حفاظت ژنراتور در قبال خطاهای دو فاز سیم پیچ استاتور

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: اتصال دو فاز داخل ژنراتور در دو فازی که در یک شیار واقع شده است و یا در دو فازی که  سر سیم های آن در کنار هم قرار گرفته اند، در اثر شکستن و خرد شدن عایق بندی کلافیها و یا نقایص دیگری بوجود می آید. ضمناًممکن است سیم پیچی دو فاز مختلف که در یک شیار مشترک قرار ندارند نیز هر کدام جداگانه با بدنۀ فلزی ژنراتور (دندانه ) ها اتصالی کند و در نتیجه سبب اتصال دو فاز از طریق بدنه فلزی ژنراتور گردد.

از طرفی اتصال بدنه یک فاز در داخل ژنراتور و اتصال زمین فاز دیگر در شبکه (خارج از ژنراتور) مانند شکل (d -12) نیز یک اتصال دو فاز را تشکیل می دهد .
اگر اتصال دو فاز در داخل زنراتور باشد، جریان اتصال کوتاه بین دو نقطۀ اتصالی اولاً توسط خود زنراتور بوجود می آید که به آن جریان اتصال کوتاه داخلی گفته می شود و ثانیاً توسط ژنراتوری که با این ژنراتور به طور موازی کار می کند از خارج وارد می شود که به آن جریان اتصال کوتاه خارجی گفته می شود. در شکل (13) این دو جریان با Ii , Ia مشخص شده است.

همانطور که می دانیم در موقع کار عادی ژنراتور، جریانها در دوطرف ژنراتور یعنی در طرفی که به شبکه متصل است و در طرف ی که به نقطۀ صفر اتصال ستارۀ سه فاز ژنراتور منتهی می شود چه از لحاظ فاز و چه از لحاظ دامنه با هم برابر می باشند. ولی در موقع اتصال دو فاز در داخل ژنراتور، این جریانها برابری خود را از دست می دهند.


شدت جریان اتصال کوتاه خارجی Ia بستگی به قدرت اتصال کوتاه شبکه،بدون در نظر گرفتن قدرت زنراتوری که اتصالی شده است دارد. در صورتیکه جریان اتصال کوتاه داخلی بستگی به شدت تحریک ژنراتور ومحل اتصالی آن دارد .

هر چه محل اتصالی از برن های ژنراتور به طرف نقطۀ صفر نزدیکتر شود. این جریان اتصالی بزرگتر می شود. این موضوع که در لحظۀ اول غیر معقول به نظر می رسد، بدلیل ان است که برای از بین بردن و خنثی کردن فلوی مغناطیسی در حالت اتصالی، همیشه به مقدار معینی آمپر دور در جهت مخالف احتیاج است. در موقعی که نقطۀ اتصالی از برن ها به جهت نقطۀ صفر ستاره پیش می رود. تعداد حلقه هایی که برای ایجاد این آمپر دور لازم است کممی شود. لذا باید جریان بالا رود.به عبارت دیگر میتوانگفت که حلقه های اتصالی شده ژنراتور مثل حلقه های یک ترانسفورماتور می ماند که در ان نسبت جریانها متناسب با عکس تعداد حلقه ها است.یعنی اگر در وسط سیمپیچی اتصالی می شود، باید جریان دو برابر شود و الی آخر .
البته فقط در نزدیکیهای نقطۀ صفر ستاره، جریان اتصال کوتاه در اثر پراکندگی یک مرتبه خیلی کوچک خواهد شد. چنانچه دیده می شود بر عکس اتصال زمین که هر چه محل اتصالی از برن ها در جهت نقطۀ صفر ستاره دورتر باشد جریان اتصال زمین کمتر است، در اتصال دو فاز، جریان اتصال کوتاه در موقعی که اتصالی در اطراف نقطۀ صفر نیز باشد خیلی زیاد است .
علاوه بر جریان اتصال کوتاه زیاد که در موقع اتصال دو فاز ایجاد می شود، می توان اتصال دو فاز در داخل ژنراتور را توسط کم شدن ولتاژ نیز تشخیص داد، به طوریکه هر چه محل اتصالی به برن های ژنراتور نزدیکتر باشد، این کوچک شدن ولتاژ (شکسته شدن ولتاژ) بیشتر ظاهر می شود .

روشهای مختلف برای تشخیص اتصال دو فاز داخلی
روشهای مختلفی که برای تشخیص اتصال دو فاز داخلی موجود است عبارت است از :
• رلۀ جریان زیاد زمانی که توسط ترانسفورماتور جریانی که در نقطۀ صفر ستارۀ ژنراتور بسته می شود تغذیه می شود.
• رلۀ دیفرانسیل

رله جریان زیاد زمانی
از آنجاکه اتصال دو فاز در داخل زنراتور همیشه سبب عبور جریان اتصال کوتاه زیادی از نقطۀ صفر ستارۀ ژنراتور می شود، می توان به کمک سنجش این جریان توسط رلۀ جریان زیاد زمانی از وقوع اتصالی آگاهی پیدا کرد . در اینحالت رلۀ جریان زیاد زمانی بروی سیم پیچی ثانویه ترانسفورماتور جریانی که در نقطۀ صفر ژنراتور بسته شده است نصب می گردد. البته این رله نمی تواند تشخیص دهد که اتصال دو فاز در داخل ژنراتور و یا در خارج ژنراتور اتفاق افتاده است و از آنجا که کلید اصلی زنراتور نباید در اثر خطاهای خارجی بلافاصله و بی موقع قطع گردد باید زمان قطع این رله خیلی زیاد باشد. از طرف دیگر مدت زیاد اثر اتصالی در ژنراتور سبب توسعه هر چه بیشتر محل اتصالی و از بین رفتن سیمپیچی ژنراتور میشود. لذا از رلۀجریان زیاد زمانی می توان فقط به عنوان یک وسیلۀ حفاظتی ذخیره استفده کرد. در شکل (15) محل نصب رلۀ جریان زیاد زمانی در طرف اتصال صفر ستازۀ ژنراتور نشان داده شده است .
شدت جریان کار رله باید قدری کمتر از جریان اتصال کوتاه دائمی ژنراتور در حالت تحریک بار کامل تنظیم گردد و نسبت به نوع ماشین، این مقدار اغلب برابر با 1.2 تا 1.6 جریان نامی ژنراتور می باشد .

رله دیفرانسیل
برای تعیین اتصال دو فاز داخلی و حفاظت ژنراتور در مقابل اثرات نامطلوب آن،رله دیفرانسیل از همه مناسبتر است. شکل (14 ) چنانچه دیده می شود در روی هر فاز، در دو طرف ژنراتور یک ترانسفورماتور جریان نصب شده و سیم پیچی ثانویه این ترانسفورماتور ها به طور همنام بیکدیگر متصل شده اند و از محل اتصال ثانویه ترانسفورماتورها توسط سیم های c،b ،a انشعابی برای رله دیفرانسیل گرفته شده است. در موقع کار عادی ژنراتور که جریانهای دو طرف ژنراتور باهم برابر است ولتاژ سه سر سیمی که به رله دیفرانسیل می رود صفر بوده و
رله بدون جریان می باشد .


در موقع اتصال کوتاه بین دو فاز داخل ژنراتور، جریان از ترانسفورماتورهای جریان عبور کرده و چون این جریان ها از حالت عادی (تعادل و برابری) خارج شده و مازاد جریان از رله دیفرانسیل عبور می کند و رله دیفرانسیل را تحریک نموده و سبب قطع کلید ژنراتور و برداشت تحریک آن می شود .

رله دیفرانسیل را نباید خیلی دقیق تنظیم نمود زیرا دقت زیاد سبب قطع بی موقع رله می شود. لذا معمولاً رله دیفرانسیل را طوری تنظیم می کنند که اگر تفاوت جریان برابر با 10 تا 20 درصد جریان نامی شد رله عمل نماید .
در صورتیکه نخواهیم دقت و حساسیت رلۀ دیفرانسیل را کوچک کنیم، باید از رلۀ دیفرانسیل پایدار استفاده نمود .
شکل (15) طرز اتصال رلۀ دیفرانسیل پایدار را برای حفاظت ژنراتوری که مستقیماً به شین بسته شده است نشان می دهد، در این شکل از رلۀ جریان زیاد که در طرف ستاره ژنراتور بسته شده است به عنوان ذخیرۀ حفاظتی استفاده گردیده است.


برای حفاظت اتصال دو فاز ژنراتوری که در حالت خیلی استثنایی سیم پیچی استاتور آن به صورت مثلث بسته شده است.، باید سیم پیچی ثانویه ترانسفورماتورهای یک طرف ژنراتور را نیز به صورت مثلث وصل کرد. زیرا همانطور که می دانیم اولاً جریان در سیمهای خروجی ژنراتور 3√ برابر جریان داخلی ژنراتور می باشد و در ثانی این دو  جریان نسبت به هم 30 درجه اختلاف فاز دارند وچون ترانسفورماتورهای جریان یک  طرف ژنراتور در شاخۀ مثلث قرار می گیرد. اگر نسبت تبدیل ترانسفورماتورها 3√/1 و طرف ثانویه آنرا به صورت اتصال مثلث ببندیم. جریانهای خروجی ترانسفورماتورهای جریان 3√ برابر بزرگ خواهد شد. و در اینصورت میتوان از 6 ترانسفورماتور یا نسبت تبدیل برابر استفاده کرد. شکل (16) اتصال چنین رله ای را به طور ساده نشان می دهد. چنانچه دیده می شود در این شکل نیز از رلۀ دیفرانسیل پایدار استفاده شده است .


در اتصال واحد ژنراتورها ژ( نراتور – ترانسفورماتور – نیش ) می توان فقط از یک رلۀ دیفرانسیل استفاده کرد و آنرا طوری بست که ژنراتور و ترانسفورماتور هر دو در مقابل اتصال دو فاز حفاظت شوند. در این حالت باید نسبت تبدیل ترانسفورماتور را نیز در نظر گرفت. نوع اتصال ترانسفورماتور قدرت نیز در انتخاب ترانسفورماتورهای جریان موثر می باشد .
مثلاً در صورتیکه ترانسفورماتور قدرت به صورت Yd5 بسته شده باشد، باید از یک ترانسفورماتور سه فاز کمکی با اتصال Yd5 جهت هم فاز کردن جریانها نیز کمک گرفت. در ضمن این ترانسفورماتور، تفاوت جریانهایی که در اثر عدم تطبیق نسبت تبدیل ترانسفورماتور قدرت با ترانسفورماتور جریان پیش می آید را نیز برطرف می کند.

در صورتیکه از ترانسفورماتور قدرت با اتصال YY0 استفاده شده باشد. ترانسفورماتور کمکی در صورتی لازم است که جریانهای ثانویه ترانسفورماتورهای جریان دو طرف شبکه بیشتر از 20% با هم متفاوت باشند .
شکل (17 )و ( 18) طریقۀ بستن رلۀ دیفرانسیل پایدار بروی ژنراتور و ترانسفورماتوری که به صورت واحد بسته شده است نشان می دهد .
در شکل (17) اتصال دو فاز در محدودۀ حفاظت شده اتفاق افتاده است و سیم ها، جهت جریانها و جریانی که از رلۀ دیفرانسیل عبور می کند را نشان می دهد .
در شکل (18) اتصال دو فاز در خارج از ترانسفورماتور و محدودۀ حفاظت شده اتفاق افتاده است و چنانچه دیده می شود رلۀ دیفرانسیل بدون جریان است .
برای پایدار کردن رله ها چنانچه دیده می شود از بوبین نگهدارنده استفاده شده است و رلۀ دیفرانسیل یک رلۀ جریان متناوب است .


چنانچه گفته شد در صورتیکه ژنراتور و ترانسفورماتور به صورت واحد بسته شده باشد، یک رلۀ دیفرانسیل برای حفاظت هر دوی آنها کافی است ولی در اغلب اوقات استفاده از چند رلۀ دیفرانسیل صحیح تر و مطمئن تر است

شکل (19) انواع مختلف اتصال واحد ژنراتور و ترانسفورماتور را که به وسیلۀ رلۀ دیفرانسیل حفاظت شده است نشان می دهد .
اگر برای حفاظت اتصال دو فاز زنراتوری که با ترانسفورماتور قدرت قابل تنظیم یک واحد الکتریکی را تشکیل می دهد، از رلۀ دیفرانسیل استفاده شود (شکل 19- الف) باید حساسیت و دقت دیفرانسیل را حتی المقدور کم کرد ( جریان کار 30% جریان نامی) زیرا با تغییر کردن نسبت تبدیل ترانسفورماتور قدرت نسبت تبدیل ترانسفورماتورهای جریان ثابت می ماند. در اینگونه مواقع بهتر است برای حفاظت ژنراتور از یک رلۀ دیفرانسیل مجزا و مخصوص استفاده شود. شکل 19 – . ب ج و د )


در این شکلها رلۀ دفرانسیل ژنراتور خیلی حساس و رلۀ دیفرانسیل ترانسفورماتور با حساسیت کمتر تنظیم شده است .
در ضمن می توان رلۀ دیفرانسیل غیر حساس را طبق شکل (19 ج- ) طوری بست که وظیفۀ رلۀ حفاظتی ذخیره را نیز برای ژنراتور بعهده بگیرد.

اگرمصرف داخلی کارخانه توسط سیم پیچی سوم یک ترانسفورماتور سه سیم پیچه تأمین می شود. شکل (19 ) ه- توان سیم پیچی سوم تقریباً 10% توان سیم پیچی اصلی ترانسفورماتور خواهد بود. در این حالت اگرجریان کار رله برابر 20% جریان نامی سیم پیچی انتخاب شود و این جریان نسبت به جریان سیم پیچی مصرف داخلی حساب شود.
مشاهده می شود که جریان کار رله برابر 200% جریان سیم پیچی سوم خواهد شد. لذا چنین رله ای برای خطائی که در داخل سیم پیچی سوم اتفاق می افتد کاملاً بی نتیجه و بی اثر خواهد بود و در بعضی اوقات حتی جریان اتصال کوتاه در اثر اتصال دو فاز داخل سیم پیچی مصرف داخلی نیز برای بکار انداختن رلۀ دیفرانسیل کافی می باشد .
در این گونه مواقع بهتر است علاوه بر رلۀ دیفرانسیل از یک رلۀ جریان زیاد نیز برای حفاظت سیم پیچی با قدرت کم استفاده کرد. این رله در شکل با عدد 2 مشخص شده است. در صورتیکه مصرف داخلی طبق شکل (19 ) و- و نیز تأمین شود، حفاظت هر دو ترانسفورماتور بکمک یک رلۀ دیفرانسیل نتیجه مطلوب نخواهد داد. لذا در اینحالت نیز از یک رلۀ دیفرانسیل مجزا که دارای حساسایت رلۀ دیفرانسیل ترانسفورماتور اصلی است، جهت حفاظت ترانس مصرف داخلی استفاده می شود .
در اشکال (19 – ب، د، و) رله های دیفرانسیل طوری بسته شده اند که سیم های رابط بین ترانسفورماتور های جریان نیز حفاظت شود .
همانطور که گفته شد اتصال کوتاه در استاتور ژنراتور در مرحله های ابتدائی و اولیه سبب خراب شدن حلقه ای می شود که اتصالی شده ولی اگر این اتصالی فوراً قطع نگردد حتی سبب خراب شدن و سوزاندن اهن دندانه های استاتور نیز می گردد. از این جهت رلۀ دیفرانسیل که برای حفاظت ژنراتور بکار برده می شود سبب قطع کلید دیژنکتور ژنراتور نیز می شود و در سیستم واحد ( ژنراتور – ترانسفورماتور – شین) سبب قطع کلید ترانسفورماتور و یا اگر دو کلید موجود باشد سبب قطع کلید زنراتور و کلید ترانسفورماتور خواهد شد . در ضمن رله دیفرانسیل در موقع عمل کردن باعث قطع مدار تحریک شده و دستگاه جرقه خاموشکن Co2 نیز بکار می اندازد .
در صورتیکه در اتصال واحد ژنراتور، از دو رلۀ دیفرانسیل استفاده شده باشد فقط رلۀ دیفرانسیل ژنراتور بروی دستگاه جرقع خاموش کن co2 کار می کند .
در یعضی مواقع شاید بهتر باشد که رلۀ دیفرانسیل حتی بر روی دستگاههای ترمز کننده توربین نیز مؤثر واقع شود .