مهار هارمونیک در حفاظت دیفرانسیل

رله دیفرانسیل برای محافظت از ترانسفورماتور، دینام و موتورهای توان بالا استفاده می‌شود. طرح حفاظت دیفرانسیل به عنوان حفاظت منطقه نیز شناخته می‌شود. در صورت بروز خطا در سیم پیچ ترانسفورماتور، رله باید خطا بدهد. اگر خطا خارج از منطقه باشد، رله دیفرانسیل باید غیرفعال بماند. یک ترانسفورماتور بدون بار در زمان روشن شدن جریان زیادی می‌کشد. جریان بزرگی که توسط ترانسفورماتور کشیده می‌شود به عنوان جریان هجومی یا جریان هجومی مغناطیسی شناخته می‌شود. بزرگی جریان هجومی ممکن است 8 تا 10 برابر یا حتی بیشتر از این باشد. مقدار و مدت جریان هجومی به لحظه ای از شکل موج AC که در آن ترانسفورماتور روشن می‌شود بستگی دارد. شکل موج جریان هجومی ترانسفورماتور به شکل زیر است.

جریان ثانویه صفر و جریان اولیه در زمان شارژ ترانسفورماتور زیاد است. این اختلاف جریان بین اولیه و ثانویه ممکن است منجر به عملکرد رله حفاظتی دیفرانسیل شود. بنابراین امکان شارژ ترانسفورماتور وجود ندارد. اگر رله حفاظتی دور زده شود، حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور از بین میرود. دور زدن رله حفاظتی دیفرانسیل راه حل نیست.

ترانسفورماتور به دلیل ویژگی های غیرخطی B-H شار مغناطیسی، جریان هارمونیک مرتبه دوم و پنجم را در زمان شارژ ایجاد می‌کند. شار مغناطیسی در هسته، سینوسی نیست و ترانسفورماتور هارمونیک تولید می‌کند. سنجش هارمونیک‌ها و مهار عملیات رله حفاظت دیفرانسیل در زمان شارژ ترانسفورماتور یکی از راه حل‌ها است. این نیاز با مهار هارمونیک در حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور برآورده می‌شود.

اگر جریان هجومی مغناطیسی را با سری فوریه تحلیل کنیم، هارمونیک‌های مرتبه دوم و پنجم دارد. هارمونیک مرتبه دوم زمانی غنی است که ترانسفورماتور جریان مغناطیسی را در زمان سوئیچینگ ترانسفورماتور بکشد. فرکانس هارمونیک های مرتبه دوم 100 هرتز است. رله دیفرانسیل دارای مدار فیلتر 100 هرتز است که فرکانس و مقدار جریان هارمونیک مرتبه دوم را در جریان دیفرانسیل اندازه‌گیری می‌کند.

اگر رله، جریان فرکانس 100 هرتز را حس کند و اگر جریان بیشتر از تنظیم جریان رله دیفرانسیل باشد، رله مشاهده می‌کند که ترانسفورماتور جریان مغناطیسی هجومی را می‌گیرد و رله مکانیسم قطع اصلی خود را مسدود می‌کند. بنابراین، جریان هارمونیک مرتبه دوم باید در رله دیفرانسیل مسدود شود زیرا جریان هارمونیک مرتبه دوم بدون خطا در ترانسفورماتور عمل می‌کند.

بنابراین، انسداد جریان هارمونیک یک ویژگی مهم رله حفاظت دیفرانسیل است. در طرح حفاظت دیفرانسیل مهار هارمونیک، رله دیفرانسیل مهار هارمونیک دارای مدار مسدود کننده هارمونیک مرتبه دوم، سوم، پنجم و مدارهای حفاظت دیفرانسیل است.

اگر جریان هجومی دارای جریان هارمونیک غالب مرتبه دوم باشد، این نشانه‌ای از انرژی دهی ترانسفورماتور است و قرار است حفاظت دیفرانسیل در جریان برق رسانی معمولی ترانسفورماتور مسدود شود. اگر نسبت جریان هارمونیک دوم به جریان اصلی بیشتر از نقطه تنظیم جریان هارمونیک مرتبه دوم باشد، رله عملیات دیفرانسیل را مسدود می‌کند زیرا رله این شرایط را به عنوان انرژی ترانسفورماتور می‌بیند.

بزرگی جریان هارمونیک مرتبه دوم در جریان هجومی به مواد ترانسفورماتور، ساخت و ساز و بازگشت بستگی دارد. بنابراین، تنظیم جریان مسدود کننده هارمونیک مرتبه دوم را نمی‌توان به طور مستقیم محاسبه کرد. رله نسبت جریان هارمونیک مرتبه دوم و جریان اصلی را اندازه‌گیری می‌کند و تنظیم جریان مسدود کننده هارمونیک مرتبه دوم را می‌توان بر این اساس انجام داد.

تنظیم مهار هارمونیک مرتبه دوم معمولاً بین ۲۰ تا ۲۵ درصد تنظیم رله دیفرانسیل نگه داشته می‌شود. اگر جریان کمتر از تنظیم رله دیفرانسیل باشد، رله قطع تریپ نمی‌دهد زیرا رله آن را به عنوان یک پدیده شارژ ترانسفورماتور مشاهده می‌کند. اگر جریان مهار هارمونیک بیشتر از تنظیم رله دیفرانسیل باشد، رله با خطای حفاظت دیفرانسیل قطع می‌شود.

در طول شار بیش از حد ترانسفورماتور، جریان ترانسفورماتور دارای جریان هارمونیک مرتبه پنجم غالب است. شار بیش از حد زمانی اتفاق می‌افتد که افزایش ناگهانی ولتاژ یا افت ناگهانی فرکانس وجود داشته باشد. اندازه‌گیری جریان هارمونیک مرتبه پنجم برای نظارت بر تحریک بیش از حد ترانسفورماتور بسیار مهم است. بزرگی جریان هارمونیک مرتبه پنجم تحت تحریک بیش از حد به منحنی مغناطیسی ترانسفورماتور بستگی دارد.

رله حفاظت دیفرانسیل در صورت شار بیش از حد تریپ می‌دهد. اگر جریان بیش از حد برای مدت کوتاهی اتفاق بیفتد، رله دیفرانسیل نباید تریپ بدهد. بنابراین، برای جلوگیری از عملکرد رله حفاظت دیفرانسیل در صورت شار بیش از حد، مهار هارمونیک مرتبه پنجم ارائه شده است. با افزایش ولتاژ اعمال شده به ترانسفورماتور از ولتاژ نامی آن، جریان هارمونیک مرتبه پنجم تغییر می‌کند.

اگر بزرگی جریان هارمونیک مرتبه پنجم بیشتر از تنظیم رله حفاظت دیفرانسیل باشد، رله تریپ می‌دهد. اگر بزرگی جریان هارمونیک مرتبه پنجم کمتر از تنظیم رله حفاظت دیفرانسیل باشد، رله تریپ نمی‌دهد. تنظیم مهار هارمونیک مرتبه پنجم معمولاً بین 20 تا 25 درصد تنظیم رله دیفرانسیل نگه داشته می‌شود.

عملکرد ترانسفورماتور بدون داشتن محدودیت هارمونیک در حفاظت دیفرانسیل امکان پذیر نیست.

مدار اصلی رله مهار هارمونیک  به شکل زیر است.

عناصر مهار کننده هارمونیک رله مقدار جریان هارمونیک را اندازه‌گیری می‌کنند و اگر جریان هارمونیک بسیار کمتر از جریان مشخص شده باشد، رله مهار می‌شود.