theme wordpress
حفاظت و رله

واحدها و سیستم های حفاظت الکتریکی

 

واحدها و سیستم­های حفاظت الکتریکی

این یک مقاله بلند و توصیفی در مورد انواع مختلف حفاظت سیستم­ های الکتریکی و شبکه ­ها است. با این مقاله، شما قادر خواهید بود انواع روش­ های مختلف حفاظت الکتریکی، سیستم­ ها و دستگاه ­ها، هماهنگی و طبقه بندی حفاظت، حفاظت خطوط هوایی، حفاظت سیستم قدرت، حفاظت کابل­ های فیدر، حفاظت ترانسفورماتور، حفاظت موتور، حفاظت ژنراتور، حفاظت بانک­های خازنی، حفاظت باس­بار، حفاظت ولتاژ و فرکانس و خیلی موارد دیگر را پوشش دهید. این مطلب را برای مطالعات بعدی نشان­گذاری کنید.

فهرست مطالب

  1. معرفی سیستم­ های حفاظت الکتریکی
  2. فناوری و ادوات حفاظتی
  3. طبقه بندی و هماهنگی حفاظتی
  4. حفاظت کابل­ های فیدر
  5. خطاها و حفاظت ترانسفورماتور
  6. خطاها و حفاظت خطوط هوایی
  7. حفاظت موتور
  1. حفاظت ژنراتور
  2. حفاظت­های متفرقه
  3. مراجع

۱.معرفی سیستم­های حفاظت الکتریکی

تاسیسات و تجهیزات الکتریکی HV، MV و LV [1] در معرض خطاهای داخلی و خارجی هستند که می ­توانند باعث آسیب­های جدی در افراد و سایر تجهیزات شوند.

برای جلوگیری و به حداقل رساندن عواقب این خطاها، دستگاه ­های حفاظتی مربوط به تجهیزات که توانایی قطع جریان الکتریکی را دارند، مورد نیاز هستند. برای درک بهتر تجهیزات حفاظتی، هر بخشی که یک سیستم حفاظتی و یا تجهیز حفاظتی را توضیح می دهد معمول ترین خطاها مربوط به همان تجهیز بیان خواهد شد.

همچنین لازم به ذکر است که تمام واحدهای پارامترهای مکانیکی و الکتریکی و مضارب و زیرمجموعه ­های آن­ها که در سیستم­ های حفاظتی دخیل هستند مطابق با سیستم SI (سیستم واحدهای بین­ المللی) هستند؛ استثنائات زمانی ایجاد می­ شوند که ساعت (h) ممکن است بجای ثانیه (s) استفاده شود و واحد انتخاب شده برای درجه حرارت، درجه سانتی­گراد °C (سلسیوس) بجای درجه کلوین K است، [K] = [C] + 273.15.

۲. فناوری و دستگاه ­های حفاظتی

۲.۱ دستگاه­ های حفاظتی

به منظور به حداقل رساندن زمان یک خطا، کلیدابزارها(کلید یا بریکر)(switchgears) و تجهیزاتی با ادوات حفاظتی فراهم می­ شوند تا خطاها را تشخیص دهند و بخش معیوب تاسیسات را جدا کنند.

اولا، تشخیص زودهنگام خطا و مکان آن، دوما، حذف سریع تجهیزات دارای خطا، به منظور برآورده شدن موارد زیر لازم است:

  • حفاظت از کل سیستم برای اطمینان از تداوم عرضه و تامین برق.
  • برای به حداقل رساندن آسیب و هزینه­ های تعمیر.
  • برای اطمینان از ایمنی پرسنل.

در گذشته، فیوزها معمولا به عنوان یک حفاظت در برابر اضافه جریان­ ها و اضافه بارها استفاده می­ شدند، و هنوز هم در آمریکای شمالی و در برخی کشورها محبوب هستند، فیوزها همچنان در تاسیسات LV و کابل­ های MV و ترانسفورماتورها با توان نامی تا 630-1250 kVA، استفاده می­ شوند.

با این حال، پیچیدگی شبکه ­ها و تجهیزات برای انتقال و توزیع قابل اطمینان ­تر توان، استفاده از دستگاه ­های حفاظتی دقیق­ تری را می­ طلبد.

امروزه رله­ های حفاظتی، مورد استفاده قرار می­گیرند، که قابل اطمینان­ تر و دقیق­تر هستند و دارای توانایی تشخیص انواع دیگر خطاها نسبت به اضافه بارها و اضافه جریان­ هایی هستند که می­ توانند در شبکه­ ها و تجهیزات رخ دهند، این مطلب در بخش­ های بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت، زمان حفاظت تجهیزات مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت.

رله ­ها برای بهره ­برداری تنظیم می ­شوند، و زمانیکه یک خطا شناسایی می­شود، شروع به تریپ دادن (قطع کردن مدار) می­کنند.

هر طرح حفاظتی برای سیستم قدرت از اجزای زیر تشکیل می­شود:

  • رله­ های تشخیص یا اندازه ­گیری خطا
  • رله­ های قطع کننده یا سایر رله­ های کمکی
  • مدارشکن­ ها (Circuit Breaker)
  • ترانسفورماتورهای اندازه­ گیری – ترانسفورماتور جریان (CT) و ترانسفورماتور ولتاژ (VT)

مدل ­های اولیه رله ­های حفاظتی، رله ­های الکترومکانیکی بودند که هنوز در برخی کشورها و در تاسیسات قدیمی سیم­کشی برق که مورد بازسازی قرار نگرفته­ اند، استفاده می­ شوند.

این نوع از رله­ ها براساس جذب یک میله فلزی کار می­کنند، طوریکه خروجی ثانویه ترانسفورماتور اندازه ­گیری از یک سیم­ پیچ عبور می­کند، بنابراین در صورت عبور جریان، میدان مغناطیسی حاصله یک میله فلزی را جذب می­کند، وقتی جریان قطع می­شود میله فلزی با یک فنر به محل اولیه خود برمی­ گردد. حرکت این میله فلزی باعث می­ شود که کنتاکت تریپ (قطع) رله بسته شود.

شکل ۱ - رله حفاظتی الکترومکانیکی
شکل ۱ – رله حفاظتی الکترومکانیکی

امروزه رله­ های حفاظتی الکترونیکی (حالت جامد) و رله­ های مبتنی بر ریزپردازنده، معمولا در تاسیسات برقی بکار می­ روند.

رله­ های الکترونیکی تنها دارای یک عملکرد حفاظتی هستند و رله­ های مختلف باید برای عملکردهای مختلف استفاده شوند.

رله­ های مبتنی بر ریزپردازنده دارای ویژگی­ های در دسترس زیادی از جمله حفاظت، کنترل و نظارت هستند.

۲.۲ دستگاه های هوشمند الکترونیکی (IED)     

رله­ های مبتنی بر ریزپردازنده به عنوان دستگاه­ های هوشمند الکترونیکی (Intelligent Electronic Devices (IED)) شناخته می­ شوند، که می­توانند 5-12 عملکرد حفاظتی، 5-8 عملکرد کنترلی که دستگاه­ های جداگانه را کنترل ­کنند، عملکرد بستن خودکار، عملکرد خود نظارتی، و عملکردهای ارتباطی را ارائه کنند، ویژگی­ های اصلی آن­ها عبارتند از:

  • بسیاری از توابع و عملکردها در یک رله واحد وجود دارد
  • تنظیمات گروهی به راحتی در صورت تغییرات در پیکربندی فیدر قابل اعمال است
  • رله­ ها با خروجی قابل برنامه­ریزی
  • پورت­ های ارتباطی برای اتصال به SCADA – کنترل نظارت شده و گردآوری داد ه­ها (سیستم ­ها، مودم ­ها، و رایانه­های شخصی)
  • دنباله­ ای از رویدادها برای بسیاری از خطاهای اخیر ذخیره می­ شوند
  • موج ­نگاری (اسیلوگرافی) (Oscillography)یا گرفتن شکل موج – ذخیره داده­ های شکل موج جریان و ولتاژ پیش و پس از خطا برای تجزیه و تحلیل خطا
  • اندازه­ گیری­ ها
  • اینترلاکینگ Interlocking
  • کمک به نگه داری مدارشکن (circuit breaker). وظیفه قطع خطا، در هر فاز، می­ تواند ثبت شود
  • مکان­ یاب خطا – نمایش فاصله تا مکان خطا

 

شکل ۲ - رله های هوشمند IED
شکل ۲ – رله های هوشمند IED

در شکل 2 نمونه ­ای از یک IED را می­ توان مشاهده کرد.

توابع و پیچیدگی IED باید با توجه به تجهیزاتی که باید حفاظت شوند، مشخصات شبکه و اقدامات مکمل مورد نیاز، تعریف شود.

IEDهای واقعی برای برآوردن الزامات استاندارد 61850 [IEC [2 طراحی می­ شوند، که از پروتکل ارتباطی استفاده می ­شود. این استاندارد به طور خاص برای اتوماسیون پست توسعه یافته است و قابلیت هماهنگی و ارتباط­ های پیشرفته را فراهم می­ کند.

رشد تعداد نقاط حفاظت، کنترل و نظارت (مانیتورینگ) موجب افزایش قابل توجهی در حجم داده­ه ای پست می ­شود.

این داده ­ها معمولا ابتدایی هستند و در یک فرم دیجیتال ذخیره می­ شوند. قبل از اینکه هر کاربر بتواند از مزایای این داده ­ها استفاده کند، این داده­ ها باید پردازش و تجزیه و تحلیل شوند.

در سیستم­ های حفاظت متداول، سیگنال­های داده و کنترل، از طریق یک (Remote Terminal Unit (RTU (واحد پایانه دوردست)، از رله به سیستم SCADA ارسال می­ شوند.

ممکن است کابل­ های گسترده و گران قیمت بین bayهای مختلف در پست و اتاق کنترل نیاز باشد.

(معمولا سویچگیرها از قسمت های مشابه متصل به هم در جهت شینه بندی تشکیل می شوند ، که به هر قسمت یک Bay می گویند)

در سیستم حفاظت مدرن که از یک رله IED استفاده می­کند، سیم ­کشی اتصال داخلی بین ترانسدیوسرها (مبدل­ ها) و اندازه ­گیرها دیگر لازم نیست.

سیگنال­ های داده و کنترل از رله IED، از طریق شبکه ارتباطی اختصاصی با سرعت بالا، مستقیما به سیستم SCADA ارسال می ­شوند. زمانیکه یک IED به عنوان یک عنصر کنترلی و منبع داده استفاده می­شود، حجم داده­ ها به شدت افزایش می ­یابد.

برای فراهم کردن ارتباط لازم بین عناصر مختلف سیستم، یک شبکه داده LONWORKS به نام «شبکه عملیات محلی» LON) Local Operating Network)مورد استفاده قرار می­گیرد.

استاندارد 61850 IEC پروتکل ­های مورد نیاز برای ارتباطات را تعریف می­ کند، که می ­توانند شبکه­های TCP/IP یا شبکه ­های LAN پست را با استفاده از اترنت با سوئیچ شدن با سرعت بالا دربربگیرند، تا زمان ­های پاسخ­ دهی لازم زیر چهار میلی­ ثانیه برای رله حفاظتی بدست آید.

۲.۳ رله ­ها و کدهای حفاظتی

در پست ­ها، تجهیزات، کلیدابزارهای(switchgears) ولتاژ بالا(MV) و ولتاژ متوسط(LV) و نیروگاه­ ها، رله­ های حفاظتی معمول­ تر در زیر نشان داده شده­ اند، و در براکت­ ها کد آن­ها مطابق با استانداردهای  [IEEE/ANSI [3 و IEC نشان داده شده است:

  • حفاظت بلبرینگ (83)
  • حفاظت نقص بریکر (50 BF)
  • حفاظت دیفرانسیل باس­بار (87B)
  • اضافه جریان دایرکشنال (جهت­دار) زمین (67N/67G)
  • اضافه جریان دایرکشنال (جهت­دار) فاز (67)
  • اضافه جریان آنی زمین (50N/50G)
  • اضافه جریان آنی فاز (50)
  • حفاظت از دست دادن و یا قطع تحریک (40)
  • از دست دادن و یا قطع فاز (48)
  • حفاظت اضافه تحریک (24)
  • رله اضافه فرکانس و رله افت فرکانس (81)
  • حفاظت دیفرانسیل خطوط هوایی (87L)
  • حفاظت دیستانس خطوط هوایی (21)
  • حفاظت اضافه بار (49)
  • حفاظت Over speed (اضافه سرعت) (12)
  • رله اضافه ولتاژ (59)
  • رله اتصال زمین محدوده (64G/64REF)
  • حفاظت برگشت توان (32)
  • رله اضافه جریان تاخیری زمین (51N/51G)
  • رله اضافه جریان تاخیری فاز (51)
  • حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور (87P)
  • رله افت ولتاژ (27)
  • Weak end infeed (21WI)
  • حفاظت توالی فاز اشتباه (47)

نکته:در زیر تعاریف این حفاظت ها به انگلیسی نیز ذکر شده اند تا ترجمه باعث اشتباه در برداشت نشود

  • ( Bearing protection (38
  • ( Breaker failure protection (50 BF
  • ( Bus bar differential protection (87B
  • ( Directional earth overcurrent (67N/67G
  • ( Directional phase overcurrent (67
  • ( Instantaneous earth overcurrent (50N/50G
  • ( Instantaneous phase overcurrent (50
  • ( Loss of field/excitation protection (40
  • ( Loss of phase (48
  • ( Over-excitation protection (24
  • ( Overfrequency and underfrequency (81
  • ( Overhead line differential protection (87L
  • ( Overhead line distance protection (21
  • ( Overload protection (49
  • ( Overspeed protection (12
  • ( Overvoltage (59)
  • ( Restricted earth fault (64G/64REF
  • ( Reverse power protection (32
  • ( Time delay earth overcurrent (51N/51G
  • ( Time delay phase overcurrent (51
  • ( Transformer differential protection (87P
  • ( Undervoltage (27
  • ( Weak end infeed (21WI
  • ( Wrong phase sequence protection (47

نکته : به طور عمده در خطوط هوایی HV، ترانسفورماتورهای قدرت HV و ترانسفورماتورهای قدرت LV با توان نامی بالای 3-4 MVA، به منظور افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم، یک روش معمول استفاده از دو مجموعه حفاظتی است – یکی “حفاظت اصلی” و یکی “حفاظت پشتیبان”.

۲.۴ حفاظت با فیوزها 

یک فیوز گونه ­ای از یک مقاومت کم اهم است که به عنوان یک «وسیله فداشونده» عمل می­کند تا حفاظت در برابر اضافه جریان را فراهم کند، این نوع دستگاه حفاظتی همچنان در برخی تاسیسات LV و MV بکار می ­رود.

قسمت ضروری یک فیوز، یک سیم یا نوار فلزی است که در زمان عبور جریان بیش از حد ذوب می­ شود، و باعت قطع مدار می­ شود، به طوریکه از آسیب بیشتر توسط گرمای بیش از حد یا آتش سوزی جلوگیری می­کند.

این سیم یا نوار فلزی به عنوان یک مقطع کوچک با هادی­ های مدار مقایسه می ­شود و توسط یک محفظه (پوشش) احتراق ناپذیر محصور می­ شود.

اجزاء فیوزها از روی، مس، نقره، آلومینیوم یا آلیاژها ساخته می­ شوند تا مشخصات و ویژگی­ های پایدار و قابل پیش­بینی را فراهم کنند.

پوشش فیوز می­ تواند از سرامیک، شیشه، پلاستیک، فایبرگلاس، ورقه میکای قالبی یا فیبر فشرده قالبی بسته به تولیدکننده، کاربرد و کلاس ولتاژ باشد.

فیوزها بر روی نگهدارنده ­های فیوز، به خصوص برای هر نوع یا خانواده­ ای از فیوزها و ولتاژهای نامی مانند فیوز HRC نصب می ­شوند.

نمونه ­ای از فیوزها و نگهدارنده ­های آنان در شکل ­های 3 و 4 نشان داده شده­اند.

شکل ۳ - فیوز LV NH با نگهدارهنده
شکل ۳ – فیوز LV NH با نگهدارهنده
شکل ۴ - فیوز MV با نگهدارنده
شکل ۴ – فیوز MV با نگهدارنده

خصوصیات الکتریکی اصلی فیوزها عبارتند از:

  • ولتاژ نامی
  • جریان نامی (In): حداکثر جریانی که فیوز می ­تواند به طور مداوم بدون قطع مدار هدایت کند.
  • ظرفیت شکست(Breaking capacity) (I1): حداکثر جریان موثری که فیوز می­ تواند قطع کند. این جریان حداکثر مقدار تست فیوز است. این جریان بسیار زیاد است، معمولا بین 20 و 63 کیلوآمپر است.
  • حداقل جریان قطع(Minimum interrupting current) (Ir): حداقل جریانی که می­ تواند جاری شود و فیوز را قطع کند.
  • جریان قراردادی غیر-فیوزی(Conventional non-fusing current) (Inf): مقدار جریانی که اتصال فیوز قادر به حمل آن جریان در یک زمان مشخص (زمان قراردادی) است بدون آنکه ذوب شود، این جریان به صورت مضربی از In بیان می­ شود (مثلا، I­nf = 1.25 * In).
  • ذوب اسمی (I2t): اندازه­ گیری انرژی مورد نیاز برای ذوب عنصر فیوز (براساس قانون ژول) و مقداری است که برای هر عنصر فیوزی مختلف ثابت است.
  • منحنی زمان-جریان: زمان تحریک فیوز (سرعت) را به عنوان تابعی از جریان (معمولا توسط تولیدکننده، مطابق با استانداردها است) نشان می ­دهد.
شکل ۵ - منحنی زمان جریان فیوز
شکل ۵ – منحنی زمان جریان فیوز

شکل 5 نمونه ه­ای از یک منحنی زمان-جریان را نشان می ­دهد.

دمای محیط، پارامترهای عملیاتی فیوز را تغییر خواهد داد و ضریب کاهش حد مجاز دمایی(temperature derating) نیاز است.

به عنوان یک مثال، فیوزی که برای 1 آمپر در 25 درجه سانتی گراد تنظیم شده است، می ­تواند تا 10 درصد یا 20 درصد جریان بیشتر را در 40- درجه سانتی گراد هدایت کند و ممکن است در 80 درصد مقدار نامی ­اش در 100 درجه سانتی گراد باز (ذوب) شود.

مقادیر عملیاتی در هر خانواده ­ای از فیوزها متفاوت خواهد بود و در دیتاشیت­ های (برگه­ های داده) سازنده ارائه می­ شوند.

فاکتورهای اصلی انتخاب یک فیوز عبارتند از:

  • جریان عملیاتی نرمال
  • ولتاژ نامی (AC یا DC)
  • درجه حرارت محیط
  • جریان اضافه بار و مدت زمانی که در آن فیوز باید باز شود
  • حداکثر جریان خطای موجود
  • پالس ­ها، جریان­ های سِرج (غیرعادی)( Surge)، جریان­ های هجومی(Inrush)[1]، جریان ­های راه ­اندازی، و گذراهای مدار
  • محدودیت ­های اندازه فیزیکی، همچون طول، قطر، یا ارتفاع
  • ویژگی­ های فیوز (عامل فُرم / نوع نصب، سهولت جدا سازی، هدایت محوری، نشانه بصری و غیره)
  • ویژگی ­های نگهدارنده فیوز، در صورت لزوم
  • کاربرد
  • مقررات و استانداردهای سیم­ کشی ملی

استاندارد فرانسوی NF EN 60269، فیوزها را براساس منحنی ­های زمانی، توابع و کاربردها دسته ­بندی می ­کند. این دسته ­بندی، که به طور گسترده در بسیاری از کشورها استفاده می ­شود، عبارت است از:

  • gL/gC
  • توابع
  • حفاظت کابل­ ها و ادوات الکتریکی. تفاوت بین دو فیوز یا وجود حاشیه­ ای بین دو جریان نامی (مثلا 160 و 100 آمپر) تضمین می­شود.
  • کاربردها
  • حفاظت در تمام سطوح توزیع توان الکتریکی در صنایع و بخش خانگی در برابر اضافه بار و اتصال ­کوتاه ­ها. تابلو برق­های اصلی، تابلوهای برق فیدرها، اتاقک ­های محفظ ه­ای اصلی.
  • aM
  • توابع
  • حفاظت مستقیم موتورها، باید در ارتباط با یک وسیله حفاظتی خارجی (رله حرارتی) کار کند. تفاوت راحت با فیوزهای gG که در بالادست قرار گرفته ­اند. تفاوت بین دو فیوز تضمین می­کند که حاشیه­ ای از دو جریان نامی (مثلا 160 و 100 آمپر) وجود دارد.
  • کاربردها
  • حفاظت موتورهای ولتاژ پایین
  • gR
  • توابع
  • فیوز حفاظتی فوق­العاده سریع برای نیمه­ هادی­ها، محدودیت­ های کم جریان، I2*t پایین
  • کاربردها
  • حفاظت توان نیمه­ هادیِ راه ­اندازهای نرم، رله­ های استاتیک، منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، درایورهای سرعت متغیر، فرکانس

زمانیکه تاسیساتی توسط فیوزها حفاظت می ­شود، سوئیچ ­های جداکننده (switch-disconnectors)در بالادست فیوزها، به دلایل ایمنی باید بکار روند، تا جداسازی تاسیسات را پیش از جایگزین کردن یک فیوز یا انجام برخی کارهای تعمیراتی تضمین کند.

در جایی که فقط از فیوزها برای حفاظت استفاده می ­شود، تنها اضافه جریان­های فاز شناسایی خواهند شد، و پیش­ بینی رله ­های حفاظتی برای سایر خطاها ضروری است. برای جریان نشتی یا جریان خطای زمین، GFCI (قطع کننده مدار خطای زمین) (Ground Fault Circuit Interrupter)سپس بکار می ­رود.

در این وضعیت، سوئیچ­ ها باید با یک سیم­ پیچ بازشونده مجهز شوند، که توسط حفاظت داخلی تجهیزات نیز تحریک شود.

یکی دیگر از پیش­ احتیاط­ ها این است که فیوزها باید با یک دستگاه مکانیکی (پین مهاجم striker pin) که باعث باز شدن سوئیچ می­شود، مجهز شوند، تا در صورتی که تنها یک فیوز عمل کرد، قطع کامل تاسیسات دارای خطا تضمین شود.

فیوزها همچنین باید با یک دیسک رنگی مجهز شوند تا در زمانی که این عنصر می­ ترکد،  این دیسک در بدنه فیوز ساخته می­ شود تا نشان­گذاری بصری یک المان ترکیده را نشان دهد.

۳. طبقه بندی و هماهنگی حفاظتی

۳.۱ معرفی طبقه بندی و حفاظت

 در زمان تعیین نقاط تنظیم رله­ های حفاظت یا جریان نامی فیوزها و مدارشکن­ های LV (مانند ACB (مدارشکن هوایی Air Circuit Breaker))، باید اطمینان حاصل شود که مقادیر انتخاب شده برای حفاظت تجهیزات مناسب هستند و مدارشکن­هایی که تریپ می­ دهند یا فیوزهایی که عمل می­کنند، تنها مربوط به مدار معیوب باشند و به سایر دستگاه­ های حفاظتی مربوط نشوند، که این مورد می­ تواند باعث اختلالات جدی در شبکه و در کیفیت و تداوم سرویس ­دهی شود.

برای دستیابی به این هدف، مطالعه زمین کردن و هماهنگی حفاظتی ضروری است.

۳.۲ اصول اساسی و اولیه

مطالعات هماهنگی حفاظت رله­ ها، برای تعیین تنظیمات حفاظت رله انجام می­شود.

سطوح خطا باید برای تمام شرایط عملیاتی سیستم تعیین شود، این امر برای تعیین توانایی حفاظت رله ­ها برای تشخیص و رفع خطاهای سیستم بکار می­رود.

طرح­ های حفاظتی طوری تنظیم می­ شوند که تا حد ممکن کمترین بخش سیستم الکتریکی را جدا کنند، پس اختلال ناشی از خطا به حداقل می­رسد.

مدت زمان عملکر رله برای قطع بخش معیوب تعیین می گردد تا زمان های نامی مورد نیاز جهت قطع قسمت های دارای خطا، پایداری سیستم و الزامات اختیارات قانونی تامین شود. ما مراقبت می­ کنیم تا حاشیه­ های عملیاتی حفاظت رله، هم در جریان و هم در زمان، به طور صحیح تعیین شوند، به طوریکه بخش ­های معیوب را به طور موثر حذف کنند.

زمانی که رله­ های دیستانس روی فیدرهای ولتاژ بالای دو مداره تنظیم می ­شوند، توالی صفر پیوند متقابل بین مدارها در نظر گرفته می­ شود، به طوریکه احتمال آورریچ(Overreach) یا آندرریچ(Under reach) حداقل می ­شود.

مشخصات عملیاتی رله ­ها و تنظیمات آن­ها، به منظور دستیابی به تنظیم بهینه، باید به دقت هماهنگ شوند.

این هدف اساسا برای از مدار خارج کردن فقط بخش خطادار سیستم است و به منظور حداقل کردن وقفه عرضه و اطمینان از پایداری، اجازه دهد مابقی سیستم قدرت سرویس ­دهی کند.

تنظیم بهینه(Selectivity)، یا تمایز (فرق گذاری)، بین دستگاه ­های حفاظتی می­ تواند به این صورت تعریف شود که «هماهنگی دستگاه­ های حفاظتی، به منظور اینکه اگر خطایی در هر نقطه از شبکه رخ داد، توسط دستگاه حفاظتی بالادستی حذف شود، این دستگاه حفاظتی بلافاصله در بالادست این خطا قرار دارد و تنها با این دستگاه حفاظتی خطا رفع می­ شود.»

شکل ۶ - نمای تک خطی تاسیستات الکتریکی
شکل ۶ – نمای تک خطی تاسیستات الکتریکی

اجازه دهید نمونه ­ای از این تعریف را ببینیم، به دیاگرام تک خطی شکل 6 نگاه کنید، که در آن سیستم­ های حفاظتی SP1 تا SP6 وجود دارند:

تنظیم بهینه به این معنی است که اگر خطایی در نقطه A رخ دهد، تنها سیستم حفاظتی که باید فعال شود SP5 است، و سایر سیستم­ های حفاظتی نباید فعال شوند.

دو اصل برای ایجاد تنظیم بهینه استفاده می­ شود:

  • تمایز جریان
  • تمایز زمان

۳.۳ طبقه بندی(Grading) و هماهنگی(coordination) حفاظتی در شبکه­ های LV، MV و HV

برای انجام مطالعات طبقه بندی و هماهنگی حفاظتی، تنظیمات و پیچیدگی شبکه باید در نظر گرفته شود.

شبکه­ های توزیع LV و شبکه­ های مشترکین معمولا پیکربندی شعاعی دارند.

شبکه­ های توزیع MV معمولا دارای ترکیبی از شبکه شعاعی و شبکه از دوسو تغذیه بدون هیچ نقطه تنظیمی و یک پیچیدگی مهم هستند.

شبکه ­های مشترکین MV معمولا دارای پیکربندی شعاعی هستند، اگرچه در بسیاری از نیروگاه­ ها یک شبکه از دوسو تغذیه بدون هیچ نقطه تنظیمی بکار می­ رود.

با توجه به پیچیدگی شبکه­ ها، مطالعات طبقه بندی و هماهنگی حفاظتی برای شبکه­ های انتقال HV و شبکه­ های توزیع MV، نیازمند مهندسین متخصص و استفاده از نرم­افزارهای خاص تجزیه و تحلیل مانند ETAP، PSS/E، EPSO و PTW است.

طبقه بندی و هماهنگی حفاظتی برای شبکه مشترکین MV معمولا راحت­ تر است و می­ تواند از دستورالعمل ­های پایه­ ای که بعدا در این بخش بحث خواهد شد، تبعیت کند.

توجه ویژه­ای باید در مرز شبکه شرکت توزیع برق (ورودی) و شبکه مشترکین شود و پروتکل هماهنگی حفاظتی باید بین هر دو نهاد ایجاد شود.

برای شبکه­ های LV، با استفاده از مدارشکن­ ها و / یا فیوزها، تنظیمات بهینه می­ تواند به صورت “مدارشکن / مدارشکن”، “فیوز / فیوز”، و “مدارشکن / فیوز” باشد که می­ تواند توسط مقایسه با «منحنی­ های زمان-جریان» برای مقدار خاصی از جریان خطا، با استفاده از اصول «تمایز جریان» و «تمایز زمان» که در بالا اشاره شد، انجام شود.

تمایز جریان برای حفاظت در برابر اضافه بار استفاده می­ شود و این حفاظت در صورتی که نسبت بین حدود آستانه تنظیم بالاتر از 1.6 باشد، قابل انتخاب است.

تمایز زمان برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه ­ها استفاده می­ شود، که از یک مدارشکن یا فیوز در بالادست با تاخیر زمانی استفاده می­ شود که بنابراین تریپ دادن دستگاه پایین دست سریع­تر انجام شود؛ این حفاظت در صورتی که نسبت بین حدود آستانه حفاظت اتصال کوتاه کمتر از 1.5 نباشد، قابل انتخاب است.

۴. حفاظت کابل­های فیدر

حفاظت و خطاهای کابل ها و فیدر های کابلی کاملا در مطلب زیر توضیح داده شده است:

حفاظت کابل ها

۵. خطاها و حفاظت ترانسفورماتور

حفاظت و خطاهای ترانسفورماتور کاملا در مطب زیر توضیح داده شده است:

حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن

۶. خطاها و حفاظت خطوط هوایی

برای هدایت بهتر خواننده، ما این مطلب را در اینجا تحت عنوان «خطاها و حفاظت خطوط هوایی» بروز می­کنیم.

۷. حفاظت موتور

۷.۱ نقص­ ها و خطاهای رایج موتورها

مهم است نقایص و خطاهای موتور را برای تعیین مناسب­ ترین ادوات حفاظتی برای هر حالت، بدانیم و درک کنیم. شما همچنین باید در مورد شرایط مهم مربوط به کنترل و حفاظت موتور آگاهی داشته باشید.

موتورها، ماشین­های غیراستاتیکی هستند که تحت فشارهای الکتریکی و مکانیکی قرار می­گیرند.

نقایص موتورها به سه نوع اساسی تقسیم می­شوند: الکتریکی، مکانیکی و مکانیکی که به حالت الکتریکی منتهی می­شود.

نقایص و خطاهای رایج موتورها عبارتند از:

  • خرابی یاتاقان
  • شکست عایقی
  • روتور قفل شده
  • گرم شدن بیش از حد
  • اضافه بار (الکتریکی و مکانیکی)
  • عدم تعادل فاز و هرگونه عدم تعادل ولتاژ منجر به عدم تعادل جریان حتی بیشتر خواهد شد.
  • حرکت عقبگرد
  • ناهماهنگی شفت
  • ارتعاش (لرزش)

گرم شدن بیش از حد می­ تواند به دلیل موتور با اندازه نامناسب، خنک­ سازی ناکافی در سرعت پایین زمانیکه از درایوهای متغیر سرعت ((Variable Speed Drives (VSD) استفاده می ­شود، رخ دهد که این امر مانند تجهیزات نامعلوم و شرایط محیطی داغ باعث تغییر بار روی موتور می ­شود.

شکست عایقی، منجر به سوختن سیم­ پیچ ­ها شده، که باعث اتصال کوتاه درون موتور یا درون مدار تغذیه کننده توان برای موتور می ­شود، و ممکن است به دلیل گرمای بیش از حدِ اضافه بار و اضافه ولتاژ باشد.

حدود 80 درصد نقایص موتورهای الکتریکی به دلیل آسیب سیم­ پیچی در استاتور موتور و نقص یاتاقان است.

خرابی یاتاقان در موتورها می­ تواند نشانه ­ای از یاتاقان­ های نامناسب برای کاربرد موتور باشد.

یک موتور که به طور عمودی نصب شده، نیازمند یاتاقان­ های متفاوت نسبت به موتوری است که به صورت افقی نصب شده است. موتوری که یک درایو بزرگ یا چند تسمه ­ای را می­ چرخاند نیازمند یاتاقان­ هایی خواهد بود که بتواند بارهای شعاعی بزرگ را کنترل کند. موتوری که به یک صفحه پایه کج و ناهموار پیچ شده باشد، دچار پیچ خوردگی خواهد شد.

یاتاقان­ ها معمولا در مقایسه با سایر اجزاء عمده موتور، کوچک هستند، و باعث آسیب­ پذیرتر شدن آن­ها می ­شود؛ برخی مطالعات بیش از نیمی از نقایص موتور را به بد عمل کردن یاتاقان نسبت می­ دهند، که اکثر این خرابی­ ها نتیجه روغنکاری بیش از حد یا خیلی کم است. یکی دیگر از علل قابل توجه نقص یاتاقان، عدم تعادل است.

عدم تعادل شفت، یاتاقان­ ها را قبل از اینکه طول عمر مفید خود را کار کنند، نابود می­ کند. شفت موتور باید مستقیما در یک خط با شفتی باشد که می­چرخاند این امر می­ تواند تنها با استفاده از تکنیک­ های دقیق تراز کردن مانند لیزر حاصل شود.

مشکلات دیگری که ممکن است در موتورها رخ دهد، عبارتند از:

  • ورود آب و گردوغبار به درون سیم­ پیچ استاتور یا ایجاد اتصال کوتاه در پایانه  موتور
  • ناهمسطح محکم شدن دو پایه موتور
  • نصب اشتباه یا نوع یاتاقان اشتباه موتور
  • عدم تعادل الکتریکی یا مکانیکی

نویز نشان دهنده مشکلات موتور است اما معمولا منجر به آسیب نمی­شود. با این حال، نویز، معمولا با ارتعاش همراه است.

ارتعاش به چندین روش می­ تواند باعث آسیب شود. ارتعاش باعث تکان دادن ،لقی سیم­ پیچ­ ها شده و به طور مکانیکی با تق­ تق کردن، پوسته پوسته کردن یا ساییدن مواد به عایق آسیب می­ رساند. ضعیف  سر سیم های اتصالات از حرکت بیش از حد و جرقه زدن براش در کموتاتورها یا حلقه های گردان جریان نیز از ارتعاش حاصل می­ شوند.

در نهایت، ارتعاش می­ تواند یاتاقان ها را با سائیدن از شکل خودشان خارج کند یا با شل شدن یاتاقان­ ها در پوسته­ ها، نقص یاتاقان­ ها را سرعت بخشد.

هر زمان که نویز یا ارتعاش در یک موتور در حال کار پیدا شوند، منبع آن باید به سرعت جدا و اصلاح شود.

آنچه که به عنوان یک منبع آشکار از نویز و ارتعاش به نظر می ­رسد می­ تواند نشانه ­ای از یک مشکل پنهان باشد. بنابراین، بررسی جامعی اغلب مورد نیاز است.

نویز و ارتعاشات می­ توانند ناشی از شفت نامتعادل موتور باشد یا می ­توانند از ماشین گردنده یا سیستم انتقال قدرت به موتور منتقل شود. نویز و ارتعاشات همچنین می­ توانند نتیجه عدم تعادل الکتریکی یا مکانیکی در موتور باشند.

عدم تعادل الکتریکی زمانی رخ می­دهد که جذب مغناطیسی بین استاتور و روتور در اطراف محدوده موتور ناهموار است. این امر باعث می­ شود که شفت کج شود و همانطور که می­چرخد یک عدم تعادل مکانیکی را ایجاد می­کند. عدم تعادل الکتریکی معمولا یک نقص الکتریکی، همچون سیم ­پیچی باز استاتور یا روتور، یک نوار یا حلقه باز در قفس سنجابی موتورها یا سیم­ پیچ­ های کوتاه شده میدان در موتورهای سنکرون را نشان می­دهد. یک گپ هوایی ناهموار، که معمولا ناشی از یاتاقان­ های بد شکل است، نیز باعث عدم تعادل الکتریکی می­ شود.

علت اصلی عدم تعادل مکانیکی ناشی از نصب کردن کج، شفت خم شده، روتور با تعادل ضعیف، قطعات شل روی روتور یا بدنه­ ی بلبرینگ­ ها است. نویز نیز می­ تواند ناشی از ضربه زدن فن به قاب، پوشش، یا اشیاء خارجی در داخل پوشش باشد. اگر یاتاقان­ ها بد باشند، همانطور که توسط سروصدای بیش از حد یاتاقان مشخص می­ شود، تعیین اینکه چرا یاتاقان­ ها دارای نقص هستند، ضروری است.

یکی دیگر از مشکلاتی که موتورها می ­توانند با آن مواجه شوند، زمان استارت طولانی است. اگر موتور تحت استارت­ های پیاپی باشد، سیم­پیچ­های روتور یا میله ­های روتور می ­توانند تا نقطه ­ای داغ شوند که در آن نقطه اتصالات الکتریکی بین میله­ های روتور و حلقه­ های انتهایی آسیب می ­بینند.

۷.۲ ادوات و دستگاه های حفاظت موتور

مهم نیست که موتورها با چه ولتاژ نامی و اندازه ­ای هستند، آن­ها باید در برابر اضافه جریان (اتصال کوتاه) و اضافه بارها حفاظت شوند.

موتورهای LV با اندازه کوچک و متوسط معمولا تنها در برابر اضافه بارها و اتصال کوتاه ­ها محافظت می­ شوند و موتورهای LV و موتورهای MV نیز دارای حفاظت­ های دیگری نیز هستند.

حفاظت ­های اضافه بار و اضافه جریان باید طوری طراحی شوند که نسبت به جریان­ های هجومی در زمان راه ­اندازی حساس نباشند، تا از قطع توان بی­ مورد جلوگیری کند.

برای موتورهای LV، حفاظت در برابر اضافه جریان ­ها و اتصال کوتاه ­ها می ­تواند توسط فیوزها انجام شود، که مرتبط با سوئیچ­ های قطع کننده (switch-disconnectors)یا مدارشکن ­های قطع آنی(instantaneous trip circuit breakers) هستند که نسبت به مقادیر فوری (تقریبا لحظه ­ای) جریان یک اتصال کوتاه، خطای زمین، یا جریان روتور قفل شده پاسخ می­ دهند.

مدارشکن­ های زمان معکوس(Inverse time circuit breaker) دارای ویژگی­ های قطع حرارتی و آنی (thermal and instantaneous)هستند و برای تریپ دادن در سطح استاندارد از قبل تنظیم می­ شوند.

این رایج ­ترین نوع مدارشکن ها است که در ساختمان ­ها برای موارد خانگی، تجاری، و ساختمان ­های بزرگ استفاده می­شوند.

عمل حرارتی این مدارشکن­ ها به گرما واکنش نشان می­دهد. اگر ورودی­ ها و خروجی­ های تهویه­ ی یک موتور برای جذب گرما از سیم­ پیچ­ های موتور کافی نباشند، این گرما توسط عمل حرارتی این مدارشکن شناسایی خواهد شد.

اگر اتصال کوتاه رخ دهد، عمل مغناطیسی این مدارشکن، مقادیر آنی جریان را تشخیص خواهد داد و مدار را قطع خواهد کرد.

فیوزها معمولا برای حفاظت در برابر اضافه بارها مناسب نیستند، زیرا اگر برای ارائه حفاظت اضافه بار برآورد شوند، در هنگامی که موتور استارت می­ شود به دلیل جریان هجومی زیاد موتور، عمل می­ کنند، اگرچه می­ توانند به عنوان یک حفاظت پشتیبان برای اضافه بار مورد استفاده قرار گیرند.

حفاظت با فیوزها، در زمانیکه تنها یک فیوز عمل می ­کند و بسوزد، خطر آسیب تکفازی را برای موتور دارد مگر اینکه حفاظت تکفاز فراهم بشود؛ این موضوع بعدا در این فصل بحث خواهد شد.

موتورهای LV و موتورهای MV با اندازه بزرگ توسط رله­ های اضافه جریان (50؛ 50N؛ 51؛ 51N) که به CT متصل می­شوند، در برابر اتصال کوتاه­ ها محافظت می­شوند.

این حفاظت در برابر اضافه بارها معمولا توسط رله اضافه بار حرارتی انجام می­ شود. این نوع رله می­تواند از انواع زیر باشد:

۷.۲.۱ نوار دو فلزی (بی متال)( Bi-metallic strip)

حفاظت حرارتی اضافه بار، جریان زیاد زمان راه­ اندازی یک موتور را که مدت آن کوتاه است، به طور دقیق از جریان اضافه بار جدا می­کند. سیم ­پیچ گرم­ شونده و عمل نوار بی­متال یک تاخیر زمانی را ایجاد می­ کند که به موتور اجازه می­ دهد زمان کافی برای راه­ اندازی و رسیدن به جریان نرمال را بدون تریپ حرارتی اضافه بار را داشته باشد. حفاظت­ های حرارتی اضافه بار می­ تواند به صورت دستی یا خودکار، بسته به کاربرد آن­ها، تنظیم مجدد شوند و تنظیم کننده ­ای داشته باشند که به آن­ها اجازه می­ دهد تا به طور دقیق با جریان موتور تنظیم شوند.

درجه حرارت محیط که در آن یک شروع کننده (استارتر) و یک موتور قرار می ­گیرند، باید در زمان انتخاب نوار بی­متال مد نظر قرار بگیرد زیرا درجه حرارت بالای محیط زمان تریپ اضافه بار را کاهش می ­دهد.

در صورتی که یک موتور در محیطی با درجه حرارت خنک ­تر نسبت به استارتر قرار بگیرد، زمان کاهش یافته تریپ اضافه بار(Reduced overload trip time can) می­ تواند منجر به تریپ ناخواسته شود، و هنگامی که موتور در محیطی با دمای گرمتر نسبت به استارتر قرار می­گیرد، موجب فرسودگی موتور می­ شود.

اکثر دستگاه ­های حرارتی اضافه بار برای استفاده در حداکثر دمای 40 درجه سانتی گراد هستند، و کاهش حد مجاز حرارتی(derating) برای رله ممکن است مورد نیاز باشد.

اکثر رله­ ها در محدوده 85 تا 115 درصد مقدارشان قابل تنظیم هستند.

برخی مدل­ ها دارای جبرانسازی محیط در دسترس هستند. نقطه تریپ یک دستگاه جبران ساز محیطی تحت تاثیر دمای محیط قرار نمی ­گیرد و همواره با همان مقدار جریان انجام کار می­کند.

این نوع از رله ­ها معمولا در موتورهای LV با اندازه کوچک و متوسط بکار می­روند.

جدول ۳ - جریان های نامی فیوز برای حفاظت موتور الکتریکی
جدول ۳ – جریان های نامی فیوز برای حفاظت موتور الکتریکی

­استانداردها و داده های تولیدکنندگان معمولا مقررات توصیه شده­ ای برای نقطه تنظیم این نوع از رله ­ها را مطابق با توان نامی موتور نشان می­ دهند؛ جدول­های مشابهی نیز جریان­ های نامی توصیه شده­ ای از فیوزها (نوع aM و gG – بخش 2.4 را ببینید) و مدارشکن­ های آنی که مربوط به رله­ ها برای حفاظت اضافه جریان هستند، را نشان می­ دهند، همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است.

 

۷.۲.۲ رله ­های اضافه بار دیجیتال الکترونیک

این نوع از حفاظت برای موتورهای LV و موتورهای HV بزرگ بکار می­ روند، و شامل یک ریزپردازنده هستند. این دستگاه ­ها می ­توانند گرم ­شدن سیم ­پیچ ­های موتور را با نظارت (مانیتورینگ) جریان موتور مدل کنند و آن­ها همچنین شامل توابع اندازه­ گیری و ارتباطی هستند.

حفاظت رایج موتورهای LV و MV بزرگ معمولا توسط دستگاه­ های حفاظتی زیر انجام می­شود:

  • حفاظت اضافه بار: 49
  • اضافه جریان آنی فاز: 50
  • اضافه جریان آنی زمین: 50N/50G
  • اضافه جریان تاخیر زمانی فاز: 51
  • اضافه جریان تاخیر زمانی زمین: 51N/51G
  • Overload protection: 49
  • Instantaneous phase overcurrent: 50
  • Instantaneous earth overcurrent: 50N/50G
  • Time delay phase overcurrent: 51
  • Time delay earth overcurrent: 51N/51G

در برخی شرایط توصیه نمی­ شود که از موتورها در برابر اضافه بارها محافظت شود؛ این موارد پمپ­ های آب آتش­نشانی و فن­ های خروجی دود هستند.

موتورهای LV خیلی بزرگ و موتورهای MV گران هستند، و معمولا عاقلانه است که برنامه ­های حفاظت جامع­تری برای آن­ها ارائه شود. چنین برنامه­هایی عبارتند از:

  • مانیتور دمای یاتاقان و محافظت آن (38)
  • حفاظت دیفرانسیل (87M)
  • حفاظت توالی استارت ناقص / زمان شروع طولانی (66)
  • توالی فاز منفی (حفاظت فاز معکوس)
  • حفاظت گرمای بیش از حد
  • حفاظت عدم تعادل فاز یا نقص فاز (47)
  • حفاظت روتور قفل شده
  • حفاظت افت ولتاژ و اضافه ولتاژ (به ترتیب 27 و 59)
  • مانیتور و حفاظت ارتعاش (39)
  • دستگاه­ های مانیتور دمای سیم­پیچ و حفاظت آن
  • (Bearing temperature monitors and protection (38
  • (Differential protection (87M
  • (Incomplete start sequence / long start time protection (66
  • (Negative phase sequence (phase reversal protection
  • Overheating protection
  • (Phase unbalance or phase failure protection (47
  • Stall or locked rotor protection
  • (Under and over voltage protection (27 and 59, respectively
  • (Vibration monitors and protection (39
  • Winding temperature monitors and protection devices

حفاظت دیفرانسیل اغلب برای موتورهای با اندازه متوسط و بزرگ با ولتاژهای تغذیه بزرگتر از حدود 4 کیلوولت، وهمراه با  مدارشکن­ های (circuit breakers)که به طور الکتریکی عمل می­کنند (تریپ شانت (shunt trip) است) استفاده می شود. حفاظت دیفرانسیل تشخیص، جهت و رفع سریع خطا را روی سیم­ پیچ­ های استاتور موتور فراهم می­کند.

در جایی که سیستم تامین توان به طور جامع زمین شده است، حفاظت دیفرانسیل هم خطاهای فاز به فاز و هم خطاهای فاز به زمین را تشخیص خواهد داد. با حفاظت دیفرانسیل جریان در هر انتهای هر سیم­ پیچ مقایسه می­ شود، تا تعیین کند که چه زمانی شرایط خطا وجود دارد.

این عملکرد به دو مجموعه CT نیاز دارد، یکی در ابتدای فیدر موتور، و دیگری در نقطه ستاره.

تابع حفاظت دیفرانسیل تنها می ­تواند در صورتی که هر دو سمت هر فاز استاتور برای اتصال خارجی بیرون آورده شده باشند، بکار رود، به طوری که این جریان فاز که به درون هر فاز می­رود و بیرون می ­آید، می­ تواند اندازه­ گیری شود. عنصر دیفرانسیل، جریانی را که از هر فاز می ­آید را از جریانی که به هر فاز می­رود تفریق می­کند و نتیجه را مقایسه می­ کند یا از سطح پیکاپ دیفرانسیل کم می­کند.

اگر این اختلاف مساوی یا بزرگتر از سطح پیکاپ باشد، یک تریپ رخ خواهد داد.

شکل ۱۹ - حفاظت دیفرانسیلی موتور
شکل ۱۹ – حفاظت دیفرانسیلی موتور

شکل 19 نمونه ­ای از این حفاظت را نشان می­دهد.

نکته: به خاطر نیاز به دقت به اندازه گیری بالا در حفاظت دیفرانسیل باید از CT نوع X  استفاده کرد.

شش CT در این مجموعه استفاده می ­شود، در طول راه­ اندازی موتور، مقادیر از دو CT روی هر فاز ممکن است مساوی نباشند، زیرا دو CT کاملا مشابه نیستند و جریان­ های نامتقارن ممکن است باعث شوند CT روی هر فاز خروجی­ های متفاوتی داشته باشند.

برای جلوگیری از تریپ ناخواسته در این پیکربندی، سطح دیفرانسیل می ­تواند با حساسیت کمتری تنظیم شود، یا تاخیر زمانی دیفرانسیل می ­تواند گسترش یابد تا مشکل طول مدت زمان راه ­اندازی موتور برطرف شود.

زمان اجرای دیفرانسیل سپس می ­تواند متناسب با کاربری به طور دقیق تنظیم شود به طوریکه رله خیلی سریع واکنش نشان دهد و نسبت به سطوح پایین جریان دیفرانسیل حساس باشد.

حفاظت گرمای بیش از حد سیم ­پیچی ­ها معمولا با “آشکارسازهای دمای مقاومتی RTD(Resistance Temperature Detectors)” انجام می­ شود و ترمیستور و دستگاه ­های بستن خودکار می ­توانند نصب شوند. اتصال یک تقویت کننده مجزا، به فن موتور کمک می­کند تا مشکل گرمای بیش از حد را، در زمان استفاده از یک VSD برای کنترل سرعت موتور، حل کند.

نکته : برای سنسور دما روی سیم پیچ های موتور هم می توان RTD و هم PTC استفاده کرد. در صورت استفاده از PTC نمی توان دمای سیم پیچ ها را خواند ولی در صورت رسیدن دما به حد دمای حفاظتی (مثلا 120 درجه) مقدار مقاومت PTC زیاد شده و به سمت بی نهایت می رود و از این ویژگی می توان استفاده کرد و در صورت رسیدن دمای موتور مثلا به ۱۲۰ درجه رله تریپ می دهد.

با استفاده از سنسور RTD‌ می توان هر لحظه دمای سیم پیچ را دید و اندازه گیری کرد.

توالی ناقص استارت / زمان طولانی استارت منجر به گرمای بیش از حد روتور می­ شود.

از آنجایی که اندازه­ گیری فیزیکی گرمای روتور در موتورهای قفس سنجابی امکان پذیر نیست، لازم است گرما با اندازه­ گیری جریان روتور که از استاتور برای تحریک روتور کشیده می­ شود، تعیین شود. یک ماکت حرارتی از روتور با استفاده از منحنی I2t ایجاد می­ شود.

ممنوعیت راه ­اندازی مجدد (ریستارت)، در صورتی که رله تعیین کند روتور به حد گرمایی رسیده که راه ­اندازی آن به روتور آسیب خواهد زد، کاربر را از راه­ اندازی موتور منع می­کند. بنابراین رله تنها در صورتی اجازه ریستارت می ­دهد که روتور دارای ذخیره حرارتی کافی برای راه ­اندازی را داشته باشد.

حفاظت یاتاقان معمولا توسط RTD و ترمیستور برای مانیتور دما انجام می­شود.

حفاظت ارتعاش از سنسورها / شتاب­ سنج­ هایی استفاده می­کند که معمولا در مکان کلیدها روی موتور و یاتاقان­ ها جا دارند.

از آنجاییکه یاتاقان­ ها بخشی هستند که بار مکانیکی را تحمل می کنند، شتاب­ سنج­ ها باید در ورودی و خروجی گذاشته شوند.

شکل ۲۰ - سنسور لرزش موتور
شکل ۲۰ – سنسور لرزش موتور

شکل 20 نمونه ­ای از سنسورهای ارتعاش و مکان­های توصیه شده را نشان می­دهد.

امروزه IED (بخش 2.1 را ببینید) که تمام توابع حفاظتی مورد نیاز را به صورت یکجا دارند، به طور رایج برای موتورهای LV بزرگ و موتورهای MV استفاده می­شوند.

۸. حفاظت ژنراتور

۸.۱ خطاهای رایج ژنراتور

خطاهای ژنراتور معمولا به خطاهای داخلی و خارجی طبقه ­بندی می­ شوند؛ خطاهای داخلی به دلیل مشکلاتی در داخل اجزاء ژنراتور هستند و خطاهای خارجی به دلیل شرایط عملیاتی غیرطبیعی و خطا روی شبکه ­های خارجی هستند.

خطاها روی محرک اولیه [7] و سیستم­ های مرتبط با آن مورد بحث قرار نخواهند گرفت، زیرا آن­ها معمولا در مرحله طراحی مکانیکی تجهیزات تعریف می ­شوند.

با این حال، آن­ها باید برای اهداف تریپ دادن، با حفاظت­ های ژنراتور همگام شوند.

خطاهای داخلی می­توانند الکتریکی یا مکانیکی باشند:

  1. خطاهای استاتور
  • گرمای بیش از حد سیم ­پیچی ­ها
  • خطای فاز به فاز سیم­ پیچی ­ها
  • خطای فاز به زمین سیم ­پیچی­ ها
  • خطای حلقه به حلقه(Inter-turn fault)
  1. خطاهای روتور
  • خطای زمین
  • اتصال کوتاه سیم ­پیچ­ ها (روتور کلافی یا روتور سیم­پیچی(wound rotor))
  • گرمای بیش از حد
  1. افت میدان / تحریک
  2. ژنراتور خارج از سنکرون
  3. بهره ­برداری موتور(حالت موتوری شدن ژنراتور)
  4. داغ شدن یاتاقان و عدم فشار روغن کاری
  5. ارتعاش
  6. Stator faults
  • Windings overheating
  • Windings phase-to-phase fault
  • Windings phase-to-earth fault
  • Inter-turn fault
  1. Rotor faults
  • Earth fault
  • Winding short-circuit (wound rotor)
  • Overheating
  1. Loss of field / excitation[8]
  2. Generator Out-of-Step
  3. Motor operation
  4. Bearings overheating and lack of pressure of lubrication oil
  5. Vibration

داغی سیم ­پیچ­ های استاتور می ­توانند ناشی از اضافه بارهای دائمی و خطاهای فاز به فاز و زمین باشد که به علت شکست عایقی هستند.

اتصال کوتاه سیم­ پیچ روتور منجر به افزایش جریان تحریک و کاهش ولتاژ تحریک می­ شود.

داغ شدن روتور ناشی از جریان­ های نامتعادل در استاتور است، به دلیل:

  • تریپ تک قطبی
  • خطای سیم­پیچ استاتور
  • توالی فاز منفی

توالی فاز منفی و جریان­ های نامتعادل در استاتور جریان می ­یابند و شار آرمیچری تولید می­ کنند که در جهت مخالف با روتور می ­چرخد، که باعث ایحاد جریان­ های گردابی در حجم روتور می­شود.

این جریان­ های گردابی، که در فرکانسی معادل دو برابر فرکانس سیستم هستند (50 یا 60 هرتز)، داغی محلی را در اطراف روتور تولید خواهند کرد که می ­تواند باعث ضعیف شدن حلقه­ ها و گوه­ های نگه دارنده روتور شود.

هنگامی که تحریک (یا میدان) یک ژنراتور از بین می­ رود، توان راکتیو از سیستم قدرت به ژنراتور جریان می ­یابد. سپس این ژنراتور سنکرون بودن خود را از دست می­ دهد و به صورت یک ژنراتور القایی، در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون، می­چرخد.

در سرعت بالاتر از سرعت سنکرون، روتور شروع به نوسان می­کند و تلاش می­کند تا به سرعت سنکرون برسد، که منجر به داغی و آسیب­ های دیگر می ­شود. تا زمانی که سیستم پایدار است، توان راکتیو (MVAr) به سمت ژنراتور جریان می ­یابد و این ماشین به تحویل دادن توان اکتیو (MW) ادامه می ­دهد.

حالت موتوری ژنراتور زمانی رخ می ­دهد که تغذیه بخار یا آب توربین قطع می ­شود و ژنراتور از سیستم الکتریکی توان می­کشد.

در توربین­ های بخار، بخار به عنوان یک خنک کننده عمل می ­کند، تیغه ­ها را در یک دمای ثابت نگه می­ دارد. قطع تغذیه بخار، می ­تواند باعث داغی تیغه­ ها شود. در برخی ماشین­ ها، افزایش دما بسیار پایین است، و حالت موتوری می­ تواند برای زمان قابل ملاحظه ­ای تحمل شود.

توربین آبی (هیدرولیک) دارای پدیده کاویتاسیون(cavitation) (شکل­ گیری و سپس فرسایش سریع حفره­ ها در مایع – نواحی کوچک بدون مایع (“حباب­ ها”)) است.

کاویتاسیون
کاویتاسیون

این پدیده معمولا زمانی اتفاق می­ افتد که یک مایع تحت تغییرات سریع فشار است که باعث شکل ­گیری حفره­ هایی می­شود که در آن­ها فشار نسبتا کم است.

کاویتاسیون عامل قابل توجهی از فرسایش است. هنگام ورود به سطوح فشار بالا، حباب­ های کاویتاسیون که روی سطح فلز از داخل می­ ترکند، باعث ایجاد تنش حلقوی از طریق ترکیدن­های مکرر می­شوند، که منجر به فرسودگی سطحی فلز می­شود.

خطاهای خارجی سیستم قدرت در ژنراتور و شرایط بهره­ برداری غیر طبیعی عبارتند از:

  • خطاهای اتصال کوتاه خارجی
  • اتصال غیرسنکرون ژنراتور
  • خروج از حالت سنکرون (لغزش قطب یا از دست دادن سنکرون بودن)
  • اضافه بارها
  • سرعت بیش از حد
  • عدم تعادل فاز و توالی فاز منفی
  • افت فرکانس و افزایش فرکانس
  • افت ولتاژ و اضافه ولتاژ
  • External short-circuit faults
  • Non-synchronized connection of generator
  • Out-of-step (pole slipping or loss of synch)
  • Overloads
  • Overspeed
  • Phase unbalance and negative phase sequence
  • Under and over frequency
  • Under and over voltages

یک خطای رفع نشده یا آهسته رفع شده روی شبکه سیستم، می­ تواند باعث شود که ژنراتورها شروع به لغزش قطب­ها کنند، یا اینکه با باقیمانده سیستم به حالت خروج از سنکرون بودن بروند.

چنین شرایطی نامطلوب است، زیرا تنش­ های مکانیکی مضری به شفت اعمال می­شود، و نوسانات شدید توان، تاثیر مخربی روی ولتاژهای سیستم قدرت دارد.

از دست دادن سنکرون بودن (همگامی) می­ تواند ناشی از یک اتصال کوتاه خارجی، خاموش کردن یک بار القایی مهم، یا توسط یک خطا در سیستم تحریک باشد.

سرعت بیش از حد نتیجه خاموشی ناگهانی کل بار یا یک کاهش قابل توجه بار است.

۸.۲ دستگاه ­ها  و ادوات حفاظت ژنراتور

ژنراتورها گران­ترین تجهیزات در سیستم­های قدرت هستند.

بنابراین، طرح­های حفاظتی قابل اطمینان برای تشخیص و رفع سریع خطای آن­ها برای حداقل کردن آسیب و کاهش زمان تعمیر تا حداقل ممکن، لازم و ضروری است.

حفاظت در برابر خطاهای فاز به فاز سیم پیچ­ های استاتور، از طریق یک رله دیفرانسیل انجام می­ شود، که اصول آن قبلا در سایر بخش ­ها بحث شد. این وسیله حفاظتی توانایی تشخیص خطاهای حلقه به حلقه سیم­ پیچ را ندارد.

زمانی که چنین نوعی از خطا رخ می ­دهد، ولتاژ کاهش می­ یابد و یک ولتاژ توالی منفی ظاهر می­ شود؛ این ولتاژ توسط یک رله ولتاژ (ANSI/IEEE/IEC کد 60) متصل شده به VT آشکار می­شود.

حفاظت خطاهای زمین استاتور به نوع زمین کردن استاتور بستگی دارد.

برای سیستم زمین شده با مقاومت، یک رله اضافه جریان متصل شده به CT “نوع حلقوی” درون اتصال خنثی یا یک رله ولتاژ در ترمینال­ های مقاومت، می­تواند بکار رود.

تحت شرایط عادی و بدون خطا، هیچ جریانی از مقاومت عبور نمی­کند و ولتاژ در ترمینال­ ها برابر صفر است.

برای حالت زمین کردن از طریق یک ترانسفورماتور، یک رله ولتاژ، ولتاژ را در مقاومت متصل شده به ثانویه ترانسفورماتور استفاده شده، بررسی می­ کند.

تحت شرایط عادی و بدون خطا، ترانسفورماتور زمین هیچ ولتاژ ثانویه ­ای تولید نمی­ کند، و هیچ ولتاژی به رله اعمال نمی­شود. زمانیکه یک خطای زمین در استاتور رخ دهد، ولتاژی در ترمینال­ های ثانویه ترانسفورماتور زمین ایجاد می­ شود، و رله ولتاژ عمل می­کند.

شکل ۲۱ - رله دیفرانسیل حفاظت ژنراتور
شکل ۲۱ – رله دیفرانسیل حفاظت ژنراتور

شکل 21 اتصال معمول برای حفاظت دیفرانسیل استاتور و خطای زمین را نشان می­دهد.

شکل 21 – حفاظت­ های دیفرانسیل و خطای زمین استاتور

حفاظت ارت فالت ژنراتور محدود شده یا Restricted
حفاظت ارت فالت ژنراتور محدود شده یا Restricted

خطاهای اتصال کوتاه سیم ­پیچ­ های روتور کلافی (سیم­پیچی) توسط رله­ های اضافه جریان حفاظت می­شوند.

سیم­ پیچ­ های این روتور ممکن است توسط خطاهای زمین آسیب ببینند.

سیم­ پیچ روتور یا میدان در ژنراتورهای حرارتی بزرگ، زمین نشده است، بنابراین یک خطای تکفاز به زمین هیچ جریان خطایی تولید نمی ­کند.

با این حال، یک خطای تکفاز به زمین، پتانسیل کل سیستم میدان و تحریک بالا می­برد، و ولتاژهای اضافی ناشی از باز شدن کلیدهای میدان، یا کلیدهای اصلی ژنراتور، القا می­ شوند، به خصوص تحت شرایط خطا، زمانیکه گذراهای استاتور یک ولتاژ اضافی را در سیم­ پیچ­ های میدان القا می­کنند، ممکن است در میدان، تنش به زمین افزایش یابد. این ولتاژ اضافی ممکن است خطای دومی را روی سیم ­پیچ میدان ایجاد کند.

خطای دو فاز به زمین ممکن است باعث گرم شدن محلی آهن شود که می­ تواند روتور را کج کند، و باعث عدم تعادل خطرناکی شود.

حفاظت در برابر خطاهای زمین در روتور، می­ تواند توسط یک رله، که جداسازی روتور را با اعمال یک ولتاژ AC کمکی به روتور یا یک رله ولتاژ سری شده با یک مقاومت بالا (ترکیب مقاومت­های خطی و غیر خطی روش رایجی است که امروزه استفاده می­شود) که در سراسر مدار روتور متصل شده، کنترل می­کند، ارائه کرد، که نقطه مرکزی آن از طریق سیم­پیچ (کویل) یک رله حساس (ANSI/IEEE/IEC کد 64) به زمین متصل می­شود.

امروزه تکنیک­ های مدرن برای استفاده ترکیبی مقاومت­های خطی و غیرخطی استفاده می ­شوند.

شکل ۲۲ - حفاظت ارت فالت روتور
شکل ۲۲ – حفاظت ارت فالت روتور

شکل 22 نمونه­ ای از حفاظت خطای زمین در روتور را نشان می­ دهد.

حفاظت قطع تحریک میدان، از رله ­ای استفاده می­کند که تغییر در جریان توان راکتیو را تشخیص می­دهد. یک طرح رایج در حفاظت قطع تحریک میدان، از یک رله افست مُهو (امپدانس)( Offset Mho (impedance)) برای اندازه­ گیری امپدانس بار ژنراتور استفاده می­کند.

این رله امپدانسی افست مهو یک رله تکفاز است، و از CT و VT ژنراتور تغذیه می­شود. رله قطع تحریک میدان، در صورتی که مقدار امپدانس بار درون مشخصه عملیاتی رله قرار بگیرد، عمل خواهد کرد.

در شرایطی که توان راکتیو عمده برای 1 ثانیه ادامه یابد (به صورت معمول)، یک رله زمانی برای آغاز قطع یک ماشین گنجاده شده و باعث عمل کردن رله می شود.

برای جلوگیری از اشباع هسته به دلیل تحریک بیش از حد در طی راه ­اندازی و خاموش کردن، یک حفاظت اضافه تحریک (overexcitation protection)(ANSI/IEEE/IEC کد 59) بکار می­ رود.

اضافه تحریک می­ تواند توسط معادله زیر بیان شود: B = V/f

در این رابطه، B چگالی شار مغناطیسی یا القای مغناطیسی یا شار هسته (واحد: تسلا – T) است، V ولتاژ اعمال شده (واحد: ولت – V) است، و f فرکانس (واحد: هرتز – HZ) است.

برای اینکه شار هسته زیر نقطه اشباع باقی بماند، ولتاژ ژنراتور تنها می­ تواند در صورت افزایش فرکانس (یا سرعت) افزایش یابد.

اگر تحریک خیلی سریع افزایش یابد، سپس این وضعیت اضافه تحریک باید آشکار شود، و قطع کننده میدان تریپ می­ دهد.

طرح­ های حفاظت اضافه تحریک از رله­ های ولت بر هرتز استفاده می­کنند.

این رله­ ها دارای یک مشخصه خطی هستند، و در صورتی که ولتاژ تقسیم شده بر فرکانس از مقدار تنظیم شده تجاوز کند، عمل خواهند کرد.

حفاظت داغ شدن سیم ­پیچ­ های استاتور و یاتاقان­ ها معمولا توسط RTD و ترمیستور برای مانیتور درجه حرارت انجام می­شود.

حفاظت عدم تعادل فاز استاتور معمولا از یک رله اضافه جریان زمان معکوس(time-inverse overcurrent) استفاده می­کند، که مطابق با حداکثر زمانی است که روتور می­تواند این اضافه گرما را تحمل کند.

وظیفه حفاظت توالی فاز منفی ژنراتور، حفاظت از ماشین در برابر اثرات گرمای بیش از حد، یعنی در روتور است، که به عنوان نتیجه ­ای از عدم تعادل جریان­ های فاز استاتور رخ می­دهد.

این حفاظت از رله­ ای استفاده می­کند که جریان دو فاز را از طریق CT مقایسه می­ کند، همانطور که در شکل 23 نشان داده شده است.

شکل ۲۳ - حفاظت توالی فاز منفی
شکل ۲۳ – حفاظت توالی فاز منفی

حفاظت­ ها مطابق با حداکثر زمانی که روتور می­ تواند این اضافه گرما را تحمل کند، تنظیم می­ شوند، و این زمان توسط معادله K = I2t (براساس قانون ژول) تعیین می­شود.

منحنی­ های نوعی برای این وضعیت بسته به محرک اولیه(برای مثال دیزل) نشان داده می­ شوند و توسط تولیدکننده مشخص می­ شوند.

حفاظت توان معکوس(Reverse Power protection) (ANSI/IEEE/IEC کد 32) از یک رله هدایتی توان برای مانیتور بار ژنراتور استفاده می­کند؛ این رله از CT و VT ژنراتور، همانطور که در شکل 24 نشان داده شده است، تغذیه می­ شود و زمانیکه هر جریان منفی توان را تشخیص دهد، عمل خواهد کرد.

حفاظت خروج از همگامی(Out-of-Step) (سنکرونیزم)، به جای خطاهای ژنراتور، وضعیتی را آشکار می­ کند که توسط اختلالات سیستم قدرت ایجاد شده است. این حفاظت وضعیتی را آشکار می ­کند که در آن ژنراتور از اولین قطب خود می­لغزد و باعث می­ شود بریکرهای ژنراتور تریپ دهند.

توربین تریپ نمی­دهد و ماشین را قادر می­سازد تا پس از اینکه اختلال سیستم رفع شد، مجدد سنکرون شود.

این حفاظت می­ تواند به عنوان مکمل حفاظت قطع تحریک در نظر گرفته شود.

شکل ۲۴ - حفاظت توان معکوس
شکل ۲۴ – حفاظت توان معکوس

وضعیت خروج از همگامی، با ژنراتوری در میدان کامل رخ می­دهد و قطع همگامی به دلیل حالت زیرتحریک زمانی اتفاق می­افتد که ژنراتور هیچ میدانی نداشته باشد.

حفاظت خروج از همگامی، از سه رله اندازه­ گیری امپدانس استفاده می­کند. این رله ­ها توسط CT و VT ژنراتور تغذیه می­شوند و امپدانس بار ژنراتور را اندازه می­ گیرند، در صورتی که سه رله در توالی درست کار کنند، وضعیت نوسان توان را آشکار می­کنند و شروع به تریپ دادن بریکرهای مدار HV خواهند کرد.

برای خطاهای اتصال کوتاه خارجی، رله ­های اضافه جریان استفاده می­شوند (50؛ 50N؛ 51؛ 51N).

حفاظت افت فرکانس و اضافه فرکانس (ANSI/IEEE/IEC کد 81) نیز اختلالات سیستم را، بجای خطاهای ژنراتور، تشخیص می­ دهند. یک شکست بزرگ سیستم قدرت می ­تواند منجر به تولید توان بیش از حد یا ناکافی برای بار متصل شده باقیمانده شود.

در حالت اول، اضافه فرکانس، با نتایج احتمالی اضافه ولتاژ به دلیل کاهش تقاضای بار رخ می ­دهد. بهره­ برداری در این حالت گرمای بیش از حد تولید نخواهد کرد مگر اینکه از حد توان نامی و تقریبا 105 درصد ولتاژ نامی تجاوز شود.

کنترل­ های ژنراتور باید فورا تنظیم شوند تا خروجی ژنراتور مطابق با تقاضای بار شود.

با تولید ناکافی برای بار متصل شده، تقاضای بار سنگین موجب افت فرکانس می ­شود.

افت ولتاژ باعث می­ شود رگولاتور ولتاژ، تحریک را افزایش دهد. نتیجه آن است که داغ شدن می­تواند هم در روتور و هم در استاتور رخ دهد. در همین زمان، توان بیشتری مورد نیاز است، که ژنراتور در فرکانس افت کرده، توانایی تامین این توان را ندارد.

حذف بار( load shedding ) خودکار یا دستی سیستم انتقال باید به طور ایده ­آل بار را برای تطبیق با ژنراتور نصب شده پیش از اینکه فروپاشی کل سیستم قدرت رخ دهد، تنظیم کند.

رله­ های اضافه ولتاژ و افت ولتاژ (ANSI/IEEE/IEC کدهای 59 و 27) برای کنترل ولتاژ استفاده می­شوند.

حفاظت استارت فاز مکمل(Phase supplementary start protection)، برای تشخیص وضعیتی فراهم می­شود که در آن زمانیکه ژنراتور شروع به سرعت گرفتن می­کند یک خطا وجود دارد. البته، ژنراتورها نباید در حال اتصال به بار یا شرایط خطا راه­اندازی شوند.

برای جلوگیری از این وضعیت، طرحی از حفاظت مورد استفاده قرار می­گیرد که تنها در صورتی که فرکانس در سیستم­ های قدرت 60 هرتز کمتر از 52 هرتز شد و در سیستم­های 50 هرتز کمتر از 42 هرتز شد، به رله­ های اضافه جریان با تنظیم کم سوئیچ کند.

امروزه IED (به بخش 2.1 مراجعه کنید) که تمام توابع حفاظتی را به صورت یکجا دارند، معمولا برای حفاظت ژنراتور استفاده می ­شوند.

۹. حافظت های متفرقه

۹.۱ حفاظت ولتاژ و فرکانس

نوسانات و کلیدزنی ­های بار و خرابی نیروگاه ­ها می­ تواند باعث تغییرات ولتاژ و فرکانس شبکه شود که می ­تواند از محدودیت­ های قابل قبول تجهیزات و شبکه فراتر رود.

این وضعیت می­ تواند منجر به آسیب تجهیزات شود و خاموشی جزیی یا سراسری در شبکه را در پی داشته باشد.

برای جلوگیری یا حداقل کردن این وضعیت، حفاظت­ های افت ولتاژ و اضافه ولتاژ (به ترتیب، کدهای 27 و 59) و فرکانس (به ترتیب، کدهای 81U و 81O) باید استفاده شوند.

۹.۲ حفاظت باس­بار

در پست­ های HV معمول است که یک رله حفاظت باس­بار نصب شود، که معمولا حفاظت دیفرانسیل (87B) بیشترین کاربرد را دارد.

این رله به تمام CTهای پست متصل می­ شود تا جمع جریان­ های واردشونده و خارج شونده را، همانطور که در شکل 25 نشان داده شده است، ارزیابی کند.

شکل ۲۵ - دیاگرام حفاظت دیفرانسیلی باس بار
شکل ۲۵ – دیاگرام حفاظت دیفرانسیلی باس بار

اصل عملیاتی این حفاظت براساس قانون کیرشف – قانون جریان – استوار است.

CT حفاظت باس باید روی فیدر سمت بریکرها قرار بگیرد. اگر CT حفاظت باس در باس روی بریکر قرار گیرد، سپس یک نقطه کور حفاظتی ایجاد می­شود.

با استفاده از رله ­های امپدانس بالا در حفاظت دیفرانسیل، سیستم می­تواند برای تحمل بیشتری از CT اشباع شده طراحی شود.

یک مقاومت غیرخطی در سراسر ترمینال­ های رله متصل می­ شود تا ولتاژ را در سراسر رله دیفرانسیل به یک مقدار ایمن طی شرایط خطا محدود کند.

رله­ های امپدانس بالا به طور گسترده در حفاظت دیفرانسیل مدرن برای باس ­های با ولتاژ بالا استفاده می­شوند.

مزیت استفاده از رله­ های امپدانس بالا در حفاظت دیفرانسیل باس، این است که، آن­ها می­ توانند طوری طراحی شوند که، زمانی که هر کدام از CTها اشباع شده باشند، برای خطاهای خارجی پایدار (عمل نکنند) بمانند.

برای یک خطای خارجی، بدترین حالت این است که یک CT کاملا اشباع شود و CT دیگر اشباع نشود. جریان تفاضلی (دیفرانسیل) منتجه باعث خواهد شد که ولتاژ حداکثر در سراسر رله دیفرانسیل رخ دهد. تنظیمات رله (به ولت) با حاشیه کافی، طوری انتخاب می­شود که تضمین کند که حفاظت دیفرانسیل برای این وضعیت خطای خارجی عمل نمی­کند.

مقاومت سیم ­پیچ­ های ثانویه CT و کابل­های آن باید مشخص باشند، زیرا در محاسبات تنظیم رله استفاده می­شوند.

برای خطاهای داخلی، امپدانس بالای رله دیفرانسیل مقدار زیادی از جریان تفاضلی حاصله شده را از طریق CT مجبور به برانگیختن امپدانس ­ها می­کند. ولتاژ حاصل شده در سراسر رله اساسا ولتاژ مدار باز CT است، و بسیار بالاتر از تنظیمات ولتاژ رله خواهد بود. یک مقاومت غیرخطی یا وریستور در دو طرف ترمینال­های رله وصل می­شود تا ولتاژ را در طی شرایط خطا به یک مقدار ایمن محدود کند.

وقتی که یک خطای باس شناسایی می­شود، تمام مدارشکن­ها روی آن باس تریپ می­دهند. خطاهای باس، در عوض خطاهای گذرا، تقریبا همیشه دائمی هستند.

بنابراین پس از وقوع یک خطا در باس، بریکرها مجددا بسته نمی ­شوند. حفاظت­ های باس اغلب مجدد بسته شدن خودکار هر بریکر را لغو می ­کنند که ممکن است با حفاظت دیگری آغاز شده باشد.

بسیاری از پست­ ها از نظم­ دهنده ­های باس بار مانند باس بار دوبل، همانطوری که در شکل 26 نشان داده شده است، استفاده می­کنند، که در آن فیدرها می­ توانند بوسیله سوئیچ­ های جداکننده از یک باس به باس دیگر سوئیچ کنند.

شکل ۲۶ - چیدمان باس بار دوبل
شکل ۲۶ – چیدمان باس بار دوبل

این امر حفاظت باس را تا حدودی پیچیده می­کند، زیرا مدارهای ثانویه CT، به وسیله سوئیچ­های کمکی جداکننده، برای مطابقت با باس مناسب، باید سوئیچ کنند.

معمولا منطقه ­ای از حفاظت برای هر بخش از باس وجود دارد. این مناطق به عنوان مناطق تمایز(discriminating zones)شناخته می­شوند.

همچنین یک منطقه دیگر از حفاظت دیفرانسیل برای کل پست وجود دارد، که به عنوان منطقه چک(check zone) شناخته می ­شود.

برای تریپ دادن یک باس که با این آرایش قرار گرفته است، لازم است رله­ های هر دو منطقه تمایز و چک عمل کنند.

۹.۳ حفاظت نقص بریکر(Breaker Failure Protection)

در پست­ های HV استفاده از حفاظت نقص بریکر رایج است (50BF)، اگر یک بریکر نتواند یک دستور تریپ را اجرا کند، که این مورد توسط جریان خطایی که هنوز وجود دارد تشخیص داده می ­شود، این حفاظت پشتیبان یک فرمان تریپ را به بریکرهای بالادست یا مجاور ارسال می ­کند.

تابع حفاظت نقص بریکر، توسط یک سیگنال باینری (دودویی) 0/1 که از حفاظت اضافه جریان (50/51، 50N/51N، 46، 67N، 67) فعال می­ شود. این تابع حفاظتی، ناپدیدشدن جریان را طی بازه زمانی مشخص شده با تاخیر زمانی T بررسی می­کند.

این تابع حفاظت همچنین موقعیت مدارشکن را در نظر می­ گیرد، ورودی­ های منطقی را برای تعیین باز بودن واقعی بریکرمی خواند . سیم ­کشی یک کنتاکت بسته مدارشکن در ورودی ویرایشگر معادله بسته شونده بریکر می ­تواند تضمین کند که حفاظت در شرایط زیر موثر است:

  • زمانیکه 50BF توسط تابع حفاظت 50N/51N (نقطه تنظیم Is0 < 0.2 In) فعال می­ شود، تشخیص نقطه تنظیم جریان 50BF ممکن است عمل نکند.
  • زمانیکه نظارت تریپ مدار(Trip Circuit Supervision) (TCS) بکار می­رود، کنتاکت بسته مدارشکن اتصال کوتاه می­ شود.

فعال­سازی خودکار این تابع حفاظتی نیازمند استفاده از تابع کنترلی برنامه منطقی مدارشکن program logic circuit breaker control (Breaker) است. یک ورودی خاص نیز می ­تواند برای فعال­سازی این حفاظت از ویرایشگر معادله استفاده شود. این گزینه برای افزودن موارد خاص فعال­سازی (مثلا تریپ دادن توسط یک واحد حفاظتی خارجی) مفید است.

خروجی تاخیر زمانی از واحد حفاظتی باید از طریق ماتریس کنترل به یک خروجی منطقی تخصیص یابد.

شروع و توقف شمارنده تاخیر زمانی T، توسط حضور یک جریان بالاتر از نقطه تنظیم (I > Is) مشروط می­ شوند.

۹.۴ Weak End Infeed

حفاظت Weak end infeed مکمل حفاظت دیستانس است که در صورتی که مقدار جریان خطا در خط هوایی کمتر از مقررات نقطه تنظیم حفاظت دیستانس باشد، بکار می­رود.

۹.۵ حفاظت بانک­های خازنی

هنگامی که ضریب قدرت (توان) مطرح می­شود، هر فاز یک بانک خازنی توسط گروهی از خازن­ها به صورت سری برای مشارکت در بهبود ضریب توان، شکل می­ گیرند. سپس، 3 فاز به صورت ستاره متصل می ­شوند، که مطابق با بهره­ برداری شبکه­ ها، همانطور که در شکل 27 نشان داده شده است، نقطه خنثی ایزوله یا زمین می­ شود.

خطاهای رایج بانک­های خازنی عبارتند از:

  • خطا یا اتصال کوتاه خازن­ها در کابل­های اتصال.
  • اتصال کوتاه بین واحدها و ساختار فلزی قفسه­ها یا تابلوهای برق (خطای فاز به زمین).
  • اضافه بارهای ایجاد شده توسط هارمونیک ­های شبکه.
  • شکست دی­الکتریک (عایقی) به علت اضافه ولتاژهای شبکه یا رعدوبرق.

زمانیکه گروهی از خازن­ها خراب می­ شوند و نقطه خنثی زمین می­شود، بانک خازنی نامتعادل خواهد شد و جریانی در خنثی به گردش درخواهد آمد.

هر خازن یا گروهی از خازن­ ها معمولا توسط فیوزها حفاظت می­شوند، که قبلا توسط سازنده نصب می­شوند.

فیوزها باید دارای مشخصه I2t باشند که باعث خواهد شد فیوز با جریان هجومی ناشی از اتصال بانک خازنی منفجر نشود (عمل نکند).

شکل ۲۷ - دیاگرام بانک خازنی
شکل ۲۷ – دیاگرام بانک خازنی

دستگاه ­های رایج حفاظتی برای بانک­های خازنی عبارتند از:

  • اضافه جریان آنی فاز (50)
  • اضافه جریان آنی زمین (50N/50G)
  • اضافه جریان تاخیر زمانی فاز (51)
  • اضافه جریان تاخیر زمانی زمین (51N/51G)
  • حفاظت اضافه ولتاژ (49)
  • (Instantaneous phase overcurrent (50
  • (Instantaneous earth overcurrent (50N/50G
  • (Time delay phase overcurrent (51
  • (Time delay earth overcurrent (51N/51G
  • (Over voltage protection (49

۱۰. مراجع:

[1] HV: ولتاژ بالا (بیش از 60 کیلوولت)؛ MV: ولتاژ متوسط (بین 1 تا 60 کیلوولت)؛ LV: ولتاژ کم (کمتر از 1 کیلوولت).

[2] IEC: کمیسیون الکتروتکنیکی بین‌المللی

[3] IEEE: مؤسسه مهندسان برق و الکترونیک. ANSI: مؤسسه استانداردهای ملی آمریکا.

[4] جریان خازنی باقیمانده در حالت خطای فاز به زمین (IC) توسط معادله IC = 3XCU محاسبه می­شود، که در آن XC راکتانس خازنی کابل و U ولتاژ فاز به فاز شبکه است.

[5] در این مقاله ترانسفورماتورهای گازی (ترانسفورماتور ایزوله شده توسط گاز) (GIT) تجزیه و تحلیل نمی­شوند.

[6] rms: مقدار موثر

[7] محرک اولیه، عنصری است که برای راه اندازی ژنراتور استفاده می­شود و می­تواند موتورهای درون­سوز (مثلا مجموعه­های ژنراتورهای دیزل)، توربین­های گاز، توربین­های بخار، توربین­های باد و توربین­های آبی باشد.

[8] میدان در یک ژنراتور AC متشکل از کویل­های هادی­ها درون ژنراتور است که ولتاژ را از یک منبع (تحریک خوانده می­شود) دریافت می­کند و یک شار مغناطیسی را تولید می­کند. این شار مغناطیسی در میدان، آرمیچر را قطع می­کند تا ولتاژی را تولید کند. این ولتاژ نهایتا ولتاژ خروجی ژنراتور است.

[1] HV: High Voltage (V ≥ 60 kV); MV: Medium Voltage (1 kV < V < 60 kV); LV: Low Voltage (V ≤ 1 kV).

[2] IEC: International Electrotecnical Comission.

[3] IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers. ANSI: American National Standards Institute.

[4] Residual capacitive current in the case of phase-to-earth fault (IC) is calculated by the equation IC = 3XcU, where Xc  is the capacitive reactance of the cable and U the phase-to-phase voltage of the network.

[5] In this article Gas Insulated Transformers (GIT) are not analasyzed.

[6] rms: root mean square.

[7] Prime mover is the component that is used to drive the generator and may be combustion engines (the case of diesel generator sets), gas turbines, steam turbines, wind turbines and hydraulic turbines.

[8] The field in an AC generator consists of coils of conductors within the generator that receive a voltage from a source (called excitation) and produce a magnetic flux.

The magnetic flux in the field cuts the armature to produce a voltage. This voltage is ultimately the output voltage of the generator.

[1] Inrush currents

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