رله های حفاظتی در سیستم قدرت

در این برگه قصد داریم به معرفی رله های حفاظتی در سیستم قدرت، براساس تجهیزی که محافظت می‌شود، بپردازیم. پس با ما همراه باشید.

فهرست مطالب

1- رله چیست؟

2- رله‌‌های حفاظتی در سیستم‌ قدرت

3- الزامات عملکردی رله حفاظتی

——————————

1- رله چیست؟

رله یک دستگاه الکترومکانیکی است که می‌تواند برای ایجاد یا قطع اتصال الکتریکی استفاده شود. این  تجهیز شامل یک بخش مکانیکی متحرک قابل انعطاف است که می‌توان آن را به صورت الکترونیکی از طریق آهنربای الکتریکی کنترل کرد. اساساً رله مانند یک کلید مکانیکی عمل می‌کند، با این تفاوت که می‌توان به جای روشن یا خاموش کردن دستی، آن را با یک سیگنال الکترونیکی کنترل کرد.

رله ها انواع مختلفی دارند و هر رله کاربرد خاص خود را دارد، یک رله استاندارد و عموماً مورد استفاده، از آهنرباهای الکتریکی تشکیل شده‌است که به طور کلی به عنوان کلید استفاده می‌شود. براساس تعریف دیکشنری، “رله به معنای عمل انتقال چیزی از یک چیز به چیز دیگر است”، همین معنی را می توان در مورد این دستگاه نیز به کار برد؛ زیرا سیگنال دریافتی از یک طرف دستگاه، عملیات سوئیچینگ را در سمت دیگر کنترل می‌کند. بنابراین رله کلیدی است که مدارها را به صورت الکترومکانیکی (باز و بسته) کنترل می‌کند. عملکرد اصلی این دستگاه ایجاد یا قطع تماس با کمک سیگنال و بدون دخالت انسان به منظور روشن یا خاموش کردن آن است.

ساختار رله

رله‌ها می‌توانند شامل چهار پایانه باشند – سیم پیچ، ترمینال مشترک، کنتاکت معمولاً باز (NO) وکنتاکت  معمولاً بسته (NC). ترمینال سیم پیچ (همچنین به عنوان ورودی کنترل نیز شناخته می‌شود) به طور کلی به یک منبع کم مصرف متصل می‌شود که مکانیسم سوئیچینگ رله را کنترل می‌کند. ترمینال مشترک به عنوان خروجی رله عمل می‌کند و به مداری که نیاز به کنترل دارد وصل می‌شود. ترمینال‌های NO، همانطور که از نامشان پیداست، به طور پیش فرض باز هستند تا زمانی که رله فعال شود، در حالی که ترمینال‌های NC تا زمانی که رله فعال شود، بسته‌هستند و در این مرحله باز می‌شوند. در داخل رله دو مدار وجود دارد. یکی به یک هسته آهنی متصل است و توسط یک سیم پیچ کنترل احاطه شده‌است، در حالی که، دیگری منبع تغذیه رله را به بار متصل می‌کند.

رله برای چه مواردی استفاده می شود؟

هدف اصلی یک رله، محافظت از سیستم الکتریکی در برابر اضافه ولتاژ یا جریان است. به عبارتی، این قطعه برای ایجاد ایزولاسیون در دو مدار مختلف با خواص متفاوت استفاده می‌شود. رله‌ها، امکان عملکرد ایمن هر تجهیزی را که به آن متصل می‌شود، فراهم می‌کنند. رله‌ها معمولاً در کاربردهای مختلفی، از مصارف تجاری و صنعتی گرفته‌تا محصولات خانگی یافت می‌شوند.

——————————

2- رله‌ های حفاظتی در سیستم قدرت

در این بخش به معرفی رله‌های حفاظتی بر اساس تجهیزی که محافظت می‌شود، می‌پردازیم. این تجهیزات عبارتند از:

1. ژنراتور
2. خط انتقال
3. ترانسفورماتور
4. شارژ

1- حفاظت از ژنراتور

بسته به نوع خطای ژنراتورها، از سیستم‌های حفاظتی مختلفی برای محافظت از ژنراتورها استفاده‌می‌شود. یکی از رایج‌ترین خطاها، از دست‌دادن ناگهانی ژنراتورهای بزرگ است که در نتیجه عدم تعادل بین توان و تولید ایجاد می‌شود. این عدم تطابق توان به دلیل از دست دادن همزمانی (synchronism) در یک ژنراتور خاص ایجاد می‌شود( در این حالت گفته‌می‌شود که واحد از مدار خارج شده‌است). در این حالت، می‌توان از یک رله تغییر فاز برای محافظت از ژنراتور در صورت بروز شرایط عملیاتی غیرعادی استفاده کرد و واحد را از بقیه سیستم جدا کرد.
علاوه بر این، رله‌های حفاظتی مبتنی بر ریزپردازنده دارای یک عملکرد داخلی برای اندازه‌گیری زوایای فاز و محاسبه فرکانس شینه از روی ولتاژ اندازه‌گیری شده سیگنال از VT هستند. بنابراین، زوایای فاز و اندازه گیری فرکانس نیز برای استفاده در رله در دسترس هستند. شکل 1 اتصال رله های حفاظت پله ای برای حفاظت ژنراتور را نشان می‌دهد.

2- حفاظت از خط انتقال

خطوط انتقال را می‌توان با چندین نوع رله محافظت کرد. با این حال، رایج‌ترین روش برای محافظت از خطوط انتقال، تجهیز آنها به رله‌های حفاظت از راه دور (دیستانس) است. رله‌های دیستانس برای واکنش به تغییرات جریان، ولتاژ و تغییر فاز بین جریان و ولتاژ اندازه‌گیری‌شده، طراحی شده‌اند. اصول کار بر اساس تناسب بین فاصله تا خطا و امپدانس مشاهده شده توسط رله است. این کار با مقایسه امپدانس ظاهری یک رله با مقدار آستانه از پیش تعیین‌شده آن انجام می‌شود. ویژگی‌های رله‌های دیستانس که معمولاً در نمودار RX ترسیم می‌شوند در شکل a نشان داده شده‌است. در حالی که شکل b رله Mho را نشان می‌دهد که ذاتا جهت دار است.

برای نشان‌دادن در ارتباط با شکل، فرض کنید یک خطا رخ می‌دهد، ولتاژ در رله یا جریان به ترتیب کمتر و بیشتر از مقادیر مورد انتظار برای شرایط بار حالت پایدار خواهد بود. بنابراین، این نوع رله‌ها زمانی فعال می‌شوند که امپدانس ظاهری رله به هر مقداری در دایره پارامتری کاهش یابد. به همین دلیل می‌توان از امپدانس خط بعد از خطا نیز برای یافتن محل خطا استفاده کرد. مانند بسیاری از ساختارهای فنی، یک نسخه پشتیبان برای افزونگی استفاده‌می‌شود. حداقل دو ناحیه، برای حفاظت اولیه رله‌های دیستانس مورد نیاز است تا به خطاهای انتهای بخش محافظت‌شده نزدیک باس مجاور رسیدگی شود.

چنین معیاری یک عامل ایمنی را تشکیل می‌دهد که این امکان را فراهم می‌کند تا اطمینان حاصل شود که هرگونه عملیات در برابر خطاهای فراتر از انتهای خط توسط خطاهای اندازه‌گیری تحریک نمی‌شود. مناطق حفاظتی چندگانه را می‌توان با استفاده از واحدهای اندازه گیری مجزا ساخت، که امکان افزونگی را فراهم می‌کند، زیرا هر دو واحد برای خطاهایی که در Zone 1 رخ می‌دهد، کار می‌کنند.

تفاوت اصلی بین دو واحد اضافی، در بازه زمانی است.

واحدی که Zone 1 را پوشش می‌دهد فوراً عمل می‌کند، در حالی که واحد تعیین‌شده در Zone 2 دارای یک تاخیر اضافی بین سیگنال دهی خطا و عملکرد خواهد بود. بعلاوه، با تغییر مقادیر نگهداری و/یا عملکرد، دایره‌های کنترل رله را می‌توان همانطور که در شکل b نشان داده‌شده‌است جابجا کرد.

در برخی از برنامه‌ها، یک پارامتر اضافی (Zone 3) گنجانده شده‌است که بزرگتر از پارامتر Zone 2 است. برای یک گسل ایجادشده در Zone 1، Zone 3 پس از تاخیر طولانی تری نسبت به  Zone 2 استفاده می‌شود. بنابراین، تاخیر به عنوان یک وقفه، برای طرح‌های حفاظت منطقه خطا عمل می‌کند. اگر از میزان وقفه فراتر رود، عملیات تاخیری شروع می‌شود. بنابراین، این تنظیمات نوعی محافظت از پشتیبان را فراهم می‌کند. شکل 3 مناطق حفاظتی رله‌های دیستانس را شرح می‌دهد. به طور معمول، Zone 1 در محدوده 85٪ تا 95٪ از توالی مثبت امپدانس خط محافظت شده تنظیم می شود و Zone 2 تقریباً 50٪ در ردیف مجاور و 25٪ در دو ردیف بعدی برای Zone 3 تعریف می‌شود. اکثر رله‌های ریزپردازنده فعلی عملکردهای حفاظتی چند منظوره را اجرا می‌کنند. آنها به عنوان یک بسته‌حفاظتی کامل در یک واحد در نظر گرفته‌می‌شوند.

در صورت حفاظت خط از طریق سیستم‌های حفاظت از راه دور، رله‌های حفاظتی مبتنی بر ریزپردازنده قادر به حفاظت از موارد زیر هستند:

1. حفاظت از اضافه جریان
2. حفاظت در برابر اضافه جریان جهت‌دار (برای تبعیض در صورت وجود خطوط موازی متعدد)
3. حفاظت تحت / اضافه ولتاژ
4. حفاظت در صورت خرابی کلید برق (در صورت قطع نشدن کلید حتی پس از دریافت فرمان تریپ) و غیره.

شکل 4 اتصال رله دیستانس را برای حفاظت خط نشان می‌دهد.

3- حفاظت ترانسفورماتور

هر واحد ترانسفورماتور می‌تواند توسط یک رله دیفرانسیل محافظت شود. اصول حفاظتی این رله، مقایسه ورودی‌های جریان با دو طرف فشار قوی و فشار ضعیف ترانسفورماتور است. در شرایط عادی یا خطاهای خارجی (همچنین با در نظر گرفتن نسبت چرخش ترانسفورماتور)، جریان ورودی به واحد محافظت شده تقریباً برابر با جریان خروجی از آن خواهد بود. به عبارت دیگر در شرایط ایده آل جریانی در رله، مگر در صورت خرابی واحد حفاظت‌شده وجود ندارد. علاوه بر این، رله‌های حفاظتی مبتنی بر ریزپردازنده، عملکردهای حفاظتی دیگری مانند اضافه بار حرارتی (که از وضعیت حرارتی سیم‌پیچ‌ها پیروی می‌کند) و رله‌های فرکانس را یکپارچه می‌کنند.

از آنجاییکه تلفات انرژی ترانسفورماتور با فرکانس افزایش می‌یابد، این دو رله حفاظتی با هم کار می‌کنند. بنابراین، رله‌های اضافه بار حرارتی نیز برای جلوگیری از آسیب عایق سیم پیچ‌ها مجهز شده‌اند. شکل 5 اتصال رله دیفرانسیل برای حفاظت ترانسفورماتور را نشان می‌دهد.

4- حفاظت از بار

بارهای الکتریکی به طور کلی به تغییرات ولتاژ، که در صورت وقوع نوسانات ولتاژ بالا می‌تواند آسیب جدی به بار وارد کند، حساس هستند. در این مورد، بارها را می توان با استفاده از رله‌‌های حفاظتی بیش از / کمتر از ولتاژ محافظت کرد. شکل 6 اتصال یک رله ولتاژ بیش / کمتر برای حفاظت بار را نشان می‌دهد.

بطور خلاصه

جدول زیر تمامی طرح‌های حفاظتی برای اجزای سیستم قدرت را که در بالا مورد بحث قرار گرفت، بطور خلاصه نشان‌می‌دهد. این جدول همچنین ورودی های مورد نیاز برای رله را برای انجام هر عملکرد حفاظتی خاص و پارامترهای خروجی از رله به منظور ایجاد یک فرمان تریپ را بیان می‌کند.

——————————

3- الزامات عملکردی رله حفاظتی

حفاظت سیستم قدرت باید معیارهای زیر را داشته‌باشد:

قابلیت اطمینان

مهمترین شرط رله حفاظتی قابلیت اطمینان است. آنها قبل از وقوع خطا برای مدت طولانی غیرفعال می‌مانند. اما در صورت بروز خطا، باید فورا و به درستی عمل کنند.

گزینش پذیری

رله فقط باید در شرایطی که در سیستم قدرت در نظر گرفته‌شده‌است، کار کند. ممکن است در هنگام خطا شرایطی وجود داشته باشد که برخی از رله‌ها باید پس از مدتی تأخیر زمانی مشخص کار کنند یا بلعکس میبایست فورا عمل کنند. بنابراین رله حفاظتی باید به اندازه کافی دقیق باشد تا شرایط مناسبی را که برای آن کار می‌کند، انتخاب کند.

حساسیت

تجهیزات رله باید به اندازه کافی حساس باشد تا زمانی که سطح خطا از حد از پیش تعریف‌شده عبور می کند، بتوانند به طور قابل اعتمادی کار کنند.

سرعت

رله‌های حفاظتی باید با سرعت مورد نیاز کار کنند. باید هماهنگی صحیحی در رله‌های حفاظتی مختلف سیستم قدرت وجود داشته‌باشد؛ به‌گونه‌ای که برای خطای یک قسمت از سیستم، قسمت سالم دیگر درگیر نشود. جریان خطا ممکن است از بخش سالم نیز عبور کند، زیرا آنها به صورت الکتریکی متصل هستند، اما رله‌های مرتبط با آن بخش سالم، نباید سریعتر از رله‌های بخش معیوب عمل کنند؛ چراکه ممکن است در سیستم سالم قطع ناخواسته رخ دهد.

مجدداً اگر رله مرتبط با بخش معیوب به دلیل نقص یا دلایل دیگر در زمان مناسب کار نکند، برای ایزوله کردن عیب فقط باید رله بعدی مرتبط با قسمت سالم سیستم عمل کند. بنابراین، عملکرد رله نباید خیلی کند باشد که به تجهیزات آسیب برساند و نباید خیلی سریع باشد که منجر به عملکرد نامطلوب شود.

 مراجع

Protection relays in power systems

Protection System in Power System

مطالب مرتبط

حفاظت سیستم قدرت

رله های حفاظتی موتورهای کوچک وبزرگ

رله بوخهلتس ترانس چیست؟

تفاوت رله اضافه بار حرارتی و کلید محافظ موتور