theme wordpress
حفاظت و رلهکابل کشی

حفاظت کابل ها

حفاظت خطوط کابلی – انواع خطاها، دلایل و حفاظت تفاضلی(دیفرانسیلی)

فهرست مطالب

1-انواع خطاهای رایج

1-1. خطاهای الکتریکی

2-1. خطاهای مکانیکی

3-1. خطاهای گرمایی

4-1. آسیب پوشش فلزی (نیمه رسانا)

5-1. تماس ضعیف پوشش فلزی

2-دلایل خطای کابل قدرت

3-حفاظت تفاضلی حفاظت فیدر کابلها

4-حفاظت اضافه جریان کابل ها

مقالات مرتبط : 

حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن
واحدها و سیستم های حفاظت الکتریکی
حفاظت ساختمان در مقابل صاعقه
وظیفه نیمه هادی در داخل کابل XLPE چی هستش؟

 

انواع خطاهای رایج

خطاهای کابل ها عبارتند از:

  • خطاهای الکتریکی
  • خطاهای مکانیکی
  • خطاهای گرمایی
  • آسیب پوشش فلزی (نیمه رسانا)
  • اتصال ضعیف پوشش فلزی

هر کدام از خطاها در ادامه به ترتیب توضیح داده می شوند.

خطاهای الکتریکی

خطاهای الکتریکی شامل صاعقه، نوسانات شدید ولتاژ به خاطر سوئیچ کردن و تخلیه های جزئی می باشند.

تخلیه های جزئی ممکن است به سبب طراحی ضعیف عایق بندی سیستم یا ایرادات در زمان ساخت و یا نصب کابل به وجود آیند.

خطاهای مکانیکی

خطای مکانیکی می تواند در هنگام نصب به سبب استفاده از فشار بیش از حد و یا تجاوز از حداقل شعاع خمش روی دهد.

کابلها هم می تواند در هنگام ساخت و ساز آسیب ببینند یا این که تجهیزات حمل و نقل زمینی به کابل یا به داکت های کابل آسیب برسانند.

خمیدگی و پیچش

در حین نصب یا در زمان سرویس دهی ممکن است فشار های کششی غیر قابل جبران ناپذیری به رساناهای کابل وارد شود.

خطاهای گرمایی

خطاهای گرمایی منجر به خرابی عایق بندی کابل و خصوصیات فیزیکی آن شده و دلیل آن  بارگذاری بیش از ظرفیت طراحی شده  کابل برای دوره های طولانی و / یا شرایط دمایی بیش از حد محیط  می باشد که اگر ضرایب دی ریتینگ دمایی لحاظ نشده باشد و از کابل بیش از حد جریان کشیده شود باعث گرم شدن و آسیب به آن می شود

آسیب پوشش فلزی (نیمه رسانا)

این حالت خرابی باعث می شود که شیلد و پوشش های کابل کارایی مناسب را نداشته باشند. برای آن که پوشش کار خود را به درستی انجام دهد، مقاومت حجمی آن باید همواره تا حد مناسبی پایین باشد. با این حال، وقتی پوشش فلزی آسیب دید، مقاومت حجمی آن تحت تأثیر دما قرار می گیرد.

در دماهای بالاتر، مقاومت حجمی پوشش فلزی تا حد قابل توجهی افزایش می یابد (به سبب پیک بار، جریان های نامتعادل، یا جریان های چرخان) و سبب افزایش گرادیان های ولتاژ در گوشه های تیز فلزی می شود و این امر منجر به بروز اثر کرونا/تخلیه و جرقه در کابل می گردد.

کرونا و جرقه ها منجر به خطا احتمالی در عایق کابل ها می شوند.

اتصال ضعیف پوشش فلزی

در این حالت به دلیل مقاومت بالا پوشش فلزی با پوشش نواری نیمه رسانا اتصال ضعیف پیدا می کند و دلیل آن می تواند خوردگی بین لایه ها و یا ایجاد یک پوسته عایق روی پوشش فلزی باشد.

این گونه شرایط باعث افزایش اختلاف پتانسیل بین پوشش نیمه رسانا و پوشش فلزی می شود و سبب جرقه زنی بین این دو پوشش می گردد. جرقه زنی منجر به آسیب از بیرون به سمت داخل پوشش نیمه رسانا و عایق کاری و خطای احتمالی کابل شده و اگر چندین ناحیه ی اتصال ضعیف یا خرابی بین این دو پوشش وجود داشته باشد، شرایط وخیم تر هم می گردد.

خرابی ها در بیشتر موارد در انتهای ترمینال ها یا در اتصالات (جایی که عایق کارخانه در زمان نصب ممکن است آسیب ببیند) ایجاد می شود

دلایل خرابی کابل قدرت

مشخص ترین دلایل خرابی های کابل قدرت به این صورت می باشد:

  • اتصال کوتاه فاز به زمین
  • اتصال کوتاه فاز به فاز
  • مقاومت کاهش یافته ی عایق
  • کاهش قدرت دی الکتریکی
  • تخلیه ی جزئی بیش از حد

برخی از دلایل عمده ی خرابی کابل عبارتند از:

  • افزایش عمر
  • خوردگی پوشش
  • شکستگی الکتریکی
  • آتش سوزی و نوسانات صاعقه
  • گرم شدن کابل ها
  • خطاهای مکانیکی
  • رطوبت در محل عایق کاری
  • انتخاب یا کاربرد نامناسب کابل ها

حفاظت تفاضلی (دیفرانسیلی)برای حفاظت فیدر کابلها

روش مطلوب حفاظت هر قطعه از تجهیزات سیستم قدرت، مقایسه ی جریان ورودی به آن قطعه تجهیزات با جریان خروجی آن است.

در شرایط عادی، این دو مقدار با هم برابر هستند. اگر این دو جریان برابر نبودند، پس باید خرابی وجود داشته باشد.

این کار از طریق حفاظت تفاضلی انجام می شود که در بخش 4 (حفاظت خطوط هوایی) به آن پرداختیم و همچنین در بخش 6 (حفاظت ترانسفورماتور) هم مطرح گردید.

فراهم آوردن یک کانال ارتباطی بین انتهاهای یک فیدر برای مقایسه ی جریان های ورودی و خروجی، اقتصادی و عملیاتی نیست. به این دلیل این نوع حفاظت معمولاً در خطوط کابلی یا فیدر کابل LV و MV استفاده نمی گردد و توسط برخی شرکت های انتقال برق در کابل های HV و بیشتر برای ولتاژهای بالاتر از kV123 مورد استفاده قرار می گیرد.

در این شرایط، از حفاظت تفاضلی به عنوان حفاظت اصلی و از حفاظت جریان بیش از حد به عنوان حفاظت پشتیبان استفاده می گردد.

حفاظت اضافه جریان برای کابل ها

برای تعریف نوع حفاظت های اضافه جریان برای فیدرهای کابلی، لازم است تا در ابتدا به پیکربندی شبکه نگاهی داشته باشیم.

شبکه های توزیع MV شامل چندین نوع پیکربندی هستند:(به زودی یک مقاله راجع به این موضوع انتشار داده می شود)

  • شعاعی(Radial)
  • حلقوی(Ringed type)
  • تغذیه ی دو طرفه ای با نقطه ی NO (Double-end feed with NO point)

ترکیبی از انواع شبکه های بالا هم برای استفاده پیشنهاد می شود و متداول ترین پیکربندی ها، پیکربندی های شعاعی و تغذیه ی دو طرفه با نقطه ی NO می باشد.

شبکه های توزیع LV معمولاً به صورت شعاعی هستند.

شبکه های داخلی و خصوصی MV و LV کارگاه ها و ساختمان ها معمولاً شعاعی می باشند اما در کارگاه های بزرگ از تغذیه ی دو انتهایی با نقطه ی NO ممکن است در شبکه های MV استفاده گردد.

فیدر های کابلی LV را می توان توسط فیوز در مقابل جریان های بیش از حد حفاظت کرد (یک راه حل متداول برای شبکه های توزیع در اروپا و آمریکای شمالی) یا با رله های مغناطیس گرمایی(thermal magnetic devices) در مدارشکن ها (Circuit Breakers)این کار را انجام داد.

فیدر های کابلی MV مثلاً در شبکه های توزیع اروپا و آمریکای شمالی ممکن است توسط فیوز در مقابل جریان های بیش از حد مورد حفاظت قرار گیرند.

برای فیدر های شعاعی و فیدر دو انتهایی با نقطه ی NO، تنها یک نقطه ی ممکن برای تغذیه وجود دارد و جریان خطا تنها به صورت یک طرفه خواهد بود. پس حفاظت اضافه جریان را می توان برای فراهم آوردن حفاظت مناسب، بکار برد.

رله های متداول استفاده شده برای این حفاظت عبارتند از  حفاظت اضافه جریان لحظه ای(50)، حفاظت اضافه جریان لحظه ای زمین(50N)، حفاظت اضافه جریان  با تأخیر زمانی(51)، و حفاظت اضافه جریان  با تأخیر زمانی زمین(51N)  می باشد.

جریان وارد شده به فیدر در مدارشکن(Circuit Breaker) به وسیله ی CT و مطابق با شکل 1 اندازه گیری می شود.

شکل ۱- طرح حفاظت اضافه جریان
شکل ۱- طرح حفاظت اضافه جریان

شکل 1. نمودار سیم کشی حفاظت جریان بیش از حد

اجازه دهید به شرایط فیدر کابلی بین ایستگاه های A و B نگاهی بیاندازیم. ایستگاه B در پایین دست ایستگاه A قرار دارد.

حفاظت اضافه جریان در انتهای فیدر در ایستگاه A باید برای تمام خطاهای فیدر عمل کند، اما برای خطاهای بعد از فیدر B  نباید عمل کند(خطا از بخش پایین دست نباید به بخش بالا دست نفوذ کند)

اگر در ابتدا یک رله ی اضافه جریان لحظه ای(50) در نظر بگیریم، آن گاه تنظیمات آن با اندازه ی جریان خطای انتهای فیدر B (شبکه پایین دست)که جریان خطای کمتری روی کابل است، تعیین می گردد.

به شکل مطلوب، رله برای آن جریان خطا تنظیم شده و نباید برای هر گونه خطای روی فیدر B، عمل کند.

با این حال، در عمل به دلایل زیر امکان انجام دقیق این فرایند وجود ندارد:

  • رله نمی تواند بین خطاهای بسیار نزدیک به هم اما هر کدام در یک سمت از فیدر B است تمایز قائل شود چرا که اختلاف جریان ها بسیار اندک است.
  • عدم دقت در CT و رله ها و انحراف شکل موج جریان در شرایط گذرا سبب بروز خطاهایی در پاسخ صحیح طرح حفاظتی می شود.
  • دامنه ی جریان خطا را نمی توان به دقت مشخص کرد چار که تمام پارامترها را نمی توان شناسایی کرد و امپدانس سیستم هم با وارد شدن یا خارج شدن ژنراتور از آن، تغییر می کند.

یک راه حل برای حل این مسئله، تنظیم رله ی اضافه جریان لحظه ای(50) به گونه ای که یک یک تأخیر زمانی در تریب کردن مدارشکن ایجاد کند

این تأخیر زمانی به رله ی اضافه جریان در ایستگاه راه دور امکان می دهد تا نسبت به رفع خرابی های ایستگاه B قبل از بروز تریپ تأخیر زمانی در ایستگاه A اقدام نماید.

این نوع تأخیر زمانی یک ایراد عمده دارد و آن این است که خطاها به کندی پاک می شوند، حتی خطاهایی که بسیار به هم نزدیک هستند و بیشترین دامنه ی جریان خطا را دارا می باشند.

این پاک سازی تأخیر زمانی جریان های پرخطا معمولاً قابل قبول نیست و متداول ترین طرح حفاظتی فیدر که بر این مشکل غلبه می کند، استفاده از یک رله ی زمان اضافه جریان معکوس inverse time overcurrent relay (51 همراه با رله ی اضافه جریان لحظه ای می باشد ( instantaneous overcurrent relay (50.

برای تضمین این که رله ی اضافه جریان لحظه ای برای خطاهای ایستگاه راه دور به صورت غیر ضروری تریپ نمی کند، ( خطا باید توسط حفاظت های جریانی یا فیوزهای آن ایستگاه پاک شوند)، رله ی اضافه جریان لحظه ای(50) باید  به گونه ای تنظیم شود که فقط از فیدر را محافظت کند،. حداکثر امنیت بیشتر انواع رله ها، 80 درصد طول فیدر است است.

محدوده توسط مشخصات رله ی استفاده شده و طول فیدر، تعیین شده می شود. اگر فیدر طولانی باشد، درصد زیادی از خط را می توان حفاظت کرد؛ اما با خطوط کوتاه این میزان کمتر می شود؛ و با خطوط بسیار کوتاه امکان استفاده از حفاظت اضافه جریانی لحظه ای (50) وجود ندارد.

این نوع حفاظت را حفاظت اضافه جریان لحضه ای با تنظیم بالا (HS) می نامند( High-Set Instantaneous (HSovercurrent protection). با این چنین رله هایی که برای تشخیص خطاها در 80 درصد فیدر ، تنظیم شده اند، 20 درصد باقیمانده به صورت غیرحفاظت شده رها می گردد. که البته این قابل قبول نیست. برای آن که حفاظت 20 درصد باقیمانده هم تأمین گردد، یک رله ی time-graded یا رله ی حداقل زمان معین معکوس ( inverse definite minimum time) را می توان مورد استفاده قرار داد.

رله ی حداقل زمانی معین معکوس  ( inverse definite minimum time)دارای مشخصه ی منحنی «زمان – جریان» است که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 مشخصات منحنی «زمان – جریان» رله ی زمانی حداقل معین معکوس
شکل 2 مشخصات منحنی «زمان – جریان» رله ی زمانی حداقل معین معکوس

شکل 2. مشخصات منحنی «زمان جریان» رله ی زمانی حداقل معین معکوس

با استفاده از این مشخصه ی «منحنی – زمانی» باید هماهنگی حفاظت های بالادست و پایین دست را فراهم آورد و این موضوع مورد بحث در بخش 3-3 است.

اکنون اجازه دهید به یک فیدر معمول که برق ترانسفورماتورهای مشتری ها را که در نقاط مختلف فیدر تامین می کند، نگاهی داشته باشیم.

همزمان از رله ی حفاظت اضافه جریان لحضه ای با تنظیم بالا(High-Set) و اضافه جریان زمان دار معکوس استفاده شده است و رله ی HS باید به گونه ای تنظیم شود که برای خطاهای بعد از اولین خروجی فیدر

عمل نکند.

رله ی HS برای عمل کردن تا فاصله ی  80 درصد ی اولین خروجی فیدر تنظمی می شود

معیار استفاده شده برای تنظیم رله ی اضافه جریان زمان معکوس به صورت زیر است:

  1. این رله نباید برای حداکثر جریان بار که توسط فیدر حمل می شود، عمل کند.
  2. تنظیمات رله باید به اندازه ی کافی برای عمل کردن رله و پاکسازی خطاها در انتهای تغذیه کننده، حساسیت داشته باشد.
  3. مشخصه های عملیاتی رله باید با هماهنگی با دیگر دستگاه های حفاظتی مثل فیوزها تنظیم و هماهنگ گردند.

این نوع طرح حفاظتی، حفاظت مناسب فیدر ها را فراهم می سازد.

با این حال برخی ایرادات هم به این طرح وارد است، مخصوصاً در فیدر های هوایی طولانی. ایراد اصلی آن است که بیشتر خطاها به دلیل تریپ رله ی اضافه جریان زمان معکوس، به کندی پاک می شوند. این پاکسازی کند خطاها معمولاً باعث مزاحمت مشتریان فیدر خطا دار می شود.

معیارهای استفاده شده برای تنظیم رله ی اضافه جریان لحظه ای HS عبارتند از:

  1. این رله باید برای تریپ بر روی خطاهای بالاتر و نه پایین تر از اولین اتصال یا خروجی فیدر، تنظیم گردد.
  2. در عمل، این رله برای تریپ خطاهای بعد از 80 درصد فاصله از اولین خروجی، تنظیم می شود.
  3. این رله، پاکسازی پرسرعت را برای خطاهای جریان زیاد نزدیک به منبع تغذیه را فراهم می کند.

در شبکه های با نوع پیکربندی حلقه ای، جریان خطا می تواند به هر سمتی حرکت کند و حفاظت اضافه جریان فیدر در ایستگاه تأمین ممکن است نیازمند رله ی جهت دار برای فیدر هایی باشد که در شرایط عادی تنها فقط جریان یک طرفه دارند. یک رله ی جهتی – اضافه جریان جهت دار(  directional phase overcurrent (67 و رله اضافه جریان جهت دار زمین(directional earth overcurrent (67N – باید در زمانی استفاده شود که جریان اتصال کوتاه فاز به زمین (I”K1)  کمتر از حداکثر جریان خازنی باقیمانده (ICM). باشد. (ICM ≥ I”K1.)

«جریان خازنی باقیمانده در حالت خطای فاز به زمین (IC) توسط معادله ی IC = 3XcU محاسبه می گردد که در آن  راکتانس خازنی کابل و U، ولتاژ فاز به فاز شبکه است. »

جریان اتصال کوتاه فاز به زمین، به سیستم به زمین کردن نول شبکه بستگی دارد.

حفاظت اضافه جریان جهت دار از از رله ی اضافه جریان و رله ی جهت دار توان ایجاد می شود.

رله ی جهت دار توانی، برای اندازه گیری توان استفاده نمی شود بلکه برای نشان دادن عکس العمل نسبت به جهت جاری شدن توان استفاده می شود

رله ی حفاظتی به CT و VT متصل شده که در شکل 3 هم نشان داده شده است.

شکل 3- نمودار سیم کشی حفاظت حفاظت اضافه جریان جهت دار
شکل 3- نمودار سیم کشی حفاظت حفاظت اضافه جریان جهت دار

شکل 3. نمودار سیم کشی حفاظت حفاظت اضافه جریان جهت دار

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 *

بستن
بستن