حفاظت دیفرانسیل

مقدمه

به جرات می توان گفت که ترانسفورماتورها یکی از مهمترین اجزای شبکه قدرت می باشند و کاربرد بسیاری در آن دارند. ترانسفورماتورهایی با توان چند کیلو ولت آمپر جهت تغذیه بارهای خانگی یا روشنایی مورد استفاده قرار می گیرند. از طرف دیگر ترانسفورماتورهایی با توان چند صد مگاوات جهت افزایش سطح ولتاژ در نیروگاهها یا برقراری اتصال در شبکه های قدرت در سطوح ولتاژ بسیار بالا به کار گرفته می شود. ترانسفورماتورها دارای مشخصه ها و خصوصیات منحصر به فردی می باشند که این امر فراهم کردن یک طرح حفاظتی کامل و جامع برای آنها را دشوار می سازد.

انتخاب یک طرح حفاظتی مناسب بدون توجه به جنبه های اقتصادی غیر ممکن می باشد. هرچند که ملاحظات اقتصادی تنها عامل تعیین کننده در امر انتخاب نوع حفاظت ترانسفورماتور نمی باشد. با این وجود این عامل ارتباط تنگاتنگی با دیگر معیارهای مؤثر در امر انتخاب نوع حفاظت ترانسفورماتور را دارا می باشد.

در مورد ترانسفورماتورهای دارای توان پایین، ممکن است که سیستم حفاظتی تنها شامل یک فیوز در سمت تغذیه ترانسفورماتور باشد. از طرف دیگر در مورد ترانسفورماتورهای با توان بالا، لازم است که بهترین، کامل ترین و کارآمدترین حالت برای سیستم حفاظتی آنها فراهم شود. یک مرزبندی نمونه در این امر ملاک قرار دادن ولتاژ سمت فشار قوی ترانسفورماتور می باشد. درصورتی که این ولتاژ بیشتر از  33 کیلوولت باشد، فراهم آوردن یک سیستم حفاظتی سریع مقرون به صرفه خواهد بود.

حفاظت دیفرانسیلی یکی از مهمترین و محبوب ترین روشها در حفاظت ترانسفورماتورها می باشد. در این طرح حفاظت جریانهای ورودی را با جریانهای خروجی مقایسه شده و در صورتی که اختلاف جریانهایی که وارد شده و جریانهایی که خارج می شود برابر صفر باشد، نتیجه گرفته می شود که هیچ خطایی در منطقه حفاظت شده رخ نداده است. اما اگر این جریانها با هم اختلاف داشته باشند، حفاظت دیفرانسیلی نتیجه می گیرد که خطایی در ناحیه رخ داده است و گامهای لازم را برای جدا کردن این ناحیه از بقیه سیستم را بر می دارد.

اصول حفاظت دیفرانسیل

در شکل 1 یک فاز از سه فاز سیستم حفاظتی نمایش داده شده است. مدارهای مختلفی ممکن است وجود داشته باشد اما این مثال برای شرح اصول اساسی حفاظت دیفرانسیل کفایت می کند. در این شکل مشاهده می شود که ناحیه حفاظت شده با گروهی از ترانسهای جریان محدود شده است. با توجه به طبیعت حفاظت دیفرانسیل، این حفاظت پشتیبانی برای بقیه سیستم به حساب نمی آید. به همین دلیل این نوع از حفاظت در دسته بندی حفاظتها جزء حفاظت واحد به حساب می آید. رساناهایی که جریان های ترانسهای جریان را به رله دیفرانسیل می آورند به سیمهای پایلوت مشهور هستند.

شکل 1) جریانهای تفاضلی حین عملکرد عادی و خطاهای خارجی

تحت شرایط عادی جریانی که وارد ناحیه حفاظت شده می شود با جریانی که از آن خارج می شود در هر ثانیه برابر است. ترانس جریان A را در نظر بگیرید. جریان ثانویه در سیمهای پایلوت ترانس A برابر است با:

که IAs جریات تحریک ترانس A در سمت ثانویه و aA نسبت تبدیل ترانس جریان A است. برای ترانس جریان B معادله شبیه معادله ترانس A است و به صورت زیر است:

که IBs جریات تحریک ترانس B در سمت ثانویه و aB نسبت تبدیل ترانس جریان B است.فرض می کنیم نسبت تبدیل ترانسها با یکدیگر برابر و  برابر a است.جریان عملکردی رله به وسیله معادله زیر داده شده است.

در طول عملکرد عادی و در طول خطاهای خارجی جریان عملکردی رله کوچک است اما هرگز منفی نیست و علت رخ دادن این مساله دلایلی است که در قسمتهای بعد به آن اشاره می شود.

در صورت بروز خطاها در ناحیه حفاظت شده جریان ورودی دیگر با جریان خروجی برابر نیست جریان عملکردی رله دیفرانسیل اکنون جمع جریانهای تغذیه کننده محل خطا در شکل 2 است.

شکل 2)جریانهای رله تفاضلی حین خطاهای داخلی

حفاظت دیفرانسیل درصدی محدود کننده

به استثنای خطاهای درونی بسیار کوچک، حفاظت دیفرانسیل خطاهای درون ناحیه را به خوبی شناسایی می کند. حفاظت دیفرانسیل درصدی بر مشکلاتی که در رابطه با شناسایی خطاهای کوچک قرار وجود دارند غلبه می کند، در حالیکه مزیتهای طرح اصلی رله دیفرانسیل را حفظ می کنند. به طور کلی جریان عمل کننده در یک رله دیفرانسیل برابر است با:

که I_D1 , I_D2 جریانهای سیمهای پایلوت هستند.

برای عملکرد رله های درصدی یک جریان محدود کننده اختیار می کنند. راه های زیر متداول ترین راهها برای به دست آوردن جریان محدود کننده هستند، به طوری که K ضریب جبران است که عموما بین 0.5 تا 1 گرفته می شود.

رله های درصدی جریانهای عمل کننده و محدود کننده را با یکدیگر در نظر گرفته و از آنها برای تعریف عملکرد رله در یک صفحه مختصات که در شکل 3 نشان داده شده است استفاده می کند. خط صفحه مختصات را به دو قسمت تقسیم می کند. قسمت بالایی ناحیه عملکرد است، در صورتی که قسمت پایینی ناحیه محدود کننده است. مشخصه رله های معمولی شیب کمی برای جریانهای کم دارند تا حساسیت آنها برای خطاهای درونی کوچک بالا رود. در جریانهای بالاتر شیب مشخصه بسیار بیشتر می شود که سبب می شود که جریان عمل کننده برای عملکرد رله بیشتر شود.

شکل 3) مشخصه رله های تفاضلی درصدی

عملکرد رله های تفاضلی درصدی به وسیله رابطه زیر بیان می شود:

به طوری که SLP شیب مشخصه رله می باشد.

حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور

حفاظت اضافه جریان، حفاظت دیفرانسیل و حفاظت رله بوخهلتز سه راه حفاظت هستند که معمولا برای حفاظت ترانسها از آنها استفاده می شود. حفاظت اضافه جریان، اولین نوع حفاظت ترانسها بوده و هم اکنون نیز برای ترانسهای با ظرفیت معمولی از آنها استفاده می شود. حفاظت دیفرانسیل جای حفاظت اضافه بار به عنوان حفاظت اصلی ترانسهای قدرت را گرفته است.

انواع خطا در ترانسها

خطاها در ترانسهای قدرت به دو دسته خطاهای درونی و خطاهای بیرونی تقسیم می شوند.

خطاهای بیرونی در خارج از ناحیه حفاظت شده رخ می دهند. سیستم حفاظت واحد ترانسفورماتور در این شرایط نباید عمل کند. ترانس در زمان بروز چنین خطاهایی تنها باید در شرایطی قطع شود که رله های دیگر در زمان تعیین شده خود خطاها را تصحیح نکنند.

خطاهای درونی می توانند به صورت فاز-فاز یا فاز-زمین باشند. این خطاها برای ترانس خطرناک می باشند. خطاهای درونی را می توان به دو گروه زیر دسته بندی کرد:

1)خطاهای الکتریکی که سبب خسارت جدی و سریع می شوند اما عمدتا قابل شناسایی به وسیله عدم تعادل در جریانها و ولتاژها می باشند. این خطاها شامل موارد زیر می باشند:

الف) خطای فاز – فاز

ب) خطای فاز – زمین

ج) اتصال کوتاه بین سیم پیچ های فشار قوی و فشار ضعیف

2) شامل خطاهای ساده ای می باشند که اگرچه چندان مهم به نظر نمی رسند اما می توانند سبب آسیب های جدی شوند اگر شناسایی و ترمیم نشوند. بعضی از خطاهای ساده شامل موارد زیر است:

الف) اتصال الکتریکی ضعیف بین رساناها

ب) خطا درسیستم خنک کن که سبب افزایش دما می شود.

ج) تقسیم ناصحیح بار بین ترانسهای موازی که می تواند سبب گرم شدن آن به علت جریان گردشی شود.

برای خطاهای گروه 1 ترانس باید به سریعترین نحو ممکن بعد از وقوع خطا ایزوله شود. برای خطاهای گروه 2 اگرچه چندان شدید نیستند اما می توانند سبب خطاهای جدی بعد از مدتی شوند. این خطاها باید بعد از اینکه شناسایی شدند به سرعت تصحیح شوند.

مشکلات حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور

برای تمایز خطاهای داخلی و خارجی، جریانهای ثانویه ترانسهای جریان در حفاظت دیفرانسیل باید یکسان باشد.

تعدادی از عوامل که سبب عدم تعادل این جریانها می شوند در زیر بیان شده اند.

دو ترانسفورماتور جریان مانند یکدیگر عمل نمی کنند، حتی اگر از یک نوع باشند و دارای نسبت تبدیلهای برابر باشند.

شار مغناطیسی باقی مانده در هسته ترانسهای جریان موجود ممکن است برابر نباشند و به همین دلیل جریانهای تحریک آنها نیز برابر نیست.

اشباع یکی از ترانسهای جریان شکل موج را تغییر داده و سبب کم شدن خروجی می شود. اختلاف بین خروجی های دو ترانس جریان به معنی عملکرد رله است.

اختلاف در طول سیم بندیها سبب تفاوت مقدار مقاومت سیمهای پایلوت شده و همین مساله تقارن سیگنالها را تحت تاثیر قرار می دهد. (بر این مشکل با اضافه کردن مقاومت متغیر در سیمهای پایلوت غلبه شده است.)

از آنجایی که خود ترانسفورماتور نسبت تبدیلی دارد، جریانها در اولیه و ثانویه آن یکسان نیست. به همین دلیل برای یکسان سازی جریانهای پایلوت نسبت تبدیل ترانسفورماتورهای جریان با یکدیگر متفاوت است. این مساله سبب افزایش عدم تطابق ترانسفورماتورهای جریان می شود.

اتصالات ترانسفورماتور قدرت سبب جابجایی فاز ولتاژ و جریان اولیه نسبت به ولتاژ و جریان ثانویه است. برای مثال اتصال DY که متداولترین نوع اتصال ترانس است سبب تغییر فاز 30 درجه ای  می شود.

تغییر تپ ترانس سبب تغییر ولتاژها در سمت فشار قوی و سمت فشار ضعیف می شود. به همین منظور لازم است که اطلاعات رله در مورد مکان تپ ترانس در صورت تغییر تپ بروز شود. با وارد کردن مکان تپ ترانس به رله دیجیتال، رله عملیات جبرانسازی این تغییر تپ را به صورت عددی انجام می دهد. به هر حال جریان هجومی ملموس ترین موضوع مرتبط با حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور است.