خطای تک فازی زمینی خط توزیع ۳۵ کیلوولت
خطوط توزیع: یک جزء کلیدی سیستم‌های برق
خطوط توزیع یک جزء اصلی از سیستم‌های برق هستند. روی میله ولتاژ یکسان، خطوط توزیع متعدد (برای ورود یا خروج) متصل می‌شوند که هر کدام با شاخه‌های زیادی به صورت شعاعی تنظیم شده و به ترانسفورماتورهای توزیع متصل می‌شوند. پس از کاهش ولتاژ توسط این ترانسفورماتورها به ولتاژ پایین، برق به طیف وسیعی از کاربران نهایی تامین می‌شود. در چنین شبکه‌های توزیع، عیوبی مانند کوتاه شدن فاز به فاز، جریان بیش از حد (بار بیش از حد)، و عیب فاز تکی به زمین به طور معمول رخ می‌دهند. از بین این‌ها، عیب فاز تکی به زمین معمول‌ترین نوع است که بیش از ۷۰٪ از کل عیوب سیستم را تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، بسیاری از عیوب کوتاه شدن فاز نیز از عیب فاز تکی به زمین که به عیب چند فازی به زمین تبدیل می‌شود، منشأ می‌گیرند.
عیب فاز تکی 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 می‌رسد، با درختان، ساختمان‌ها، ستون‌ها یا برج‌ها تماس می‌گیرد و مسیری هدایت‌کننده با زمین ایجاد می‌کند. این عیوب می‌توانند ناشی از ولتاژ بیش از حد ناشی از برق ابری یا شرایط جوی دیگر باشند که عایق تجهیزات توزیع را آسیب می‌دهند و مقاومت عایق به زمین را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.
وقتی عیب فاز تکی به زمین در یک سیستم زمین‌بندی با جریان کم رخ می‌دهد، حلقه عیب کاملی مستقیماً تشکیل نمی‌شود. جریان زمین‌بندی ظرفیتی بسیار کمتر از جریان بار است و ولتاژ خطوط سیستم متقارن می‌ماند، بنابراین تامین برق به کاربران فوراً قطع نمی‌شود. بنابراین، مقررات اجازه می‌دهند که با یک عیب زمین‌بندی تا دو ساعت عملیات ادامه یابد. با این حال، ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین افزایش می‌یابد که تهدیدی برای عایق است. بنابراین، خطوط دارای عیب زمین‌بندی باید به سرعت شناسایی و رسیدگی شوند.
الف. شناسایی عیب فاز تکی به زمین در میله‌های کمکی ۳۵kV
وقتی عیب فاز تکی به زمین، فرورزونانس، افت فاز یا انفجار بمب‌های ولتاژ بالا در ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) رخ می‌دهد، پدیده‌های مشاهده شده ممکن است مشابه باشند، اما تحلیل دقیق نشان می‌دهد تفاوت‌های متمایزی وجود دارد.
عیب فاز تکی به زمین:
پست الکتریکی و سیستم SCADA سیگنال‌هایی مانند "زمین‌بندی میله ۳۵kV" یا "فعال شدن کویل خنثی‌ساز شماره X" ارسال می‌کنند. حفاظت رله‌ای قطع نمی‌شود اما سیگنال‌های هشدار ارسال می‌شوند. ولتاژ فاز دارای عیب کاهش می‌یابد، در حالی که ولتاژ دو فاز دیگر افزایش می‌یابد. نور نمایانگر VT برای فاز دارای عیب تاریک می‌شود، در حالی که دو نور دیگر روشن‌تر می‌شوند. در یک عیب زمین‌بندی محکم (فلزی)، ولتاژ فاز دارای عیب به صفر می‌رسد و ولتاژ دو فاز دیگر به √۳ برابر افزایش می‌یابد، در حالی که ولتاژ خطوط ثابت می‌ماند. خروجی ۳V₀ از VT حدود ۱۰۰V می‌باشد 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 عیب جریان کم باشد، فعال می‌شود و خط دارای عیب را شناسایی می‌کند. اگر عیب در داخل پست الکتریکی باشد، نشانه‌های فیزیکی مانند قوس الکتریکی قابل مشاهده، دود و صدای الکتریکی بلند، محل عیب را آسان‌تر قابل شناسایی می‌کنند.فرورزونانس:
ولتاژ جابجایی نقطه خنثی تولید می‌شود که ولتاژ فازهای سه‌گانه را تغییر می‌دهد. معمولاً ولتاژ یک فاز افزایش می‌یابد و دو فاز دیگر کاهش می‌یابند یا برعکس، و ولتاژ خطوط نیز به ترتیب تغییر می‌کنند. چون ولتاژ خنثی غیرصفر است، جریان از طریق کویل خنثی‌ساز می‌گذرد و سیگنال‌های "زمین‌بندی میله" ممکن است به دلیل مقدار جابجایی ولتاژ ظاهر شوند.افت فاز:
ولتاژ سمت بالادست فاز افت کرده به ۱.۵ برابر ولتاژ عادی افزایش می‌یابد، در حالی که ولتاژ سمت پایین‌دست به صفر می‌رسد. جریان فاز دارای عیب به صفر می‌رسد و ولتاژ دو فاز دیگر کمی کاهش می‌یابد. ولتاژ خطوط ثابت می‌ماند. ۳V₀ حدود ۵۰V می‌باشد، کویل خنثی‌ساز جریانی را منتقل می‌کند و سیگنال زمین‌بندی ارسال می‌شود. کاربران ممکن است قطع برق را گزارش دهند.انفجار بمب ولتاژ بالا VT:
ولتاژ فاز انفجاری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد (معمولاً کمتر از نیمی از ولتاژ فاز عادی)، در حالی که ولتاژ دو فاز دیگر افزایش نمی‌یابد. ولتاژ خطوط نامتوازن می‌شود. تمام مسیرهای خروجی میله سیگنال "قطع مدار ولتاژ" را تحریک می‌کنند. ۳V₀ حدود ۳۳V می‌باشد و سیگنال زمین‌بندی ارسال می‌شود.
اگرچه این چهار شرایط—عیب فاز تکی به زمین، فرورزونانس، افت فاز و انفجار بمب ولتاژ بالای VT—نشانه‌های مشابهی دارند، تحلیل دقیق ولتاژ فاز، ولتاژ خط، ۳V₀، جریان کویل خنثی‌ساز، سیگنال‌های اتوماسیون SCADA و گزارش‌های اپراتوران کنترل می‌تواند به شناسایی دقیق عیب فاز تکی به زمین کمک کند.
ب. فرآیند رسیدگی به عیب فاز تکی به زمین در میله‌های کمکی ۳۵kV
وقتی عیب زمین‌بندی خط ۳۵kV رخ می‌دهد، میله ۳۵kV پست الکتریکی وان‌آن سیگنال هشدار زمین‌بندی ارسال می‌کند. بلافاصله باید افراد مرکز کنترل اطلاع داده شوند تا تجهیزات داخل پست و وضعیت حفاظت‌ها (شامل ولتاژ ۳V₀، وضعیت انتخاب‌کننده خط عیب جریان کم، دمای/جریان کویل خنثی‌ساز و غیره) را بررسی کنند و تیم عملیات خط برای پاترول خط اعزام شود. پس از دریافت بازخورد از مرکز کنترل که عیب زمین‌بندی تأیید شده است، باید تلاش‌های تغییر مسیر (قطع آزمایشی) خطوط انجام شود. قبل از تغییر مسیر، کاربران مهم باید اطلاع داده شوند.
در سیستم‌هایی بدون دستگاه‌های تغییر مسیر، می‌توان از طریق SCADA قطع دوری انجام داد، اما بارهای پست‌های پایین‌دست باید ابتدا منتقل شوند. در سیستم‌هایی با اتصالات پل داخلی، باید ATSها غیرفعال شوند تا از انتقال عیب به بخش‌های سالم جلوگیری شود. وقتی خط معینی به عنوان خط دارای عیب شناسایی شد، اولویت باید به انتقال بار آن خط داده شود قبل از خارج کردن خط عیب‌دار. سپس تیم عملیات خط و افراد مرکز کنترل باید اطلاع داده شوند تا خط ۳۵kV و تجهیزات ۳۵kV در پست ۳۵kV مربوطه را پاترول کنند.
برای جلوگیری از تبدیل عیب به کوتاه شدن فاز به فاز—که می‌تواند باعث قطع برق ناگهانی شود—تجهیزات دارای عیب باید به سرعت شناسایی و جدا شوند. علاوه بر این، برای جلوگیری از گرم شدن و آسیب کویل خنثی‌ساز، تجهیزات دارای عیب معمولاً باید در ۲ ساعت جدا شوند. افزایش دما کویل باید مراقبت شود و زیر ۵۵°C نگه داشته شود. اگر این مقدار را تجاوز کرد، باید عملیات فاز تکی به زمین فوراً متوقف شود و تجهیزات دارای عیب قطع شوند. اگر شرایط زمین‌بندی بیش از ۲ ساعت ادامه یابد، باید وضعیت به مدیریت بالاتر گزارش شود.
ج. نتیجه‌گیری
وقتی عیب فاز تکی به زمین در یک خط توزیع رخ می‌دهد، مقدار و فاز ولتاژ خط تغییر نمی‌کند و امکان ادامه عملیات کوتاه‌مدت بدون قطع تجهیزات دارای عیب وجود دارد. این موضوع موجب افزایش قابلیت اطمینان تامین برق می‌شود. با این حال، ولتاژ دو فاز سالم به ولتاژ بین فازی افزایش می‌یابد که خطر خرابی عایق و کوتاه شدن دو فاز به زمین را افزایش می‌دهد. این موارد خطرات قابل توجهی برای عملکرد ایمن و اقتصادی تجهیزات پست الکتریکی و شبکه توزیع دارد. بنابراین، باید در صورت امکان از وقوع این عیوب جلوگیری شود و در صورت رخ دادن، محل عیب باید به سرعت شناسایی و حذف شود تا قابلیت اطمینان کلی تامین برق افزایش یابد.
