خطوط هوایی حفاظت - خطاهای و دستگاه های محافظ

Edwiin

ميدان: کلید برق

China

خطاهای رایج در خطوط هوایی

علل بروز خطا در خطوط هوایی عبارتند از:

تاثیرات خارجی: تصادفات هواپیما و حوادث مربوط به وسایل نقلیه که خطوط و سازه‌های پشتیبان را آسیب می‌دهند.
مداخله حیوانات و پرندگان: پرندگان و حیوانات که با استراحت بر روی خطوط الکتریکی یا ایجاد کوتاه‌مدار، اختلال ایجاد می‌کنند.
تخریب دی‌الکتریک: آلودگی دی‌الکتریک‌ها که می‌تواند منجر به خرابی‌های الکتریکی شود.
مسائل مرتبط با آب و هوا: تجمع بیش از حد یخ و برف که خطوط را فشار می‌دهد و ضربه‌های صاعقه که می‌توانند تجهیزات را آسیب دهد.
پدیده‌های الکتریکی: تخلیه جزئی (کورونا) غیرکنترل‌شده که می‌تواند به تدریج تمامیت خط را تضعیف کند.
آسیب دی‌الکتریک: دی‌الکتریک‌های سوراخ شده یا شکسته که عایق بندی الکتریکی خطوط را مختل می‌کنند.
تهاجم گیاهان: رشد درختان به نزدیکی خطوط که می‌تواند با تماس با آن‌ها خطا ایجاد کند.
تنش‌های ناشی از باد: بادهای قوی که می‌توانند خطوط را تحریک کرده و آسیب مکانیکی یا کوتاه‌مدار ایجاد کنند.

مقاله مرتبط: محافظت و خطاهای ترانسفورماتورهای قدرت

دستگاه‌های محافظت خطوط هوایی

خطوط هوایی ولتاژ پایین (LV): فیوزها یا شیرهای قطع کننده برای محافظت در برابر جریان‌های زیاد استفاده می‌شوند که سطح پایه‌ای از محافظت را برای سیستم‌های ولتاژ پایین ارائه می‌دهند.
خطوط هوایی ولتاژ متوسط (MV): رله‌های جریان زیاد (مانند 50، 50N، 51، 51N، 67، 67N) متصل به ترانسفورماتورهای جریان (CT) معمولاً استفاده می‌شوند. این رله‌ها جریان را می‌سنجد و وقتی جریان‌های نامتعارف زیاد شناسایی می‌شوند، شیرهای قطع کننده را می‌برند.

محافظت از جریان زیاد با زمان‌بندی برای خطوط انتقال هوایی ولتاژ بالا (HV) مؤثر نیست. این به دلیل وجود منابع متعدد مرتبط با جریان‌های خطایی است که ممکن است توسط محدودکننده‌های جریان خطا محدود شوند. نیازهای اصلی برای طرح‌های محافظت در خطوط انتقال هوایی ولتاژ بالا عبارتند از:

تشخیص خطا: سیستم محافظت الکتریکی باید قادر به شناسایی همه خطاها در خط محافظت شده به طور فوری باشد.
تمایز خطا: باید قادر به تمایز بین خطاها در خط محافظت شده و خطوط مجاور، بوس‌ها، ترانسفورماتورها و تجهیزات متصل دیگر باشد.
پاکسازی خطا سریع: خطاها باید در کمتر از یک ثانیه پاک شوند تا سیستم قدرت از عدم پایداری جلوگیری شود.
قابلیت اطمینان: سیستم محافظت باید بسیار قابل اعتماد باشد تا حتی وقتی یک تجهیز خراب شود، قادر به پاکسازی خطا باشد.

برای برآورده کردن این نیازها، دستگاه‌های محافظت زیر معمولاً در خطوط هوایی ولتاژ بالا استفاده می‌شوند:

محافظت دیفرانسیل و مقایسه فاز
محافظت فاصله

محافظت دیفرانسیل معمولاً برای خطوط هوایی کوتاه استفاده می‌شود، در حالی که محافظت فاصله برای خطوط هوایی بلند مناسب‌تر است. طبقه‌بندی خطوط هوایی به کوتاه یا بلند بر اساس مقایسه القایی، مقاومت و ظرفیت خط است. یک خط وقتی مقاومت و ظرفیت آن نسبت به القایی آن قابل چشم‌پوشی است، کوتاه در نظر گرفته می‌شود. این ارزیابی معمولاً با استفاده از نمودار π خط هوایی انجام می‌شود.

چندین عامل بر امپدانس خط، پاسخ فیزیکی آن به شرایط کوتاه‌مدار و جریان شارژ خط تأثیر می‌گذارد. این عوامل شامل سطح ولتاژ، ساختار فیزیکی خط انتقال، نوع و اندازه رسانه‌ها و فاصله بین رسانه‌ها می‌شود. علاوه بر این، تعداد ترمینال‌های خط جریان بار و خطا را که سیستم محافظت باید آن را در نظر بگیرد، تحت تأثیر قرار می‌دهد. خطوط موازی نیز بر روی رله‌های محافظت تأثیر می‌گذارند، زیرا کوپلینگ متقابل می‌تواند جریان زمینی که توسط رله‌های محافظت اندازه‌گیری می‌شود را تحت تأثیر قرار دهد. وجود ترانسفورماتورهای متصل شده یا دستگاه‌های جبران‌کننده واکنشی، مانند بانک‌های کنداکتور سری یا راکتورهای شوند، بر انتخاب سیستم محافظت و تنظیمات دستگاه‌های محافظت تأثیر می‌گذارد. بنابراین، مطالعه دقیق خط هوایی برای تعیین رله‌های محافظت مناسب لازم است. به طور کلی، یک خط با طول تا 80-100 کیلومتر ممکن است کوتاه در نظر گرفته شود، اگرچه این می‌تواند بسته به سطح ولتاژ و مشخصات شبکه متفاوت باشد.

تقریباً 90٪ از خطاهای خطوط هوایی موقتی هستند. خطاهای می‌توانند به صورت زیر طبقه‌بندی شوند:

فاز به زمین: خطا که یک فاز با زمین تماس می‌گیرد.
فاز به فاز: خطا که بین دو فاز رخ می‌دهد.
فاز به فاز به زمین: ترکیب خطا فاز به فاز و فاز به زمین.
سه فاز: خطا که همزمان شامل سه فاز است.

برای چنین خطاهایی، ممکن است نیاز به قطع یک قطبی باشد که اجازه می‌دهد خط بعد از قطع شیرهای قطع کننده بلافاصله به سرویس بازگردد. بنابراین، طرح‌های قطع یک قطبی و بازسازی خودکار معمولاً در شیرهای قطع کننده مربوط به خطوط انتقال هوایی (معمولاً با ولتاژ 220 کیلوولت یا بیشتر) استفاده می‌شود. وقتی شیرهای قطع کننده جریان خطا را قطع می‌کنند، قوس فلشر خاموش می‌شود و هوا یونیزه شده تبدیل می‌شود. بازسازی خودکار معمولاً پس از تأخیر چند دور موفق می‌شود. با این حال، هنگامی که کارهای انرژی‌دار انجام می‌شود، دستگاه‌های بازسازی خودکار خطوط تحت کار باید به حالت بدون بازسازی تنظیم شوند. شیرهای قطع کننده استفاده شده در این کاربردها باید به طور خاص طراحی شوند تا بتوانند این عملیات را اداره کنند و در برابر ناپایداری قطب‌ها تا زمان صدور دستور قطع قطعی مقاوم باشند.

محافظت دیفرانسیل و مقایسه فاز

محافظت دیفرانسیل بر اساس قانون جریان کیرشهف استوار است. در زمینه خط انتقال، این روش با مقایسه جریان وارد شده به خط در یک ترمینال با جریان خروجی از خط در ترمینال دیگر کار می‌کند. رله‌های دیفرانسیل خط در هر دو انتهای خط انتقال داده‌های جریان خط را از طریق یک پیوند ارتباطی نوری مبادله می‌کنند. این پیوند معمولاً با استفاده از کابل OPGW (کابل زمینی نوری) که همچنین برای طراحی محافظت از صاعقه خط هوایی استفاده می‌شود و شامل کابل‌های نوری در ساختار خود است، برقرار می‌شود. شکل 1 نمودار سیستم محافظت دیفرانسیل را نشان می‌دهد.

شکل 1 – نمودار محافظت دیفرانسیل خط هوایی
یک سیستم رله‌های محافظت دیگر برای خطوط انتقال ولتاژ بالا (HV) که بر اساس اصل محافظت دیفرانسیل استوار است و حتی برای خطوط بلند مسافت استفاده می‌شود، محافظت مقایسه فاز است.
این سیستم با مقایسه زاویه فاز بین جریان‌ها در دو انتهای خط محافظت شده کار می‌کند. در صورت بروز خطا خارجی، جریان وارد شده به خط دارای زاویه فاز نسبی مشابه با جریان خروجی از خط است. بنابراین، رله‌های مقایسه فاز در هر ترمینال تفاوت زاویه فاز کم یا بدون تفاوت را ثبت می‌کنند. بنابراین، سیستم محافظت پایدار می‌ماند و قطعی ایجاد نمی‌شود. با این حال، در صورت بروز خطا داخلی، جریان از هر دو انتهای خط وارد می‌شود که باعث تفاوت زاویه فاز می‌شود که رله‌های مقایسه فاز می‌توانند آن را شناسایی کنند. پس از شناسایی این تفاوت، رله‌ها برای جدا کردن و پاکسازی خطا فعال می‌شوند.
در طرح‌های مقایسه فاز، رله‌های شروع نقش مهمی ایفا می‌کنند. این رله‌ها فرآیند مقایسه فاز را همچنین زمانی که شرایط خطا شناسایی می‌شود، شروع می‌کنند. طراحی آن‌ها برای عملکرد هم در خطاها داخلی و هم خطاها خارجی، نظارت کامل را ارائه می‌دهد.
برای عملکرد مؤثر محافظت مقایسه فاز، کانال ارتباطی قابل اعتماد ضروری است. در کاربردهای مدرن، کابل‌های نوری که در کابل‌های OPGW (کابل زمینی نوری) یکپارچه شده‌اند، انتخاب محبوب برای برقراری این پیوند ارتباطی شده‌اند.
شکل 2 نمودار خط تکی سیستم تعادل ولتاژ مرز-پرایس را نشان می‌دهد که برای محافظت از خطوط سه‌فاز استفاده می‌شود.