حفاظت باس بار

1. حفاظت باس بار محمد فتحی 871842115 علی بدیعی 871842103 استاد گرانقدر: جناب آقای دکتر سرلک دانشگاه صنعتی جندی شاپور

2. حفاظت باسبار • طرح حفاظت برای سیستم قدرت باید انواع اتصالی ها را جوابگو باشد. • خطر وقوع یک اتصالی روی باسبارهای مدرن نسبت به سایر قسمت های سیستم قدرت خیلی کم است. • با این حال نمی توان فراموش کرد که به علت تمرکز MVA اتصالی زیان یک اتصالی بر طرف نشده ممکن است جبران ناپذیر باشد و سبب آتش سوزی در پست گردد.

3. حفاظت باسبار • معمولا باس بارها و تجهیزات کلیدزنی مربوطه در محیط های محافظت شده ی پست های برق قرار دارند. این امر موجب فراهم آمدن قابلیت اطمینان بالایی شده، به گونه ای که می توان این تجهیزات را مصون در برابر خطا فرض کرد. • عملکرد اشتباه سیستم حفاظتی باس بار موجب خروج گسترده خطوط متصل به آن می گردد. در صورتی که این خطوط به سرعت به مدار بازگرداننده نشوند، خسارات وارد آمده بسیار بیشتر از وقوع خطا بر روی باس بار خواهد بود.

4. حفاظت باسبار • سیستم های حفاظتی غیر واحد همانند حفاظت اضافه جریان و دیستانس، به همراه حفاظت های پشتیبان موجود در سیستم، پوشش حفاظتی مناسبی را برای باس باردر هنگام بروز خطا فراهم می آورند. • لازم به ذکر است که سیستم های حفاظتی دیگری که در شبکه موجود می باشند، پوشش حفاظتی مورد نیاز را برای باس بار تامیین نمی کنند. هرچند که پوشش فراهم شده توسط سیستم های حفاظتی دیگر در مورد پست های توزیع کوچک مناسب به نظر می رسد، این پوشش در مورد پست های مهم به هیچ وجه کافی نمی باشد.

5. حفاظت باسبار • از مزیت های باسبار این است که، اگر باسبار به چند قسمت تقسیم شده و هر قسمت جداگانه حفاظت شده باشد، یک اتصالی رو هر قسمت باعث قطع کامل انرژی پست نمی شود. • از دیگر مزیت ها این است که بارهای مهم می توانند از دو قسمت باسبار یا بیشتر تغذیه گردند و اتصالی رو یک قسمت باعث قطع انرژی الکتریکی آنها نخواهد شد.

6. خطاهای باس بار بیشتر خطاهای باس بار از نوع تکفاز به زمین می باشند. این اتصالی ها به دلایل فراوانی رخ می دهند که مهمترین آنها از بین رفتن عایق بین فاز و زمین می باشد. در حقیقت بسیاری از خطاهای باس بار ناشی از اشتباهات انسانی می باشد، تا آنکه منشا آنها خرابی تجهیزات کلیدزنی باشد.

7. خطاهای باس بار • برای مثال در هنگام انجام عملیات تعمیر و نگهداری تجهیزات کلیدزنی، همانند مدارشکن، دو طرف وسیله ی مورد نظر زمین می شود. در برخی از موارد پس از اتمام عملیات، افراد فراموش می کنند که اتصال زمین برقرار شده به زمین را از روی شبکه بر دارند. در هنگام برق دار شدن چنین قسمتی، سیستم با خطای باس بار مواجه خواهد شد.

8. خطاهای باس بار • در باس بار ها فاز ها کاملا از یکدیگر جدا هستند، تنها اتصالی زمین ممکن است رخ بدهد. • در نتیجه یک طرح حفاظتی فقط نیاز به حساسیت به اتصال زمین را دارد. • به عبارت دیگر طرح حفاظت باس بار تنها کافی است به اتصالی های فاز به زمین پاسخ بدهد و لازم نیست حساسیت آن بالا باشد.

9. خطاهای باس بار • در یک بررسی آماری انجام شده در مورد 129 خطای باس بار در یک سیستم قدرت نمونه مشاهده شد که 67/4 درصد خطاها از نوع تکفاز به زمین، 11/6 درصد خطاها از نوع دوفاز به زمین و 14/7 درصد از خطاها از نوع سه فاز به زمین بوده اند، در حالی که تنها 4/7 درصد خطاها از نوع سه فاز بدون درگیری با زمین بودند. همچنین علت 1/6 درصد خطاها ناشناخته بود. • در این بررسی همچنین مشخص شد که حدود 21 درصد خطاها در اثر قوس زدن، 15/5 درصد در اثر واماندگی مدارشکن و 11/6 درصد در اثر فراموشی باز کردن اتصال زمین پس از عملیات تعمیر و نگهداری روی داده اند. این نتایج در جدول مشاهده می گردند:

10. خطاهای باس بار

11. نیازمندی های حفاظت باس بار • هرچند که سیستم حفاظتی باس بار از نظر اصول عملکردی تفاوت با سایر سیستم های حفاظتی موجود در شبکه قدرت ندارد ولیکن به علت موقعیت خاص باس بار، حفاظت آن نیازمند ویژگی های مخصوص به خود می باشد . از میان این ویژگی ها می توان به سرعت عملکرد سیستم حفاظتی و پایداری آن اشاره کرد.

12. سرعت • حفاظت باس بار در ابتدا مربوط می شود به : محدود کردن آسیب های ناشی از وقوع خطا روی باس بار برطرف کردن اتصالی از روی باس بار در کمترین زمان ممکن

13. سرعت • در بعضی از حفاظت های قدیمی باس از یک سیستم دیفرانسیل امپدانس کم استفاده می کردند که درای زمان عملکرد نسبتا زیاد حدود0/5 ثانیه بود. ولی اکنون اساس بیشتر طرح های مدرن یک سیستم دیفرانسیل متشکل از رله های امپدانس زیاد است که قابلیت عمل در زمان یک سیکل را دارا می باشند. به این زمان عمل رله های فرمان قطع (Trip) افزوده شود، ولی یک زمان قطع کمتر از دو سیکل می تواند باشد. لذا برای برطرف کردن کل اتصالی توسط قطع کننده های مدار سریع ممکن است تقریبا 0/1 ثانیه طول بکشد.

14. پایداری • مسئله ی پایداری در مورد حفاظت باس بار از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. • با توجه به نرخ بسیار پایین وقوع خطا در باس بار که به طور متوسط یک خطا در طول 20 سال می باشد، لازم است که از پایداری سیستم حفاظتی باس بار اطمینان حاصل شود. • در غیر اینصورت از احتمال بروز اختلال در شبکه قدرت با نصب سیستم حفاظتی باس بار نه تنها کاسته نشده بلکه افزایش نیز خواهد یافت.

15. انواع سیستم های حفاظت باس بار • برخی از سیستم های حفاظت باس بار به شرح زیر می باشند: • استفاده از حفاظت سیستم قدرت جهت پوشش باس بارها تنها جهت پست های کوچک مناسب می باشد • حفاظت اتصال بدنه • حفاظت تفاضلی • حفاظت مقایسه فاز تقریبا منسوخ شده است • حفاظت قفل کردن جهتی تقریبا منسوخ شده است

16. حفاظت باس بار با استفاده از حفاظت سیستم • یک حفاظت سیستم که شامل سیستم های اضافه جریان یا دیستانس است، حفاظت باس بار را نیز انجام خواهد داد. حفاظت اضافه جریان تنها در سیستم های توزیع نسبتا ساده یا مانند یک حفاظت پشتیبان با زمان تاخیر مناسب به کار برده می شوند. • حفاظت دیستانس پوشش باس را با ناحیه دوم خود انجام می دهد. بنابراین در هر دو حالت فوق، حفاظت باس بار در نظر گرفته شده، کند بوده و فقط برای سیستم های ساده مناسب است (برای خطاهای نه چندان سنگین)

17. حفاظت باس بار با استفاده از حفاظت سیستم • به طور کلی این نوع حفاظت باس بار برای سیستم های ساده و یا حالتی که پست به صورت حلقه متصل شده و در آن ترانفورماتور های جریان در رابطه با قطع کننده های مدار قرار گرفته اند مورد استفاده قرار می گیرند.

18. حفاظت اتصال بدنه • این نوع حفاظت یک حفاظت اتصال فاز به زمین در سوئیچگیرهای بسته می باشد که در اثر عبور جریان از بدنه تجهیزات محوطه به طرف زمین عمل می کند. • یک ترانفورماتور جریان در این نقطه بر روی هادی زمین نصب شده است که جریان ورودی یک رله ی ساده آنی را تامین می کند. این سیستم در شکل (1) نشان داده شده است.

19. حفاظت اتصال بدنه بدنه تجهیزات کلیدزنی رله خطای بدنه به زمین تریپ تمامی مدارشکن ها شکل 1

20. حفاظت اتصال بدنه • لازم است که هیچ گونه اتصال زمین دیگری، به غیر از اتصال مطرح شده و به هر نحوی، حتی اتصال تصادفی تابلو به اسکلت بندی فلزی، وجود نداشته باشد. دلایل این امر به شرح زیر است: الف)اتصال زمین اصلی نباید دارای اتصال موازی باشد. زیرا که در اثر این امر تنظیم موثر افزایش خواهد یافت. ب) در صورت بروز خطای زمین در نقطه دیگری از سیستم، امکان عبور این جریان از بدنه تابلوی تجهیزات کلید زنی از طریق دو نقطه زمین شده فراهم می باشد، که این امر ممکن است موجب عملکرد اشتباه این حفاظت گردد.

21. حفاظت اتصال بدنه • لازم است که تمامی تجهیزات کلید زنی به صورت یکجا، معمولا با قرار دادن آنها بر روی یک پی بتونی، نصب شوند. • اندیشیدن تمهیدات خاصی جهت عدم اتصال تقویت فولادی (آرماتور) پی به بدنه ی این تجهیزات ضروری می باشد. • در این راستا لازم است که پی در محل هر سوراخ به اندازه ی کافی بریده شود تا امکان اتصال تقویت های فولادی بدون خطر برقراری ارتباط با آرماتور فلزی فراهم آورده شود. • میزان قدرت عایقی که در نهایت حاصل خواهد شد چندان بالا نخواهد بود، در این حالت مقاومت 10 اهم یک مقدار مناسب می باشد.

22. حفاظت اتصال بدنه ترانسفورماتور جریان نشتی بدنه بدنه تجهیزات کلیدزنی فیدر خروجی باس بار ژنواتور مقاومت زمین سیستم مقاومت عایقی میان بدنه و زمین مقاومت الکترود زمین شکل 2

23. حفاظت اتصال بدنه شکل 3

24. حفاظت اتصال بدنه شکل 4

25. حفاظت اتصال بدنه • شکل (2)، دلیل نیاز به حد پایین مقاومت عایقی برابر 10 اهم بین بدنه و زمین را نمایش می دهد. در هنگام بروز خطای خارجی جریان I1 از ترانسفورماتور جریان نشتی بدنه عبور می کند. • در صورتی که مقاومت عایقی بسیار پایین باشد، امکان عبور جریان کافی جهت عملکرد رله نشتی بدنه وجود خواهد داشت.

26. حفاظت اتصال بدنه • با توجه به محدود نشدن قابلیت چک کردن، این امر خود موجب عملکرد رله چک کننده شده و مدار تریپ کامل می شود. مقاومت زمین میان الکترود زمین و زمین واقعی به ندرت از 1 اهم بیشتر می باشد، بنابراین با توجه به مقاومت عایق 10 اهم، جریان I1 به علاوه I2 محدود می شود. • به همین دلیل تنظیم حداقل پیشنهادی برای این طرح حفاظتی حدود 30 درصد حداقل جریان خطای زمین می باشد.

27. حفاظت تفاضلی • اصول حفاظتی • رله ی متصل شده بین باس سیم های (Bus wires) ترانسفورماتورهای جریان مشابه مسیر خطا در سیستم اولیه می باشد. • بنابراین این رله تا هنگامی که خطایی روی باس بار روی ندهد تحریک نخواهد شد. • از طرف دیگر در صورت بروز خطا، این رله جریانی را دریافت می کند که بیانگر جریان خطا می باشد.

28. حفاظت تفاضلی • این طرح ممکن است شامل یک رله متصل شده به باس سیم هایی که به صورت موازی به تمامی ترانسفورماتورهای جریان متصل شده اند، باشد. • در این طرح یک مجموعه از تجهیزات، برای یک مدار مرتبط با هر ناحیه وجود دارد. این طرح در شکل (5) نشان داده شده است. • این طرح حفاظت خطای زمین باس بار را فراهم می کند که غالبا مناسب و کافی به نظر می رسد.

29. حفاظت تفاضلی اساس طرح جریان گردشی (فقط خطای زمین) رله تفاضلی شکل 5

30. حفاظت تفاضلی • حفاظت در برابر خطاهای فازی را می توان با اتصال ترانسفورماتورهای جریان به صورت تعادلی در هر فاز و با استفاده از یک رله سه عنصری فراهم کرد. این طرح در شکل (6) نشان داده شده است. • تنظیمات خطاهای زمین و فازی یکسان می باشد. • این طرح به دلیل سادگی به کارگیری و عملکرد مناسب توصیه می شود.

31. حفاظت تفاضلی طرح جریان گردشی خطای فاز و زمین با استفاده از رله سه عنصری رله تفاضلی شکل 6

32. حفاظت تفاضلی باس های قسمت بندی شده و دوتایی • هر بخش از یک باس قسمت بندی شده توسط یک سیستم جریان گردشی جداگانه حفاظت می شود. • ناحیه های در نظر گرفته شده بر روی کلید های بین ناحیه ها هم پوشانی دارند، از این رو بروز خطا بر روی این کلید ها موجب تریپ دو ناحیه مجاور خواهد شد. این طر در شکل 7 نشان داده شده است.

33. ناحیه های حفاظتی در پست دارای باس دوتایی 1 2 3 مدارهای خروجی نمونه شکل 7

34. حفاظت تفاضلی امپدانس بالا • اساس این نوع تجهیزات مبتنی بر مقایسه جریان های ورودی و خروجی ناحیه های حفاظت شده می باشد و معمولا از ترتیب گردش جریان استفاده می شود و در آن ترانسفورماتورهای جریان و شکل اتصال داخلی آنها نمونه ای از توزیع جریان در باس بار را نشان می دهد. • رله ای که به دو سر ترانفورماتورهای جریان موازی شده متصل است، نمونه ای از مجموعه جریان های وارد و خارج شده به باس بار را می بیند. • از این رو تا اتصالی روی باس بار اتفاق نیفتد رله عمل نمی کند. یک طرح که در آن ترانسفورماتورهای جریان به صورت موازی با رله قرار دارند در شکل 8 نشان داده شده است.

35. مدار معادل سیستم جریان گردشی شکل 8

36. تئوری امپدانس بالا یکی از ترانسفورماتورها را اشباع در نظر می گیریم در این حالت امپدانس موازی برابر صفر بوده و ترانفورماتور جریان فاقد خروجی می باشد لازم به ذکر است که این امر معادل اتصال کوتاه فیزیکی نمی باشد.

37. تئوری امپدانس بالا • جریان عبوری از رله به صورت زیر می باشد: • در صورتی که کوچک باشد تقریبا خواهد بود که این امر غیر قابل قبول خواهد بود. از طرفی در صورت بزرگ بودن جریان کاهش میابد. با قبول حدی خطا می توان رابطه را به صورت زیر نوشت:

38. تئوری امپدانس بالا • در مورد رله های سریع تر، با قابلیت عملکرد در یک سیکل و بدون داشتن قابلیت خاصی جهت در نظر گرفتن مولفه DC میرا شونده، لازم است که مقدار موثر شکل موج دارای آفست در نظر گرفته شود. • این مقدار در مورد شکل موجی که کاملا دارای آفست بوده ومقدار DC کاهش نمیابد، برابر می باشد. • در صورتی که تنظیمات رله با توجه به مولفه متقارن جریان خطا انتخاب شوند، در نظر نگرفتن ضریب موجب از بین رفتن بخش عظیمی از حاشیه ایمنی می شود.

39. تئوری امپدانس بالا • سرانجامدر صورتی که یک رله ی واقعا آنی مورد استفاده قرار گیرد، مقدار جریان برابر حداکثر پیک آفست می باشد. • در این حالت ضریب کمتر از واحد شده و حتی ممکن است که برابر 0/7 شود. از این رو میتوان رابطه را به این شکل بازنویسی کرد: • حد پایداری طرح • تنظیم ولتاژی مدار رله • مقاومت سیم های رابط بعلاوه مقاومت ترانس • ضریبی وابسته به طراحی رله

40. تنظیم موثر جریان عمل کننده اولیه • معیار دیگری که در طراحی یک سیستم تفاضلی مطرح می باشد، حداقل جریان اولیه ای است که موجب عملکرد رله می گردد. • تنظیم موثر ثانویه برابر حاصل جمع حداقل جریان مورد نیاز برای عملکرد رله و جریان تحریک در تمامی ترانسفورماتورهای جریانی که به صورت موازی متصل شده اند می باشد، صرف نظر از اینکه جریان اولیه عبور بدهد یا ندهند. این عمل را میتوان به این صورت نشان داد: تعداد ترانسفورماتور موازی تنظیم موثر جریام تحریک ترانسفورماتور جریان در تنظیم ولتاژی رله جریان تنظیمی مدار رله

41. خصوصیت چک کنندگی • طرح های مطرح شده برای خطای زمین را تنها از طریق سیستم بدنه زمین می توان چک کرد، که این چک کردن برای تمامی تجهیزات تابلوی کلید زنی به صورت یک مجموعه کلی فراهم می شود و ضرورتی جهت قسمت بندی از آن وجود ندارد. • در مورد طرح های خطای فاز، سیستم چک کننده معمولا مشابه طرح هایی می باشد که برای تابلوی تجهیزات کلیدزنی به عنوان یک ناحیه فراگیر منفرد فراهم می شوند.

42. خصوصیت چک کنندگی شکل 9

43. روش های حفاظت باس بار • 1- حفاظت باس بار توسط دو عامل قطع مستقل • 2- حفاظت باس بار با استفاده از دو سیستم حفاظتی مستقل • 3- حفاظت باس بار و ترانسفورماتور قدرت به طور توام

44. حفاظت باس بار توسط دو عمل قطع مستقل • در مواردی که ایجاد دقت بالا برای حفاظت باس بار لازم باشد، می توان از این روش استفاده کرد. • در این نوع حفاظت در صورت عملکرد رله حفاظتی فرمان به دو سیستم منتقل می شود تا در صورت بروز نقص سیستم قطع دوم عمل حفاظت را کامل کند.

45. حفاظت باس بار با استفاده از دو سیستم حفاظتی مستقل • این روش در پست های مهم قدرت زیاد می تواند مورد استفاده قرار گیرد. • در این روش برای حفاظت باس بار دو سیستم حفاظت دیفرانسیل که تغذیه آنها نیز از ترانسفورماتورهای جریان مستقل می باشد، استفاده می شود.

46. مواردی که باعث عملکرد ناخواسته رله دیفرانسیل می شود • الف: اشباع ترانس های جریان CT1 و CT2 در اثر عبور جریان اتصال کوتاه خارج از محدوده حفاظت باعث عملکرد رله می شود. • ب: وجود تپچنجر در ترانس قدرت • ج: جریان ضربه ای در حفاظت سیستم قدرت • بنابراین رله دیفرانسیل باید طوری ساخته شود که در موارد بالا از عملکرد آن جلوگیری شود.

47. حفاظت باس بار و ترانسفورماتور قدرت به طور توام • در این روش فقط از یک رله دیفرانسیل استفاده می شود. • محدوده حفاظت این رله بین ترانسفورماتورهای جریان یک طرف ترانسفورماتور قدرت و فیدرهای باس بار می باشد. • این روش به دلیل اقتصادی بودن در باس بار های فشار ضعیف، در مواردی که احتمال هیچگونه معکوس شدن جهت جریان بار نباشد مورد استفاده قرار می گیرد. • این روش فقط برای حفاظت باس بارهایی توسط یک ترانسفورماتور قدرت تغذیه می شود، می تواند مورد استفاده قرار بگیرد.

48. الف – اشباع ترانس های جریان • در اثر عبور جریان زیاد ناشی از اتصال کوتاه خارج از محدوده، حفاظت ترانس های جریان به ناحیه اشباع می رسد و بعلت عدم تطبیق منحنی های مغناطیسی آنها در ناحیه اشباع و در نتیجه خطای ترانس های جریان، اختلاف جریانی بوجود می آید که می تواند باعث عملکرد ناخواسته رله شود.

49. ب – وجود تپچنجر در ترانس های قدرت • در اثر تغییر مراحل تپ چنجر در ترانس های قدرت چون نسبت تبدیل ترانس ها در زمان تعویض تپ تغییر می کند در نتیجه در نسبت جریان اولیه و ثانویه نیز تغییری بوجود می آورد که باعث عملکرد ناخواسته رله می شود. برای جلوگیری از عملکرد رله دیفرانسیل باید پایدار باشد.

50. ج - جریان ضربه ای در حفاظت سیستم قدرت • هنگام برقرار کردن ترانس (در صورت باز بودن ثانویه) یک جریان ضربه ای که مقدار آن به 8 تا 12 برابر جریان نامی می رسد از سیم پیچ اولیه می کند که چون مقدار آن در سیم پیچ اولیه می باشد و جریان ثانویه صفر است رله دیفرانسیل به علت تفاوت جریان عمل خواهد کرد در صورتی که این جریان زیاد، پس از از چند میلی ثانیه کاهش می یابد و به جریان بی باری می رسد. رله نباید در این حالت عمل نماید برای جلوگیری از عملکرد، رله باید Inrush Proof باشد.