پایان نامه بررسی و تحلیل عملکرد غلط رله های دیفرانسیل ناشی از جریان هجومی ترانسفورماتورهای قدرت
مقدمه
سيستم هايي كه فقط براي ناحية حفاظتي تعريف شده عمل مي كنند و درخارج از آن ناحيه به هيچ وجه عمل نمي كنند سيستم هاي حفاظت واحد ناميده مي شوند. يكي از انواع مشهور اين سيستم ها، سيستم حفاظت ديفرانسيلي يا حفاظت تفاضلي مي باشد. حفاظت تفاضلي از نوع حفاظت انتخاب كنندة مطلق مي باشد. اساس كار اين نوع حفاظت بر مبناي اندازه گيري دامنه و زاوية جريان هاي دو طرف ناحية حفاظت شده مي باشد. در اين نوع سيستم ها اغلب از سيم هاي پايلوت به عنوان يك واسطة ارتباطي استفاده مي شودكه جهت حفاظت خطوط كوتاه بكار مي رود.
امروزه از اين سيستم جهت حفاظت خطوط بلند استفاده مي شود با اين تفاوت كه در اين حالت يا مايكرويو، جهت واسطة ارتباطي به كار گرفته مي شود. پس اين نوع حفاظت نيز حتماً احتياج به يك سيستم ارتباطي دارد و بدون ارتباط حفاظت وجود نخواهد داشت. به همين خاطر در طرح هاي عملي در كنار اين سيستم از حفاظت انتخاب كنندة نسبي نيز كمك گرفته مي شود.
حفاظت تفاضلي بيشتر در مورد ژنراتورها و ترانسفورماتورها بكار گرفته مي شود. در اين حفاظت معمولاً دوسري ترانسفورماتور جريان داريم كه مرزهاي ورودي و خروجي به ناحية حفاظتي هستند. جريان ورودي به ناحية حفاظت شده بايد با جريان خروجي از ناحيه در شرايط ايده آل سالم برابر باشد. وقتي روي سيستم خطا وجود دارد ديگر اين دو جريان مساوي نيستند پس مي توانيم بگوييم رلة ديفرانسيلي بر اساس اختلاف جريان بين ورودي و خروجي عمل مي كند. وقتي خطايي روي نداده باشد جريان ورودي و خروجي برابرند پس جرياني از رله نمي گذرد لكن وقتي خطايي در داخل ناحية حفاظت شده رخ دهد اختلاف جريان ها از رله مي گذرد و باعث عملكرد رله مي شود.
در اين نوع سيستم حفاظتي به كانال ارتباطي (پايلوت) بين دو دروازه احتياج داريم. يك تفاوت اساسي بين اين سيستم و سيستم رلة واحد رله هاي ديستانس وجود دارد، در آنجا فقط يک سيگنال قطع ( ) فرستاده مي شود اما در اينجا خود سيگنال جريان يا ولتاژ در كانال ارتباطي سيستم (پايلوت) برقرار مي شود.
1-2- انواع سيستم هاي حفاظت تفاضلي
در مجموع دو نوع سيستم حفاظتي ديفرانسيل عمده داريم:
1- سيستم جريان گردشي Circulationg System current
2- سيستم ولتاژ تعادلي(ولتاژ متقارن) Balanced Voltage
در ادامه به بررسي دو نوع سيستم حفاظتي فوق مي پردازيم:
1- سيستم جريان گردشي كه در مورد المان هايي با طول كوتاه در سيستم قدرت بكار برده مي شود مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها و شينه ها كه فاصلة بين دروازة ورودي و خروجي در آنها طولاني نيست.
2- سيستم ولتاژ تعادلي كه براي حفاظتي طولاني مثل خط توزيع بكار برده مي شود.
1–2–1– سيستم هاي حفاظت جريان گردشي
در حفاظت جريان گردشي جريان توسط ترانسفورماتور جريان اولي( ) و جريان توسط ترانسفورماتور جريان دوم ( ) منتقل مي شوند. اگر ناحية حفاظتي شين باشد نسبت تبديل ها با هم برابر است زيرا اختلاف فازي نخواهيم داشت ولي اگر ناحية حفاظتي ترانسفورماتور باشد نسبت تبديل ها ممكن است يكسان نباشد. در هر دو حالت سيستم به گونه اي است كه به ازاي جريان بار يا جريان خطا در خارج از ناحية حفاظتي جريان هاي و با هم برابرند، يعني .
اگر باشد ولتاژ در سر يعني صفر خواهد بود. و بنابراين جرياني از آن نمي گذرد (شرايط ايده آل). همان طور كه مي دانيم رله بايد براي شرايط بار و خطاي خارج از ناحية حفاظتي اش پايدار بماند لذا در رلة تفاضلي نيز بدترين شرايطي را كه رله بايد در آنها پايدار باشد منظور نمودن و پارامترها را به گونه اي محاسبه مي كنيم كه پايداري حاصل آيد يعني فرض مي كنيم كه بدترين خطاي خارج از ناحية حفاظتي رخ داده باشد. از آن جهت كه ها، كاملاً مشابه نيستند ممكن است در بدترين خطاي خارج از ناحية حفاظتي مسئله اشباع آنها پيش آيد (بدترين حالت آن است كه يكي از ها به اشباع رود) اگر يكي از ها به اشباع رود جريان آن كاهش مي يابد. يعني در حالت سالم بودن هر دو ، جريان هاي ثانويه با هم برابر هستند ليكن در حالتي كه يكي از ها به اشباع رفته است و ديگري نسبت تبديل خود را حفظ نموده، خواهد بود و چنانچه جريان عبوري از رله از تنظيم آن بيشتر باشد رله عمل مي كند در حالي كه رله نبايستي براي چنين حالتي عمل مي كند (بحث پايداري رله مطرح است). لذا مشخصات رله بايد به گونه اي باشد كه رله عمل نكند و پايدار بماند. براي پايدار سازي رلة ديفرانسيل دو روش مطرح است:
1- استفاده از رله هاي امپدانس بالا (high Impedance Relay ) و مقاومت پايدار ساز (Stablizing-R)
2- رله هاي باياس Bias Relays
1-2-1-1- تفاضلي امپدانس بالا و يا مقاومت پايدار ساز
وقتي سيستم از يك طرف تغذيه مي شود افت ولتاژ روي رله به دليل جريان كم، كم مي باشد و رله بايد با اين ولتاژ كم عمل كند. در مدار معدل يك در دياگرام حفاظتي ترانس جريان ( ) جديد دارای اندوكتانس نشتي ثانويه تقريباً صفر است. معادلة ولتاژ دو سر رلة تفاضلي را بر حسب پارامترهاي آن بيان مي كند:
(1-1)
: مقاومت سيم پايلوت
: راكتانس مغناطيس كنندة سيستم
: مقاومت سيم پيچ رله
: مقاومت خود در ثانويه
: مقاومت پايدار كننده كه بطور سري با رله بسته مي شود.
: ولتاژ دو سر رله و مقاومت پايدار كننده
: جريان تنظيمي رلة ديفرانسيلي ( در ادامه بحث مي بينيم).
همان طور كه گفتيم فرض مي كنيم كه يكي از ها به ازاي خطاي خارجي در اشباع كامل باشد (غير فعال و اتصال كوتاه باشد). همچنين جریانی از راكتانس مغناطيس كنندة فعال نگذرد، اين با در نظر گرفتن راكتانس مغناطيس كنندگي بزرگ لحاظ مي گردد (). هاي كاربردي در حفاظت ديفرانسيلي از نوع كلاس هستند كه دارای نقطة اشباع بالا، جريان مغناطيس شوندگي پايين مي باشند و مقاومت ثانوية آن از يك حد مشخص كه توسط طراح تعيين مي شود كمتر نيست.
از آنجايي كه مطابق شكل بالا جريان عبوري از رله در مقايسه با جريان عبوري از مسير اتصال كوتاه خيلي كمتر است بنابراين جريان ثانويه و جريان عبوري از مسير اتصال كوتاه شده تقريبا برابرند يعني (در شماتيك پاييني). در شكل بالاي صفحه چنانچه جريان در اوليه و جريان در ثانويه ترانسفورماتور باشد ولتاژ دو سر رله از رابطه (2) بدست مي آيد. روابط دستيابي به ولتاژ دو سر رله براي دو شكل صفحه قبل به صورت زير است:
(1-2)
: مقاومت رله
: مقاومت سري شده با رله كه مقاومت پايدار كننده است.
: جريان خطا
: جريان در ثانويه سالم (اشباع نشده)
از آنجا كه فرض شده است كه جريان ناشي از خطاي خارج از ناحيه حفاظتي باعث به اشباع كامل رفتن يكي از ها شده، بايد مقاومت به گونه اي باشد كه به ازاي اين ولتاژ، جريان عبوري از رله، از جريان تنظيم كمتر باشد؛ به عبارتي شرط پايداري رله آن است كه:
با تقريب از (2) داريم:
(1-3)
براي شرط پايداري خواهيم داشت :
(1-4)
جريان رله ديفرانسيلي براي پايدار ماندن رله در برترين شرايط بايد چنين شرطي داشته باشد. به روشي ديگر با توجه به ولتاژ دو سر رله از رابطه (1):
(1-5)
با توجه به قابل صرف نظر بودن در مقايسه با داريم:
(1-6)
براي پايداري رله:
به روش سومي مي توان گفت كه براي پايدار ماندن رله (عدم عملكرد براي خطاي خارج از حفاظتي) بايد : ولتاژ تنظيم براي رله معذالك اين روش داراي يك مشكل است و آن شكل اين است كه به ازاي خطا در داخل ناحيه حفاظتي افت ولتاژ روي رله بسيار زياد مي شود.
1-2-1-2- رله هاي باياس دار
اساس حفاظت تفاضلي بر اختلاف جريان دو طرف استوار است و شديدا به بودن ها با هم بستگي دارد. در شرايط ايده آل براي خطاهاي خارج از ناحيه حفاظتي و جريان بار، بايستي جريان هاي دو طرف رله با هم برابر باشند، اما در عمل اين طور نيست و اختلاف جريان (جريان سر ريز) وجود دارد. همچنين در بعضي از موارد استفاده از رله هاي با مقاومت پايدار كننده نيز نمي تواند مشكل را برطرف نمايد و به دليل عدم تطابق ها با هم نيروي بازدارنده () بيشتري براي پايدارسازي احتياج است. به عنوان مثال در حفاظت تفاضلي ترانسفورماتورها به دليل اين كه نسبت تبديل ها متفاوت است احتمال اينكه جريان هاي ثانويه آنها دقيقا با هم برابر نباشد بسيار زياد است. در چنين شرايطي از رله با سيم پيچي باياس استفاده مي شود. رله باياس داراي سه سيم پيچ است.
در شرايطي كه خطا خارجي است جريان از سيم پيچ عمل كننده مي گذرد و انتظار مي رود كه رله عمل نكند اما جريان از يكي از سيم پيچ هاي بازدارنده و از سيم پيچ بازدارنده ديگر مي گذرد و گشتاور بازدارندگي اين دو رله با هم جمع مي شود.
بنابراين در اين شرايط نيروي بازدارنده بيش از نيروي عمل كننده مي شود و رله عمل نمي كند. اما اگر خطا در داخل ناحيه باشد، در سيم پيچ اول نيروي بازدارنده متناسب با و در سيم پيچي باياس دوم نيروي بازدارنده متناسب با ايجاد مي شودكه اين دو نيرو مخالف يكديگرند و نتيجه آن نيروي بازدارندگي كمي خواهد بود اما در سيم پيچ عمل كننده، جرياني برابر عبور مي كند كه مقدار منفي است و در نتيجه نيروي عمل كننده بيش از نيروي بازدارنده مي شود و رله عمل مي كند اگر سيستم فقط از يك طرف تغذيه شود براي خطا در داخل ناحيه حفاظتي، يكي از جريان هاي يا صفر مي شود و جريان ديگر از سيم پيچ هاي عمل كننده و بازدارنده عبور مي كند و باز هم رله عمل مي كند.
تنظيم رله عبارتست از مينيمم جرياني كه در باياس صفر باعث عملكرد رله مي شود بنابراين مقدار آن، درصدي از جريان نامي مي باشد. جريان تنظيمي () گشتاوري توليد مي كند كه بر اصطكاك و اينرسي غلبه مي كند. باياس رله كه گاهي با نمايش داده مي شود برابر نسبت تعداد حلقه ها در سيم پيچ باياس به تعداد حلقه ها در سيم پيچ عمل كننده است. مقادير نمونه اي براي ژنراتور عبارتند از: مقادير تنظيم 10 تا 20% و براي مقدار باياس 10% و براي ترانسفورماتور ميزان تنظيم 20%، مقدار باياس 20 تا 40% است. مقدار بزرگتر تنظيم براي ترانسفورماتورهايي با تپ چنجر انتخاب مي شود. معادله عملكرد براي رله هاي باياس دار به قرار زير است:
اگر تعداد حلقه ها در operating winding و و جريان سيم پيچ هاي باياس مطابق جهات نشان داده شده در شكل زير باشد داريم:
(1-7) بایاس رله
(1-8) آمپر دور عمل کننده
(1-9) آمپر دور بایاس
رله زماني عمل مي كند كه ميزان آمپر دور منتجه از عمل كننده از آمپر دور تنظيم بيشتر باشد پس نتيجه مي شود:
(1-10)
در مرز عملكرد معادله تعادل به صورت زير نوشته مي شود:
(1-11)
همان طور كه ديده مي شود مقدار جريان عبوري از رله براي عملكرد، فقط به جريان تنظيمي بستگي ندارد بلكه به ميزان باياس هم بستگي دارد.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.