با راکتور موازی عمل می کند ؛

مدار معادل این سیستم همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5 – مدار معادل برای سیستم ولتاژ متعادل

شکل 5 - مدار معادل برای سیستم ولتاژ متعادل
شکل 5 – مدار معادل برای سیستم ولتاژ متعادل

رله های متصل شده به صورت سری دارای امپدانس نسبتا بالا هستند و علت آن این است که مقاومت سیم پیچ ثانویه از اهمیت زیادی برخوردار نیست و بدون تأثیر قابل توجهی بر عملکرد سیستم، مقاومت پایلوت می تواند نسبتا بزرگ باشد.

به این دلیل   این طرح برای حفاظت فیدر توسعه داده شد .

محدودیت پایداری سیستم تعادل ولتاژ

بر خلاف ترانسفورماتور جریان نرمال، transactor ها خطایی ناشی از افزایش جریان تحریک را ندارند ، ؛ زیرا تمام جریان اصلی به عنوان   جریان تحریک استفاده می شود.

در نتیجه، e.m.f.  ثانویه . یک اندازه گیری دقیق جریان اولیه در محدوده خطی ترانسفورماتور است. در صورتيکه ترانسفورماتورها به صورت خطي تا حداکثر مقدار جريان خطا طراحي شوند، تعادل تنها با محدوديت ذاتي دقت ترانسفورماتور و نتیجه ظرفیت خازنی بین کابل های پایلوت محدود می شوند .

یک خط شکسته در مدار معادل نشان داده شده در شکل 5 چنین خازنی را نشان می دهد. در شرایط خطای خارج از زون، پایلوت ها با یک ولتاژ متناسب، و جریان شارژ عبوری از طریق رله ها برق دار می شوند.

نسبت پایداری که می تواند با این سیستم به دست آید، متوسط ​​است و برای غلبه بر این مشکل از تکنیک بایاس استفاده می شود.

1-2-2 جریان گردشی

در شکل 6، جریان های پایلوت برای یک خطای خارجی در هر انتها جمع می شوند و یک جریان گردشی ایجاد می کنند. اکثریت جریان از طریق سیم پیچ متوقف کننده عبور می کند.

شکل 6 – طرح حفاظت جریان چرخشی

شکل 6 - طرح حفاظت جریان چرخشی
شکل 6 – طرح حفاظت جریان چرخشی

هنگامی که ویژگی های تحریک ترانسفورماتورهای جریان متعادل یک سیستم حفاظت واحد متفاوت است و یا دارای بردن های نا مساوی هستند، شار مغناطیسی گذرا شکل گرفته متفاوت خواهند بود و یک جریان “پرش (spill)” ایجاد خواهد شد.

در نتیجه خطر عملکرد رله در یک مدار سالم در شرایط گذرا وجود دارد، که به وضوح غیر قابل قبول است.

یک راه حل است اضافه کردن یک مقاومت تثبیت کننده سری با رله است . جزئیات نحوه محاسبه مقدار مقاومت معمولا در دستورالعمل های مربوط به همه رله هایی که نیاز به آن دارند، وجود دارد.

هنگامی که یک مقاومت نثبیت کننده استفاده می شود، تنظیم جریان رله می تواند به هر مقدار عملی کاهش یابد، در حالیکه رله در حال حاضر یک دستگاه اندازه گیری ولتاژ است. بدیهی است که یک حد پایین تر وجود دارد، که زیر آن مقدار رله حساسیت پیک آپ را ندارد.

چالش ها و مسائل

مشکل با این دو ساختار مختلف (طرح ولتاژ متعادل و طرح جریان گردشی) این است   که آسیب به کابل پایلوت ممکن است نتایج زیر را ایجاد:

  •            مدار باز کابل پایلوت   – در طرح جریان های گردشی  برای خطاهای بیرونی و یا جریان بار زیاد ممکن است تریپ کند
  •            اتصال کوتاه کابل پایلوت   – مدار می تواند در ساختار ولتاژ متعادل  تریپ کند. این مشکل در جدول 1 خلاصه شده است.

حدول 1   – مشکلات بالقوه

نوع حفاظت کابل پایلوت باز شود کابل پایلوت اتصال کوتاه شود
جریان گردشی تریپ عمل نمی کند
ولتاژ متعادل عمل نمی کند تریپ

طرح حفاظت پایلوت نمونه

شکل 7 – طرح حفاظت پایلوت نمونه

شکل 7 - طرح حفاظت پایلوت نمونه
شکل 7 – طرح حفاظت پایلوت نمونه

مقاله مرتبط:

طرح های پایلوت برای حفاظت خطوط انتقال برق

3-حفاظت واحد دیفرانسیل دیجیتال

رله های حفاظت دیفرانسیل دیجیتال در هر انتهای خط مقادیر دیجیتال را تعیین می کند تا جریان در آن نقطه خط را نشان دهد.

این مقادیر دیجیتال برای رله در انتهای مخالف ارتباط داده شده و  مقایسه می شود.

اگر مقادیر محلی و  دور دست (local and remote)  همانند باشند خط قدرت سالم است، با این حال اگر مقادیر دیجیتال متفاوت باشد این نشان دهنده یک خطا است و قطع کننده های مدار در هر طرف توسط رله محلی عمل خواهند کرد.

شکل 8 – محافظت خط با استفاده از ارتباط دیفرانسیل دیجیتال از طریق فیبر نوری یا کانال های چندگانه

شکل 8 - محافظت خط با استفاده از ارتباط دیفرانسیل دیجیتال از طریق فیبر نوری یا کانال های چندگانه
شکل 8 – محافظت خط با استفاده از ارتباط دیفرانسیل دیجیتال از طریق فیبر نوری یا کانال های چندگانه

۴-حامل مقایسه فاز(Phase comparison carrier)

شکل دیگری از حفاظت واحد حفاظت حامل مقایسه فاز است که در آن   زاویه فاز جریان در هر انتهای خط مقایسه می شود . کانال ارتباطی خود خط انتقال است.یک سیگنال فرکانس بالا در دو فاز از مدار انتقال در یک طرف تزریق می شود و از طرف دیگر دریافت می شود.

ترتیب تزریق سیگنال در شکل 9 نشان داده شده است.

این   تله های موج   (مدارهای رزونانس موازی) طوری طراحی می شوند که مقاومت بسیار بالا در فرکانس سیگنال (چند صد کیلو هرتز) و مقاومت ناچیز در فرکانس قدرت (50Hz) داشته باشند.

با این ساختار در هر انتها، سیگنال به خط محدود می شود و نمی تواند به مدارهای دیگر منتقل شود.

شکل 9- حفاظت حامل مقایسه فاز

شکل 9- حفاظت حامل مقایسه فاز
شکل 9- حفاظت حامل مقایسه فاز

یک روش حفاظت حامل ساده شده در شکل 10 نشان داده شده است.

بلوک های سیگنال فرستاده شده و دریافت شده تقریبا   180 درجه خارج از فاز هستند. این به دلیل اینکه دستگاه End A و End B یکسان است در حالیکه جریان اصلی در یک طرف صادر می شود و به طرف دیگر وارد می شود.

برای این وضعیت، حفاظت پایدار است.   سیگنال پیوسته (با روی هم انداختن بلوک ها بر روی یکدیگر) تریپ رله را خاموش می کند. برای یک وضعیت خطا، جریان در انتهای B تغییر می کند تا خطا را تغذیه کند.

بلوک های سیگنال هم فاز با انتهای A قرار می گیرند. هنگامی روی هم انداخته می شوند فاصله های تقریبی 180 درجه باقی می ماند.

شکل 10 – حفاظت حامل – خطای داخلی

شکل 10 - حفاظت حامل - خطای داخلی
شکل 10 – حفاظت حامل – خطای داخلی

این شکاف ها شروع به تحریک می کنند. زاویه شکاف (که در آن تریپ رخ می دهد) متفاوت است، تنظیم 30 درجه معمول است. زمان تریپ در حدود 3 تا 4 سیکل است.

با این وجود، حفاظت حامل به طور مداوم پایانه ها را به صورت دائم مقایسه نمی کند.  باید توسط خروجی یک شبکه شروع شود. شرایط بار سه فاز از طریق ترانسفورماتورهای جریان کنترل می شود. جریان های ثانویه یک خروجی از شبکه شروع کننده ایجاد  می کنند. و با افزایش ناگهانی در بار، بار زیاد یا جریان های فازی آنبالانس مدار شروع کننده آغاز به کار می کند

چنین شرایطی فقط مقایسه مقادیر را شروع می کنند . و اگر شرایط به علت یک خطای بیرونی بود دوباره تجهیزات تثبیت می شوند.

به طور معمول، ساختار حفاظت حامل یک ویژگی تست دارد، به عنوان مثال، یک ساعت که  هر 30 دقیقه یا 12 ساعت شروع می شود، بسته به نوع حفاظت. اگر یک پایان سیستم حامل عمل نکند و قفل شود، سیستم برای خطاهای بیرونی یا جریان های زیاد ناپایدار می شود

منابع:

Sources:

  1. Switching Operator’s Manual Transmission Switching by Horizon Power
  2. Network Protection and Application Guide, Protective Relays, Measurement and Control by Alstom Grid

محسن ترابی

مهندس برق قدرت، فوق لیسانس برق قدرت از دانشگاه سراسری یزد، موسس ماه صنعت، متخصص در ژنراتور، دیزل، طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی، سنکرون و سیستم های حفاظت الکتریکی به خصوص حفاظت ژنراتور. دارای گواهی ثبت اختراع ساخت موتور PMSM‌ معکوس گرد. هدف از ایجاد این وبسایت و مقالات آن آموزش در راستای توسعه ی صنعت برق کشور عزیزمان ایران می باشد و سعی می کنم مقالات کاربردی در راستای این هدف در وبسایت انتشار بدهم

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید

بستن
بستن
بستن