الکتروتکنیک-برق صنعتی

حفاظت ژنراتورها در برابر خطاهای اتصال کوتاه – اضافه جریان – اضافه بار – دیفرانسیل – اضافه جریان وابسته به ولتاژ – افزایش و کاهش فرکانس و ....

حفاظت ترانسفورمرها در برابر خطاهای جریانی مانند اتصال کوتاه – جریان زیاد – اضافه بار – دیفرانسیل و خطاهای فیزیکی ترانسفورمر ها شامل اضافه حرارت سیم پیچ و روغن و سطح روغن و بوخهلتس و ..

حفاظت خازنها در برابر خطاهای اتصال کوتاه - اضافه بار – اضافه ولتاژ و .....

حفاظت باسبارهای پست ها در برابر انواع خطاهای ولتاژی – دیفرانسیل – سنکرون چک و ... و سایر حفاظت ها که جنبه خاص دارند

به طور کلی هر حالت غیر عادی که در عملکرد سیستم به وجود می آید، خطا نامیده می شود. از این حالت های غیر عادی می توان به وقوع اتصال کوتاه، افزایش و یا کاهش بیش از حد ولتاژ، افزایش و یا کاهش بیش از حد فرکانس، افزایش حرارت تجهیزات در اثر توان عبوری بیش از حد از آن ها یا اضافه بار،از سنکرون خارج شدن ژنراتورها و ... اشاره کرد. اتصال کوتاه ها از مهمترین و پراحتما ل ترین خطاهایی هستند که در یک شبکه به وجود می آید. این خطاها ممکن است بر اثر برخورد یک یا دو فاز با زمین، اتصال دو یا سه فاز به یکدیگر و ... به وجود آیند که در این حالت جریان زیادی در حدود 10 تا 100 برابر جریان عادی، از شبکه عبور می کند. عبور این جریان می تواند اثرات مختلف و زیانباری روی شبکه داشته باشد که از مهم ترین آن ها می توان به اثرات حرارتی روی تجهیزات اشاره کرد که باعث سوختن و آسیب دیدن عایق آن ها می شود. این امر ممکن است در زمانی در حدود چند ثانیه صورت گیرد. از این رو رفع خطا در یک سیستم باید در کوتاهترین زمان ممکن صورت گیرد. برای تشخیص حالت های غیرعادی در یک شبکه و ایزوله کردن بخش معیوب از سایر بخش ها از سیستم حفاظت استفاده می شود. در اغلب موارد خطاهای به وجود آمده در سیستم قدرت، باعث تغییرات ناخواسته و شدید در اندازه ولتاژ یا جریان می شوند. از این رو تقریبا در تمامی خطاها با اندازه گیری میزان جریان و ولتاژ، می توان وقوع خطا را تشخیص داد . در سیستم های حفاظت و در مرحله اول با استفاده از ترانس های ولتاژ و جریان، اندازه ولتاژ و جریان کاهش پیدا کرده تا به میزان قابل استفاده برای تجهیزات سیستم حفاظت برسد.

از انواع رله ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

معمولا هر مصرف کننده الکتریکی دارای توان مشخص و نامی است که توسط سازنده تعیین می گردد. در صورتی که توان مصرفی یک مصرف کننده بیشتر از توان نامی آن باشد، اصطلاحا دچار اضافه بار یا Overload  می شود. در این حالت دستگاه جریانی بیشتر از جریان نامی خود از شبکه میکشد که این امر Overload باعث گرم شدن بیش از حد آن می شود. به عنوان نمونه در موتورهای آسنکرون که بیش از 90 درصد موتورهای موجود در صنایع را تشکیل می دهند، بر طبق منحنی جریان – سرعت آن ها، چنانچه بر اثر اضافه بار مکانیکی دور موتور کاهش یابد، جریان استاتور افزایش یافته و حتی تا چند برابر جریان اسمی موتور نیز می رسد. از این رو شرایط اضافه بار برای موتورها بسیار خطرناک بوده و میتواند موجب گرم شدن بیش از حد سیم پیچ استاتور و روتور و در نتیجه سوختن آ نها شود.

تجهیزات مختلف مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها و به ویژه الکتروموتورها را معمولا توسط رله های Overload که در استاندارد ANSI با کد شماره 49 مشخص می شود، حفاظت می کنند. حرارت ایجاد  شده در تجهیزات به میزان جریان بستگی دارد و از طرفی هر چه جریان اضافه بار بیشتر باشد الکتروموتور زودتر آسیب میبیند. از این رو منحنی عملکرد جریان-زمان رله های  Overload از نوع معکوس بوده تا  در جریان های بیشتر زودتر عمل نموده و عملا از ایجاد گرمای زیاد در دستگاه جلوگیری شود. این منحنی عملکرد باید دارای مشخصات زیر باشد:

۱. جریان نامی دستگاه در قسمت سمت چپ خط مجانب عمودی این منحنی قرار گیرد زیرا در غیر اینصورت رله در شرایط کار عادی دستگاه نیز عمل خواهد کرد.

۲. در مورد الکتروموتورها، منحنی عملکرد مربوطه باید اجازه راه اندازی الکترو موتور را بدهد. یعنی زمان عملکرد رله براساس جریان راه اندازی الکتروموتور از زمان استارت موتور بیشتر باشد. به عنوان مثال چنانچه الکتروموتوری در هنگام راه اندازی 6 برابر جریان نامی را برای مدت 4 ثانیه از شبکه م یگیرد، در منحنی عملکرد رله حفاظتی، زمان معادل 6 برابر جریان نامی از 4 ثانیه بیشتر باشد. معمولاً رله های Overload  به گونه ای انتخاب م یشوند که در جریانی حدود 110 % جریان تنظیمی  شروع به زمان گرفتن یا Pick Up کند. در موارد خاص که الکتروموتور دارای جریان استارت زیاد یا زمان را ه اندازی طولانی می باشد ممکن است از رله ها با منحنی های عملکرد خاص استفاده شود.

در رله هایOverload اولیه از یک نوار بی متال استفاده شده که این نوار در اثر حرارت خم شده و باعث عملکرد کنتاکتهای مربوطه م یشود. عملکرد این کنتاکتها موجب ظهور آلارم و یا اعمال تریپ به موتور یا دستگاه مورد نظر م یگردد. امروزه رله های Overload را با منحنی عملکرد معکوس از طریق مدارهای الکترونیکی یا Plc شبیه سازی میکنند. این رله ها قابلیت ارائه چندین منحنی را داشته و کاربر با توجه به مشخصه دستگاه مورد حفاظت، قادر به انتخاب منحنی مناسب خواهد بود. این منحنی ها را منحنی های هم خانواده یا Family Curves می نامند و توسط مختصات یک نقطه که معمولا 6 برابر جریان نامی می باشد مشخص و توسط تنظیم زمان مورد نظر انتخاب میگردند.

حفاظت یک شبکه الکتریکی در برابر جریانهای زیاد یکی از اولیه ترین حفاظت ها در شبکه است. باید توجه داشت که حفاظت در برابر اضافه جریان با حفاظت در برابر اضافه بار متفاوت است. در اضافه جریان ها که ناشی از وقوع اتصال کوتاه بین یک یا دو فاز با زمین، اتصال بین دو فاز و ... هستند، جریان به مراتب بیشتری نسبت به حالت های اضافه بار از شبکه می گذرد که این جریان باید در کوتا هترین زمان ممکن تشخیص داده شده و قطع شود.

برای حفاظت در برابر اضافه جریا ن از رله Over current که دراستاندارد ANSI با کد شماره 50 یا 51 مشخص شدهُ استفاده می شود. کد شماره 50، برای زمان عملکرد لحظه ای و کد 51 برای عملکرد با تأخیر زمانی است. در حالت عملکرد لحظه ای پس از این که جریان از، میزان تنظیم شده برای رله بیشتر شد، رله آن را تشخیص داده و بلافاصله تریپ می دهد . در عملکرد باتأخیر زمانی، پس از رسیدن جریان به میزان تنظیم شده، رله پس از مدت زمانی که به میزان جریان بستگی دارد، دستور تریپ را صادر می کند. در این حالت معمولا از منحنی های معکوس با شکل و شیب متفاوت استفاده میشود

معمولا تجهیزات مورد استفاده در یک شبکه الکتریکی برای کار در یک ولتاژ مشخصی طراحی شده اند. از
این رو نباید ولتاژ اعمالی به آن ها از حد مشخصی کمتر و یا بیشتر شود. محدوده این تغییرات به نوع
دستگاه بستگی دارد. برای حفاظت شبکه های الکتریکی در برابر تغییرات ولتاژ، از دو نوع رله به نام رله Under Voltage و رله Over Voltage استفاده میشود.

رله Under Voltage برای حفاظت تجهیزاتی که در اثر افت ولتاژ آسیب می بینند مانند الکتروموتورها به کار برده می شود. این رله معمولا دارای یک تنظیم ولتاژی و یک تنظیم زمانی است و در صورت افت ولتاژ شبکه تا حد تنظیم شده و پس ازطی زمان تنظیم شده عمل می کند. تنظیمات این رله به نوع وسیله مورد حفاظت بستگی دارد. به عنوان مثال در مورد موتورهای الکتریکی، تنظیم ولتاژی این رله در حدود 70 تا 80 درصد ولتاژ نامی و تنظیم زمانی آن در حدود چند ثانیه است.

رله Over voltage برای حفاظت شبکه در برابر اضافه ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد و معمولا دارای دو تنظیم زمانی و ولتاژی است . در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ شبکه و رسیدن به حد تنظیم شده، در زمان تنظیم شده عمل می کنند. تنظیم ولتاژی این رله در حدود 120 درصد ولتاژ نامی و تنظیم زمانی آن در حدود چند ثانیه است . این رله معمولا در خروجی ژنراتورها و روی با س بار اصلی شبکه نصب میشود.

 یکی از عوامل اصلی در بروز خسارات مالی ، صدمات و تلفات جانی به ویژه در منازل مسکونی ، مراکز اداری ، تجاری و مجتمع های صنعتی عدم رعایت مسائل ایمنی در استفاده از انرژی برق میباشد .

 بمنظور حفاظت از جان افراد در مقابل خطر برق گرفتگی و جلوگیری از خطرات جریان نشتی از کلیدهای حفاظت از خطر برق گرفتگی ( محافظ جان ) استفاده می شود . این کلیدها که براساس حساسیت خود به دو نوع خانگی و صنعتی تقسیم می شوند ، علاوه بر حفاظت افراد در مقابل تماس مستقیم و یا غیر مستقیم برق ، با جلوگیری از نشتی جریان در حفاظت دستگاه ها و تجهیزات صنعتی نیز موثر می باشند . براین اساس در صورتی که حساسیت کلیدها تا 30 میلی آمپر باشد این کلید به عنوان حفاظت از جان و در صورتی که حساسیت آن بیشتر از 30 میلی آمپر باشد به عنوان حفاظت از تجهیزات صنعتی بکار می رود .  اساس کار کلیدهای حفاظت از خطر برق گرفتگی ، مقایسه جریان ورودی با جریان خروجی کلید می باشد به طوری که اگر جریان نشتی در مداری که کلید در آن واقع شده است بیشتر از حساسیت کلید باشد کلید عمل کرده و جریان ورودی و در نتیجه مدار را قطع می نماید .  

از مزایای دیگر استفاده از کلیدهای حفاظت از خطر برق گرفتگی جلوگیری از بروز آتش سوزی در اثر وجود جریان نشتی می باشد . باتوجه به اینکه یم جریان 5/0 آمپری می توان باعث بروز آتش سوزی شود ، کلید حفاظت از خط برق گرفتگی با تشخیص جریان نشتی و قطع جریان ورودی ، مانع از بروز آتش سوزی می شود . همچنین از آنجا که در صورت وجود جریان نشتی در بدنه وسائل برقی و یا سیستم سیم کشی ساختمان ، این جریان به مرور زمان یاد می شود و احتمال سوختن وسایل برقی و سیستم سیم کشی ساختمان را به وجود می آورد لذا استفاده از کلیدهای حفاظت از خطر برق گرفتگی ، با توجه به کاهش میزان هدر رفتن انرژی الکتریکی و برق مصرفی . صرفه جوئی اقتصادی و حفظ ثروتهای ملی را نیز در بر خواهد داشت

 

ساختمان و طرز کار این رله ها مانند رله های اضافه جریان بوده و وظیفه اصلی این رله، تشخیص بروز هر گونه اتصالی بین هر کدام از فازها با زمین و یا دو سه فاز با زمین نیز می باشند
از نظر عملی ، رله های اضافه جریان سیستم سه فازه و رله اتصال زمین تواماً به صورت یک سیستم حفاظتی واحد بسته می شود . رله اتصال زمین اصولاً حساستر از رله های اضافه جریان بوده و هر گاه یکی از فازها به زمین اتصال یابد ، رله اتصال زمین همراه با رله اضافه جریان همان فاز عمل می نماید . چنانچه مشاهده می گردد ، برای سه فاز فقط احتیاج به یک رله اتصال زمین می باشد

بروز اتصالی در جهت جریانی که مدار جاری می شود مؤثر می باشد در بیشتر طراحی ها جهت جریان برای نصب دستگاه رله می بایست مشخص شود در این صورت از رله ها ی جهتی استفاده می شود از نظر ساختمان داخلی و طرز کار ، این رله به صورتهای اندوکسیونی و الکترونیکی ، کاربرد فراوانی دارد . رله های جهتی دارای دو سیم پیچ بوده که یکی از آنها مانند رله های اضافه جریان با شدت جریان ورودی I تحریک شده و سیم پیچ دیگر با ولتاژ مناسبی تحریک می گردد . این رله ها از دو قسمت جهت یاب و اضافه جریان تشکیل شده اند و این بدین معنی است که هر گاه در شبکه تحت حفاظت ، اتصالی رخ دهد ، ابتدا این رله جهت عبور شدت جریان به محل اتصالی را به وسیله قسمت جهت یاب تشخیص داده و سپس اگر جریان در جهت عملکرد رله باشد و هم چنین از نظر مقدار به اندازه ایی باشد که  بتواند موجب تحریک قسمت اضافه جریان رله گردد ، رله مزبور تحریک شده و فرمان قطع را صادر می نماید.

رله دیفرانسیل یا حفاظت اصلی ترانسفورماتور،مقایسه جریان های طرفین آن به عهده داشته وعملکردآن ناشی از عوامل زیر می باشد:

I)      اتصالی در داخل تراسفوماتور(نظیر اتصال فاز به بدنه،فازبه فاز،اتصال حلقه ویا اتصال بین سیم پیچ های اوله وثانویه).

II)    اتصالی خارج از ترانسفورماتوربراثر عوامل خارجی در محدوده حفاظت رله یعنی بینC.Tهای طرفین.

III) حالت های کاذب ناشی از اشکال در یاC.T مدارات مربوطه.

رله دیفرانسیل دارای ویژگی قطع سریع ،دقت بالاوقدرت تشخیص و تفکیک عیوب واقع شده در محدوده بینC.Tهای دوطرف ترانسفوماتورقدرت می باشد.

لازم بذکر است رله های دیفرانسیل در جریانهای هجومی ترانسفورماتور،عمل نمی نمایدولی برای تشخیص فالت های واقع شده در محدودهC.Tهای دو طرف ترانسفورماتور قدرت همواره بهترین حفاظت،رله دیفرانسیل می باشد.

این رله یکی از مهمترین رله های حفاظتی ترانسفورماتورهای قدرت می باشد ، وظیفه تشخیص بروز هر گونه اتصالی  در محفظة داخلی ترانسفورماتور و قطع سریع برق ورودی به آن می باشد . می دانیم که اصولاً ترانسفورماتورهای قدرت به وسیله مایع مخصوصی مانند روغن عایقکاری و خنک می شوند . به خاطر سرد و گرم شدن روغن مزبور ظرف انبساطی برای آن در نظر گرفته شده و این ظرف از طریق لولة رابطی به محفظه داخلی ترانسفورماتور متصل می باشد .
رله بوخهلس بر روی لولة رابط بین ترانسفورماتور و ظرف انبساط قرار می گیرد و روغن از این لوله عبور می نماید . بنابراین تمامی محفظه داخلی رله پر از روغن می باشد . هر گاه هر گونه اتصالی در محفظه داخلی ترانسفورماتور پدید آید ، در نقطه اتصالی مقداری جرقه و قوس الکتریکی زده می شود . در نتیجه این عمل کمی از روغن اطراف محل اتصالی سوخته و تولید حبابهای گازی شکلی را می نماید . این حبابهای گازی به طرف قسمت فوقانی ترانسفورماتور حرکت نموده و از طریق لوله رابطة به رلة بوخهلس وارد شده و در قسمت فوقانی رله جمع می گردند . این رله دارای شناوری می باشد که با تجمع حبابهای گاز ، سطح روغن در رله پایین آمده و همراه با آن شناور نیز به پایین می آید.
پایین آمدن شناور باعث بسته شدن کلید الکتریکی رله و تحریک مدار هشدار و یا قطع می گردد . در بعضی از مدلهای این رله از دو شناور استفاده شده که شناور بالایی برای تحریک مدار هشدار و شناور پایینی برای فرمان مدار قطع دستگاه مورد حفاظت می باشد و اگر مقدار جرقه و قوس الکتریکی در محفظه داخلی ترانسفورماتور شدید باشد ، یک موج انفجاری در روغن داخلی ترانسفورماتور به وجود آمده و روغن ترانسفورماتور با سرعت زیادی به رلة بوخلهس وارد می شود همانطوریکه قبلاً گفته شد، سرعت زیاد روغن باعث عملکرد دریچه ورودی رله می گردد . این دریچه با شناور پائینی رله هم محور بوده و مستقیماً باعث تحریک مدار قطع می شود . هر گاه در اثر علت های مختلفی از بدنة
ترانسفورماتور مقداری روغن ریزش نماید ، به مرور زمان سطح روغن در ظرف انبساط کاهش یافته و به رله بوخهلس می رسد . در رله بوخهلس اگر سطح روغن همچنان کاهش یابد باعث عملکرد و تحریک مدار هشدار و قطع می گردد . در بعضی موارد مقداری هوای نشتی به رله راه یافته و مانند حبابهای گاز باعث تحریک رله می شود