التابع التفاضلي
تستخدم الريلايات في حماية أنظمة الطاقة من أنواع مختلفة. من بينها، الريلاي التفاضلي هو نوع شائع الاستخدام لحماية المحولات والمولدات من الأعطال المحلية.
الريلايات التفاضلية حساسة جداً للأعطال التي تحدث داخل منطقة الحماية ولكنها أقل حساسية للأعطال التي تحدث خارج منطقة الحماية. معظم الريلايات تعمل عندما يتجاوز أي كمية قيمة محددة مسبقاً، مثل الريلاي الزائد للتيار الذي يعمل عندما يتجاوز التيار المار فيه قيمة محددة مسبقاً. ولكن مبدأ الريلاي التفاضلي مختلف بعض الشيء. فهو يعمل اعتماداً على الفرق بين كميتين أو أكثر من الكميات الكهربائية المتشابهة.
تعريف الريلاي التفاضلي
الريلاي التفاضلي هو ذلك الذي يعمل عندما يكون هناك فرق بين كميتين أو أكثر من الكميات الكهربائية المتشابهة يتجاوز قيمة محددة مسبقاً. في دارة الريلاي التفاضلي، يوجد تياران يأتيان من جزأين من دارة الطاقة الكهربائية. يلتقي هذان التياران عند نقطة توصيل حيث يتم توصيل ملف الريلاي. وفقًا لقانون كيرشوف للتيار، فإن التيار الناتج المار عبر ملف الريلاي هو لا شيء إلا مجموع التيارين القادمين من جزأين مختلفين من دارة الطاقة الكهربائية. إذا تم ضبط قطبية ومقدار كل من التيارين بحيث يكون مجموعهما الفازوري صفرًا في حالة التشغيل العادية. وبالتالي لن يكون هناك تيار يمر عبر ملف الريلاي في حالة التشغيل العادية. ولكن بسبب أي استثناء في دارة الطاقة، إذا تم كسر هذا التوازن، بمعنى أن مجموع الفازور للتيارين لم يعد صفراً، سيكون هناك تيار غير صفري يمر عبر ملف الريلاي مما يؤدي إلى تشغيل الريلاي.
في نظام التفاضل التياري، هناك مجموعتان من محولات التيار كل واحدة متصلة بأحد جانبي المعدات المحمية بواسطة الريلاي التفاضلي. يتم اختيار نسبة محولات التيار بحيث يتطابق التيار الثانوي لكل من محولات التيار في المقدار.
تكون قطبية محولات التيار بحيث يعارض التيار الثانوي لهذه المحولات بعضها البعض. من الدارة يتضح أنه فقط إذا تم إنشاء فرق غير صفري بين هذين التيارين الثانويين، فإن هذا التيار التفاضلي سيمر عبر ملف التشغيل للمحول. إذا كان هذا الفرق أكبر من القيمة القصوى للمحول، سيتم تشغيله لفتح مفاتيح الدائرة لعزل المعدات المحمية عن النظام. يتم استخدام العنصر المحول في الريلاي التفاضلي من نوع المحول ذو الذراع الجذب الفوري لأن نظام التفاضل يستخدم فقط لإزالة الأعطال داخل المعدات المحمية بمعنى آخر يجب أن يقوم الريلاي التفاضلي بإزالة الأعطال الداخلية للمعدات فقط وبالتالي يجب عزل المعدات المحمية بمجرد حدوث أي عطل داخل المعدات نفسها. لا يحتاجون إلى أي تأخير زمني لتسيق مع الريلايات الأخرى في النظام.
أنواع الريلاي التفاضلي
هناك أساساً نوعان من أنواع الريلاي التفاضلي اعتماداً على مبدأ العمل.
الريلاي التفاضلي للتوازن التياري
الريلاي التفاضلي للتوازن الجهد
في الريلاي التفاضلي التياري يتم تركيب محولتي تيار على كل جانب من جانبي المعدات المراد حمايتها. يتم توصيل الدارات الثانوية لمحولات التيار بشكل متسلسل بحيث يحملان التيار الثانوي لمحولات التيار في نفس الاتجاه.
يتم توصيل ملف التشغيل للعنصر المحول عبر الدارة الثانوية لمحولتي التيار. تحت ظروف التشغيل العادية، تحمل المعدات المحمية (سواء كانت محول طاقة أو مولد) تيارًا طبيعيًا. في هذه الحالة، يكون التيار الثانوي لـ CT1 هو I1 والتيار الثانوي لـ CT2 هو I2. ومن الواضح من الدارة أن التيار المار عبر ملف الريلاي هو لا شيء إلا I1-I2. كما ذكرنا سابقًا، يتم اختيار نسبة محولات التيار وقطبيتها بحيث تكون I1 = I2، وبالتالي لن يكون هناك تيار يمر عبر ملف الريلاي. الآن إذا حدث أي عطل خارج المنطقة المغطاة بواسطة محولات التيار، يمر التيار المعيب عبر الطرف الأول لكل من محولتي التيار وبالتالي تظل التيار الثانوي لمحولتي التيار كما هي في حالة التشغيل العادية. لذلك في تلك الحالة لن يتم تشغيل الريلاي. ولكن إذا حدث أي عطل أرضي داخل المعدات المحمية كما هو موضح، لن يكون التيار الثانوي لمحولتي التيار متساويًا بعد الآن. في هذه الحالة يتم تشغيل الريلاي التفاضلي لعزل المعدات المعيبة (المحول أو المولد) عن النظام.
من الناحية المبدئية تعاني هذه الأنواع من أنظمة الريلاي من بعض العيوب
قد يكون هناك احتمالية عدم التطابق في معاوقة الكابل من الثانوي لمحول التيار إلى لوحة الريلاي البعيدة.
تعمل سعة هذه الكابلات الطيار على تشغيل الريلاي بشكل غير صحيح عند حدوث عطل كبير خارج المعدات.
لا يمكن تحقيق التطابق الدقيق لخصائص محولات التيار وبالتالي قد يكون هناك تيار تسرب يمر عبر الريلاي في حالة التشغيل العادية.
الريلاي التفاضلي النسبي
تم تصميم هذا النوع ليستجيب للتيار التفاضلي بالنسبة النسبية للتيار المار عبر الجزء المحمي. في هذا النوع من الريلايات، هناك ملفات مقيدة بالإضافة إلى ملف التشغيل للريلاي. تنتج ملفات التقييد عزم دوران معاكس لعزم التشغيل. تحت ظروف التشغيل العادية وأثناء العطل الخارجي، يكون عزم التقييد أكبر من عزم التشغيل. وبالتالي يبقى الريلاي غير نشط. عندما يحدث عطل داخلي، يتجاوز القوة التشغيلية القوة المقيدة ويتم تشغيل الريلاي. يمكن تعديل هذه القوة المقيدة بتغيير عدد الحلقات على ملفات التقييد. كما هو موضح في الرسم البياني أدناه، إذا كان I1 هو التيار الثانوي لـ CT1 و I2 هو التيار الثانوي لـ CT2 فإن التيار عبر ملف التشغيل هو I1 – I2 والتيار عبر ملف التقييد هو (I1 + I2)/2. تحت ظروف التشغيل العادية وأثناء العطل الخارجي، يكون العزم الناتج عن ملفات التقييد بسبب التيار (I1+ I2)/2 أكبر من العزم الناتج عن ملف التشغيل بسبب التيار I1– I2 ولكن في حالة العطل الداخلي تصبح هذه العزوم معاكسة. ويتم تعريف الضبط المقيد كنسبة (I1– I2) إلى (I1+ I2)/2.
من الواضح من الشرح أعلاه، كلما زاد التيار المار عبر ملفات التقييد، ارتفعت قيمة التيار المطلوبة لتشغيل ملف التشغيل. يُطلق على الريلاي اسم الريلاي النسبي لأنه يمكن التعبير عن التيار التشغيلي المطلوب للتشغيل كنسبة مئوية من التيار الخارجي.
نسبة واتصال محول التيار للريلاي التفاضلي
هذه القاعدة البسيطة هي أن محولات التيار على أي تفريع نجمي يجب توصيلها بشكل مثلث ومحولات التيار على أي تفريع مثلث يجب توصيلها بشكل نجمي. يتم هذا لتجنب التيار المتسلسل الصفري في دارة الريلاي.
إذا تم توصيل محولات التيار بشكل نجمي، ستكون نسبة محول التيار In/1 أو 5 أمبير
إذا تم توصيل محولات التيار بشكل مثلث، ستكون نسبة محول التيار In/0.5775 أو 5×0.5775 أمبير
الريلاي التفاضلي للتوازن الجهد
في هذا الترتيب يتم توصيل محولات التيار على كل جانب من جانبي المعدات بطريقة تجعل الجهد المستحث في الثانوي لمحولتي التيار يعارض بعضهما البعض. وهذا يعني أن الثانوي لمحولتي التيار من الجانبين للمعدات متصل بشكل متسلسل بقطبية معاكسة. يتم إدخال ملف الريلاي التفاضلي في مكان ما في الحلقة التي تم إنشاؤها بواسطة الاتصال المتسلسل للثانوي لمحولتي التيار كما هو موضح في الرسم البياني. تحت ظروف التشغيل العادية وأيضًا أثناء العطل الخارجي، يكون الجهد المستحث في الثانوي لمحولتي التيار متساويًا ومعاكسًا لبعضهما البعض وبالتالي لن يكون هناك تيار يمر عبر ملف الريلاي. ولكن بمجرد حدوث أي عطل داخلي في المعدات المحمية، لا يكون هذه الجهد مستحث متوازنًا وبالتالي يبدأ التيار بالمرور عبر ملف الريلاي مما يؤدي إلى فتح مفتاح الدائرة.
هناك بعض العيوب في الريلاي التفاضلي للتوازن الجهد مثل الحاجة إلى بناء محول متعدد التوصيلات لتحقيق التوازن الدقيق بين أزواج محولات التيار. النظام مناسب لحماية الكابلات ذات الأطوال النسبية القصيرة وإلا فإن سعة الأسلاك الطيار تزعج الأداء. على الكابلات الطويلة سيكون التيار الشحن كافياً لتشغيل الريلاي حتى مع تحقيق التوازن المثالي لمحولتي التيار.
يمكن إزالة هذه العيوب من النظام من خلال تقديم نظام Translay / المخطط الذي ليس إلا نظام ريلاي تفاضلي جهد معدل. يتم تطبيق مخطط Translay بشكل أساسي لحماية التفاضلية للخطوط.
هنا، تم توصيل مجموعتين من محولات التيار على كل نهاية من نهايات الخط. يتم تجهيز الثانوي لكل محول تيار بريلاي ثنائي اللفائف من نوع الإثارة. يغذي الثانوي لكل محول تيار دائرة الطرف الأول لريلاي ثنائي اللفائف. يتم توصيل الدائرة الثانوية لكل ريلاي بشكل متسلسل لتشكيل حلقة مغلقة بواسطة أسلاك الطيار. يجب أن يكون الاتصال بحيث يكون الجهد المستحث في ثانوي لفائف أحد الريلايات يعارض نفسه الآخر. تقوم جهاز التعويض بإلغاء تأثير تيارات السعة للأسلاك الطيار وتقليل تأثير عدم التوازن الأصلي بين محولتي التيار.
تحت ظروف التشغيل العادية وأثناء العطل الخارجي، يكون التيار في طرفي الخط متساوياً وبالتالي سيكون التيار المستحث في الثانوي لمحولتي التيار متساوياً أيضاً. بسبب هذه التيارات المتساوية في الثانوي لمحولتي التيار، ينتج في الطرف الأول لكل ريلاي نفس الجهد المستحث. وبالتالي، يكون الجهد المستحث في الثانوي للفائف أيضًا متساويًا ولكن يتم توصيل اللفائف بحيث تكون هذه الجهود في الاتجاه المعاكس. نتيجة لذلك، لن يتدفق أي تيار عبر حلقة الطيار ولن يتم إنتاج عزم دوران تشغيلي في أي من الريلايات.
ولكن إذا حدث أي عطل في الخط داخل المنطقة بين محولتي التيار، سيكون التيار المغادر للخط مختلفًا عن التيار الداخل إلى الخط. وبالتالي، لن يكون هناك تساوي بين التيار في الثانوي لمحولتي التيار. سيؤدي هذه التيار الثانوي غير المتساوي لمحولتي التيار إلى إنتاج جهد مستحث ثانوي غير متوازن في كلا الريلايين. وبالتالي، يبدأ التيار في التدفق في حلقة الطيار ويتم إنتاج عزم دوران في كلا الريلايين.
نظرًا لأن اتجاه التيار الثانوي معاكس في الريلايات، فإن عزم الدوران في ريلاي واحد سيميل إلى إغلاق نقاط القطع بينما سيميل عزم الدوران المنتج في الريلاي الآخر إلى الحفاظ على حركة نقاط القطع في وضعها الطبيعي غير المشغل. يعتمد عزم الدوران التشغيلي على موقع وطبيعة الأعطال في المنطقة المحمية من الخط. يتم فصل الجزء المعيب من الخط عن الجزء الصحي عندما يعمل على الأقل عنصر واحد من أي ريلاي.
يمكن ملاحظة أنه في نظام حماية Translay، يتم تركيب حلقة نحاسية مغلقة حول الوسط العمودي للفيركور
