بخشی از مقاله
چکیده - پیشرفت های به عمل آمده در تکنولوژی و ساختمان رله های حفاظتی و تبدیل رله ها از نوع آنالوگ به دیجیتال یا هوشمند در طی دو دهه ی اخیر دستورالعمل های طراحی را در پست های فشارقوی تحت تاثیر قرار داده است. رله های اضافه جریان، ساده ترین انواع رله ها می باشند. که قابلیت ساخته شدن با مفاهیم دیجیتالی را دارا می باشند. بروز اشباع در ترانسفوماتورهای جریان و عدم تغذیه و تحریک رله های حفاظتی در ردیف مشکلات اصلی حفاظتی در نیروگاه ها و پست های فشارقوی محسوب می شوند. که در این مقاله با تبدیل رله از نوع آنالوگ به دیجیتال، امکان هوشمند کردن رله ها در قبال بروز اشباع در ترانسفوماتورهای جریان و کارمطمئن رله ها فراهم شده است.
- 1 مقدمه
سامانه های سیستم قدرت، زیرساخت بنیادین جوامع را در قرن 21 تشکیل می دهندشبکه. های توزیع تقریباً همه ی نقاط را در کشورهای توسعه یافته تحت پوشش قرار می دهند. این ساختارها در کشورهای در حال توسعه نیز نفوذ قابل توجهی دارند.[1] پیشرفت های اخیر سبب شده که به برق، با کیفیت بالاتری نیاز باشد. با پیشرفت تجهیزات و ادوات مورد استفاده در صنعت، این نیاز روزافزون اهمیت و حساسیت بیشتری یافته است. این نیازمندی سبب ظهور شبکه ی هوشمند شده است. شبکه ی هوشمند، ترکیبی از شبکه ی ارتباطی، نرم افزار و سخت افزار برای اندازه گیری، مانیتورینگ، کنترل و مدیریت تولید، انتقال، توزیع و مصرف انرژی است. شبکه ی هوشمند نیز به صورت اجتماع زیرساخت های شبکه ی قدرت با شبکه ی گسترده ی مخابراتی بیان شده است.[2]
به عبارت دیگر پیشرفت های تکنولوژیکی در تجهیزات الکتریکی و به طور عمده رله های حفاظتی موجب گردیده، طراحی و ساختمان پست های فشارقوی نیز با این پیشرفت ها بطور مناسب اصلاح و بهبود یابد.[3] مبادله ی اطلاعات و ارتباطات در سطح ایستگاه ها و در طول خطوط انتقال در فاصله ی پست ها تحول عمده را در ساختمان پست های فشارقوی و اتصال خطوط به یکدیگر موجب شده اند. در این مقاله ابتدا به بیان مقدمه ای بر رله های حفاظتی دیجیتالی پرداخته می شود، سپس نقش و تاثیر رله های اضافه جریان نوع دیجیتالی - هوشمند - و ترانسفوماتور جریان در ساختمان پست های فشارقوی مورد مطالعه قرار می گیرد. سپس به شبیه سازی یک نمونه رله اضافه جریان و تاثیر اشباع بر روی آن پرداخته می شود.
2 -سیر تحول رله های حفاظتی
رشد جهانی برای تقاضای انرژی الکتریکی باعث افزایش سرعت توسعه در طراحی سیستم های قدرت در جهت پاسخگویی به تامین نیازهای مصرف کنندگان برای تامین انرژی الکتریکی مطمئن، ارزان با کیفیت بالا شده است. به دلیل افزایش مصرف انرژی الکتریکی و افزایش تراکم بارها و منابع تولید الکتریسیته و لزوم عملکرد سریع و مطمئن تجهیزات حفاظت و کنترل، استفاده از تجهیزات حفاظت دیجیتال مورد توجه قرار گرفته است. حفاظت الکتریکی یکی از مهم ترین مسائل در صنعت برق می باشد. از ابتدای پیدایش این صنعت مساله تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی همواره با خطاهای احتمالی و مساله قابلیت اطمینان همراه بوده است.
به این معنی که تجهیزات گران قیمتی مانند ژنراتور، ترانسفوماتورهای قدرت و خطوط انتقال باید در مقابل انواع خطاهای احتمالی مورد حفاظت قرار گیرد تا هم این سرمایه های با ارزش حفظ شوند و هم انرژی الکتریکی با قابلیت اطمینان بیشتری به مصرف کننده برسد. رله های حفاظتی وظیفه ی نظارت بر کمیت هایی مثل جریان، ولتاژ، توان، فرکانس و امپدانس را دارند و در صورت نیاز باعث قطع واحد مورد حفاظت می شوند.
رله های حفاظتی اولیه بیشتر از نوع الکترومغناطیسی و از گروه دافعه ای هستند. اشکال اصلی این رله ها این است که مختص یک کمیت الکتریکی هستند یعنی اگر به عنوان مثال برای حفاظت اضافه جریان استفاده می شوند دیگر برای حفاظت ولتاژ یا فرکانس قابل استفاده نیستند. حتی رله های اضافه جریان هم تقسیم بندی خاص خود را دارند و استانداردهای مختلفی برای این منظور وجود دارد.
موضوع رله های دیجیتال در اواخر دهه ی 1960 شروع گردید.[4] در اوایل به دلیل بالا بودن هزینه ی سیستم های دیجیتال، سرعت پایین و همچنین قدرت مصرف بالای آنها انگیزه ای جهت کاربرد این تجهیزات به جای رله های معمولی وجود نداشت. پیشرفت قابل توجه سیستم های دیجیتال، کاهش قیمت، کاهش قدرت مصرفی و اندازه آنها و افزایش سرعت و قدرت محاسباتی آنها باعث شده است که این واقعیت ظاهر گردد که اقتصادی ترین و تکنیکی ترین و همچنین مطمئن ترین رله های حفاظتی در حال حاضر، رله های دیجیتالی باشد.
لذا جدیدترین نسل رله ها، رله دیجیتالی می باشد که با کاربرد پردازش دیجیتال و استفاده از میکروپروسسور به عنوان واحد پردازش در این گونه رله ها علاوه بر بالا بردن کارایی و قابلیت رله ها منجر به کاهش حجم و وزن رله و همچنین قیمت پایین طراحی و ساخت گردیده است. طراحی و ساخت رله های دیجیتالی یا هوشمند گام بزرگی در جهت حفاظت دقیق و مطمئن شبکه های گسترده و پیچیده امروزی است.
3 -مزایا و کاربردهای رله های دیجیتالی
رله های حفاظتی، تجهیزاتی هستند که براساس سیگنالهایی که به آنها اعمال می شوند، در صورت تغییر غیرعادی یک کمیت فیزیکی عمل کرده و باعث تغییر وضعیت خود یا وسیله دیگری می شوند. رله های دیجیتالی نوعی از رله های حفاظتی هستند که براساس پردازش دیجیتال سیگنال عمل می کنند. رله های دیجیتالی نسبت به سایر رله های حفاظتی - الکترومغناطیسی، الکترودینامیکی، حرارتی و ... - دارای مزایایی به شرح زیر می باشند:[5]
✓ امکان تشخیص زود هنگام خطا و جلوگیری از گسترش آن
✓ قابلیت تغییر عملکرد و نوع حفاظت رله با تغییر نرم افزار رله
✓ دارای کارایی و قابلیت اطمینان بالا
✓ هزینه ی نسبتاً پایین طراحی و ساخت
✓ قابلیت ثبت و ضبط وقایع و رخدادهای سیستم به خاطر بهره گیری از حافظه
✓ دارای حجم و وزن کوچکتر
✓ و ... .
انواع مختلف رله های حفاظتی قابلیت ساخته شدن به صورت دیجیتال را دارا می باشند، که مهم ترین و پرکاربردترین آنها عبارتنداز:[5]
✓ رله های اضافه جریان و اضافه بار
✓ رله های دیستانس
✓ رله های فرکانسی
✓ رله های دیفرانسیل
که ما در این مقاله رله ی اضافه جریان را مورد بررسی قرار می دهیم.
4 -رله های اضافه جریان و بروز پدیده ی اشباع
رله های اضافه جریان، ساده ترین انواع رله ها می باشند. که قابلیت ساخته شدن با مفاهیم دیجیتالی را دارا می باشند. بروز اشباع در ترانسفوماتورهای جریان و عدم تغذیه و تحریک رله های حفاظتی در ردیف مشکلات اصلی حفاظتی در نیروگاه ها و پست های فشارقوی محسوب می شوند. در سال های اخیر با توجه به تبدیل رله های حفاظتی از نوع آنالوگ به دیجیتال،امکان هوشمند کردن رله ها در قبال بروز اشباع در ترانسفوماتورهای جریان و کار مطمئن رله ها فراهم شده است. با هوشمند نمودن رله های حفاظتی به منظور مقابله با اشباع ترانسفوماتورهای جریان و جلوگیری از تاثیر اشباع در کار مرتب مطمئن رله های حفاظتی، بسیاری از مشکلات حفاظتی رفع گردیده است. که در ادامه ی این مقاله روش هوشمند نمودن رله های اضافه جریان در قبال اشباع ترانسفوماتور های جریان و عدم کار رله های حفاظتی مورد بررسی قرار می گیرد.
5 -عملکرد رله های اضافه جریان هوشمند شده
در این بخش عملکرد یک نمونه رله اضافه جریان دیجیتال توصیف خواهد شد. سیگنال های ورودی به رله اضافه جریان دیجیتال به صورت جریان است که این جریان ابتدا در داخل رله یکسوشده و سپس با عبور از یک شبکه ی مقاومتی که توسط یک کلید در جلوی رله قابل تنظیم است، تبدیل به ولتاژهای متناسب با جریان ورودی به رله می شود. این کلید معادل پین ضریب تنظیم در رله های جریان زیاد الکترومکانیکی است و مقیاسی از جریان ورودی را بوجود می آورد.
مقیاس مزبور چنان است که صرفنظر از مقدار تنظیم جریانی، جریان ورودی در سطح تنظیم، همان ولتاژ داخلی را در رله تولید خواهد کرد. این ولتاژ توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال به شکل دیجیتالی درخواهد آمد. سپس نمونه های پشت سر هم برای پیدا کردن مقادیر پیک موج سینوسی یکسوشده، مقایسه می شوند. مقادیر پیک در ثبات های پیک داخل ریزپردازنده ذخیره می شوند، چهارعدد ثبات پیک برای ذخیره ی چهار مقدار پیک اخیر بکار برده می شوند. هر بار که یک مقدار پیک جدید اضافه می شود، همه ثبات های پیک برای پیدا کردن بالاترین مقدار پیک در میان چهار پیک اخیر مقایسه می شوند.
به علاوه یک زمان سنج و یک شمارنده برای شمارش تعداد دوره های تناوب پیک ها بکار برده می شود. وقتی که یک پیک آشکار شود، شمارنده صفر می شود و شروع به شمارش از صفر می کند. سپس تعداد شمارش ها در عدد افزایش ضرب می شود تا تشکیل یک مقداری که ثبات زمان تریپ اضافه می شود را بدهد. این فرآیند که هرگاه یک مقدار پیک آشکار شود نیز روی می دهد. اگر مقدار ثبات زمان تریپ از یک مقدار K تجاوز کرد، آنگاه رله فرمان تریپ را خواهد داد. مقدار Kعملاً همان مقدار ضریب تنظیم زمانی است. مشخصه ی مورد نظر رله، مثلاً کاهشی، خیلی کاهشی، آنی و یا ... ، توسط جدول افزایشی که تنظیم عدد افزایش را بر عهده دارد، بدست می آید. با استفاده از این روش تمام انواع مشخصه های رله اضافه جریان را می توان بدست آورد.[3]
6 -مشکلات رله های اضافه جریان
طبق دستورالعمل های ارائه شده در کلیه ی استانداردها لازم است احتمال اشباع ترانسفوماتورهای جریان تحت تاثیر جریان های عیب در کلیه مدارهای حفاظتی در نظر گرفته شود. بروز اشباع در کلیه ی ترانسفوماتورهای جریان در نیروگاه ها و پست های فشارقوی، شامل ترانسفوماتورهای جریان نصب شده در محل ژنراتور، در ترانسفوماتور واحد، در ترانسفوماتورهای کمکی، در ترانسفوماتورهای توزیع داخلی، فیدرهای توزیع داخلی و ... مشاهده می شود.
در شبکه های مصرف داخلی و تجهیزات جانبی نیروگاه ها، رله حفاظتی اصلی را رله های اضافه جریان تشکیل داده که از اهمیت فوق العاده ای برخوردار می باشند. در حالیکه اشباع هر یک از ترانسفوماتورهای جریان در تجهیزات فوق در قبال برقراری جریان های عیب، مانع از کار رله می شود. شرط انتخاب ترانسفوماتورهای جریان به منظور جلوگیری از اشباع در قبال برقراری جریان های عیب، تامین امپدانس بار یا با توجه به مشخصات جریان عیب و نوع ترانسفوماتور جریان می باشد. در استاندارد ANSI شرط تعیین امپدانس بار به منظور جلوگیری از اشباع ترانسفوماتورهای جریان در قبال جریان های عیب از طریق رابطه ی زیر تعیین می شود:[6]
- 1 - که در این رابطه، امپدانس بار ترانسفوماتور جریان
برحسب پریونیت نسبت به امپدانس بار اسمی ترانسفوماتور، حداکثر جریان عیب برقرار شده برحسب پریونیت نسبت به جریان اسمی اولیه ترانسفوماتور و ثابت مولفه DC جریان عیب می باشد. ضریب ثابت مولفه ی DC عیب را نشان می دهد. اشباع تحت تاثیر مولفه DC با عبارت نشان داده شده و به عنوان اشباع DC موسوم می باشد. بالا بودن دامنه جریان عیب عامل دیگر اشباع را مشخص می نماید.
در صورت بالا بودن مولفه DC و محدود بودن مقدار جریان، اشباع تحت تاثیر مولفه DC و برعکس در صورت بالا بودن مقدار جریان و ناچیز بودن نسبت ، اشباع تحت تاثیر مولفه AC و یا ممکن است اشباع تحت تاثیر هردو عامل روی دهد. در نیروگاه ها هردو عبارت دامنه جریان و ثابت زمانی قابل ملاحظه بوده، اشباع با توجه به مولفه DC روی داده، عبارت به عنوان ولتاژ طرف ثانویه در قبال برقراری جریان عیب به میزان ملاحظه بیش از ولتاژ اشباع طبق منحنی مغناطیس کننده آن می باشد.
