رله و حفاظت سيستم ها
امروزه با گستردگی شبکه های انتقال و توزيع نيروی الکتريکی و سيستم های توليد انرژی الکتريکی طبعا حفاظت از آنها از اهميت ويژِهای برخوردار خواهد گرديد .

قبلا اغلب رله های حفاظتی با تکنولوژی الکترومکانيکی ساخته می شدند وهنوز هم اين رله ها در شبکه های الکتريکی مشغول به کار هستند مانند :

رله های جريان زياد و اتصال کوتاه – رله های ارت فالت – رله های ديستانس – رله های ديفرانسيل و
با ظهور علم الکترونيک تکنولوژی ساخت اين رله ها تغيير يافت و رله های الکترونيک ساخته شدند واين رله ها جای رله های مکانيکی را گرفتند .

طبعا اين رله ها از لحاظ دقت، ابعاد، مصرف انرژی و مهمتر اين که ساخت تابع های پيچيده تر با اين تکنولوژی ممکن تر ميباشند ، دارای امتيازات بسياری بودند .
مهمتر اين که رله های حفاظتی که مهمترين قسمت يک سيستم الکتريکی هستند بايد عناصر قابل اعتماد و با دقتی باشند . و رله های الکترونيکی دارای اين امتيازات بودند .
تا اين که تکنولوژی جديدی ابداع شد !!!!

با ورود ميکروپروسسورها تکنولوژی ساخت رله های حفاظتی متحول شد . با توجه به توانايی های بالای ميکروپروسسورها وقدرت برنامه ريزی آنها توانايی های کاربردی رله های حفاظتی نسل جديد نيز متحول گرديد و فزونی يافت وتوانايی های زير به آنها اضافه شدند : برنامه ريزی ساده اين رله ها جهت کاربردهای متفاوت که رله های چند تابعی نسل جديد معمولا به يک پی ال سی نيز مجهز هستند . اتصال رله های حفاظتی به باس های اطلاعاتی وارسال و دريافت سيگنالهای آنالوگ مانند کميت های الکتريکی وهمچنين اطلاعات مربوط به خطاها و تنظيم رله ها از طريق باسهای اطلاعاتی اتصال وبرنامه ريزی از طريق کامپيوترهای شخصی توسط نرم افزارهای کمپانی سازنده رله قدرت خطا يابی و چک کردن مدارات داخلی رله ها و ….
همانطوری که قبلا اشاره کرديم حفاظت سيستم های الکتريکی از اهميت بسيار زيادی برخوردار است و امروزه کمپانی های متعددی در حال طراحی و ساخت رله های حفاظتی می باشند . برخی از کمپانی های معتبر که در اين زمينه مشغول به فعاليت می باشند را معرفی می کنيم .

Siemens -Alstom – ABB – GE Power – Schneider – CEE – Reyroll
به طور کلی رله های حفاظتی بايد دارای مشخصات زير باشند :
سرعت عملکرد : اين پارامتر در رله های حفاظتی بسيار حائز اهميت است چون رله های حفاظتی هنگام خطا موظفند با سرعت هرچه تمامتر بخش های معيوب را از قسمت های سالم جدا نمايند .

حساسيت : اين پارامتر به حداقل جريانی که سبب قطع رله می گردد بر ميگردد .
تشخيص و انتخاب در شرايط خطا : اين پارامتر نيز بسيار مهم است زيرا در شبکه هايی که دارای چند باس بار و رله حفاظتی هستند هنگام وقوع خطا می بايد قسمت معيوب به درستی تشخيص داده شده و از شبکه جدا گردد و قسمتهای سالم به کار خود ادامه دهد.

پايداری : اين پارامتر به اين باز ميگردد که يک رله حفاظتی به تمامی خطاهايی که در محدوده حفاظتی خود به درستی عکس العمل نشان دهد و در مقابل خطاهای خطاهای اين محدوده عکس العملی نشان ندهد .
دسته بندی رله های حفاظتی بر اساس پارامترهای اندازه گيری :

الف) رله های جريانی : اين رله ها بر اساس ميزان جريان ورودی به رله عمل می کند . حال اين جريان می تواند جريان فازها – جريان سيم نول – مجموع جبری جريانهای فازها است (رله های جريان زياد – رله های ارت فالت و …. ) و حريان ورودی رله می تواند تفاضل دو يا چند جريان باشد ( رله های ديفرانسيل و رستريکت ارت فالت

ب) رله های ولتاژی : اين رله ها بر اساس ولتاژ ورودی به رله عمل ميکند اين ولتاژ می تواند ولتاژ فازها باشد (رله های اضافه يا کمبود ولتاژ و ….) و يا ميتواند مجموع جبری چند ولتاژ باشد ( رله تغيير مکان نقطه تلاقی بردارهای سه فاز

ج) رله های فرکانسی : اين رله ها بر اساس فرکانس ولتاژ ورودی عمل ميکند ( رله های افزايش و کمبود فرکانس
د) رله های توانی : اين رله ها بر اساس توان عمل می کنند به عنوان مثال رله هايی که جهت توان را اندازه گيری می کنند يا رله هايی که توان اکتيو و راکتيو را اندازه گيری می کنند .

ه) رله های جهتی : اين رله ها از جنس رله های توانی هستند که بر اساس زاويه بين بردارهای ولتاژ و جريان عمل ميکنند مانند رله های اضافه جريان جهتی که در خطوط چند سوتغذيه رينگ و پارالل بکار می روند و يا رله های جهت توان که جهت پرهيز از موتوری شدن ژنراتور هنگام قطع کوپلينگ آن بکار ميرود .
و) رله های امپدانسی : مانند رله های ديستانس که در خطوط انتقال کاربرد فراوانی دارند .
ز) رله های وابسته به کميت های فيزيکی : مانند حرارت – فشار – سطح مايعات و …. مانند رله بوخ هلتس ترانسفورمرها ح) رله های خاص : رله هايی هستند که برای منظورهای خاص به کار ميروند مثلا رله تشخيص خطای بريکر – رله مونيتورينگ مدار تريپ بريکر – رله لاک اوت و …..
حفاظت اضافه ولتاژ سيستم كابل زميني
يكي از مطالعاتي كه شركت DSTAR در آمريكا در مورد كابل هاي زميني انجام داده است ، بررسي اثرات ولتاژهاي گذراي ضربه در آنها به دلايلي همچون صاعقه مي باشد . نقص كابل هاي زميني با عايق پلي اتيلني و امثال آن بخشهايي از صنعت را دچار مشكل كرده است. يكي از دلايل اصلي خرابي هاي زودرس، اضافه ولتاژهاي مكرري است كه بعلت حالت هاي گذرا در سيستم ايجاد مي شوند .

يك سيستم كامل آزمايشي در آزمايشگاه GE (جنرال الكتريك) براي آزمايش روشهاي مختلف حفاظت كابل در مقابل اضافه ولتاژ ايجاد شده است. اين مجموعه شامل كابل نوترال مركزي لخت بوده كه در يك محفظه انعطاف پذير حمل مي گردد و امكان آزمايش كابل هاي كوتاه( ft300 ) و بلند ( f t 1350 ) را فراهم مي كند.

براي انجام آزمايش ولتاژ ضربه يك سر كابل را به يك riser pole وصل نموده كه از طريق آن ولتاژ ضربه شبيه سازي شده صاعقه به آن اعمال ميگردد. ولتاژ ضربه مشابه صاعقه توسط يك مولد ولتاژ ضربه از نوع ماركس با قابليت توليد ولتاژ ضربه ۶ ميليون ولتي توليد ميگردد. طرح هاي مختلف از نحوه نصب برقگير با يكديگر مقايسه گرديده اند. در بعضي از آنها صرفا” در محل riser pole برقگير نصب شده ودربعضي ديگر علاوه برriser pole در طول كابل نيز برقگير قرار داده شده است. يكي از يافته هاي مهم اين بود كه معلوم شد در سيستم هاي كابل نواري يا دو شاخه اي ، اضافه ولتاژ شديد تر عمل كرده و در اين سيستم ها نياز به توجه بيشتري در نصب برقگيرها مي باشد . نتايج حاصل از اين آزمايشها اكنون بوسيله شركتها جهت بهينه سازي حفاظت كابل در مقابل اضافه ولتاژ مورد استفاده قرار مي گيرد.

آزمايش ولتاژ ضربه برروي سيستم كابل زميني براي انواع ديگر كابل ها ادامه يافت. كابل جلددار (jacketed cable) بطور وسيع براي به حداقل رساندن مشكلات ناشي از خوردگي نول به كار مي رود. سيم نول خود يك هادي عايق شده است كه مي تواند امواج ضربه را همانگونه كه در شكل (۱) ديده مي شود انتقال دهد .

تحقيقاتDSTAR نشان داد كه حالت هاي گذراي سيم نول ، مشكلات ديگري را نيز ايجاد مي كند. وقتي يك اضافه ولتاژ ناشي از صاعقه باعث مي شود كه برقگير تخليه كند ، جريان بين زمين برقگير و نول كابل تقسيم مي شود .

ولتاژهاي قابل توجه اي بين نول كابل و زمين ايجاد مي گردد و جلد كابل مي تواند سوراخ شود. به خصوص اين حالت زماني رخ ميدهد كه مقاومت زمين پاي برقگير زياد باشد و در نتيجه جريان بيشتري از نول كابل عبور كند.آزمايشهاي ديگري براي تشخيص ميزان مقاومت جلد كابلها در DSTAR انجام شده است .

در صورت عدم تخليه صاعقه دربرقگير محل riser pole خطر انتقال ولتاژ ضربه به سيم پيچي هاي ترانسفورماتور و صدمه به آنها در طرف اوليه و يا ثانويه وجود خواهد داشت. نتايج آزمايشها نشان ميدهند كه در حالت استفاده از برقگير تنها در محل riser pole خطر خرابي و آسيب وجود دارد.

براي حل مشكل فوق و جلوگيري از سرايت اضافه ولتاژ صاعقه به سيم پيچي هاي ترانسفورماتور تحقيقات قابل ملاحظه اي انجام گرفته است كه بر اساس آنها ايده استفاده از يك سيم لخت خوابانده شده در كنار كابل جلددار بمنظور كاهش ولتاژ ايجاد شده در بدنه كابل ارائه گرديده است. اين روش باعث كاهش چشمگير ولتاژ بين نول و نقطه زمين محلي مي گردد.
يكي ديگر از روشهاي مهم كاهش حالت هاي گذراي نول دركابلها، بهبود سيستم زمين ميباشد. نوع ديگري از كابل كه توسط بعضي از شركت ها مورد استفاده قرار مي گيرد ، كابل جلددار از نوع نيمه هادي است . اين نوع جلد ، نول را در مقابل خوردگي محافظت مي كند و باعث ميرا شدن حالت هاي گذراي نوترال مي

 

شود. نتايج آزمايشها برروي اين كابلها نشان ميدهد كه ولتاژ بين نول و زمين بشدت كاهش مي يابد. وليكن، جريان ضربه نوترال در اين نوع كابلها به سرعت نوترال هاي مركزي لخت ، ميرا نمي شود .
علاوه بر صاعقه هايي كه به خطوط هوايي تغذيه كننده سيستم زميني برخورد مي كنند ، حالت هاي گذراي ضربه در اثر برخورد صاعقه به زمين در نزديكي گودال كابل نيز مي توانند در نول كابل ايجاد شوند . DSTAR با آزمايشهاي گسترده اي ، جريان القاء شده در نول را بصورت تابعي از محل برخورد صاعقه اندازه گرفت. اين كار با كابل هاي لخت ، داراي جلد عايق و داراي جلد نيمه هادي انجام شد .

حفاظت ثانويه ترانس اندازه گيري ولتاژ
موضوع شكست مدار جريان بعنوان يك روش الكترومكانيكي جهت تحديد جريان خطا در مسيرهاي حاوي نيروي محركه الكتريكي (EMF) قبل از پيدايش مواد ابررسانا تنها ايده مطرح جهت پاكسازي خطا از مدارهاي الكتريكي بوده است ، با اين حال همين روش ساده با توجه به نيازمنديهاي شبكه هاي مدرن الكتريكي از ظرفيتهاي بالايي جهت جذب و بكارگيري گروه قابل توجهي از رشته هاي تخصصي شامل برق ، مكانيك ، علم مواد ، الكترونيك و كامپيوتر است.
علاوه بر آن مكان يابي مناسب جهت نصب مدار شكنهاي مورد بحث ، موضوع دسته ديگري از تحقيقات و پژوهشهاي انجام شده در قالب تحليلهاي رياضي شبكه هاي الكتريكي همچنين ايمني و قابليت اطمينان بهره برداري از آنها است ، كه بحث حاضر از جهاتي در اين گروه قابل دسته بندي است .
ترانس ولتاژ به واسطه اتصال اوليه آن از ديد مدار ثانويه عليرغم ماهيت انتقالي آن ، يك منبع انرژي امپدانس داخلي مشخص است ،‌هر چه كليد حفاظتي منصوب در ثانويه ترانس به سيم پيچي آن نزديكتر باشد از ناحيه تحت حفاظت بيشتري برخوردار است . بطور مثال در ترانسهاي ولتاژ مستقر در پستهاي فشار قوي ،‌ اولين مكان بعد از سيم پيچي جهت نصب مناسب كليد حفاظتي ، جعبه پيش بيني شده روي ترانس ولتاژ توسط سازنده است و مكان بعدي تابلو توزيع پيش بيني شده در محوطه پست جهت انشعابات مورد نياز است .
بعضي از سازندگان بدليل اجتناب از قبول مسئوليتهاي ناشي از دسترسي بهره بردار پست به كليد حفاظتي منصوب در جعبه ترانس ولتاژ ، بطور كلي از نصب آن صرفنظر و اين حفاظت را خارج از محدوده ترانس ولتاژ به عهده استفاده كننده
مي گذارند . در اين حالت ناحيه بينابيني ترانس ولتاژ و تابلو توزيع محوطه و مسئله عدم حفاظت آن ناحيه در قبال اتصال كوتاه يا نشتي جريان موضوع يك رشته از مباحث فني بين طراح و مسئولين بهره برداري پست خواهد بود .

سئوالي كه در اينجا مطرح مي شود آن است كه چگونه مي توان ناحيه مزبور را به بهترين روش و صرف كمترين هزينه ممكن تحت پوشش حفاظتي قرارداد ؟ آيا كليد حفاظتي منصوب در تابلوي توزيع محوطه علاوه بر نواحي پائين دست قادر به پوشش نواحي بالا دست خود نيز

هست ؟ پاسخ سئوال مذكور در اتصالات مرسوم منفي است ، زيرا كليد ياد شده تنها قادر به پوشش نواحي پائين دست خود است و جريان گذرنده از نواحي بالا دست را احساس نمي كند ، اما اگر اتصال ياد شده به نحو ديگري انجام شود پاسخ باز هم منفي است ؟
در شكل زير با انتقال كليد حفاظتي از ناحيه شماره ۱ به ناحيه شماره ۲ (انتقال كليد از سيم فاز به سيم نول در داخل تابلوي توزيع محوطه) مي توان بدون تغيير مكان نصب كليد نواحي بالا دست را نيز در مقابل دسته بسيار بزرگي از خطاها حفاظت كرد.
در شكل زير مسير عبور جريان اتصال كوتاه به ازاي خطاي تكفاز به زمين در ناحيه بالا دست نشان داده شده كه ناگريز از تحريك كليد حفاظتي است .
در شكل زير نيز مسير عبور جريان فاز – فاز در اثر خطاي رخ داده در ناحيه بالا دست كه باعث عملكرد كليد منصوب در پائين دست مي شود ، ملاحظه مي شود .

با دقت در اشكال بالا ملاحظه مي شود ، اصل اساسي شكست جريان خطا همچنان جاري است و تنها بايستي مفهوم بالا دست (Up stream) و پائين

دست (down stream) در اتصالات غير متداول مورد بازنگري قرار گيرد . با اين حال حفاظت مذكور هنوز در مقابل اتصال كوتاه هاي سيم نول هر يك از ترانسهاي ولتاژ در بالا دست بي عمل باقي مي ماند كه به دليل احتمال كم آن در مقابل مزاياي ديگر طرح قابل چشم پوشي است .
نكته قابل توجه ديگر لزوم اطمينان از برقراري اتصال زمين در ثانويه ترانس ولتاژ است كه به صراحت در بسياري از استانداردها بدان اشاره شده است .چنانكه ملاحظه مي شود ، با قطع كليد حفاظتي ، ثانويه ترانس ولتاژ از زمين حفاظتي منفك شده كه امري مخاطره آميز است ، زيرا به هر دليل در صورت تخريب عايقي ترانس ، ولتاژ اوليه روي بخشهاي فلزي ثانويه ظاهر شده كه مي تواند در شرايطي همراه با عدم عملكرد حفاظتهاي اوليه باشد . در اين شرايط ممكن است سيستم فشار ضعيف در معرض اضافه ولتاژهاي خطرناك قرار گيرد .

بنابراين ضعف طرح مذكور صرف نظر كردن از مزاياي زمين حفاظتي در مواقع قطع كليد است كه به دليل صراحت استاندارد ها قابل چشم پوشي نيست .ضعف مذكور در سيستمهايي كه حاوي ترانس ولتاژ واسطه در مدارات داخلي هستند قابل جبران است . بدين نحو كه با اعمال زمين در نقطه صفر ترانس ولتاژ واسطه عملا كمبود زمين حفاظتي در ثانويه ترانس ولتاژ فشار قوي جبران
مي شود .

يك مزيت قابل توجه ديگر نصب كليد حفاظتي در مدار نول سيستم سه فاز گسترش ناحيه مورد حفاظت حتي در داخل سيم پيچي تجهيز مورد استفاده است . مزيتي كه به طور منحصر به فرد تنها با اينگونه اتصال قابل تحصيل است.