رله دنباله منفی

تعریف

رله توالی منفی که به آن رله نامتوازن فاز نیز می‌گویند، برای حفاظت سیستم برق از مولفه‌های توالی منفی طراحی شده است. وظیفه اصلی آن محافظت از ژنراتورها و موتورها از بارهای نامتوازن است که معمولاً به دلیل خطا در فاز به فاز ایجاد می‌شوند. هنگامی که چنین خطاها ایجاد می‌شوند، مولفه‌های توالی منفی می‌توانند گرمای زیاد و تنش مکانیکی در دستگاه‌های برقی ایجاد کنند که می‌تواند منجر به آسیب جدی شود اگر به درستی رسیدگی نشود.

اصل عملکرد و ویژگی‌ها

رله توالی منفی شامل یک مدار فیلتر تخصصی است که فقط به مولفه‌های توالی منفی موجود در سیستم برق پاسخ می‌دهد. با توجه به اینکه حتی مقدار کوچکی از جریان بیش از حد ناشی از مولفه‌های توالی منفی می‌تواند شرایط عملکرد خطرناک ایجاد کند، رله با تنظیم جریان پایین کنفیگوره شده است. این امر به آن اجازه می‌دهد تا قبل از تبدیل شدن به مشکلات بزرگ، ناهماهنگی‌های جزئی را تشخیص دهد و به سرعت واکنش نشان دهد.

اگرچه رله توالی منفی به زمین متصل است، این زمین‌بندی عمدتاً برای محافظت در برابر خطاهای فاز به زمین است. با این حال، این رله مستقیماً خطاهای فاز به فاز را کاهش نمی‌دهد؛ بلکه نقش آن تشخیص مولفه‌های توالی منفی که نشانه چنین خطاها هستند و اعمال اقدامات محافظتی مناسب است.

ساختار

ساختار رله توالی منفی در شکل زیر نشان داده شده است. آن دارای چهار مقاومت است که با Z1، Z2، Z3 و Z4 نشان داده می‌شوند و در یک مدار پلی به هم متصل هستند. این مقاومت‌ها توسط ترانسفورماتورهای جریان تغذیه می‌شوند که جریان الکتریکی را از سیستم تحت حفاظت نمونه‌برداری می‌کنند. سیم پیچ عملکردی رله به نقاط میانی این مدار پلی متصل است. این ترتیب خاص به رله اجازه می‌دهد تا با تحلیل تفاوت ولتاژ در ارمهای مدار پلی، وجود و مقدار مولفه‌های توالی منفی را به صورت دقیق تشخیص دهد و عملکرد قابل اعتماد و دقیقی برای حفاظت از سیستم‌های برقی فراهم کند.

در مدار رله توالی منفی، Z1 و Z3 خصوصیات مقاومتی محض دارند، در حالی که Z2 و Z4 خصوصیات مقاومتی و القایی دارند. مقادیر مقاومت‌های Z2 و Z4 به طور دقیق تنظیم شده‌اند تا جریان‌های عبوری از آن‌ها به طور مداوم با جریان‌های عبوری از Z1 و Z3 با زاویه ۶۰ درجه پس افت کنند.

هنگامی که جریان به نقطه A می‌رسد، به دو شاخه I1 و I4 تقسیم می‌شود. به طور قابل توجه، جریان I4 با جریان I1 به طور دقیق ۶۰ درجه پس افت دارد. این رابطه فازی خاص برای عملکرد صحیح رله توالی منفی اساسی است و به آن اجازه می‌دهد تا مولفه‌های توالی منفی را در سیستم برق به صورت دقیق تشخیص دهد و به آن‌ها واکنش نشان دهد.

به طور مشابه، جریان از فاز B در نقطه C به دو مؤلفه مساوی I3 و I2 تقسیم می‌شود، که I2 با I3 به طور ۶۰ درجه پس افت دارد.

جریان I4 با جریان I1 با زاویه ۳۰ درجه پس افت دارد. به همان ترتیب، I2 با IB به زاویه ۳۰ درجه پس افت دارد، در حالی که I3 با همان مقدار ۳۰ درجه پیش افت دارد. جریان عبوری از نقطه B معادل مجموع جبری I1، I2 و IY است. این رابطه زاویه‌ای دقیق و جمع جریان در نقطه B برای عملکرد صحیح رله توالی منفی ضروری است و به آن اجازه می‌دهد تا با تحلیل تفاوت فاز و مقدار بین این جریان‌ها، شرایط نامتوازن را در سیستم برق به صورت دقیق تشخیص دهد.

جریان توالی مثبت

نمودار فازی که مولفه‌های توالی مثبت را نشان می‌دهد در شکل زیر نمایش داده شده است. در یک سناریوی که بار در حالت تعادل است، جریان توالی منفی غایب است. در چنین شرایطی، جریان عبوری از رله می‌تواند با استفاده از معادله زیر توصیف شود. این رابطه بین حالت تعادل بار، غیاب جریان توالی منفی و جریان عبوری از رله برای درک عملکرد عادی و عملکردهای محافظتی در سیستم برق اساسی است.

عملکرد در شرایط تعادل

بنابراین، رله در طول عملکرد سیستم برق تعادلی فعال می‌ماند و نظارت مداوم و آمادگی برای پاسخ به هر گونه ناهماهنگی بالقوه را تضمین می‌کند.

جریان توالی منفی

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، جریان‌های I1 و I2 مقدار مساوی دارند. به دلیل مساوی و مخالف بودن آن‌ها، به طور موثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین، فقط جریان IY از سیم‌پیچ‌های عملکردی رله عبور می‌کند. برای محافظت در برابر اثرات ضاربی‌های حتی کوچک، که می‌توانند به سرعت به مشکلات جدی سیستم تبدیل شوند، تنظیم جریان رله به طور عمدي کمتر از جریان کامل بار است. این تنظیم حساس به رله اجازه می‌دهد تا به طور سریع ناهماهنگی‌های ناشی از مولفه‌های توالی منفی را تشخیص دهد و به آن‌ها واکنش نشان دهد.

جریان توالی صفر

در مورد جریان توالی صفر، جریان‌های I1 و I2 با یکدیگر با زاویه ۶۰ درجه اختلاف فازی دارند. نتیجه این دو جریان در فاز با جریان IY هم‌خط است. بنابراین، سیم‌پیچ عملکردی رله جریان کلی را تجربه می‌کند که دقیقاً دو برابر مقدار جریان توالی صفر است. مهم است که توجه شود که با اتصال ترانسفورماتورهای جریان (CTs) به صورت دلتا، رله می‌تواند برای جریان‌های توالی صفر غیرفعال شود. در این تنظیم اتصال دلتا، جریان‌های توالی صفر از رله عبور نمی‌کنند و این روش امکان فیلتر کردن یا دور زدن نوع خاصی از جریان‌های خطا را بر اساس نیازهای محافظت سیستم فراهم می‌کند.

رله توالی منفی القایی

ساختار یک رله توالی منفی القایی به طور نزدیک شبیه به یک رله جریان بیش از حد القایی است. آن دارای یک دیسک فلزی است که معمولاً از یک لوله آلومینیوم ساخته شده و بین دو الکترومغناطیس بالایی و پایینی می‌چرخد.

الکترومغناطیس بالایی دارای دو سیم‌پیچ است. سیم‌پیچ اصلی الکترومغناطیس بالایی به سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان (CT) متصل به خط تحت حفاظت متصل است. در حالی که سیم‌پیچ ثانویه الکترومغناطیس بالایی به صورت سری با سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیس پایینی متصل است.

به دلیل وجود تاپینگ مرکزی، سیم‌پیچ اصلی رله سه ترمینال دارد. فاز R با کمک CTs و یک ترانسفورماتور کمکی، نیمه بالایی رله را تغذیه می‌کند، در حالی که فاز Y نیمه پایینی رله را تغذیه می‌کند. ترانسفورماتور کمکی به طور خاص تنظیم شده است تا خروجی آن با زاویه ۱۲۰ درجه پس افت داشته باشد، نه ۱۸۰ درجه متعارف.

عملکرد با جریان‌های توالی مثبت

هنگامی که جریان‌های توالی مثبت موجود هستند، جریان‌های IR و IY از طریق سیم‌پیچ‌های اصلی رله به جهت‌های مخالف عبور می‌کنند. جریان‌های I’R و I’Y مقدار مساوی دارند. این جریان‌های متعادل مطمئن می‌کنند که رله در حالت غیرفعال باقی بماند، زیرا نیروی خالصی برای فعال شدن آن وجود ندارد.

عملکرد با جریان‌های توالی منفی

در صورت وقوع خطا، جریان توالی منفی I از طریق سیم‌پیچ اصلی رله عبور می‌کند. این جریان توالی منفی تعادل درون رله را مختل می‌کند و موجب یک سری رویداد می‌شود که به فعال شدن رله و عملکرد محافظتی بعدی منجر می‌شود.

رله عملکرد خود را آغاز می‌کند زمانی که مقدار جریان خطا از مقدار پیش‌تنظیم شده رله بیشتر شود. این بدان معناست که هنگامی که جریان خطا به اندازه کافی بزرگ شود تا حد مخصوص رله را بشکند، رله به عملکرد محافظتی خود در سیستم برق فعال می‌شود.