حفاظت واحد (unit protection) چیست؟

مناطق حفاظتي

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

کل سیستم قدرت باید محافظت شود. این به وسیله تقسیم آن به مناطق همپوشانی‌شده (overlapping zones) به دست می‌آید. اگر یک خطا در یک منطقه خاص اتفاق افتد، تنها سیستم حفاظتی که آن منطقه را پوشش می‌دهد باید عمل کند.  سیستم‌های مربوط به مناطق دیگر نباید عمل کنند.

حفاظت واحد چیست و چرا در شبکه‌های انتقال استفاده‌می‌شود در بعضی موارد، مناطق مجاور ممکن‌است پس از یک تاخیر زمانی از پیش تعیین شده، برای تأمین حفاظت پشتیبانی، عمل‌کنند.

یک منطقه حفاظت‌شده بخشی از یک سیستم قدرت محافظت‌شده توسط یک سیستم حفاظتی‌است. هر گونه خطا در داخل یک منطقه باعث قطع مدار و عملکرد بریکر‌ها و تریپ در همان منطقه می‌شود.

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

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

فهرست مطالب:

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

مقدمه‌ای بر حفاظت  واحد

مرز عملیات به وضوح از نظر پلنت اولیه تعریف می‌شود. حفاظت واحد طراحی شده‌است که برای شرایط غیرطبیعی داخل منطقه حفاظت‌شده  عمل کند در حالی که خارج از منطقه حفاظت‌شده سیستم پایدار باقی می‌ماند.

این طرح نیازمند اندازه‌گیری جریان در هر انتهای زون است. شکل‌1 یک طرح حفاظت واحد ساده را نشان می‌دهد، در حالی که شکل 2 فقط یک فاز از طرح را نشان‌می‌دهد.

شکل 1 – طرح حفاظت واحد

حفاظت واحد در مفهوم بسیار ساده‌است. شکل 2a  جریان تولید‌شده در ترانسفورماتور جریان توسط یک خطا در خارج از منطقه حفاظت واحد را نشان می‌دهد. اگر دو ترانسفورماتور جریان یکسان باشند، جریان عبوری از  رله صفر‌است.

در عمل، با این حال،   ترانسفورماتورهای جریان هرگز یکسان نیستند ، بنابراین دز یک طرح عملی نیاز به نصب مقاومت‌های تثبیت‌کننده و دستگاه‌های محدود‌کننده ولتاژ است.

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

شکل 2 – جریان رله برای خطا خارجی و داخلی

طرح حفاظت واحد ارزان ، سریع و بسیار پایدار‌است .

 این حفاظت ایده‌آل به طور گسترده‌ای برای موارد زیر مورد استفاده‌قرار می‌گیرد:

• ترانسفورماتور
• باس بار ها
• راکتور ها
• خازن ها
• خطوط، و
• ژنراتورها

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

1- حفاظت واحد ترانسفورماتور

یک طرح حفاظتی واحد اتو ترانسفورماتور در شکل 3 نشان داده‌شده‌است. هر سیم‌پیچ فاز، سه منطقه حفاظت‌شده را تشکیل‌می‌دهد و ترانسفورماتورهای جریان در ولتاژ پایین و ولتاژ بالا و سرهای انتهای خنثی(نول) به صورت موازی متصل می‌شوند تا یک جریان گردشی را تشکیل دهند.

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

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

دستگاه محدود‌کننده ولتاژ، رله را از ایجاد ولتاژ بسیار زیاد که می‌تواند به علت جریان بزرگ که در رله و مقاومت تثبیت‌کننده در هنگام وقوع یک خطا در ناحیه محافظت‌شده ممکن‌است ایجاد شود، جلوگیری می‌کند.

مقاله مرتبط:

حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن

شکل 3 – حفاظت واحد اتوترانسفورماتور ترانسفورماتور

2-  حفاظت واحد پایلوت

طرح‌های حفاظت واحد نیز برای خطوط هوایی و کابل‌های زیرزمینی استفاده‌می‌شود ، با این طرح‌ها راحت‌تر‌است که رله‌ها در هر انتهای خط  قرار‌داده‌شود و از طریق کابل‌های پایلوت آنها را به هم متصل کرد.

برای این کاربرد، رله‌ها دو سیم‌پیچ شامل، سیم‌پیچ عمل‌کننده (operating winding) و یک سیم‌پیچ متوقف‌کننده یا بایاس(restraint or bias winding) دارند  . سیم‌پیچ بایاس پایداری را فراهم‌می‌کند، یعنی رله را برای یک خطای خارجی متوقف‌می‌کند، در حالی که اجازه می‌دهد رله برای خطای داخلی عمل کند. توجه داشته‌باشید که خطای خارجی در خارج از منطقه حفاظت رخ می‌دهد.

دو روش اصلی برای حفاظت واحد پایلوت استفاده‌می‌شود:

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

 ولتاژ متعادل

در شکل 4 ولتاژ‌های پایلوت برای یک  خطا خارجی هم دیگر را متعادل یا بالانس می‌کنند . اکثر جریان از طریق سیم‌پیچ بایاس یا همان متوقف‌کننده عبور‌می‌کند تا سیم‌پیچ عمل‌کننده

شکل 4 – حفاظت ولتاژ متعادل

تعدادی از این طرح‌ها هنوز در سرویس وجود دارد – برای نصب و راه اندازی‌های جدید این روش تقریبا به طور کامل توسط طرح جریان گردشی جایگزین شده‌است

این دوگانه حفاظت جریان گردشی‌است. با استفاده از جریان‌گذرنده اصلی، e.m.f.s ترانسفورماتور‌های جریان مخالف هم هستند و هیچ جریان در سرهای کابل متصل‌کننده پایلوت یا رله‌های سری ایجاد نمی‌کند.

خطا‌های درون منطقه منجر به یک جریان گردشی در ثانویه‌های CT می‌شود و از این رو رله عمل‌می‌کند.

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

پاورقی(جریان گذرنده اولیه به معنی جریان خارج از زون‌است)

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

Transactor ترکیب یک ترانسفورماتور و راکتور‌است. ترانزاکتور دارای یک هسته آهنی با فاصله هوایی‌است که باعث کاهش کوپلینگ بین سیم‌پیچ ها می‌شود

به همین دلیل  سیم‌پیچ ثانویه یک EMF ایجاد‌می‌کند . و می‌تواند به عنوان منبع ولتاژ در نظر گرفته‌شود. راکتانس موازی ترانسفورماتور  نسبتا کم‌است، بنابراین دستگاه به عنوان یک ترانسفورماتور بارگذاری‌شده با راکتور موازی عمل‌می‌کند ؛

مدار معادل این سیستم همانطور که در شکل 5 نشان داده‌شده‌است.

شکل 5 – مدار معادل برای سیستم ولتاژ متعادل

رله‌‍های متصل‌شده به صورت سری دارای امپدانس نسبتا بالا هستند و علت آن این است که مقاومت سیم‌پیچ ثانویه از اهمیت زیادی برخوردار نیست و بدون تأثیر قابل توجهی بر عملکرد سیستم، مقاومت پایلوت می تواند نسبتا بزرگ باشد.

به این دلیل  این طرح برای حفاظت فیدر توسعه داده‌شد .

محدودیت پایداری سیستم تعادل ولتاژ

بر خلاف ترانسفورماتور جریان نرمال، transactor‌ها خطایی ناشی از افزایش جریان تحریک را ندارند ، ؛ زیرا تمام جریان اصلی به عنوان   جریان تحریک استفاده‌می‌شود.

در نتیجه، e.m.f.  ثانویه . یک اندازه‌گیری دقیق جریان اولیه در محدوده خطی ترانسفورماتور‌است. در صورتيکه ترانسفورماتورها به صورت خطي تا حداکثر مقدار جريان خطا طراحي شوند، تعادل تنها با محدوديت ذاتي دقت ترانسفورماتور و نتیجه ظرفیت خازنی بین کابل‌های پایلوت محدود می‌‌شوند .

یک خط شکسته در مدار معادل نشان داده‌شده در شکل 5 چنین خازنی را نشان‌می‌دهد. در شرایط خطای خارج از زون، پایلوت ها با یک ولتاژ متناسب، و جریان شارژ عبوری از طریق رله‌ها برق‌دار می‌شوند.

نسبت پایداری که میتواند با این سیستم به دست‌آید، متوسط‌​​است و برای غلبه بر این مشکل از تکنیک بایاس استفاده میشود.

جریان گردشی

در شکل 6، جریان‌های پایلوت برای یک خطای خارجی در هر انتها جمع‌می‌شوند و یک جریان گردشی ایجاد می‌کنند. اکثریت جریان از طریق سیم‌پیچ متوقف‌کننده عبو‌رمی‌کند.

شکل 6 – طرح حفاظت جریان چرخشی

هنگامی که ویژگی‌های تحریک ترانسفورماتورهای جریان متعادل یک سیستم حفاظت واحد متفاوت‌است و یا دارای بردن های نا مساوی هستند، شار مغناطیسی گذرا شکل‌گرفته متفاوت خواهند‌بود و یک جریان “پرش (spill)” ایجاد خواهد‌شد.

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

یک راه حل‌است اضافه‌کردن یک مقاومت تثبیت‌کننده سری با رله‌است. جزئیات نحوه محاسبه مقدار مقاومت معمولا در دستورالعمل‌های مربوط به همه رله‌هایی که نیاز به آن دارند، وجود دارد.

هنگامی که یک مقاومت نثبیت‌کننده استفاده‌می‌شود، تنظیم جریان رله می‌تواند به هر مقدار عملی کاهش یابد، در حالیکه رله در حال حاضر یک دستگاه اندازه‌گیری ولتاژ‌است. بدیهی‌است که یک حد پایین تر وجود دارد، که زیر آن مقدار رله حساسیت پیک آپ را ندارد.

چالش‌ها و مسائل…

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

•            مدار باز کابل پایلوت   – در طرح جریان‌های گردشی  برای خطاهای بیرونی و یا جریان بار زیاد ممکن‌است تریپ کند
•            اتصال کوتاه کابل پایلوت   – مدار می‌تواند در ساختار ولتاژ متعادل  تریپ کند. این مشکل در جدول 1 خلاصه شده‌است.

حدول 1   – مشکلات بالقوه

طرح حفاظت پایلوت نمونه

شکل 7 – طرح حفاظت پایلوت نمونه

مقاله مرتبط:

طرح های پایلوت برای حفاظت خطوط انتقال برق

3- حفاظت واحد دیفرانسیل دیجیتال

رله‌های حفاظت دیفرانسیل دیجیتال در هر انتهای خط مقادیر دیجیتال را تعیین میکند تا جریان در آن نقطه خط را نشان‌دهد.

این مقادیر دیجیتال برای رله در انتهای مخالف ارتباط داده‌شده و  مقایسه‌می‌شود.

اگر مقادیر محلی و  دور دست (local and remote)  همانند‌باشند خط قدرت سالم‌است، با این حال اگر مقادیر دیجیتال متفاوت‌باشد این نشان‌دهنده یک خطاست و قطع‌کننده‌های مدار در هر طرف توسط رله محلی عمل خواهند‌کرد.

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

۴- حامل مقایسه فاز(Phase comparison carrier)

شکل دیگری از حفاظت واحد حفاظت حامل مقایسه فاز است‌که در آن   زاویه فاز جریان در هر انتهای خط مقایسه‌میشود . کانال ارتباطی خود خط انتقال‌است.یک سیگنال فرکانس بالا در دو فاز از مدار انتقال در یک طرف تزریق‌می‌شود و از طرف دیگر دریافت میشود.

ترتیب تزریق سیگنال در شکل 9 نشان داده‌شده‌‌است.

این تله‌های موج (مدارهای رزونانس موازی) طوری طراحی می‌شوند که مقاومت بسیار بالا در فرکانس سیگنال (چند صد کیلو هرتز) و مقاومت ناچیز در فرکانس قدرت (50Hz) داشته‌باشند.

با این ساختار در هر انتها، سیگنال به خط محدود میشود و نمی تواند به مدارهای دیگر منتقل‌شود.

شکل 9- حفاظت حامل مقایسه فاز

یک روش حفاظت حامل ساده‌شده در شکل 10 نشان داده‌شده‌است.

بلوک‌های سیگنال فرستاده‌شده و دریافت‌شده تقریبا   180 درجه خارج از فاز هستند. این به دلیل اینکه دستگاه End A و End B یکسان‌است در حالیکه جریان اصلی در یک طرف صادر می‌شود و به طرف دیگر وارد‌می‌شود.

برای این وضعیت، حفاظت پایدار‌است.   

سیگنال پیوسته (با روی هم انداختن بلوک‌ها بر روی یکدیگر) تریپ رله را خاموش‌می‌کند. برای یک وضعیت خطا، جریان در انتهای B تغییر‌می‌کند تا خطا را تغذیه کند.

بلوک‌های سیگنال هم فاز با انتهای A قرار می‌گیرند. هنگامی روی هم انداخته می‌شوند فاصله‌های تقریبی 180 درجه باقی می‌ماند.

شکل 10 – حفاظت حامل – خطای داخلی

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

با این وجود، حفاظت حامل به طور مداوم پایانه ها را به صورت دائم مقایسه نمی کند.  باید توسط خروجی یک شبکه شروع‌شود. شرایط بار سه فاز از طریق ترانسفورماتورهای جریان کنترل می‌شود. جریان های ثانویه یک خروجی از شبکه شروع‌کننده ایجاد‌ می‌کنند. و با افزایش ناگهانی در بار، بار زیاد یا جریان‌های فازی آنبالانس مدار شروع‌کننده آغاز به کار‌می‌کند

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

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

منابع:

Switching Operator’s Manual Transmission Switching by Horizon Power

Network Protection and Application Guide, Protective Relays, Measurement and Control by Alstom Grid