حفاظت اضافه جریان و اتصالی زمین
مقدمه . روش هماهنگی. اصول درجه بندی زمان- جریان . حاشیة اطمینان درجه بندی. رلة اضافی جریان IDMT استاندارد ( نوع 11CDG). ترکیب رلة اضافه جریان IDMT و رلة اضافی جریان آنی ( نوع 17CAG/11CDG ). رلة اضافه جریان بسیار معکوس ( نوع 13 CDG). رلة اضافه جریان فوق العاده معکوس ( نوع 13 CDG ). رلة اضافه جریان با زمان معین ( نوع 12 CDG). رلة اضافه جریان کنترل شونده با ولتاژ نوع (22 CDV). خلاصه . مشخصه های زمان- جریان. حفاظت اضافه جریان ترانسفورماتورهای مثلث- ستاره ای . محاسبات مربوط به تنظیم رله های اضافه جریان . حفاظت اتصالی زمین. هماهنگی با فیوزها. رله های اضافه جریان جهت دار. خوراننده های موازی. شبکه های حلقوی. رله های اتصالی زمین جهت دار. رله های چند فاز جهت دار. مثالهای متعارف از درجه بندی زمان و جریان.
• مقدمه
حفاظت تجهیزات الکتریکی در برابر جریان های زیاد طبعاً اولین سیستم حفاظت بود که تکامل یافته است. از این اصل اساسی ، سیستم حفاظت اضافه جریان درجه بندی شده که حفاظت تمایزی است ، به وجود آمده است . حفاظت در برابر اضافه جریان نباید با حفاظت در برابر اضافه بار اشتباه شود ، چون در آن معمولاً از رله هایی استفاده می شود که ، بر اساس ظرفیت حرارتی واحد مورد حفاظت ، در زمانی معین عمل می کنند. از طرف دیگر ، حفاظت در برابر اضافه جریان کلاً ، برای برطرف کردن اتصالی ها به کار می رود ، اگر چه معمولاً نوع تنظیم آنها مقداری حفاظت در برابر اضافه بار را نیز به وجود می آورد.
• روش هماهنگی
کاربرد درست رله های جریان ، احتیاج به دانستن مقدار جریان اتصالی که ممکن است در هر قسمت شبکه جاری شود ، دارد. از آنجا که انجام آزمایشها در مقیاس بزرگ و اصلی معمولاً غیر عملی است ، باید از تحلیل سیستم استفاده کرد . در این رابطه غالباً کافی با استفاده از واکنایی گذاری ماشین X’d ، جریان های متقارن
لحظه ای سیستم به دست آید. اطلاعات مورد نیاز برای مطالعات مربوط به تنظیم رله عبارت است از :
الف: نمودار تک خطی سیستم قدرت مورد نظر که در آن نوع و مقادیر نامی تجهیزات حفاظتی و ترانسفورماتورهای جریان مربوطه نشان داده شده است.
ب : پاگیرایی همة ترانسفورماتورهای قدرت ، ماشین های گردان و مدارهای خوراننده بر حسب اهم ، درصد یا دریک.
ج : حداکثر و حداقل مقادیر جریان های اتصال کوتاه که انتظار میرود در صورت وقوع اتصالی ، از وسایل حفاظتی عبور کند.
د: جریان راه اندازی موتورها و زمان راه اندازی و توقف موتورهای القایی.
هـ : مشخص بودن حداکثر جریان اوج مربوط به وسایل حفاظت.
و : منحنی هایی که آهنگ میرایی جریان اتصالی را که توسط مولدها تغذیه میشود ، نشان می دهند.
• ز : منحنی های مشخصة ترانسفورماتورهای جریان.
در ابتدا تنظیم رله ها چنان انجام می شود که زمان کارشان در حداکثر جریان اتصالی ، کوچکترین مقدار خود را داشته باشد ، و سپس رضایت بخش بودن این تنظیم در مورد جریان های اتصالی حداقل ، بررسی می شود. توصیه می شود که همواره منحنیهای رله ها و دیگر تجهیزات حفاظتی ، مثل فیوزها که به طور متوالی با هم کار میکنند ، با مقیاس مشترکی رسم شوند. معمولاً استفاده از مقیاسی متناسب با جریان مربوط به کمترین مبنای ولتاژ ، یا به کار گرفتن مبنای ولتاژ غالب ، به مراتب راحتتر است. روش های دیگر برای این منظور ، در نظر گرفتن یک مبنای مگاولت آمپر مشترک، یا مقیاس جداگانه ای از جریان برای هر ولتاژ سیستم است.
در حالت کلی قواعد اصلی برای ایجاد هماهنگی درست بین رله ها را میتوان چنین بیان کرد:
2. حتی الامکان باید رله هایی با مشخصة مشابه و به طور متوالی با یکدیگر به کار برد.
3. باید اطمینان حاصل کرد که دورترین رله از منبع تغذیه ، تنظیم جریانی برابر و یا کمتر از رلة پشت سر خود داشته باشد ، به عبارت دیگر ، جریان اولیة مورد نیاز برای به کار انداختن رلة جلویی باید همواره مساوی یا کمتر از مقدار جریان اولیه ای باشد که برای به کار انداختن رلة بعدی آن لازم است.
• اصول درجه بندی زمان- جریان
از روشهای مختلفی برای ایجاد هماهنگی صحیح در رله ها می توان استفاده کرد ، که برخی از آنها زمان یا اضافه جریان ، و یا ترکیبی از این دو را برای این منظور به کار می گیرند. هدف مشترک هر سه روش مزبور این است که در سیستم ، عمل تمایز به درستی انجام شود. به عبارتی باید گفت ، که هر یک از این روشها باید فقط قسمت معیوب شبکة سیستم قدرت را انتخاب و جدا کند ، و در بقیة سیستم اختلالی به وجود نیاورد.
• تمایز به وسیلة زمان
در این روش ، فاصلة زمانی مناسب را بین رله های کنترل کنندة کلیدهای قدرت قرار می دهند ، تا اطمینان حاصل شود که ابتدا نزدیکترین مدار شکن به محل اتصالی باز می شود. برای تشریح این روش ، یک سیستم توزیع شعاعی ساده در شکل 9-1 نشان داده شده است.
حفاظت مدار شکنها در نقاط E , D , C , B که نقاط تغذیه ای هر بخش سیستم قدرت اند ، صورت می گیرد. هر واحد حفاظتی شامل یک رلة اضافه جریان با تاخیر زمانی معین است که در آن عملکرد جزء حساس به جریان سادگی عنصر تاخیر زمانی را به کار می اندازد. به شرط آنکه میزان تنظیم عنصر جریانی پایینتر از مقدار جریان اتصالی باشد ، این عنصر هیچ گونه نقشی در تمایز نخواهد داشت . به این علت این رله را گاهی رله با تاخیر زمانی معین مستقل می نامند ، زیرا برای مقاصد عملی ، زمان عمل آن مستقل از سطح اضافه جریان است.
بنابراین عنصری از این رله که وسیلة تمایز را فراهم می کند قسمت تاخیر زمانی آن است . رلة نقطه B در کوتاهترین تاخیر زمانی تنظیم می شود ، که این زمان برای سوختن یک فیوز بر اثر اتصالی در ثانویة ترانسفورماتور A کافی است. معمولاً ، تاخیر زمانی 25 ر0 ثانیه برای این امر کافی است .
اگر در نقطة F اتصالی روی دهد ، رلة نقطة B پس از 25ر0 ثانیه تاخیر به کار خواهد افتاد و به دنبال آن مدار شکن B عمل می کند ، و قبل از به کار افتادن رله های نقاط E , D , C اتصالی را برطرف می کند. عیب عمدة این روش تمایز در این است که در مورد اتصالی های نزدیک به منبع قدرت که سطح اتصال کوتاه آن ( MVA ) بیشترین مقدار را دارد ، رفع عیب در طولانیترین زمان صورت می گیرد.
• تمایز به وسیلة جریان
عمل تمایز به وسیلة جریان ، بر این امر بنا شده است که میزان جریان اتصالی ، بر حسب محل وقوع آن ، متغیر است ، زیرا که پاگیرایی بین منبع و محل عیب بر حسب محل آن تغییر می کند . بنابراین ، معمولاً ، رله هایی که مدار شکنهای متعددی را کنترل می کنند ، چنان تنظیم می شوند که در مقادیر کاملاً مناسبی از جریان اتصالی عمل کنند ، به طوری که فقط نزدیکترین رله به اتصالی مدار شکن خود را قطع کند. شکل 9-2 این روش را تشریح میکند.
برای اتصال در نقطة 1F ، جریان اتصال کوتاه سیستم برابر است با :
که در آن
پاگیرایی منبع = ZS
پاگیرایی کابل بین C , B= 1ZL
بنابراین :
بنابراین رله ای که مدار شکن را در نقطة C کنترل می کند و تنظیم آن طوری است که در جریان اتصالی 8800 آمپر به کار می افتد ، از لحاظ نظری قسمتی از کابل واقع در بین C , B را حفاظت خواهد کرد. اما در عمل دو نکتة مهم در این مورد وجود دارد که بر روش هماهنگی مزبور اثر می گذارد.
6. از نظر عملی نمی توان تفاوتی بین اتصالی در نقطة 1F و اتصالی در نقطة 2F قائل شد ، زیرا فاصلة این نقاط از چند متر تجاوز نمی کند ، و این امر تقریباً 1ر0 % جریان اتصالی را تغییر می دهد.
7. در عمل تغییراتی در میزان سطح اتصال کوتاه منبع ، معمولاً از 250 مگاولت آمپر تا 130 مگاولت آمپر ، وجود دارد. در سطوح اتصال کوتاه کمتر ، جریان اتصالی حتی برای اتصالی در نزدیکی نقطة C ، از 6800 آمپر تجاوز نخواهد کرد ، بنابراین رله ای که در 8800 آمپر تنظیم شده باشد هیچ قسمتی از کابل مورد بحث را حفاظت نخواهد کرد.
بنابراین تمایز به وسیلة جریان برای درجه بندی صحیح مدار شکنهای واقع در نقاط C , B روشی عملی نیست . اما اگر پاگیرایی بین دو مدار شکن قابل توجه باشد ، این مسئله بسیار تغییر خواهد کرد. این موضوع را با توجه به درجه بندی مورد نیاز بین مدار شکنهای نقاط A , B در شکل 9-2 می توان مشاهده کرد . با فرض اینکه اتصالی در نقطة 2F اتفاق افتد ، میزان جریان اتصالی برابر است با :
که در آن
پاگیرایی منبع = ZS
پاگیرایی کابل بین C , B = 1ZL
پاگیرایی کابل بین B و ترانسفورماتور 4 مگاولت آمپری = 2ZL
پاگیرایی ترانسفورماتور = ZT
بنابراین
به این علت ، رله ای که مدار شکن B را کنترل می کند اگر طوری تنظیم شده باشد که در جریان 2200 آمپر به اضافة یک حاشیة اطمینان ، به کار افتد ، برای اتصالی در نقطة 2F عمل نخواهد کرد و بنابراین با رله ای که در نقطة A قرار دارد ، فرق خواهد داشت. با در نظر گرفتن حاشیة اطمینانی به میزان 20% برای خطاهای احتمالی رله و مقدار 10% دیگر برای تغییرات مقدار پاگیرایی سیستم ، منطقی خواهد بود که تنظیم رله در نقطة B در مقدار 2200*3ر1 ، یعنی ، 2860 آمپر باشد . حال فرض می کنیم اتصالی در نقطة 3 F ، واقع در انتهای کابل 11 کیلوولتی تغذیه کنندة ترانسفورماتور 4 مگاولت آمپری روی دهد ، در این صورت جریان اتصال کوتاه برابر است با :
بنابراین ، با در نظر گرفتن سطح اتصال کوتاهی برابر با 250 مگاولت آمپر خواهیم داشت :
همچنین ، با در نظر گرفتن سطح اتصال کوتاه به مقدار 130 مگاولت آمپر ، خواهیم داشت :
به بیان دیگر ، برای هر مقدار از سطح اتصال کوتاه ، رلة مستقر در نقطة B ، برای هر اتصالی بر روی کابل 11 کیلوولتی تغذیه کنندة ترانسفورماتور ، به نحو صحیحی عمل خواهد کرد.
تمایز به وسیلة زمان و جریان
هر یک از دو روشی که تا کنون تشریح شد دارای یک عیب اساسی است . در حالتی که عمل تمایز تنها به وسیلة زمان صورت می گیرد ، اشکال اصلی آن است که اتصالی های بسیار شدید در زمانهای طولانیتری بر طرف می شوند. تمایز به وسیلة جریان نیز وقتی می تواند اعمال شود که پاگیرایی بین دو مدار شکن زیاد باشد.
به دلیل محدودیتهایی که استفاده مستقل از هماهنگی جریانی یا زمانی رله ها به وجود می آورند ، مشخصة رلة اضافه جریان با عکس زمان متناسب است. با چنین مشخصه ای ، زمان عملکرد رله با عکس سطح جریان اتصال کوتاه متناسب است و مشخصة واقعی تابعی از مقدار تنظیم زمان و جریان است. مزیت این روش برای ایجاد هماهنگی بین رله ها را شاید با بهترین نحو بتوان با سیستم شکل 9-3 نشان داد ، که مشابه شکل 9-1 است. با این تفاوت که پارامترهای متعارف سیستم به آن اضافه شده است.
قبل از مطالعة هماهنگی رله های سیستم شکل 9-3 ، برای تحلیل سیستم لازم است که همة پاگیراییها به مبنای مشترکی انتقال داده شوند ، بنابراین با در نظر گرفتن MVA10 به عنوان مبنا ، خواهیم داشت:
پاگیرایی درصد ترانسفورماتور MVA4 در مبنای MVA10
پاگیرایی درصد کابل kV11 بین A و B در مبنای MVA10
پاگیرایی درصد کابل kV11 بین B و C در مبنای MVA10
پاگیرایی درصد ترانسفورماتور MVA 30 در مبنای MVA10
پاگیرایی درصد خط هوایی kV 132 در مبنای MVA10
پاگیرایی درصد منبع kV 132 در مبنای MVA10
نمودار شکل 9-3 استفاده از منحنی های تمایز را ، که برای ایجاد هماهنگی درست حفاظتی کمک بسیار بزرگی اند، نشان می دهد در این مثال ، ولتاژ kV3ر3 ولتاژ مبنا در نظر گرفته شده است و اولین منحنی رسم شده مربوط به فیوزی 200 آمپری است ، که فرض میشود از بزرگترین مدار خروجی 3ر3 کیلو ولتی محافظت می کند. زمانی که مشخصه کار بزرگترین فیوز سیستم 3ر3 کیلو ولتی رسم شد ، درجه بندی رله های اضافی جریان مستقیم در پستهای گوناگون سیستم شعاعی به صورت زیر انجام میشود:
• پست B
نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان ، 5/250 آمپر
مشخصة رلة اضافه جریان به صورت فوق العاده معکوس ، مثلاً رلة نوع
14 CDG ، فرض می شود . با فیوز 200 آمپری این رله باید تا سطح اتصال کوتاه زیر متمایز باشد :
یعنی 6260 آمپر در ولتاژ 3ر3 کیلوولت یا 1880 آمپر در 11 کیلوولت .
مشخصات کار رلة نوع 14 CDG نشان می دهد که با تنظیم آن به مقدار 100% یعنی ، 250 آمپر و 76ر4 مگاولت آمپر در 11 کیلوولت ، و با ضریب زمانی 2ر0 ، تمایز مناسب با فیوز 200 آمپری به دست می آید.
• پست C
نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان 5/500 آمپر
مشخصة رلة اضافه جریان به صورت فوق العاده معکوس ،مثلاً رلة نوع 14 CDG ، فرض می شود . با رلة پست B ،این رله باید تا سطح اتصال کوتاه زیر متمایز باشد:
یعنی ، 17280 آمپر در 3ر3 کیلوولت یا 5180 آمپر در 11 کیلوولت باشد. مشخصات کار رلة نوع 14 CDG نشان می دهد که با تنظیم این رله در 100 % یعنی ، 500 آمپر و 52ر9 مگاولت آمپر در 11 کیلوولت و با تنظیم ضریب زمانی به مقدار 7ر0 ، تمایز مناسب با رلة پست B به دست می آید.
• پست D
نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان 1/150 آمپر
مشخصة رلة اضافه جریان به صورت فوق العاده معکوس ، مثلاً رلة نوع 14 CDG ، فرض می شود . این رله باید تا سطح انتقال کوتاه زیر با رلة پست C متمایز باشد:
یعنی ، به مقدار 21500 آمپر در ولتاژ 3ر3 کیلوولت یا 538 آمپر در ولتاژ 132 کیلوولت، مشخصات کار رلة 14 CDG نشان می دهد که با تنظیم 100% یعنی 150 آمپر و 2ر34 مگاولت آمپر در 132 کیلوولت و با ضریب زمانی به مقدار 25ر0 ، تمایزی مناسب با رلة پست C به دست می آید.
• پست E
نسبت ترانسفورماتور جریان 1/500 آمپر
مشخصة رلة اضافه جریان به صورت فوق العاده معکوس ، مثلاً رلة نوع 14 CDG ، فرض میشود . این رله باید تا سطح اتصال کوتاه زیر با رلة پست D متمایز باشد.
یعنی 270000 آمپر در 3ر3 کیلوولت یا 6750 آمپر در 132 کیلوولت. مشخصات کار رلة 14 CDG نشان می دهد که تنظیم 100 % یعنی 500 آمپر و 114 مگاولت در 132 کیلوولت و با ضریب زمانی به مقدار 9ر0 تمایز مناسب با رلة پست D به دست میآید.
مقایسة زمان عملکرد رله های شکل 9-1 با زمانهایی که از منحنی های تمایز شکل 9-3 در حداکثر سطح اتصال کوتاه به دست می آیند ، تفاوتهای عمدة بین آنها را نشان می دهد. این تفاوتها را می توان چنین خلاصه کرد:
رله سطح اتصال کوتاه (MVA) زمان از شکل 9-1 ( ثانیه ) زمان از شکل 9-3 (ثانیه )
B 7ر98 25ر0 07ر0
C 123 65ر0 33ر0
D 1540 05ر1 07ر0
E 3500 45ر1 25ر0
این اعداد نشان میدهند که برای اتصالی های نزدیک به نقاط رله گذاری ، مشخصه زمان معکوس می تواند کاهش قابل ملاحظه ای را در مدت زمان برطرف شدن اتصالی ایجاد کند. حتی برای اتصالی هایی که در نقاط انتهایی و دور از بخشهای حفاظت شده قرار دارد ، کاهش زمان رفع عیب ، چنانکه جدول زیر نشان می دهد ، کماکان قابل حصول است:
رله سطح اتصال کوتاه (MVA) زمان از شکل 9-3 ( ثانیه )
B 7ر35 17ر0
C 7ر98 42ر0
D 123 86ر0
E 1540 39ر0
برای حسن ختام مطالعه فرهنگی رله جالب خواهد بود که زمان عملکرد متوسط هر رلة اضافه جریان فوق العاده معکوس را در حداکثر و حداقل سطوح اتصال کوتاهش ارزیابی ، و آن را با زمان عملکردی که در برای رلة اضافه جریان با زمان معین داده شده است ، مقایسه کنیم.
رله سطح اتصال کوتاه
( حداکثر / حداقل MVA ) زمان از شکل 9-3
( حداکثر / حداقل ثانیه ) زمان متوسط
( ثانیه)
B 7ر35-7ر98 17ر0-07ر0 12ر0
C 7ر98-123 42ر0-33ر0 375ر0
D 123-1540 86ر0-07ر0 465ر0
E 1540-3500 39ر0-25ر0 32ر0
این مقایسه به روشنی نشان می دهد که در صورت وجود تغییرات شدید در سطح اتصال کوتاه در سراسر شبکه ، عملکرد کلی رلة اضافه جریان با زمان معکوس به مراتب بهتر از رله اضافه جریان با زمان معین است.
• حاشیة اطمینان درجه بندی
فاصلة زمانی بین عملکرد دو رلة مجاور به عوامل متعددی بستگی دارد:
1. زمان قطع جریان اتصال کوتاه مدار شکن.
2. زمان اوج جهش رله.
3. خطاها
4. حاشیة اطمینان نهایی برای کامل شدن عمل رله.
• زمان قطع مدار شکن
مدار شکن باید قبل از غیر فعال شدن رلة ممیز ، جریان اتصالی را به طور کامل قطع کند.
• اوج جهش
در آستانة غیر فعال شدن رله ، تا قبل از تلف شدن تمام انرژی های ذخیره شده ، ممکن است عملکرد آن تا مدت کوتاهی ادامه داشته باشد. برای مثال ، در رله با صفحة القایی ، مقداری انرژی جنبشی در حرکت صفحه ذخیره خواهد داشت ، و یا اینکه رله های استاتیکی ممکن است مقداری انرژی در خازنهای مدار خود ذخیره کنند. اگر چه در طراحی رله ها سعی می شود این انرژیها به حداقل برسند و جذب شوند ، اما وجود مقداری از آن معمولاً ضروری است.
زمان اوج جهش ، زمان واقعی انجام گرفتن عمل اصلی رله نیست ، بلکه زمانی است که رله ، در صورت فعال بودن ، به آن نیاز خواهد داشت تا همان مقدار پیشرفت را در کار به دست آورد.
• خطاها
همة وسایل اندازه گیری مانند رله ها و ترانسفورماتورهای جریان معمولاً مقداری خطا دارند. مشخصة زمان عملکرد یک یا هر دو رله ای که در درجه بندی سیستم حفاظتی دخالت دارند ممکن است همانند ترانسفورماتورهای جریان که در اثر جریان تحریک لازم برای مغناطیسی کردن هستة آنها ، خطاهای فاز و نسبت تبدیل دارند ، دارای خطاهای مثبت یا منفی باشند . اما این موضوع برای رله های اضافه جریان با زمان معین مستقل صادق نیست.
درجه بندی و تنظیم رله ها با در نظر گرفتن دقت منحنی های مدرج سازی که سازنده ارائه می دهد ،صورت می گیرد ، اما از آنجا که وجود مقداری خطا اجتناب ناپذیر است ، باید مقداری روا داشت ( تولرانس ) برای آن در نظر گرفت.
• حاشیة اطمینان نهایی
پس از در نظر گرفتن روا داشت بالا ، رلة ممیز باید کماکان قادر به کامل کردن عمل خود نباشد. زیرا برای اطمینان از وجود فاصلة مناسب کنتاکت ( یا معادل آن ) در رله ، به در نظر گرفتن مقداری رواداشت یا حاشیة اطمینان اضافی نیاز است.
• زمان پیشنهادی
زمان کلی مورد نیاز برای تحت پوشش قرار دادن موارد فوق به سرعت عمل مدار شکن و عملکرد رله بستگی دارد. در گذشته زمانی حدود 5ر0 ثانیه حاشیة اطمینان عادی برای درجه بندی رله ها بوده است. با پیدایش مدار شکنهای پیشرفتة سریعتر و رله هایی با زمان اوج جهش کمتر ، زمان 4ر0 ثانیه در این مورد منطقی به نظر می رسد، مع هذا در بهترین شرایط ممکن ، زمانی حدود 35ر0 ثانیه نیز معمول است.
در بعضی موارد ، به جای استفاده از حاشیة اطمینانی ثابت ، بهتر است که زمان ثابتی برای زمان عملکرد مدار شکن و اوج جهش رله ، همراه با زمان متغیری که خطاهای رله ، خطاهای ترانسفورماتور جریان ، و حاشیة اطمینان را در بر می گیرد ، در نظر گرفته شود.
زمان 25ر0 ثانیه را مقدار ثابت انتخاب می کنند ، که از مجموع 1ر0 ثانیه برای زمان قطع جریان اتصال کوتاه مدار شکن ، 05ر0 ثانیه زمان اوج جهش رله و 1ر0 ثانیه زمان اطمینان حاصل شده است . پس از آن با در نظر گرفتن مقدار زمان متغیر مورد نیاز ، ابتدا فرض می شود که هر رلة اضافه جریان با زمان معکوس ، با ردة خطای 5ر7 E که بر طبق روش کار رایج در بریتانیا در 1966 : 142 BS تعریف شده است ، مطابقت دارد. محدودة خطای عادی برابر رلة 5ر7 E ، 5ر7 ±% است ، اما باید مقداری رواداشت برای آثار حرارتی ، فرکانسی و انحراف از مقدار تنظیم مبنا ، در نظر گرفت ، تقریب عملی در این مورد در نظر گرفتن خطای موثر کلی برابر با 5ر7 * 2 یا 15% برای تمام آثار جنبی فوق است ، که باید به نزدیکترین رله به محل اتصالی که باید کندتر در نظر گرفته شود ، اعمال شود . به این خطای موثر کلی برای رله باید مقدار 10% دیگر برای خطای کلی ترانسفورماتور جریان افزود ، بنابراین ، برای فاصلة زمانی لازم t’ بین رله های اضافه جریان با زمان معکوس می توان معادلة زیر را به کار گرفت:
ثانیه 25ر0 + t25ر0 = t’
که در آن t = زمان عملکردی نامی رلة نزدیکتر به محل اتصالی.
در مورد رله های اضافه جریان با تاخیر زمانی معین ، باید فرض کرد که این رله ها با ردة خطای 10E که روشی معمول در استاندارد 1966 : 142 BS است ، مطابقت دارند. محدوده عادی خطا برای رله 10 E ، برابر با 10 ±% است. اما مقداری رواداشت هم برای آثار حرارتی ، ولتاژی ، فرکانسی و انحراف از میزان تنظیم مبنا باید در نظر گرفت. تقریب عملی برای خطای موثر کلی برابر با 10 * 2 ، یا 20 % برای آثار کلی جنبی است ، که باید به نزدیکترین رله به محل اتصالی که باید کندتر در نظر گرفته شود ، اعمال شود. در این حالت ، بر خلاف رله با زمان معکوس ، نباید خطای اضافی دیگری برای ترانسفورماتورهای جریان منظور کرد .بنابراین ، فاصلة زمانی لازم t’ ، بین رله های اضافه جریان با تاخیر زمانی معین مستقل ، از معادلة زیر به دست می آید:
ثانیه 25ر0 + t 2ر0 = t’
که در آن t = زمان نامی عملکرد نزدیکترین رله به محل اتصالی.
• رلة اضافه جریان IDMT استاندارد ( نوع 11 CDG )
محدودة دقت این رله ها توسط کمیته های ملی متعددی در نظر گرفته شده است ، نوعی از این محدوده را نشان می دهد که در استاندارد بریتانیا 1966 : 142 BS برای رلة اضافه جریان با زمان حداقل معین معکوس (IDMT) بیان شده است.
منحنی های متمایز کنندة شکل 9-5 کاربرد چنین رله ای را در یک خورانندة شعاعی منطقه بندی نشان می دهند ، و از این منحنیها مشاهده می شود که با تنظیم رله فرض شده و رواداشت مجازی که در استاندارد 1966 : 142 BS آمده است ، ضریب اطمینان مجاز درجه بندی بین رله های اضافه جریان در هر قسمت مدار شکن تقریباً برابر با 5ر0 ثانیه است.
با افزایش جریان اتصال کوتاه سیستم برای به حداقل رساندن صدمات وارد بر آن ، باید زمان رفع اتصالی های نزدیک به منبع قدرت را کوتاهتر کرد. بنابراین لازم است که خطاهای زمانی را در چنین مواردی ، که به طور ناخواسته ای در مقایسه با زمان عمل مدار شکنهای مدرن بزرگ اند ، کاهش داد ، که این عمل فقط با بهبود بخشیدن به محدوده های دقت و فعال شدن و اوج جهش رله ها حاصل می شود. همة این موارد باید بدون هیچ گونه اثری در عملکرد عمومی رله ها به دست آید ، به عبارت دیگر ، در گشتاور عمل کننده رله نباید هیچ کاهشی روی دهد ، یا اینکه مغناطیس میراکننده و یا فشار کنتاکتهای آن تضعیف شود ، و از طرفی ساختمان رله باید با حداقل قسمتهای متحرک به طور ساده باقی بماند. اگر چه خواسته های اخیر مشکلات قابل ملاحظه ای در ساخت رله ها ایجاد می کنند ، اما بر اثر تغییرات مواد و وجود رواداشتهای عملی ، پیشرفتهایی را در ساخت رله ها به وجود آورد ،به طوری که با کاهش حاشیة اطمینان بین جریان و زمان تنظیمی رله های مجاور مدار شکنها ، میتوان عمل تمایز را به نحو بهتری انجام داد.
بنابراین استفاده از رله های جدید کاهش تنظیم زمانی نزدیکترین رله به منبع قدرت را ممکن ساخته است ، و یا اینکه از طرف دیگر ، افزایش تعداد مدار شکنهای متوالی با هم را ، بدون افزایش تنظیم زمانی رله های مستقر در منبع قدرت ، امکان پذیر کرده است.
• ترکیب رلة اضافه جریان IDMT و رلة اضافه جریان آنی ( نوع 17 CAG/ 11 CDG)
در خطوط انتقال یا خورانندة ترانسفورماتورها که با گیرایی منبع در مقایسه با پاگیرایی مدار حفاظت شده کوچک است با افزودن یک رلة اضافه جریان با عملکرد آنی به رلة اضافه جریان زیاد با زمان معکوس ، میتوان کیفیت بهتری به دست آورد. این ترکیب سبب کاهش زمان قطع در سطوح اتصال کوتاه بزرگ می شود و با پایین آوردن منحنی های متمایز کننده پشت رله های آنی ، درجه بندی کلی سیستم را بهبود میبخشد.
مطابق شکل 9-6 ، یکی از مزایای رله های آنی این است که زمان عمل حفاظت مدار را به اندازة ناحیه هاشور زدة زیر منحنی های متمایز کننده کاهش می دهد، و به شرط آنکه پاگیرایی منبع ثابت بماند میتوان در بخش وسیعی از مدار حفاظت شده ، حفاظت تندکار به دست آورد.
مزیت مهم دیگری که با استفاده از رله های آنی می توان به دست آورد ، و بر درجه بندی سیستم اثر می گذارد نیز در شکل 9-6 نشان داده شده است ، این شکل به روشنی این نکتة مهم را تشریح می کند که عمل درجه بندی با رله ای بلافاصله بعد از رلة آنی در تنظیم جریان این عناصر صورت می گیرد نه در حداکثر سطح اتصالی کوتاهی که برای رله های IDMT استاندارد درجه بندی شده لازم است. برای مثال ، در شکل 9-6 رلة 2R با رلة 3R به جای 100 آمپر در 500 آمپر درجه بندی شده است ، به طوری که این امر رلة 2 R را به جای TMS2ر0 در TMS15ر0 تنظیم میکند ، ولی ضریب اطمینان درجه بندی 4ر0 ثانیه را بین رله ها باقی می گذارد. به طور مشابه ، رلة 1R با رلة 2R به جای 3300 آمپر در 1400 آمپر درجه بندی می شود.
به هنگام استفاده از رله های اضافه جریان آنی ، باید در تنظیم آنها دقت کرد ، تا از به کار افتادنشان برای اتصالی هایی در ورای بخش حفاظت شده ممانعت شود. زیرا مقدار موثر حالت دایمی جریان اتصال کوتاه در نقطه ای ماورای نقطة برد مورد نظر ممکن است از مقدار تنظیم رله کمتر باشد ، اما جریان اولیه اتصالی به علت وجود آفست در موج جریان ممکن است از مقدار فعال شدن رله بزرگتر باشد و باعث عملکرد آن شود.
به هنگام استفاده از رله های اضافه جریان آنی در ترانسفورماتورهای قدرت ، تنظیم آنها را بالاتر از بیشینة جریان مربوط به اتصالی قرار می دهند که ترانسفورماتور قدرت مزبور در صورت وقوع اتصالی در پایانه های فشار ضعیف خود قادر به ایجاد آن است ، تا به این طریق بتوان حالت تمایز را به رله هایی که در طرف فشار ضعیف ترانسفورماتور قرار دارند ، حفظ کرد. محدودیت کاربردی رله های اضافه جریان آنی ، که به بیش رسی گذرا معروف است ، در رله های نوع 17 CAG شرکت جنرال الکتریک بسته به زاویة خط ، حدود 3 تا 5 درصد کاهش یافته است. حالت بیش رسی گذرا وقتی اتفاق می افتد که موج جریان حاوی مؤلفة dc باشد و چنین تعریف می شود :
درصد بیش رسی گذرا
که در آن ، 1I = مقدار جریان فعال شدن رله در حالت دایمی و 2I = جریان مؤثر حالت دایمی که به هنگام آفست کامل رله باعث فعال شدن آن می شود.
این رله می تواند در همان محفظه ای قرار گیرد که مربوط به رلة اضافه جریان IDMT استاندارد ( نوع 11CDG ) است ، بنابراین جایگزینی رلة استاندارد با رلة نوع ترکیبی ( 17 CAG / 11 CDG ) به هیچ جای اضافی یا سوراخ کاری در تابلو احتیاج ندارد.
• رلة اضافه جریان خیلی معکوس ( نوع 13 CDG )
رلة اضافه جریان خیلی معکوس ( نوع 13 CDG ) ، در مواردی مناسب است که با افزایش فاصلة محل اتصالی از منبع ، جریان اتصالی به نحو قابل ملاحظه ای کاهش می یابد . مشخصة این رله طوری است که زمان به کار افتادن آن تقریباً برای کاهش 7 تا 4 برابر جریان تنظیم ، دو برابر می شود. این امر استفاده از تنظیم ضریب زمان TMS را برای رله های متعددی که با هم متوالی اند امکان پذیر می سازد.
در مثال شکل 9-7 برای حالتی که جریان های اتصالی در پستهای A , B , C به ترتیب برابر با 1225 ، 700 و 400 آمپر یا به عبارتی با نسبت 7 به 4 بین دو پست مجاورند را با مشخصة رله خیلی معکوس ( نوع 13 CDG ) مقایسه می کنیم. همة
رله ها در TMS 2ر0 تنظیم شده اند. با رله های اضافه جریان خیلی معکوس ، زمان اطمینانی برابر با 33ر0 ثانیه در زمان قطع مدار شکنهای مجاور به دست می آید ، در حالی که برای رله های IDMT این اختلاف فقط 24ر0 ثانیه است.
در اینجا نشان داده خواهد شد که حاشیة اطمینان درجه بندی 33ر0 ثانیه که با رله های اضافه جریان خیلی معکوس حاصل می شود ، برای تمایز کامل کافی است در حالی که زمان 24ر0 ثانیه ای که با رله های IDMT استاندارد به دست می آید ، برای این منظور کفایت نمی کند.
حداقل حاشیة اطمینان درجه بندی مجاز ، هنگام استفاده از TMS 2ر0 چنین به دست می آید :
مجموع خطاهای رله بین نقاط رله گذاری مجاور که در سطح اتصال کوتاه معین TMS2ر0 بر آورد می شود
+
زمان کار مدار شکن
+
زمان اوج جهش رله
در حالت رلة اضافه جریان با زمان خیلی معکوس ، مجموعه فوق برابر خواهد بود با :
S 283ر0 = 05ر0 + 15ر0 + (029ر0 + 054ر0)
که در آن زمان 054ر0 ثانیه ، خطای رله در چهار برابر تنظیم و TMS 2ر0 است.
زمان 29ر0 ثانیه ،خطای رله در 7 برابر تنظیم و TMS 2ر0 است.
زمان 15ر0 ثانیه ، زمان کار مدار شکن است.
زمان 05ر0 ثانیه ، زمان اوج جهش رلة نوع 13 CDG است.
حاشیة اطمینان واقعی درجه بندی در مثال مذکور است ، با استفاده از رلة خیلی معکوس برابر 33ر0 ثانیه به دست می آید. در حالی که حداقل زمان مجاز برای تمایز درست 283ر0 ثانیه است . بنابراین رله های اضافه جریان خیلی معکوس در این مورد مناسب اند.
با استفاده از رله های IDMT استاندارد ، حداقل زمان مجاز بین مدار شکنهای مجاور برابر خواهد بود با :
s 3137ر0 = 04ر0 + 15ر0 + (052ر0 + 0712ر0 )
که در آن زمان 712ر0 ثانیه خطای رله در 4 برابر تنظیم و TMS 2ر0 است.
زمان 0525ر0 ثانیه خطای رله در 7 برابر تنظیم و TMS2ر0 است.
زمان 15ر0 ثانیه زمان مدار شکن است.
زمان 04ر0 ثانیه زمان اوج جهش رله نوع 11 CDG است.
بنابراین زمان مجاز حداقل برای تمایز درست بین مدار شکنهای مجاور ، 3137ر0 ثانیه است ، در حالی که تفاوت واقعی در زمان بین نقاط رله گذاری مجاور ، با به کار بردن رلة IDMT ، فقط 24ر0 ثانیه است. در نتیجة رلة IDMT استاندارد را نمیتوان با TMS مورد نظر به کار برد. این موضوع نشان می دهد که استفاده از رله های اضافه جریان خیلی معکوس به جای رله های IDMT استاندارد ، در مواردی که جریان اتصالی به طور اساسی بین نقاط رله گذاری مجاور کاهش می یابد ، مفیدتر است.
باید توجه کرد که در محاسبات فوق فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
الف : خطاهای رله بین مدار شکنهای مجاور در یک طرف کلید ، مثبت و در طرف دیگر آن ، منفی فرض شده است.
ب : کاهش زمان اوج جهش با مقادیر کوچک TMS وجه اشتراکی با کاهش TMS ندارد ، بنابراین برای تنظیم ضریب زمانی هم رله ها یک زمان ثابت منظور شده است.
ج : خطای رله ها برابر با 5ر7 % مقدار زمان واقعی در TMS به کار رفته ، منظور شده است ، اگرچه رله های شرکت جنرال الکتریک خطایی کمتر از 5ر7% از 4 تا 20 برابر جریان تنظیمی رله دارند.
• رلة اضافه جریان فوق العاده معکوس ( نوع 14 CDG )
رلة دیگری از شرکت جنرال الکتریک ( نوع 14 CDG ) ، مشخصه فوق العاده معکوس دارد ، و در آن زمان تقریباً به طور معکوس متناسب با مجذور زمان است. این مشخصه ، رله را برای حفاظت مدارهای مربوط به خوراننده های توزیع مناسب میسازد ، که در آنها خوراننده در معرض جریان های اوج ناشی از کلید زنی قرار دارد ، چنانکه در مدار قدرت تغذیه کنندة یخچالها ، پمپها ، آبگرم کن ها ، و غیره ، چنین حالتی وجود دارد ، و این مدارها حتی پس از گذشت زمانی طولانی از قطع منبع تغذیه در وضعیت متصل باقی می ماند. مشخصة عملکرد طولانی رلة فوق العاده معکوس در مقادیر اوج جریان بار عادی ، آن را خصوصاً برای درجه بندی با فیوز مناسب می سازد. شکل 9-8 منحنی های متعارفی را نشان می دهد تا کاربرد رلة مذکور را در یک سیستم 11 کیلوولتی ، که در آن ترانسفورماتور توزیع از طریق فیوز فشار قوی تغذیه می شود ، به تصویر در آورد و چنانکه مشاهده می شود ، خود رله در طرف فشار ضعیف ( 440 ولت ) ترانسفورماتور قرار گرفته است.
منحنی های متمایز کنندة رلة فوق العاده معکوس و فیوز فشار قوی 75 آمپری ( kV 11 ) ،به روشنی تفاوت زمانی 4ر0 ثانیه ای را بین زمان عملکرد رله و زمان عمل فیوز 75 آمپری در حداکثر سطح اتصال کوتاه 2000 آمپر ، نشان می دهد که این موضوع در زمان به کار افتادن مدار شکن ، تغییرات مربوط به زمان عمل فیوز و خطاهای رله را مجاز می سازد. کاربرد دیگر رله فوق العاده معکوس در رابطه با بازبست خودکار در مدارهای توزیع فشار ضعیف است. در این نوع مدارها قسمت عمدة اتصالی ها طبیعتاً گذراست و اگر سیستم های بازبست خودکار چنان تنظیم شوند که قبل از سوختن فیوز عمل کنند ، می توان از سوختن و جایگزینی غیر ضروری فیوزها ممانعت کرد . اگر اتصالی تداوم داشته باشد ، سیستم باز بست خودکار پس از یک عمل کردن در وضعیت بسته تثبیت می شود تا فیوز بسوزد و اتصالی از بقیة سیستم مجزا شود.
• رلة اضافه جریان با زمان معین ( نوع 12 CTU )
رلة ترانزیستوری اضافه جریان با زمان معین شرکت جنرال الکتریک ، سبب ایجاد هماهنگی رله های متعدد متوالی با هم ، در موقعیتهایی می شود که در آنها جریان اتصال کوتاه سیستم در رابطه با تغییرات پاگیرایی منبع به طور وسیعی تغییر میکند ، زیرا در این رله تغییر زمان نسبت به تغییرات جریان اتصالی نسبتاً کوچک است . مشخصة این رله در مشخصة مربوط به رلة IDMT استاندارد نشان داده شده است ، تا مشخص شود که در مقادیر بالاتر جریان های اتصال کوتاه رلة اضافه جریان معکوس مناسبتر است ، در حالی که در مقادیر جریان اتصال کوتاه کمتر رلة اضافه جریان با زمان معین مزیت خواهد داشت.
در این شکل اختلاف زمانی در حداکثر سطوح اتصال کوتاه با خطوط عمودی 1T ، 2T ، 3 T و 4 T نشان داده شده است . این رله را در بسیاری از کاربردهای حفاظت اضافه جریان می تواند به کار برد. اما اگر مزیت کاهش جریان اتصال کوتاه را با افزایش فاصله محل عیب از منبع قدرت در نظر بگیریم ، این رله نمی تواند جانشین رلة IDMT استاندارد یا رلة اضافه جریان خیلی معکوس شود.
• رلة اضافه جریان کنترل شونده با ولتاژ ( نوع 22 CDV )
در صورت استفاده از رلة اضافه جریان با زمان معکوس در مولدها غالباً مشکلاتی پیش می آید ، زیرا در بسیاری موارد واکنایی هم زمان مولد سبب می شود که جریان اتصالی پایدار از مقدار جریان بار کامل کمتر باشد ، البته این موضوع به شرایط بار قبل از وقوع اتصالی ، و در مدار بودن یا نبودن تنظیم کنندة خودکار ولتاژ مولد بستگی دارد.
وقوع اتصالی ها بدون استثنا ، نسبت به حالت اضافه بار عادی ، ولتاژ شینه ها را بیشتر کاهش می دهند ، و از همین موضوع در رله های اضافه جریان کنترل شونده با ولتاژ ( نوع 22 CDV ) که دارای مشخصات زیر است استفاده شده است :
الف : در شرایط اضافه بار و زمانی که ولتاژ سیستم در حدود مقدار عادیش حفظ میشود،
این رله طبق منحنی بالایی شکل 9-10 عمل می کند. زمان عمل این رله چنانکه از منحنی های این شکل مشخص است نسبت به زمان های مربوط به رلة IDMT بسیار طولانی تر است. این مسئله برای این نوع رله ها یک امتیاز محسوب می شود ، زیرا ظرفیت حرارتی مولد معمولاً بزرگتر از مقداری است ، که توسط رلة IDMT معمولی طرح شده برای حفاظت خوراننده ، مجاز دانسته شده است.
ب : در شرایط اتصالی زمانی که ولتاژ سیستم به مقدار از قبل تعیین شده ای افت میکند، این نوع رله ها طبق منحنی پایینی شکل 9-10 عمل می کنند. این منحنی شرایط استاندارد 1966 : 142 BS را تامین می کند ، و بر اساس جریان تنظیمی به میزان 4ر0 برابر مقدار تنظیم واقعی پلاگ رله قرار دارد ، که این مسئله خود باعث به وجود آمدن درجه بندی جریان با رله های IDMT در سیستم قدرت می شود.
• خلاصه
شکل 9-11 مشخصة انواع مختلف رله های اضافه جریان با زمان معکوس و مورد بحث در این فصل را با هم مقایسه میکند. باید توجه داشت که همة این منحنی ها در TMS 0ر1 نشان داده شده اند.
نمونه ای از رله ها
برای مشاهده کتاب مرجع سیستم های حفاظت در برابر صاعقه، اینجا کلیک کنید.
