خطای تک‌فازی زمینی خط توزیع ۳۵ کیلوولت
خطوط توزیع: مولفه کلیدی سیستم‌های برق
خطوط توزیع یکی از اجزای اصلی سیستم‌های برق هستند. در یک شین با ولتاژ مشابه، چندین خط توزیع (برای ورود یا خروج) متصل می‌شوند که هر یک دارای شاخه‌های متعددی هستند که به صورت شعاعی مرتب شده و به ترانسفورماتورهای توزیع متصل می‌شوند. پس از کاهش ولتاژ توسط این ترانسفورماتورها به ولتاژ پایین، برق به طیف وسیعی از مصرف‌کنندگان نهایی تأمین می‌شود. در چنین شبکه‌های توزیع، خطاهایی مانند کوتاه‌شدن فاز به فاز، جریان بیش از حد (اضافه بار) و خطاهای تک‌فاز به زمین به طور مداوم رخ می‌دهند. از این میان، خطاهای تک‌فاز به زمین بیشترین میزان را دارند و بیش از ۷۰٪ خطاهای کل سیستم را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، بسیاری از خطاهای کوتاه‌شدن از خطاهای تک‌فاز به زمین آغاز می‌شوند که به خطاهای چند فازی به زمین تبدیل می‌شوند.
خطاهای تک‌فاز به زمین به وضعیتی اشاره دارد که هر یک از سه فاز (A، B یا C) در یک خط توزیع قطع شده و به زمین می‌پیوندد، با درختان، ساختمان‌ها، استواهای یا برج‌ها تماس می‌گیرد و مسیری هدایت‌کننده با زمین ایجاد می‌کند. این خطاهای می‌توانند ناشی از افزایش ولتاژ ناشی از برق‌آبی یا شرایط جوی دیگر باشند که عایق تجهیزات توزیع را خراب می‌کند و مقاومت عایقی به زمین را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
وقتی خطای تک‌فاز به زمین در یک سیستم زمین‌گذاری با جریان کم رخ می‌دهد، حلقه خطا کاملی مستقیماً تشکیل نمی‌شود. جریان زمین‌گذاری ظرفیتی بسیار کمتر از جریان بار است و ولتاژهای خط همچنان متقارن باقی می‌مانند، بنابراین تأمین برق به مصرف‌کنندگان فوراً مختل نمی‌شود. بنابراین، مقررات اجازه می‌دهند که عملیات با یک خطا به زمین تا ۲ ساعت ادامه یابد. با این حال، ولتاژ فازهای بدون خطا نسبت به زمین افزایش می‌یابد که تهدیدی برای عایق است. بنابراین، خط‌هایی که دارای خطا به زمین هستند باید سریعاً شناسایی و رسیدگی شوند.
I. شناسایی خطاهای تک‌فاز به زمین در شین‌های کمکی ۳۵kV
وقتی خطاهای تک‌فاز به زمین، فرورزونانس، از دست دادن فاز یا انفجار فیوز‌های بالا ولتاژ ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) رخ می‌دهند، پدیده‌های مشاهده شده ممکن است مشابه باشند، اما تحلیل دقیق نشان‌دهنده تفاوت‌های متمایز است.
خطای تک‌فاز به زمین:
پست برق و سیستم SCADA سیگنال‌هایی مانند "زمین‌گذاری شین ۳۵kV" یا "فعال شدن کویل خنثی‌ساز شماره X" ارسال می‌کنند. محافظ‌های رله عملیاتی نمی‌کنند اما سیگنال‌های هشدار ارسال می‌کنند. ولتاژ فاز خطا دار کاهش می‌یابد در حالی که ولتاژ دو فاز دیگر افزایش می‌یابد. نور نمایانگر VT برای فاز خطا دار تاریک می‌شود در حالی که دو فاز دیگر روشن‌تر می‌شوند. در یک خطا به زمین محکم (فلزی)، ولتاژ فاز خطا دار به صفر می‌رسد و ولتاژ دو فاز دیگر به زمین ۳√ برابر می‌شوند، در حالی که ولتاژهای خط ثابت می‌مانند. خروجی ۳V₀ از VT حدود ۱۰۰V خوانده می‌شود و نور مهار هارمونیک روشن می‌شود. کویل خنثی‌ساز جریانی را منتقل می‌کند که برابر با جریان جبرانی متناسب با تنظیم آن است. اگر یک انتخاب‌کننده خط خطا با جریان کم نصب شده باشد، فعال می‌شود و خط خطا دار را شناسایی می‌کند. اگر خطا در داخل پست برق باشد، نشانه‌های فیزیکی مانند قوس الکتریکی قابل مشاهده، دود و صدای الکتریکی بلند خطا را راحت‌تر شناسایی می‌کنند.فرورزونانس:
ولتاژ جابجایی نقطه خنثی ایجاد می‌شود که ولتاژهای فازهای سه‌گانه را تغییر می‌دهد. معمولاً ولتاژ یک فاز افزایش می‌یابد در حالی که دو فاز دیگر کاهش می‌یابند یا برعکس، و ولتاژهای خط نیز به تبع آن تغییر می‌کنند. چون ولتاژ خنثی صفر نیست، جریان از طریق کویل خنثی‌ساز می‌گذرد و سیگنال‌های "زمین‌گذاری شین" ممکن است به دلیل مقدار جابجایی ولتاژ ظاهر شوند.از دست دادن فاز:
ولتاژ سمت بالادست فاز از دست رفته به ۱.۵ برابر ولتاژ عادی افزایش می‌یابد در حالی که ولتاژ سمت پایین‌دست به صفر می‌رسد. جریان فاز خطا دار به صفر می‌رسد و ولتاژ دو فاز دیگر کمی کاهش می‌یابند. ولتاژهای خط ثابت می‌مانند. ۳V₀ حدود ۵۰V خوانده می‌شود، کویل خنثی‌ساز جریانی را منتقل می‌کند و سیگنال زمین‌گذاری ارسال می‌شود. مصرف‌کنندگان احتمالاً گزارش قطع برق می‌دهند.انفجار فیوز بالا ولتاژ VT:
ولتاژ فاز انفجاری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد (معمولاً کمتر از نیمی از ولتاژ فاز عادی)، در حالی که ولتاژ فازهای دیگر افزایش نمی‌یابند. ولتاژهای خط نامتقارن می‌شوند. تمام مسیرهای خروجی شین سیگنال "قطع مدار ولتاژ" را فعال می‌کنند. ۳V₀ حدود ۳۳V خوانده می‌شود و سیگنال زمین‌گذاری ارسال می‌شود.
اگرچه این چهار شرایط—خطای تک‌فاز به زمین، فرورزونانس، از دست دادن فاز و انفجار فیوز VT—نشانه‌های مشابهی دارند، تحلیل دقیق ولتاژ فاز، ولتاژ خط، ۳V₀، جریان کویل خنثی‌ساز، سیگنال‌های خودکار SCADA و گزارش‌های اپراتوران کنترل می‌تواند خطا به زمین تک‌فاز را به طور دقیق تشخیص دهد.
II. فرآیند رسیدگی به خطاهای تک‌فاز به زمین در شین‌های کمکی ۳۵kV
وقتی خطای زمین‌گذاری خط ۳۵kV رخ می‌دهد، شین ۳۵kV پست برق وان‌آن سیگنال هشدار زمین‌گذاری می‌دهد. بلافاصله باید افراد مرکز کنترل را مطلع کرد تا تجهیزات داخل پست و وضعیت محافظ‌ها (از جمله ولتاژ ۳V₀، وضعیت انتخاب‌کننده خط خطا با جریان کم، دمای/جریان کویل خنثی‌ساز و غیره) را بررسی کنند و تیم عملیات خط را برای پاترول خط فرستاد. پس از دریافت بازخورد از مرکز کنترل که خطا به زمین تأیید شده است، باید تلاش‌های آزمایشی (آزمایشی قطع) خط‌ها انجام شود. قبل از تلاش‌های آزمایشی، باید کاربران مهم مطلع شوند.
در سیستم‌هایی که دارای دستگاه‌های آزمایشی نیستند، می‌توان از طریق SCADA قطع دوردست انجام داد، اما بارهای پست‌های پایین‌دست باید ابتدا منتقل شوند. در سیستم‌هایی با اتصالات پل داخلی، باید ATSها غیرفعال شوند تا از انتقال خطا به بخش‌های سالم جلوگیری شود.هر گاه خط خطا دار شناسایی شد، اولویت باید به انتقال بار آن خط داده شود قبل از خارج کردن خط خطا دار از خدمت. سپس تیم عملیات خط و افراد مرکز کنترل باید مطلع شوند تا خط ۳۵kV را پاترول کرده و تجهیزات ۳۵kV درون پست ۳۵kV مربوطه را بررسی کنند.
برای جلوگیری از تبدیل خطا به کوتاه‌شدن فاز به فاز که می‌تواند منجر به قطع برق ناگهانی شود، تجهیزات خطا دار باید سریعاً شناسایی و جدا شوند. علاوه بر این، برای جلوگیری از گرم شدن و خسارت کویل خنثی‌ساز، تجهیزات خطا دار باید معمولاً در ۲ ساعت جدا شوند. افزایش دما در کویل باید زیر ۵۵°C نگهداری شود. اگر این مقدار را تجاوز کند، باید عملیات تک‌فاز به زمین فوراً متوقف شود و تجهیزات خطا دار قطع شوند. اگر وضعیت زمین‌گذاری بیش از ۲ ساعت ادامه داشته باشد، باید وضعیت به مدیریت بالاتر گزارش شود.
III. نتیجه‌گیری
وقتی خطای تک‌فاز به زمین در یک خط توزیع رخ می‌دهد، مقدار و فاز ولتاژ خط تغییر نمی‌کند که اجازه می‌دهد عملیات کوتاه‌مدت بدون قطع تجهیزات خطا دار ادامه یابد. این امر باعث بهبود قابلیت اطمینان تأمین برق می‌شود، اما ولتاژ دو فاز سالم به سطح ولتاژ فاز به فاز افزایش می‌یابد که خطر خرابی عایق و کوتاه‌شدن دو فاز به زمین را افزایش می‌دهد. این موضوع خطرات قابل توجهی برای عملکرد ایمن و اقتصادی تجهیزات پست برق و شبکه توزیع ایجاد می‌کند. بنابراین، باید تلاش کرد تا این نوع خطاهای رخ ندهند و در صورت رخ دادن، محل خطا باید سریعاً شناسایی و حذف شود تا قابلیت اطمینان تأمین برق کلی افزایش یابد.
