پایان نامه شبکه قدرت

چکیده:

در این پروژه سعی شده است که ابتدا اصول کار کرد رله های حفاظت زمین اعم از جهت دار و غیر جهت دار مورد بررسی قرارگیرد. سپس به چند نمونه از شرایطی که باعث عملکرد اشتباه این رله ها می شود،‌ پرداخته شده و در هر مورد، راه حل های لازم ارائه شده است. در ادامه یک سیستم دیفرانسیلی حفاظت زمین نیز مورد بحث و بررسی قرار گرفته که به خاطر مزایای فراوان این سیستم،‌ استفاده از آن در شبکه های دو سو تغذیه توصیه می شود. نهایتا در فصل آخر یک نمونه محاسبه جهت تنظیم رله زمین در یک شبکه نمونه ارائه شده و نتایج لازم برداشت شده است

مقدمه :

شبکه قدرت همواره در معرض خطاهای گوناگونی قراردارد . از میان همه این خطاها احتمال وقوع خطای زمین بیشتر است . تقریبا بیش از 95 درصد خطاهای شبکه از این نوع است. بنابراین حفاظت تجهیزات شبکه قدرت در برابر این نوع خطاها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

یکی از روش های حفاظت سیستم ها در برابر خطای زمین استفاده از رله های جریان زیاد است این روش که از دیرباز مورد استفاده قرار می گرفته است هنوز هم جزو اصلی  ترین روش های حفاظت زمین محسوب می شود .اگر چه در برخی مواردرله دیستانس به عنوان رله اصلی در این خطاها بکار می رود  اما رله های جریان زیاد زمین در این موارد نقش مهمی ایفا میکنند ،زیرا موارد بسیاری وجود دارد که رله دیستانس در خطاهای زمین عمل نمی کند.

با این حال شرایط و عوامل زیادی وجود دارد که باعث می شود که رله های جریان زیاد زمین ،‌ عملکرد صد در صد درست نداشته باشند . این بیشتر به خاطر شرایطی است که شبکه قدرت بر رله تحمیل میکند . بنابراین آشنایی با این شرایط و هم چنین رویارویی با آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است ،‌ زیرا با این کار قابلیت اطمینان سیستم های قدرت را می توان بالابرد.

فصل اول

اصول  عملکرد رله های زمین

در حالیکه مقالات متعددی  در زمینه انواع خاصی از رله های زمین و مشکلات مربوط به آن نوشته شده است ، اما یک بررسی کلی در مورد اصول  عملکرد  این رله ها کمتر یافت می شود .در این فصل سعی بر این است تا مفاهیم اساسی رله های زمین بیان شود و یک آشنایی کلی با طرز کار این رله ها صورت گیرد با این امید که بتوان برای مهندسین حفاظت مفید واقع گردد.

لازم به ذکر است که در این پروژه ، منظور از حفاظت خطوط انتقال حفاظت جریان زیاد است و رله های زمینی که در اینجا بحث می شود ، همگی طبق اصول رله های جریان زیاد عمل می کنند . بنابراین نباید آن ها را با انواع دیگر حفاظت خطوط نظیر  حفاظت دیستانس و یا Pilot Protection اشتباه گرفت.

: خطا های زمین (GROUND  FAULTS)

خطاهای زمین به خطاهایی گفته میشود که بین یک یا دو فاز  و زمین صورت می گیرد . رله زمین در چنین مواقع ی باید بتواند در کمترین زمان ممکن این اشکال را احساس کند و فرمان لازم برای عملکرد کلیدهای قدرت را صادر کند.

کمیتی که در رله های زمین برای تشخیص خطا بکار می رود ولتاژ (3V0) یا جریان باقیمانده[1] (3I0) است کهV0 وI0 مقادیرمولفه صفر ولتاژ و جریان هستند . بیشتر سیستم های قدرت زمین شده اند و این زمین کردن ممکن است بصورت مستقیم باشد و یا از مقاومت یا راکتانس استفاده شده باشد. در نتیجه جز در موارد خاصی ، ولتاژ و جریان های باقیمانده بسیاری وجود دارد که میتوانند توسط رل های زمین مورد استفاده قرار گیرند . البته ولتاژ و جریان مولفه منفی نیز در خطای زمین وجود دارد و با ترکیب آن ها با مقادیر مولفه صفر ، در آشکار نمودن و ایزوله کردن خطاها می توان از آن ها استفاده کرد.

قابل ذکر است که خطای سه فاز به زمین به علت این که مولفه صفر قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند نمی تواند باعث عملکرد رله زمین شود . به همین خاطر عموما این نوع خطا به عنوان یک خطای فاز درنظر گرفته می شود.

هیچکدام از کمیت های مشخص کننده خطای زمین (ولتاژ و جریان مولفه صفر) هنگامیکه سیستم در شرایط نرمال قرار دارد ، به مقدار قابل ملاحظه ای موجود نیستند. این نکته مهم باعث شده است تا بتوان رله های جداگانه ای را برای حفاظت زمین استفاده کرد که حساسیت بیشتری دارند و در مقادیری کمتر از بار سه فاز سیستم تنظیم می شوند.

2-1: اتصالات رله های زمین

در این جا چند نوع متداول از اتصالات رله های زمین که استفاده از آن ها در حفاظت زمین رایج است تشریح می گردد. در تمام این روش ها از ولتاژ یا جریان باقیمانده برای تشخیص خطای زمین استفاده می شود.

الف : در روش اول که در شکل a-1-1 نمایش داده شده است ، رله زمین از خروجی سه ترانس جریان که بصورت موازی بسته شده اند تغذیه می گردد . اولیه هر کدام از ترانس ها یکی از فازهای خط انتقال است . بنابر این جریانی که از رله عبور می کند برابر است با :

                                          Ir=Ia+Ib+Ic=3I0

این جریان که به جریان باقیمانده معروف است ، سه برابر جریان مولفه صفر سیستم است و فقط هنگامی وجود دارد که در سیستم خطای زمین داشته باشیم.

چون در شرایط کار عادی سیستم ، جریان باقیمانده نداریم ، پس تنظیم این رله ها را می توان در مقادیر کم انجام داد . به همین دلیل معمولا این رله ها بین 30 تا 70 درصد جریان نامی تنظیم می شوند . تنظیم این رله ها مستقل از بار است و با تنظیم رله های اضافه بار متفاوت است ، ذکر این نکته ضروری است که تنظیم  آن ها در مقادیر کم ،‌باعث تحمیل بِردِن[1] اضافی به C.T خواهد شد و این مطلوب نیست .

رله های C,B,A که هر کدام در ثانویه یکی از C.Tها بسته شده اند ، برای حفاظت در برابر خطای فاز هستند یعنی در صورت وقوع خطای دو فاز به هم ویا خطای سه فاز ،‌ المان جریان زیاد این رله ها باعث صدور فرمان لازم می گردد. این رله ها باید طوری تنظیم شوند که در بارگیری کامل از خط و حتی در مقادیری بیش از آن عمل نکنند . این رله ها ممکن است در برخی خطاهای زمین عمل کنند . با این وجود نباید آن ها را به عنوان رله زمین در نظر گرفت بلکه باید آن ها را به عنوان یک حفاظت پشتیباد برای رله زمین به حساب آورد . گاهی اوقات به منظور صرفه جویی اقتصادی ، به جای این که سه رله جریان زیاد برای فازها بکار برند،‌از دو رله استفاده میکنند.

در صورتیکه  تمام C.T ها ایده آل باشند ،‌ تحت شرایط کارکرد نرمال و هم چنین در خطاهای بین فازها جریانی از رله زمین نخواهد گذشت . با این وجود ،‌چون C.T  ها هر قدر هم که یکسان باشند باز هم تفاوت های جزئی  دارند، همواره مقداری جریان از رله زمین عبور می کند این جریان که به جریان مانده اشتباهی معروف است ،‌ هنگامی که اولیه C.T ها در جریان نامی کار میکند حدود 01/0 تا 1/0 آمپر است و در خطاهای شدید بین فاز ها ، مقادیر  بسیار بزرگتری خواهد داشت. برای اجتناب از این جریان اشتباه می توان از یک نوع ترانس جریان استفاده کرد که هر سه فاز را در بر میگیرد . در شکل b-1 نمونه ای از این نوع ترانس جریان که به C.T توالی صفر[2] معروف است ، نشان داده شده است با استفاده از این C.T در واقع نامتعادلی در خروجی C.T ها از بین خواهد رفت . استفاده از این C.T در سیستم های با ولتاژ کم و متوسط رایج است.

ب: روش دوم که در شکل 2-1 نشان داده شده است را تنها در پست هایی می توان به کار برد که ترانس هایی با سیم پیچ ستاره زمین شده دارند . در چنین مواقعی جریان رله زمین توسط یک C.T که بین نقطه خنثی ترانس و  زمین بسته می شود تامین می گردد . فقط در صورت بروز خطای زمین است که از نقطه صفر ترانس قدرت جریان می گذرد و به محض عبور جریان ،‌رله زمین واقع درآن جاکه درمقادیرکم نیزتنظیم می گردد،

‌فرمان لازم راصادر خواهد کرد.

این رله فقط خطاهای زمین طرف ستاره را حفاظت می کند و به خطاهای سمت مثلث حساس نیست زیرا همانطور که می دانیم ، جریان مولفه صفر نمی تواند از یک ترانس ستاره – مثلث عبور کند . بنابراین این رله خطاهای زمین طرف مثلث را نمی بیند.

در سیستم هایی که به علت عدم وجود نقطه خنثی از ترانس های زمین برای ایجاد این نقطه استفاده می شود ، رله زمین را میتوان از یک C.T که در نوترال ترانس زمین بسته می شود تغذیه کرد.

ج: یکی دیگر از روش های تشخیص خطای زمین ،‌استفاده از ولتاژ باقیمانده به صورتیکه در شکل a-3-1 نشان داده شده است می باشد . ترانس ولتاژی که در این روش استفاده می شود ، اولیه اش ستاره زمین شده و ثانویه اش مثلث باز می باشد. ولتاژی که در گوشه باز این مثلث اندازه گیری می شود برای تشخیص خطای زمین به رله اعمال می شود. از این روش بیشتر در واقعی استفاده می شود که سیستم قدرت فاقد نقطه صفر باشد . یکی از این موارد ، حفاظت خطای زمین در سمت مثلث یک ترانس قدرت است . رله زمین در این جا یک رله ولتاژی لحظه ای است و در مواردی که لازم است می توان با استفاده از یک تایمر ،‌تاخیر زمانی لازم را ایجاد کرد.

وقتی سیستم درحالت نرمال است ولتاژ موجود در ترمینال های مثلث باز، صفر است . اما هنگام رخ دادن یک خطای زمین ،‌این تعادل به هم خورده و ولتاژی به رله اعمال میگردد. نکته مهمی که هنگام استفاده از این روش باید به آن دقت کرد این است که همواره ولتاژ مولفه صفر، در محل اتصالی بیشترین مقدار را دارد و هر چه از آن دور تر می شویم از مقدار آن کاسته می شود. درصورتی که امپدانس خط مابین نقطه اتصالی و محل رله و با مقاومت خود اتصال در مقایسه با امپدانس منع بزرگ باشد ، باعث کاهش بیش از حد این ولتاژ در محل رله می شود و بنابراین ،‌در تنظیم رله ها باید دقت بیشتری لحاظ نمود.

امروزه باساختن رله های مدرن که می توانند با 1 تا 2 درصد ولتاژ نامی عمل نمایند ، این مساله حل شده است.

د: روش دیگر برای بدست آوردن ولتاژ باقیمانده مورد نیاز رله زمین ، در سیستم هایی است که از طریق سیم پیچ پیترسون[1] زمین شده اند . این روش در شکل b-3-1 نشان داده شده است . همان طور که از شکل مشخص است ، ولتاژی که در دو سر سیم پیچ  پیترسون ظاهر می شود برای تشخیص خطای زمین به رله اعمال شده است .] 14[

-1 انواع معمول رله های زمین:

هر خط انتقال در یک سیستم زمین شده می تواند به وسیله ترکیب یک یا تعداد بیشتری از رله های زیر حفاظت شود:

الف – رله های جریان زیاد زمانی (Time Overcurrent Relays) که شامل دو مورد زیر است:

1-رله های زمان معکوس (Inverse time relays)

2- رله های زمان معین (Definite timerelays)

ب – رله های جریان زیاد زمانی جهت دار (Time Overcurrent Relays Directional) که شامل همان دو مورد ذکر شده در بند الف می باشد.

ج – رله های جریان زیاد لحظه ای (Instantaneous Overcurrent Relays)

د- رله های جریان زیاد لحظه ای جهت دار(Directional Instantaneous Overcurrent Relays)

رله های با مشخصه معکوس

اکثر سیستم های حفاظت زمین بوسیله ترکیبی از دو مورد اول فوق و با استفاده از رله های زمان معکوس عمل حفاظت را انجام می دهند .  این رله ها معمولا شامل یک دیسک اندکسیونی هستند که توسط جریان ،‌حاصل ضرب دو جریان و یا حاصل ضرب یک جریان و یک ولتاژ عمل می کنند و مشخصه های جریان – زمان متعددی دارند . رله های الکترونیکی نیز ساخته شده اند که در آن ها مشخصه زمان معکوس توسط یک مدارRC ایجاد می شود. این مقاومت،‌ یک مقاومت غیر خطی است که تغییر آن باعث تغییر زمانی مدار و در نتیجه ،‌زمان عملکرد رله می شود برخی از مشخثه های زمان معکوس به عنوان نمونه در شکل 4-1 نشان داده شده اند 

(شکل ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)