حفاظت اضافه جریان در رله‌های حفاظتی

شاید ابتدایی‌ترین و ضروری‌ترین عملکرد رله حفاظتی، حفاظت در برابر جریان بیش از حد باشد. این بدین معنی است که زمانی که جریان خط بیش از حد مجاز می‌شود رله به قطع کننده مدار برای خاموش شدن دستور می‌دهد. هدف حفاظت از اضافه جریان، محافظت در برابر آسیب تجهیزات توزیع برق است، زیرا جریان بیش از حد در یک سیستم قدرت، گرمای بیش از حد را در هادی های فلزی تشکیل دهنده آن سیستم پخش می‌کند. حفاظت از اضافه جریان نیز دقیقاً به همین دلیل برای ماشین‌هایی مانند موتورها و ژنراتورها اعمال می‌شود: جریان الکتریکی گرما را در مقاومت سیم‌پیچ‌ها پراکنده می‌کند و گرمای بیش از حد به آن هادی‌های سیم‌پیچ آسیب می‌رساند.

حفاظت اضافه جریان آنی (ANSI/IEEE کد 50)

حفاظت از اضافه جریان لحظه‌ای جایی است که یک رله حفاظتی بر اساس جریانی که از مقدار “پیکاپ” که مقداری از پیش برنامه ریزی شده است برای هر مدت زمانی تجاوز کند، قطع کننده مدار عمل می‌کند. این ساده ترین شکل حفاظت از اضافه جریان هم در مفهوم و هم در طراحی رله است. در قطع کننده های مدار کوچک و خود خاموش شونده، این نوع حفاظت به بهترین وجه توسط قطع کننده های “مغناطیسی” مدل سازی می‌شود، جایی که مکانیسم قطع توسط قدرت میدان مغناطیسی هادی های خط فعال می شود. در سیستم های مبتنی بر رله حفاظتی، عملکرد حفاظت از اضافه جریان لحظه‌ای با کد شماره 50 ANSI/IEEE تعیین می شود.

عملکرد این حفاظت به این صورت است که کشش فنر کنتاکت‌های تریپ را باز نگه می‌دارد، اما اگر میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان ثانویه CT به اندازه کافی قوی شود تا بر کشش فنر غلبه کند، کنتاکت‌ها بسته می‌شوند و به کلید مدار فرمان می‌دهد که خاموش شود:

مدار رله حفاظتی در نمودار فوق فقط برای یک فاز از سیستم برق سه فاز می‌باشد. در عمل، سه مدار مختلف رله حفاظتی (سه CT، و سه رله 50 که کنتاکت‌های تریپ آن‌ها به صورت موازی سیم کشی شده‌اند) به سیم پیچ قطع کننده مدار متصل می‌شوند، به طوری که اگر هر یک از رله‌ها یک لحظه اضافه جریان را تشخیص دهند، قطع کننده مدار قطع می‌شود. نظارت بر هر سه جریان خط ضروری است زیرا خطاهای خطوط برق معمولاً نامتعادل هستند. یک جریان حسگر رله 50 روی یک خط، حفاظت از اضافه جریان آنی کافی را برای هر سه خط فراهم نمی‌کند.

مقدار جریان ثانویه CT لازم برای فعال سازی رله 50 را جریان پیکاپ می‌گویند. مقدار آن ممکن است با تنظیم یک قطب مغناطیسی متحرک در داخل هسته رله تغییر کند.

حفاظت اضافه جریان منحنی (ANSI/IEEE کد 51)

حفاظت از اضافه جریان منحنی جایی است که یک رله حفاظتی بر اساس ترکیبی از شدت جریان اضافه و مدت زمان اضافه جریان، حرکت قطع کننده را کنترل می‌کند. رله با شدت جریان بیشتر، زودتر قطع می‌شود. این یک شکل پیچیده‌تر از محافظت در برابر اضافه جریان است که به صورت «منحنی زمان» بیان می‌شود که بزرگی اضافه جریان را به سپری شدن زمان مرتبط می‌کند. در قطع کننده‌های مدار کوچک و خود خاموش شونده، این نوع حفاظت به بهترین وجه توسط قطع کننده های حرارتی مدل سازی می شود، جایی که مکانیسم قطع با نیروی یک نوار فلزی که توسط جریان خط گرم می‌شود، فعال می‌شود. بدین صورت که جریان بیش از حد، نوار فلزی را گرم می‌کند، که باعث وارد شدن فشار به آن می‌شود. در سیستم‌های مبتنی بر رله حفاظتی، عملکرد حفاظت از اضافه‌جریان منحنی با کد عددی ANSI/IEEE 51 تعیین می‌شود. حفاظت از اضافه‌جریان منحنی، بزرگی‌های اضافه جریان قابل‌توجهی را امکان‌پذیر می‌کند، تا زمانی که این رویدادهای اضافه جریان به اندازه کافی کوتاه باشند که تجهیزات از آسیب حرارتی دور بمانند.

رله‌های الکترومکانیکی 51 (اضافه جریان منحنی) در طراحی پیچیده‌تر هستند و از یک “دیسک القایی” فلزی دوار برای زمان‌بندی فیزیکی رویداد اضافه جریان استفاده می‌کنند و تنها در صورتی که شرایط اضافه جریان به اندازه کافی ادامه داشته باشد، قطع‌کننده را فعال می‌کند.

دیسک دوار گشتاوری را از مجموعه سیم پیچ آهنربا دریافت می‌کند که مانند سیم پیچ های استاتور یک موتور القایی عمل می‌کند. جریان متناوب که از این سیم پیچ ها می گذرد باعث می‌شود که میدان‌های مغناطیسی متناوب در قسمت عقب دیسک ایجاد شود و باعث القای جریان در دیسک شود. دیسک آلومینیومی، یک گشتاور «موتور» روی دیسک ایجاد می‌کند تا آن را در جهت عقربه های ساعت بچرخاند. یک فنر مارپیچی یک گشتاور مهار کننده در خلاف جهت عقربه های ساعت به شفت دیسک اعمال می‌کند. مقدار پیکاپ برای دیسک القایی (یعنی حداقل مقدار جریان CT لازم برای غلبه بر گشتاور فنر و شروع به چرخش دیسک) توسط کشش فنر و قدرت میدان سیم پیچ استاتور تعیین می‌شود. اگر جریان CT برای مدت زمان کافی از مقدار پیکاپ فراتر رود، دیسک می‌چرخد تا زمانی که یک کنتاکت معمولی باز را ببندد تا برق 125 VDC را به سیم پیچ قطع کننده مدار ارسال کند.

یک نمودار ساده شده از یک رله زمان اضافه جریان دیسک القایی در نمودار زیر، تنها برای یک فاز از سیستم قدرت سه فاز نشان داده شده است. در عمل، سه مدار مختلف رله حفاظتی (سه CT و سه رله 51 که کنتاکت‌های تریپ آنها به صورت موازی بسته شده است) به سیم پیچ قطع کننده مدار متصل می‌شوند، به طوری که اگر هر یک از رله‌های 51 زمان بندی شده، اضافه جریان را تشخیص دهند، قطع کننده فعال می‌شود.