حفاظت سیستم های قدرت
مقدمه
هدف از ایجاد یک سیستم قدرت، تحویل مطمئن انرژی الکتریکی به مصرف کنندگان
می باشد، به گونه ای که انرژی تحویل داده شده از نظر اقتصادی مقرون به صرفه
بوده و همچنین از کیفیت مطلوب و ایمنی لازم مطابق با استانداردهای مطرح در
این زمینه برخوردار باشد.
در بحث سیستمهای قدرت، هریک از موضوعات قابلیت اطمینان، مصرف کننده،
اقتصادی بودن و کیفیت انرژی تحویلی دارای شرح و بسط فراوانی می باشد.
کتابها و مقالات بسیاری درباره این موضوعات نوشته شده و می شود. تجهیزات
حفاظتی رابطه بسیار تنگاتنگی با مفاهیم قابلیت اطمینان و کیفیت توان دارند.
به علاوه وجود این تجهیزات تا اندازه ای ضروری می باشد که امکان بهره
برداری بهینه از یک سیستم قدرت بدون وجود تجهیزات حفاظتی وجود ندارد.
سیستم حفاظتی یک شبکه نقش بسزایی را بر روی مقوله های کیفیت انرژی الکتریکی
و قابلیت اطمینان سیستم دارد. در صورتی که خطا به موقع از سیستم برداشته
نشود، این امر ممکن است موجب از دست رفتن سنکرون بودن شبکه گردد. نتیجه این
امر خاموشی کل شبکه خواهد بود که تبعات منفی بسیار زیادی را بر جامعه چه
از نظر اقتصادی و چه از نظر اجتماعی تحمیل می کند.
در گذشته مرسوم
بود که سیستم حفاظتی شبکه به صورت مستقل طراحی و بهره برداری می شد. این
سیستم عهده دار حفاظت از شبکه در برابر انواع خطاهای روی داده بر روی آن می
باشد. این عمل توسط تجهیزات حفاظتی که شاخص ترین آنها رله ها می باشند
فراهم می شود. هر عمل حفاظتی از طریق یک رله خاص تامین می گردد و به این
ترتیب یک سیستم حفاظتی شامل تعداد زیادی رله است. همان گونه که ذکر شد، از
دوران به کارگیری این سیستمها زمان زیادی نگذشته است و بسیاری از این
سیستمها هم اکنون نیز در داخل شبکه ها مورد بهره برداری می باشند.
در حال حاضر سیستمهای حفاظتی با سیستمهای کنترلی شبکه درهم آمیخته و
سیستمهای کنترل و حفاظت هماهنگ شده را به وجود آورده اند. در این سیستمها
اندازه گیری های مورد نیاز جهت مقاصد کنترلی و حفاظتی می باشد. در این
سیستم مقادیر کنترلی و اعمال مورد نظر برای آنها تعریف می گردند. برخلاف
رله های قدیمی در سیستمهای جدید یک رله عددی عهده دار اعمال حفاظتی می
باشد. این رله علاوه بر اعمال حفاظتی اعمال کنترلی را نیز انجام می دهد. می
توان گفت که یک رله عددی عهده دار اعمال حفاظتی، کنترلی، اندازه گیری،
پایش، ثبت وقایع، کنترل و سنجش از راه دور و غیره به صورت توام می باشد.
ضروریات اساسی سیستم حفاظتی
یک وسیله حفاظتی سه وظیفه اساسی دارد:
1- حفاظت از کل سیستم برای تداوم تغذیه الکتریکی
2- مینیمم کردن خسارت و هزینه ناشی از خطا
3- تامین حفاظت پرسنل
این نیازمندیها بسیار ضروری می باشد. اولی
برای شناسایی سریع و جدا کردن خطاست در حالیکه دومی برای بازگرداندن هر چه
سریعتر وسیله دارای مشکل به سیستم بکار می رود.
برای انجام وظایف بالا حفاظت باید ویژگیهای زیر را داشته باشد:
1-قابلیت انتخاب: شناسایی و جدا کردن فقط قسمت خطادار
2-پایداری: عدم جلوگیری از فعالیت قسمتهای سالم برای تداوم تغذیه
3-حساسیت: برای شناسایی حتی کوچکترین خطاها و عملکرد صحیح آن قبل از ایجاد آسیب غیر قابل تعمیر
4-سرعت: عملکرد سریع آن در هنگام مورد نیاز برای مینیمم کردن آسیب رسیدن به اطراف و تامین ایمنی پرسنل
برای رسیدن به تمام نیازمندیهای بالا، حفاظت باید قابلیت اطمینان بالای داشته باشد که به مفهوم زیر است:
قابلیت اطمینان: یعنی در هنگام مورد نیاز فرمان قطع را صادر کند.
ایمنی: یعنی در هنگامی که مورد نیاز نیست فرمان قطع را ندهد.
اجزای اصلی سیستم حفاظتی
حفاظت از هر سیستم توزیع تابعی از اجزای بسیاری است. در زیر توضیح مختصری از اجزای اصلی سیستم حفاظتی داده شده است.
فیوز:
فیوز یک قطعه قطع خودکار است که در مدار قدرت جریان را به صورت دائم از
خود عبور می دهد و در شرایط غیرعادی با سوختن یا ترکیدن، خود را قربانی می
کند. این فیوزها بر خلاف کلیدهای قدرت که برای عملکرد نیازمند دستورات
تجهیزات دیگر هستند، قطعاتی مستقل هستند.
ترانسهای جریان و ولتاژ:
حفاظت صحیح بدون اندازه گیری صحیح شرایط سیستم در وضعیت عادی و غیر عادی
ممکن نیست. در سیستم الکتریکی ابزارهای اندازه گیری ولتاژ و جریان فیدبکی
از وضعیت سیستم می دهند که سالم یا ناسالم بودن سیستم را نشان دهند.
ترانسهای ولتاژ و ترانسهای جریان این پارامترهای اساسی را اندازه گرفته و
برای اندازه گیری صحیح در هنگام خطا نیز بسیار مطمئن هستند.
رله:
مقادیر اندازه گیری شده سپس به صورت سیگنالهای آنالوگ یا دیجیتال درآمده و
برای کار با رله آماده می شوند. رله ها وظیفه ایزوله کردن قسمت خطادار را
با فرمان دادن به کلیدهای قدرت انجام می دهند. اغلب اوقات رله ها در هنگام
خطا دو سیگنال خروجی دارند. یکی سیگنال قطع و دیگری سیگنال هشدار.
درگذشته رله ها توابعی بسیار محدود داشتند و بسیار حجیم بودند، درحالیکه با
پیشرفتهایی که در تکنولوژی دیجیتال صورت گرفت و با استفاده از
میکروپروسسورها رله ها وظیفه نظارت بر پارامترهای بسیاری را دارند که
تاریخچه کاملی از سیستم را از قبل از وقوع خطا و در هنگام وقوع خطا در
اختیار ما قرار می دهند.
کلیدهای قدرت: باز کردن قسمتهای خطادار
نیازمند زمان است که این زمان در حدود میلی ثانیه است که ممکن است برای ما
اهمیت چندانی نداشته باشد. به هر حال کلیدهای قدرت که برای جدا کردن قسمت
خطادار به کار می روند توانایی عبور جریان خطادار را تا زمانی که جریان خطا
کاملا قطع شود، دارند. کلیدهای قدرت ابزار اصلی برای جداسازی سیستم توزیع
هستند و می توان گفت که به طور مستقیم از سیستم، حفاظت می کنند.
باطریهای
DC: عملکرد رله ها و کلیدها نیازمند منبع تغذیه ای است که نباید تحت تاثیر
خطا در سیستم توزیع اصلی باشد. بنابراین جزئی دیگر که برای سیستم حفاظت
اساسی است، باطریهایی هستند که انرژی بدون قطعی را برای رله ها و سیم
پیچهای کلیدها فراهم می کنند.
در ادامه این بحث به جهت اهمیت کار رله ها، بررسی مختصری در مورد رله های دیجیتال و مزایای آنها نسبت به رله های قدیمی می پردازیم.
انواع رله ها و مقایسه آنها
رله ها را می توان با توجه به سیستم به کار گرفته شده در آنها به چهار زیرگروه زیر تقسیم کرد:
1) رله های الکترومکانیکی مانند رله آرمیچر جذبی، رله کویل متحرک، رله القایی
2) رله های استاتیکی مانند رله های تقویت کننده مغناطیسی، ترمویونیک، نیمه هادی و فتوالکتریک
3) رله دیجیتال
4) رله عددی
اشکال اصلی رله های نوع اول و دوم این است که مختص یک
کمیت الکتریکی هستند یعنی اگر به عنوان مثال برای حفاظت اضافه جریان
استفاده می شوند دیگر برای حفاظت ولتاژ یا فرکانس قابل استفاده نیستند. حتی
رله های اضافه جریان هم تقسیم بندی خاص خود را دارند و استانداردهای
مختلفی برای این منظور وجود دارد. در کل این رله ها به جز تنظیم زمانی
وتنظیم جریانی، قابلیت انعطاف دیگری ندارند.
تقسیم رله ها به دو دسته دیجیتال و عددی بر پایه جزئیات فنی صورت گرفته
است. این تقسیم بندی به ندرت در مقوله ای غیر از مبحث حفاظت یافت می شود.
رله های عددی را می توان نتیجه طبیعی پیشرفتهای حاصل شده در زمینه رله های
دیجیتال، ناشی از پیشرفتهای فناوری های مختلف دانست.
امروزه رله های حفاظتی عمومی از نوع دیجیتالی یا عددی هستند و در نتیجه می
توان با تغییر برنامه نرم افزاری آن ها نوع حفاظت مورد نیاز را تعیین کرد.
بعد از دیجیتالی شدن محاسبات اتصال کوتاه، پخش بار و پایداری سیستم های
قدرت، دیجیتالی کردن رله های حفاظتی در سیستم های قدرت یکی از موضوعات
جالب و مطرح در سالهای اخیر می باشد. موضوع رله های دیجیتال در اواخر دهه
1960 شروع گردید. در اوایل به دلیل بالا بودن هزینه سیستم های دیجیتال ،
سرعت پایین و همچنین قدرت مصرفی بالای آنها انگیزه های جهت کاربرد این
تجهیزات به جای رله های معمولی وجود نداشت.
پیشرفت قابل توجه سیستم های دیجیتال ، کاهش قیمت ،کاهش قدرت مصرفی واندازه
آنها و افزایش سرعت و قدرت محاسباتی آنها باعث شده است که اقتصادی ترین،
فنی ترین و همچنین مطمئن ترین رله های حفاظتی در حال حاضر، رله های دیجیتال
باشند. لذا جدیدترین نسل رله ها، رله های دیجیتالی هستند.
کاربرد پردازش دیجیتال و استفاده از میکروپروسسورها به عنوان واحد پردازش
در رله های دیجیتال، علاوه بر بالا بردن کارایی و قابلیت عملکردی، منجر به
کاهش حجم و وزن رله و همچنین قیمت پایین طراحی و ساخت گردیده است. طراحی و
ساخت رله های دیجیتال گام بزرگی در جهت حفاظت دقیق و مطمئن شبکه های گسترده
و پیچیده امروزی است.
عمده تفاوت رله های دیجیتالی با رله های استاتیکی در کاربرد یک تراشه به
نام میکروپروسسور یا واحد پردازش مرکزی است. همچنین یک تراشه متمرکز به نام
میکروکنترلر که در آن علاوه بر cpu، حافظه های RAM و ROM، مدارهای واسطه،
پورت های ورودی/خروجی، مدار های وقفه و… در یک تراشه مدار مجتمع(IC) قرار
دارند، در برخی رله های دیجیتال کاربرد یافته است. یکی از مزیت های اصلی
رله های دیجیتال این است که با تغییر نرم افزار رله و برنامه ریزی مختلف می
توان نوع حفاظت رله را تعیین کرد.
در کل می توان مزایای رله های
دیجیتالی و عددی را نسبت به سایر رله های حفاظتی (الکترومغناطیسی،
الکترودینامیکی، حرارتی، اندوکسیونی و…) به شرح زیر بیان کرد:
1) امکان تشخیص زود هنگام خطا و جلوگیری از گسترش آن
2) قابلیت تغییر عملکرد و نوع حفاظت رله با تغییر نرم افزار رله
3) دارای کارایی و قابلیت اطمینان بالا
4) هزینه نسبتا پایین طراحی و ساخت
5) قابلیت ثبت و ضبط وقایع و رخدادهای سیستم به خاطر بهره گیری از حافظه
6) دارای حجم و وزن کوچکتر
7) دارای دقت بالا در تنظیم و انعطاف پذیری نسبت به شرایط مختلف شبکه جهت تنظیم
8) نگهداری آسان و تعمیر و عیب یابی کمتر
9) عملکرد به موقع و سرعت و دقت بالا
10) امکان جلوگیری از تاثیر اشباع ترانسفورماتورهای نمونه بردار در کار نابجای رله