حفاظت دیستانس، چالش‌ها و ملاحظات - بخش 1

دسته‌بندی: حفاظت

قصد بر آن است تا در یک مقاله چند قسمتی به بررسی وجوه مختلف حفاظت دیستانس پرداخته شود. به روایت یکی از بزرگان این حوزه، حفاظت‌های دیستانس اسب‌های کاری سامانه‌های حفاظتی در شبکه‌های قدرت هستند که بسته به امکانات ارتباطی موجود امکان اجرای طرح‌های مختلف نظیر حفاظت دیستانس پله‌ای، مخابراتی و ... را دارا هستند. تاثیرپذیری کم این رله‌ها از تغییرات شبکه (حداقل در حالت ایده‌آل خود) نسبت به رله‌های اضافه‌جریان سبب کارآمدی آن‌ها در شبکه‌های انتقال می‌گردد. اما کار به این جا ختم نمی‌شود. عموما روش تحلیل و بررسی این دست از رله‌ها بسیار ساده‌سازی شده است. در اغلب موارد تحلیل یا بر روی یک شبکه یک سو تغذیه بررسی شده و یا تحلیل بر روی یک مدار معادل دو سو تغذیه ساده‌سازی شده انجام می‌شود. این امر سبب می‌شود تا در ذهن مخاطب مطالعات پیش از تعیین تنظیمات زون‌های مختلف رله دیستانس نیز خالی از اهمیت باشد. از این روست که در بسیاری از موارد نحوه تعیین تنظیمات رله‌های دیستانس عموما به صورت یک فلوچارت مستقل از مطالعات عمیق شبکه تقلیل داده شده است.

در این مقاله لزوما هدف آموزش صفر تا صد مبحث حفاظت دیستانس یا حفاظت انتقال نیست، هرچند که به فراخور زمان ممکن است در آینده چنین مباحثی هم در ویدلتا منتشر شود. در این مجموعه هدف پرداختن به مباحثی است که کمتر به آنها پرداخته شده و یا حداقل از دید نویسنده نیاز است تا بیشتر در رابطه با آن صحبت شود. 

در طی سالیان طولانی، رله‌های دیستانس در انواع و گونه‌های مختلفی طراحی و عرضه شده‌اند و لازم است تا قبل از هر چیز تصویری از رله دیستانس تحت بررسی در این مقاله (و مقالات دیگر از این مجموعه) خدمت مخاطبان ارائه گردد. رله دیستانس مورد نظر در این مقاله با استفاده از ولتاژها و جریان‌های اندازه‌گیری شده در محل نصب خود (در یکی از ترمینال‌های خط) اقدام به محاسبه یک امپدانس ظاهری در 6 حلقه مختلف خطا می‌نماید. روش محاسبه این امپدانس ظاهری در ادامه و در جدول 1 ارائه می‌گردد. این روشی متداول در حفاظت دیستانس محسوب شده اما لزوما تنها روش موجود در همه رله‌های تجاری نیست. سه رابطه اول مربوط به حلقه خطای فاز به زمین و سه رابطه بعدی مربوط به حلقه خطای فاز به فاز هستند.

جدول 1 - نحوه محاسبه امپدانس ظاهری در هر یک از حلقه‌های خطا

نحوه محاسبه K0 و I_R (مربوط به حلقه های خطای زمین) به ترتیب در (1) و (2) آمده است. در این روابط پارامتر Z_1L امپدانس توالی مثبت، Z_0L امپدانس توالی صفر و I_R جریان باقی‌مانده هستند.

(1)	k0 = (Z0L - Z1L)/(3.Z1L)
(2)	IR = IA + IB + IC

مدار ساده یکسوتغذیه شکل 1 را در نظر بگیرید. فرض کنید خطایی با مقاومت R_f در فاصله m از محل نصب پست روی داده است. در این حفاظت ایده اصلی این است که در شرایط ایده‌آل و در صورت بروز خطا، نتیجه مقایسه امپدانس خط (Z_Line) و امپدانس ظاهری اندازه‌گیری شده (Z_a) متناظر با امپدانس معادل فاصله‌ای باشد که خطا در آن اتفاق افتاده است. یعنی برای مثال برای حالتی که مقاومت خطا برابر با صفر باشد، Za در شکل 1 برابر با m.zline خواهد بود. حال آن که با افزایش مقاومت خطا، امپدانس ظاهری نیز به سمت مقاومتی تر شدن انتقال یافته و برابر با m.zline + Rf می‌شود. هرچند که این ایده‌آل‌ترین تعبیریست که می‌توان از فلسفه حفاظت دیستانس داشت و در عمل بحث به شدت پیچیده‌تر می‌شود. در این تعبیر از خطاهای ممکن در تجهیزت اندازه‌گیری و رله، خطای مدل‌سازی خط، اثر گذراها بر روی تجهیزات اندازه‌گیری (برای نمونه CCVT)، وجود منبع در سمت مقابل (سمت R و اثر آن بر روی امپدانس ظاهری) و ... صرف نظر شده است. 

شکل 1 - مداری ساده - یک سو تغذیه (این مدار ابتدای کار است، با حرکت به سوی چالش‌های جدی تر مدل‌ها نیز پیچیده‌تر خواهند شد.)

با ادامه بحث به هر یک از مباحث ذکر شده به عنوان چالش پرداخته شده و اثر هر یک از عوامل در حد چند پاراگراف تشریح می‌گردد. برخی از عوامل موثر در خطای رله‌های دیستانس که در ادامه ارائه شده است:

    1 - اثر خطای ترانسفورماتورهای ولتاژ

    2 - اثر خطای ترانسفورماتورهای جریان

    3 - خطا در مدل‌سازی خط

    4 - دقت رله

    5 - خطاهای مقاومتی

    6 - تزویج متقابل

    و ...

خطا علاوه بر موارد یاد شده می‌تواند بر اساس مدت زمان حضور یا به عبارتی دیگر گذرا (transient) یا حالت ماندگار (steady-state) بودن آن نیز دسته‌بندی شود. رله‌های دیستانس در فرم غیرمخابراتی (بدون تلپروتکشن) عموما به صورت پله‌ای و با استفاده از چند ناحیه حفاظتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. بسته به این که در رابطه با تنظیم چه ناحیه‌ای (Zone) از نواحی حفاظتی رله‌های دیستانس صحبت می‌کنیم، ممکن است نیاز به اتخاذ ملاحظات ویژه‌ای در برخورد با هر یک از منابع خطا باشد. در این بین ناحیه 1 یکی از مهم‌ترین نواحی حفاظتی است که با هدف پاک‌سازی آنی خطا به محض وقوع تعیین می‌شود. این ناحیه بیشترین تاثیر را از خطاهای گذرا می‌پذیرد.

ناحیه 1 رله‌های دیستانس می‌بایست به گونه‌ای تنظیم شود تا برد آن‌ از ترمینال انتهای خط بیشتر نشده و برای این کار می‌بایست یک حاشیه اطمینان کافی برای منظور کردن همه منابع خطا در نظر گرفته شود. به خطاهای گذرا اغلب با طراحی المان حفاظتی (توسط سازنده) و به خطاهای حالت دائم از طریق تنظیمات (توسط کاربر رله) پرداخته می‌شود. تاخیری کوتاه و از عمد اغلب قادر است تا مشکل خطاهای گذرا را حل نموده اما در رابطه با خطاهای حالت دائم تاخیر چندان کارساز نیست.

در ادامه این مقاله و بخش‌های آتی آن به بررسی عوامل خطا در عملکرد حفاظت‌های دیستانس پرداخته می‌شود.

1- خطای ترانسفورماتور ولتاژ
خطای نسبت تراسنفورماتور ولتاژ به طور مستقیم بر برد موثر رله دیستانس اثر دارد. یعنی به ازای 1 درصد خطا در اندازه‌گیری ولتاژ، 1 درصد خطا در برد رله دیستانس به وجود می‌آید. برای نمونه اگر یک ترانسفورماتور ولتاژ به مقدار 3 درصد ولتاژ را کم‌تر از آن چه که هست اندازه‌گیری کند، این امر سبب بروز یک افزایش برد (over-reach) 3 درصدی می‌شود. در ضمیمه انتهای پست تعریف افزایش برد و کاهش برد در رله‌های دیستانس ارائه گردیده است.
ترانسفورماتورهای کلاس حفاظتی برای ولتاژهای نزدیک به نامی نسبتا دقیق هستند(خطایی در مقیاس دهم درصد). هرچند با در نظر گرفتن بازه‌ای وسیع‌تر از ولتاژها (کاربرد حفاظتی) میزان خطای نسبت ولتاژ ممکن است به 3 الی 6 درصد نیز برسد. دقت اعلامی عموما برای یک حداقلی از ولتاژ (نظیر ولتاژی بزرگتر از 5 درصد) اعلام می‌شود. مقدار خطای نسبت ترانسفورماتور ولتاژ برای ولتاژهای کوچک‌تر از این مقدار حداقلی، به مراتب بیشتر می‌شود. این مشکل در سیستم‌های قدرت «ضعیف» پررنگ‌تر است. در رابطه با سیستم‌های قدرت ضعیف توضیحات مفصلی نیاز است که در قسمت‌های آتی مقاله به آن‌ها پرداخته می‌شود. همچنین ذکر این نکته حائز اهمیت است که مواردی نظیر بردن (burden) در هر دو بعد توان و ضریب توان به همراه فرکانس کاری شبکه نیز برای دقت اعلامی می‌بایست در یک رنج باشند. برای تحصیل اطلاعات مربوط به خطای نسبت ترانسفورماتور ولتاژ، می‌بایست به اطلاعات پلاک، هرگونه اطلاعاتی از سازنده و یا تست‌های اجرا شده توسط کاربر رجوع شود. این که بردن ترانسفورماتور سازگار با رنج اعلامی توسط سازنده باشد نیز امری مهم است که باید مورد بررسی قرار بگیرد. مواردی نظیر به کار بستن مقاومت کمکی برای بارگذاری صحیح CCVTها در کنار رله‌های میکروپروسسوری نیز از مواردی است که می‌بایست در نظر گرفته شود.
خطای زاویه‌ای ترانسفورماتورهای ولتاژ کوچک بوده (برای مثال 2 الی 4 درجه) و برای اکثر سیستم‌های قدرت (به جز سیستم های ضعیف) قابل صرف نظر کردن است. به طور کلی به واسطه خطاهای حفاظتی در برد رله‌های دیستانس به دلیل خطای ترانسفورماتورهای ولتاژ، توصیه بر آن است تا حاشیه اطمینانی 5 درصدی منظور گردد، مگر در حالتی که به استناد داده‌های مورد اطمینان موجود امکان تعیین حاشیه اطمینان کوچک‌تر نیز وجود داشته باشد. توجه داشته باشید که این مقدار از حاشیه اطمینان صرفا ناشی از خطای ترانسفورماتورهای ولتاژ بوده و هنوز جمع اثر همه موارد تاثیرگذار در خطا و اثر آن بر روی برد مجاز ناحیه 1 ذکر نشده است. 

ادامه بحث در بخش‌های آتی این مقاله ذکر خواهد شد. با اضافه شدن هر بخش لینک آن در ادامه درج خواهد شد.

لینک به بخش دوم از مقاله

لینک به بخش سوم از مقاله

لینک به بخش چهارم از مقاله

ضمیمه

---

افزایش برد (over-reach):

شرایطی به سبب یکی از عوامل بروز خطا در زنجیره اندازه‌گیری و محاسبات رله دیستانس است که در آن رله برای خطاهای خارج از ناحیه حفاظتی از پیش تعیین شده عملکرد دارد. این امر مطلوب نبوده و تهدید خروج خط سالم در اثر بروز خطا در خطوط همسایه را در پی دارد. در این حالت اصل تمایز (selectivity) در حفاظت نقض می‌شود.

کاهش برد (under-reach): 

شرایطی به سبب یکی از عوامل بروز خطا در زنجیره اندازه‌گیری و محاسبات رله دیستانس است که در آن رله برای خطاهای داخل ناحیه حفاظتی از پیش تعیین شده تریپ نمی‌دهد. در این حالت امپدانس ظاهری اندازه‌گیری شده توسط رله برای خطایی در داخل ناحیه حفاظتی، به اشتباه در نقطه‌ای بیرون از تنظیمات رله دیده می‌شود.