حفاظت دیستانس، چالش‌ها و ملاحظات - بخش 4

دسته‌بندی: حفاظت

در سه بخش اول از سری مقالات "حفاظت دیستانس، چالش‌ها و ملاحظات" به عوامل خطا در این حفاظت پرداخته شد. در این بخش از مقاله به یکی از موارد "ویژه" حفاظت دیستانس پرداخته می‌شود: اثر خطوط موازی بر روی عملکرد رله دیستانس. به طور کلی حفاظت خطوط چند مداره و خطوط موازی با چالش‌های عمیقی روبرو است. در این مقاله به شرح چالش‌های یاد شده پرداخته می‌شود.

لینک به بخش اول از مقاله

لینک به بخش دوم از مقاله

لینک به بخش سوم از مقاله

6- خطوط موازی

اگر دو خط هوایی بر روی سازه یک برج واقع شده باشند (نظیر خطوط دومداره) و یا در همه و یا بخشی از طول خود مسیری مشترک را در نزدیکی یکدیگر طی کنند، تزویجی مغناطیسی بین این دو خط به وجود می‌آید. تزویج توالی مثبت و منفی بین دو مدار ناچیز بوده و از همین رو در عمل از آن صرف نظر می‌شود. اما تزویج توالی صفر چنین نبوده و مقداری غیرقابل چشم پوشی دارد. ناچیز بودن تزویج در مدارهای توالی مثبت و منفی سبب می‌شود تا برای نمونه در شرایط بارگذاری بتوان از اثر تزویج صرف نظر کرده و دو مدار را مستقل از یکدیگر در نظر گرفت. اما در صورت بروز خطاهایی که زمین را درگیر می‌کند (نظیر خطای تکفاز به زمین) اثر تزویج دیگر قابل چشم پوشی نبوده و بر ولتاژهای محل نصب رله دیستانس اثرگذار است. اثر تزویج توالی صفر را می‌بایست هم در حالتی که هر دو خط در مدار هستند در نظر گرفت و هم زمانی که یک خط خارج از سرویس بوده و دو انتهای آن زمین شده است.

چالش اول

مدار ترسیم شده در شکل 1 که از دو خط موازی دارای تزویج تشکیل شده را در نظر بگیرید. هنگامی که خطایی در سیستم رخ دهد، ولتاژ اندازه‌گیری شده توسط المان توالی صفر رله در مدار خط A شامل ولتاژی القایی متناسب با جریان توالی صفر مدار خط B می‌شود. از آنجا که تزویج موجود بین خطوط موازی اثری در جهت خنثی نمودن اثر ولتاژ القایی در رله دیستانس به واسطه تغییر در جریان‌های خطا ندارد، تغییر ولتاژ محل رله سبب بروز خطا در محاسبه امپدانس ظاهری می‌شود. این که خطا در اندازه‌گیری سبب کاهش یا افزایش امپدانس ظاهری رله شود، به جهت جریان در مدار سالم بستگی دارد. اگر ولتاژ القایی در محل رله، ولتاژ اندازه‌گیری شده را افزایش دهد (خطای اندازه‌گیری مثبت)، این امر سبب افزایش امپدانس ظاهری شده و سبب کاهش برد رله میگردد. این امر زمانی رخ میدهد که جریان خط سالم هم‌جهت با جریان خط دارای خطا باشد. در صورتی که ولتاژ القایی در جهت کاهش ولتاژ محل رله باشد (خطای اندازه‌گیری منفی)، امپدانس ظاهری کوچک‌تر محاسبه شده و این امر سبب افزایش برد می‌گردد. این امر زمانی رخ می‌دهد کهه جریان مدار سالم در خلاف جهت مدار دارای خطا باشد. 

شکل 1- مدار معادل خطوط موازی A و B

برای نمونه مدار شکل 1 را در نظر بگیرید. فرض کنید رله دیستانس موجود در این شکل به گونه‌ای تنظیم شده که قادر باشد تا 80 درصد خط را پوشش دهد. قدرت اتصال کوتاه منابع به این ترتیب است که امپدانس‌های توالی مثبت این منابع برابر با صفر بوده (در اصطلاح منبع در توالی مثبت قدرت اتصال کوتاه بی‌نهایت دارد) و صرفا امپدانس‌های توالی صفر مقداری غیر صفر دارند. در شکل 2 میزان برد رله دیستانس برای حالات مختلف تغییر در امپدانس توالی صفر منابع دو انتهای خطوط (نسبت به امپدانس توالی صفر خط) ارائه گردیده است. پارامتر n در این شکل نشان دهنده میزان برد حقیقی رله بوده و از آنجا که رله برای برد 80 درصدی تنظیم شده صرفا در زمانی که n'=0.8 باشد در واقع برد رله دستنخورده باقی مانده است. برای شرایطی که پارامتر n کمتر از 0.8 باشد، رله با کاهش برد روبرو بوده و در زمانی که این پارامتر بزرگتر از 0.8 باشد یک افزایش برد حادث گردیده است. لذا با رصد این نمودارها می‌توان این نتیجه را به خوبی رصد کرد که هردو بعد کاهش/افزایش برد رله دیستانس امکان وقوع دارد!

شکل 2 - اثر تزویج دو خط موازی بر برد رله دیستانس [1]

برخی از راهکارهای ارائه شده برای جبران اثر تزویج در خطوط موازی اقدام به اندازه‌گیری جریان توالی صفر خط دیگر نموده و نسبتی مشخص از این جریان را در منطق حفاظتی رله وارد می‌نمایند. این کار با استفاده از یک ضریب جبران‌سازی صورت می‌گیرد. ضریب جبران‌سازی تزویج در توالی صفر در خطوط دو مداره (K_M) در رابطه (1) ارائه گردیده است. در این رابطه Z_M0 امپدانس تزویج توالی صفر بین خطوط موازی و Z_L1 امپدانس توالی مثبت خط انتقال است. 

(1)

در منطق حفاظتی رله ضریب K_M در محاسبه جریان اتصال کوتاه کاربرد دارد. در رابطه (2) نحوه اثردهی ضریب جبران سازی K_M و جریان توالی صفر خط موازی (I_B0) در جریان رله (I_R) ارائه گردیده است. شیوه محاسبه ضریب جبران‌سازی K_R (ضریب جبران‌سازی خطای زمین که در فانکشن دیستانس خطوط غیرموازی هم وجود دارد) در رابطه (3) و نحوه محاسبه I_A در رابطه (4) ذکر گردیده است. در این روابط جریان‌های خط تحت حفاظت با اندیس A و جریان خط موازی با اندیس B مشخص گردیده است. در انتها نیز با تقسیم ولتاژ محل رله (V_R) بر جریان رله (I_R، محاسبه شده در (2)) امپدانس ظاهری جبران سازی شده رله محاسبه می‌گردد.

(2)
(3)
(4)

 

این ضریب در شرایطی که هر دوخط موازی در مدار بوده و در محل نصب رله دیستانس امکان اندازه‌گیری جریان‌های‌ توالی صفر خط موازی هم وجود داشته، کاربرد دارد. هرچند که اگر خط موازی از مدار خارج شده و از هر دو سمت زمین شده باشد، از آنجا که دسترسی به جریان القایی در خط موازی وجود ندارد، دیگر استفاده از ضریب K_M برای جبران‌سازی اثر تزویج بین خطوط از بین می‌رود. در چنین مواردی استفاده از سامانه‌های کنترلی/پایشی نظیر اسکادا می‌تواند مفید باشد.

تا به این جای کار مقدماتی از نحوه اثرگذاری تزویج متقابل بین دو مدار موازی بر روی رله دیستانس گفته شد و دیدیم که مرجع ظهور این چالش ها امپدانس تزویج بین دو مدار است. اما خالی از لطف نیست بزرگی این امپدانس و پارامترهای اثرگذار بر روی آن را نیز بررسی کنیم. در شکل 3 نحوه اثرپذیری راکتانس متقابل بین دو خط موازی 110 کیلوولت برای خاک 100 اهم متر در فواصل مختلف بین خطوط و نیز وجود و یا عدم وجود سیم زمین (سیم گارد) ترسیم گردیده است. 

شکل 3- راکتانس متقابل بین مدارهای توالی صفر خطوط موازی [2]

با بررسی شکل 3 می‌توان دید که استفاده از سیم زمین در این مثال سبب کاهش راکتانس متقابل (X_0M) گردیده است. از سویی دیگر به وضوح مشخص است که با افزایش فاصله (d) بین دو مدار، راکتانس تزویج توالی صفر کاهش یافته است. اما شکل این نمودار فرمی لگاریتمی داشته و دیده می‌شود که با افزایش فاصله بین مدارها از سرعت کاهش راکتانس کم می‌شود. این امر سبب می‌شود تا حتی اگر فاصله بین خطوط موازی مقادیر نسبتا بزرگی هم داشته باشد، همچنان قدری از تزویج در مدارهای توالی صفر خطوط باقی بماند. 

چالش دوم

علاوه بر آن چه گفته شد رله‌های دیستانس خطوط موازی برای خطایی در خط بعدی (خطایی در خط پیاپی، خارج از خط اصلی تحت حفاظت) دچار کاهش برد می‌شوند. این امر بدان جهت است جریان حاصل از این خطا بین دو مدار موازی پخش شده و رله دیستانس هر خط تنها نیمی از جریان خطا را می‌بیند. این امر سبب کاهش برد رله دیستانس می‌شود، چرا که به دلیل این شیوه از توزیع جریان، امپدانس بخشی از خط بعدی که محصور به محل خطا و انتهای خطوط موازی واقع شده، به اندازه دو برابر مقدار واقعی خود دیده می‌شود. از آن جا که هدف از زون 2 در رله‌های دیستانس غالبا فراهم آوردن پوشش حفاظتی کامل برای کل طول خط بوده و این پدیده تاثیری بر امپدانس خطوط اصلی تحت حفاظت نداشته لذا نیازی به تغییر تنظیمات نیست. اما برای تنظیمات ناحیه 3 که غالبا پوشش خط متواتر نیز مطلوب است، اثر این پدیده میبایست در مطالعات حفاظتی دیده شود. 

 

منابع

[1]- Network Protection and Automation Guide: Protective Relays, Measurement and Control, Alstom

[2]- Numerical Distance Protection: Principles and Applications, Gerhard Ziegler, John Wiley & Sons, 2011.