عنوان :

مقاله شبکه قدرت

تعداد صفحات : ۱۳۹

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

شبکه قدرت همواره در معرض خطاهای گوناگونی قراردارد . از میان همه این خطاها احتمال وقوع خطای زمین بیشتر است . تقریبا بیش از ۹۵ درصد خطاهای شبکه از این نوع است. بنابراین حفاظت تجهیزات شبکه قدرت در برابر این نوع خطاها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

یکی از روش های حفاظت سیستم ها در برابر خطای زمین استفاده از رله های جریان زیاد است این روش که از دیرباز مورد استفاده قرار می گرفته است هنوز هم جزو اصلی  ترین روش های حفاظت زمین محسوب می شود.

مقاله حاضر در ۴ فصل می باشد. در فصل اول سعی بر این است تا مفاهیم اساسی رله های زمین بیان شود و یک آشنایی کلی با طرز کار این رله ها صورت گیرد .

لازم به ذکر است که در این پروژه ، منظور از حفاظت خطوط انتقال حفاظت جریان زیاد است و رله های زمینی که در اینجا بحث می شود ، همگی طبق اصول رله های جریان زیاد عمل می کنند . بنابراین نباید آن ها را با انواع دیگر حفاظت خطوط نظیر  حفاظت دیستانس و یا Pilot Protection اشتباه گرفت.

در فصل دوم برای جلوگیری از عملکرد اشتباه برخی رله های زمین در خطاهایی که به آن ها مربوط نمی شود ،‌ باید آن ها را از نوع جهت دار  انتخاب کرد. در این صورت هر رله تنها محدوده حفاظتی خودش را تحت پوشش قرار می دهد و بنابراین قابلیت اطمینان شبکه را بالا می برد به همین خاطر، در این فصل سعی شده است تا در باره این رله ها و نحوه پلاریزه کردن آن ها و مشخصه عمل آن ها مطالبی بیان شود.

در فصل سوم از نظر تئوری شرایط زیادی وجود دارد که باعث عملکرد نادرست رله زمین می شود اما در عمل، این شرایط تیوری ، چندان باعث نگرانی نیستند زیرا حاشیه امنیت زیادی چه در مقدار جریان پیک – آپ و چه در زمان قطع در نظر گرفته شده است.

این حاشیه امنیت ها با گسترش شبکه های قدرت در حال محدود شدن هستند. جریان قابل دسترسی برای رله زمین ، با افزایش خطوط موازی با ایجاد منابع زمین شده در دو طرف خط و با استفاده از ترانس های جریان با نسبت تبدیل بالا کاهش یافته است.

حد اطمینان زمانی نیز درحال کم شدن است زیرا طراحی سیستم به سمت بهینه شدن پیش می رود و این بهینه شدن مستلزم این است که خطاها بتوانند تاثیر کمتری روی شبکه بگذارند در نتیجه از بین بردن خطاها در حداقل زمان ممکن از مهمترین اهداف است.

در این فصل سعی بر این است تا برخی از شرایطی که منجر به عملکرد نادرست رله زمین می شوند بیان شود و در برخی موارد راه حل هایی نیز ارائه گردد.

در فصل چهارم با ظهور مقوله حفاظت خطای زمین و استفاده از آن در شبکه های قدرت،‌ مشکلاتی در رابطه با کاربرد این نوع حفاظت در سیستم هایی که  چند منبع دارند و یا چند نقطه زمین شده اند، بوجود آمده است. یکی از این سیستم ها، پست (ایستگاه)‌دو سو تغذیه است که حفاظت فیدرهای آن در برابر خطای زمین احتیاج به مطالعات دقیق مهندسی دارد.

تا کنون تلاش های زیادی برای طراحی حفاظت های بهینه زمین در چنین سیستم هایی صورت گرفته است . یکی از نتایج بدست آمده استفاده از سیستم دیفرانسیل اصلاح شده است که در این فصل در باره چگونگی اعمال این سیستم و همچنین مزایای آن به تفصیل بحث خواهد شد.

در فصل پنجم برای آشنایی با نحوه تنظیم رله های جریان زیاد زمین،  یک مورد از این محاسبات را که در یک شبکه نمونه درکشورمان انجام گرفته است به نمایش گذاشته و نهایتا نتیجه های لازم را از آن خواهیم گرفت.

واژه های کلیدی: شبکه قدرت، رله های حفاظت زمین ، خطاهای زمین، رله های جهت دار  زمین، سیستم دیفرانسیلی حفاظت زمین

فهرست مطالب

فصل اول : اصول عملکرد رله های زمین
۱-۱خطاهای زمین ۲
۲-۱ اتصالات رله های زمین۵
۳-۱ انواع معمول رله های زمین۱۰
۱-۳-۱ رله های با مشخصه معکوس۱۰
۲-۳-۱ رله های زمان معین۱۲
۳-۳-۱ رله های IDMT 12
۴-۳-۱ رله های لحظه ای۱۳
فصل دوم : مطالعه رله های جهت دار زمین
۱-۲  ضرورت جهت دار بودن۱۵
۲-۲ هماهنگی رله های جهت دار۱۶
۳-۲ پلاریزه کردن رله های جهت دار۱۸
۱-۳-۲ پلاریزه کردن توسط جریان۱۹
الف: ترانس های دو سیم پیچه۲۰
ب : ترانس های سه سیم پیچه۲۲
ج : اتو ترانس ها۲۶
۲-۳-۲ پلاریزه کردن توسط ولتاژ۳۱
۳-۳-۲ روش های دیگر پلاریزاسیون۳۵
۴-۲ مشخصه عمل رله های جهت دار۳۶
۱-۴-۲ جبران سازی در رله های زمین۴۰
فصل سوم : بررسی برخی از مشکلات رله های زمین
۱-۳جریان مانده اشتباه۵۰
۱-۱-۳ عملکرد ضعیف ترانس های جریان۵۰
نامساوی بودن بردن و اختلاف بین ترانس های جریان۵۱
اشباع DC ترانس های جریان۵۲
۲-۳ خطاهای چند مداره۶۶
۳-۳ نامتقارن باز وبسته شدن کلیدها۶۸
۴-۳ معکوس شدن جریان در سیم پیچ پلاریزه کننده۷۰
۵-۳ مشکل رله های حاصل ضربی۷۴
۶-۳ مشکل جریان القا شده در خطوط موازی۷۶
۷-۳ کاربرد مشخصه هیبرید۸۳
فصل چهارم : سیستم های حفاظت زمین دیفرانسیلی
۱-۴معرفی سیستم دیفرانسیل اصلاح شده۹۲
۲-۴انواع سیستم های دیفرانسیلی۹۳
۱-۲-۴ سیستم دیفرانسیل قدیمی۹۳
۲-۲-۴ سیستم دیفرانسیل اصلاح شده۹۵
۳-۴تحلیل شبکه قدرت۹۷
۱-۳-۴ مفاهیم اولیه تحیلی شبکه۹۸
۲-۳-۴ روش تجزیه و تحلیل سیستم۱۰۲
۴-۴ مطالعه حالت های مختلف سیستم۱۰۳
۵-۴ توسعه دیفرانسیل اصلاح شده۱۱۱
فصل پنجم : تنظیم رله زمین در یک شبکه نمونه
۱-۵معرفی شبکه نمونه۱۱۴
۲-۵محاسبات۱۱۷
۳-۵تنظیمات رله۱۱۹
۴-۵ نتایج بدست آمده۱۱۹
نتیجه گیری۱۲۳
ضمیمه۱۲۷
مراجع۱۲۸

مقدمه :

شبکه قدرت همواره در معرض خطاهای گوناگونی قراردارد . از میان همه این خطاها احتمال وقوع خطای زمین بیشتر است . تقریبا بیش از ۹۵ درصد خطاهای شبکه از این نوع است. بنابراین حفاظت تجهیزات شبکه قدرت در برابر این نوع خطاها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

یکی از روش های حفاظت سیستم ها در برابر خطای زمین استفاده از رله های جریان زیاد است این روش که از دیرباز مورد استفاده قرار می گرفته است هنوز هم جزو اصلی  ترین روش های حفاظت زمین محسوب می شود .اگر چه در برخی مواردرله دیستانس به عنوان رله اصلی در این خطاها بکار می رود  اما رله های جریان زیاد زمین در این موارد نقش مهمی ایفا میکنند ،زیرا موارد بسیاری وجود دارد که رله دیستانس در خطاهای زمین عمل نمی کند.

با این حال شرایط و عوامل زیادی وجود دارد که باعث می شود که رله های جریان زیاد زمین ،‌ عملکرد صد در صد درست نداشته باشند . این بیشتر به خاطر شرایطی است که شبکه قدرت بر رله تحمیل میکند . بنابراین آشنایی با این شرایط و هم چنین رویارویی با آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است ،‌ زیرا با این کار قابلیت اطمینان سیستم های قدرت را می توان بالابرد.

فصل اول:اصول  عملکرد رله های زمین

در حالیکه مقالات متعددی  در زمینه انواع خاصی از رله های زمین و مشکلات مربوط به آن نوشته شده است ، اما یک بررسی کلی در مورد اصول  عملکرد  این رله ها کمتر یافت می شود .در این فصل سعی بر این است تا مفاهیم اساسی رله های زمین بیان شود و یک آشنایی کلی با طرز کار این رله ها صورت گیرد با این امید که بتوان برای مهندسین حفاظت مفید واقع گردد.

لازم به ذکر است که در این پروژه ، منظور از حفاظت خطوط انتقال حفاظت جریان زیاد است و رله های زمینی که در اینجا بحث می شود ، همگی طبق اصول رله های جریان زیاد عمل می کنند . بنابراین نباید آن ها را با انواع دیگر حفاظت خطوط نظیر  حفاظت دیستانس و یا Pilot Protection اشتباه گرفت.

خطاهای زمین (GROUND FAULTS)

خطاهای زمین به خطاهایی گفته میشود که بین یک یا دو فاز  و زمین صورت می گیرد . رله زمین در چنین مواقع ی باید بتواند در کمترین زمان ممکن این اشکال را احساس کند و فرمان لازم برای عملکرد کلیدهای قدرت را صادر کند.

کمیتی که در رله های زمین برای تشخیص خطا بکار می رود ولتاژ (۳V₀) یا جریان باقیمانده[۱] (۳I₀) است کهV₀ وI₀ مقادیرمولفه صفر ولتاژ و جریان هستند . بیشتر سیستم های قدرت زمین شده اند و این زمین کردن ممکن است بصورت مستقیم باشد و یا از مقاومت یا راکتانس استفاده شده باشد. در نتیجه جز در موارد خاصی ، ولتاژ و جریان های باقیمانده بسیاری وجود دارد که میتوانند توسط رل های زمین مورد استفاده قرار گیرند . البته ولتاژ و جریان مولفه منفی نیز در خطای زمین وجود دارد و با ترکیب آن ها با مقادیر مولفه صفر ، در آشکار نمودن و ایزوله کردن خطاها می توان از آن ها استفاده کرد.

قابل ذکر است که خطای سه فاز به زمین به علت این که مولفه صفر قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند نمی تواند باعث عملکرد رله زمین شود . به همین خاطر عموما این نوع خطا به عنوان یک خطای فاز درنظر گرفته می شود.

هیچکدام از کمیت های مشخص کننده خطای زمین (ولتاژ و جریان مولفه صفر) هنگامیکه سیستم در شرایط نرمال قرار دارد ، به مقدار قابل ملاحظه ای موجود نیستند. این نکته مهم باعث شده است تا بتوان رله های جداگانه ای را برای حفاظت زمین استفاده کرد که حساسیت بیشتری دارند و در مقادیری کمتر از بار سه فاز سیستم تنظیم می شوند.

۲-۱: اتصالات رله های زمین

در این جا چند نوع متداول از اتصالات رله های زمین که استفاده از آن ها در حفاظت زمین رایج است تشریح می گردد. در تمام این روش ها از ولتاژ یا جریان باقیمانده برای تشخیص خطای زمین استفاده می شود.

الف : در روش اول که در شکل a-1-1 نمایش داده شده است ، رله زمین از خروجی سه ترانس جریان که بصورت موازی بسته شده اند تغذیه می گردد . اولیه هر کدام از ترانس ها یکی از فازهای خط انتقال است . بنابر این جریانی که از رله عبور می کند برابر است با :

I_r=I_a+I_b+I_c=3I₀

این جریان که به جریان باقیمانده معروف است ، سه برابر جریان مولفه صفر سیستم است و فقط هنگامی وجود دارد که در سیستم خطای زمین داشته باشیم.

چون در شرایط کار عادی سیستم ، جریان باقیمانده نداریم ، پس تنظیم این رله ها را می توان در مقادیر کم انجام داد . به همین دلیل معمولا این رله ها بین ۳۰ تا ۷۰ درصد جریان نامی تنظیم می شوند . تنظیم این رله ها مستقل از بار است و با تنظیم رله های اضافه بار متفاوت است ، ذکر این نکته ضروری است که تنظیم  آن ها در مقادیر کم ،‌باعث تحمیل بِردِن[۱] اضافی به C.T خواهد شد و این مطلوب نیست .

رله های C,B,A که هر کدام در ثانویه یکی از C.Tها بسته شده اند ، برای حفاظت در برابر خطای فاز هستند یعنی در صورت وقوع خطای دو فاز به هم ویا خطای سه فاز ،‌ المان جریان زیاد این رله ها باعث صدور فرمان لازم می گردد. این رله ها باید طوری تنظیم شوند که در بارگیری کامل از خط و حتی در مقادیری بیش از آن عمل نکنند . این رله ها ممکن است در برخی خطاهای زمین عمل کنند . با این وجود نباید آن ها را به عنوان رله زمین در نظر گرفت بلکه باید آن ها را به عنوان یک حفاظت پشتیباد برای رله زمین به حساب آورد . گاهی اوقات به منظور صرفه جویی اقتصادی ، به جای این که سه رله جریان زیاد برای فازها بکار برند،‌از دو رله استفاده میکنند.

در صورتیکه  تمام C.T ها ایده آل باشند ،‌ تحت شرایط کارکرد نرمال و هم چنین در خطاهای بین فازها جریانی از رله زمین نخواهد گذشت . با این وجود ،‌چون C.T  ها هر قدر هم که یکسان باشند باز هم تفاوت های جزئی  دارند، همواره مقداری جریان از رله زمین عبور می کند این جریان که به جریان مانده اشتباهی معروف است ،‌ هنگامی که اولیه C.T ها در جریان نامی کار میکند حدود ۰۱/۰ تا ۱/۰ آمپر است و در خطاهای شدید بین فاز ها ، مقادیر  بسیار بزرگتری خواهد داشت. برای اجتناب از این جریان اشتباه می توان از یک نوع ترانس جریان استفاده کرد که هر سه فاز را در بر میگیرد . در شکل b-1 نمونه ای از این نوع ترانس جریان که به C.T توالی صفر[۲] معروف است ، نشان داده شده است با استفاده از این C.T در واقع نامتعادلی در خروجی C.T ها از بین خواهد رفت . استفاده از این C.T در سیستم های با ولتاژ کم و متوسط رایج است.

ب: روش دوم که در شکل ۲-۱ نشان داده شده است را تنها در پست هایی می توان به کار برد که ترانس هایی با سیم پیچ ستاره زمین شده دارند . در چنین مواقعی جریان رله زمین توسط یک C.T که بین نقطه خنثی ترانس و  زمین بسته می شود تامین می گردد . فقط در صورت بروز خطای زمین است که از نقطه صفر ترانس قدرت جریان می گذرد و به محض عبور جریان ،‌رله زمین واقع درآن جاکه درمقادیرکم نیزتنظیم می گردد،‌فرمان لازم راصادر خواهد کرد.

این رله فقط خطاهای زمین طرف ستاره را حفاظت می کند و به خطاهای سمت مثلث حساس نیست زیرا همانطور که می دانیم ، جریان مولفه صفر نمی تواند از یک ترانس ستاره – مثلث عبور کند . بنابراین این رله خطاهای زمین طرف مثلث را نمی بیند.

در سیستم هایی که به علت عدم وجود نقطه خنثی از ترانس های زمین برای ایجاد این نقطه استفاده می شود ، رله زمین را میتوان از یک C.T که در نوترال ترانس زمین بسته می شود تغذیه کرد.

ج: یکی دیگر از روش های تشخیص خطای زمین ،‌استفاده از ولتاژ باقیمانده به صورتیکه در شکل a-3-1 نشان داده شده است می باشد . ترانس ولتاژی که در این روش استفاده می شود ، اولیه اش ستاره زمین شده و ثانویه اش مثلث باز می باشد. ولتاژی که در گوشه باز این مثلث اندازه گیری می شود برای تشخیص خطای زمین به رله اعمال می شود. از این روش بیشتر در واقعی استفاده می شود که سیستم قدرت فاقد نقطه صفر باشد . یکی از این موارد ، حفاظت خطای زمین در سمت مثلث یک ترانس قدرت است . رله زمین در این جا یک رله ولتاژی لحظه ای است و در مواردی که لازم است می توان با استفاده از یک تایمر ،‌تاخیر زمانی لازم را ایجاد کرد.

وقتی سیستم درحالت نرمال است ولتاژ موجود در ترمینال های مثلث باز، صفر است . اما هنگام رخ دادن یک خطای زمین ،‌این تعادل به هم خورده و ولتاژی به رله اعمال میگردد. نکته مهمی که هنگام استفاده از این روش باید به آن دقت کرد این است که همواره ولتاژ مولفه صفر، در محل اتصالی بیشترین مقدار را دارد و هر چه از آن دور تر می شویم از مقدار آن کاسته می شود. درصورتی که امپدانس خط مابین نقطه اتصالی و محل رله و با مقاومت خود اتصال در مقایسه با امپدانس منع بزرگ باشد ، باعث کاهش بیش از حد این ولتاژ در محل رله می شود و بنابراین ،‌در تنظیم رله ها باید دقت بیشتری لحاظ نمود.

امروزه باساختن رله های مدرن که می توانند با ۱ تا ۲ درصد ولتاژ نامی عمل نمایند ، این مساله حل شده است.

د: روش دیگر برای بدست آوردن ولتاژ باقیمانده مورد نیاز رله زمین ، در سیستم هایی است که از طریق سیم پیچ پیترسون[۱] زمین شده اند . این روش در شکل b-3-1 نشان داده شده است . همان طور که از شکل مشخص است ، ولتاژی که در دو سر سیم پیچ  پیترسون ظاهر می شود برای تشخیص خطای زمین به رله اعمال شده است .] ۱۴[

۳-۱ انواع معمول رله های زمین:

هر خط انتقال در یک سیستم زمین شده می تواند به وسیله ترکیب یک یا تعداد بیشتری از رله های زیر حفاظت شود:

الف – رله های جریان زیاد زمانی (Time Overcurrent Relays) که شامل دو مورد زیر است:

۱-رله های زمان معکوس (Inverse time relays)

۲- رله های زمان معین (Definite timerelays)

ب – رله های جریان زیاد زمانی جهت دار (Time Overcurrent Relays Directional) که شامل همان دو مورد ذکر شده در بند الف می باشد.

ج – رله های جریان زیاد لحظه ای (Instantaneous Overcurrent Relays)

د- رله های جریان زیاد لحظه ای جهت دار(Directional Instantaneous Overcurrent Relays)

رله های با مشخصه معکوس

اکثر سیستم های حفاظت زمین بوسیله ترکیبی از دو مورد اول فوق و با استفاده از رله های زمان معکوس عمل حفاظت را انجام می دهند .  این رله ها معمولا شامل یک دیسک اندکسیونی هستند که توسط جریان ،‌حاصل ضرب دو جریان و یا حاصل ضرب یک جریان و یک ولتاژ عمل می کنند و مشخصه های جریان – زمان متعددی دارند . رله های الکترونیکی نیز ساخته شده اند که در آن ها مشخصه زمان معکوس توسط یک مدارRC ایجاد می شود. این مقاومت،‌ یک مقاومت غیر خطی است که تغییر آن باعث تغییر زمانی مدار و در نتیجه ،‌ زمان عملکرد رله می شود

خاصیت معکوس در این رله ها توسط رابطه I.T=K تعریف می شود. از مزیت های مهم این رله های این است که هر چه جریان خطا زیادتر باشد ،‌ آن را در زمان کوتاهتری قطع می کنند و خطاهای با جریان کمتر را با یک تاخیر زمانی پاک می کنند. زمان عملکرد این رله ها را حتی می توان با استفاده از مشخصه I² . T = K کمتر کرد . این مشخصه که معکوس تر از قبلی است مشخصه خیلی معکوس[۱] نامیده می شود . در برخی از کاربردها از مشخصه بی نهایت معکوس[۲] نیز استفاده می شود.

در رله های از نوع حاصل ضربی[۳] ،‌زمان قطع بستگی به حاصل ضرب دو کمیت دارد. به عنوان مثال در رله های جهت دار زمین که در فصل دوم بررسی می شود، ‌حاصل ضرب دو جریان یا یک جریان و یک ولتاژ است که زمان صدور فرمان را مشخص می سازد . در بکار گیری این رله ها با مشکلاتی مواجه می شویم که در فصل سوم به آن خواهیم پرداخت.

۲-۳-۱ رله های زمان معین (Definite Time)

در این نوع رله ها، ‌زمان عملکرد رله به اندازه جریان بستگی ندارد . بنابراین هنگامی که جریان اندازه گرفته شده بیشتر از مقدار تنظیمی رله باشد ، در یک زمان از پیش تعیین شده و بدون توجه به مقدار جریان ،‌عمل می کنند به عنوان مثال چنین رله ای باید جریان خطای بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ آمپر با در ۳/۰ ثانیه قطع کند. از این رله ها در اروپا زیاد استفاده می شود.

۳-۳-۱ رله های IDMT

در انگلستان و آمریکا یک منحنی مشخصه که حاصل ترکیب مشخصه رله های زمان معکوس و زمان معین می باشد معمول است .]۷[ در این رله ها ،‌از یک مشخصه معکوس استفاده می شود که حداقل زمان قطع آن نیز معلوم است . در شکل زیر ،‌مشخصه رله های زمان معین و زمان معکوس و مقایسه ان با رله IDMT نشان داده شده است.

[۱] Very Inverse

[۲] Extremely Inverse

[۳] Product Type

[۱] Peterson Coil or Arc Suppression Coil

[۱] Burden

[۲] Core Balance C.T

[۱] Resdual Voltage or Current

120,000 ریال – خرید نهایی کردن خرید مورد به سبد خرید اضافه شد

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .