خطوط هوایی حفاظت - خرابی‌ها و دستگاه‌های حفاظت
خطاهای معمول در خطوط هوایی
علل اصلی وقوع خطا در خطوط هوایی عبارتند از:
مقاله مرتبط: محافظت و خطاها در ترانسفورماتورهای قدرت
دستگاه‌های محافظت از خطوط هوایی
حفاظت از جریان بیش از حد با زمان‌بندی برای خطوط انتقال هوایی با ولتاژ بالا (HV) موثر نیست. این به دلیل وجود منابع متعدد متصل شده از جریان‌های خطا است که ممکن است توسط محدودکننده‌های جریان خطا محدود شوند. الزامات کلیدی برای طرح‌های محافظت در خطوط انتقال هوایی با ولتاژ بالا عبارتند از:
برای رفع این الزامات، دستگاه‌های محافظت زیر معمولاً در خطوط انتقال هوایی با ولتاژ بالا استفاده می‌شوند:
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 انجام می‌شود. یک خط زمانی کوتاه در نظر گرفته می‌شود که مقاومت و ظرفیت آن نسبت به القایی آن قابل اغفال باشد. این ارزیابی معمولاً با استفاده از نمودار π خط هوایی انجام می‌شود.
چندین عامل مانند سطح ولتاژ، ساختار فیزیکی خط انتقال، نوع و اندازه هادی‌ها و فاصله بین هادی‌ها تأثیرگذار در امپدانس خط، واکنش فیزیکی آن به شرایط کوتاه مدار و جریان شارژ خط هستند. علاوه بر این، تعداد پایانه‌های خط تأثیرگذار در جریان بار و خطا است که سیستم محافظت باید آن را در نظر بگیرد. خطوط موازی نیز تأثیرگذار بر رله‌گیری هستند، زیرا کوپلینگ متقابل می‌تواند جریان زمینی اندازه‌گیری شده توسط رله‌های محافظتی را تحت تأثیر قرار دهد. وجود ترانسفورماتورهای متصل شده یا دستگاه‌های جبران‌سازی واکنشی مانند بانک‌های خازن سری یا راکتورهای شوند موجب تأثیرگذاری بیشتر در انتخاب سیستم محافظت و تنظیمات دستگاه‌های محافظتی می‌شود. بنابراین، مطالعه دقیق خط هوایی برای تعیین رله‌های محافظتی مناسب ضروری است. معمولاً یک خط با طول تا 80-100 کیلومتر می‌تواند کوتاه در نظر گرفته شود، اگرچه این می‌تواند بسته به سطح ولتاژ و مشخصات شبکه متفاوت باشد.
تقریباً 90٪ از خطاهای خطوط هوایی موقت هستند. خطاهای را می‌توان به صورت زیر طبقه‌بندی کرد:
برای چنین خطاهایی، ممکن است نیاز به یک سقوط یک قطبی باشد که اجازه می‌دهد خط بعد از سقوط شکن‌های مدار بلافاصله به خدمت بازگردد. بنابراین، طرح‌های سقوط یک قطبی و بازگشت خودکار معمولاً در شکن‌های مدار مرتبط با خطوط انتقال هوایی (معمولاً با ولتاژ 220 kV یا بیشتر) استفاده می‌شوند. وقتی شکن‌های مدار جریان خطا را می‌قطع کنند، قوس فلاشر خاموش می‌شود و هوا یونی شده تبدیل می‌شود. بازگشت خودکار معمولاً پس از چند دور موفقیت‌آمیز است. با این حال، زمانی که کارهای برقی انجام می‌شوند، دستگاه‌های بازگشت خودکار خطوط زیر کار باید به حالت غیربازگشتی تنظیم شوند. شکن‌های مدار استفاده شده در این کاربردها باید طراحی شده باشند تا قادر به انجام این عملیات باشند 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 خطوط انتقال، این کار با مقایسه جریان وارد شده به خط در یک پایانه با جریان خروجی از خط در پایانه دیگر انجام می‌شود. رله‌های دیفرانسیل خط در هر دو انتهای خط انتقال اطلاعات در مورد جریان خط را از طریق یک ارتباط ارتباطی نوری مبادله می‌کنند. این ارتباط معمولاً با استفاده از کابل OPGW (Optical Power Ground Wire) ایجاد می‌شود که همچنین برای طراحی محافظت از برق از خطوط هوایی استفاده می‌شود و شامل کابل‌های نوری در ساختار خود می‌باشد. شکل 1 نمودار سیستم محافظت دیفرانسیل را نشان می‌دهد.
شکل 1 - نمودار محافظت دیفرانسیل خطوط هوایی
یک سیستم دیگر برای خطوط انتقال با ولتاژ بالا که بر اساس اصل محافظت دیفرانسیل استوار است و حتی برای خطوط بلند مسافت نیز استفاده می‌شود، محافظت مقایسه فاز است.
این سیستم با مقایسه زاویه فاز بین جریان‌ها در دو انتها از خط محافظت شده عمل می‌کند. در صورت خطاها خارجی، جریان وارد شده به خط زاویه فاز نسبی مشابهی با جریان خروجی از خط دارد. بنابراین، رله‌های مقایسه فاز در هر دو پایانه تفاوت زاویه فاز کم یا بدون تفاوت ثبت می‌کنند. در نتیجه، سیستم محافظت پایدار می‌ماند و قطعی ایجاد نمی‌شود. از طرف دیگر، در صورت خطا داخلی، جریان از هر دو انتها به خط وارد می‌شود که منجر به اختلاف زاویه فاز می‌شود که رله‌های مقایسه فاز می‌توانند آن را شناسایی کنند. پس از شناسایی این تفاوت، رله‌ها برای جدا کردن و پاک کردن خطا فعال می‌شوند.
در طرح‌های مقایسه فاز، رله‌های شروع نقش مهمی ایفا می‌کنند. این رله‌ها فرآیند مقایسه فاز را همیشه که شرایط خطا شناسایی می‌شوند شروع می‌کنند. طراحی آن‌ها برای عملکرد در هر دو خطا داخلی و خارجی انجام شده تا نظارت کامل فراهم شود.
برای عملکرد مؤثر محافظت مقایسه فاز، یک کانال ارتباطی قابل اعتماد ضروری است. در کاربردهای مدرن، کابل‌های نوری که در کابل‌های OPGW (Optical Ground Wire) یکپارچه شده‌اند به عنوان گزینه مرجح برای ایجاد این ارتباط ارتباطی شده‌اند.
شکل 2 نمودار خط یکسان سیستم تعادل ولتاژ مرز پرایس را نشان می‌دهد که برای محافظت از خطوط سه فاز استفاده می‌شود.
محافظت مقایسه فاز و محافظت فاصله
محافظت مقایسه فاز
شکل 2 - نمودار محافظت مقایسه فاز
در محافظت مقایسه فاز، ترانسفورماتورهای جریان (CT) یکسان به طور استراتژیک در هر فاز در هر دو انتها از خط انتقال قرار داده می‌شوند. هر جفت CT، یکی در هر انتها از خط، به یک رله متصل می‌شود. در شرایط عادی و بدون خطا، ولتاژهای ثانویه تولید شده توسط این CTها از نظر مقدار برابر اما در جهت مخالف هستند، که با یکدیگر توازن می‌یابند.
در حین عملکرد سیستم سالم، جریان وارد شده به خط در یک انتها دقیقاً با جریان خروجی از آن در انتها دیگر مطابقت دارد. بنابراین، ولتاژهای برابر و مخالف در ثانویه‌های CTها در دو پایانه خط القاء می‌شوند. این توازن ولتاژ مطمئن می‌کند که هیچ جریانی از طریق رله‌ها جریان نمی‌یابد و سیستم محافظت پایدار می‌ماند.
اما زمانی که یک خطا در نقطه‌ای مانند F در خط رخ می‌دهد، مانند آنچه در شکل 2 نشان داده شده است، توزیع جریان مختل می‌شود. به طور خاص، جریان بسیار بیشتری از طریق CT1 نسبت به CT2 خواهد جریان یافت. این اختلاف در جریان باعث می‌شود که ولتاژهای ثانویه CTها برابر نباشند. در نتیجه، یک جریان حلقه‌ای ایجاد می‌شود که از طریق سیم‌های خلبان و رله‌ها جریان می‌یابد. در پاسخ به این جریان، شکن‌های مدار در هر دو انتها از خط فعال می‌شوند تا خط خطا را از بقیه سیستم برق جدا کنند.
همچنین بخوانید: محافظت اصلی و ثانویه یا ذخیره در یک سیستم برق
محافظت فاصله
محافظت فاصله به رله‌های فاصله‌ای متکی است که امپدانس یک خط انتقال را با تحلیل سیگنال‌های ولتاژ و جریان به آن‌ها اندازه‌گیری می‌کنند. هنگامی که یک خطا در یک خط رخ می‌دهد، دو تغییر مهم رخ می‌دهد: جریان به سطح بسیار بالاتری افزایش می‌یابد و ولتاژ به طور شدید کاهش می‌یابد.
به دلیل اینکه امپدانس یک خط انتقال مستقیماً متناسب با طول آن است، رله‌های فاصله‌ای طراحی شده‌اند تا امپدانس را تا نقطه‌ای پیش‌تعیین شده به نام "نقطه محدود" اندازه‌گیری کنند. این رله‌ها که غالباً به عنوان رله‌های امپدانسی شناخته می‌شوند، امپدانس را با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌کنند که با فرمول Z = U/I بیان می‌شود، که در آن Z نشان‌دهنده امپدانس، U ولتاژ و I جریان است.
رله‌های فاصله‌ای طراحی شده‌اند تا فقط برای خطاهایی که بین محل رله و نقطه محدود انتخاب شده رخ می‌دهند عمل کنند. این ویژگی طراحی به آن‌ها اجازه می‌دهد تا بین خطاهای بخش‌های مختلف خط تمایز قائل شوند. امپدانس ظاهری محاسبه شده توسط رله سپس با امپدانس پیش‌تعیین شده نقطه محدود مقایسه می‌شود. اگر امپدانس اندازه‌گیری شده کمتر از امپدانس نقطه محدود باشد، نتیجه می‌شود که یک خطا در بین رله و نقطه محدود وجود دارد. هنگامی که امپدانس محاسبه شده در محدوده تنظیم رله قرار می‌گیرد، رله فعال می‌شود و عمل محافظتی را شروع می‌کند.
برای اطمینان از محافظت کامل، سیستم‌های محافظت فاصله در هر دو انتها از خط انتقال نصب می‌شوند و یک ارتباط ارتباطی بین این نقاط انتهایی برقرار می‌شود، مانند آنچه در شکل 3 نشان داده شده است. این ارتباط امکان عملکرد هماهنگ رله‌ها در هر دو انتها را فراهم می‌کند و به طور کلی اثربخشی طرح محافظت را افزایش می‌دهد.
عملکرد و ویژگی‌های رله‌های فاصله‌ای
شکل 3 - نمودار محافظت فاصله خطوط هوایی
عملکرد رله‌های فاصله‌ای عمدتاً بر اساس دو پارامتر کلیدی ارزیابی می‌شود: دقت محدوده و زمان عملکرد.
دقت محدوده
دقت محدوده شامل مقایسه محدوده اهمی رله‌های فاصله‌ای در شرایط واقعی و عملی با مقدار اهمی پیش‌تعیین شده آن‌ها است. این معیار به طور قابل توجهی توسط سطح ولتاژ اعمال شده به رله در شرایط خطا تحت تأثیر قرار می‌گیرد. ولتاژ پایین‌تر یا اعوجاج یافته می‌تواند منجر به ن неточности в измерении сопротивления, что влияет на способность реле правильно определить местоположение неисправности в пределах своего заданного диапазона. Кроме того, методы измерения сопротивления, используемые в конкретных конструкциях реле, играют важную роль. Различные алгоритмы и конфигурации аппаратного обеспечения могут давать разные уровни точности, что влияет на общую точность диапазона реле.
زمان عملکرد
زمان عملکرد یک رله فاصله‌ای یک کمیت متغیر است که از چندین عامل وابسته است. مقدار جریان خطا تأثیر مستقیم دارد؛ جریان‌های خطا بزرگتر گاهی می‌توانند عملکرد سریع‌تری را ایجاد کنند، در حالی که جریان‌های کمتر ممکن است باعث زمان پاسخ طولانی‌تر شوند. موقعیت خطا نسبت به تنظیم رеле نیز مهم است. خطاهای نزدیک به منبع یا در مجاورت خاصی با رله ممکن است واکنش سریع‌تری را ایجاد کنند نسبت به خطاهای دورتر. علاوه بر این، نقطه‌ای از موج ولتاژ که خطا در آن رخ می‌دهد می‌تواند تغییرپذیری در زمان عملکرد ایجاد کند.
برخی خطاهای ترانزیانتی سیگنال‌های اندازه‌گیری، که مرتبط با تکنیک‌های اندازه‌گیری خاصی در طراحی رله هستند، می‌توانند مسائل را پیچیده‌تر کنند. به عنوان مثال، خطاهای تولید شده توسط ترانسفورماتورهای ولتاژ خازنی (CVT) یا ترانسفورماتورهای جریان اشباع (CT) می‌توانند به طور قابل توجهی عملکرد رله را به تعویق اندازند، به ویژه برای خطاهایی که نزدیک به نقطه محدود رخ می‌دهند. این خطاهای ترانزیانتی می‌توانند سیگنال‌های ولتاژ و جریان را اعوجاج دهند و منجر به تفسیر نادرست امپدانس و در نتیجه به تعویق انداختن فعال‌سازی رله شوند.
ویژگی
