حفاظت نیروگاه

- حفاظتهای خط :

--  حفاظت دیستانس

رله های دیستانس برای حفاظت خطوط انتقال به کار می روند و از آنجا که فاصله عیب را با اندازه گیری امپدانس مشخص می کنند، بدین نام مشهور شده اند. به طور کلی وقتی اتصالی در شبکه رخ می دهد اینگونه رله ها نقش حفاظتی خط و تعیین فاصله اتصالی تا رله را به عهده دارند. معمولا حفاظت اصلی خطوط انتقال رله های دیستانس و حفاظت پشتیبان این خطوط رله های اضافه جریان هستند. دلیل این امر آن است که زمان عملکرد رله های دیستانس بر روی خطی که رله روی آن است بسیار کم و زمان عملکرد رله جریان زیاد نسبتا زیاد است.

- حفاظتهای خط :

--  حفاظت دیستانس 

رله های دیستانس برای حفاظت خطوط انتقال به کار می روند و از آنجا که فاصله عیب را با اندازه گیری امپدانس مشخص می کنند، بدین نام مشهور شده اند. به طور کلی وقتی اتصالی در شبکه رخ می دهد اینگونه رله ها نقش حفاظتی خط و تعیین فاصله اتصالی تا رله را به عهده دارند. معمولا حفاظت اصلی خطوط انتقال رله های دیستانس و حفاظت پشتیبان این خطوط رله های اضافه جریان هستند. دلیل این امر آن است که زمان عملکرد رله های دیستانس بر روی خطی که رله روی آن است بسیار کم و زمان عملکرد رله جریان زیاد نسبتا زیاد است.

-اصول کار رله‌های دیستانس:

رله های دیستانس صرف نظر از انواع مختلف آنها بر مبنای اندازه گیری فاصله الکتریکی رله تا محل خطا کار     می کنند. در مواقعی که حداقل جریان خطا قابل مقایسه با جریان بار باشد، این رله ها کاربرد وسیعی پیدا می کنند و این از آنجا ناشی می شود که رله های دیستانس به جریان حساس نیستند، بلکه امپدانس ظاهری (فاصله الکتریکی) تا محل خطا را می سنجند. رله های دیستانس دارای یک امپدانس داخلی به نام امپدانس تنظیم رله  می باشند. این امپدانس (Z₀) برابر امپدانس قسمتی از خط است که رله باید آن قسمت را مورد حفاظت قرار دهد.

-ساختمان رله دیستانس:

این رله با دو عنصر ولتاژ و جریان سروکار دارد و نسبت این دو پارامتر را می سنجد. یعنی در اصل از دو ترانس ولتاژ و جریان تشکیل شده است. به طور کلی می توان گفت که یک رله دیستانس از قسمتهای زیر تشکیل شده است:

1- عضو تحریک کننده 2- عضو سنجشی رله دیستانس (عضو زمانی) 3- عضو جهت یاب 4- تعداد زیادی رله کمکی

طرز کار بدین صورت است که از سیم پیچ عمل کننده (شکل 2 ) جریانی متناسب با جریان اتصال کوتاه می گذرد و هنگامیکه جریان خطا به یک آستانه رسید، این سیم پیچ تحریک شده و کنتاکتهای مربوطه را به هم وصل     می کند در نتیجه رله عمل کرده و مدار قطع می گردد و در ضمن سیم پیچی که سیم پیچی بازدارنده نام دارد نیروی مقاوم یا نیروی بازدارنده را تولید می کند و باعث تولید گشتاور در خلاف جهت گشتاور حاصل از سیم پیچ عمل کننده می گردد. لذا هر چه ولتاژ بیشتر باشد یا نقطه اتصال کوتاه از رله دورتر باشد نیروی سیم پیچ بازدارنده بیشتر شده و در اصل مقاومت ظاهری خط تا نقطه اتصالی بیشتر می شود.

به طور کلی در یک رله دیستانس از یک تحریک جریان زیاد و یک تحریک ولتاژ کم و در نتیجه از تحریک توسط امپدانس کم استفاده می شود. در تحریک توسط جریان زیاد از یک رله جریان زیاد که برای0.8 تا   2 برابر جریان نامی ترانسفورماتور جریان قابل تنظیم است، استفاده می شود و می توان با توجه به نوع شبکه، در مواقعی که نقطه صفر ستاره آن ایزوله باشد، از دو رله استفاده کرد. در مواقعی که شبکه مستقیما به زمین وصل شده باشد از سه رله استفاده می کنند، البته رله سوم، رله اتصال زمین می باشد. تحریک توسط رله های جریان زیاد در شبکه هایی قابل استفاده است که حداقل جریان اتصال کوتاه فازی از ماکزیمم جریان کار عادی و نرمال شبکه بیشتر باشد. ولی در تحریک توسط امپدانس کم نباید حداقل جریان اتصال کوتاه از ماکزیمم جریان عادی شبکه بیشتر شود. تحریک کننده امپدانس کم نسبت ولتا‍ژ و جریان را می سنجد.

-انواع رله های دیستانس:

رله های دیستانس با توجه به «امپدانس تنظیم» عمل می کنند. این امپدانس مقداری مختلط است در نتیجه دارای دامنه و فاز خواهد بود. با توجه به این موضوع می توان محدوده عملکرد رله ها را در صفحه مختلط R-X  توسط یک منحنی بیان نمود.

یک رله دیستانس با هر نوع منحنی مشخصه ای دارای سه ناحیه حفاظتی می باشد. در ناحیه 1 معمولا امپدانس معادل 80 % خط اول (خط اصلی) تنظیم می شود و زمان عملکرد آن خیلی سریع یعنی حدود 0.01 ثانیه است و به عنوان حفاظت اصلی خط به کار می رود. علت اینکه کل خط اصلی به عنوان ناحیه اول انتخاب نمی شود آن است که به واسطه خطاهای ناشی از ترانسفورماتور جریان به عنوان تنظیم ناحیه اول انتخاب نمی شود آنست که به واسطه خطاهای ناشی از ترانسفورماتور جریان یا ولتاژ عملکرد این رله با رله روی خط بعدی همزمان نباشد.

امپدانس تنظیم ناحیه دوم رله معمولا برابر کل امپدانس خط اصلی به اضافه حدود 50% امپدانس خط بعدی است و زمان عملکرد آن حدود 0.4 ثانیه است. ناحیه سوم رله دیستانس دارای امپدانس تنظیمی برابر کل خط به اضافه کل خط دوم به علاوه حدود 25% خط سوم است. بدیهی است زمان عملکرد این ناحیه حدود 0.8 ثانیه است.

در زیر انواع مختلف مشخصه ها را مختصرا ذکر می کنیم:

1-     رله دیستانس با مشخصه امپدانسی یا تخت

این رله ساده ترین رله از نظر ساختمان و عملکرد می باشد. مشخصه این رله دایره ای است که مرکز آن مبدا مختصات و شعاع آن به اندازه قدر مطلق امپدانس تنظیم آن (Z_S) می باشد. در شکل (3) مشخصه این رله نشان داده شده است. در این شکل  زاویه امپدانس خط AB است. این رله فقط به دامنه امپدانس رله تا محل خطا حساس است و برای خطاهاییکه قدر مطلق امپدانس رله تا آن خطا کمتر از l Z_S l باشند صرفنظر از جهت جریان خطا عمل می کند.

با توجه به شکل رله برای خطاهای AB (در جهت دید رله ) و BC (در پشت سر رله) عمل می نماید که این عملکرد بزرگترین عیب این رله است زیرا همانند رله های غیر جهت دار عمل می کند. از اینرو هماهنگی این رله ها با یکدیگر مشکل و در بعضی موارد غیر ممکن است به همین دلیل این رله را هیچگاه به تنهایی مورد استفاده قرار نمی دهند و همواره به همراه رله های دیگر که در ادامه شرح داده می شود از آن استفاده می گردد. معادله این رله عبارت است از Z= l Z_S l  ؛ این معادله دایره ای است که در شکل (3) نشان داده شده است.

برای آنکه بتوان این رله را به تنهایی مورد استفاده قرار داد باید آنرا جهت دار کرد. برای اینکار باید محدوده عملکرد این رله را تا حد ممکن در ناحیه اول مختصات قرار دهیم. بهترین زاویه مشخصه المان جهت دار با امپدانس تنظیمی خط مورد حفاظت در حدود 90 درجه می باشد. شکل (4) مشخصه رله امپدانسی جهت دار را نشان می دهد.

معایب این رله را میتوان در موارد زیر خلاصه نمود:

1-     این رله جهت خطا را تشخیص نمی دهد و در نتیجه استفاده از یک المان جهت دار در آن ضروری است.

2-   این رلهع بر اثر مقاومت قوس محل خهطا می تواند عملکرد اشتباه داشته باشد، زیرا بر اثر مقاومت قوس، بردار امپدانس خطا در روی محور R ها در جهت مثبت کشیده می شود و با این کار ممکن است خطا از محدوده عمل این رله خارج شود.

3-   به علت پوشانده شدن محدوده وسیعی از صفحه مختلط توسط مشخصه این رله، عملکرد آن به مقدار زیادی به نوسانات قدرت حساس است. به عبارت دیگر مکان هندسی امپدانس بهنگام نوسانات قدرت پایدار (قابل برگشت به وضع عادی) داخل مشخصه عملکرد رله قرار می گیرد و سبب عملکرد رله می شود.

4-     رله دیستانس با مشخصه افست مهو

همانطور که از مشخصه این رله پیداست، علاوه بر در بر گرفتن خط مورد حفاظت در جهت دید خود، قسمتی از خط پشت سر خود را نیز می پوشاند. مشخصه افست (قسمتی که پشت سر خود را می بیند) معمولا برای هنگامی استفاده می شود که رله می خواهد پشت سر خود را نیز ببیند و آن وقتی است که مثلا رله اصلی شینه عمل نکرده است و این رله به عنوان پشتیبان برای ناحیه پشت سر خود عمل می کند. بنابراین لازم است فقط ناحیه سوم رله مطابق شکل8 دارای افست باشد.

5-     رله دیستانس با مشخصه راکتانسی

مشخصه این رله یک خط مستقیم موازی با محور افقی است که دارای راکتانس ثابتی می باشد و در صورتیکه راکتانس محل وقوع خطا تا رله کمتر از رآکتانس تنظیمی باشد، رله عمل خواهد کرد. به علت وجود مشخصه خاص این رله فقط حساس به راکتانس بوده و مقاومت خطا روی آن هیچگونه اثری ندارد. رله به صورت معمولی آن برای تمام خطاهای پشت سر خود و حتی برای شرایط کار نرمال و نوسان قدرت عمل خواهد کرد. در واقع این رله برای محدود کردن گستره عملکرد رله های دیگر نظیر رله امپدانسی بکار می رود. معادله این رله X=X_S=Cte      می باشد؛ X راکتانس امپدانس خطا و X_S راکتانس امپدانس تنظیم رله است. منحنی مشخصه رله راکتانسی مطابق شکل (9-5) می باشد و تنظیم رله متناسب با راکتانس درصد پوشش خط (X_S ) است. در اینجا اگر راکتانس دیده شده به وسیله رله کمتر از X_S  باشد، رله عمل می کند و اگر بیشتر از آن باشد، رله عمل نخواهد کرد. همانطور که از مشخصه این رله استنباط می شود افزایش مقاومت دیده شده خطا، تاثیری در عملکرد رله نخواهد داشت. افزایش مقدار مقاومت باعث می شود که انتهای بردار امپدانس، انتقال پیدا کند و در نتیجه باز هم در ناحیه عملکرد رله قرار می گیرد. به همین دلیل این رله نسبت به مقاومت خط یا اثر مقاومت جرقه حساس نمی باشد.

6-     رله دیستانس با مشخصه اهمی

مشخصه این رله یک خط مستقیم می باشد که ضریب زاویه آن می تواند تغییر کند. همانند رله رآکتانسی این رله به تنهایی به کار نمی رود بلکه برای محدود کردن مشخصه دیگر رله ها به کار برده می شود. 

7-     رله دیستانس با مشخصه کواد (چهارگوش)

رله کواد یک رله راکتانسی محدود شده است. اگر تعداد ورودیهای رله استاتیکگی را زیاد کنیم مشخصه رله چهار گوش را بدست می آوریم. شکل (11-5) مشخصه رله کواد یا چهار گوش را نشان می دهد. همانگونه که در شکل دیده می شود یکی از محاسن این رله آن است که به راکتانس خطا تا محل رله حساس می باشد که البته با توجه به امتداد این مشخصه در جهت محورR ها می توان مقاومت محل قوس را نیز در تنظیم رله در نظر گرفت.

-رله وصل مجدد(Auto recloser)  :

اتصالی های شبکه سیم هوایی انتقال انرژی همیشه در اثر برخورد و تماس دائم دو سیم یا سیم و زمین بوجود نمی آید، بلکه عامل بیشتر اتصالی ها جرقه و قوس الکتریکی می باشد. چنین جرقه هایی اغلب با قطع آنی و کوتاه مدت فشار شبکه از بین رفته و خاموش می شود. باید به محض وقوه اتصالی در شبکه، سیم اتصالی شده را از شبکه قطع کرد ولی اگر همین قطع ولتاژ سبب بر طرف شدن اتصالی شود، لازم نیست که شبکه برای مدت درازی به حالت قطع باقی بماند، بلکه باید بوسیله ای پس از گذشت زمان کوتاهی مجددا مدار را وصل کرد و چون اغلب نمی توان تشخیص داد که اتصالی در اثر برخورد دو سیم و یا در اثر جرقه بوجود آمده است، لذا عمل قطع و وصل به کمک کلید قدرت مخصوص که از دستگاهی به نام رله وصل مجدد فرمان می گیرد انجام می شود.

البته در پست های فشار قوی مازندران عمدتا رله وصل مجدد به گونه ای تنظیم می شود تا دفعات وصل مجدد تنها به یک بار محدود شود و در صورت باقی ماندن خطا برای همیشه به حالت قطع در می آید.

-رله اضافه جریان Over Current:

رله اضافه جریان در خط به عنوان رله پشتیبان برای رله دیستانس استفاده می شود، بر خلاف باسبار که در آنجا این رله یک حفاظت اصلی می باشد. اصول این حفاظت بر اساس جریان می باشد و در ظاهر ساده به نظر می رسد اما در تنظیمات این رله و مخصوصا هماهنگی آن در شبکه دقت زیادی کرد.

این حفاظت می تواند به عنوان حفاظت اصلی و پشتیبان در شبکه استفاده گردد که معمولا در شبکه های فشار ضعیف به عنوان حفاظت اصلی استفاده می گردند

-رله سنکرون چک:

زمانی که دو خط از شبکه بخواهند به یکدیگر متصل گردند این رله رابطه فازی و ولتاژ دو خط را مقایسه نموده و در صورت تطابق (تمایز نباید بیش از 10% باشد.) اجازه اتصال آنها را می دهد.

این رله زمانی بکار می‌رود که دو یا چند فیدر به یک باس مشترک متصل می‌گردند. اتصال موفقیت‌آمیز دو منبع به یکدیگر بستگی به اختلاف دامنه‌های ولتاژ طرفین، زاویه‌های فاز و فرکانسهای دو منبع در زمان اتصال دارد. رله کنترل سنکرونیزم در صورت نزدیک بودن مقادیر دو طرف، اجازه اتصال را خواهد داد.

رله سنکرون‌کننده، رله‌ای است که در رابطه با اتصال ژنراتور به شبکه و یا اتصال دو شبکه مجزا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این رله سنکرون‌کننده برای کنترل یک یا چند کلید در یک نیروگاه و ارتباط با سیستم کنترل نیز بکار می‌رود. بر خلاف رله کنترل سنکرونیزم، رله سنکرون‌کننده می‌تواند فرمان وصل کلید را در نقطه دقیق سنکرونیزم صادر نماید.

سنکرون‌کردن دستی نیازمند آموزش، استفاده از قدرت تشخیص، تجربه و دقت کافی از طرف اپراتور است. کلیدها و ژنراتورها در صورت عدم دقت اپراتور دچار صدمه می‌شوند. بنابراین فرمان وصل کلید، تنها وقتی که رله سنکرونیزم اجازه دهد، صادر می‌گردد.

رله کنترل سنکرونیزم برای نظارت بر اتصال دستی کلید بکار می‌رود. بنابراین اپراتور مقادیر سنکرونیزم را کنترل کرده و بطور دستی فرمان وصل می‌دهد ولی کنتاکت باز رله سنکرونیزم که بصورت سری قرار گرفته است از اتصال جلوگیری می‌کند. کنتاکت باز رله سنکرونیزم وقتی بسته می‌شود که اختلاف زاویه فاز در دو طرف کلید از مقدار مشخص کمتر بوده و همچنین اختلاف ولتاژ بین دو طرف مقدار کمی را دارا باشد.

رله سنکرونیزم به دو طریق مورد استفاده قرار می‌گیرد. می‌توان این رله را بعنوان ناظر در اتصال دستی ژنراتور به شبکه مورد استفاده قرار داد. طریق دیگر استفاده از رله سنکرونیزم در اتصال اتوماتیک ژنراتور به شبکه است که در این حالت علاوه بر اینکه شرایط سنکرونیزم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد، فرمانهایی از طرف رله سنکرونیزم به سیستمهای تنظیم فرکانس و ولتاژ ژنراتور ارسال می‌گردد و اتصال کاملاً اتوماتیک صورت می گیرد.

- رله ولتاژی:

رله‌‌های ولتاژی به دو نوع ولتاژ کم و ولتاژ زیاد تقسیم می‌شوند که در حالت‌های نقصان و ازدیاد ولتاژ در شبکه عمل می‌نمایند. علاوه بر این، حالت عدم تقارن ولتاژ در سه فاز سیستم را حس نموده و فرمانهای کنترلی لازم را صادر می‌کنند. در بعضی از موارد، از رله ولتاژ زیاد در ترکیب حفاظت تفاضل ولتاژ بهره گرفته می‌شود، بنابراین چنانچه اختلاف دو ولتاژ از یک حد مشخص فراتر رود، رله عمل می‌کند.

الف ـ رله ولتاژ کم

رله ولتاژ کم رله‌ای است که با کاهش ولتاژ مجموعه‌ای از کنتاکتها را متصل می‌کند و به دو نوع زیر تقسیم می‌گردد:

- رله با تأخیر زمانی: تنظیم ولتاژ با تپ‌های گسسته قابل انجام است و زمان تأخیر در ارسال فرمان قطع نیز قابل تنظیم می‌باشد.

- رله آنی: در این حالت نیز تنظیم تپ‌های ولتاژ وجود دارد و زمان در یک محدوده کوچک قابل تغییر می‌باشد.

ب ـ رله ولتاژ زیاد

رله ولتاژ زیاد در مقابل افزایش ولتاژ عمل نموده و فرمانهای کنترلی را صادر می‌نماید. این نوع رله در موارد زیر بکار می‌رود:

- حفاظت سیستم در مقابل اضافه ولتاژ:  این رله می‌تواند در مقابل افزایش ولتاژ، سیگنال خبردهنده ارسال کند و یا در صورت لزوم بارها و مدارهای حساس به ولتاژ را قطع نماید و از صدمه دیدن آنها جلوگیری نماید.

- عدم تقارن ولتاژ فازها: رله ولتاژی، عدم تقارن ولتاژ در فازها را در حالت اتصال کوتاه و اشکال در فیوز ثانویه ترانس ولتاژ حس می‌کند که این کار با اندازه‌گیری توالی صفر و منفی ولتاژها انجام می‌گیرد.

رله عدم تقارن ولتاژ برای ایزوله‌کردن رله‌ها یا وسایلی که با قطع ولتاژ در یک یا هر سه فاز ثانویه ترانس ولتاژ یا وجود اشکال در فیوز ثانویه ترانس ولتاژ نادرست عمل می‌کنند، بکار می‌رود. بعنوان مثال رله دیستانس یا رله سنکرونیزم، در این صورت فرمان نادرست صادر می‌کنند. بنابراین زمان قطع رله بالانس ولتاژ  باید بحدی کوچک باشد تا قبل از اینکه رله‌های نامبرده باعث قطع کلید شوند، آنها را از مدار خارج کند.

رله‌های ولتاژ زیاد نیز دارای دو نوع تأخیری و آنی هستند. در رله‌های ولتاژ زیاد آنی تنها تنظیم ولتاژ آستانه مطرح است و پس از افزایش ولتاژ از حد مربوطه، رله بلافاصله عمل خواهد کرد.

- رله اضافه شار یا اضافه تحریک:

از آنجا که شار هسته ترانسفورماتور وابسته به نسبت ولتاژ به فرکانس است، رله اضافه شار نیز بر مبنای اندازه‌گیری نسبت ولتاژ به فرکانس (V/HZ) عمل می‌نماید. این رله دارای مشخصه عملکرد زمان معکوس می‌باشد، به این معنی که برای تغییرات زیاد (V/HZ)، در زمان کوتاهتری عمل می‌کند و تغییرات کوچک ولتاژ به فرکانس دارای تأخیری بیشتری خواهد بود. از آنجا که فرکانس در شبکه تقریباً ثابت است لذا افزایش ولتاژ در شبکه به معنی افزایش شار خواهد بود. به همین دلیل در بسیاری از موارد بجز در ترانسفورماتورهای نیروگاهی از این نوع رله استفاده نمی‌شود.

- حفاظت کلید قدرت:

بواسطه اهمیت نقش کلید و اشکالاتی که ممکن است در عملکرد صحیح آن بروز کند، یک سری حفاظت جهت تشخیص عملکرد نامناسب کلید و انجام اعمال اصلاحی درنظر گرفته می‌شود. از جمله مسائلی که ممکن است برای یک کلید قدرت پیش آید، ناموفق بودن کلید در برطرف کردن جریان اتصالی و یا عدم همزمانی بازشدن کنتاکتهای اصلی فازها مختلف کلید به هنگام قطع جریان می‌باشد. بنابراین حفاظتهای مورد استفاده جهت کلیدهای قدرت عبارتند از:

- حفاظت اشکال کلید

- نظارت بر مدار تریپ

- حفاظت ناهماهنگی در باز شدن کنتاکتهای کلید

در طرح استاندارد حفاظتی پستهای ایران، حفاظت اشکال کلید منحصر به پستهای 230 و 400 کیلوولت می‌باشد.

منبع: -------------