رله‌گذاری حفاظتی
در اینجا نقش رله‌گذاری حفاظتی را در طراحی و کارکرد سیستمهای برقرسانی با بررسی مختصری از زمینه کلی موضوع توضیح می‌دهیم. سه جنبه مختلف سیستم برقرسانی در این بررسی به کار می‌آید. این جنبه‌های عبارتند از :
الف) بهره‌برداری عادی
ب) جلوگیری از بروز عیب الکتریکی
ج) محدودکردن پیامدهای بروز عیب الکتریکی
اصطلاح "بهره‌برداری" به حالتی اطلاق می‌شود که در دستگاهها عیبی نباشد. اشتباهی از افراد سر نزند و بلایی آسمانی رخ ندهد. در این حالت، حداقل امکانات برای تامین برق مصرف‌کنندگان فعلی و برآوردن مقداری از نیازهای قابل پیش‌بینی برای آینده فراهم است. پیش‌بینیهای لازم برای بهره‌برداری عادی، قسمت عمده هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی را در برمی‌گیرد. لکن سیستمی که تنها از این دیدگاه طراحی شده باشد چه بسا پاسخگوی نیازهای امروزی نباشد.
عیب کردن دستگاههای برقرسانی سبب خاموشی‌های تحمل‌ناپذیر می‌شود. از این رو باید پیش‌بینیهایی انجام داد تا خسارتهای وارد بر دستگاهها و قطع جریان برق در هنگام بروز عیب به حداقل کاهش یابد.
در اینجا دو راه چاره به نظر می‌رسد: اولا خصیصه‌هایی با هدف جلوگیری از بروز عیب در طراحی منظور کنیم و ثانیا به راههایی بیندیشیم که در هنگام بروز عیب دامنه خسارتها را کاهش دهد. در طراحی سیستمهای جدید از هر دو راه حل به درجات مختلف و با توجه به جنبه‌های اقتصادی هر مورد خاص استفاده می‌شود و هر روز پیشرفتهایی محسوستر در جهت افزایش اطمینان‌بخشی دستگاهها صورت می‌گیرد. اما از سوی دیگر وابستگی به نیروی برق نیز هر روز بیشتر می‌شود. در نتیجه اگر چه احتمال بروز عیب کاهش می‌یابد، از سوی دیگر قطع برق نیز تحمل‌ناپذیرتر می‌شود. از اینجا به بعد سودمندتر آن است که وقوع عیب را مجاز بشماریم و در عوض، چاره‌ای برای کم کردن دامنه خسارات آنها بیندیشیم.
بعضی از خصیصه‌های طرح و بهره‌برداری که هدف آنها کم کردن پیامدهای عیب است عبارتند از :
فصلاول فلسفه رله گذاری حفاظی صفحه:8
الف) خصیصه‌هایی که آثار مستقیم عیب را محدود می‌سازند.
1) طراحی به منظور محدود کردن مقدار جریان اتصال کوتاه
2) طراحی به منظور ایستادگی در مقابل تنشهای حرارتی و مکانیکی حاصل از اتصال کوتاه.
3) پیش‌بینی دستگاههای کسر ولتاژ با تاخیر زمانی بر روی کلیدها برای جلوگیری از قطع بارها در هنگام افتهای زودگذر ولتاژ.
ب) خصیصه‌هایی با هدف جداسازی فوری قسمت معیوب
1) رله‌گذاری حفاظتی
2) کلیدهای با قدرت قطع کافی
3) فیوزها
ج) خصیصه‌هایی که پیامدهای کنار رفتن قسمت معیوب را کم می‌کند.
1) مدارهای جانشین
2) ظرفیتهای ذخیره در مولدها و ترانسفورماتورها
3) بازبست خودکار
د) خصیصه‌هایی که در فاصله بین وقوع عیب تا حذف آن برای نگهداشت ولتاژ و پایداری سیستم وارد عمل شود.
1) تنظیم خودکار ولتاژ
2) مشخصه‌های پایداری مولدها
بنابراین رله‌گذاری حفاظتی یکی از چندین خصوصیت طرح سیستم در مورد به حداقل رساندن صدمات به دستگاهها و قطع برق در هنگام بروز عیب است. وقتی صحبت از حفاظت با رله به میان می‌آید منظور آن است که رله‌ها همراه با سایر وسایل به کاهش خسارات و بهبود خدمات‌رسانی کمک می‌کنند. پس تواناییها و شرایط کاربرد رله‌های حفاظت را باید همزمان با سایر خصیصه در نظر گرفت.
فصل اول فلسفه رله گذاری حفاظی صفحه:9
2-1) وظیفه رله‌گذاری حفاظتی
وظیفه رله‌گذاری حفاظتی این است که بی‌درنگ هر جز از سیستم برقرسانی را که دچار اتصال شود یا آغاز به عمل غیرعادی کند به طوری که احتمال خطر برود یا موجب مزاحمت برای عملکرد درست بقیه سیستم شود از مدار خارج سازد. وسایل رله‌گذاری در اجرای این وظیفه از کلیدهایی کمک می‌گیرند که قادرند جز معیوب را با دریافت فرمان از وسایل رله‌گذاری جدا کنند.
کلیدهای قدرت معمولا در جایی قرار می‌گیرند که می‌توانند هر مولد، ترانسفورماتور، باسبار، خط انتقال نیرو و غیره را کاملا از بقیه سیستم جدا سازد. این کلیدها باید ظرفیت کافی داشته باشند که بتوانند بیشترین جریان اتصال کوتاه را که امکان عبور آن از کلید هست موقتا تحمل و سپس قطع کنند. همچنین باید بتوانند بر روی چنین اتصال‌هایی بسته شوند و سپس براساس استانداردهای مشخص آن را جدا سازند.
در جاهایی که رله حفاظت و کلیدهای قدرت از لحاظ اقتصادی موجه نباشد فیوز به کار می‌رود. گرچه وظیفه اصلی رله‌گذاری حفاظتی، کاستن پیامدهای اتصال کوتاه است، حالتهای غیرعادی دیگری هم در بهره‌برداری روی می‌دهد که به کار رله‌های حفاظت نیاز پیدا می‌شود. این موضوع بویژه در مورد مولدها و موتورها صدق می‌کند.
وظیفه دوم رله‌گذاری حفاظتی این است که نشانه‌هایی از محل و نوع عیب به دست دهد. این‌گونه اطلاعات نه تنها به انجام شدن تعمیرات، سرعت می‌بخشد بلکه از راه مقایسه با نتیجه بازدید و نوسان نگارهای خودکار می‌تواند این امکان را فراهم آورد که کارآیی خود رله‌ها هم در جلوگیری از بروز عیب و کاستن دامنه خسارات ارزیابی شود.
3-1) اصول اساسی در رله‌گذاری حفاظتی
ابتدا فقط وسایل رله‌گذاری برای حفاظت در مقابل اتصال کوتاه را درنظر می‌گیریم. دو گروه از این وسایل وجود دارد که یکی رله‌گذاری "اصلی" و دیگری رله‌گذاری "پشتیبان" خوانده می‌شود. رله‌گذاری اصلی درواقع خط اول دفاعی را تشکیل می‌دهد و حال آنکه رله‌گذاری پشتیبان فقط وقتی عمل می‌کند که رله‌گذاری مقدم در انجام وظیفه خود شکست خورده باشد.
فصل اول فلسفه رله گذاری حفاظی صفحه:10
1-3-1) رله‌گذاری مقدم
شکل (1) رله‌گذاری مقدم را نشان می‌هد. نخستین اظهارنظر آن است که کلیدهای قدرت در محل اتصال هر جزء به سیستم جای گرفته اند.این پیش بینی اجازه می دهد که بتوان فقط جزء معیوب را از مدار جدا کرد. گاه می‌توان کلید بین دو جز مجاور را حذف کرد که در این حالت در هنگام عیب‌کرد یکی از این دو جز باید هر دو را از مدار جدا ساخت.
دومین نکته آن است که در اطراف هر جز از سیستم، یک منطقه حفاظت جداگانه‌ای بوجود می‌آید که اینک سخن بر سر چگونگی ایجاد آن نیست. اهمیت این مطلب در آن است که بروز عیب در هر منطقه سبب قطع همه کلیدهای واقع در آن منطقه خواهد شد.
همچنین آشکار می‌شود که در مقابل عیبهایی که در محل تداخل دو منطقه حفاظت مجاور روی دهد تعداد کلیدهای قطع شده بیش از کمترین تعدادی است که برای بیرون بردن قسمت معیوب ضرورت دارد. اما اگر مناطق با هم تداخل نکنند عیبی که در حد فاصل بین دو منطقه پیدا شود در هیچ منطقه‌ای قرار نمی‌گیرد و بنابراین هیچ کلیدی قطع نخواهد شد. از میان این دو حالت ، وجود تداخل ضرر کمتری دارد. میزان تداخل نسبتا کم و احتمال وقوع عیب در محل تداخل ناچیز است و درنتیجه قطع شدن تعداد زیادی کلید، بسیار نادر خواهد بود.
2 ـ 3 ـ 1) رله‌گذاری پشتیبان
رله‌گذاری پشتیبان فقط برای حفاظت در مقابل اتصال کوتاه به‌کار می‌رود. از آنجا که اتصال کوتاه، فراوانترین نوع عیب در سیستمهای برقرسانی به‌شمار می‌رود احتمال عیب کردن رله‌گذاری مقدم بصورت اتصال کوتاه نیز بیشتر است. تجربه نشان می‌دهد که رله‌گذاری پشتیبان برای عیبهایی جز اتصال کوتاه از نظر اقتصادی موجه نیست.
فصلاول فلسفه رله گذاری حفاظی صفحه:12
برای آنکه بتوان بهتر به روشهای مربوط به رله‌گذاری پشتیبان پی برد، دریافتی روشن از علل احتمالی عیب کردن رله‌های مقدم ضرورت دارد. وقتی می‌گوییم رله‌گذاری مقدم می‌تواند عیبت کند یعنی اینکه در موارد چندی ممکن است از جدا کردن بخش معیوب بازبماند. بروز عیب در رله‌گذاری مقدم می‌تواند ناشی از عیب کردن هر یک از قسمتهای زیر باشد:
الف) منبع جریان یا ولتاژ رله‌ها
ب) منبع ولتاژ مستقیم قطع‌کننده کلیدها
ج) رله‌های حفاظت
د) مدار قطع‌کننده یا مکانیزم قطع کلید
ﻫ) کلید
ایده‌آل این است که رله‌گذاری پشتیبان چنان در نظر گرفته شود که همزمان با پیدایش عیب در رله‌گذاری مقدم، عیب نکند. واضح است که این عمل فقط وقتی حاصل می‌آید که رله‌های پشتیبان را در جایی نصب کنیم که هیچ جزء مشترک و یا فرمان مشترک با رله‌گذاری مقدمی که بناست پشتیبانی شود در آنها به‌کار نرفته باشد. در عمل هر جا که ممکن باشد رله‌گذاری پشتیبان را در ایستگاه دیگری قرار می‌دهند.
چنانچه حفاظت پشتیبان در محل حفاظت اصلی قرار گرفته باشد به حفاظت پشتیبان محلی و چنانچه دور از حفاظت اصلی باشد، به حفاظت پشتیبان دور موسوم است.
در شکل (4) برای حفاظت ترانسفورماتور، ابتدا رله 1R در کوتاهترین زمان مثلا ً01/0 ثانیه عمل می‌کند (حفاظت اصلی) و سپس در صورت عدم قطع رله 1R، عمل قطع به ترتیب توسط رله‌های 2R و 3R بعنوان رله‌های پشتیبان محلی و دور انجام خواهد شد لازم به توضیح است رله‌های 2R و 3R مثلاً در زمانهای 3/0 یا 6/0 ثانیه عمل می‌نمایند.
در شکل (4) برای خطا در نقطه F در ترانسفورماتور، 1R رله اصلی، 2R پشتیبان محلی و 3R پشتیبان دور است
4 ـ 1) حفاظت در مقابل دیگر حالتهای غیرعادی
رله‌گذاری حفاظتی در مقابل عواملی جز اتصال کوتاه هم در ردهء رله‌گذاری مقدم دسته‌بندی می‌شود. ولی از آنجا که حالتهای غیرعادی نیازمند حافظت در اجزای مختلف سیستم متفاوت است برخلاف حفاظت در مقابل اتصال کوتاه، تداخل حوزه عمل رله‌ها معمولاً در حالتهای دیگر به‌کار نمی‌رود. در عوض هر جزء سیستم را جداگانه به هر نوع رله‌گذاری که بدان نیاز باشد مجهز می‌کنند و این رله‌گذاری را طوری ترتیب می‌دهند که کلیدهای لازم را قطع کند. البته این کلیدها غیر از کلیدهایی هستند که در مورد رله‌گذاری در برابر اتصال کوتاه قطع می‌شوند. در این موارد چنانکه پیش از این گفتیم رله‌گذاری پشتیبان به‌کار نمی‌رود زیرا تجربه آن را از نظر اقتصادی توجیه نمی‌کند. ولی در بیشتر مواردی که حالتهای غیرعادی دیگری روی دهد که جریانها یا ولتاژهای غیرعادی پدید آورد، رله‌گذاری پشتیبان مربوط به اتصال کوناه عمل خواهد کرد که بدین‌سان نوعی حفاظت پشتیبان فرعی فراهم می‌شود
محسن خدابخشی کارشناس برق قدرت و کارشناس ارشد مدیریت اجرایی 09125348620