آشنایی با رله دیستانس – بخش دوم

همان طور که در بخش اول مقاله آشنایی با رله دیستانس گفتیم رله‌های دیستانس به دو نوع کلی دیستانس معین و دیستانس زمانی تقسیم بندی می‌شوند که هر دو از این رله‌ها می‌توانند امپدانسی، راکتانسی یا نوع MHO باشند. در این مقاله عملکرد این دو دسته از انواع رله دیستانس و نواحی حفاظتی رله‌های دیستانس را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

رله دیستانس معین

این مدل از انواع رله دیستانس زمانی شروع به کار می‌کند که مقدار راکتانس یا MHO کمتر از مقدار امپدانس از پیش تعیین شده رله باشد. این‌ها رله‌های امپدانس، راکتانس یا mho هستند.

در شکل زیر شماتیک یک رله امپدانس نوع فاصله معین را نشان می‌دهد. این شامل یک پرتو محوری F و دو آهنربای الکتریکی است که به ترتیب توسط یک ترانسفورماتور جریان و ولتاژ در مدار محافظت شده فعال می‌شوند. میله‌های فلزی دو الکترومغناطیس به صورت مکانیکی به پرتو در طرف مقابل تکیه گاه جفت می‌شوند. پرتو با یک قطعه پل برای کنتاکت های تریپ ارائه شده است. رله به گونه ای طراحی شده است که گشتاورهای تولید شده توسط دو آهنربای الکتریکی در جهت مخالف هستند.

عملکرد

در شرایط عملیاتی معمولی این رله امپدانس نوع فاصله معین، کشش ناشی از عنصر ولتاژ بیشتر از المان جریان است. بنابراین، کنتاکت های رله باز می مانند. با این حال، هنگامی که یک خطا در منطقه محافظت شده رخ می دهد، ولتاژ اعمال شده به رله کاهش می یابد در حالی که جریان افزایش می یابد. نسبت ولتاژ به جریان (یعنی امپدانس) کمتر از مقدار از پیش تعیین شده است. بنابراین کشش المان جریان به دلیل وجود المان ولتاژ از آن بیشتر خواهد شد و این باعث می شود که پرتو در جهتی کج شود تا کنتاکت های تریپ بسته شود.

کشش عنصر جریان متناسب با I2 و کشش عنصر ولتاژ با V2 است. در نتیجه، رله زمانی کار خواهد کرد  که:

مقادیر ثابت k1 و k2 به چرخش آمپر دو آهنربای الکتریکی بستگی دارد. با ایجاد ضربه بر روی سیم پیچ ها می توان مقدار تنظیم رله را تغییر داد.

رله دیستانس زمانی

رله دیستانس زمانی رله‌ای است که به طور خودکار زمان کار خود را با توجه به فاصله رله از نقطه عیب تنظیم می‌کند.

شکل زیر شماتیک یک رله دیستانس زمانی نوع القایی معمولی را نشان می‌دهد. این شامل یک عنصر القایی جریان رانده شبیه به رله اضافه جریان القایی نوع دو سیم پیچ است . دوک حامل دیسک این عنصر با استفاده از یک کوپلینگ فنری مارپیچی به دوک دوم متصل می‌شود که قطعه پل ارتباطی رله تریپ را حمل می‌کند. پل معمولاً توسط یک آرمیچر در موقعیت باز نگه داشته می‌شود که در مقابل وجه قطب آهنربای الکتریکی برانگیخته شده توسط ولتاژ مدار محافظت شده قرار می‌گیرد.

عملکرد

در شرایط بار معمولی، کشش آرمیچر بیشتر از المان القایی است و از این رو کنتاکت‌های مدار تریپ باز می‌مانند. با این حال، در صورت وقوع یک اتصال کوتاه، دیسک عنصر جریان القایی با سرعت بسته به جریان عملیاتی شروع به چرخش می کند. همانطور که چرخش دیسک ادامه می‌یابد، کوپلینگ فنر مارپیچی پیچ می‌خورد تا زمانی که کشش فنر برای دور کردن آرمیچر از سطح قطب آهنربای تحریک شده با ولتاژ کافی باشد. بلافاصله این اتفاق می‌افتد، دوک حامل آرمیچر و قطعه پل به سرعت در پاسخ به کشش فنر حرکت می‌کند و کنتاکت‌های تریپ بسته می‌شوند. این کلید مدار را باز می‌کند تا قسمت معیوب را جدا کند.

سرعت چرخش دیسک تقریباً متناسب با جریان عملیاتی است و تأثیر فنر کنترل را نادیده می‌گیرد. همچنین زمان کار رله با کشش آهنربای تحریک شده با ولتاژ و در نتیجه با ولتاژ خط V در نقطه‌ای که رله وصل می‌شود، نسبت مستقیم دارد. بنابراین، زمان کار رله به صورت V/I یعنی Z یا فاصله متفاوت است.

ناحیه‌ی حفاظتی

برای پاکسازی انتخابی خطاها در خطوط انتقال، مناطقی در انواع رله دیستانس تعریف می‌شوند. مناطق حفاظت در رله دیستانس می‌تواند امپدانس،  mho، راکتانس باشد که در شکل زیر نشان داده شده است. مناطق حفاظتی را می‌توان طوری برنامه ریزی کرد که در جهت جلو (نگاه به خط) یا معکوس (به بیرون از خط) عمل کنند. ناحیه امپدانس (دایره آبی در شکل) حفاظت دایره‌ای است که مرکز آن در مبدا است. شعاع میزان دسترسی رله دیستانس است. این غیر جهت‌دار است و بیشتر برای محافظت از بک‌آپ ژنراتور استفاده می‌شود.

ناحیه راکتانس (خط افقی صورتی در شکل) زمانی استفاده می‌شود که امپدانس خطا دارای مولفه مقاومتی بسیار بالایی باشد که نشان می‌دهد بار روی خط انتقال وجود دارد و به احتمال زیاد خطا در خط انتقال نیست بلکه روی بار است.

قسمت مقاومت (خط عمودی سبز در شکل) در انواع رله دیستانس زمانی استفاده می‌شود که امپدانس خطا شامل یک جزء راکتانس بسیار بالا باشد که نشان‌دهنده وجود بار کمی در خط انتقال است.

ناحیه MHO (دایره قرمز در شکل) معمولاً در رله های حفاظتی استفاده می‌شود و ذاتا جهت دار است. اکثر رله‌های عددی مدرن به کاربر اجازه می‌دهند شکل را متناسب با کاربرد خود تغییر دهند.

این زون ها عملکردهای مختلفی را انجام می‌دهند، به عنوان مثال برای حذف خطا در بار از شکل عدسی استفاده می‌شود. برای جداسازی انتخابی خطای رخ داده در نزدیکی محل اندازه گیری و عدم عمل به خطا در پشت محل اندازه گیری عنصر انبساط و غیره استفاده می شود.

طرح‌های دیستانس پلکانی

این طرح به عنوان طرح اساسی برای سایر طرح‌های حفاظتی در نظر گرفته می‌شود و از چهار منطقه حفاظتی تشکیل شده است. اولین منطقه حفاظتی (Zone-1) زیر دست است که 80-90 درصد از خط انتقال اول را محافظت می‌کند. این منطقه نیز بدون تاخیر زمانی تنظیم شده است. بنابراین، اگر عیب در خط اول رخ دهد، رله دیستانس باید مطمئن باشد که خطا روی خط انتقال است و بدون تاخیر زمانی کار کند.

با توجه به محدودیت دقت CT و PT، داده‌های امپدانس خط نادرست و فرضیات در حین استخراج معادلات برای رله، منطقه-1 از 10-20٪ آخر خط که به عنوان منطقه انتهایی شناخته می‌شود محافظت نمی‌کند.

حاشیه کافی برای در نظر گرفتن امپدانس خطای غیر صفر و سایر خطاها در رله گذاری توسط منطقه-2 و منطقه-3 ارائه می‌شود. منطقه-2 نیز به عنوان overreaching شناخته می‌شود.

برای دنباله مثبت اولیه (ZP) و کوتاهترین امپدانس پشتیبان (ZB) خط، منطقه-2 تنظیم شده است که به ZP + 0.5 ZB برسد. برای خط پشتیبان خیلی کوتاه، احتمالا ZP + 0.5ZB کمتر از ZP1.2 باشد. در چنین حالتی، منطقه-۲ روی ZP1.2 تنظیم می‌شود.

اما، اگر منطقه-2 خط اول بالای 50% کوتاهترین خط پشتیبان کشیده شود، نباید با منطقه-2 در خط پشتیبان همپوشانی داشته باشد. اگر همپوشانی اجتناب ناپذیر باشد، از طرح های دیگر مانند طرح های آزمایشی استفاده می‌شود. تاخیر زمانی برای منطقه-2 از 0.25 تا 0.4 ثانیه است. منطقه-۱ و منطقه-۲ قابلیت حفاظت از کل طول خط انتقال را دارند. اگر خط 1 و خط 2 امپدانس یکسانی داشته باشند یا بتوان آن را روی طولانی ترین خطوط متصل به خط اول تنظیم کرد، منطقه-۳ روی حدود 220٪ خط محافظت شده تنظیم می‌شود. تاخیر زمانی 1 ثانیه را می‌توان برای منطقه-۳ استفاده کرد. منطقه-۴ به عنوان محافظ پشت خطوط انتقال مجاور در جهت معکوس استفاده می‌شود و باید اجازه دهد که منطقه-۱ و منطقه-۲ خط اول، ابتدا عمل کنند. بنابراین، معمولاً 20-40٪ امپدانس با تاخیر زمانی بین 0.75-1 ثانیه تنظیم می‌شود.

طرح توسعه منطقه-۱

این طرح حفاظتی، افزایش طرح‌های فاصله پلکانی برای ماهیت گذرا گسل‌ها است. به عنوان مثال، در هنگام برخورد صاعقه به خط انتقال، به دلیل یونیزه شدن هوا، مقاومت بین فازهای مختلف خط کاهش می‌یابد و باعث جاری شدن جریان خطا می‌شود. اگر مدار شکن خط را باز کند، عیب برطرف می‌شود، هوای یونیزه شده حذف می‌شود و دیگر عبوری برای جریان ایجاد نمی‌شود. هنگامی که مدار شکن بسته شود، خط انتقال کار عادی خود را از سر می‌گیرد.

تفاوت طرح پلکانی و طرح توسعه منطقه-1 در این است که در طرح توسعه منطقه-1 همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تنظیم منطقه-1 به بیش از 120٪ از خط محافظت شده افزایش می‌یابد. . در طول اولین وقوع خطا طبق طرح توسعه منطقه-1، رله قطع می‌شود و خطا را برطرف می‌کند حتی اگر در خط مجاور باشد. اگر عیب گذرا بود، این خطا رفع می‌شود و خط انتقال کار عادی خود را از سر می‌گیرد. سپس رله بلافاصله خود را با طرح پله ای تنظیم می‌کند. اگر عیب دائمی باشد، رله با استفاده از طرح‌های پلکانی منطقه ۱ و ۲ بر اساس محل خطا در انتقال، عیب را برطرف می‌کند.

هنگامی که مدت زمان باز شدن خودکار منقضی شود، رله دیستانس دوباره به طرح توسعه منطقه-1 تغییر می‌کند.