بخشی از مقاله
مقدمه :
در تاسيسات الكتريكي مانند شبكه انتقال انرژي ٍ مولد ها و ترانسفورماتورها و اسباب و ادوات ديگر برقي در اثر نقصان عايق بندي و يا ضعف استقامت الكتريكي ٍ ديناميكي و مكانيكي در مقابل فشارهاي ضربه اي پيش بيني نشده و همچنين در اثر ازدياد بيش از حد مجاز درجه حرارت ٍ خطاهايي پديد مي آيد كه اغلب موجب قطع انرژي الكتريكي مي گردد.
اين خطاها ممكن است بصورت اتصال كوتاه ٍ اتصال زمين ٍ پارگي و قطع شدگي هادي ها و خورده شدن و شكستن عايق ها و غيره ظاهر شود.
شبكه برق بايد طوري طرح ريزي شود كه از يك پايداري و ثبات قابل قبول و تا حد امكان مطمئني برخوردار باشد.امروزه قطع شدن برق براي مدت كوتاهي باعث مختل شدن زندگي فردي و قطع شدن برق كارخانه هاي صنعتي و مصرف كننده هاي بزرگ ٍ موسسه هاي علمي و پژوهشي به مدت نسبتاٌٌٌ طولاني موجب زيانهاي جبران ناپذير مي شود لذا قطع شدن و يا قطع كردن دستگاهها و تجهيزات الكتريكي معيوب از شبكه لازم است ولي كافي نيست.
بايد تدابيري بكار برده شود كه برق مصرف كننده اي كه در اثر بوجود آمدن عيب فني از شبكه قطع شده است در كوتاه ترين مدت ممكنه مجدداٌ تامين گردد.
وظيفه رله اين است كه در موقع پيش آمدن خطا در محلي از شبكه برق ٍ متوجه
خطا شود ٍ آنرا دريابد و شدت آنرا بسنجد و دستگاههاي خبري را آماده كند و يا در صورت لزوم خ
ود راساٌ اقدام كند و سبب قطع مدار الكتريكي شود.
در اين نوشته سعي شده است رله هاي حفاظتي پيلوتي ٍ اساس كار آنها و همچنين طريقه ارسال اطلاعات در اين رله ها مورد بررسي قرار گيرد.در شش فصل اول از آوردن عكس و مطلب در مورد رله هاي واقعي پرهيز شده است در فصل هشتم رله هاي مربوط به حفاظت پيلوتي پستهاي اختصاصي مترومورد بررسي قرار گرفته است.
فصل اول
فلسفه رلهگذاري حفاظتي
1-1) رلهگذاري حفاظتي چيست؟
معمولا وقتي درباره يك سيستم برقرساني مي‌انديشيم، اجزا چشمگير آن از قبيل نيروگاه‌هاي بزرگ، ترانسفورماتورها، خطهاي فشار قوي و غيره به ذهنمان مي‌آيد. در عين حال كه اين اجزا قسمتهاي اصلي را تشكيل مي‌دهند، بسياري اجزاي ضروري و جالب ديگر نيز در سيستم وجود دارد كه رلههاي حفاظتي از همين دسته‌اند.
در اينجا نقش رلهگذاري حفاظتي را در طراحي و كاركرد سيستمهاي برقرساني با بررسي مختصري از زمينه كلي موضوع توضيح مي‌دهيم. سه جنبه مختلف سيستم برقرساني در اين بررسي به كار مي‌آيد. اين جنبه‌هاي عبارتند از :
الف) بهره‌برداري عادي
ب) جلوگيري از بروز عيب الكتريكي
ج) محدودكردن پيامدهاي بروز عيب الكتريكي
اصطلاح "بهره‌برداري" به حالتي اطلاق ميشود كه در دستگاهها عيبي نباشد. اشتباهي از افراد سر نزند و بلايي آسماني رخ ندهد. در اين حالت، حداقل امكانات براي تامين برق مصرف‌كنندگان فعلي و برآوردن مقداري از نيازهاي قابل پيش‌بيني براي آينده فراهم است. پيش‌بينيهاي لازم براي بهره‌برداري عادي، قسمت عمده هزينه‌هاي سرمايه‌اي و عملياتي را در برمي‌گيرد. لكن سيستمي كه تنها از اين ديدگاه طراحي شده باشد چه بسا پاسخگوي نيازهاي امروزي نباشد.
عيب كردن دستگاههاي برقرساني سبب خاموشي‌هاي تحمل‌ناپذير ميشود. از اين رو بايد پيش‌بينيهايي انجام داد تا خسارتهاي وارد بر دستگاهها و قطع جريان برق در هنگام بروز عيب به حداقل كاهش يابد.
در اينجا دو راه چاره به نظر مي‌رسد: اولا خصيصه‌هايي با هدف جلوگيري از بروز عيب در طراحي منظور كنيم و ثانيا به راههايي بينديشيم كه در هنگام بروز عيب دامنه خسارتها را كاهش دهد. در طراحي سيستمهاي جديد از هر دو راه حل به درجات مختلف و با توجه به جنبه‌هاي اقتصادي هر مورد خاص استفاده ميشود و هر روز پيشرفتهايي محسوستر در جهت افزايش اطمينان‌بخشي دستگاهها صورت مي‌گيرد. اما از سوي ديگر وابستگي به نيروي برق نيز هر روز بيشتر ميشود. در نتيجه اگر چه احتمال بروز عيب كاهش مي‌يابد، از سوي ديگر قطع برق نيز تحمل‌ناپذيرتر ميشود. از اينجا به بعد سودمندتر آن است كه وقوع عيب را مجاز بشماريم و در عوض، چاره‌اي
براي كم كردن دامنه خسارات آنها بينديشيم.
بعضي از خصيصه‌هاي طرح و بهره‌برداري كه هدف آنها كم كردن پيامدهاي عيب است عبارتند از :
الف) خصيصه‌هايي كه آثار مستقيم عيب را محدود مي‌سازند.
1) طراحي به منظور محدود كردن مقدار جريان اتصال كوتاه
2) طراحي به منظور ايستادگي در مقابل تنشهاي حرارتي و مكانيكي حاصل از اتصا
ل كوتاه.
3) پيش‌بيني دستگاههاي كسر ولتاژ با تاخير زماني بر روي كليدها براي جلوگيري از قطع بارها در هنگام افتهاي زودگذر ولتاژ.
ب) خصيصه‌هايي با هدف جداسازي فوري قسمت معيوب
1) رلهگذاري حفاظتي
2) كليدهاي با قدرت قطع كافي
3) فيوزها
ج) خصيصه‌هايي كه پيامدهاي كنار رفتن قسمت معيوب را كم مي‌كند.
1) مدارهاي جانشين
2) ظرفيتهاي ذخيره در مولدها و ترانسفورماتورها
3) بازبست خودكار
د) خصيصه‌هايي كه در فاصله بين وقوع عيب تا حذف آن براي نگهداشت ولتاژ و پايداري سيستم وارد عمل شود.
1) تنظيم خودكار ولتاژ
2) مشخصه‌هاي پايداري مولدها
بنابراين رلهگذاري حفاظتي يكي از چندين خصوصيت طرح سيستم در مورد به حداقل رساندن صدمات به دستگاهها و قطع برق در هنگام بروز عيب است. وقتي صحبت از حفاظت با رله به ميان مي‌آيد منظور آن است كه رله‌ها همراه با ساير وسايل به كاهش خسارات و بهبود خدمات‌رساني كمك مي‌كنند. پس تواناييها و شرايط كاربرد رلههاي حفاظت را بايد همزمان با ساير خصيصه در نظر گرفت.
2-1) وظيفه رلهگذاري حفاظتي
وظيفه رلهگذاري حفاظتي اين است كه بي‌درنگ هر جز از سيستم برقرساني ر
ا كه دچار اتصال شود يا آغاز به عمل غيرعادي كند به طوري كه احتمال خطر برود يا موجب مزاحمت براي عملكرد درست بقيه سيستم شود از مدار خارج سازد. وسايل رلهگذاري در اجراي اين وظيفه از كليدهايي كمك مي‌گيرند كه قادرند جز معيوب را با دريافت فرمان از وسايل رلهگذاري جدا كنند.
كليدهاي قدرت معمولا در جايي قرار مي‌گيرند كه مي‌توانند هر مولد، ترانسفورماتور، ب
اسبار، خط انتقال نيرو و غيره را كاملا از بقيه سيستم جدا سازد. اين كليدها بايد ظرفيت كافي داشته باشند كه بتوانند بيشترين جريان اتصال كوتاه را كه امكان عبور آن از كليد هست موقتا تحمل و سپس قطع كنند. همچنين بايد بتوانند بر روي چنين اتصال‌هايي بسته شوند و سپس
براساس استانداردهاي مشخص آن را جدا سازند.
در جاهايي كه رله حفاظت و كليدهاي قدرت از لحاظ اقتصادي موجه نباشد فيوز به كار مي‌رود. گرچه وظيفه اصلي رلهگذاري حفاظتي، كاستن پيامدهاي اتصال كوتاه است، حالتهاي غيرعادي ديگري هم در بهره‌برداري روي مي‌دهد كه به كار رلههاي حفاظت نياز پيدا ميشود. اين
موضوع بويژه در مورد مولدها و موتورها صدق مي‌كند.
وظيفه دوم رلهگذاري حفاظتي اين است كه نشانه‌هايي از محل و نوع عيب به دست دهد. اينگونه اطلاعات نه تنها به انجام شدن تعميرات، سرعت مي‌بخشد بلكه از راه مقايسه با نتيجه بازديد و نوسان نگارهاي خودكار ميتواند اين امكان را فراهم آورد كه كارآيي خود رله‌ها هم در جلوگيري از بروز عيب و كاستن دامنه خسارات ارزيابي شود.
3-1) اصول اساسي در رلهگذاري حفاظتي
ابتدا فقط وسايل رلهگذاري براي حفاظت در مقابل اتصال كوتاه را درنظر مي‌گيريم. دو گروه از اين وسايل وجود دارد كه يكي رلهگذاري "اصلي" و ديگري رلهگذاري "پشتيبان" خوانده ميشود. رلهگذاري اصلي درواقع خط اول دفاعي را تشكيل مي‌دهد و حال آنكه رلهگذاري پشتيبان فقط وقتي عمل مي‌كند كه رلهگذاري مقدم در انجام وظيفه خود شكست خورده باشد.
1-3-1) رلهگذاري مقدم
شكل (1) رلهگذاري مقدم را نشان مي‌هد. نخستين اظهارنظر آن است كه كليدهاي قدرت در محل اتصال هر جزء به سيستم جاي گرفته اند.اين پيش بيني اجازه مي دهد كه بتوان فقط جزء معيوب را از مدار جدا كرد. گاه مي‌توان كليد بين دو جز مجاور را حذف كرد كه در اين حالت در هنگام عيب‌كرد يكي از اين دو جز بايد هر دو را از مدار جدا ساخت.
دومين نكته آن است كه در اطراف هر جز از سيستم، يك منطقه حفاظت جداگانه‌اي بوجود مي‌آيد كه اينك سخن بر سر چگونگي ايجاد آن نيست. اهميت اين مطلب در آن است كه بروز عيب در هر منطقه سبب قطع همه كليدهاي واقع در آن منطقه خواهد شد.
همچنين آشكار ميشود كه در مقابل عيبهايي كه در محل تداخل دو منطقه حفاظت مجاور روي دهد تعداد كليدهاي قطع شده بيش از كمترين تعدادي است كه براي بيرون بردن قسمت معيوب ضرورت دارد. اما اگر مناطق با هم تداخل نكنند عيبي كه در حد فاصل بين دو منطقه پيدا شود در هيچ منطقه‌اي قرار نمي‌گيرد و بنابراين هيچ كليدي قطع نخواهد شد. از ميان اين دو حالت ، وجود تداخل ضرر كمتري دارد. ميزان تداخل نسبتا كم و احتمال وقوع عيب در محل تداخل ناچيز است و درنتيجه قطع شدن تعداد زيادي كليد، بسيار نادر خواهد بود.
شكل (1) نمودار تك خطي قسمتي از سيستم برقرساني كه حفاظت مقدم را نشان مي‌دهد.
بالاخره مي‌بينيم كه منطقه‌هاي حفاظت مجاور در شكل (1) در اطراف يك كليد تداخل مي‌كنند. اين روش عملا ترجيح دارد. زيرا براي عيب‌كردهاي بيرون از ناحيه تداخل فقط قطع كمترين تعداد كليد ضرورت مي‌يابد.
در حفاظت واحد كه براي تجهيزات مختلف به‌كار مي‌رود محل قرار گرفتن ترانسفورماتورهاي جريان (C.T)ها به‌گونه‌اي انتخاب گردند كه نواحي مجاور حفاظتي روي هم قرار گيرند. به عبارت ديگر، چنانچه C.Tهاي حفاظت‌هاي واحد، مجاور كليد و به طرف قطعه مورد حفاظت (خطوط، ترانسفورماتور و ...) قرار گيرند. فاصله بين دو ناحيه حفاظتي مجاور يكديگر، فاقد حفاظت خواهد بود. بنابراين اگر خطايي در فاصله بين دو C.T دو ناحيه مختلف اتفاق افتد آن خطا توسط سيستم حفاظتي برطرف نخواهد شد. شكل (2) و (3) به ترتيب قرار گرفتن ناصحيح و صحيح C.Tها را نشان مي‌دهد.
شكل (2) حفاظت نوع واحد و شكل قرار گرفتن ناصحيح C.Tها
شكل (3) حفاظت نوع واحد و شكل قرار گرفتن صحيح C.Tها و روي هم قرار گرفتن نواحي حفاظتي
2 ـ 3 ـ 1) رلهگذاري پشتيبان
رلهگذاري پشتيبان فقط براي حفاظت در مقابل اتصال كوتاه به‌كار مي‌رود. از آنجا كه اتصال كوتاه، فراوانترين نوع عيب در سيستمهاي برقرساني به‌شمار مي‌رود احتمال عيب كردن رلهگذاري مقدم بصورت اتصال كوتاه نيز بيشتر است. تجربه نشان مي‌دهد كه رلهگذاري پشتيبان براي عيبه
براي آنكه بتوان بهتر به روشهاي مربوط به رلهگذاري پشتيبان پي برد، دريافتي روشن از علل احتمالي عيب كردن رلههاي مقدم ضرورت دارد. وقتي مي‌گوييم رلهگذاري مقدم ميتواند عيبت كند يعني اينكه در موارد چندي ممكن است از جدا كردن بخش معيوب بازبماند. بروز عيب در رلهگذاري مقدم ميتواند ناشي از عيب كردن هر يك از قسمتهاي زير باشد:
الف) منبع جريان يا ولتاژ رله‌ها
ب) منبع ولتاژ مستقيم قطع‌كننده كليدها
ج) رلههاي حفاظت
د) مدار قطع‌كننده يا مكانيزم قطع كليد
ﻫ) كليد
ايده‌آل اين است كه رلهگذاري پشتيبان چنان در نظر گرفته شود كه همزمان با پيدايش عيب در رلهگذاري مقدم، عيب نكند. واضح است كه اين عمل فقط وقتي حاصل مي‌آيد كه رلههاي پشتيبان را در جايي نصب كنيم كه هيچ جزء مشترك و يا فرمان مشترك با رلهگذاري مقدمي كه بناس
ت پشتيباني شود در آنها به‌كار نرفته باشد. در عمل هر جا كه ممكن باشد رلهگذاري پشتيبان را در ايستگاه ديگري قرار مي‌دهند.
چنانچه حفاظت پشتيبان در محل حفاظت اصلي قرار گرفته باشد به حفاظت پشتيبان محلي و چنانچه دور از حفاظت اصلي باشد، به حفاظت پشتيبان دور موسوم است.
در شكل (4) براي حفاظت ترانسفورماتور، ابتدا رله 1R در كوتاهترين زمان مثلا ً01/0 ثانيه عمل مي‌كند (حفاظت اصلي) و سپس در صورت عدم قطع رله 1R، عمل قطع به ترتيب توسط رلههاي 2R و 3R بعنوان رلههاي پشتيبان محلي و دور انجام خواهد شد لازم به توضيح است رلههاي 2R و 3R مثلاً در زمانهاي 3/0 يا 6/0 ثانيه عمل مي‌نمايند.
در شكل (4) براي خطا در نقطه F در ترانسفورماتور، 1R رله اصلي، 2R پشتيبان محلي و 3R پشتيبان دور است.
شكل (4) يك شبكه نمونه به همراه رله‌ها و كليدهاي قسمتهاي مختلف
وظيفه دوم رلهگذاري پشتيبان غالباً اين است كه وقتي وسايل رلهگذاري مقدم را براي تعمير يا سرويس از مدار خارج مي‌كنند. عهده‌دار تأمين حفاظت مقدم شود.
شايد نيازي به توضيح نباشد كه وقتي رلهگذاري پشتيبان عمل كند قسمت بيشتري از سيستم قطع ميشود تا وقتي كه رلهگذاري مقدم به درستي عمل كند.
وقتي رلهگذاري مقدم مختل ميشود حتي اگر رلهگذاري پشتيبان كار خود را به خوبي انجام دهد، برقرساني كم و بيش دچار صدمه خواهد شد به عبارت ديگر رلهگذاري پشتيبان را نمي‌توان جانشين شايسته‌اي براي نگهداري صحيح دانست.
4 ـ 1) حفاظت در مقابل ديگر حالتهاي غيرعادي
رلهگذاري حفاظتي در مقابل عواملي جز اتصال كوتاه هم در ردهء رلهگذاري مقدم دسته‌بندي ميشود. ولي از آنجا كه حالتهاي غيرعادي نيازمند حافظت در اجزاي مختلف سيستم متفاوت است برخلاف حفاظت در مقابل اتصال كوتاه، تداخل حوزه عمل رله‌ها معمولاً در حالتهاي ديگر به‌كار نمي‌رود. در عوض هر جزء سيستم را جداگانه به هر نوع رلهگذاري كه بدان نياز باشد مجهز
مي‌كنند و اين رلهگذاري را طوري ترتيب مي‌دهند كه كليدهاي لازم را قطع كند. البته اين كليدها غير از كليدهايي هستند كه در مورد رلهگذاري در برابر اتصال كوتاه قطع مي‌شوند. در اين موارد چنانكه پيش از اين گفتيم رلهگذاري پشتيبان به‌كار نمي‌رود زيرا تجربه آن را از نظر اقتصادي توجيه نمي‌كند. ولي در بيشتر مواردي كه حالتهاي غيرعادي ديگري روي دهد كه جريانها يا ولتاژهاي غيرعادي پديد آورد، رلهگذاري پشتيبان مربوط به اتصال كوناه عمل خواهد كرد كه بدين‌سان نوعي حفاظت پشتيبان فرعي فراهم ميشود.
فصل دوم
انواع رله
1 ـ 2) انواع رله برحسب مورد استعمال
رله برحسب مورد استعمال آن به انواع زير تقسيم ميشود:
1 ـ رله سنجشي
2 ـ رله زماني
3 ـ رله جهت‌ياب
4 ـ رله خبردهنده
5 ـ رله كمكي
1 ـ 1 ـ 2) رله سنجشي (Messrelais)
رله سنجشي رله‌ايست كه با دقت و حساسيت معيني در موقع تغيير كردن يك كميت الكتريكي و يا يك كميت فيزيكي ديگري شروع به كار كند. چنين رله‌اي براي مقدار معيني از يك كميت مشخصي تنظيم ميشود و اگر آن كميت از مقدار تعيين و تنظيم‌شده كمتر و يا بيشتر شود، رله آن تغييرات را مي‌سنجد. در اينگونه رله حقيقتاً عمل سنجش انجام ميشود و رله شبيه به يك دستگاه اندازه‌گيري با تمام مشخصات، محاسن و معايب آن كار مي‌كند.
رله سنجشي بر دو نوع است:
الف) رله سنجشي ساده
ب) رله سنجشي مركب
رله سنجشي ساده اغلب داراي يك سيم‌پيچي تحريك‌شونده مي‌باشد كه در اثر تغيير جريان و يا ولتاژ تحريك و موجب وصل شدن كنتاكتي ميشود (رله حرارتي، رله جريان زياد و رله فشار كم)
رله سنجشي مركب حداقل داراي دو سيم‌پيچي تحريك‌شونده مي‌باشد. مثل رله‌اي كه نسبت ولتاژ و جريان را مي‌سنجد (رله سنجش مقاومت ظاهري). به كمك چنين سنجشي مي‌توان آن قسمت از شبكه را كه اتصالي شده است از مدار جدا كرد (رله ديستانس)
2 ـ 1 ـ 2) رله زماني (Zeitrelais)
رله زماني موثرترين عنصر يك رله در حفاظت موضعي است. رله زماني نه تنها در حفاظت تأسيسات الكتريكي بلكه در خودكار كردن آنها نيز مورد استعمال بسيار دارد.
رله زماني هيچ وقت به تنهايي به‌كار برده نمي‌شود، بلكه با رله سنجشي در حفاظت شبكه الكتريكي مصرف ميشود و مورد استعمال آن در محلي است كه خواسته باشيم عمداً تأ
خيري در عمل قعط و وصل ايجاد كنيم.
دقت يك رله زماني بايد بسيار زياد و قابل تنظيم تا چند دهم ثانيه باشد. در غير اينصورت اگر چندين رله زماني در مداري بطور متوالي نصب شود موجب قطع بي‌موقع قسمتي از شبكه مي‌گردد و عمل حفاظت موضعي مختل مي‌گردد.
3 ـ 1 ـ 2) رله جهت ياب (Richtungsrelais)
براي كنترل و سنجش توان و نيرو در شبكه الكتريكي و يا قسمتي از شبكه جريان متناوب از رلهء جهت‌ياب استفاده ميشود. تعيين جهت نيرو براي حفاظت محلي و سلكيتو در اغلب شبكه‌ها كاملاً ضروري و لازم است. به كمك رله جهت‌ياب مي‌توان فقط آن قسمت از شبكه كه خسارت ديده و معيوب شده است از مدار خارج كرد، حتي مي‌توان از اين رله جهت حفاظت ژنراتور و توربين در موقع برگشت نيرو نيز استفاده نمود.
4 ـ 1 ـ 2) رله خبردهنده (Melderelais)
وظيفه رله خبردهنده نمايان ساختن و مشخص كردن تغييراتي است كه در تغذيه شبكه پيش آمده است خواه اين تغييرات تعمدي و يا در اثر اتفاق و خطائي در شبكه، خودبخود بوجود آمده باشد بعبارت ديگر رله خبردهنده نشان مي‌دهد كه كدام كليد قدرت در اثر خطائي كه در شبكه بوجود آمده قطع شده است. بعضي از رلههاي خبردهنده علت قطع شدن و پريدن كليد خودكار را نيز مشخص مي‌كند. در ضمن رله خبردهنده نشان مي‌دهد كه آيا كليد قدرتي كه مي‌بايست قطع شود، قطع شده يا بعلت اختلالاتي كه در مدار فرمان آن موجود است، فرمان قطع به كليد نرسيده و كليد بحالت وصل باقي مانده است.
5 ـ 1 ـ 2) رله كمكي (Hilfs relais)
رله سنجشي اغلب در موقعي كه خطائي در شبكه پيش مي‌آيد عامل بستن كليد يا كنتاكتي است كه توسط آن مدار فرمان قطع كليد بسته ميشود، زيرا نيروي مكانيكي رلهء سنجشي براي قطع كردن كليدهاي قدرت با فنرهاي سنگين و محكم به هيچ‌وجه كافي نمي‌باشد.
از اين جهت است كه رله سنجشي مستقيماً كليد قدرت را قطع نمي‌كند، بلكه موجب تحريك رله ديگري به اسم رله فرعي يا رله كمكي ميشود. اين رله داراي مدار تغذيه جداگانه و مستقلي است و بوسيلهء جريان دائم با ولتاژ 110 يا 220 ولت تغذيه ميشود و داراي چنان نيروئي است كه ميتواند كليدهاي فشار قوي با قدرت زياد را قطع و وصل كند در ضمن مي‌توان از رله كمكي براي نشان دادن نوع خطا نيز استفاده كرد.
يك رله حفاظتي اغلب براي اينكه بتواند وظيفه محافظت خود را به نحو كامل انجام دهد، بايد از تعداد زيادي رله سنجشي و رله كمكي و ترانسفورماتور جريان و ولتاژ و مقاومت سري و يكسوك
ننده تشكيل شده باشد. اين رلههاي مختلف اعضاي يك رله كامل را تشكيل مي‌دهد. اين عضوها برحسب عملي كه انجام مي‌دهند به نامهاي مختلف از قبيل عضو تحريك‌كننده، عضو جهت‌دهنده، عضو خبردهنده و غيره مشخص مي‌شوند.
اين عناصر مي‌توانند در يك دستگاه جمع شوند و تشكيل يك واحد حفاظتي را بدهند و يا اينكه بطور مجزا و جداگانه در تابلوي حفاظت شبكه نصب گردند.
2 ـ 2) انواع رله بر مبناي كميت اندازه‌گيري
يكي از روشهاي دسته‌بندي رله‌ها تقسيم‌بندي براساس وظيفه آنهاست به عبارت ديگر اين تقسيم‌بندي براساس پارامتري كه رله اندازه مي‌گيرد استوار است.
در تقسيم‌بندي كه بر مبناي كميت اندازه‌گيري استوار است رله‌ها براساس تنظيم اوليه معين‌شده كار مي‌كنند.
رله‌ها بر مبناي كميت اندازه‌گيري شامل انواع زيرند:
1 ـ رلههاي جرياني
2 ـ رلههاي ولتاژي
3 ـ رلههاي توان
4 ـ رلههاي جهت‌دار
5 ـ رلههاي فركانسي
6 ـ رلههاي حرارتي
7 ـ رلههاي ديستانس
8 ـ رلههاي تفاضلي
1 ـ 2 ـ 2) رلههاي جرياني:
اين رله‌ها در يك مقدار مشخص جريان (تنظيم جرياني) كه قبلاً معين شده است كار مي‌كنند رلههاي جرياني شامل رلههاي جريان زياد و جريان كم هستند.
2 ـ 2 ـ 2) رلههاي ولتاژي:
اين رله‌ها در يك مقدار مشخص از ولتاژ (تنظيم ولتاژي) كه قبلاً معين شده است شروع به كار مي‌كنند. رلههاي ولتاژي نيز همانند رلههاي جرياني به رلههاي ولتاژ زياد و رلههاي ولتاژ كم تقسيم مي‌شوند.
3 ـ 2 ـ 2) رلههاي توان:
اين رله‌ها براساس يك ميزاني از قدرت عمل مي‌كنند. رلههاي توان به دو دسته قدرت كم و قدرت زياد تقسيم مي‌شوند.
4 ـ 2 ـ 2) رلههاي جهت‌دار:
ـ جريان متناوب: اين رله‌ها براساس ارتباط زاويه فاز بين كميت‌هاي آن عمل مي‌كنند.
ـ جريان مستقيم: رلههاي جهت‌دار براساس جهت جريان عمل كرده و معمولاً رلههاي با مغناطيس دايم و سيم‌پيچ متحرك هستند.
5 ـ 2 ـ 2) رلههاي فركانسي:
رلههاي فركانسي براساس فركانس از قبل تعيين‌شده عمل مي‌نمايند. اين رله‌ها شامل فركانس كم و فركانس زياد هستند.
6 ـ 2 ـ 2) رلههاي حرارتي:
رلههاي حرارتي بعنوان عناصر حفاظتي در يك درجه حرارت تعيين‌شده عمل مي‌نمايند.
7 ـ 2 ـ 2) رلههاي ديستانس:
رلههاي ديستانس بر طبق فاصله بين ترانسفورماتورهاي حفاظتي و خطا عمل مي‌كنند. به عبارت ديگر فاصله به كمياتي چون مقاومت، راكتانس يا امپدانس، تبديل شده و اندازه‌گيري ميشود.
8 ـ 2 ـ 2) رلههاي تفاضلي:
عملكرد اين رله‌ها براساس تفاضل مقداري يا برداري دو كميت همچون جريان الكتريكي يا ولتاژ استوار است.
رلههاي حفاظتي از يك يا چند واحد تشخيص‌دهنده خطا به همراه واحدهاي كمكي ضروري تشكيل شده‌اند. واحدهاي اساسي براي سيستمهاي حفاظتي مي‌توانند به واحدهاي الكترومكانيكي، استاتيكي، نيمه‌هاديها و ميكروپروسسوري تقسيم شوند. رلههاي الكترومكانيكي به رلههاي جذب مغناطيسي، القاء مغناطيسي و يا دارسونوال و حرارتي تقسيم‌بندي مي‌شوند. رلههاي استاتيكي داراي اجزائي با قدرت كم هستند كه در قالب تقويت‌كننده‌هاي عملياتي طراحي شده‌اند. حفاظت‌هاي ميكروپروسسوري به مانند سيستمهاي با برنامه كار مي‌كنند و مي‌توان روي آنها برنامه‌ريزي كرد و همچنين داراي قابليت انعطاف زيادي هستند.
از طرفي مي‌توان سيستمهاي حفاظتي را از نظر نوع تجهيزاتي كه حفاظت مي‌كنند، تقسيم‌بندي كرد كه اين دو نوع تقسيم‌بندي به سيستمهاي واحد و غيرواحد معروفند.
الف) سيستم واحد:
سيستم حفاظتي به نحوي طراحي شده است كه فقط براي شرايط غيرعادي در منطقه حفاظت‌شده شبكه قدرت عمل كند. و به سيستم حفاظتي واحد معروف است.
ب) سيستم غيرواحد:
سيستم حفاظتي طوري طراحي شده است كه تنها از يك قطعه واحد تجهيزات شبكه حفاظت نمي‌كند و يا نواحي قطع آن به‌طور مشخص تعريف شده است كه به سيستم حفاظت غيرواحد موسم است رلههاي جريان زياد و ديستانس از نوع رلههاي غيرواحد هستند.
فصل سوم
حفاظت تفاضلي
مقدمه:
سيستمهايي كه فقط براي ناحيه حفاظتي تعريف شده عمل مي‌كنند و در خارج از آن ناحيه به هيچ‌وجه عمل نمي‌نمايند، سيستمهاي حفاظت واحد ناميده مي‌شوند. يكي از انواع مشهور اين سيستمها، حفاظت تفاضلي است.
حفاظت تفاضلي از نوع حفاظت انتخاب‌كننده مطلق مي‌باشد. اساس كار اين نوع حافظت بر مبناي اندازه‌گيري دامنه و زاويه جريانهاي دو طرف ناحيه حفاظت‌شده مي‌باشد. در اين نوع سيستمها اغلب از سيمهاي پيلوت به عنوان يك وسيله ارتباطي استفاده ميشود كه جهت حفاظت خطوط كوتاه به‌كار مي‌رود. امروزه از اين سيستم جهت خطوط بلند هم استفاده ميشود با اين تفاوت كه در اين حالت PLC يا ميكروويو، جهت واسطه ارتباطي به‌كار گرفته مي‌شوند. پس اين نوع حفاظت حتماً احتياج به يك سيستم ارتباطي دارد و بدون ارتباط، حفاظت وجود نخواهد داشت; به همين خاطر در طرحهاي عملي، در كنار اين سيستم از حفاظت انتخاب‌كننده نسبي نيز كمك گرفته ميشود.
معمولاً دو سري ترانسفورماتور جريان داريم كه دروازه‌هاي ورودي و خروجي (مرزهاي) به آ
ن ناحيه حفاظتي هستند. جريان ورودي به ناحيه حفاظت شده بايد با جريان خروجي از ناحيه در شرايط ايده‌آل سالم برابر باشد. وقتي روي سيستم خطا وجود دارد ديگر اين دو جريان مساوي نيستند پس مي‌توانيم بگوئيم رله تفاضلي براساس اختلاف جريان بين ورودي و خروجي عمل مي‌كند. وقتي خطايي رخ نداده باشد، جريان ورودي و خروجي برابرند. جريان از رله نمي‌گ
ذرد اما وقتي خطا در داخل ناحيه حفاظت‌شده رخ دهد اين اختلاف از رله مي‌گذرد و باعث عمل كردن رله ميشود. در اين نوع رله به كانال ارتباطي بين دو دروازه احتياج داريم. يك تفاوت اساسي بين اين سيستم و سيستم رلهء واحد رلههاي ديستانس وجود دارد; در آنجا فقط يك سيگنال قطع فرستاده ميشود اما در اينجا خود سيگنال جريان يا ولتاژ در كانال ارتباطي سيستم (پيلوت) برقرار ميشود شكل (1) طرح كلي يك سيستم حفاظت تفاضلي را نشان مي‌دهد.
شكل (1) سيستم حفاظت تفاضلي
1 ـ 3) انواع سيستمهاي حفاظت تفاضلي
دو نوع سيستم حفاظت تفاضلي وجود دارد:
1 ـ سيستم جريان گردش كه در مورد المانهاي با طول كوتاه در سيستم قدرت به‌كار برده ميشود; مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها، و شينه‌ها كه فاصله بين دروازه ورودي و خروجي در آنها طولاني نيست.
2 ـ سيستم ولتاژ متقارن كه براي نواحي حفاظتي طولاني مثل خط توزيع به‌كار برده ميشود.
1 ـ 1 ـ 3) سيستمهاي حفاظت جريان گردشي
شماي كل حفاظت جريان گردش بصورت شكل زير مي‌باشد. جريان 1I توسط ترانسفورماتور جريان اول (1CT) و جريان 2I توسط ترانسفورماتور جريان دوم (2C.T) منتقل مي‌شوند. اگر ناحيه حفاظتي شينه باشد. نسبت تبديل C.Tها با هم برابر است. ولي اگر ناحيه حفاظتي، ترانسفورماتور باشد، نسبت تبديل C.Tها ممكن است يكسان نباشد. در هر دو حالت سيستم به‌گونه‌اي است كه به ازاي جريان بار يا خطا در خارج از ناحيه حفاظتي، جريانهاي 1I و 2I با هم برابرند.
شكل (2) ساختار كاربرد رله تفاضلي
اگر 2I = 1I باشد ولتاژ دو سر (vxy) صفر خواهد بود و بنابراين جريان از آن نمي‌گذرد (شرايط ايده‌آل)
رله براي شرايط بار و خطاي خارج از ناحيه حفاظتي‌اش بايد پايدار باشد لذا در رله تفاضلي نيز بدترين شرايطي را كه رله بايد در آنها پايدار باشد منظور نموده و پارامترها را به‌گونه‌اي محاسبه مي‌كنيم كه پايداري حاصل آيد. يعني فرض مي‌كنيم كه بدترين خطاي خارج از ناحيه حفاظتي رخ داده باشد. از آن جهت كه بطور طبيعي C.Tها كاملاً با هم مشابه نيستند، ممكن است براي بدترين خطاي خارج از ناحيه حفاظتي مسئله اشباع آنها پيش بيايد. اگر يكي از C.Tها به اشباع برود، جريان آن كاهش مي‌يابد. يعني در حالت سالم بودن هر دو C.T، جريانهاي ثانويه با هم برابر هستند ليكن در حالتي كه يكي از C.Tها به اشباع رفته است و C.T ديگري نسبت تبديل خود را حفظ نموده است. 1I و 2I با هم برابر نخواهند بود و چنانچه جريان عبوري از رله، از تنظيم آن بيشتر باشد، رله عمل مي‌كند در حاليكه رله نبايستي براي چنين حالتي عمل كند. لذا مشخصات رله بايد به‌گونه‌اي باشد كه رله عمل نكند و پايدار بماند.
براي پايدارسازي دو روش به‌كار برده ميشود:
الف) استفاده از رلههاي امپدانس بالا و مقاومت پايدارساز
ب) رلههاي باياس
2 ـ 1 ـ 3) حفاظت تفاضلي با موازنه ولتاژ
چنانچه از حفاظت جريان گردشي، براي حفاظت خطوط استفاده شود جريانها وارد سيمهاي پيلوت مي‌شوند. در اين حالت با توجه به طولاني بودن مسير سيمهاي ارتباطي (پيلوت)، عملاً امپدانس بزرگي (1000 تا 1500 اهم) ديده ميشود; اين امر باعث افت ولتاژ و مصرف زياد روي ترانسفورماتور جريان خواهد شد. به عنوان نمونه در شرايط معمول روي C.T با مشخصات KVA1 و 1 آمپر، KV1 افت ولتاژ خواهيم داشت كه چنين مقداري در يك شبكه ممكن نيست.
به عبارت ديگر، اگر چنين سيستمي به فيدرهايي (خطوطي) با طولهاي چندين كيلومتر متصل شود به نيروي الكتروموتوري (emf) زيادي نياز است تا بتواند جريان گردشي حدود 5 يا 1 آمپر در بار كامل يا چندين برابر جريان نامي در خطاهاي خارجي در حلقه پيلوت بوجود آورد. نتيجه اين امر ميزان مصرف خيلي زياد C.Tخواهد بود كه براي طرحهاي C.Tمعمولي غيرعملي مي‌باشد.
لذا به منظور حل اين مشكل، يكي از C.Tها را بصورت عكس مطابق شكل (3) مي‌بنديم; در اين حالت با بروز يك خطاي خارجي، دو نيروي الكتروموتوري (emf) در ثانويه C.Tها در جهت
مخالف يكديگر بوده و جريان عبوري از دو رله صفر خواهد بود به عبارت ديگر از سيستم تعادل و نامتعادلي ولتاژ استفاده مي‌كنيم اين سيستم در شرايط بار و ايجاد خطاهاي خارجي، باعث اشباع C.Tها ميشود بدين ترتيب هر دو C.T وارد ناحيه كار غيرخطي خود مي‌شوند. بنابراين اين سيستم نمي‌تواند مورد استفاده باشد.
شكل (3) سيستم حفاظتي تعادل ولتاژ
روش ديگري كه در اينجا پيشنهاد ميشود استفادها از C.Tهاي خاص است. اگر بتوانيم از
C.Tهايي استفاده كنيم كه به اشباع نروند و در گسترهء خطي خود باقي بمانند و در عملكرد رله‌ها اشكال ايجاد نكنند مناسب خواهد بود. بنابراين ما احتياج به C.Tهاي خاصي داريم C.Tهايي كه در هستهء آنها فاصلهء هوايي وجود دارد. براي اين منظور پيشنهاد مي‌شوند. اين فاصله هوايي باعث ميشود كه منحني مشخصه مغناطيس‌شدگي هسته خطي نباشد و مانع به اشباع رفت
ن ترانسفورماتور جريان گردد.
در ساخت اين C.Tها بايد دقت زيادي صورت پذيرد و از آنجا كه مشابه بودن دو C.T بسيار اهميت دارد بايد در ساخت فواصل هوايي يكنواخت دقت شود.
براي كاهش تعداد سيمهاي پيلوت و كاهش هزينه‌ها و افزايش قابليت اعتماد در سيس
تم و استفاده نكردن از C.Tهاي خاص مطابق شكل (5) از ترانسفورماتورهاي جمع‌كننده استفاده مي‌كنيم. با اين روش علاوه بر استفاده از C.Tهاي معمولي، سيمهاي ارتباطي را نيز به دو رشته تقليل داده‌ايم.
سيستمهاي حفاظتي جديد (مدرن) را اغلب در ترانسفورماتور مجموع استفاده مي‌كنند كه داراي امتيازات زير هستند:
الف) C.Tهاي خطي در مدارها، داراي طرح معمولي با مصرف كم هستند.
ب) خروجي ترانسفورماتور جمع‌كننده، به يك سيستم پيلوت دو سيمه وصل شده و اين خروجي براي تشخيص هر نوع خطا در طرف اوليه خطوط مناسب است.
شكل (4): مدار كاربرد ترانسفورماتور جريان از نوع ترانسفورماتور با فواصل هوايي يكنواخت
شكل (5) ترانسفورماتور مجموع در حفاظت با موازنه ولتاژ
ساختمان يك ترانسفورماتور مجموع خيلي شبيه يك C.T است، به جز اينكه اوليه آن داراي پله‌هايي بوده و ميتواند در ثانويه با يك ثانويه باز عمل كند.
ترانسفورماتور مجموع به‌گونه‌اي طراحي شده است كه حتي با ثانويه باز، مصرف بسيار كمي روي C.T تحميل ميشود بنابراين مي‌توان آن را همانند C.T معمولي طراحي كرد.
3 ـ 1 ـ 3) سيستمهاي حفاظتي موازنه ولتاژ با توجه به اثر سيم پيلوت
طرح حفاظتي سيم پيلوت تعادل ولتاژ در شكل (6) نشان داده شده است. زماني اين سيستم عمل مي‌كند كه آمپر دور موثر سيم‌بندي عمل‌كننده بزرگتر از آمپر دور موثر سيم‌بندي بازدارنده باشد. خروجي مدارهاي عمل‌كننده و بازدارنده وارد يك مقايسه‌كننده دامنه دو ورودي مي‌شوند و اگر اديستانس مدار پيلوت از مقدار K. Yr تجاوز كرد رله فرمان قطع صادر مي‌كند.
شكل (6) اساس تعادل ولتاژ با نمايش پارامترهاي سيمهاي پيلوت
Yr: اديستانس مدار بازدارنده
2 ـ 3) عوامل موثر در طراحي
1 ـ 2 ـ 3) نوع عنصر رله
عناصر القايي با يك ديسك چرخان بطور وسيع براي طرحهاي حفاظتي با سرعت عملكرد متوسط بكار مي‌روند. طرح گرايشي عموماً در اين عناصر با اضافه كردن يك حلقه مقاومت پايين به يكي از بازوهاي هسته الكترومغناطيسي ايجاد مي‌گردد.
در سيستمهاي سرعت بالا عنصر رله عموماً به‌طور نمونه از نوع دوراني يا كويل حركت
محوري مي‌باشد كه در آنها يك كويل، كه شامل دو قسمت كه به ترتيب براي عملكرد و گرايش بين دو قطب يك مغناطيس دائم عمل مي‌كند اين رله از نوع d.c بوده و كويلها به وسيله يكسوساز تغذيه مي‌شوند.
2 ـ 2 ـ 3) تجهيزات ورودي جريان:
از نقطه نظر اقتصادي مناسب است كه هر سيستم تفاضلي حفاظت خط در صورت امكان فقط نياز به دو هادي پيلوت داشته باشد. اين موضوع فقط وقتي قابل حصول است كه تجهيزات ورودي جريان براي عناصر رله داراي وسيله‌اي براي كاهش مقادير ورودي متعدد از يك سيستم سه فاز اوليه به يك سيگنال واحد براي مقايسه در مدار پيلوت باشند.
ساده‌ترين روش توليد يك خروجي تك فاز استفاده از يك سيم و پيچ جمع‌كننده اوليه در يك ترانسفورماتور جريان كمكي واسط مي‌باشد.
براي سيستمهاي ولتاژ تعادلي ترانسفورماتور جمع‌كننده كمكي ميتواند داراي طرح قائم باشد كه داراي يك فاصله هوايي در هسته مي‌باشد. بطوريكه يك ارتباط خطي به‌طور نامي بين جريان ورودي و ولتاژ خروجي به‌وجود مي‌آيد.
3 ـ 2 ـ 3) مشخصه‌هاي پيلوت
در بسياري از سيستمهاي توزيع صنعتي طول سيم پيلوت خيلي كوتاه مي‌باشد و اثرات مقاومت و خازن پيلوت و ولتاژهاي القاء شده در آن مي‌توانند بطور كامل صرفنظر شوند. با وجود اين، از آنجايي كه بسياري از طرحهاي حفاظتي داراي تجهيزاتي براي جبران‌سازي اثرات پيلوتهاي بلند مي‌باشند، بايد اين اثرات در نظر گرفته مي‌شوند.
تغيير وسيع مشخصه‌هاي سيم پيلوت يك مسئله بزرگ در طراحي حفاظت تفاضلي عملي مي‌باشند بخصوص وقتي كه وجود خازن‌هاي موازي باعث اختلاف فازي و دامنه‌اي در جريان پيلوت مي‌گردد. دو گروه اصلي هادي پيلوت وجود دارند، كه مي‌توانند به وسيله مقاومت در واحد طول و نسبت مقاومت به ظرفيت خازن متمايز گردند.
1 ـ پيلوتهاي با نسبت مقاومت به ظرفيت خازني كوچك
بطور كلي كابل مسي با سطح مقطع 5/2 ميلي‌متر مربع براي پيلوتهاي اين گروه به‌كار گرفته مي‌شوند. ظرفيت خازني بين هسته‌اي در واحد طول اين نوع پيلوتها نسبتاً زياد بوده و اين امر عموماً ملاحظه‌اي اساسي در تعيين حداكثر طول فيدر مي‌باشد كه ميتواند با آ
رايشهاي طراحي شده براي چنين پيلوتهايي حفاظت شود. عملاً همه طرحهاي حفاظتي سيستمهاي توزيع در اين مقوله قرار مي‌گيرند.
2 ـ پيلوتهايي با نسبت مقاومت به ظرفيت خازني بالا
اينها بطور كلي طرحهاي كابل نوع تلفني هستند كه اين نوع از پيلوت را به‌كار مي‌برند و محدود به خطوط انتقال ولتاژ بالا مي‌شوند.
در بسياري از سيستمهاي حفاظتي، مقاومت و ظرفيت خازني پيلوت براي كاهش خطاها جبران‌سازي مي‌گردند.
4 ـ 2 ـ 3 نيازهاي عايقي
هنگاميكه يك خطاي اتصال زمين بر روي يك خط انتقال رخ مي‌دهد، جريان از فاز خطادار عبور مي‌كند و يك ميدان مغناطيسي متناوب در حول آن به‌وجود مي‌آورد. اگر شار مغناطيسي هر هادي، بعنوان مثال سيم پيلوت را قطع نمايد ولتاژي در آن القاء مي‌گردد. اين اثر در بدترين حالت در خطوط هوايي اتفاق مي‌افتد، زيرا جريان بازگشتي كه ميتواند يك ميدان مغناطيسي مخالف توليد نمايد در فاصله‌اي دورتر از زمين عبور مي‌كند. در يك سيستم كابلي قسمتي از جريان بازگشتي ميتواند در غلاف فلزي كابل جريان يابد و بنابراين ولتاژ القايي كوچك خواهد بود. البته اختلافي در پتانسيل زمين دو محل وجود دارد كه ميتواند عايق‌بندي تجهيزات متصل‌شده به پيلوت را تحت فشار قرار دهد.
در يك جفت سيم پيلوت ولتاژ مشابهي در هر سيم القا مي‌گردد و بنابراين ولتاژ بين دو سيم پيلوت عملاً صفر است، كه اين ولتاژ القايي بين دو انتهاي پيلوت مي‌باشد. براي جلوگيري از ايجاد جريان گردشي توسط ولتاژ القايي، مدار پيلوت از زمين ايزوله ميشود و همه تجهيزات متصل به پيلوت بايد نسبت به زمين در سطحي عايق شوند كه مانع از آسيب رسيدن توسط ولتاژهاي القايي گردند.
5 ـ 2 ـ 3) حساسيت:
اتصالات متداول به يك ترانسفورماتور جمع‌كننده، پايين‌ترين تنظيم‌ها را براي خطاهاي زمين مي‌دهند، كه به‌طور نمونه در محدوده 10 تا 40 درصد جريان نامي مي‌باشند. تنظيمهاي خطاي فازي بالاتر هستند و رابطه آنها وابسته به نسبت دورهاي سيم‌پيچ اوليه ترانسفورماتور جمع‌كننده مي‌باشد.
در صورتي كه جريان بار عبوري در سطحي جاري شود كه وابسته به نسبت ترانسفورماتور جريان جمع‌كننده و مشخصه گرايشي باشد استفاده از گرايش در سيستمهاي حفاظتي منجر به تنظيمهاي بالاتري ميشود، تنظيم‌ها به مقداري متناسب با گرايش افزايش مي‌يابند، اما تنظيمي ميتواند استفاده شود كه ممكن است به صورت خطرناكي براي يك طرح بدون گرايش پايين باشد.
6 ـ 2 ـ 3) نيازهاي پايداري
الف) شرايط خطاي عبوري:
مسئله‌اي كه تحت شرايط سه فاز وجود دارد جريان سرريز مي‌باشد كه در اتصال صفر ترانسفورماتور جريان جاري ميشود و بنابراين از قسمت عمده سيم‌پيچ اوليه ترانسفورماتور جريان جمع‌كننده عبور مي‌كند. با بكارگيري يك مقاومت پايداركننده به‌طور سري در اتصال صفر، جريان سرريز ميتواند كاهش يابد و بنابراين پايداري سه فاز بهبود حاصل نمايد.
ب)شرايط جريان هجومي مغناطيس‌كننده:
خطوط و بخصوص تركيب خط و ترانسفورماتور، ممكن است در معرض جريان هجومي مغناطيس‌كننده، وقتي كه ترانسفورماتورهاي قدرت برق‌دار مي‌شوند، قرار گيرند. جريان مغناطيس‌كنندگي از هر پايانه خط عبور مي‌كند، اما ممكن است باعث افزايش جريانهاي نابرابر در ترانسفورماتورهاي جريان اصلي حفاظت خط گردد. به اين دليل يك طرح گرايشي هارمونيكي به بعضي سيستمهاي حفاظتي اضافه مي‌گردد.
ج) جريان شارژكننده خط:
جريان شارژكننده كه توسط يك خط كشيده ميشود فقط ميتواند از يك انتهاي خط عبور كند و بنابراين قادر است كه يك سيستم حفاظتي را نامتعادل كرده و منجر به تريپ مدار شود در خطوط انتقال هوايي، جريان شارژكننده بسيار كمتر از سطح عملكرد حفاظتي مي‌باشد و بنابراين مي‌توان از آن صرفنظر كرد. وليكن كابلها داراي سطوح بالاتري از جريان شارژكننده هستند و اين امر ميتواند حداقل سطوح مجاز عملكرد را براي تضمين پايداري حفاظتي تعيين كند. معمولاً در رله‌ها وسيله‌اي براي افزايش حداقل تنظيم در مواقع ضروري كار گذاشته ميشود.
3 ـ 3) تجهيزات كمكي
1 ـ 3 ـ 3) رلههاي چك‌كننده يا راه‌اندازي
وقتي كه تنظيم سه فاز يك سيستم حفاظت تفاضلي كمتر از جريان بار باشد خرابي مد
ار پيلوت ميتواند باعث عملكرد ناخواسته حفاظت شود. بنابراين وقتي كه نمي‌توان از سالم بودن مدار پيلوت مطمئن بود روش معمول اين است كه از رلههاي راه‌اندازي يا چك‌كننده همراه با حفاظت اصلي استفاده شود، به‌طوري كه تنظيم موثر سه فاز از حداكثر سطح بار تجاوز نمايد. رلههاي چك‌كننده يا راه‌اندازي معمولاً از نوع آرميچر جذبي مي‌باشند كه كويلهاي آنها به سرهاي قرمز، آبي و صفر اتصالات ثانويه ترانسفورماتورهاي جريان اصلي متصل مي‌باشند.
رلههاي راه‌اندازي، رله‌هايي هستند كه به صورتي ترتيب داده شده‌اند كه در حالت خاموش مانع عملكرد حفاظت اصلي، به عنوان نمونه با اتصال كوتاه كردن مدار عملكرد آن به وسيله كنتاكتهاي حالت عادي بسته مي‌شوند. رلههاي چك‌كننده كنتاكتهايشان بصورت سري ب كنتاكتهاي تريپ حفاظت اصلي مي‌باشند.
2 ـ 3 ـ 3) تجهيزات نظارت پيلوت
در نظارت سيم پيلوت، يك جريان d.c سطح پايين در انتهاي A تزريق شده و در انتهاي B آشكار مي‌گردد. در انتهاي A يك واحد يكسوساز ترانسفورماتوري به وسيله منبع تغذيه 240 ولت، 50 هرتز تغذيه مي‌گردد خروجي با وسيله واحد فيلتر صاف شده و رله، قطع تغذيه نظارتي را آشكار مي‌نمايد.
يك رله هشداردهنده مشابه، كه بطور مناسبي قطبي شده است، در مدار پيلوت در انتهاي ديگر خط وصل مي‌گردد، بطوريكه وضعيتهاي اتصال باز، اتصال كوتاه يا تقاطع پيلوتي را ميتواند آشكار نمايد. عناصر ساده تأخير زماني در هر انتهاي خط به‌كار گرفته مي‌شوند تا مانع از اعلام هشدار در هنگام شرايط خطا شوند. يك عيب اين سيستم اين است كه رله هشداردهنده در يك نقطه دور قرار دارد. طرحهاي نظارتي وجود دارند كه مدار پيلوت بوسيلهء روش پل وتستون نظارت مي‌گردد، كه در آن حلقهء پيلوت بعنوان يك بازوي پل مي‌باشد. اگر مقاومت حلقه پيلوت بيش از يك محدودهء از قبل تعيين‌شده كه قابل تنظيم بين 5%± و 20%± مي‌باشد تغيير كند، در آن صورت يك آشكارساز عمل مي‌نمايد.
در بسياري از سيستمهاي صنعتي هيچ‌گونه كمبودي از نظر سيمهاي پيلوت وجود ندارد و كافي است كه سالم بودن كابلهاي چند سيمه پايش شود. اين موضوع ميتواند با پايش هسته‌هاي ذخيره كابل حاصل شود.
4 ـ 3) روشهاي انتقال اطلاعات در حفاظت تفاضلي
حفاظت در سيستمهاي قدرت بايد به‌گونه‌اي باشد كه نواحي حفاظتي به صورت روي هم بوده و حفاظت به صورت واحد نباشد، تا تمام سيستم قدرت تحت حفاظت قرار گيرد و هيچ بخشي از آن بدون حفاظت نماند. اگر خطايي در سيستم قدرت رخ داد بايد فقط رله‌هايي كه آن ناحيه را مي‌پوشانند عمل كنند تا هيچ قسمتي از سيستم قدرت بدون جهت قطع نگردد اگر خطايي در يك ناحيه اتفاق بيفتد و فقط رلههاي مربوط به آن ناحيه عمل كنند، به اين نوع حفاظت، حفاظت مطلق انتخاب‌شده گويند. يعني هر رله در ناحيه حفاظتي خودش عمل مي‌كند. سيستم حفاظتي
انتخاب‌شده همان حفاظت واحد است، كه يك نمونه از طرحهاي حفاظت تفاضلي واحد با استفاده از سيمهاي پيلوت مي‌باشد.
طرحهاي حفاظت تفاضلي با استفاده از سيمهاي پيلوت داراي محدوديتهايي در طول مي‌باشند كه حداكثر آن در حدود 25 كيلومتر است. اين سيمهاي پيلوت يا بصورت كابلهاي مخصوص هستند كه در زيرزمين دفن شده‌اند و يا بصورت خطوط تلفن شركت مخابرات استفاده مي‌شوند. حفاظت تفاضلي براي خطوط انتقال انرژي همانند حفاظت تفاضلي استفاده شده براي ژنراتور و
ترانسفورماتور است. يعني با قرار دادن وسايل اندازه‌گيري در ابتدا و انتهاي خط انتقال، از ولتاژ يا جريان، نمونه‌برداري ميشود. سپس اين مقادير مقايسه مي‌شوند. اين مقايسه در بعضي موارد مقايسه دامنه و در برخي حالات اختلاف فاز است. درنتيجه براي يك خط انتقال سه فاز بايست
ي براي هر فاز يك سيم پيلوت قرار داد. ولي براي جلوگيري از اين كار و جهت تامين اهداف اقتصادي، توسط ابزاري در ابتدا و انتهاي خط انتقال نمونه‌هايي را كه ولتاژ جريان سه‌فازه ميشود. به سيستم تك فاز تبديل مي‌كنند و طرح مقايسه دامنه و يا فاز، روي اين مقادير تك فاز، انجام ميشود. معمولا مقايسه دامنه براي طولهاي كم (خطهاي كوتاه) و مقايسه اختلاف فاز براي طولهاي زياد (خطهاي طولاني) انجام مي‌گيرد.
روشهاي ديگري كه براي حفاظت تفاضلي خط انتقال به كار برده مي‌شوند بدين صورت است كه براي انتقال اطلاعات بين ابتدا و انتهاي خط از هاديهاي خطوط انتقال استفاده ميشود. يعني خطوط انتقال در اين حالت علاوه بر انتقال نيرو، انتقال اطلاعات بين ابتدا و انتهاي خط را نيز به عهده دارند كه به اين سيستم PLC ميگويند. در اين حالت اطلاعات گرفته شده از ابتدا و انتهاي خط ، به سيگنال با فركانس بالا تبديل شده كه اين سيگنالها مي‌توانند روي سيمهاي انتقال به فواصل دور انتقال داده شوند.
اگرچه وسايل و تجهيزات به كار رفته در اين روشها با يكديگر متفاوتند ولي هركدام از طرحها مقدار زيادي با يكديگر وجه اشتراك دارند. اشتراك اصلي آنها در سيستمهاي مقايسه‌كننده آنهاست، يعني در هر دو سيستم، نمونه گرفته شده از دو انتها با يكديگر مقايسه مي‌شوند.
روش ديگر استفاده از لينكهاي راديويي مي‌باشد. در اين روش از كانال امواج راديويي با فركانس بالا برا ي انتقال اطلاعات بين ابتدا و انتهاي خط استفاده ميشود كه يك روش بسيار جالب در حفاظت خطوط انتقال است.
اساس و مبناي روشهاي گفته شده براي حفاظت تفاضلي فيدر در شكل (7) نشان داده شده است.
شكل (7) اساس سيستم حفاظت تفاضلي با استفاده از سيستم PLC
C.T : ترانس جريان
F.C : آشكارساز خطا
S.D : عضو جمع كننده
T/R : دريافت‌كننده
5-3) منحني مشخصه ايده‌آل طرحهاي حفاظت تفاضلي توسط سيم پايلوت
در شكلهاي (8) و (9) دو نمونه از منحني مشخصه‌هاي طرحهاي حفاظت تفاضلي نشان داده شده است كه برحسب نسبت موثر خروجيها، از وسايل و ابزار جمع‌كننده در دو انتهاي خط حفاظت‌شده در دو سوي محور قائم، جدا شده‌اند. همانطوريكه از روي شكل پيداست منحني مشخصه دايره‌اي شكل از مقايسه فاز و دامنه به دست مي‌آيد. در صورتيكه اگر فقط دامنه‌ها مقايسه شوند يك خط راست به دست خواهد آمد.
سيستم حفاظت با سيم پيلوت ميتواند داراي هر دو منحني باشد. ولي سيستمهاي جريان انتقال فقط ميتواند يك مقايسه فاز كوچك را نشان دهند. ناحيه مكان به طور ايده‌آل براي طرح حفاظت تفاضلي بايد نقطه 1<0 از صفحه مختلط IA/IB<f در برداشته باشد.
شكل (8) : مقايسه فاز
شكل (8) : مقايسه فاز
شكل (9) : مقايسه فاز و دامنه
فصل چهارم
رلههاي پيلوتي سيمي
مقدمه :
اصطلاح "پيلوتي" به اين معني است كه در انتهاي خط انتقال نيرو را نوعي كانال به هم مي‌پي
وندد كه به كار مبادله اطلاعات مي‌آيد. امروزه سه نوع از اين كانالها وجود دارد كه آنها را "پيلوت سيمي" "پيلوت جريان كارير" و "پيلوت ميكروموج" ميگويند.
پيلوت سيمي معمولا از مدار دو سيمهاي از نوع خطوط تلفني بصورت لخت يا كابل تشكيل ميشود و غالبا اينگونه مدارها را از شركت تلفن محل، اجاره مي‌كنند. پيلوت جريان كارير ويژه رلهگذاري حفاظتي ٍ آن است كه جريانهاي فشار ضعيف پربسامد (بين 30 تا 20 كيلوسيكل) در طول يكي از سيمهاي خط انتقال نيرو به گيرنده‌اي واقع در سر ديگر منتقل ميشود و زمين و سيم زمين معمولا به جاي سيم برگشت عمل مي‌كنند.
پيلوت ميكروموج، سيستم راديويي پربسامدي است كه در فركانسهاي بالاي 900 مگاسيكل كار مي‌كند. پيلوت سيمي، بيشتر براي فواصل 8 تا 16 كيلومتر اقتصادي است و بعد از آن غالبا پيلوت جريان كارير باصرفه‌تر خواهد بود.
پيلوتهاي ميكروموج هنگامي به كار مي‌روند كه تعداد خطوطي كه نياز به كانال پيلوت دارند از ظرفيت فني و اقتصادي جريان كارير بيشتر شود.
1-4) مزيت پيلوت
شكل (1) نمودار تك خطي يك قطعه خط انتقال نيرو بين ايستگاههاي BوA است كه قسمتي از قطعه مجاور بعد از ايستگاه B را نيز نشان مي‌دهد.
شكل (1) : قطعه خط انتقال نيرو برا ي نشان دادن مزيت پيلوت
فرض كنيم در ايستگاه A هستيم و در آنجا وسايل اندازه‌گيري بسيار دقيقي براي خواندن ولتاژ جريان و اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان قطعه خط AB در اختيار داريم. با دانستن مشخصه‌هاي امپدانس واحد طول خط و فاصله بين BوA مي‌توان مانند رله فاصله، اختلاف بين اتصال كوتاه را در دو نقطه C واقع در وسطهاي خط و D واقع در آخرهاي آن تشخيص داد. اما احتمالا نمي‌توان بين اتصال كوتاه در نقطه D و عيبي كه در نقطه E، بعد از كليد قطع خط مجاور پيدا شود تغيير داد، زيرا امپدانس بين EوD آنچنان كوچك خواهد بود كه اختلاف ايجاد شده در اندازه‌گيري كميتها قابل چشم‌پوشي است. حتي اگر اختلاف مختصري را هم نشان دهند، نمي‌توان مطمئن بود كه چه مقدار از اين اختلاف در اثر خطا (هرچندكم) در وسايل اندازه‌گيري يا مبدلهاي ولتاژ و جرياني است كه وسايل اندازه‌گيري را تغذيه مي‌كنند و يقينا اگر امواج انحرافي جريان هم در كار آيند، دشواري مسئله بيشتر خواهد شد. در چنين وضعي قبول اين مسئوليت كه كليد براي اتصالي در نقطه D قطع كند اما براي E قطع نكند آسان نخواهد بود.
اما اگر در ايستگاه B مستقر باشيم، علي‌رغم خطا در وسايل اندازه‌گيري يا منابع تغذيه و اينكه موجهاي انحرافي در كار باشد يا نباشد مي‌توان قطعا تعيين كرد كه آيا عيب در نقطه D بوده
يا در E. زيرا عملا در اين مورد سوي جريانها كاملا معكوس است و به عبارت ديگر تقريبا º 180 اختلاف فاز وجود دارد.
بنابراين آنچه در ايستگاه A لازم داريم نوعي نشانه است كه چه وقت زاويه فاز جريان در ايستگاه B (نسبت به جريان در A) تقريبا º180 درجه با زاويه فاز جريان اتصال كوتاه در قطعه خط مورد حفاظت، اختلاف پيدا كرد علامتي به ايستگاه اول فرستاده شود.
2-4) پيلوتهاي قطع‌كننده و سدكننده
حال كه معلوم شد فايده پيلوت، انتقال پاره‌اي علامات از يك سر قطعه خط به سر ديگر است تا
مي‌آيند به‌كار بسته شود. اگر وسايل رلهگذاري يك سر خط بايد نمونه جريان يا علامتي را از سر ديگر دريافت كنند تا جلوي قطع را در آن سر بگيرند پيلوت را "سدكننده" ميگويند. اما اگر يك سر نتواند بدون دريافت علامت يا نمونه جريان از سر ديگر قطع شود پيلوت را "قطع‌كننده" مي‌نامند. بطور كلي اگر يك دستگاه رلهگذاري پيلوتي در يك سر خط بتواند در حاليكه كليد سر ديگر خط، بسته است اما جرياني در آن سر وجود ندارد بر روي اتصالي در خط قطع كند آن را پيلوت سدكننده و در غير اينصورت، قطع‌كننده مي‌خوانند. احتمالاً از مطالب بالا آشكار ميشود كه پيلوت سدكننده اگر نوع مطلوب هم نباشد بر پيلوت قطع‌كننده ترجيح دارد.
3 ـ 4) رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان مستقيم
از وسايل رلهگذاري پيلوتي سيمي مختلفي كه تاكنون ابداع شده‌اند، هنوز بسياري مشغول به‌كارند و در آنها علامتهاي جريان مستقيم با صورتهاي گوناگوني بر روي سيم پيلوت منتقل مي‌شوند.
براي پاره‌اي از كاربردها بعضي از اين ترتيبات از امتيازهايي برخوردارند. خاصه اگر فواصل كوتاه باشد و يا در بين راه در يك يا چند نقطه از خط، انشعابهايي گرفته شود. ولي مي‌توان گفت كه امروزه رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان مستقيم جز براي پاره‌اي كاربردهاي خاص، متروك شده است. در هر صورت، مطالعه بر روي اين نوع ميتواند برخي نيازهاي اساسي را كه در مورد وسايل رلهگذاري پيلوتي امروزي هم صدق مي‌كند روشن سازد.
مثالي از رلهگذاري پيلوتي با جريان مستقيم در شكل (2) نشان داده شده است. تجهيزات رلهگذاري سه ايستگاه در يك مدار متوالي شامل سيمهاي پيلوت و يك باتري واقع در ايستگاه A نشان داده شده‌اند. معمولاً باتري، سبب گذر جريان از كنتاكتهاي نوع ”b“ در رله اضافه جريان و پيچك رله ناظر در هر ايستگاه ميشود اگر اتصال كوتاهي در قطعه خط انتقال نيرو روي دهد، رله اضافي جريان، كنتاكت ”b“ خود را در هر ايستگاهي كه جريان اتصال كوتاه بگذرد باز خواهد كرد. اگر گذر جريان اتصال كوتاه در ايستگاه مفروضي رو به سوي خط باشد، رله سودار آن ايستگاه،
كنتاكهاي ”a“ خود را خواهد بست و بدين ترتيب مدار در اين ايستگاه طوري تغيير وضع مي‌دهد كه به جاي رله ناظر، رله قطع‌كننده كمكي را دربر گيرد. اگر اين حالت در ديگر ايستگاهها هم روي دهد، جريان از همه رلههاي كمكي قطع‌كننده در همه ايستگاهها خواهد گذشت و تمام كليدهاي سرخط قطع خواهد شد. ولي اگر اتصالي در خارج از قطعه خط اتفاق بيفتد، رله اضافه جريان واقع در ايستگاهي كه به محل عيب نزديكتر است برداشت خواهد كرد اما كنتاكتهاي رله سودار از بابت سوي جريان، بسته نمي‌شود و مدار در آن نقطه بازخواهد ماند و در نتيجه، جلوي وقوع قطع را در ايستگاههاي ديگر خواهد گرفت. اگر يك اتصالي داخلي روي دهد كه در اثر آن گذر جريان اتصالا جريان سيم پيلوت از رله كمكي ناظر مي‌گذرد .
شكل (2): نمايش وسايل رلهگذاري پيلوتي سيمي يا جريان مستقيم
D: رله سودار از نوع ادميتانس با مهار ولتاژ :O رله اضافي جريان
T: رله كمكي قطع‌كننده S:رله كمكي ناظر
Pw: سيم پيلوت
و باز هم قطع در دو ايستگاه ديگر صورت مي‌گيرد. (رله ناظر نه تنها مسير عبور جريان را به شرح بالا براي عمل قطع فراهم مي‌كنند بلكه مي‌توانند در هنگامي هم كه مدار سيمهاي پيلوت، باز يا اتصال كوتاه ميشود آژيري را به‌كار اندازند). پس اين آرايش، مشخصات پيلوت سدكننده را دارد كه در آن علامت سدكننده همان قطع جريان در مدار پيلوت است. ولي اگر رله اضافه جريان و رلهء ناظر را از مدار حذف كنيم به پيلوت قطع‌كننده مبدل ميشود زيرا در هيچ ايستگاهي نمي‌تواند عمل قطع صورت گيرد مگر آنكه همهء رلههاي سودار، كنتاكتهاي خود را ببندند و اگر جريان اتصال كوتاه از يك سر به سوي داخل نرود قطع غيرممكن خواهد بود.
4 ـ 4) رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان متناوب:
در رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان متناوب، مقدار جرياني كه از مدار پيلوت مي‌گذرد محدود است و فقط به يك پيلوت دو سيمه نياز خواهد بود. اين دو خصيصه، رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان متناوب را از نظر اقتصادي در فواصل بيشتر، موجه‌‌تر از رلهگذاري تفاضلي جريان مي‌سازد در اينجا بايد دو اصطلاح تازه براي تشريح اصول كار آشنا مي‌شويم: "جريان گردشي" و "ولتاژ متقابل". جريان گردشي بدين معني است كه جريان معمولاً در مبدلهاي جريان سر خط و پيلوت به گردش درمي‌آيد و "ولتاژ متقابل" يعني جريان بطور معمول در پيلوت به گردش درنمي‌آيد.
در شكل (3) در هر سر پيلوت يك رله توازن جريان به‌كار رفته است تا مجبور نشويم يك مدار قطع‌كننده در تمام طول پيلوت بكشيم.
شكل (3) نمايش اصلي جريان گردشي در رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان متناوب
در شكل (4) رله‌اي از نوع توازن جريان در هر سر، به‌كار رفته و مبدلهاي جريان طوري هم‌بندي شده‌اند كه وقتي جريان از طول خط به طرف بار مصرفي يا اتصالي خارجي بگذرد ولتاژهاي پيچكهاي مهار در دو سر پيلوت با يكديگر مقابله مي‌كنند. در نتيجه با فرض آنكه بين خروجيهاي مبدلهاي جريان، عدم توازني نباشد هيچ جرياني جز جريان شارژكننده از پيلوت نخواهد گذشت. پيچكهاي مهار از عملكرد رله در اثر اينگونه جريانهاي نامتوازن جلوگيري مي‌كنند. اما اگر اتصال كوتاهي در درون قطعه خط روي دهد. جريان در پيلوت به گردش درآمده رلههاي هر دو سر را به‌كار مي‌اندازد. جريان از پيچكهاي مهار نيز مي‌گذرد اما اگر رله، درست به‌كار گرفته شود اين جريان براي جلوگيري از عملكرد رله كافي نخواهد بود امپدانس مدار پيلوت از اين بابت عامل حاكم به حساب مي‌آيد.
شكل (4) نمايش اصل ولتاژ متقابل در رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان متناوب
خصيصه‌هايي كه رلهگذاري پيلوتي سيمي با جريان متناوب را در فواصلي كه اين نوع رلهگذاري به‌كار مي‌رود از نظر اقتصادي موجه مي‌سازد اين است كه تنها به دو رشته سيم نياز دارد. براي آنكه بتوان دو رشته سيم به‌كار برد نياز به وسايلي است كه با كمك آنها بتوان نمونه‌هاي تك فازي را به نمايندگي از جريانهاي سه فاز و زمين در دو سر خط انتقال بدست آورد به‌طوري كه اين نمونه
ها بتوانند در روي پيلوت با هم مقايسه شوند. بدست آوردن نمونه به صورتي كه براي اتصالي‌هاي خارجي يعني براي آنهايي كه جريان اتصالي از يك سر خط وارد و از سر ديگر بدون دگرگوني عمده خارج ميشود عمل قطع، رخ ندهد كار نسبتاً ساده‌اي است. مشكل واقعي آنجاست كه اين نمونه‌ها را طوري استخراج كنيم كه وقتي اتصالي داخلي پيش مي‌آيد يعني هنگامي كه جريانهاي وارد به دو سر خط احتمالاً اختلاف زيادي با هم دارند انجام عمل قطع، مطمئن باشد. آنچه بايد از آن پرهيز كرد به اصطلاح "نقطه كور" است.
