رله حفاظتی

حفاظت سیستم قدرت چیست؟

 

حفاظت سیستم قدرت یعنی ایمن سازی حداکثری تولید، انتقال و مصرف انرژی الکتریکی در برابر اثرات خرابی ها و پیشامدهای احتمالی که سیستم قدرت را در معرض خطر قرار می دهند. از لحاظ اقتصادی، ایمن کردن کامل یک سیستم قدرت و ایجاد یک سیستم 100% قابل اطمینان امکان پذیر نمی باشد. به همین دلیل برای تعیین سطوح قابل قبول خطر آسیب دیدگی جانی و هزینه های ناشی از آسیب های تجهیزات از مطالعات ارزیابی ریسک استفاده می شود.

رله حفاظتی یکی از تجهیزات الکترونیکی (در گذشته الکترومکانیک) هستند که برای حفاظت از تجهیزات و کاهش آسیب های ناشی از خرابی های ادوات سیستم قدرت طراحی شده اند. انواع رله حفاظتی تنها بخشی از حفاظت سیستم قدرت هستند؛ در واقع اصول حفاظت باید در طراحی و پیاده سازی تمامی بخش های یک سیستم قدرت لحاظ شود.

یک نکته بسیار مهم در رابطه با انواع رله حفاظتی این است که رله حفاظتی نمی تواند جلوی رخداد خطا را بگیرد، بلکه تنها می تواند آسیب های ناشی از خطا را به حداقل کاهش دهد. منظور از خطا هر گونه شرایطی است که باعث عملکرد غیرعادی سیستم قدرت یا تجهیزات موجود در آن می شود. برخی از خطاهای رایج عبارتند از: اتصال کوتاه، قطع مدار، نوسان های قدرت، اضافه ولتاژ، اضافه دما، نوسان فرکانس، و خرابی تجهیز.

رله حفاظتی می تواند با اندازه گیری پارامترهای جریانی و ولتاژی از صحت عملکرد سیستم قدرت اطمینان حاصل کند. سه عامل در عملکرد صحیح یک رله حفاظتی نقشی حیاتی دارند: اندازه گیری، پردازش داده و کنترل. در شکل زیر یک طرح حفاظتی رایج در سیستم قدرت را مشاهده می کنید. این سیستم نمونه یک منبع دارد که از طریق ترانسفورمر افزاینده به شین S متصل شده است و دو خط انتقال که شین S را به شین R متصل می کنند و یک بار که از طریق یک ترانسفورماتور کاهنده به شین R متصل شده است.

 

 

 

بریکرهای (دژنکتور) A تا F به منظور قطع مدار در بخش های مختلف در صورت رخداد خطا در نظر گرفته شده اند. ترانسفورماتورهای اندازه گیری جریان CT‌که در نقاط مختلف استراتژیک سیستم قدرت به رله های حفاظتی متصل شده اند به رله ها قابلیت اندازه گیری مقادیر و تشخیص خطا را می دهند. بسته به طرح رله حفاظتی مورد نیاز، می توان از ترانسفورماتورهای ولتاژ PT ها نیز برای اندازه گیری و حفاظت ولتاژی بهره برد. در انتخاب ادوات اندازه گیری باید دقت کرد که باری که رله حفاظتی به این ادوات تحمیل می کند خارج از ظرفیت تجهیز اندازه گیری نباشد.

 

 

هدف های رله حفاظتی

جلوگیری از خاموشی های سیستم قدرت

سیستم های قدرتی که از قرن بیستم تکامل یافته اند شامل نیروگاه ها، زیرساخت های انتقال، خطوط توزیع و بارهای مصرفی می شوند که همگی به واسطه شبکه های پیچیده الکتریکی به هم متصل می شوند. در ایران انرژی الکتریکی به صورت عمده توسط نیروگاه های متمرکز سراسری (متعلق به دولت) تولید و توزیع می شود و در سال های اخیر نیز سهم نیروگاه های خصوصی در حال افزایش است تا قابلیت اطمینان و بازار انرژی الکتریکی توسعه پایدارتری را تجربه کند.

به هر حال در هر شرایطی، شبکه قدرت ایران یک شبکه به هم پیوسته و در هم تنیده است. این به هم پیوستگی بهبود قابل توجهی در قابلیت اطمینان سیستم به همراه دارد، چرا که خرابی و خطای یک تولید کننده برق به راحتی و به سرعت توسط سایر تولیدکنندگان متصل به شبکه جبران می شود. از سوی دیگر، به هم پیوستگی شبکه، پیچیدگی آن را نیز افزایش می دهد. قابلیت اطمینان کل سیستم وابسته به قابلیت اطمینان عملکرد هر کدام از اجزای سیستم یا شبکه برق است. در نتیجه حفاظت مناسب از تک تک اجزای سیستم و بالا بردن سطح ایمنی آن، موجب بهبود قابلیت اطمینان کل شبکه و کاهش احتمال خاموشی شبکه به صورت ناحیه ای یا سراسری می شود.

 

ایمنی عمومی

انواع رله حفاظتی با این هدف طراحی می شوند که برق قسمت های خطادار را به سرعت قطع کنند چرا که هر چه سیستم قدرت مدت زمان طولانی تری در شرایط خطا کار کند احتمال آسیب به افراد یا تجهیزات افزایش می یابد. در نتیجه هر چه قسمت خطادار سیستم زودتر شناسایی، ایزوله و غیربرقدار شود، احتمال آسیب افراد و تجهیزات نیز کاهش می یابد.

 

حفاظت تجهیزات

می توان گفت هدف اصلی از حفاظت سیستم قدرت کاهش آسیب وارده به تجهیزات سیستم قدرت است. چه خطا از نوع ولتاژی باشد و چه جریانی یا فرکانسی، هر چه تجهیز مدت زمان کنتری در شرایط خطا کار کند میزان فشار و آسیب وارده به تجهیز نیز کاهش می یابد. چالش اصلی رله حفاظتی استخراج اطلاعات مورد نیاز از ادوات اندازه گیری ولتاژ و جریان به منظور تشخیص عملکرد ناصحیح سیستم است. هرچند خطاهای مختلف نیازمند الگوریتم ها و توابع حفاظتی مختلفی هستند، پارامترهای اندازه گیری همچنان همان مقادیر جریانی و ولتاژی باقی می مانند.

 

حفظ تمامیت سیستم قدرت و محدودسازی خطا

سیستم های رله حفاظتی باید به گونه ای عمل کنند که تنها قسمت هایی از شبکه را ایزوله کنند که دچار خطا شده اند. اگر رله ها در یک سیستم حفاظتی زودتر از موعد عمل کنند یا نتوانند عمل کنند، شعاع قطع برق در سیستم افزایش می یابد و برخی مدارات بدون خطا نیز بی جهت قطع می شوند. جدا کردن قسمت خطادار شبکه از همیت بسیار بالایی برخوردار است. رخ دادن خطا در بخشی از سیستم و به هم خوردن تعادل تولید و مصرف برق در آن ناحیه باعث نوسان های فرکانس و ولتاژ می شود که در صورت عدم قطع به موقع و محدود سازی خطا در شعاع کم، می تواند منجر به خارج شدن پشت سر هم یا آبشاری ژنراتورها شود. این پدیده می تواند به یک خاموشی سراسری بیانجامد که هزینه های زمانی و اقتصادی بسیاری برای اتصال و روشن شدن مجدد کل سیستم قدرت در پی خواهد داشت.

 

کیفیت توان

عواملی که در کیفیت توان سیستم قدرت دخیل هستند شامل اندازه ولتاژ، فرکانس و خالص بودن موج سینوسی (عاری از هارومنیک و نویز) هستند. اندازه ولتاژ در پدیده هایی همچون پایداری ولتاژ RMS مصرفی بارها، کاهش چشمک زدن (فلیکر) و افت ولتاژهای ناگهانی موثر است. تغییرات فرکانس تنها به اندازه چند صدم از حد نامی مجاز است و بیشتر از این موجب از دست دادن کنترل و تعادل تولید و بار می شود. خالص بودن موج سینوسی واببستگی بالایی به هارمونیک ها دارد و غالبا توسط بارها تعیین و ایجاد می شود.

کیفیت توان الکتریکی مساله مهمی برای بارهایی است که به خاموشی های لحظه ای و هارمونیک ها حساس هستند. در گذشته بارها بیشتر مقاومتی و القایی بودند که هارمونیک چندانی تولید نمی کردند. همچنین خاموشی و قطعی برق رخدادی عادی تلقی می شد. مشتریان صنعتی و تجاری نیز با تامین برق خود از چندین فیدر مجزا سعی می کردند تا جای ممکن قابلیت اطمینان برق مصرفی خود را افزایش دهند.

امروزه قطعی برق اهمیت زیادی برای مشتریان خانگی دارد. تجهیزاتی مثل کامپیوترها، لوازم برقی آشپزخانه و کولرها می توانند در اثر قطعی، نوسان یا پایین بودن کیفیت توان آسیب جدی ببینند. در نتیجه انتخاب و طراحی رله حفاظتی مناسب کلید اصلی کاهش تعداد قطعی ها است و عملکرد سریع باعث کاهش مدت زمان افت ولتاژ و نوسانات می شود.