اتصال زمین ژنراتور و رله حفاظت آن-بخش دوم

سرویس آموزش وآزمون برق نیوز: همانطور که گفته شد، هر چه محل اتصال به نقطۀ صفر اتصال ستارۀ سیم پیچی ژنراتور نزدیکتر شود جریان اتصال زمین کوچکتر می‌گردد، در صورتیکه اگر بخواهیم بکمک روش ولتمتری فوق بیش از ۹۰ سیم پیچی ژنراتور را در مقابل اتصال زمین حفاظت کنیم، بعلت ثابت بودن مقاومت بار، باید رله با جریان اتصال زمین خیلی زیاد کار کند و در اینصورت قدرت ترانسفورماتور نقطۀ صفر نیز زیاد می‌شود.
در مثال فوق اگر بخواهیم از ۹۵ سیم پیچی حفاظت کنیم، جریان اتصال زمین و قدرت ترانسفورماتور صفر دو برابر خواهد شد؛ لذا برای حفاظت‌های بیش از ۹۰ بهتر است بجای مقاومت ثابت از یک مقاومت متغیر که تغییرات آن تابعی از ولتاژ است استفاده شود.
برای مقاومت متغیر و تابع ولتاژ می‌توان از تعدادی مقاومت مخصوص که به صورت لامپ ساخته می‌شود بطور موازی استفاده کرد.
تغییرات و مشخصۀ این مقاومت طوریست که در ولتاژ کم، جریان اتصال زمین نسبتاً زیادی عبور می‌کند، ولی این جریان با ازدیاد تدریجی ولتاژ مانند شکل (۲۵) خیلی کم افزایش پیدا خواهد کرد.



در این روش حفاظت، بجای رلۀ ولتمتری از رلۀ آمپریک استفاده می‌شود و ان را بر روی یک
ترانسفورماتور جریان بین راه (ردوکتور) می‌بندند.
چون این مقاومت‌های متغیر FeH بصورت لامپ می‌باشند و برای ولتاژ ۲۲۰ ولت ساخته شده است، باید ترانسفورماتور صفر در اینحالت بخصوص دارای نسبت تبدیل زیر باشد:
با استفاده از این روش می‌توان حفاظت را به ۹۵ درصد رسانید. این روش طبق شکل (۲۶) می‌باشد:


– رلۀ اتصال زمین برای ژنراتوری که نقطۀ صفر ستارۀ آن ایزوله باشد

در اینحالت نیز، چون ژنراتور و ترانسفورماتور تشکیل یک واحد را می‌دهند و ارتباط طرف ولتاژ قوی و ولتاژ ضعیف ترانسفورماتور توسط کاپاسیتۀ ترانسفورماتور CTr برقرار‌ می‌شود، اتصالی در ولتاژ قوی مستقیماً روی ولتاژ ضعیف مؤثر نمی‌باشد. از اینجهت می‌توان بکمک ترانسفورماتور ولتاژ با سیم پیچی ثانویه مثلث باز، ولتاژ جابجایی را که در اثر اتصال بدنه در داخل ژنراتور و یا در اثر اتصال زمین یکی از سیم‌های رابط بین ژنراتور و ترانسفورماتور بوجود می‌آید مشخص کرده و توسط یک رلۀ ولتمتری و یا یک رلۀ آمپریک مانند شکل (۲۷) سنجید.


ولتاژ جابجایی ایجاد شده در دو سر سیم پیچی باز ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ، همانطور که گفته شد متناسب با محل اتصالی شده از صفر تا UG/√ ۳ تغییر می‌کند و حساسیت رلۀ اتصال زمین که بروی دو سر سیم پیچی مثلث باز بسته شده است باید بقدری باشد که در اثر اتصال زمین شدن شبکه عمل نکند.

اگر اتصالی در طرف ولتاژ قوی باشد، چون ولتاژ قوی و ضعیف بطور خازنی بهم مربوطند، (کاپاسیتۀ متقابل سیم پیچی ثانویه و اولیه ترانسفورماتور CT) باز هم یک اختلاف پتانسیلی بین دو سر سیم پیچی باز ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ ایجاد می‌شود که بزرگی آن بستگی به نسبت مقاومت‌های خازنی CT و کاپاسیتۀ قسمت ولتاژ ضعیف نسبت بزمین دارد.
کاپاسیتۀ قسمت ولتاژ ضعیف نسبت بزمین عبارتست از کاپاسیتۀ بین سیم‌های رابط ژنراتور و ترانسفورماتور نسبت بزمین CL و کاپاسیتۀ خود ژنراتور نسبت بزمین CG که در شکل (۲۸) نشان داده شده است



این ولتاژ که در حقیقت ولتاژ الکتریکی مزاحم می‌باشد سبب می‌شود که نتوان رلۀ اتصال زمین را طوری تنظیم کرد که ۱۰۰ سیم پیچی ژنراتور در مقابل اتصال بدنه حفاظت شود اگر ولتاژ جابجایی در اثر اتصال زمین شدن شبکه UM باشد.


-حفاظت ۱۰۰ % اتصال زمین ژنراتور

اغلب این فکر پیش می‌آید که آیا باید حفاظت را طوری انجام داد که ۱۰۰ سیم پیچی ژنراتور (تمام سیم پیچی) در مقابل اتصال بدنه حفاظت شود یا ۹۰ حفاظت که بوسیله دستگاه‌های فوق انجام می‌گیرد کافی است.
تجربه نشان داده است که امکان اتصال زمین در قسمت هایی از سیم پیچی ژنراتور که از نقطۀ ستاره دور است خیلی زیاد و در نزدیکی‌های نقطه صفر به قدری کم است که‌ می‌توان گفت: امکان آن تقریباً وجود ندارد.
از این جهت اتصال زمین در قسمت‌های نزدیک اتصال ستارۀ سیم پیچی حتی تا قسمت‌های ۲۰ ولتاژ نیز از محالات است. این موضوع با در نظر گرفتن اینکه عایق سیم پیچی‌ها در تمام قسمت‌های سیم پیچی یکسان است کاملاً روشن به نظر می‌رسد.
در ضمن در صورت وقوع یک چنین اتصالی در قسمت‌های نزدیک نقطۀ صفر ستاره، جریان اتصالی بقدری کم است که نمی‌تواند باعث خراب شدن هستۀ آهن ژنراتور گردد.
ولی همانطور که گفته شد این جریان اغلب باعث خراب کردن عایق در محل اتصالی و سرایت آن به قسمت‌های دیگر می‌شود و ممکن است سبب اتصال دو فاز گردد از.
اینجهت است که باید حتی اگر اتصالی در نزدیکی نقطۀ صفر هم باشد، بوجود آن پی برد، آنرا سنجید و ژنراتور را از کار انداخت و رفع اتصالی کرد.
جهت حفاظت ۱۰۰ اتصالی سیم پیچی استاتور ژنراتور با بدنه ماشین، معمولاً پتانسیل نقطه صفر ژنراتور را که به زمین وصل است مانند شکل (۳۰) توسط یک ولتاژ خارجی تغییر می‌دهند.


چنانچه دیده می‌شود، مابین اتصال ستارۀ ژنراتور و زمین، یک ترانسفورماتور ولتاژ نصب شده است. این ترانسفورماتور که توسط ولتاژ همبستگی ژنراتور تغذیه می‌شود. سبب بالابردن اختلاف سطح نقطۀ صفر ستارۀ ژنراتور می‌شود.
ولی به محض اینکه اتصالی در داخل ژنراتور اتفاق افتد، جریان بحدی خواهد رسید که سبب بکار انداختن رلۀ جریانی که حفاظت ژنراتور بکار برده شده است می‌شود. معمولاً به توسط ترانسفورماتور ولتاژ اضافی می‌توان ولتاژ نقطۀ صفر را تا ۱۰ ولتاژ نامی ژنراتور بالا برد.
همانطور که از شکل (۳۰) ملاحظه می‌شود، بین اتصال ستاره ژنراتور و زمین، یک ترانس افزاینده ولتاژ نقطۀ صفر (مشخص شده با عدد ۱) نصب شده که باعث بالا بردن اختلاف سطح نقطۀ صفر ستاره ژنراتور می‌شود. ولی به محض اینکه اتصال در داخل ژنراتور اتفاق افتد، جریان بحدی می‌رسد که سبب بکار انداختن رله جریانی که برای حفاظت ژنراتور بکار برده شده است می‌شود.
معمولاً توسط ترانسفورماتور ولتاژ اضافی می‌توان ولتاژ نقطه صفر را تا ۱۵ درصد ولتاژ نامی ژنراتور بالا برد. در شکل (۳۰) ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ نقطه صفر با عدد ۱، ترانسفورماتور جریان برای تغذیه رله جریان با ۲، رله جریان با ۴ و ۳ برای نمایش یک مقاومت اهمی است که جهت محدود کردن جریان اتصال زمین بکار برده شده است.
این مقاومت نیز از نوع مقاومت تابع ولتاژ می‌باشد تا از عبور جریان‌های بیش از حد و خطرناک که سبب صدمه زدن به آهن ژنراتور می‌شود جلوگیری شود.
این روش حفاظت به وسائل زیاد نیاز دارد و خیلی گران تمام می‌شود. زیمنس برای حفاظت ژنراتور در قسمت ۱۰ آخر سیم پیچی ژنراتور روشی بکار می‌برد که از روش فوق بمراتب سهل‌تر و ارزانتر است.
همانطور که می‌دانیم هر ژنراتوری علاوه بر ولتاژ با فرکانس ۵۰ دارای ولتاژ با فرکانس بالاتر نیز می‌باشد که از همه مهمتر و بزرگتر ولتاژ با فرکانس ۱۵۰ سیکل یا هارمونیک سوم است. مقدار این ولتاژ در موقع بی باری ژنراتور، در حدود ۲ - ۵ ولتاژ نامی و در حالت بار نامی قدری بزرگتر است.
از این ولتاژ می‌توان جهت تشخیص اتصال بدنه در حوالی نقطۀ صفر سیم پیچی ژنراتور استفاده کرد. این ولتاژ را می‌توان در دو سر سیم پیچی ثانویه مثلث باز یک ترانسفورماتور ولتاژ مانند شکل (۳۱) بدست آورد.

 

چنانچه شکل (۳۱) نشان می‌دهد این جریان‌های با هارمونیک سوم از ترانسفورماتور ولتاژ می‌گذرند و در سیم پیچی باز ثانویه آن ایجاد یک ولتاژ با هارمونیک سوم می‌کند که البته از از نظر قدر مطلق خیلی کوچکتر از حالتی است که یک اتصال زمین در محل اتصال ستاره یا در حوالی آن ایجاد شود، زیرا اختلاف سطحی که در دو سر سیم پیچی باز ثانویه ترانسفورماتور ایجاد می‌شود بستگی به جریانی که از سیم پیچی اولیه آن می‌گذرد دارد. این جریان در موقعی که نقطۀ صفر ستاره یا حوالی آن بزمین وصل شده باشد بمراتب بیشتر از حالتی است که جریان از مقاومت‌های خازنی بین سیم پیچ‌ها و زمین عبور کند.
برای سنجش ولتاژ هارمونیک سوم معمولاً از یک رلۀ جریان زیاد استفاده می‌شود. بطوریکه رلۀ جریان زیاد را با یک مقاومت اهمی در دو سر سیم پیچی مثلث باز وصل می‌کنند و برای اینکه فقط جریانی که در اثر ولتاژ با فرکانس ۱۵۰ بوجود می‌آید از رله عبور کند، یک سد فرکانس بالا نیز در مدار رله اضافه می‌شود.

در صورتیکه ژنراتور بدون باز باشد همانطور که گفته شد ولتاژ با فرکانس ۱۵۰ خیلی کوچک است، ولی در موقعی که از ژنراتور بار گرفته شود ولتاژ الکتریکی هارمونیک‌های بالا مخصوصاً هارمونیک سوم نیز زیاد می‌شود تا جایی که در اغلب ماشین‌ها باعث بکار انداختن نابجای رلۀ اصلی اتصال زمین می‌گردد.
این جواب دادن رله در مقابل ولتاژ هارمونیک‌های بالا را باید بوسیله‌ای بدون اینکه حساسیت رله کم شود از بین برود. زیرا کم شدن حساسیت رله مثل این می‌ماند که حفاظت آن محدود شده باشد. شکل (۳۲) جریان هارمونیک‌های بالا را نسبت به بار ژنراتور و همچنین جریانی را که رله بازای آن عمل می‌کند نشان می‌دهد.



چنانچه دیده می‌شود جریان با فرکانس ۱۵۰ سیکل می‌تواند از جریانی که جهت بکار انداختن رله لازم است خیلی بیشتر شود.
بوسیلۀ یک دستگاه پتانسیومتری می‌توان این اضافه شدن جریان هارمونیک سوم بازای بارهای زیاد را تقریباً از بین برد. به این طریق که جریانی را که متناسب با جریان بار و به اندازه قدر مطلق شدت جریان هارمونیک سوم باشد و با آن ۱۸۰ درجه نیز اختلاف فاز دارد، از رلۀ اتصال زمین عبور می‌دهیم. این جریان اثر جریان هارمونیک سوم را در بارهای زیاد بکلی خنثی می‌کند. شکل (۳۳) از آنجا که ترقی جریان هارمونیک سوم با اضافه شدن بار خیلی زیاد است، ولی ترقی جریان مزاحم بعلت ثابت بودن کاپاسیتۀ ژنراتور در هر حال خیلی کمتر از جریان هارمونیک سوم در حالت اتصالی شدن نقطۀ صفر، یا حوالی نقطۀ صفر می‌باشد. می‌توان حتی جریانی را که برای از بین بردن جریان هارمونیک سوم در بارهای بالا و بدون عیب ماشین بکار می‌رود طوری انتخاب کرد که از جریان هارمونیک سوم نیز قدری بیشتر باشد. بطوریکه همیشه یک جریان اضافی در رله باقی بماند. در شکل (۳۳) این جریان اضافی باقیمانده با d. نشان داده شده است.a جریان هارمونیک سوم مزاحم و b. جریان شروع کار رله و c. جریان خنثی کننده می‌باشد. بدینوسیله می‌توان مطمئن بود که رله هیچگاه سبب قطع بیجای ژنراتور نخواهد شد. از آنچه گفته شد می‌توان نتیجه گرفت که کلیه اتصال زمینهایی که در ۹۰ حلقه‌های سیم پیچی ژنراتور بوجود می‌آید بتوسط سنجش ولتاژ جابجایی و اتصال زمینهایی که در ۱۰ حلقه‌های نزدیک به نقطۀ صفر ستارۀ سیم پیچی ژنراتور بوجود می‌آید. بوسیله موج هارمونیک سوم سنجیده و مشخص می‌شود.


همان طور که می‌دانیم اتصال زمین در نقطۀ صفر یا در حوالی صفر اولاً خیلی بندرت پیش می‌آید و در ثانی اگر اتفاق افتد تا مدتی خطرناک نمی‌باشد. از اینجهت بهتر است که اصولاً رلۀ حفاظتی اتصال زمین در حوالی پتانسیل صفر را از قسمت‌های دیگر ژنراتور مجزا کرد. به این دلیل برای حفاظت این دو قسمت از دو دستگاه حفاظتی مجزا استفاده می‌شود.

دستگاهی که حفاظت ۹۰ سیم پیچی را بعهده دارد بمحض عمل کردن، ژنراتور را از مدار خارج می‌کند و تحریک را بر میدارد؛ و دستگاهی که حفاظت ۱۰ سیم پیچی نزدیک به نقطۀ صفر ستاره را بعهده دارد در موقع اتصالی بوسیله بوق و یا سیگنال ظهور اتصالی را خبر می‌دهد.
مخصوصاً در حالتیکه ژنراتور شبکۀ بزرگی را تغذیه می‌کند. (بوسیله چندین ژنراتور)، بسیار لازم است که غفلتاً توان قابل ملاحظه‌ای بعلت یک اتصال زمین ناچیز قطع نگردد.
شکل (۳۴) دستگاه حفاظت اتصال بدنۀ ژنراتور را که شامل دو دستگاه حفاظتی مجزا یکی برای حفاظت از ۱۰ - ۰ و دیگری برای حفاظت از ۱۰۰ - ۱۰ می‌باشد، نشان می‌دهد.
در این شکل رلۀ ۲ جهت حفاظت دستگاه در قسمت ولتاژ ۱۰ به بالا می‌باشد و رلۀ ۳ قسمت ۱۰ به پایین را حفاظت می‌کند. چون رلۀ ۳ فقط با موج هارمونیک سوم باید کار کند، لذا بوسیله سد فرکانسی از عبور جریان‌های فرکانس ۵۰ یا کمتر بداخل رله جلوگیری شده است.