حفاظت خطوط هوایی

فهرست

• 1- خطاهای رایج در خطوط هوایی
• 2- رله‌های حفاظت از خطوط هوایی
• 3- حفاظت دیفرانسیلی و مقایسه فازی
• 3-1-حفاظت دیستانس
• 3-2-ریکلوزر

۱-خطاهای رایج در خطوط هوایی

شایعترین علل‌های خطا در خطوط هوایی عبارتند از:

• هواپیما و ماشین ها که به خطوط و ساختمان‌ها برخورد می‌کنند
• پرندگان و حیوانات
• مقره‌های آلوده
• انباشت یخ و برف روی خط
• رعد و برق
• تخلیه جزئی ( کرونا ) کنترل نمی شود
• مقره‌های شکسته یا آسیب‌دیده
• درختان
• باد

۲-رله‌های حفاظت  از خطوط هوایی

خطوط هوایی LV در برابر اضافه جریان با استفاده‌از فیوزها یا مدارشکن ها (Circuit Breakers) حفاظت  می‌شوند .

حفاظت از خطوط هوایی MV معمولا ً با رله‌های اضافه جریان ( 50 ؛ 50N ؛ ۵۱ ؛ 51N ؛ 67N) متصل به CT انجام‌می‌شود .

حفاظت  اضافه جریان – با درجه بندی زمانی(Time-graded) را نمی توان برای  استفاده در خطوط انتقال هوایی HV به کار برد چون معمولا ً منابع به هم پیوسته بسیاری از منابع جریان‌های خطا وجود دارند که ممکن‌است با محدود کننده‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های جریان ، جریانِ این خطاها محدود شده باشند و حفاظت اضافه جریان نتواند جریان خطا را تشخیص دهد.

الزامات طرح های حفاظت برای خطوط انتقال هوایی HV عبارتند از:

• سیستم حفاظت الکتریکی باید بتواند تمام خطاهای خط تحت حافظت را شناسایی کند.
• سیستم حفاظت باید قادر باشد بین خطا‌های خط حفاظت‌شده و خطای های خطوط مجاور، باس ها ، ترانسفورماتور و غیره تبعیض قائل‌شود.
• قبل از اینکه سیستم قدرت ناپایدار شود، سیستم حفاظت باید بسیار سریع (به عنوان مثال در کمتر از 1 ثانیه) خطا‌ها را پاک کند(منظور از پاک شدن خطا باید به وسیله‌ی مثلا رله و بریکر از سیستم حذف شود تا سیستم بتواند کار خود را ادامه دهد).
• سیستم حفاظتی باید قابل اعتماد باشد و هر زمان که یک قطعه از تجهیزات آسیب دیده‌است، خطا را پاک کند و تجهیز آسیب‌دیده را از سیستم جدا کند.

برای انجام این الزامات، رله‌های های حفاظتی رایجی در خطوط هوایی HV استفاده‌می‌شود:

• 1- حفاظت دیفرانسیل و مقایسه فازی(Differential and phase comparison protection)
• 2- حفاظت دیستانس(Distance protection)

حفاظت دیفرانسیل عمدتا در خطوط هوایی کوتاه و حفاظت  دیستانس در خطوط هوایی بلند و طولانی استفاده می‌شود.

تمایز بین خطوط هوایی کوتاه و بلند براساس مقایسه بین اندوکتانس، مقاومت و کاپاسیتانس(ظرفیت خازنی) خطوط هوایی انجام می‌شود.

هنگامی که هر دو مقاومت و ظرفیت خازنی در مقایسه با اندوکتانس، ناچیز هستند، خط هوای کوتاه‌است.

این مقایسه ها معمولا با استفاده‌از مدار معادل π خطوط هوایی انجام‌می‌شود.

سطح ولتاژ، ساختار فیزیکی خط انتقال، نوع و اندازه هادی و فاصله هادی‌ها، امپدانس،  پاسخ فیزیکی خط را به شرایط اتصال کوتاه و همچنین جریان شارژ خط را تعیین می‌کند.

علاوه بر این ، تعداد ترمینال‌های خط انتقال بار مقدار  جریان خطای خط را  تعیین‌می‌کند که این جریان باید توسط سیستم حفاظتی مد نظر قرار‌گیرد .

خطوط موازی نیز بر روی رله تاثیر می‌گذارند، کوپلینگ متقابل بین دو خط  روی جریان زمین که توسط رله‌های حفاظتی اندازه‌گیری‌می‌شود، تاثیر گذار هستند.

حضور ترانسفورماتورهای انشعابی در یک خط یا جبران کننده‌های خط مانند بانک‌های خازن سری یا راکتورهای شنت نیز بر انتخاب سیستم حفاظتی و تنظیمات رله‌های حفاظت تاثیر می‌گذارد.

با توجه به این دلایل مطالعه دقیق خطوط هوایی برای انتخاب بهترین حفاظت‌ها و تجهیزات حفاظتی خطوط مورد نیاز‌است.

با این حال به طور معمول یک خط کوتاه بسته به سطح ولتاژ و ویژگی‌های شبکه، دارای طول 80 تا 100 کیلومتر‌است.

حدود 90 درصد خطا‌های خطوط هوایی موقت هستند و خطا‌ها ممکن عبارتند از:

• 1- خطای فاز به زمین
• 2- خطای فاز به فاز
• 3- خطای فاز به فاز به زمین
• 4- خطای سه فاز

با چنین خطا هایی، ممکن‌است یک تریپ موقت خیلی کوتاه نیاز باشد و خط را می توان بلافاصله پس از قطع برق دوباره در سرویس قرار داد(البته پایداری سیستم و شرایط دیگر باید در نظر گرفته شود که جلوتر توضیح داده‌می‌شوند).

از این رو، به طور معمول از روش تریپ خط برای مدت زمانی کوتاه و اتصال خودکار مجدد مدار شکن‌ها (circuit breakers) متصل به خطوط انتقال هوایی (معمولا V ≥ 220 کیلو ولت) استفاده‌می‌شود.

اگر جریان خطا توسط بریکر خط متوقف‌شود، قوس تخلیه الکتریکی  بلافاصله خاموش‌می‌شود و هوا یونیزه از بین می‌رود.

بستن خودکار بریکر(Auto-reclose) خط ممعمولا با تاخیر کوتاه چند سیکلی موفق خواهد‌بود.

هنگام انجام کار روی خط برق دار بستن خودکار (Reclosing)بریکر‌ها  باید خاموش باشد تا باعث ایجاد حادثه نشود.

بریکر خط باید به طور خاص برای این عملکرد طراحی شده‌باشد .

۳-حفاظت دیفرانسیل و مقایسه فازی[ps2id id=’3′ target=”/]

اصل اساسی حفاظت دیفرانسیل (قانون جریان کیرشوف) در خط انتقال با مقایسه جریان ورودی خط در یک ترمینال  و جریان خروجی در ترمینال دیگر خط انجام‌می‌شود.

رله دیفرانسیل در هر دو انتهای خط انتقال ، داده‌ها جریان‌های ترمینال‌های خط را از طریق یک لینک ارتباطی فیبر نوری مقایسه می کند، معمولا این کار از طریق کابل OPGW (Optical Power Ground Wire) (سیم زمین نوری) که برای حفاظت صاعقه خطوط هوایی استفاده‌می‌شود انجام‌می‌شود که داخل آن یک کابل فیبر نوری تعبیه شده‌است.

شکل 1 نمودار حفاظت دیفرانسیل را نشان می‌دهد.

یکی دیگر از سیستم‌های حفاظتی برای خطوط انتقال HV، بر اساس اصول کاری حفاظت دیفرانسیل‌است که در حال حاضر حتی برای خطوط طولانی نیز استفاده‌می‌شود، حفاظت مقایسه فازی می‌باشد.

این سیستم با مقایسه زاویه فاز بین جریان در دو انتهای خط از خطوط هوایی حفاظت می‌کند. در خطا‌های خارجی جریان ورودی خط از همان زاویه نسبی فاز برخوردار‌است که از خط خارج میشود، و رله مقایسه فاز در هر دو ترمینال اختلاف زاویه بین جریان ورودی و خروجی مشاهده نمی‌کند لذا می‌فهمد که خطا خارج از خط بوده و عمل نمی‌کند

برای یک خطای داخلی جریان در هر دو انتها  به خط وارد میشود، و رله مقایسه فاز تفاوت زاویه فاز بین دو جریان ورودی را تشخیص می‌دهد و عمل می‌کند تا خط خطا دار را از سیستم حذف کند

در طرح حفاظتی مقایسه فاز، رله‌هایی استفاده‌میشود که به نام رله‌های شروع‌کننده هستند(starting relays) و در صورت وجود خطا این رله‌های شروع‌کننده فرمان شروع مقایسه فاز بین جریان‌ها را می‌دهند. این رله‌های شروع‌کننده هم باید برای خطای خارجی و هم داخلی عمل کنند.

کانال ارتباطی قابل اطمینان برای حفاظت  مقایسه فاز مورد نیاز‌است و فیبر نوری درون کابل OPGW مورد‌استفاده قرار‌می‌گیرد.

شکل 2 نمودار تک خطی سیستم تعادل ولتاژ Merz Price برای حفاظت از خط سه فاز را نشان می‌دهد.

            

CT یک سان در هر دو انتهای خط قرار داده‌‍میشود. جفت CT ها در هر انتها به صورت سری به یک رله متصل میشود به طوری که در شرایط عادی ولتاژ ثانویه آنها برابر و در مخالفت‌است، و هم دیگر را بالانس می‌کنند.

تحت شرایط سالم، جریان ورودی به خط در یک طرفه برابر است با خروج از آن در انتهای دیگر.

بنابراين ولتاژ برابر و متقابل در دو ثانویه  CT های  انتهاي خط القا ميشود. نتیجه این‌است که هیچ جریانی از رله عبور نمی کند.

همانطور که در شکل ۲ نشان داده‌شده ،زمانی که یک خطا در نقطه F روی خط رخ می‌دهد باعث میشود جریان بیشتری از۱ CT به سمت ۲ CT جریان پیدا کند .

به همین ترتیب، ولتاژ ثانویه آنها نابرابر‌می‌شود و یک جریان چرخشی در  سیم‌های پایلوت و رله‌ها ایجاد‌میشود. بریکر ها در هر دو انتهای خط، عمل کرده و خط خطا دار را جدا می‌کنند

۳-۱-حفاظت دیستانس

[ps2id id=’3-1′ target=”/]

یک رله دیستانس، امپدانس خط را با استفاده‌از ولتاژ و جریان اعمال‌شده به رله اندازه‌گیری‌می‌‌کند.

هنگامی که یک خطا در یک خط اتفاق می افتد، جریان به طور قابل توجهی افزایش می یابد و ولتاژ به طور قابل توجهی سقوط می کند.

از آنجایی که امپدانس خط انتقال متناسب با طول آن‌است، برای سنجش فاصله مناسب است و از یک رله ای استفاده‌می‌شود که قادر به اندازه گیری امپدانس خط تا یک نقطه از پیش تعیین‌شده (نقطه دسترسی)(Reach point) باشد.

رله دیستانس (که همچنین به عنوان رله امپدانس شناخته‌می‌شود) امپدانس را با معادله Z = U / I (قانون اهم) تعیین‌می‌کند.

این رله ای به گونه ای طراحی می شود که فقط برای خطای هایی که بین محل رله و نقطه دسترسی انتخاب شده است، عمل کند، بنابراین برای خطا‌هایی که ممکن‌است در بخش های مختلف خط رخ دهد عمل نمی کند.

امپدانس ظاهری محاسبه شده با امپدانس نقطه دسترسی مقایسه‌می‌شود.

اگر امپدانس اندازه‌گیری شده کمتر از امپدانس نقطه دسترسی باشد، فرض بر این‌است که یک خطا در خط بین رله و نقطه دسترسی وجود دارد.

اگر امپدانس در محدوده‌ی دسترسی رله قرار داشته‌باشد، عمل می‌کند.

حفاظت دیستانس در هر دو انتهای خط نصب می شود و ارتباط بین هر دوی آنها برقرار‌است، همانطور که در شکل 3 نشان داده‌شده‌است.

       

عملکرد رله دیستانس بر اساس دقت دسترسی و زمان عملکرد تعیین‌می‌شود.( reach accuracy and operating time)

دقت دسترسی، مقایسه بین دسترسی اهمی واقعی رله در شرایط کاری واقعی با تنظیمات اهمی رله می‌باشد و به طور خاص به مقدار سطح ولتاژی که رله در زمان خطا اندازه‌گیری‌می‌کند بستگی دارد

تکنیک‌های اندازه‌گیری امپدانس که در رله ها مورد استفاده قرار می‌گیرند نیز  روی دقت دسترسی (Reach accuracy )تاثیر می‌گذارد.

زمان عملکرد رله نسبت به جریان خطا، موقعیت خطا نسبت به تنظیمات رله، و نقطه ای روی موج ولتاژ که خطا رخ می دهد، متفاوت‌است.

بعلاوه با توجه به تکنیک‌های اندازه‌گیری مورد‌استفاده در طراحی رله، اندازه گیری خطاهای گذرای سیگنال، مانند آنهایی که توسط خازن VT (CVT) یا اشباع CT ایجاد می شود، می تواند موجب کاهش سرعت عملکر رله برای خطا‌های نزدیک به نقطه دسترسی‌شود.

خصوصیات رله‌های دیستانس – شکل حفاظتی (protection shape )- به عنوان یک تابع گرافیکی از مقاومت (R) و امپدانس (X) خط – R / X یا نمودار ادمینتانس تعریف‌می‌شود.

شکل‌های معمول دایره ای (مشخصه mho) و چهار ضلعی هستند که در شکل 10 و 11 نشان داده‌شده‌است.

شکل 4 – ویژگی Mho

شکل 5 – مشخصه چهار ضلعی

آلمان امپدانس mho عموما ً به این دلیل شناخته‌شده که مشخصه آن یک خط مستقیم بر روی نمودار ادمیتانس‌است .

خصوصیات امپدانس چند ضلعی از لحاظ پوشش امپدانس خطا برای هم خطای فاز و هم خطای زمین بسیار انعطاف پذیر‌است و به همین دلیل بیشتر رله های دیستانس امروزی از این نمودار استفاده‌می‌کنند.

رله های دیستانس ممکن‌است تا پنج زون داشته‌باشد، برخی از آنها برای اندازه گیری در جهت معکوس تنظیم می شوند (استفاده شدن به عنوان حفاظت بکاپ باس بار). برای هر زون یک زمان خاص فعال سازی تحریک رله عمل می کند

رله های دیستانس در هر دو طرف خط استفاده می شوند و هر کدام از آنها خطا ها را در پریود‌های مختلف زمانی، بسته به فاصله از نقطه خطا (F) به هر انتهای خط، می‌بینند.

با توجه به یک خط هوایی که متصل به ایستگاه‌های (Substations) A و B است، F ابتدا توسط رله دیستانس نصب‌شده در ایستگاه نزدیک به F دیده‌می‌شود و بریکر خط مربوطه اول تریپ می‌دهد تا بریکر ایستگا‌ه‌های دیگر.

برای جلوگیری از اینکه خطای اتصال کوتاه همچنان از طرف دیگر خط تغذیه نشود حفاظت دیستانس مربوط یک اتصال ارتباطی بین رله‌های دیستانس ایجاد میکند، معمولا توسط فیبر نوری در کابل های OPGW، و به صورت آنی بریکر‌ها از دو طرف قطع میکنند

ادامه

عملی نیست که یک رله امپدانسی (دیستانس) دقیقا ً امپدانس خط را تا انتهای خط و نزدیک بریکر سمت دیگر خط اندازه‌گیری کند . این امر به خاطر خطاهای موجود در  CT، VT، رله، محاسبه امپدانس خط و غیره‌است.

به همین دلیل ما رله را برای اندازه‌گیری و یا دسترسی به امپدانس کمتر از طول کامل خط (تنظیم زون 1 تا 85٪ ممکن‌است امن و حاشیه ایمنی 15-20٪ تضمین‌می‌کند که هیچ خطری وجود ندارد که حفاظت زون 1 بیش از حد (Over Reach)به خط حفاظت ‌شده به خاطر خطاهای دستگاه‌های اندازه گیری نفوذ کند

(در واقع اگر رله اور ریچ‌شود در زونی خارج از زون تحت حفاظت خودش عمل کرده و خطای خارج از زون خودش باعث عمل کردن رله می‌شود)، در غیر این صورت ممکن‌است تمایز درست برای باز کردن سریع خط خطا دار با زون دیگر ایجاد نشود).

انتخاب دقیق تنظیمات دسترسی(reach settings) و زمان تریپ برای زون های مختلفِ تحت اندازه‌گیری، هماهنگی مناسب بین رله های دیستانس در یک سیستم قدرت را ایجاد‌می‌کند.

۳-۱-ریکلوزر(Reclosing)[ps2id id=’3-2′ target=”/]

همانطور که در بخش 4.2 بررسی شده‌است، بیشتر خطاها در خطوط هوایی نامتقارن و گذرا هستند.

ریکلوزر اتوماتیک از طریق رله (رله خودکار ریکلوز) توسط رله های حفاظت از خطوط هوایی تحریک‌می‌شود و بریکر خط را دوباره بعد از تریپ وصل‌می‌کند ، در شکل ۶ نمایش داده‌شده‌است.

شکل 6 – رله Auto-recloser

دلایل مختلفی برای بستن دوباره یک خط بعد از ایجاد خطا وجود دارد. ضروری‌است که از  گروه های عملیاتی و برنامه ریزی هر منطقه تحت مطالعه و حفاظت، اطلاعات و راهنمایی ها برای تعیین ریکلوزر مناسب اطلاعات آن ناحیه دریافت‌شود. در زیر برخی از ملاحظات مهم برای ریکلوزر سطح انتقال وجود دارد:

• ثبات سیستم
• امنیت سیستم
• تداوم خدمات

مهمترین پارامترهای یک طرح ریکلوز اتوماتیک عبارتند از:

• زمان مرده (Dead Time)
• مدت زمان بازیابی یا اصلاح(Reclaim Time)
• تریپ تکی یا چند تایی(Single or multi-trip)

این پارامترها تحت تأثیرِ:

• نوع حفاظت
• نوع کلید (switchgear)
• مشکلات احتمالی پایداری
• تأثیر گذاری ریکلوزر بر روی انواع لود‌های مشتری

ریکلوزر

ریکلوزر می‌تواند بدون نظارت و با سرعت بالا یا تأخیر زمانی انجام شود، یا تحت نظارت با ولتاژ / سنکرونازیسیون باشد. . هر تصمیمی گیری باید منافع و عواقب و ریسک در کاربرد مورد نظر  را ارزیابی کند .

ریکلوز خطوط غیر بحرانی، همانطور که قبلا توسط گروه برنامه ریزی تعیین شده‌است، ممکن‌است متفاوت باشد و بستگی به فلسفه حفاظت و تجهیزات مورد‌استفاده دارد.

روش‌ها در میان شبکه‌ها متفاوت‌است؛ شیوه‌‍های مختلف ریکلوز نیز بسته به سطح ولتاژ و نوع خط در نظر گرفته‌می‌شود.

برخی از شرکت‌ها به طور خودکار برای تمام خطا‌ها ریکلوز می‌کنند و فقط در صورت از دست‌دادن لینک ارتباطاتی از ریکلوزینگ جلوگیری می‌کنند. بعضی از شبکه‌ها در صورتی که سرعت پاکسازی خطا به اندازه کافی سریع باشد، مستقل از نوع خطا، ریکلوز می‌کنند.

ثبات سیستم یک عامل تعیین‌کننده در مورد این‌است که آیا ریکلوز خودکار سریعا اجرا‌شود یا خیر.

مشکلات موجود بستگی به این دارد که  آیا سیستم انتقال از نظر پایداری ضعیف یا قوی‌است.

ادامه

با یک سیستم ضعیف، از دست دادن یک لینک خط انتقال ممکن است زاویه فاز بیش از حد در بریکر  استفاده شده برای ریکلوزر ایجاد کند و از بسته شدن موفقیت آمیز بریکر جلوگیری کند

در یک سیستم نسبتا قوی، سرعت تغییر زاویه فاز، به آرامی است، به طوری که می توان به راحتی ریکلوز با تاخیر را انجام داد.

البته این ریکلزو کردن نگرانی هایی مانند ریکلوز کردن خیلی آرام و نگرانی این که اگر ریکلوز روی یک خط خطا دار انجام شود ممکن‌است سیستم را به حالت ناپایداری وارد کند دارد

در شرایطی که ریکلوز مجدد بر روی پایداری  سیستم تاثیر نمی گذارد،ممکن‌است چندین ریکلوز اتوماتیک امکان پذیر باشد. و در این مورد، بیشتر این کار برای تداوم سرویس دهی به مشتریان انجام‌می‌شود

در اروپا معمول است که از ریکلوز خودکار تنها در شبکه‌های HV استفاده‌شود، اگر چه در برخی از کشورها مانند ایالات متحده و برزیل، این طرح ها نیز در شبکه های MV استفاده‌می‌شود.

شایعترین نوع خطای سیستم قدرت، شکست عایق‌ها به دلیل رعد و برق در خطوط انتقال هوایی است،.

تعداد خطا‌ها در سال متناسب با طول است و تقریبا نسبت عکس با سطح ولتاژ دارد.

ارقام نشانگر خطا‌ها عبارتند از:

1- خطوط هوایی بالاتر از  500 کیلو ولت – 9 خطا در هر 100 کیلومتر.

2- خطوط هوایی 150-400 کیلو ولت – 5 خطا در هر سال در هر 100 کیلومتر.

3- خطوط هوایی 60-138 کیلوولت – 7 خطا در هر 100 کیلومتر.

4- برای خطوط هوایی تا 49.5 کیلو ولت، ارقام نسبتا بالاتر هستند.

جدول ۱ آمار موفقیت رفع خطا در ریکلوز اتوماتیک را نشان می‌دهد.