การป้องกันสายส่งไฟฟ้า – ข้อผิดพลาดและการ์ดป้องกัน

ข้อผิดพลาดทั่วไปในสายไฟฟ้าทางอากาศ

สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของข้อผิดพลาดในสายไฟฟ้าทางอากาศรวมถึง:

• ผลกระทบจากภายนอก: การชนกับเครื่องบินและการเกิดอุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับยานพาหนะที่ทำให้เสียหายต่อสายและโครงสร้างที่รองรับ.

• การแทรกแซงจากสัตว์ป่า: สัตว์และนกที่ทำให้เกิดความรบกวน เช่น การเกาะอยู่ในลักษณะที่ทำให้เกิดการขัดขวางกับชิ้นส่วนไฟฟ้าหรือการสร้างวงจรลัด.

• การเสื่อมสภาพของฉนวน: ฉนวนที่ถูกปนเปื้อนซึ่งอาจนำไปสู่การล้มเหลวทางไฟฟ้า.

• ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับสภาพอากาศ: การสะสมของน้ำแข็งและหิมะที่มากเกินไปจนทำให้สายไฟฟ้ามีภาระมากเกินไป และการโดนฟ้าผ่าที่สามารถทำลายอุปกรณ์ได้.

• ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า: การปล่อยประจุบางส่วนที่ไม่สามารถควบคุมได้ (โคโรนา) ที่สามารถทำให้ความสมบูรณ์ของสายไฟฟ้าเสื่อมลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป.

• ความเสียหายของฉนวน: ฉนวนที่ทะลุหรือแตก ทำให้การป้องกันไฟฟ้าของสายไฟฟ้าเสื่อมลง.

• การขยายตัวของพืช: ต้นไม้ที่เติบโตใกล้กับสายไฟฟ้าจนอาจทำให้เกิดการสัมผัสและทำให้เกิดข้อผิดพลาด.

• แรงลมที่ทำให้เกิดความเครียด: ลมแรงที่สามารถทำให้สายไฟฟ้าแกว่ง ทำให้เกิดความเสียหายทางกลไกหรือวงจรลัด.

บทความที่เกี่ยวข้อง: การป้องกันและข้อผิดพลาดของหม้อแปลงไฟฟ้า

อุปกรณ์ป้องกันสำหรับสายไฟฟ้าทางอากาศ

• สายไฟฟ้าทางอากาศแรงดันต่ำ (LV): ใช้ฟิวส์หรือเบรกเกอร์วงจรเพื่อป้องกันกระแสเกิน โดยให้การป้องกันระดับพื้นฐานสำหรับระบบแรงดันต่ำ.

• สายไฟฟ้าทางอากาศแรงดันกลาง (MV): ใช้รีเลย์กระแสเกิน (เช่น 50, 50N, 51, 51N, 67, 67N) ที่เชื่อมต่อกับทรานส์ฟอร์เมอร์กระแส (CT) ซึ่งใช้ตรวจสอบกระแสที่ไหลผ่านและทำการเปิดวงจรเบรกเกอร์เมื่อตรวจพบกระแสเกินที่ผิดปกติ.

การป้องกันกระแสเกินแบบเวลาไม่ได้ผลสำหรับสายไฟฟ้าทางอากาศแรงดันสูง (HV) เนื่องจากมีแหล่งกำเนิดกระแสผิดปกติหลายแห่งที่อาจถูกจำกัดโดยตัวจำกัดกระแสผิดปกติ ข้อกำหนดหลักสำหรับแผนการป้องกันในสายไฟฟ้าทางอากาศแรงดันสูงมีดังนี้:

• การตรวจจับข้อผิดพลาด: ระบบป้องกันไฟฟ้าต้องสามารถระบุข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นบนสายที่ได้รับการป้องกันได้อย่างรวดเร็ว.

• การแยกแยะข้อผิดพลาด: ต้องสามารถแยกแยะระหว่างข้อผิดพลาดบนสายที่ได้รับการป้องกันและข้อผิดพลาดบนสายที่อยู่ใกล้เคียง สายบัส หม้อแปลง และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออื่น ๆ.

• การล้างข้อผิดพลาดอย่างรวดเร็ว: ต้องล้างข้อผิดพลาดภายในเวลาไม่เกิน 1 วินาที เพื่อป้องกันไม่ให้ระบบไฟฟ้าไม่เสถียร.

• ความน่าเชื่อถือ: ระบบป้องกันต้องมีความน่าเชื่อถือสูง รับประกันว่าสามารถล้างข้อผิดพลาดได้แม้ว่าอุปกรณ์ชิ้นเดียวจะล้มเหลว.

เพื่อตอบสนองข้อกำหนดเหล่านี้ อุปกรณ์ป้องกันต่อไปนี้มักใช้ในสายไฟฟ้าทางอากาศแรงดันสูง:

• การป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟสและระยะทาง

• การป้องกันระยะทาง

การป้องกันแบบดิฟเฟอร์เรนเชียลมักใช้กับสายไฟฟ้าทางอากาศที่สั้น ในขณะที่การป้องกันระยะทางเหมาะสมกว่าสำหรับสายไฟฟ้าทางอากาศที่ยาว การจำแนกสายไฟฟ้าทางอากาศเป็นสั้นหรือยาวขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบอินดักแทนซ์ ความต้านทาน และความจุของสาย สายจะถือว่าสั้นเมื่อความต้านทานและความจุน้อยกว่าอินดักแทนซ์ การประเมินนี้มักดำเนินการโดยใช้แผนภาพ π ของสายไฟฟ้าทางอากาศ.

หลายปัจจัยมีผลต่ออิมพีแดนซ์ของสาย การตอบสนองทางกายภาพต่อภาวะวงจรลัด และกระแสชาร์จของสาย ซึ่งรวมถึงระดับแรงดัน การสร้างทางกายภาพของสายส่ง ประเภทและขนาดของสายนำ และระยะห่างระหว่างสายนำ นอกจากนี้จำนวนเทอร์มินอลของสายยังมีผลต่อการไหลของกระแสโหลดและกระแสผิดปกติ ซึ่งระบบป้องกันต้องคำนึงถึง สายขนานยังมีผลต่อการส่งผ่านโดยการส่งผ่านกระแสภาคพื้นที่ที่วัดโดยรีเลย์ป้องกัน ความมีอยู่ของหม้อแปลงที่ต่อตรงหรืออุปกรณ์ชดเชยปฏิกิริยา เช่น แบงค์คอนเดนเซอร์อนุกรมหรือรีแอคเตอร์ขนาน มีผลต่อการเลือกระบบป้องกันและการตั้งค่าอุปกรณ์ป้องกัน ดังนั้น การศึกษาอย่างละเอียดของสายไฟฟ้าทางอากาศเป็นสิ่งจำเป็นในการกำหนดรีเลย์ป้องกันที่เหมาะสมที่สุด โดยทั่วไปแล้ว สายที่มีความยาวไม่เกิน 80-100 กิโลเมตรอาจถือว่าสั้น แต่ก็อาจแตกต่างกันไปตามระดับแรงดันและลักษณะของระบบ.

ประมาณ 90% ของข้อผิดพลาดในสายไฟฟ้าทางอากาศเป็นข้อผิดพลาดชั่วคราว ข้อผิดพลาดสามารถแบ่งออกเป็นดังนี้:

• เฟส-ต่อ-พื้น: ข้อผิดพลาดที่เฟสหนึ่งสัมผัสกับพื้น.

• เฟส-ต่อ-เฟส: ข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นระหว่างสองเฟส.

• เฟส-ต่อ-เฟส-ต่อ-พื้น: การผสมผสานระหว่างข้อผิดพลาดเฟส-ต่อ-เฟสและเฟส-ต่อ-พื้น.

• สามเฟส: ข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับทั้งสามเฟสพร้อมกัน.

สำหรับข้อผิดพลาดดังกล่าว อาจต้องการการเปิดวงจรด้วยโพลเดียว ทำให้สายสามารถกลับมาทำงานได้ทันทีหลังจากเบรกเกอร์วงจรเปิด ดังนั้น แผนการเปิดวงจรด้วยโพลเดียวและระบบป้อนกลับอัตโนมัติมักใช้ในเบรกเกอร์วงจรที่เชื่อมต่อกับสายไฟฟ้าทางอากาศ (โดยทั่วไปที่มีแรงดัน 220 kV หรือสูงกว่า) เมื่อเบรกเกอร์วงจรหยุดกระแสผิดปกติ แสงแฟลชมอบจะดับและอากาศที่ถูกไอออนไนซ์จะกระจายไป ระบบป้อนกลับอัตโนมัติมักประสบความสำเร็จหลังจากการล่าช้าเพียงไม่กี่วงจร อย่างไรก็ตาม เมื่อทำงานกับสายที่มีพลังงาน การป้อนกลับอัตโนมัติบนสายที่ทำงานต้องตั้งค่าเป็นโหมดไม่ป้อนกลับ เบรกเกอร์วงจรที่ใช้ในแอปพลิเคชันเหล่านี้ต้องออกแบบมาเฉพาะเพื่อจัดการกับการทำงานเหล่านี้และไม่ไวต่อความไม่คงที่ของโพลจนกว่าจะมีคำสั่งเปิดวงจรที่ชัดเจน.

การป้องกันแบบดิฟเฟอร์เรนเชียลและการเปรียบเทียบเฟส

การป้องกันแบบดิฟเฟอร์เรนเชียลขึ้นอยู่กับกฎของเคิร์ชโฮฟ ในบริบทของสายส่ง ระบบทำงานโดยการเปรียบเทียบกระแสที่เข้าสู่สายที่ปลายหนึ่งกับกระแสที่ออกจากสายที่ปลายอื่น รีเลย์สายดิฟเฟอร์เรนเชียลที่ปลายทั้งสองของสายส่งแลกเปลี่ยนข้อมูลเกี่ยวกับกระแสของสายผ่านทางสื่อสารใยแก้วนำแสง ทางสื่อสารนี้มักถูกสร้างขึ้นโดยใช้สาย Optical Power Ground Wire (OPGW) ซึ่งยังใช้ในการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของสายไฟฟ้าทางอากาศและมีสายใยแก้วนำแสงภายในโครงสร้าง รูปที่ 1 แสดงแผนภาพของระบบป้องกันแบบดิฟเฟอร์เรนเชียล.

รูปที่ 1 - แผนภาพการป้องกันแบบดิฟเฟอร์เรนเชียลของสายไฟฟ้าทางอากาศ
ระบบป้องกันรีเลย์อีกระบบหนึ่งสำหรับสายส่งแรงดันสูง (HV) ซึ่งขึ้นอยู่กับหลักการของการป้องกันแบบดิฟเฟอร์เรนเชียลและตอนนี้ใช้แม้กระทั่งสำหรับสายระยะไกลคือการป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟส
ระบบทำงานโดยการเปรียบเทียบมุมเฟสระหว่างกระแสที่ปลายทั้งสองของสายที่ได้รับการป้องกัน ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดภายนอก กระแสที่เข้าสู่สายมีมุมเฟสสัมพัทธ์เดียวกับกระแสที่ออกจากสาย ดังนั้น รีเลย์เปรียบเทียบเฟสที่แต่ละเทอร์มินอลจะไม่พบความแตกต่างของมุมเฟส ดังนั้น ระบบป้องกันจะยังคงมั่นคงและไม่กระทำ แต่ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดภายใน กระแสจะไหลเข้าสู่สายจากทั้งสองปลาย ทำให้เกิดความแตกต่างของมุมเฟสที่รีเลย์เปรียบเทียบเฟสสามารถตรวจจับได้ หลังจากตรวจจับความแตกต่างนี้ รีเลย์จะทำงานเพื่อแยกและล้างข้อผิดพลาด
ในการป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟส รีเลย์เริ่มทำงานมีบทบาทสำคัญ รีเลย์เหล่านี้เริ่มกระบวนการเปรียบเทียบเฟสทันทีที่ตรวจพบภาวะข้อผิดพลาด การออกแบบของรีเลย์เหล่านี้ทำให้สามารถทำงานได้ทั้งในกรณีข้อผิดพลาดภายในและภายนอก ให้การตรวจสอบอย่างครอบคลุม
สำหรับการทำงานที่มีประสิทธิภาพของระบบป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟส ช่องทางสื่อสารที่เชื่อถือได้เป็นสิ่งจำเป็น ในแอปพลิเคชันสมัยใหม่ สายใยแก้วนำแสงที่ผสานรวมภายในสาย Optical Ground Wire (OPGW) กลายเป็นทางเลือกที่ชื่นชอบในการสร้างช่องทางสื่อสารนี้
รูปที่ 2 แสดงแผนภาพของระบบ Merz Price voltage balance ซึ่งใช้ในการป้องกันสายสามเฟส.

การป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟสและการป้องกันระยะทาง
การป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟส
รูปที่ 2 - แผนภาพการป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟส

ในการป้องกันแบบเปรียบเทียบเฟส ทรานส์ฟอร์เมอร์กระแส (CTs) ที่เหมือนกันถูกวางอย่างมีกลยุทธ์ในแต่ละเฟสที่ทั้งสองปลายของสายส่ง คู่ของ CTs หนึ่งคู่ที่แต่ละปลายของสายถูกเชื่อมต่อด้วยรีเลย์ เมื่อระบบทำงานอย่างปกติโดยไม่มีข้อผิดพลาด แรงดันที่เกิดขึ้นในฝั่งทุติยภูมิของ CTs ทั้งสองมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม ทำให้สามารถสมดุลกันได้.

เมื่อระบบทำงานอย่างปกติ กระแสที่เข้าสู่สายที่ปลายหนึ่งจะตรงกับกระแสที่ออกจากสายที่ปลายอื่น ดังนั้น แรงดันที่เกิดขึ้นในฝั่งทุติยภูมิของ CTs ที่สองเทอร์มินอลของสายจะเท่ากันและตรงกันข้าม แรงดันที่สมดุลนี้ทำให้ไม่มีกระแสไหลผ่านรีเลย์ ทำให้ระบบป้องกันยังคงมั่นคง.

อย่างไรก็ตาม เมื่อเกิดข้อผิดพลาดที่จุดเช่น F บนสาย ตามที่แสดงในรูปที่ 2 การกระจายกระแสจะถูกทำลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะมีกระแสที่มากกว่ามากไหลผ่าน CT1 มากกว่า CT2 ความแตกต่างของกระแสทำให้แรงดันทุติยภูมิของ CTs ไม่เท่ากัน ดังนั้น จะเกิดกระแสหมุนเวียนที่ไหลผ่านสายนำและรีเลย์ ในตอบสนองต่อกระแสที่ไหล วงจรเบรกเกอร์ที่ทั้งสองปลายของสายจะถูกกระตุ้นให้เปิด แยกสายที่มีข้อผิดพลาดออกจากส่วนที่เหลือของระบบไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว.

อ่านเพิ่มเติม: การป้องกันหลักและรองในระบบไฟฟ้า

การป้องกันระยะทาง

การป้องกันระยะทางอาศัยรีเลย์ระยะทาง ซึ่งวัดอิมพีแดนซ์ของสายส่งโดยวิเคราะห์สัญญาณแรงดันและกระแสที่นำไปใช้ เมื่อเกิดข้อผิดพลาดบนสาย จะเกิดการเปลี่ยนแปลงสำคัญสองอย่าง: กระแสเพิ่มขึ้นอย่างมาก และแรงดันลดลงอย่างมาก.

เนื่องจากอิมพีแดนซ์ของสายส่งมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความยาวของสาย รีเลย์ระยะทางจึงออกแบบมาเพื่อวัดอิมพีแดนซ์ถึงจุดที่กำหนดไว้ล่วงหน้าที่เรียกว่า "จุดถึง" รีเลย์เหล่านี้ ซึ่งมักเรียกว่ารีเลย์อิมพีแดนซ์ คำนวณอิมพีแดนซ์โดยใช้กฎของโอห์ม ซึ่งแสดงโดยสูตร Z = U/I ที่ Z คืออิมพีแดนซ์ U คือแรงดัน และ I คือกระแส.

รีเลย์ระยะทางออกแบบมาเพื่อทำงานเฉพาะสำหรับข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นระหว่างตำแหน่งของรีเลย์และจุดถึงที่เลือก คุณสมบัตินี้ทำให้สามารถแยกแยะข้อผิดพลาดในส่วนต่างๆ ของสายได้ รีเลย์จะเปรียบเทียบอิมพีแดนซ์ที่คำนวณได้กับอิมพีแดนซ์ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ถ้าอิมพีแดนซ์ที่วัดได้น้อยกว่าอิมพีแดนซ์ที่ตั้งไว้ จะถือว่ามีข้อผิดพลาดบนสายระหว่างรีเลย์และจุดถึง เมื่ออิมพีแดนซ์ที่คำนวณได้ตกอยู่ในขอบเขตการตั้งค่าของรีเลย์ รีเลย์จะทำงาน กระทำการป้องกัน.

เพื่อให้การป้องกันครอบคลุม ระบบการป้องกันระยะทางติดตั้งที่ทั้งสองปลายของสายส่ง และสร้างช่องทางสื่อสารระหว่างจุดปลายเหล่านี้ ตามที่แสดงในรูปที่ 3 ช่องทางสื่อสารนี้ช่วยให้รีเลย์ที่แต่ละปลายทำงานอย่างประสานกัน เพิ่มประสิทธิภาพของแผนการป้องกัน.

ประสิทธิภาพและคุณสมบัติของรีเลย์ระยะทาง
รูปที่ 3 - แผนภาพการป้องกันระยะทางของสายไฟฟ้าทางอากาศ

ประสิทธิภาพของรีเลย์ระยะทางประเมินโดยพิจารณาจากพารามิเตอร์สำคัญสองประการ: ความแม่นยำของระยะทางและเวลาทำงาน.

ความแม่นยำของระยะทาง

ความแม่นยำของระยะทางหมายถึงการเปรียบเทียบระยะทางโอห์มที่แท้จริงของรีเลย์ระยะทางภายใต้เงื่อนไขทางปฏิบัติจริงกับค่าโอห์มที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ตัวชี้วัดนี้ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากแรงดันที่นำไปใช้กับรีเลย์ในระหว่างภาวะข้อผิดพลาด แรงดันที่ต่ำหรือบิดเบือนสามารถทำให้เกิดความไม่แม่นยำในการวัดอิมพีแดนซ์ ทำให้รีเลย์ไม่สามารถระบุตำแหน่งของข้อผิดพลาดภายในระยะทางที่กำหนดได้ อย่างถูกต้อง นอกจากนี้เทคนิคการวัดอิมพีแดนซ์ที่ใช้ในการออกแบบรีเลย์เฉพาะก็มีบทบาทสำคัญ ขั้นตอนและฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกันสามารถให้ระดับความแม่นยำที่แตกต่างกัน ทำให้ส่งผลต่อความแม่นยำของระยะทางของรีเลย์.

เวลาทำงาน

เวลาทำงานของรีเลย์ระยะทางเป็นปริมาณที่เปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ขนาดของกระแสผิดปกติมีผลโดยตรง กระแสผิดปกติที่สูงขึ้นอาจทำให้ทำงานเร็วขึ้น ในขณะที่กระแสที่ต่ำลงอาจทำให้เวลาตอบสนองยาวขึ้น ตำแหน่งของข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการตั้งค่าของรีเลย์ก็มีความสำคัญ ข้อผิดพลาดที่อยู่ใกล้กับแหล่งหรืออยู่ในระยะที่ใกล้เคียงกับรีเลย์อาจกระตุ้นการตอบสนองที่เร็วกว่าข้อผิดพลาดที่อยู่ห่างออกไป นอกจากนี้ จุดที่เกิดข้อผิดพลาดบนคลื่นแรงดันยังสามารถทำให้เวลาทำงานเปลี่ยนแปลงได้.

ข้อผิดพลาดชั่วคราวของสัญญาณวัดที่เกี่ยวข้องกับเทคนิคการวัดเฉพาะที่ใช้ในการออกแบบรีเลย์สามารถทำให้เกิดความซับซ้อนเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น ข้อผิดพลาดที่เกิดจาก Capacitor Voltage Transformers (CVT) หรือ Current Transformers (CT) ที่อิ่มตัวสามารถทำให้เวลาทำงานของรีเลย์ช้าลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นใกล้กับจุดถึง ข้อผิดพลาดชั่วคราวเหล่านี้สามารถทำให้สัญญาณแรงดันและกระแสบิดเบือน ทำให้เกิดการแปลความหมายของอิมพีแดนซ์ที่ผิดพลาดและทำให้เวลาทำงานของรีเลย์ช้าลง.

คุณสมบัติของรีเลย์ระยะทาง

คุณสมบัติของรีเลย์ระยะทาง ซึ่งมักเรียกว่ารูปทรงการป้องกัน แสดงเป็นฟังก์ชันของความต้านทาน (R) และอิมพีแดนซ์ (X) บนแผนภาพ R/X หรือไดแกรมการยอมรับ สองรูปทรงที่พบบ่อยที่สุดคือวงกลม (คุณสมบัติ mho) และสี่เหลี่ยม รูปทรงเหล่านี้แสดงในรูปที่ 10 และ 11 ตามลำดับ แต่ละรูปทรงมีข้อดีของตนเองและออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของรีเลย์ภายใต้เงื่อนไขระบบไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ให้การแยกแยะระหว่างภาวะการทำงานปกติและข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นจริงภายในส่วนที่ได้รับการป้องกัน.

รูปที่ 4 - คุณสมบัติ mho

คุณสมบัติ ตั้งค่าระยะทาง และการป้อนกลับของรีเลย์ระยะทาง
รูปที่ 5 - คุณสมบัติสี่เหลี่ยม