حفاظت کابل

در این برگه قصد داریم به بررسی انواع خطاها و همچنین حفاظت کابل ها بپردازیم. پس با ما همراه باشید.

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 سیستم‌های حفاظت الکتریکی

حفاظت ساختمان در مقابل صاعقه

وظیفه نیمه هادی در داخل کابل XLPE چی هستش؟

انواع خطاهای رایج

خطاهای کابل ها عبارتند از:

• 1- خطاهای الکتریکی
• 2- خطاهای مکانیکی
• 3- خطاهای گرمایی
• 4- آسیب پوشش فلزی (نیمه رسانا)
• 5- اتصال ضعیف پوشش فلزی

هر کدام از خطاها در ادامه به ترتیب توضیح داده‌می‌شوند.

1- خطاهای الکتریکی

خطاهای الکتریکی شامل صاعقه، نوسانات شدید ولتاژ به خاطر سوئیچ کردن و تخلیه‌های جزئی می‌باشند. تخلیه های جزئی ممکن‌است به سبب طراحی ضعیف عایق بندی سیستم یا ایرادات در زمان ساخت و یا نصب کابل به وجود آیند.

2- خطاهای مکانیکی

خطای مکانیکی می‌تواند در هنگام نصب به سبب استفاده‌از فشار بیش از حد و یا تجاوز از حداقل شعاع خمش روی دهد. کابلها هم می‌تواند در هنگام ساخت و ساز آسیب ببینند یا این که تجهیزات حمل و نقل زمینی به کابل یا به داکت‌های کابل آسیب برسانند.

خمیدگی و پیچش:

در حین نصب یا در زمان سرویس دهی ممکن‌است فشار‌های کششی غیر قابل جبران ناپذیری به رساناهای کابل وارد شود.

3- خطاهای گرمایی

خطاهای گرمایی منجر به خرابی عایق‌بندی کابل و خصوصیات فیزیکی آن‌شده و دلیل آن  بارگذاری بیش از ظرفیت طراحی‌شده  کابل برای دوره‌های طولانی و / یا شرایط دمایی بیش از حد محیط  می‌باشد که اگر ضرایب دی ریتینگ دمایی لحاظ نشده باشد و از کابل بیش از حد جریان کشیده‌شود باعث گرم شدن و آسیب به آن می‌شود

4- آسیب پوشش فلزی (نیمه رسانا)

این حالت خرابی باعث می‌شود که شیلد و پوشش‌های 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 پایین‌باشد. با این حال، وقتی پوشش فلزی آسیب دید، مقاومت حجمی آن تحت تأثیر دما قرار‌می‌گیرد. در دماهای بالاتر، مقاومت حجمی پوشش فلزی تا حد قابل توجهی افزایش می‌یابد (به سبب پیک بار، جریان‌های نامتعادل، یا جریان‌های چرخان) و سبب افزایش گرادیان‌های ولتاژ در گوشه‌های تیز فلزی می‌شود‌و این امر منجر به بروز اثر کرونا/تخلیه و جرقه در کابل می‌گردد. کرونا و جرقه‌ها منجر به خطا احتمالی در عایق کابل‌ها می‌شوند.

اتصال ضعیف پوشش فلزی:

در این حالت به دلیل مقاومت بالا پوشش فلزی با پوشش نواری نیمه رسانا اتصال ضعیف پیدا می‌کند و دلیل آن می‌تواند خوردگی‌بین لایه‌ها و یا ایجاد یک پوسته عایق روی پوشش فلزی باشد. این گونه شرایط باعث افزایش اختلاف پتانسیل بین پوشش نیمه رسانا و پوشش فلزی می‌شود‌و سبب جرقه زنی بین این دو پوشش می‌گردد. 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 داشته‌باشد، شرایط وخیم‌تر هم‌می‌گردد.
خرابی‌ها در بیشتر موارد در انتهای ترمینال‌ها یا در اتصالات (جایی که عایق کارخانه در زمان نصب ممکن‌است آسیب‌‌ببیند) ایجاد‌می‌شود.

دلایل خرابی کابل قدرت

مشخص‌ترین دلایل خرابی‌های کابل قدرت به این صورت‌می‌باشد:

• اتصال کوتاه فاز به زمین
• اتصال کوتاه فاز به فاز
• مقاومت کاهش یافته‌ی عایق
• کاهش قدرت دی‌الکتریکی
• تخلیه ی جزئی بیش از حد

برخی از دلایل عمده‌ی خرابی کابل عبارتند از:

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

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

این کار از طریق حفاظت تفاضلی انجام‌می‌شود 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 مقایسه‌ی جریان‌های ورودی و خروجی، اقتصادی و عملیاتی نیست. به این دلیل این نوع حفاظت معمولاً در خطوط کابلی یا فیدر کابل LV و MV استفاده‌نمی‌گردد و توسط برخی شرکت‌های انتقال برق در کابل‌های HV و بیشتر برای ولتاژهای بالاتر از kV123 مورد‌استفاده قرار‌می‌‌گیرد. در این شرایط، از حفاظت تفاضلی به عنوان حفاظت اصلی و از حفاظت جریان بیش از حد به عنوان حفاظت پشتیبان استفاده‌میگردد.

حفاظت اضافه جریان برای کابل‌ها

برای تعریف نوع حفاظت‌های اضافه جریان برای فیدرهای کابلی، لازم‌است تا در ابتدا به پیکربندی شبکه نگاهی داشته‌باشیم. شبکه‌های توزیع MV شامل چندین نوع پیکربندی هستند:(به زودی یک مقاله راجع به این موضوع انتشار داده‌می‌شود)

• شعاعی(Radial)
• حلقوی(Ringed type)
• تغذیه ی دو طرفه‌ای با نقطه‌ی NO (Double-end feed with NO point)

ترکیبی از انواع شبکه‌های بالا هم برای‌استفاده پیشنهاد‌می‌شود و متداول‌ترین پیکربندی‌ها، پیکربندی‌های شعاعی و تغذیه‌ی دو طرفه با نقطه‌ی NO می‌باشد. شبکه‌های توزیع LV معمولاً به صورت شعاعی هستند. شبکه‌های داخلی و خصوصی MV و LV کارگاه‌ها و ساختمان‌ها معمولاً شعاعی می‌باشند اما در کارگاه‌های بزرگ از تغذیه‌ی دو انتهایی با نقطه‌ی NO ممکن‌است در شبکه های MV استفاده‌گردد.

فیدر‌های کابلی LV را می‌توان توسط فیوز در مقابل جریان‌های بیش از حد حفاظت کرد (یک راه حل متداول برای شبکه‌های توزیع در اروپا و آمریکای شمالی) یا با رله‌های مغناطیس گرمایی(thermal magnetic devices) در مدارشکن‌ها (Circuit Breakers)این کار را انجام داد.

فیدرهای کابلی

فید‌رهای کابلی MV مثلاً در شبکه‌های توزیع اروپا و آمریکای شمالی ممکن‌است توسط فیوز در مقابل جریان های بیش از حد مورد حفاظت قرار‌گیرند. برای فیدر‌های شعاعی و فیدر دو انتهایی با نقطه ی NO، تنها یک نقطه‌ی ممکن برای تغذیه وجود دارد و جریان خطا تنها به صورت یک طرفه خواهد‌بود. پس حفاظت اضافه جریان را میتوان برای فراهم آوردن حفاظت مناسب، بکار برد.

رله‌های متداول استفاده‌شده برای این حفاظت عبارتند از  حفاظت اضافه جریان لحظه‌ای(50)، حفاظت اضافه جریان لحظه‌ای زمین(50N)، حفاظت اضافه جریان  با تأخیر زمانی(51)، و حفاظت اضافه جریان  با تأخیر زمانی زمین(51N)‌می‌باشد. جریان وارد‌شده به فیدر در مدارشکن(Circuit Breaker) به وسیله‌ی CT و مطابق با شکل 1 اندازه‌گیری‌می‌شود.

شکل 1. نمودار سیم کشی حفاظت جریان بیش از حد

حفاظت کابل

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 رله‌ی اضافه جریان لحظه‌ای(50) در نظر بگیریم، آن گاه تنظیمات آن با اندازه‌ی جریان خطای انتهای فیدر B (شبکه پایین دست)که جریان خطای کمتری روی کابل است، تعیین می‌گردد. به شکل مطلوب، رله برای آن جریان خطا تنظیم‌شده 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 نمی‌تواند بین خطاهای بسیار نزدیک به هم اما هر کدام در یک سمت از فیدر B‌است تمایز قائل شود چرا که اختلاف جریان‌ها بسیار اندک‌است.
• عدم دقت در CT و رله‌ها و انحراف شکل موج جریان در شرایط گذرا سبب بروز خطاهایی در پاسخ صحیح طرح حفاظتی می‌شود.
• دامنه‌ی جریان خطا را نمی‌توان به دقت مشخص‌کرد چار که تمام پارامترها را نمی‌توان شناسایی‌کرد و امپدانس سیستم هم با وارد‌شدن یا خارج‌شدن ژنراتور از آن، تغییر‌می‌کند.

یک راه حل برای حل این مسئله، تنظیم رله‌ی اضافه جریان لحظه‌ای(50) به گونه‌ای که یک یک تأخیر زمانی در تریب کردن مدارشکن ایجاد‌کند این تأخیر زمانی به رله‌ی اضافه جریان در ایستگاه راه دور امکان می‌دهد تا نسبت به رفع خرابی‌های ایستگاه B قبل از بروز تریپ تأخیر زمانی در ایستگاه A اقدام نماید. این نوع تأخیر زمانی یک ایراد عمده‌دارد و آن این‌است که خطاها به کندی پاک می‌شوند، حتی خطاهایی که بسیار به هم نزدیک هستند و بیشترین دامنه ی جریان خطا را دارا می‌باشند.

این پاک سازی تأخیر زمانی جریان‌های پرخطا معمولاً قابل قبول نیست و متداول‌ترین طرح حفاظتی فیدر که بر این مشکل غلبه‌می‌کند، استفاده‌از یک رله‌ی زمان اضافه جریان معکوس inverse time overcurrent relay (51 همراه با رله‌ی اضافه جریان لحظه‌ای می‌باشد ( instantaneous overcurrent relay (50.

ادامه:

برای تضمین این که رله‌ی اضافه جریان لحظه‌ای برای خطاهای ایستگاه راه دور به صورت غیر ضروری تریپ نمی‌کند، ( خطا باید توسط حفاظت‌های جریانی یا فیوزهای آن ایستگاه پاک شوند)، رله‌ی اضافه جریان لحظه‌ای(50) باید  به گونه‌ای تنظیم شود که فقط از فیدر را محافظت کند،. حداکثر امنیت بیشتر انواع رله‌ها، 80 درصد طول فیدر‌است. محدوده توسط مشخصات رله‌ی استفاده‌شده و طول فیدر، تعیین شده‌می‌شود. اگر فیدر طولانی‌باشد، درصد زیادی از خط را میتوان حفاظت کرد؛ اما با خطوط کوتاه این میزان کمتر‌می‌شود؛ و با خطوط بسیار کوتاه امکان استفاده‌از حفاظت اضافه جریانی لحظه‌ای (50) وجود ندارد.

این نوع حفاظت را حفاظت اضافه جریان لحظه‌ای با تنظیم بالا (HS) می‌نامند( High-Set Instantaneous (HS) overcurrent protection). با این چنین رله‌هایی که برای تشخیص خطاها در 80 درصد فیدر ، تنظیم شده‌اند، 20 درصد باقیمانده به صورت غیرحفاظت‌شده رها می‌گردد. که البته این قابل قبول نیست. برای آن که حفاظت 20 درصد باقیمانده هم تأمین گردد، یک رله‌ی time-graded یا رله‌ی حداقل زمان معین معکوس ( inverse definite minimum time) را می توان مورد استفاده‌قرار‌داد.

رله‌ی حداقل زمانی معین معکوس  ( inverse definite minimum time)دارای مشخصه‌ی منحنی «زمان – جریان»‌است که در شکل 2 نشان داده‌شده‌است.

ادامه:

با استفاده‌از این مشخصه‌ی «منحنی – زمانی» باید هماهنگی حفاظت‌های بالادست و پایین دست را فراهم آورد و این موضوع مورد بحث در بخش 3-3‌است. اکنون اجازه‌دهید به یک فیدر معمول که برق ترانسفورماتورهای مشتری‌ها را که در نقاط مختلف فیدر تامین‌می‌کند، نگاهی داشته‌باشیم. همزمان از رله‌ی حفاظت اضافه جریان لحظه‌ای با تنظیم بالا(High-Set) و اضافه جریان زمان‌دار معکوس استفاده‌شده‌است و رله‌ی HS باید به گونه‌ای تنظیم‌شود که برای خطاهای بعد از اولین خروجی فیدر عمل‌نکند. رله‌ی HS برای عمل‌کردن تا فاصله‌ی  80 درصد‌ی اولین خروجی فیدر تنظمی می‌شود معیار استفاده‌شده برای تنظیم رله‌ی اضافه جریان زمان معکوس به صورت زیر‌است:

1. این رله نباید برای حداکثر جریان بار که توسط فیدر حمل‌می‌شود، عمل‌کند.
2. تنظیمات رله باید به اندازه‌ی کافی برای عمل‌کردن رله و پاکسازی خطاها در انتهای تغذیه‌کننده، حساسیت داشته‌باشد.
3. مشخصه‌های عملیاتی رله باید با هماهنگی با دیگر دستگاه‌های حفاظتی مثل فیوزها تنظیم و هماهنگ گردند.

این نوع طرح حفاظتی، حفاظت مناسب فیدر‌ها را فراهم می‌سازد.

با این حال برخی ایرادات هم به این طرح وارد‌است، مخصوصاً در فیدر‌های هوایی طولانی. ایراد اصلی آن‌است که بیشتر خطاها به دلیل تریپ رله‌ی اضافه جریان زمان معکوس، به کندی پاک می‌شوند. این پاکسازی کند خطاها معمولاً باعث مزاحمت مشتریان فیدر خطا‌دار‌می‌شود.

معیارهای استفاده‌شده برای تنظیم رله‌ی اضافه جریان لحظه‌ای HS عبارتند از:

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

در شبکه‌های با نوع پیکربندی حلقه‌ای، جریان خطا می‌تواند به هر سمتی حرکت کند و حفاظت اضافه جریان فیدر در ایستگاه تأمین ممکن‌است نیازمند رله‌ی جهت دار برای فیدر‌هایی باشد که در شرایط عادی تنها فقط جریان یک طرفه دارند. یک رله ی جهتی – اضافه جریان جهت‌دار(  directional phase overcurrent (67 و رله اضافه جریان جهت‌دار زمین(directional earth overcurrent (67N – باید در زمانی استفاده‌شود که جریان اتصال کوتاه فاز به زمین (I”_K1)  کمتر از حداکثر جریان خازنی باقیمانده (I_CM). باشد. (I_CM ≥ I”_K1.)

«جریان خازنی باقیمانده در‎حالت خطای فاز به زمین (I_C)‎توسط معادله ی I_C = 3X_cU محاسبه می‌گردد که در آن راکتانس خازنی کابل و U، ولتاژ فاز به فاز شبکه‌‌است. »

جریان اتصال کوتاه فاز به زمین، به سیستم به زمین کردن نول شبکه بستگی دارد. حفاظت اضافه جریان جهت‌دار از از رله‌ی اضافه جریان و رله‌ی جهت‌دار توان ایجاد‌می‌شود.

رله‌ی جهت‌دار توانی، برای اندازه‌گیری توان استفاده‌نمی‌شود بلکه برای نشان‌دادن عکس العمل نسبت به جهت جاری شدن توان استفاده‌می‌شود رله‌ی حفاظتی به CT و VT متصل‌شده که در شکل 3 هم نشان داده‌شده‌است.

حفاظت کابل