سیستمهای حفاظتی و مسائل مخصوص آن :
چکیده:
در‌این مقاله سعی گردیده است بطور خلاصه وظائف سیستمهای حفاظتی، اجزاء سیتمهای حفاظتی و شبکه ضعیف از نظر سیستم حفاظتی مورد بحث و بررسی قرار گیرد.
ضمناً برخی از اشکالات موجود در سیستم حفاظتی شبکه سراسری نیز به بحث گذاشته شده است.
شرح مقاله:
سیستم حفاظتی الکتریکی جزئی از شبکه است که اطلاعات اصلی شبکه مثل ولتاژ و جریان را دریافت نموده و حالتهای غیرعادی مثل اتصال کوتاه را تشخیص داده و عمل لازم را مثل جدا نمودن قسمت معیوب از بقیه شبکه انجام میدهد. چون عمل سیستم حفاظتی همیشه منجر به‌ایجاد تغییراتی در شبکه میگردد که از آن جمله می‌توان قطع خطوط و یا قطع واحدهای تولیدی را نام برد، عملکرد مطمئن آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
توجه به‌این واقعیت که وصل نابجای یک کنتاکت در سیستم حفاظتی می‌تواند منجر به از دست رفتن کل شبکه گردد باعث‌این مسئله میگردد که مطالعه دقیق و همه جانبه در زمینه سیستمهای حفاظتی و شناخت اشکالات، بررسی مسائل طراحی سیستمهای حفاظتی و استفاده از امکانات آن می‌تواند کمک عمده‌ای به شناخت مسائل پایداری شبکه نماید.
1ـ وظائف سیستمهای حفاظتی:
اگر بخواهیم وظائف سیستمهای حفاظتی را در شبکه بطور خلاصه بنویسیم می‌توان گفت:
1ـ1ـ سیستم حفاظتی اتصال کوتاه را در شبکه تشخیص داده و قسمتی از شبکه که در آن اتصالی بوجود آمده است را از بقیه شبکه جدا می نماید. بطور مثال وظیفه رله دیستانس تشخیص اتصالی روی خطوط و جدا کردن خط معیوب از بقیه شبکه می‌باشد و یا وظیفه رله دیفرانسیل تشخیص اتصالی در داخل ترانسفورماتور و جدا کردن آن از بقیه شبکه می‌باشد.
2ـ1ـ سیستم حفاظتی حالت بهره‌برداری غیر عادی در یک جزء از شبکه را تشخیص داده آن جزء را برای آنکه صدمه نبیند از بقیه شبکه جدا می نماید. مثلاً رله بار زیاد و یا ولتاژ زیاد، ترانسفورماتور و ژنراتور را درحالتهای بهره‌برداری غیر عادی از بقیه شبکه جدا می نماید.
3ـ1ـ سیستم حفاظتی حالت بهره‌برداری خارج از حد قابل قبول را تشخیص داده و عمل لازم جهت برگرداندن شبکه بحالت عادی را انجام میدهد. مثل تشخیص ولتاژ زیاد و یا کم در یک قسمت از شبکه و ارسال فرمان برای در مدار قرار گرفتن راکتور و یا خازن جهت کنترل ولتاژ, یا تشخیص فرکانس پایین در شبکه توسط رله‌های فرکانسی و قطع مرحله‌ای با رجعت کنترل فرکانس و یا تشخیص ولتاژ غیر نرمال در ثانویه ترانسفورماتور و ارسال فرمان تغییر نسبت تبدیل ترانسفورماتور به تپ چنجر جهت عادی کردن ولتاژ.
4ـ1ـ چون در وضعیت خاص بهره‌برداری از شبکه و یا اشکال در مدارهای ثانویه ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ ممکن است رله‌های حفاظتی عملکرد ناخواسته داشته باشند‌این حالتهای خاص را می‌توان توسط رله‌های د یگری تشخیص و از عملکرد رله‌های حفاظتی اصلی جلوگیری نمود.
مثلاً در حالتهای خاص از نوسان قدرت ممکن است رله‌های حفاظتی دیستانس ویا جریان زیاد خطوط عمل نمایند که در این حالت می‌توان نوسان قدرت را توسط رله‌های حفاظتی نوسان قدرت تشخیص داده فرمان بلوکه کردن به رله‌های حفاظتی اصلی (دیستانس و جریان زیاد) صادر نمود و یا در صورت سوختن فیوز ترانسفورماتور ولتاژ، اطلاعات ولتاژ به رله دیستانس داده نمیشود در صورتیکه اطلاعات جریان را رله دریافت می نماید. رله دیستانس این حالت را با حالت اتصالی در خط یکسان فرض نموده و عمل می نماید با قرار دادن رله‌های مخصوص که سوختن فیوز را تشخیص میدهند می‌توان از عملکرد بیمورد رله دیستانس جلوگیری نمود.
5ـ1ـ آمار ثابت نموده که اکثر اتصالهایی که روی خطوط بوجود می‌آیند گذرا می‌باشند. بنابراین سیستم حفاظتی می‌تواند در هنگام بوجود اتصالی روی خط، کلیدهای آن خط را (تکفاز یا سه فاز) قطع نموده و بعد از مدت معینی از ارسال فرمان قطع، فرمان وصل مجدد با آن کلیدها صادر نماید. که در این صورت شبکه بعد از مدت بسیار کوتاهی بحالت قبل از حادثه برمی‌گردد. بکارگیری سیستم وصل مجدد اتوماتیک در شبکه‌های 400 و 230 کیلووات می‌تواند کمک زیادی به پایداری شبکه در حالتهای گذرا نماید. وظائف سیستمهای حفاظتی و مثالهای مورد بحث در برگیرنده تمام کار سیستم حفاظتی نیست و شرح کامل آن خارج از حوصله‌این مقاله است.
2ـ اجزاء سیستمهای حفاظتی:
اجزاء سیستمهای حفاظتی در شبکه را می‌توان بشرح زیر خلاصه نمود:
1ـ2ـ ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ که اطلاعات شبکه را به رله‌های حفاظتی میدهند این اطلاعات شامل جریان و ولتاژ شبکه می‌باشد که به مقدار متناسبی کاهش پیدا کرده است و قابل اندازه‌گیری توسط رله ها می‌باشد و همچنین اطلاعات فرکانس شبکه نیز توسط ترانسفورماتور ولتاژ به رله ها داده می‌شود.
بطور خلاصه جریان شبکه به مقدار استاندارد 1، 2 و 5 آمپر و ولتاژ آن نیز به 100، 110، 120 ولت کاهش پیدا می‌کند، بدین ترتیب می‌توان رله‌های حفاظتی را برای جریان و ولتاژ خاصی استاندارد نمود.
2ـ2ـ رله‌های حفاظتی: کار رله‌های حفاظتی دریافت اطلاعات از شبکه توسط ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ، تشخیص حالت غیرعادی مثل فرکانس زیاد یا کم، ولتاژ زیاد یا کم جریان زیاد امپدانس کم و ... انجام عمل لازم مبنی بر رفع حالت غیرعادی است که در بخش قبل توضیح کاملتر آن داده شد. بایستی توجه داشت که رله‌ها بایستی دارای مشخصاتی مثل دقت عملکرد سرعت عملکرد، قابلیت اطمینان باشند.
3ـ2ـ کلیدهای قدرت جزئی از سیستم حفاظتی است که در صورت لزوم مثلاً وجود اتصال کوتاه در خط و یا ترانسفورماتور و یا ژنراتور فرمان لازم را از رله‌های حفاظتی دریافت نموده و قسمت معیوب را از بقیه شبکه جدا می نماید.
لازم به توضیح است عملکرد رله‌های حفاظتی حتماً به قطع دیژنکتور ختم نمی‌گردد بلکه می‌تواند فرمان وصل آن باشد و یا ارسال فرمان به تپ چنجر باشد که در فصل (2) توضیح آن آمده است.
4ـ2ـ سیستمهای تغذیه که کار آنها برقراری تغذیه جهت قسمتهای مختلف مثل رله‌های حفاظتی رله‌های کمکی ـ ارسال آلارم ـ ارسال فرمان تریپ به بریکرو … باشد.
5ـ2ـ سیستمهای آلارم و ثبت اطلاعات: چون زمان بروز حادثه تا رفع آن ممکن است کمتر از چند دهم ثانیه طول بکشد در‌این زمان فرصت کافی برای بررسی چگونگی بوجود آمدن حادثه و عملکرد رله‌های حفاظتی وجود ندارد. بنابراین می‌توان اطلاعات حادثه را مثل شکل موجهای جریان و ولتاژ ـ عملکرد کلیدهای قدرت، عملکرد رله‌های حفاظتی ـ زمان شروع حادثه را توسط دستگاههای ثبات حادثه ثبت نموده و در موقع مناسب از آنها جهت تجزیه و تحلیل شبکه در هنگام حادثه استفاده نمود.
همچنین سیستمهای آلارم جهت هشدار داده به اپراتور در صورت وجود اشکال و انجام عمل مقتضی همچنین دادن اطلاعات تکمیلی حادثه برای بررسی حادثه بکار می‌رود.
6ـ2ـ سیستمهای تله پروتکشن: این سیستمها ارتباط حفاظتی دو طرف شبکه را برقرار می‌سازند مثلاً ارتباط رله‌های دیستانس خط در دو طرف، بطور کلی ارتباط حفاظتی موجود در شبکه ایران سه نوع می‌باشد.
الف: ارتباط حفاظتی بین رله‌های دیستانس دو طرف خط جهت تسریع نمودن عمل و یا عمل طبق برنامه از پیش تعیین شده.
ب: ارتباط حفاظتی بین رله‌های حفاظتی کمکی مثل اتصال زمین جهت ارسال فرمان قطع شرطی.
ج: ارسال فرمان تریپ از یک طرف به طرف دیگر.
با توضیحاتی که داده شده عملکرد مطمئن سیستمهای تله پروتکشن (بخصوص بند ج) از اهمیت خاصی برخوردار است.
3ـ شبکه ضعیف از نظر سیستم حفاظتی:
در‌این قسمت از مقاله که در واقع بخش اصلی و مورد نظر آنرا تشکیل می‌دهید شبکه ضعیف از نظر سیستم حفاظتی و برخی اشکالات موجود در شبکه (بدون ذکر نام و محل آن) مورد بحث قرار میگیرد.
1ـ3ـ تعریف شبکه ضعیف از نظر سیستم حفاظتی: شبکه ضعیف از نظر سیستم حفاظتی شبکه‌ای است که در آن سیستم حفاظتی بطور دلخواه واز پیش تعیین شده عمل ننماید و یا بعد از عملکرد دلخواه و از پیش تعیین شده شبکه بحالت عادی باز نگردد.
2ـ3ـ ضعف شبکه از نظر سیستم حفاظتی را می‌توان به دو دسته تقسیم نمود.
1ـ ضعف شبکه
2ـ ضعف سیستم حفاظتی
ضعف شبکه از نظر تداوم تشویق و تسلسل عملکرد رله‌های حفاظتی بدان معناست که:
1ـ2ـ3ـ در هنگام قطع یک خط بعد از اتصالی توسط رله‌های حفاظتی مربوط خطوط ارتباطی دیگر دارای بار پیش از حد مجاز گردند که در‌این صورت رله‌های حفاظتی آن خطوط نیز ممکن است عمل نمایند.
2ـ3ـ3ـ در حالتهای اضطراری ولتاژ شبکه از حد کنترل خارج گردند و منابع کنترل ولتاژ مثل راکتور یا خازن در دسترس نباشد. در‌این صورت رله‌های حفاظتی راکتورهای در مدار (مثل جریان زیاد) و یا در ترانسفورماتور مثل (Over Flux) عمل نموده باعث باعث بیشتر بالا رفتن ولتاژ گردند در واقع عملکرد رله‌های حفاظتی در این حالت در جهت عکس عمل می نمایند و نه تنها باعث بهبود وضع شبکه نمی گردند بلکه شبکه را بحالت غیر پایدارتر می برند.
3ـ3ـ3ـ در هنگام حادثه (مثل اتصالی روی یک خط و قطع آن توسط رله‌های حفاظتی مربوطه) در شبکه نوسان زیاد قدرت بوجود آید در نتیجه رله‌های نوسان قدرت (Power Swing Relays) نتوانند از عملکرد رله‌های دیستانس خطوطی که اتصالی روی آنها وجود ندارد جلوگیری نموده و باعث قطع خطوط بیشتری گردند در نتیجه شبکه را بیشتر بحالت ناپایدار ببرند. ضمناً رله‌های جریان زیاد خطوط نیز ممکن است در این حالت عمل نمایند و باعث قطع خطوط مربوط گردند.
4ـ3ـ3ـ در هنگام قطع یک واحد که بار نسبتاً زیادی از شبکه را تامین می نماید بقیه شبکه متلاطم گردد مثلاً افت شدید فرکانس و یا افت شدید ولتاژ و یا افزایش شدید جریان پیش آید که می‌تواند باعث عملکرد استارترهای رله‌های دیستانس خطوط گردد. این مسئله عمدتاً در مورد شبکه هائی که نسبت تولید یک واحد با کل تولید شبکه رقم قابل ملاحظه‌ای را تشکیل میدهد بسیار زیاد اتفاق می افتد.
مثلاً در یک شبکه 50000 مگاواتی خارج شدن یک واحد MW1200 یعنی قطع %2.4 تولید باعث افت فرکانس به میزان 0.13 Hz/Sec (افت فرکانس بین 50 و 49 هرتز با ضریب قدرت 0.85 , ثابت اینرسی H=4) در صورتیکه در کی شبکه 7000 مگاواتی خارج شدن همان واحد یعنی قطع %17 تولید باعث افت فرکانس به میزان 1.11Gz/Sec (افت فرانس بین 50 و 49 هرتز با ضریب قدرت و ثابت اینرسی H=4 ) یعنی حدود 8/5 برابر شبکه قبلی میگردد. در شبکه با مشخصات فوق که نسبت تولید یک واحد نسبت به کل شبکه زیاد است عملکرد رله‌ها در هنگام خارج شدن یک واحد قابل پیشگیری نیست و فقط قطع بار در سریع‌ترین زمان ممکن توسط رله‌های فرکانسی ممکن است بتواند از قطع شبکه جلوگیری نماید.
5ـ2ـ3ـ تغییر نحوه بهره‌برداری از شبکه (تغییر Co nfiguration) تغییر نحوه بهره‌برداری از شبکه مثلاً خارج کردن خطوط ـ ترانسفورماتورها و … در میزان اتصال کوتاه شبکه تغییراتی بوجود می آورد که در برخی موارد ممکن است محاسبات ستینگ انجام شده روی رله ها که برای شبکه قبل انجام گردیده است در شبکه جدید صادق نباشد این مسئله در شبکه بیشتر در عملکرد رله‌های حفاظتی کمکی مثل جریان زیاد و یا اتصال زمین تاثیر می‌گذارد چون این رله‌ها در شبکه با جریان عمل می نماید ولی رله‌های حفاظتی اصلی ترانسفورماتور مثل Diff و یا Restricted و یا رله‌های حفاطتی اصلی خط مثل رله دیستانس و یا دیفرانسیل خط تا حد زیادی از حالت بهره‌برداری از شبکه مستثنی هستند.
3ـ3ـ ضعف سیستم حفاظتی:
1ـ3ـ3ـ عدم هماهنگی عملکرد رله‌های حفاظتی: در واقع هنگام بروز حادثه در یک نقطه از شبکه انتظار آن است که رله‌های حفاظتی مربوط عمل نموده، قسمت معیوب را از بقیه شبکه جدا تا بقیه شبکه بکار عادی خود
ادامه دهد.
قطع سایر خطوط و تجهیزات بوسیله رله‌های حفاظتی می‌تواند ناشی از عدم هماهنگی عملکرد رله‌های حفاظتی باشد. همانطور که قبلاً نیز توضیح داده شد تغییر نحوه بهره‌برداری از شبکه نیز می‌تواند در عدم هماهنگی عملکرد رله‌های حفاظتی نقش موثری ایفاد نماید.
2ـ3ـ3ـ اشکال رله حفاظتی: حفاظتی می‌تواند قبل از وقوع حادثه معیوب باشد و هیچکس از آن اطلاعاتی نداشته باشد و بعد از بروز اتصالی و عملکرد سایر رله‌ها با تجزیه و تحلیل گزارش حوادث اشکال آن مشخص گردد.
البته در رله‌های مدرن وجود اشکال در داخل رله بوسیله آلارم مشخص میگردد و می‌توان اشکال آنرا سریعاً رفع نمود ولی در اکثر رله‌های حفاظتی موجود‌این اشکال وجود دارد.
یک رله حفاظتی می‌تواند در هنگام حادثه دچار اشکال گردد که این می‌تواند ناشی از اشکالات طراحی باشد. همچنین یک رله می‌تواند از دقت لازم برخوردار نبوده و یا به حالتهای گذرا حساس باشد.
3ـ3ـ3ـ وجود رله‌های حفاظتی بدون کنترل جهت مثل رله‌های اتصال زمین بدون جهت (Non directiona) و جریان زیاد بدون جهت (Non directional 0/C) این رله‌ها می‌توانند در مواردی عملکرد ناخواسته داشته و باعث ارسال فرمان قطع نابجا گردند.
4ـ3ـ3ـ عدم هماهنگی در طراحی سیستمهای حفاظتی پستها: بررسی‌این مسئله اهمیت زیادی جهت توسعه شبکه در آینده دارد، در واقع ساخت یک پست جدید در یک نقطه از شبکه نمی‌تواند بدون در نظر گرفتن سیستمهای حفاظتی پستهای مجاور انجام گیرد بطور مثال ارتباط دو سیستم حفاظتی دیستانس با یکدیگر و یا طراحی سیستم حفاظتی E/F خط که در یک طرف ممکن است رله دارای مشخصات Inverse Time باشد و در لاجیک تریپ آن دریافت سیگنال از طرف دیگر خط وجود نداشته باشد ولی رله E /F طرف دیگر همین خط دارای مشخصه عملکرد با زمان ثابت (Definite Time) بوده و در لاجیک تریپ آن ارسال سیگنال ازطرف دیگر لازم باشد (سیستمermissive Trip ) که این دو سیستم را نمی‌توان با هم از نظر عملکرد هماهنگ نمود. این اشکالات اگر در مراحل اولیه ساخت پست مطروح و برطرف نگردند ممکن است بصورت دائم در شبکه باقی بماند و همیشه باعث ایجاد مسئله گردد.
5ـ3ـ3ـ اشکالات طراحی رله‌های حفاظتی وجود اشکالات رله سیستمهای حفاظتی می‌تواند هم در بهره‌برداری عادی از شبکه اختلال ایجاد کند و هم در حوادث مثلاً فرض کنید منبع تغذیه یک رله دیستانس مرتباً دجار اشکال گردد و یا رله دیستانس یک خط در حالتی که خارج از مدار است توسط ولتاژهای القائی خط مجاور عمل نماید، این اشکالات در طراحی رله‌ها در هنگام انجام آزمایشات کارخانه‌ای استاندارد و یا آزمایشات قراردادی که کارخانه انجام میگیرد می‌تواند مشخص و در همان مراحل ساخت برطرف گردند.
6ـ3ـ3ـ اشکال سیستم تله پروتکشن همانطور که قبلاً توضیح دادیم سیستم تله پروتکشن یکی از اجزاء سیستم
حفاظتی است که یکی از موارد کاربرد آن ارسال فرمان قطع از یک طرف به طرف دیگر می‌باشد. ارسال فرمان قطع در ژنراتورهائی که فاقد کلید بوده و کلید ترانسفورماتور مربوط به آن در پست دیگری قرار دارد و یا خطوط دارای راکتور بدون کلید موارد استفاده دارد. بنابراین سیستم بایستی از قابلیت اطمینان عملکرد فوق العاده‌ای برخوردار باشد در موقع نیاز حتماً عمل نموده و در حالتهای عادی حتماً عمل ننماید. در واقع عملکرد ناخواسته این سیستم در شبکه می‌تواند صدمات جبران ناپذیر وارد آورده و یا به قطع شبکه منجرگردد.
7ـ3ـ3ـ در نظر گرفتن سیستم حفاظتی بیش از حد و کمتر از حد استاندارد میزان حفاظت تجهیزاتی که در شبکه مورد استفاده قرار میگیرد تابعی از قدرت تجهیزات، محل کاربرد، میزان اهمیت آن و مسائل اقتصادی می‌باشد. اگر یک سیستم قدرت با اهمیت کمتر، قدرت کمتر و در جای کم اهمیت بکار رود دارای حفاظتی بیش از حد نیاز باشد و بالعکس یک سیستم قدرت با اهمیت زیادتر و قدرت بیشتر دارای حفاظت کمتر از حد استاندارد باشد در مسائل هماهنگی عملکرد آن همچنین قابلیت اعتماد سیستم حفاظتی مسائل بوجود می آورد.
مثلاً ممکن است یک ترانسفورماتور 80 مگاولت آمپر دارای حفاظت دیفرانسیل، دیستانس در هر دو طرف Retricted E/F در هر دو طرف، رله جریان زیاد در هر دو طرف و همچنین E/F در هر دو طرف باشد در صورتیکه یک ترانسفورماتور با قدرت 180 مگاولت آمپر حتی فاقد رله دیفرانسیل باشد و بایستی آنرا به وسیله رله‌های جریان زیاد محافظت نمود.
حتی فاقد رله دیفرانسیل باشد و بایستی آنرا بوسیله رله‌های جریان زیاد محافظت نمود. بهر حال یکی از مسائل
مهم در سیستمهای حفاظتی در نظر گرفتن تجهیزات حفاظتی اپتیمم با در نظر گرفتن وضعیت شبکه و مسائل اقتصادی باشد.
4ـ نتیجه:
اجزاء و وظائف سیستمهای حفاظتی با تغییری بسیار جزئی در تمام شبکه‌های برق یکسان است ولی نوع شبکه
و طراحی سسیتم حفاظتی ممکن است بسیار متفاوت باشد. بین مسائلی که در سیستمهای حفاظتی شبکه‌های بسیار بهم پیوسته (High interconnected system ) وجود دارد با شبکه‌های بطور ضعیف بهم پیوسته (interconnect system Loosely) تفاوت اساسی وجود دارد در شبکه‌هائی که ظرفیت یک واحد تولیدی نسبت به کل بار شبکه رقم قابل ملاحظه‌ای را تشکیل میدهد مسائل تسلسل عملکرد رله ها بوجود می‌آید که به بحث درباره آن پرداختیم.
برای برطرف نمودن ضعف شبکه از نظر سیستم حفاظتی لازم است بررسی و مطالعات لازم شبکه انجام گرفته تغییرات، اصلاحات لازم در آن بوجود می‌آید مثلاً در طرحهای توسعه اضافه نمودن خطوط، راکتور، ژنراتور در محلهای مناسب در نظر گرفته شود که بحث در مورد آن خارج از موضوع مقاله است.
جهت برطرف نمودن ضعف سیستمهای حفاظتی لازم است.
1ـ در طرحهای توسعه مثل نصب یک پست و یا خط، هماهنگی طراحی سیستم حفاظتی با خطوط و پستهای مجاور آن انجام گیرد.
2ـ اشکالات سیستم حفاظتی موجود بررسی و تغییرات لازم در آنها بوجود آید.
3ـ هماهنگی عملکرد رله‌های حفاظتی مورد مطالعه قرار گرفته و محاسبات ستینگ اپتیمم رله‌ها انجام گیرد.
4ـ با پیشرفت رله‌های حفاظتی می‌توان حفاظت تجهیزات را بصورت مستقل در نظر گرفت که عملکرد رله‌ها مستقل از نحوه بهره‌برداری از شبکه باشد. بکارگیری سیستم حفاظتی واحد (Unit protection) می‌تواند تا حد زیادی کمک به هماهنگی عملکرد رله‌های حفاظتی نماید.
