آموزش و پژوهش علوم صنعت برق

کتاب حفاظت شبکه های قدرت

حفاظت شبکه های قدرت موضوعی با جذابیت های فراوان می باشد. یک طرح حفاظتی در شبکه قدرت به منظور بررسی و ملاحظه مستمر وضعیت شبکه طراحی می شود به گونه ای که از تامین توان الکتریکی با حداقل آسیب جانی، تخریب تجهیزات و کاهش کیفیت اطمینان حاصل گردد. در طراحی حفاظت، باید مشخصه خطای کلیه تجهیزات شبکه قدرت شناخته شود. همچنین مشخصه قطع رله های گوناگون نیز باید معین گردد. وظیفه یک مهندس حفاظت ارایه طرح هایی است که بیشترین تطابق را بین مشخصه خطاها و رله ها دارا باشد. این طرح ها باید هرگونه وضعیت نامطلوب را تشخیص داده و قسمت آسیب دیده را از شبکه جدا نماید. با توجه به این که با به کارگیری هر رله حفاظتی احتمال بروز اغتشاش در عملکرد خود رله نیز افزایش خواهد یافت، مهندس حفاظت باید بین مزایا و معایب استفاده از طرح های حفاظتی تعادل ایجاد کند.
متن این کتاب در برگیرنده طیف کامل رله ها، از نوع الکترومکانیکی تا رله های پیشرفته عددی می باشد که برای حفاظت خطوط انتقال، توربوژنراتورها، ترانسفورمرها، باس بارها و موتورها به کار می رود. کتاب بر روی مفاهیم اصلی و طرح های مختلف حفاظتی متمرکز است و به زبان ساده، روشن و قابل فهم نوشته شده است. متن شامل شکل ها، بلوک دیاگرام ها و جداولی است که مفاهیم مورد بحث را مناسب تر تشریح می کند.
کتاب حاضر برای دانشجویان سال آخر مهندسی برق و مهندسین شاغل در شبکه های قدرت جهت درک مفاهیم اصلی حفاظت مناسب می باشد.

در تزانسفورماتورهای قدرت به دلیل اهمین آن در سیستم قدرت، رله‌های مختلفی وظیفه حفاظت ترانسفورماتورهای قدرت را در برابر خطا‌ها و اتفاقات مختلف را بر عهده دارند. در ادامه با رله‌های فشارشکن، رله جانسون، رله درجه حرارت روغن و رله درجه حرارت سیم پیچ‌ها و نقش هریک از آن‌ها آشنا می‌شوید.

رله فشارشکن:

این رله در ترانس‌های قدرت مورداستفاده قرار میگیرد و بر روی ترانس نصب میشود وبرای هر ۱۰۰۰۰ گالن یک رله فشارشکن مورد استفاده قرار میگیرد. این رله زمانی در داخل ترانس عمل میکند که فشار روغن ازحدمجاز بیشترشود. البته ظرفیت و قدرت ترانس هم بستگی دارد. درگذشته عملکرد این رله‌ها به گونه‌ای بوده است که یک صفحه دیافراگمی شکل رابین تانک اصلی ورله فشاری قرارمی دادند ویک تیغه چاقویی شکل برروی این دیافراگم قرار داشت کهدراثرفشارزیاد و بالا آمدن صفحه دیافراگم وبرخوردباتیغه چاقوییباعث پاره شدن صفحه دیافراگمی می‌شود وبخاطر همین فشارروغن باخارج شدن روغن ازمحل رله فشاری متعادل میگشت. عیب بزگ این رله‌ها این بود که اگرفشارمتعادل میگشت. امابخاطرداشتن یک منفذه خروج برروی ترانس دراثرپاره شدن صفحه دیافراگمی تمامی روغن در کنسواتور و بوشینگ‌ها تا رسیدن به سطح رله کنسرواتور وبوشینگ‌ها تا رسیدن به سطح رله فشاری می‌بایسی تخلیه شود.

رله جانسون (johson relay):

درترانس‌های قدرت دستگاهی وجود دارد که باکمک سیم پیچ فشارقوی ولتاژفشارضعیف ترانسفورماتور راتنظیم می‌نمایید. این کار باعث می‌شود که ولتاژخروجی تقریبا ثابت باقی بماند وهمچنین تغییرات ولتاژطرف فشارقویتاثیرمهمی بروری ولتاژمصرف کننده نگذارد. دستگاهی که وظیفه این کار را دارد تپ چنجرمی باشد این دستگاه درمحظفه جداگانه‌ای درداخل ترانسفورماتور قرارداشته باشد وبه وسیله مایع مخصوص مانند روغن عایق کاری گردد. دراثرهرگونه اتصال ویاعیبی برروی این دستگاه مایع داخلی آن منبسط می‌شود وباعث خسارتی می‌گردد برای جلوگیری ازاین امروحفاظت تپ چنجر ازرله‌ای به نام جانسون استفاده می‌شود این رله ازطریق مجرایی بربدنه تب چنجر نصب شده وبه محض بروزهرگونه عیب یااتصالی درمحفظه داخلی دستگاه تحریک شده وباعث قطع سریع تب چنجر می‌شود.

(Oil Temperature Relay) رله درجه حرارت روغن:

هر دستگاهی که با مایع مخصوصی مانند روغن خنک کاری شود مجهز به رله بوده که نشان دهنده درجه حرارت روغن مزبور می‌باشد. این رله‌ها بیش به صورت رله‌های پیچشی حرارتی بوده و بر روی ترانس‌های قدرت نصب می‌گردد. در بعضی از مدلهای این رله از کلید‌های الکتریکی کوچکی مانند کلید‌های جیوه‌ای استفاده شده است. کلید‌های نام برده شده در درجه حرارت مشخصی باعث تحریک مدار هشدار و در مواردی باعث قطع مدار ورودی و یا مدار برق مصرف کننده می‌شود. ممکن است همراه با عقربه نشان دهنده رله یک عقربه قرمز رنگی بکاررفته باشد. این عقربه از خود حرکتی نداشته و توسط عقربه اصلی رله حرکت نموده و مقدار ماکزیمم درجه حرارت مایع را نشان می‌دهد

رله درجه حرارت سیم پیچ‌ها (Winding Temperature Relay):

این رله برای مشخص نمودن درجه حرارت سیم پیچهای ترانس بکار می‌رود. معمولا ازدو قسمت تشکیل شده است که یک قسمت درست شبیه رله انعکاسی بوده و قسمت دوم شامل یک عدد ترانسفورماتور جریان و یک عدد عضو حرارتی میباشد. ترانسفورماتورجریان نام برده شده برروی یکی از فازهای خروجی ترانسفورماتور قدرت (معمولا فاز وسط) نصب شده و متناسب با مقدار شدت جریان خروجی از ترانسفورماتور قدرت و متناسب با نسبت تبدیل آن، جریانی را به قسمت عضو حرارتی رله ارسال میکند. بنابراین رله مزبور علاوه بر اینکه تحت تاثیر قسمت انعکاسی قرار می‌گیرد، عضو حرارتی آن نیز گرم شده وهمزمان انجام میگیرد. این دو قسمت باعث چرخش محوری در رله می‌شود.

چرخش محور مزبور در رله باعث عملکرد کلیدهای جیوه‌ای که برروی ان قرار گرفته شده انجام میگیرد و می‌توان از این کلید‌ها برای مدارهای مختلف ودرنهایت قطع برق ورودی ترانسفورماتور قدرت استفاده نمود. این رله دارای سه کلید جیوه‌ای بوده و این کلید‌ها با زاویه‌های متفاوتی بر روی محور گردان رله نصب شده اند. این امر باعث می‌شود در اثر چرخش محور رله کلید‌ها به ترتیب با فاصله زمانی خاصی متناسب با میزان درجه حرارت سیم پیچ‌ها عمل نماید. کلید جیوه‌ای اول برای تحریک مدار پنکه‌های خنک کننده ترانسفورماتورقدرت وکلید جیوه‌ای دوم برای تحریک مدار هشداردهنده ودرصورت زیاد شدن درجه حرارت سیم پیچ‌ها کلید سوم باعث قطع مدار می‌گردد.

یکی از اصلی‌ترین اجزا سیستم‌های انتقال وتوزیع انرزی الکتریکی، کلید‌های قدرت بوده به که منظور قطع و وصل خطوط، ترانسفورماتورها، زنراتور‌ها و سایر تجهیزات فشارقوی به کار می‌رود. در ادامه یک نمونه از این کلید‌های قدرت با عنوان کلید روغنی مطالبی ارائه می‌شود.

شکل 1

هر کلید فشار قوی لازم است که دارای شرایط زیر باشد:
۱) در حالت وصل مقاومت الکتریکی آن صفر باشد.
۲) در حالت باز مقاومت الکتریکی آن بینهایت باشد.
۳) قابلیت عبور جریان نامی بصورت دائمی
۴) در وضعیت وصل قادر باشد که جریان نامی اتصال کوتاه را در کمترین زمان ممکن قطع نماید.
۵) در حالت باز باید قادر به تحمل ولتاژ بین کنتاکت‌ها باشد

کلید روغنی Bulk Oil:
این نوع کلید‌ها ساختمان ساده‌ای دارند. از یک محفظه فلزی از که روغن پر شده است تشکیل شده است. کنتاکت‌ها داخل روغن میباشند و کنتاکت‌ها به وسیله هادی رابط از داخل بوشینگ مخصوص روغن-هوا می‌گذرد به بقیه تجهیزات پست متصل می‌شوند.
روغن در این کلید‌ها هم نقش خاموش کنندگی جرقه و هم نقش عایقی بین قسمت تحت تانسیون و بدنه زمین شده کلید را دارد از. آنجا در که ولتاژ‌های بالا حجم روغن خاموش کننده زیاد می‌شود و حمل و نقل با آن مشکل روبرو می‌شود این کلید‌ها کمتر استفاده می‌شوند.

عملکرد کلید روغنی:
این کلید‌ها از دو کنتاکت ثابت و متحرک تشکیل شده اندکه در موقع جدا شدنِ کنتاکت متحرک از کنتاکت ثابت جرقه (arc) ایجاد می‌شود و جرقه ایجاد گرما می‌کند و روغن توسط گرما تجزیه و تبخیر می‌شود به و مقدار زیادی هیدروژن
تبدیل می‌شود. هیدروژن حاصله دارای هدایت حرارتی خوبی بوده به و سرد و سریع خاموش شدن جرقه کمک می‌کند.
تولید گاز باعث می‌شود در که داخل محفظه کوچک فشار بالا رفته در و لحظه خارج شدن کنتاکت متحرک از محفظه کوچک، روغن با فشار به قوس نازک شده اعمال و قوس را خاموش کند (البته با این عمل علاوه بر خاموش شدن قوس. روغن تمیز جایگزین روغن تجزیه شده می‌شود و مانع از برگشت قوس، اثر در ولتاژ استقرار، می‌گردد). در این نوع کلیدها، گاز‌های تولید شده در بالای محفظه جمع شده و با سوپاپ به خارج هدایت می‌گردد همچنین کربن‌های ناشی از تجزیه روغن رسوب کرده به و صورت لجن از کلید تخلیه می‌شود.(شکل 1)

CBCT مخفف کلمات Core-Balance Current Transformer است. این ترانس جریان نشتی را تشخیص داده و فرمان قطع را به قسمت کلید اصلی داده صادر می شود.

همانطوری که می‌دانیم جریان سه فازی که از هر سلول تابلوی mcc برای مصارفی مثل کنترل یک موتور سه فاز خارج می‌شود ممکن است دچار نشتی جریان باشد. مثلا اتصال فاز به بدنه موتور یا حتی به بدن یک شخص.
این نشتی جریان یا در واقع عدم تعادل بین سه جریان رفت در سه فاز و جریان برگشت در سیم نول باید تشخیص داده شود و این تشخیص باید منجربه قطع کلید اصلی سلول شود.

به همین منظور سه فاز همراه با نول از یک ترانس نوع CBCT عبور داده می‌شود. این ترانس به رله نوع Earth Leakage Relay متصل است. رله این مقدار نشتی جریان را در ترانس تشخیص داده و فرمان قطع را به قسمت shunt trip کلید اصلی تابلو (کلید mccb) می‌دهد

اگر در این فرایند از سیم نول استفاده نشود باز هم ترانس این جریان نشتی را تشخیص می‌دهد

تصویر رله تشخیص دهنده نشتی جریان

این رله نیز دارای دو قسمت قابل تنظیم است:

-یکی برای حساسیت جریان که از ۳۰ میلی آمپر تا ۳۰ آمپر قابل تنظیم است

- و دیگری تنظیم زمان که از ۰ تا ۱۰ ثانیه قابل تنظیم است

برای کاربردهای عمومی جریان بر روی ۳۰ میلی آمپر تنظیم می‌شود، ولی همین تنظیم را نیز برای کاربردهای صنعتی می‌توان استفاده کرد

***زمان نیز بهتر است در محدوده ۰ تا ۴ ثانیه باشد

کاربرد دیگر این ترانس در حفاظت ترانسهای قدرت در برابر Earth Fault یا همان خطای زمین است.
در این حالت این ترانس بر روی سه فاز اولیه ترانس قدرت قرار می‌گیرد و در صورت ایجاد خطای زمین در ثانویه به کمک رله فرمان قطع را برای عناصر قطع کننده مثل کلید MCCB یا ACB ارسال می‌کند.
در واقع زمانی که خطای زمین اتفاق بیفتد بالانس جریان سه فاز در ثانویه و سپس در اولیه ترانس به هم خواهد خورد که این عدم بالانس را ترانس CBCT تشخیص می‌دهد
شکل زیر نحوه این اتصال و حفاظت را برای یک ترانس قدرت نشان می‌دهد.
 

نکته: CBCT مخفف کلمات Core-Balance Current Transformer است.

نوع حلقه ای معمول ترین نوع ترانسفورماتور کوربالانس (CBCT) است. کابل از مرکز سی تی عبور می کند و به همین ترتیب سیم پیچ اولیه  شکل می گیرد.

ترانسفورماتور جریان کوربالانس (CBCT) برای ارائه حفاظت نشتی زمین در یک سیستم قدرت استفاده می شوند . به دلیل نوع عملکرد مورد نیاز این سی تی ها آنها از ترانسفورماتور های جریان  حفاظت و اندازه گیری نرمال متفاوت هستند   .

در شبکه های خنثی عایق شده یا جبران شده، جریان نشتی زمین کوچک است و به طور کلی بسیار کوچکتر از جریان بار نامی است.

چنین جریان نشتی زمینی  نباید  اجازه داده شود که برای مدت زمان طولانی وجود داشته باشد ، زیرا آنها سرانجام باعث ایجاد شکست  عایقی در فازهای سالم و بعد  از آن باعث ایجاد خطاهای  فاز به فاز یا دو فاز به زمین می شوند.

برای حفاظت از مدارهای کابلی و خطوط انتقال هوایی با کابل ترانسفورماتور جریان کور بالانس معمولا استفاده می شود . به طور کلی، خوب است که   مانیتورینگ بر عایق   فقط برای نشان دادن وجود جریان نشت زمین، و نه برای قطع مدار به این نوع سیستم ها اضافه گردد. در صورت وجود خطا در چنین مواردی متخصصان مربوطه  اقدامات لازم را برای خارج کردن مدار های خطا دار می توانند انجام دهند.

استثنا در این مورد، معادن ذغال سنگ ، معادن سنگ معدن، و بارهای مشابه که در آن، با توجه به ملاحظات ایمنی،   سیستم حفاظتی طوری طراحی شده است که در صورت وقوع نشتی ارت مدار قطع می گردد(به علت نیاز به ملاحظات ایمنی اضافه ولتاژ در اثر خطا و ایجاد خطر برای کارکنان در معدن)

CBCT ها با یک هسته و یک سیم پیچ ثانویه ساخته می شوند. تعداد دورهای ثانویه لازم نیست مرتبط با جریان نامی فیدر یا کابل باشد چون جريان ثانويه ای، در حالت تعادل  از این سی تی عبور نمی کند

این اجازه می دهد تا تعداد دور سیم پیچ ثانویه طوری انتخاب شود تا جریان پیکاپ  بهینه شده ای را انتخاب و ایجاد کرد . انتخاب نسبت باید به تولید کننده واگذار شود تا بهترین نسبت تبدیل را انتخاب کند.

 CBCT ها با رله مناسب برای اهداف حفاظت از نشتی زمین استفاده می شود.

نحوه اتصال CT کوربالانس

سیم کشی ترانس کور بالانس

ترانس  جریان  کوربالانس  امکان  اندازه گیری  جریان های باقی مانده  (جریان  نشت زمین ) را فراهم می کند.

این  جریان  از  طریق ترانسفورماتور  چمبره  ای قرار داده شده در اطراف ۳ فاز + خنثی یا فاز + خنثی (بسته به نوع شبکه ) و یا در اتصال زمین اندازه گیری می شود.

مجموع برداری این جریانها زمانی که هیچ خطایی وجود ندارد صفر است.

زمانی که  یک  جریان  نشتی زمین وجود داشته باشد این تعادل جریان از بین می رود.

در  این  زمان، مجموع برداری جریان دیگر صفر نیست  و  این تفاوت  توسط  کوربالانس اندازه گیری می شود.

در شرایط سالم، یعنی زمانی که هیچ جریان نشتی زمین وجود ندارد، ثانویه CBCT هیچ جریانی را حمل نمی کند، و فوران مغنتاطیسی در هسته وجود ندارد.

در صورت که یک نشتی زمین اتفاق بی افتد، جريان نامتعادل یک فوران در هسته CBCT ایجاد می کند   و جریان ایجاد شده از طریق سیم پیچ ثانویه، باعث عملکرد  رله حفاظتی می شود . اگر بیش از یک کابل سه فاز به صورت موازی استفاده شده باشد، توصیه می شود که یک CBCT جداگانه بر روی هر کابل به یک رله مشترک  متصل شود یا رله ی جداگانه  برای هر CBCT استفاده شود.

به منظور تایید صحت عملکرد تجهیزات الکتریکی تستهایی بر روی آن‌ها انجام می‌شود. برخی از این تست‌ها در کارخانه و برخی از آن‌ها در تاسیسات و در مرحله پیش راه اندازی (Pre commissioning) صورت می‌گیرند. در این مطلب یا تست ترانس‌های جریان بیشتر آشنا می‌شویم.

به منظور تایید صحت عملکرد تجهیزات الکتریکی تستهایی بر روی آن‌ها انجام می‌شود. برخی از این تست‌ها در کارخانه و برخی از آن‌ها در تاسیسات و در مرحله پیش راه اندازی (Pre commissioning) صورت می‌گیرند.
تست‌های مربوط به ترانس جریان (CT) در تاسیسات:
این تست‌ها شامل موارد زیر می‌باشد:
Visual check شامل موارد زیر است:
-بررسی ظاهر CT و خواندن وچک کردن Data Plate ترانس جریان، صحت نصب و کانکشن CT، عدم کمبود پیچ‌ها و به خصوص پیچ مربوط به Earth :

در تصویر روبرو (شکل ۱) نمایی از یک ترانس جریان نوع قالبی که بیشتر در فیدر‌ها و سوئیچ گیر‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد را مشاهده می‌کنیم. ثانویه CT توسط پیچ Earth به شین Earth وصل می‌شود. این پیچ پشت یکی از پیچهای Connection ثانویه قرار گرفته است.
 

Megger Test: این تست برای تعیین مقاومت عایقی بین اولیه و ثانویه (ها)، اولیه و زمین، ثانویه‌ها و زمین و سیم پیچهای مختلف ثانویه با هم انجام می‌گیرد. مقدار ولتاژ اعمالی ۵۰۰V می‌باشد. لازم به ذکر است قبل از انجام این تست باید Earth از سمت ثانویه باز شود.

تست نسبت تبدیل Ratio Test:

روش ۱:در این حالت ثانویه‌های تمامی هسته‌های CT را اتصال کوتاه کرده و توسط دستگاه تزریق جریان (Current Injection Set)، جریانی برابر جریان نامی به اولیه CT اعمال نموده و مقدار جریان به دست آمده در سمت ثانویه را یادداشت می‌کنند. برای خواندن این جریان از آمپرمتر کلمپی استفاده می‌گردد. خطای اندازه گیری را طبق فرمول زیر به دست می‌آورند:
 

Ratio error % = [(rated ratio – Measured Ratio) * ۱۰۰)]/ (rated ratio)

روش ۲: در این روش مداری مانند شکل ۲ می‌بندیم. نسبت تبدیل از رابطه A۱ /A۲ به دست می‌آید. مقدار A۳ نشان دهنده جریان نشتی است.
 

Polarity Test & continuity test: طبق قرارداد می‌دانیم اگر جریان از سر نقطه دار اولیه یک ترانس وارد شود از سر نقطه دار ثانویه آن خارج می‌گردد. یعنی اگر جریان از سر P۱ وارد شود از سر S۱ خارج می‌شود. برای انجام این کار مطابق شکل یک ولتاژ DC، (۹ V) به صورت لحظه‌ای به اولیه اعمال کرده و با توجه به جهت حرکت عقربه گالوانومتر (یا مولتیمتر آنالوگ دارای نقطه صفر مرکزی central Zero scale)، پلاریته CT تعیین می‌گردد. برای داشتن پلاریته صحیح در لحظه بستن کلید انحراف عقربه به سمت راست و در لحظه باز کردن آن به سمت چپ خواهد بود؛ و بطور کلی حرکت عقربه، نشانه پیوستگی سیم پیچی هاست.

نکته: لازم است که ترمینالهای یک CT با پلاریته صحیح بسته شوند. زیرا در صورت وصل CT با پلاریته اشتباه در CT-های اندازه گیر باعث به وجود آمدن خطا در اندازه گیری و در CT-های حفاظتی باعث بوجود آمدن سیگنالهای نا منظم می‌گردد. البته اگر رله وصل شده به ثانویه جهتی (directional) نباشد، دیگر پلاریته اهمیت ندارد. مثل رله تشخیص جریان توالی صفر که به ثانویه CT کوربالانس (Core balance) وصل می‌شود.

تعیین مقاومت اهمی سیم پیچ ثانویه: از آنجا که مقدار این مقاومت پایین است میتوان با استفاده از دستگاهی مانند پل وتستون آنرا محاسبه نمود. اندازه گیری این مقاومت برای هسته‌های حفاظتی کلاس X. ضروری است.

پس از انجام تست‌های فوق کابل یا پیچ Earth را می‌بندیم؛ و مطابق شکل در CT –های چند Core به کانکشن‌های داخلی مربوط به ترمینال‌های ثانویه نیز توجه می‌کنیم.

در صورتی که در طراحی CT ذکر شده باشد تست‌های زیر نیز انجام خواهند شد:

تست دی الکتریک: بر اساس استاندارد تست دی الکتریک با اعمال ولتاژ ۱۰۰۰ ولت به مدت یک دقیقه و فقط برای ولتاژهای کمتر از ۶۰ V. صورت می‌گیرد. و، چون در تست Megger ولتاژ ۵۰۰ V. اعمال شد، دیگر نیازی به انجام این تست نیست.

منحنی مغناطیس شوندگی: برای انجام این تست به تجهیزات زیر نیاز داریم:

آمپرمتر آنالوگ کلاس ۰. ۵ یا ۱
ولتمتر آنالوگ کلاس ۰. ۵ یا ۱
ترانس ولتاژ PT
منبع تغذیه متغیر ۰ - ۲۴۰  ولت و حداقل ۱۰ آمپر جریان

مثال برای یک CT با نسبت تبدیل ۵۰۰ / ۱ و ولتاژ نقطه زانو VK= ۴۲۰ V.
ولتاژ نقطه زانو و ماکزیمم جریان Ie از روابط زیر به دست می‌آیند:
 

VK = ۲ If (RP+Rs)

Ie = (Is-Ir) /n
If= جریان ثانویه در ماکزیمم جریان خطا
Ir= جریان ستینگ رله
Rs= مقاومت سیم پیچ ثانویه CT
RP= مقاومت هادی بین رله و CT
N= شماره گروه حفاظتی CT که بسته به نوع حفاظت و نوع باسبار دارد:
N= ۲: برای حفاظت دیفرانسیل ماشین یا ترانسفورماتور
N= ۳: برای حفاظت REF (Restricted Earth Fault) در سیم پیچهای مثلث
N= ۴: برای حفاظت REF (Restricted Earth Fault) در سیم پیچهای ستاره