رله و حفاظت سیستم ها
امروزه با گستردگی شبکه های انتقال و توزیع نیروی الکتریکی و سیستم های تولید انرژی الکتریکی طبعا حفاظت از آنها از اهمیت ویژِهای برخوردار خواهد گردید .
قبلا اغلب رله های حفاظتی با تکنولوژی الکترومکانیکی ساخته می شدند وهنوز هم این رله ها در شبکه های الکتریکی مشغول به کار هستند مانند :
رله های جریان زیاد و اتصال کوتاه - رله های ارت فالت - رله های دیستانس - رله های دیفرانسیل و
با ظهور علم الکترونیک تکنولوژی ساخت این رله ها تغییر یافت و رله های الکترونیک ساخته شدند واین رله ها جای رله های مکانیکی را گرفتند .
طبعا این رله ها از لحاظ دقت، ابعاد، مصرف انرژی و مهمتر این که ساخت تابع های پیچیده تر با این تکنولوژی ممکن تر میباشند ، دارای امتیازات بسیاری بودند .
مهمتر این که رله های حفاظتی که مهمترین قسمت یک سیستم الکتریکی هستند باید عناصر قابل اعتماد و با دقتی باشند . و رله های الکترونیکی دارای این امتیازات بودند .
تا این که تکنولوژی جدیدی ابداع شد !!!!
با ورود میکروپروسسورها تکنولوژی ساخت رله های حفاظتی متحول شد . با توجه به توانایی های بالای میکروپروسسورها وقدرت برنامه ریزی آنها توانایی های کاربردی رله های حفاظتی نسل جدید نیز متحول گردید و فزونی یافت وتوانایی های زیر به آنها اضافه شدند : برنامه ریزی ساده این رله ها جهت کاربردهای متفاوت که رله های چند تابعی نسل جدید معمولا به یک پی ال سی نیز مجهز هستند . اتصال رله های حفاظتی به باس های اطلاعاتی وارسال و دریافت سیگنالهای آنالوگ مانند کمیت های الکتریکی وهمچنین اطلاعات مربوط به خطاها و تنظیم رله ها از طریق باسهای اطلاعاتی اتصال وبرنامه ریزی از طریق کامپیوترهای شخصی توسط نرم افزارهای کمپانی سازنده رله قدرت خطا یابی و چک کردن مدارات داخلی رله ها و ....
همانطوری که قبلا اشاره کردیم حفاظت سیستم های الکتریکی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است و امروزه کمپانی های متعددی در حال طراحی و ساخت رله های حفاظتی می باشند . برخی از کمپانی های معتبر که در این زمینه مشغول به فعالیت می باشند را معرفی می کنیم .
Siemens -Alstom - ABB - GE Power - Schneider - CEE - Reyroll
به طور کلی رله های حفاظتی باید دارای مشخصات زیر باشند :
سرعت عملکرد : این پارامتر در رله های حفاظتی بسیار حائز اهمیت است چون رله های حفاظتی هنگام خطا موظفند با سرعت هرچه تمامتر بخش های معیوب را از قسمت های سالم جدا نمایند .
حساسیت : این پارامتر به حداقل جریانی که سبب قطع رله می گردد بر میگردد .
تشخیص و انتخاب در شرایط خطا : این پارامتر نیز بسیار مهم است زیرا در شبکه هایی که دارای چند باس بار و رله حفاظتی هستند هنگام وقوع خطا می باید قسمت معیوب به درستی تشخیص داده شده و از شبکه جدا گردد و قسمتهای سالم به کار خود ادامه دهد.
پایداری : این پارامتر به این باز میگردد که یک رله حفاظتی به تمامی خطاهایی که در محدوده حفاظتی خود به درستی عکس العمل نشان دهد و در مقابل خطاهای خطاهای این محدوده عکس العملی نشان ندهد .
دسته بندی رله های حفاظتی بر اساس پارامترهای اندازه گیری :
الف) رله های جریانی : این رله ها بر اساس میزان جریان ورودی به رله عمل می کند . حال این جریان می تواند جریان فازها – جریان سیم نول – مجموع جبری جریانهای فازها است (رله های جریان زیاد – رله های ارت فالت و .... ) و حریان ورودی رله می تواند تفاضل دو یا چند جریان باشد ( رله های دیفرانسیل و رستریکت ارت فالت
ب) رله های ولتاژی : این رله ها بر اساس ولتاژ ورودی به رله عمل میکند این ولتاژ می تواند ولتاژ فازها باشد (رله های اضافه یا کمبود ولتاژ و ....) و یا میتواند مجموع جبری چند ولتاژ باشد ( رله تغییر مکان نقطه تلاقی بردارهای سه فاز
ج) رله های فرکانسی : این رله ها بر اساس فرکانس ولتاژ ورودی عمل میکند ( رله های افزایش و کمبود فرکانس
د) رله های توانی : این رله ها بر اساس توان عمل می کنند به عنوان مثال رله هایی که جهت توان را اندازه گیری می کنند یا رله هایی که توان اکتیو و راکتیو را اندازه گیری می کنند .
ه) رله های جهتی : این رله ها از جنس رله های توانی هستند که بر اساس زاویه بین بردارهای ولتاژ و جریان عمل میکنند مانند رله های اضافه جریان جهتی که در خطوط چند سوتغذیه رینگ و پارالل بکار می روند و یا رله های جهت توان که جهت پرهیز از موتوری شدن ژنراتور هنگام قطع کوپلینگ آن بکار میرود .
و) رله های امپدانسی : مانند رله های دیستانس که در خطوط انتقال کاربرد فراوانی دارند .
ز) رله های وابسته به کمیت های فیزیکی : مانند حرارت – فشار – سطح مایعات و .... مانند رله بوخ هلتس ترانسفورمرها ح) رله های خاص : رله هایی هستند که برای منظورهای خاص به کار میروند مثلا رله تشخیص خطای بریکر – رله مونیتورینگ مدار تریپ بریکر – رله لاک اوت و .....
حفاظت اضافه ولتاژ سیستم کابل زمینی
یکی از مطالعاتی که شرکت DSTAR در آمریکا در مورد کابل های زمینی انجام داده است ، بررسی اثرات ولتاژهای گذرای ضربه در آنها به دلایلی همچون صاعقه می باشد . نقص کابل های زمینی با عایق پلی اتیلنی و امثال آن بخشهایی از صنعت را دچار مشکل کرده است. یکی از دلایل اصلی خرابی های زودرس، اضافه ولتاژهای مکرری است که بعلت حالت های گذرا در سیستم ایجاد می شوند .
یک سیستم کامل آزمایشی در آزمایشگاه GE (جنرال الکتریک) برای آزمایش روشهای مختلف حفاظت کابل در مقابل اضافه ولتاژ ایجاد شده است. این مجموعه شامل کابل نوترال مرکزی لخت بوده که در یک محفظه انعطاف پذیر حمل می گردد و امکان آزمایش کابل های کوتاه( ft300 ) و بلند ( f t 1350 ) را فراهم می کند.
برای انجام آزمایش ولتاژ ضربه یک سر کابل را به یک riser pole وصل نموده که از طریق آن ولتاژ ضربه شبیه سازی شده صاعقه به آن اعمال میگردد. ولتاژ ضربه مشابه صاعقه توسط یک مولد ولتاژ ضربه از نوع مارکس با قابلیت تولید ولتاژ ضربه 6 میلیون ولتی تولید میگردد. طرح های مختلف از نحوه نصب برقگیر با یکدیگر مقایسه گردیده اند. در بعضی از آنها صرفا" در محل riser pole برقگیر نصب شده ودربعضی دیگر علاوه برriser pole در طول کابل نیز برقگیر قرار داده شده است. یکی از یافته های مهم این بود که معلوم شد در سیستم های کابل نواری یا دو شاخه ای ، اضافه ولتاژ شدید تر عمل کرده و در این سیستم ها نیاز به توجه بیشتری در نصب برقگیرها می باشد . نتایج حاصل از این آزمایشها اکنون بوسیله شرکتها جهت بهینه سازی حفاظت کابل در مقابل اضافه ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد.
آزمایش ولتاژ ضربه برروی سیستم کابل زمینی برای انواع دیگر کابل ها ادامه یافت. کابل جلددار (jacketed cable) بطور وسیع برای به حداقل رساندن مشکلات ناشی از خوردگی نول به کار می رود. سیم نول خود یک هادی عایق شده است که می تواند امواج ضربه را همانگونه که در شکل (1) دیده می شود انتقال دهد .
تحقیقاتDSTAR نشان داد که حالت های گذرای سیم نول ، مشکلات دیگری را نیز ایجاد می کند. وقتی یک اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه باعث می شود که برقگیر تخلیه کند ، جریان بین زمین برقگیر و نول کابل تقسیم می شود .
ولتاژهای قابل توجه ای بین نول کابل و زمین ایجاد می گردد و جلد کابل می تواند سوراخ شود. به خصوص این حالت زمانی رخ میدهد که مقاومت زمین پای برقگیر زیاد باشد و در نتیجه جریان بیشتری از نول کابل عبور کند.آزمایشهای دیگری برای تشخیص میزان مقاومت جلد کابلها در DSTAR انجام شده است .
در صورت عدم تخلیه صاعقه دربرقگیر محل riser pole خطر انتقال ولتاژ ضربه به سیم پیچی های ترانسفورماتور و صدمه به آنها در طرف اولیه و یا ثانویه وجود خواهد داشت. نتایج آزمایشها نشان میدهند که در حالت استفاده از برقگیر تنها در محل riser pole خطر خرابی و آسیب وجود دارد.
برای حل مشکل فوق و جلوگیری از سرایت اضافه ولتاژ صاعقه به سیم پیچی های ترانسفورماتور تحقیقات قابل ملاحظه ای انجام گرفته است که بر اساس آنها ایده استفاده از یک سیم لخت خوابانده شده در کنار کابل جلددار بمنظور کاهش ولتاژ ایجاد شده در بدنه کابل ارائه گردیده است. این روش باعث کاهش چشمگیر ولتاژ بین نول و نقطه زمین محلی می گردد.
یکی دیگر از روشهای مهم کاهش حالت های گذرای نول درکابلها، بهبود سیستم زمین میباشد. نوع دیگری از کابل که توسط بعضی از شرکت ها مورد استفاده قرار می گیرد ، کابل جلددار از نوع نیمه هادی است . این نوع جلد ، نول را در مقابل خوردگی محافظت می کند و باعث میرا شدن حالت های گذرای نوترال می شود. نتایج آزمایشها برروی این کابلها نشان میدهد که ولتاژ بین نول و زمین بشدت کاهش می یابد. ولیکن، جریان ضربه نوترال در این نوع کابلها به سرعت نوترال های مرکزی لخت ، میرا نمی شود .
علاوه بر صاعقه هایی که به خطوط هوایی تغذیه کننده سیستم زمینی برخورد می کنند ، حالت های گذرای ضربه در اثر برخورد صاعقه به زمین در نزدیکی گودال کابل نیز می توانند در نول کابل ایجاد شوند . DSTAR با آزمایشهای گسترده ای ، جریان القاء شده در نول را بصورت تابعی از محل برخورد صاعقه اندازه گرفت. این کار با کابل های لخت ، دارای جلد عایق و دارای جلد نیمه هادی انجام شد .
حفاظت ثانویه ترانس اندازه گیری ولتاژ
موضوع شکست مدار جریان بعنوان یک روش الکترومکانیکی جهت تحدید جریان خطا در مسیرهای حاوی نیروی محرکه الکتریکی (EMF) قبل از پیدایش مواد ابررسانا تنها ایده مطرح جهت پاکسازی خطا از مدارهای الکتریکی بوده است ، با این حال همین روش ساده با توجه به نیازمندیهای شبکه های مدرن الکتریکی از ظرفیتهای بالایی جهت جذب و بکارگیری گروه قابل توجهی از رشته های تخصصی شامل برق ، مکانیک ، علم مواد ، الکترونیک و کامپیوتر است.
علاوه بر آن مکان یابی مناسب جهت نصب مدار شکنهای مورد بحث ، موضوع دسته دیگری از تحقیقات و پژوهشهای انجام شده در قالب تحلیلهای ریاضی شبکه های الکتریکی همچنین ایمنی و قابلیت اطمینان بهره برداری از آنها است ، که بحث حاضر از جهاتی در این گروه قابل دسته بندی است .
ترانس ولتاژ به واسطه اتصال اولیه آن از دید مدار ثانویه علیرغم ماهیت انتقالی آن ، یک منبع انرژی امپدانس داخلی مشخص است ،هر چه کلید حفاظتی منصوب در ثانویه ترانس به سیم پیچی آن نزدیکتر باشد از ناحیه تحت حفاظت بیشتری برخوردار است . بطور مثال در ترانسهای ولتاژ مستقر در پستهای فشار قوی ، اولین مکان بعد از سیم پیچی جهت نصب مناسب کلید حفاظتی ، جعبه پیش بینی شده روی ترانس ولتاژ توسط سازنده است و مکان بعدی تابلو توزیع پیش بینی شده در محوطه پست جهت انشعابات مورد نیاز است .
بعضی از سازندگان بدلیل اجتناب از قبول مسئولیتهای ناشی از دسترسی بهره بردار پست به کلید حفاظتی منصوب در جعبه ترانس ولتاژ ، بطور کلی از نصب آن صرفنظر و این حفاظت را خارج از محدوده ترانس ولتاژ به عهده استفاده کننده
می گذارند . در این حالت ناحیه بینابینی ترانس ولتاژ و تابلو توزیع محوطه و مسئله عدم حفاظت آن ناحیه در قبال اتصال کوتاه یا نشتی جریان موضوع یک رشته از مباحث فنی بین طراح و مسئولین بهره برداری پست خواهد بود .
سئوالی که در اینجا مطرح می شود آن است که چگونه می توان ناحیه مزبور را به بهترین روش و صرف کمترین هزینه ممکن تحت پوشش حفاظتی قرارداد ؟ آیا کلید حفاظتی منصوب در تابلوی توزیع محوطه علاوه بر نواحی پائین دست قادر به پوشش نواحی بالا دست خود نیز
هست ؟ پاسخ سئوال مذکور در اتصالات مرسوم منفی است ، زیرا کلید یاد شده تنها قادر به پوشش نواحی پائین دست خود است و جریان گذرنده از نواحی بالا دست را احساس نمی کند ، اما اگر اتصال یاد شده به نحو دیگری انجام شود پاسخ باز هم منفی است ؟
در شکل زیر با انتقال کلید حفاظتی از ناحیه شماره 1 به ناحیه شماره 2 (انتقال کلید از سیم فاز به سیم نول در داخل تابلوی توزیع محوطه) می توان بدون تغییر مکان نصب کلید نواحی بالا دست را نیز در مقابل دسته بسیار بزرگی از خطاها حفاظت کرد.
در شکل زیر مسیر عبور جریان اتصال کوتاه به ازای خطای تکفاز به زمین در ناحیه بالا دست نشان داده شده که ناگریز از تحریک کلید حفاظتی است .
در شکل زیر نیز مسیر عبور جریان فاز – فاز در اثر خطای رخ داده در ناحیه بالا دست که باعث عملکرد کلید منصوب در پائین دست می شود ، ملاحظه می شود .
با دقت در اشکال بالا ملاحظه می شود ، اصل اساسی شکست جریان خطا همچنان جاری است و تنها بایستی مفهوم بالا دست (Up stream) و پائین دست (down stream) در اتصالات غیر متداول مورد بازنگری قرار گیرد . با این حال حفاظت مذکور هنوز در مقابل اتصال کوتاه های سیم نول هر یک از ترانسهای ولتاژ در بالا دست بی عمل باقی می ماند که به دلیل احتمال کم آن در مقابل مزایای دیگر طرح قابل چشم پوشی است .
نکته قابل توجه دیگر لزوم اطمینان از برقراری اتصال زمین در ثانویه ترانس ولتاژ است که به صراحت در بسیاری از استانداردها بدان اشاره شده است .چنانکه ملاحظه می شود ، با قطع کلید حفاظتی ، ثانویه ترانس ولتاژ از زمین حفاظتی منفک شده که امری مخاطره آمیز است ، زیرا به هر دلیل در صورت تخریب عایقی ترانس ، ولتاژ اولیه روی بخشهای فلزی ثانویه ظاهر شده که می تواند در شرایطی همراه با عدم عملکرد حفاظتهای اولیه باشد . در این شرایط ممکن است سیستم فشار ضعیف در معرض اضافه ولتاژهای خطرناک قرار گیرد .
بنابراین ضعف طرح مذکور صرف نظر کردن از مزایای زمین حفاظتی در مواقع قطع کلید است که به دلیل صراحت استاندارد ها قابل چشم پوشی نیست .ضعف مذکور در سیستمهایی که حاوی ترانس ولتاژ واسطه در مدارات داخلی هستند قابل جبران است . بدین نحو که با اعمال زمین در نقطه صفر ترانس ولتاژ واسطه عملا کمبود زمین حفاظتی در ثانویه ترانس ولتاژ فشار قوی جبران
می شود .
یک مزیت قابل توجه دیگر نصب کلید حفاظتی در مدار نول سیستم سه فاز گسترش ناحیه مورد حفاظت حتی در داخل سیم پیچی تجهیز مورد استفاده است . مزیتی که به طور منحصر به فرد تنها با اینگونه اتصال قابل تحصیل است.
حفاظت مولفه منفی ژنراتور
یادآوری مطالب تئوریک پیشنیاز ورود به بحث:اگر ژنراتور با بار نامتفاوتی مواجه شود، جریانهای بار نامتقارن را در ژنراتور میتوان به مولفه‌های مثبت، منفی و صفر تجزیه کرد. مجموعه مولفه‌های متعادل به شرح زیرند:
الف) مولفه‌های ترتیب مثبت: شامل سه بردار با دامنه یکسان و اختلاف فاز 120 درجه و دارای همان چرخش فاز سیستم اصلی (به عنوان مثال توالی فاز مثبت abc) و مشابه جریان بار متعادل ایجاد میدانی با سرعت سنکرون و در جهت دوران روتور میکند.
ب) مولفه‌های ترتیب منفی: شامل سه بردار با دامنه‌های یکسان و اختلاف فاز 120 درجه و با چرخش‌های فازی مخالف با مولفه‌های ترتیب مثبت (به عنوان مثال توالی فاز منفی abc) ایجاد میدانی با سرعت سنکرون ولی در جهت مخالف با دوران روتور کرده و لذا جریان‌هایی با دو برابر فرکانس سیستم را در روتور القاء میکند.
ج) مولفه‌های ترتیب صفر: شامل سه بردار هم دامنه بدون اختلاف فاز بین یکدیگر، که این مولفه صفر جریان هیچگونه عکس‌العمل آرمیچری را ایجاد نمی‌کند.
خطاهای سیستم اغلب از نوع نامتقارن است و از آنجایی که این خطاها باعث عبور جریان نامتقارن در سیستم میشوند، روش مولفه‌های نامتقارن برای محاسبات جریان و ولتاژ نقاط مختلف سیستم در خلال خطا، بسیار مفید است.
مولفه‌های صفر، مثبت و منفی جریان با معادلات زیر بیان میشوند:
عدد a نشانگر اپراتوری است که با اعمال آن به هر بردار با حفظ دامنه به اندازه 120 درجه در خلاف جهت عقربه‌های ساعت دوران کند این اپراتور عبارت است از عدد1 با زاویه 120 درجه که به صورت مختلط عبارت است از:
اگر این اپراتور دو بار متوالی به یک بردار اعمال شود آنرا به اندازه 240 درجه در خلاف جهت عقربه‌های ساعت گردش خواهد داد.
در انتهای بحث مقدمه به عوامل ایجاد جریانهای نامتقارن در شبکه قدرت به شرح زیر، پرداخته میشود:
1- اتصال کوتاه نامتقارن (در خطوط انتقال طویل، دامنه جریان مولفه منفی در این حالت بیشترین مقدار است).
2- هادیهای باز در شبکه (عملکرد غلط یکی یا بیشتر از قطبهای کلید قدرت به‌هنگام کلید‌زنی و یا قطع یکی از فازها، مصداق این مورداند)
3- شبکه قدرت نامتقارن (عدم ترانسپوزه بودن خطوط انتقال نیرو)
4- بارهای نامتعادل
صدمات ناشی از میدان مولفه منفی جریان (حاصل از عدم تقارن بار) بر ژنراتور:
در صورتی که بار الکتریکی تقارن خود را از دست بدهد، جریان ژنراتور به سه مولفه مثبت، منفی و صفر قابل تجزیه است. اثر مولفه مثبت همانند بار متعادل است و مساله‌ای بوجود نمی‌آورد. مولفه صفر نیز میدان گردان پدید نمی‌آورد. مولفه منفی جریان میدانی در خلاف جهت گردش روتور پدید می‌آورد این میدان نسبت به روتور با دو برابر سرعت سنکرون گردش میکند و به همین جهت جریان‌هایی با دو برابر فرکانس سیستم در سطح روتور، حلقه انتهایی نگهدارنده روتور، گوه‌ها و شیار روتور در درجات کمتر در سیمپیچهای میدان (روتور) القاء میکند و باعث تلفات اضافی در روتور میشود. تلفات اضافی ناشی از جریان مولفه منفی استاتور، ابتدا در سطح روتور نمایان میشود که باعث برافروخته شدن سطح روتور و افزایش شدید درجه حرارت هسته روتور و خرابی ایزولاسیون سیم‌پیچی روتور در یک زمان بسیار کوتاه میشود، سپس در گوه‌های شیار تاثیر گذاشته که اگر مقدار آن زیاد باشد این گوه‌ها را از جای خود کنده و در طول شیار در جهت محوری حرکت داده تا جایی که به حلقه‌های نگهدارنده انتهایی برخورد کرده و باعث خرد شدن آنها شوند (لازم به ذکر است که حلقه‌های نگهدارنده مذکور دارای قیمت بالا و بشکل ارزی تامین میشود).
جریانهای مولفه منفی در دو دسته کلی زیر تقسیم میتوان کرد:
الف) جریان نامتقارن کوتاه مدت
ب) جریان نامتقارن بلندمدت
جریان نامتقارن کوتاه مدت نظیر اتصال کوتاه یک فاز به زمین است که بعد از مدت کوتاهی ممکن است قطع شود.
جریان نامتقارن بلند مدت نظیر بارهای نامتقارن هستند که ممکن است برای مدت طولانی ادامه داشته باشد.
این دو پدیده باعث افزایش درجه حرارت و گشتاور نوسانی ضربه‌ای در محور روتور و هسته استاتور میشوند که اثرات حرارتی پدیده کوتاه‌مدت را در طراحی ژنراتورها به عنوان مبنا در قدرت مشخصه مواد و در شدت تلفات قسمتهای محیطی روتور قرار میدهند.
تحلیل رفتار ژنراتور سنکرون در قبال مولفه منفی جریان:
توزیع جریان مولفه منفی در سطح روتور همانند توزیع جریان در روتور موتورهای قفس سنجابی است که این جریان‌ها در طول (محور) روتور جاری شده و در انتها در محیط دایره‌ای، مشابه تعداد قطبهای استاتور، بسته میشوند.
دانسیته جریان سطح روتور ژنراتور، JR، در برهه زمانی ایجاد جریان مولفه منفی استاتور، از رابطه زیر، که توسط کارخانه‌های سازنده پیشنهاد شده است، قابل محاسبه است:
JR: دانسیته جریان سطح روتور بر حسب جریان موثر بر اینچ
NP: تعداد قطب
FAR: راکتانس آرمیچر بر حسب پریونیت
D4: قطر روتور
2I: جریان مولفه منفی استاتور
همانطور که گفته شد ژنراتورها با دو نوع نامتفاوتی مواجه هستند یکی جریانهای ناشی از اتصال کوتاه‌های نامتقارن خارجی مانند اتصال فاز به زمین، فاز به فاز و هر دو فاز با هم و زمین و دیگری جریانهای بار نامتقارن.
در شرایط اتصالی نامتقارن خارجی (خارج از ژنراتور) جریانهای نامتقارن زیاد بوده و زمان بسیار کوتاه است. در صورتی که برای جریانهای بار نامتقارن، جریانهای معمولاٌ کمتر از جریان بار نامی بوده و نامتقارنی خیلی کم و زمان بقای این پدیده، زیاد است بنابراین یک نوع اختلاف در حفاظت هر کدام از این شرایط وجود خواهد داشت.
تحلیل رفتار ژنراتور در قبال خطای نامتقارن (خارجی):
در بررسی مسائل گرم کردن گذرا، یک استاندارد عملی این است که از اثرات حرارت منتقل شده به طرف محیط خنک‌کننده صرفنظر شود و در زمان بسیار کوتاه وقوع خطا (تا پاک شدن آن) با اینکه مقداری حرارت به طرف گاز خنک‌کننده جاری میشود قابل اغماض فرض شده است.
اثرات هدایت حرارت از طریق قسمتهای فلزی نقش مهمی را در این مساله بوجود می‌آورد. بعضی فلزات مانند آلومینیوم و مس می‌توانند مقادیر زیادی از حرارت را دورتر از نقاط گرم موضعی منتقل کنند در حالی که فولادهای غیر مغناطیسی مانند عایق‌های حرارتی عمل میکنند. بعنوان مثال در نظر بگیرید اثرات گذرا بر روی ترکیب‌های مختلفی از گوه‌های شیار سیم‌پیچی میراکننده، محاسبه‌ای را برای توزیع نامی جریان میتوان انجام داد.
در یک شیار نمونه حاوی گوه‌های آلومینیومی و سیم‌پیچی میراکننده مسی تقریباً‌کل جریان عبوری از یک گام شیار معین از گوه‌ها عبور خواهد کرد. البته باستثناء مسیرهای رابط بین گوه‌های مجاور، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت گذرا نشان میدهد که بر اساس کل حجم گوه‌ها و سیم پیچ‌های میراکننده، حرارت تولید شده جذب میشود.
برعکس، با استفاده از گوه‌های فولادی (غیرمغناطیس) و یک سیم‌پیچ میراکننده مسی، جریان تقریباً به طور مساوی بین گوه‌ها و سیم‌پیچ میراکننده تقسیم میشود.
تجزیه و تحلیل انتقال حرارت در این مجموعه نشان میدهد که گوه‌های فولادی (غیرمغناطیسی) مانند عایق‌های حرارتی عمل کرده و این امر ناشی از پایین بودن ضریب هدایت حرارتی آنها است. بنابراین آنها تقریباً‌حرارتی را از سیم پیچ‌های میراکننده جذب نمی‌کنند. در نتیجه سیم پیچ‌های میراکننده با سرعت زیادی گرم میشوند که سرعت آن تقریباً برابر است با دو برابر سرعت در حالت استفاده از گوه‌های آلومینیومی و یک سیم‌پیچ میراکننده مسی. این وضعیت در انتهای گوه‌ها ، جایی که اغلب جریان باید به سیمپیچهای میراکننده منتقل شود حادتر و تولید حرارت در این مکان بیشتر است.
اثر عایقی فولادی (غیرمغناطیسی) مورد مهمی را در طراحی حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و سیمپیچهای میراکننده تشکیل میدهد. نتایج آزمایش نشان داده است که افزایش درجه حرارت در محل مشترک حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و سیم‌پیچ میراکننده، مقدار بالایی دارد.
با درک این حقیقت که درجه حرارت زیاد در این نقطه مربوط میشود به تولید حرارت و مقاومت اتصال و هر دو پدیده در سطح حلقه‌های نگهدارنده انتهایی، اتفاق می‌افتد، به یک نتیجه مهم میتوان دست یافت. ابتدا مقایسه اطلاعات به ما اجازه میدهد که متوسط درجه حرارت حلقه‌های نگهدارنده انتهایی را محاسبه کنیم و بر اساس پدیده گذرا، متوسط درجه حرارت به مقدار خیلی زیاد از درجه حرارت سطح حلقه‌های نگهدارنده کمتر خواهد شد چون انبساط حلقه‌های نگهدارنده انتهایی فقط تابعی از درجه حرارت متوسط است. این محاسبات نشان میدهد که از دست رفتن سلامت حلقه‌های نگهدارنده انتهایی به عنوان یک عامل، بیشتر از محدودیت‌های دیگر ظاهر میشود که محدودیت‌های دیگر شامل اضافه ولتاژ و فساد تدریجی ماده تشکیل دهنده آن است.
یک عامل مهم دیگر که باید به اطلاعات جمع‌شده از طریق آزمایش اضافه شود عبارت است از اثر مولفه DC جریان استاتور در جاری شدن جریان با فرکانس نامی روی سطح روتور نشان داده شده است که ثابت‌های زمانی چنین جریان‌هایی بسیار کوتاه است، اما مقادیر اولیه برای حالت جابجایی (آفست) کامل بسیار زیاد است. با اینکه ضریب 2√ بیشتر برای کم کردن اثر مولفه با فرکانس نامی بوسیله حساب کردن ضریب نفوذ است.
استانداردهای جدید پیشنهادی لازم می داند که ژنراتور باید اثرات حرارتی خطاهای نامتعادل را در ترمینال‌های خود تحمل کند، این اثرات شامل مولفه‌های DC القاء شده نیز هستند.
بعلت پیچیدگی مسائل مربوط به انتقال حرارت، کارخانه‌های سازنده ژنراتور جهت پی‌بردن به اثرات ناشی از حرارت مولفه منفی مبادرت به آزمایشهای گسترده‌ای کرده‌اند، برای هر یک از ماشین‌های آزمایش شده، سعی کرده‌اند که در طراحی، قدرت تحمل ژنراتورها را در برابر جریانهای ناشی از مولفه منفی بهبود بخشند. عواملی مانند حلقه‌های اتصال کوتاه در انتهای روتورها، مواد مختلفی که در ساخت گوه‌های شیار بکار برده میشوند. تغییراتی در طراحی سیم پیچ‌های میراکننده در شیارهای سیم پیچ و حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و اثرات میراکننده روی قطب مورد ارزیابی قرار گرفته است و هنگامی که بهبودهایی بدست می‌آید این روش‌هارا در طراحی بهینه ماشین منظور می‌دارند.
در شرایط اتصالی نامتقارن، گرم شدن کوتاه مدت ژنراتور مورد توجه است، زیرا در این حالت تلف گرمایی ناچیز بوده و گرمای ایجاد شده کلاً در ظرفیت حرارتی روتور ذخیره خواهد شد.
ظرفیت حرارتی ماشین:
با عبور جریان الکتریکی از هادیها مقداری حرارت در آنها بوجود می‌آید که این حرارت با مجذور جریان، مقدار مقاومت هادی همچنین با زمان استمرار این جریان در هادی رابطه مستقیم دارد که از رابطه زیر بدست می‌آید:
بطور عادی در هنگام بهره‌برداری از ژنراتورها این حرارت بوجود می‌آید، البته با طراحیهای مناسبی که روی ژنراتورها بعمل می‌آید بوجود آمده برای حالت عادی کار ماشین را اپتیمم میکنند ولی متاسفانه شرایط در سیستم بوجود می‌آید که دامنه جریان عبوری از ماشین را به مراتب بالاتر از حد تحمل حرارتی ماشین برده که علاوه بر آنکه تلفات اضافی بوجود می‌آورد در برخی موارد باعث آسیب جدی ماشین میشود. یکی از این موارد بوجود آمدن جریانهای مولفه منفی در سیستم است. تلفات اضافی بوجود آمده در روتور به مقدار جریان مولفه یا درصد نامتعادلی بستگی دارد و با .t22I متناسب است. این حاصل عبارت، ظرفیت حرارتی ماشین (روتور) نامیده شده که برای هر ماشین مقدار ثابتی است.
در معادله فوق (t)2i مولفه منفی جریان بصورت تابعی از زمان و K یک مقدار ثابت است که با ظرفیت حرارتی روتور ژنراتور متناسب بوده و برای ژنراتورهای مختلف دارای مقادیر متفاوتی است و بصورت یک معیار برای هر ژنراتور در نظر گرفته میشود.
T، در معادله فوق، مدت زمانی است که ژنراتور میتواند با بار نامتقارن بکار خود ادامه دهد بدون اینکه درجه حرارتش از مقدار مجاز فراتر رود و 2I مولفه منفی جریان بر حسب پریونیت است و این رابطه فقط در بارهایی که درصد نامتعادلی زیاد باشد صادق است. بیان کردن جریان مولفه منفی بصورت تابعی از زمان (t)2i به سادگی مقدور نیست و بستگی به شرایط سیستم، محل‌های خطا و در مدار و یا خارج مدار بودن ولتاژ رگولاتور (AVR) دارد، در صورتی که 2I ممکن است بصورت تقریبی بدست بیاید. مقدار جریان مولفه منفی معادل میتواند نزدیک به مقداری باشد که از معادله زیر بدست می‌آید:
در رابطه فوق 2I جریان مولفه منفی گذرا و S2I جریان مولفه منفی تداوم یافته اتصالی است.
مقدار t2I جاری شده در ژنراتور را زمانی میتوان بدست آورد که جهت محاسبه اتصال فاز به فاز خارجی (خارج از ژنراتور) از راکتانس گذرا برای تمام منابع استفاده شود. همچنین مقدار S2I جاری شده در ژنراتور را نیز زمانی میتوان بدست آورد که جهت محاسبه اتصال فاز به فاز خارج از ژنراتور از راکتانس سنکرون برای تمام منابع قدرت استفاده شود (بارهای موازی نیز در نظر گرفته میشود).
هنگامی که ژنراتور مجهز به تنظیم کننده ولتاژ (AVR) باشد، در هنگام اتصالی خارجی، تحریک آن به سقف خودش می‌رسد. (وقت کافی برای این عمل وجود دارد) که در این صورت 2I نزدیک خواهد بود به جریان مولفه منفی جاری شده برای یک اتصالی فاز به فاز خارجی که بر مبنای استفاده از راکتانس سنکرون برای تمام منابع قدرت، ولتاژ باس بی‌نهایت برابر با یک پریونیت و ولتاژ داخلی ژنراتور که از سقف تحریک و حذف کلیه بارها نتیجه شده، محاسبه میشود.
با در نظر نگرفتن منحنی‌های اشباع ژنراتور، ولتاژ داخل ژنراتور برای سقف تحریک ممکن است معادل با 5/3پریونیت در نظر گرفته شود البته این فرض قدری زیاد بوده بطوری که مقدار واقعی را میتوان بین 3 تا 5/3 پریونیت در نظر گرفت. با توجه به گذرا بودن t2I و تاخیری که در عمل رله بعلت دلایلی که بعداً ذکر میشود، وجود دارد، برای محاسبه k=t22I منظور از 2I را میتوان همان جریان S2I دانست (بعد از سپری شدن حالت گذرا t2I برابر با S2I میشود نتیجه خواهد شد
S2I = 2I).
مقدار نامی جریان ترتیبی منفی قابل تحمل در ژنراتورهای قطب برجسته که معمولاً در نیروگاههای آبی مورد استفاده قرار می‌گیرند عموماً بسیار بزرگتر از ژنراتورهای روتور استوانه‌ای است. بدیهی است این مقدار بستگی مستقیم به نوع سیستم تهویه ماشین‌ها دارد که در عین حال به راندمان سیم پیچ میدان وابسته خواهد شد. در این مورد استاندارد
ANSI C50-13 پیشنهادهایی داده است.
در شرایط اتصالی سیستم، گرم شدن کوتاه مدت ژنراتور مورد توجه قرار می‌گیرد در این مورد تلف گرمایی ناچیز بوده و گرمای ایجاد شده تماماً در ظرفیت حرارتی روتور ذخیره میشود.
تحلیل رفتار ژنراتور در قبال بار نامتقارن:
جریانهای بار نامتقارن کمتر ازجریان بار نامی بوده و تولید گرمای آنها به جریان نامتعادلی بار بستگی دارد و لذا برای هر ژنراتور، یک مقدار نامی جریان بار نامتقارن با عنوان جریان مولفه منتفی پیوسته میتوان نسبت داد، که در زمان طولانی ژنراتور میتواند آن را تحمل کند. حدوداً این مقدار 5% تا 15% مولفه مثبت جریان نامی ژنراتور می تواند باشد و با c2I نشان داده میشود.
این جریان مولفه منفی پیوسته (c2I) در ژنراتور ایجاد تلف گرمایی میکند. برای گرمای ایجاد شده در زمانی بیش از چندین ثانیه باید تلف گرمایی نیز در نظر گرفته شود از ترکیب مقادیر نامی گرمای ایجاد شده بطور پیوسته و در زمان کوتاه، مشخصه حرارتی کل را به صورت زیر نمایش میدهند:
که در آن R2I مقدار نامی جریان ترتیبی منفی بطور پیوسته برحسب پریونیت است.
قابل توجه است که برای روشهای خنک‌کنندگی موثرتر در ژنراتور مقدار نامه کمتری از مولفه منفی را میتوان به ژنراتور اعمال کرد، بطور مثال توربو ژنراتوری که با هوا خنک میشود C2I برابر با 15% برای توربو ژنراتوری که بصورت موثرتری با هیدروژن خنک میشود C2I برابر با 10% و برای ژنراتورهای بیشتر از MVA 800 که از سیستم خنک‌کن بسیار موثری از هیدروژن برخوردار است فقط 5% است.
برای حفاظت ژنراتور در قبال خطرات ناشی از عدم تقارن بار یا خطاهای نامتقارن سیستم که موجب پدید آمدن جریان مولفه منفی میشود، از رله مولفه منفی استفاده میشود. این رله‌ها عموماٌ از نوع جریان زیاد هستند. بدیهی است آشکار کردن مولفه منفی جریان با بکار بردن فیلتر مولفه منفی صورت می‌گیرد که در حقیقت این قسمت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است لذا تاکنون سعی شده است فیلترهایی ساخته شود که علاوه بر دقت در امر آشکار ساختن جریان مولفه منفی از عبور جریانهای مولفه ترتیبی مثبت و صفر جلوگیری بعمل آورد که با رشد تکنولوژی این فیلترها نیز تکامل یافته و به حد مطلوبی رسیده است و از نوع الکترومکانیکی به رلههای الکترومغناطیسی و الکترواستاتیکی که از روشهای الکترونیکی در آنها استفاده شده است و در حال حاضر رلههای میکروپروسسوری در طرحهای نیروگاهی دست یافته‌اند.
از نظر الکتریکی این فیلترها، در دو نوع ولتاژی (فیلتر مولفه منفی ولتاژ) و جریانی (فیلتر مولفه منفی- جریان) ساخته شده‌اند برای فیلتر کردن مولفه منفی، مدارهای متعددی وجود دارد که بطور نمونه مدار مذکور در ادامه آورده میشود:
مدار اول فیلتر مولفه منفی:
توسط یک فیلتر، مقدار مولفه منفی حاصله از رله گذشته و باعث عملکرد آن میشود. مدار این فیلتر تشکیل شده است. از دو C.T (ترانسفورماتور جریان) که یکی از C.Tها بر روی فاز A نصب شده و مقاومت R راتغذیه میکند و C.T دیگر بر روی فاز C نصب شده و امپدانس Z که مقدار عددی آن برابر با مقاومت R و ضریب آن 5/0 است، را تغذیه میکند. در این حالت افت ولتاژ در شاخه شامل امپدانس Z از جریان همان شاخه به اندازه 60 درجه جلو می‌افتد.
جهت بررسی ساده برداری از جریان عبوری رله (ID) صرفنظر میشود اما در هنگام بررسی نقش رله در مدار، ID در نظر گرفته خواهد شد.
در جریانهای مولفه مثبت، ولتاژهای فاز A و فاز C درخلاف جهت هم بوده و مجموعشان صفر میشود.
در جریانهای مولفه منفی، بین نقاط X و Y ولتا VR+VZ بوجود می‌آید و این امر نشان میدهد که رله نصب شده بین نقاط Y,X فقط به مولفه منفی پاسخ می‌گوید.
تاثیر مقاومت داخلی رله در مدار فیلتر اول:
با در نظر گرفتن جریان ID و مقاومت رله (Re) میتوان نوشت:
رابطه (10-1)
با توجه به روابط (11-1):
رابطه (11-1)
و جایگزینی آنها در رابطه (10-1)، چنین حاصل میشود:
(12-1)با توجه به اینکه اکثر ترانسفورماتور قدرت ژنراتورها به صورت Y-Δ هستند، مولفه صفر جریان موجود در ناتعادلی، بطرف فشار ضعیف ترانس قدرت(طرف ژنراتور) نمی‌تواند منتقل شود. زیرا اتصال مثلث طرف فشار ضعیف ترانسفورماتور، مسیر بسته‌ای برای جریان مولفه صفر بوجود می‌آورد که این جریان مولفه صفر از اتصال مثلث خارج نمی‌شود.
حتی اگر نامتقارنی بر اثر اتصال فاز به زمین و در فاصله بین ژنراتور و ترانسفورماتور بوجود آید، بعلت اینکه اکثر ژنراتورها از طریق امپدانس بزرگی زمین میشوند. این مولفه صفر بسیار ناچیز و قابل صرفنظر کردن است. لذا در محاسبات میتوان IaO≈O در نظر گرفت.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 38 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله رله و حفاظت سیستم ها
