کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده - بخش چهارم

مشکل چهارم: بحث اندک درباره استفاده از جریان خطای نیروگاه محلی برای حفاظت اتصال به شبکه

ژنراتور‌های القایی تنها دو یا سه سیکل از جریان خطا را برای خطا‌های بیرونی ایجاد می‌کنند. ماشین‌های سنکرون کوچک نوعا پس از اینکه بریکر‌های اتصال به شبکه سراسری تریپ دادند آنچنان دچار اضافه بار می‌شوند که جریان خطای شان قابل صرف نظر کردن است. این ژنراتور‌ها به رله خاصی جهت تشخیص خطای برگشت توان نیاز ندارند. برای این ژنراتور‌های کوچک استفاده از رله‌های ۸۱O/U یا ۲۷/۵۹ برای کشف غیر موازی بودن شان با شبکه سراسری ضروری است.

ژنراتور‌های سنکرون بزرگتر شانس بیشتری برای ایجاد یک جریان تأثیر گذار بر روی سیستم‌های حفاظتی شبکه سراسری دارند. نوعا یک رله ۵۱-V، ۲۱-V یا –V۶۷ می‌تواند برای کشف منبع چنین خطایی و جداکردن نیروگاه محلی از شبکه سراسری مورد استفاده قرار گیرد.

نصب وسیله‌ای برای برداشتن خطای برگشت توان باید در سمت اولیه ترانسفورماتور اتصال نیروگاه محلی به شبکه سراسری انجام شود. برای یک ترانسفورماتور با اولیه زمین شده، یک رله اضافه جریان نول N۵۱ یا یک رله جهت دار زمین N۶۷ باید انتخاب شود. برای ترانسفورماتور‌های زمین شده یک رله اضافه ولتاژ N۵۹ یا N۲۷ می‌تواند منبع تولید خطا را آشکار کند.

سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور‌های ولتاژی (PT) که برای تغذیه این رله‌ها انتخاب می‌شود باید از یک طرف به خط و از طرف دیگر به نول وصل شود. این ترانسفورماتور‌های ولتاژ معمولا با ولتاژ خط به خط مشخص می‌شوند. بعضی از شبکه‌ها از یک ترانسفورماتور ولتاژ تکی به همراه رله‌های ۵۹N و ۲۷N استفاده می‌کنند یا از سه ترانسفورماتور ولتاژ که به صورت مثلث باز آرایش داده شده اند. تصویر ۶ حفاظت یک نیروگاه محلی را به همراه ترانسفورماتور اتصال زمین نشده نشان می‌دهد.


تصویر ۶- یک رله چند کاره می‌تواند از چهار خطای مشترک برای ژنراتور‌های متوسط که از طریق ترانسفورماتور‌های زمین نشده به شبکه سراسری متصل شده اند جلوگیری کند.

 

مشکل پنجم: عدم کشف شرایط آسیب رسان

وضعیت جریان نامتعادل که از بازشدن مدار سلف‌ها یا برگشت فاز در تغذیه شبکه ایجاد می‌شود می‌تواند در یک نیروگاه محلی سبب ایجاد جریان‌های توالی منفی با دامنه بالا شود. عملکرد یک وسیله حفاظتی تک فاز (مانند فیوز‌ها و یا وصل کننده خودکار خطوط) در شبکه توزیع نیز می‌تواند به مشکل بالا منجر شود. جریان زیاد توالی منفی حرارت روتور ژنراتور‌های محلی را به سرعت بالا می‌برد و آسیب‌های زیادی به دستگاه وارد می‌سازد.

بسیاری از شبکه‌ها از رله‌ی جریان بالای توالی منفی (۴۶ relay) برای حفاظت در برابر جریان‌های نامتعادل در محل اتصال به نیروگاه محلی استفاده می‌کنند. تعداد اندکی هم از رله توالی منفی ولتاژ (۴۷ relay) برای حفاظت در برابر برگشت فاز ناشی از "تعویض فاز" غیرعمدی پس از وصل مجدد شبکه استفاده می‌کنند.

یک وضعیت آسیب زننده‌ی دیگر که می‌تواند برای ژنراتور‌های سنکرون روی دهد از دست رفتن سنکرونیسم با شبکه به علت طولانی شدن رفع خطا در شبکه سراسری است. موتور‌های رفت و برگشتی (پیستونی) مخصوصا در برابر این مشکل آسیب پذیرتر هستند چرا که اینرسی کمی دارند. چنین وضعیتی می‌تواند به آسیب فیزیکی محور آن‌ها بیانجامد.

موتور‌های پیستونی زمانی که توان الکتریکی ژنراتور و توان مکانیکی خروجی موتور به صورت ناگهانی نامتعادل شوند از سنکرونیسم خارج می‌شوند. توان الکتریکی خروجی به وسیله یک اتصال کوتاه سخت (معمولا سه فاز)، که دیر برداشته شود، می‌تواند ناگهان کاهش یابد در حالی که در طی زمان خطا توان مکانیکی خروجی ثابت باقی می‌ماند. یک عدم تعادل بزرگ بین توان الکتریکی و توان مکانیکی سبب می‌شود تا ژنراتور سرعت بگیرد و از وضعیت سنکرون خارج شود.

برای روشن شدن این وضعیت، یک خطا در کنار ترانسفورماتور‌های هوایی مجهز به وصل کننده مجدد را در نظر بگیرید. معمولا، تریپ وصل کننده مجدد دارای تأخیری است تا با فیوز‌ها هماهنگی ایجاد شود. تریپ بریکر ایستگاه نیز دارای تأخیر است تا با وصل کننده‌ها هماهنگی ایجاد شود. در نتیجه، ژنراتور‌های نیروگاه محلی یک ولتاژ کاهش یابنده را تجربه می‌کنند درحالیکه از شبکه جدانشده اند. به دلیل ثابت ماندن فرکانس در ژنراتور‌های محلی رله فرکانس پایین تریپ نخواهد داد. رله ولتاژ پایین مشکل را کشف می‌کند، اما نمی‌تواند با سرعت کافی تریپ دهد تا از غیرسنکرون شدن ژنراتور‌ها جلوگیری کند. یک رله اختصاصی برای کشف آسنکرون شدن (۷۸ relay) می‌تواند برای حفاظت ژنراتور از چنین مشکلی نصب شود. چنین حفاظتی نیز توسط رله‌های دیجیتال چند کاره قابل دستیابی است.

طرح اولیه استاندارد IEEE ۱۵۴۷ شامل یک فصل مهم در اینباره بود، اما این فصل در طی تصویب نهایی حذف شد. قانون ۲۱ کالیفرنیا حفاظت در برابر آسنکرون شدن را برای ژنراتور‌های سنکرونی که آنقدر بزرگ باشند که بتوانند ده درصد از کل جریان خطا را در سمت فشار قوی ترانسفورماتور اتصال به شبکه تأمین کنند سفارش می‌کند. این قسمت هم البته بعدا از قانون ۲۱ حذف شد. عدم سنکرونیسم و آسیب به محور درحقیقت بزرگترین نگرانی مهندسینی که مسئول طراحی اتصال ژنراتور‌های با موتور پیستونی به شبکه هستند را تشکیل می‌دهد.

مشکل ششم: مشخصه وصل مجدد ناکافی

پس از اینکه مدارات حفاظتی ترانسفورماتور اتصال به شبکه ژنراتور محلی را از شبکه سراسری جداکردند اتصال به شبکه باید مجددا برقرار شود. دو روش تریپ/ وصل مجدد برای وصل نیروگاه‌های محلی به شبکه به صورت گسترده تری استفاده می‌شوند. اولین روش نوعا در جایی بکار می‌رود که ظرفیت تولید ژنراتور‌های محلی با مصرف محلی مطابقت نداشته باشد. در این موارد حفاظت ترانسفورماتور اتصال به شبکه بریکر ژنراتور‌ها را تریپ می‌دهد (تصویر ۷). برای وصل مجدد بریکر ژنراتور باید به صورت خودکار سنکرون شود.


تصویر ۷- وصل مجدد نیروگاه محلی به شبکه پس از تریپ نیازمند وصل بریکر‌ها در زمان سنکرون بودن هستند.

بسیاری از تأسیسات نیاز به نصب رله چک کردن سنکرونیسم (۲۵) در بریکر اصلی هستند تا از آسنکرون بودن ژنراتور در زمان وصل مجدد به شبکه جلوگیری کند. این رله نوعا به رله منطقی ولتاژ پایین "باس مرده" مجهز هستند که در زمان خاموشی باس نیروگاه محلی فرمان وصل مجدد را صادر کند.

روش دوم در جایی استفاده می‌شود که توان خروجی نیروگاه محلی به اندازه بار‌های محلی باشد. در این مورد، حفاظت اتصال به شبکه بریکر اصلی ورودی برق از شبکه را تریپ می‌دهد. بسیاری از نیروگاه‌های محلی در کارخانه‌های پتروشیمی و کاغذسازی از رله‌های داخلی فرکانس پایین تقسیم توان برای موازنه بار‌های محلی با ظرفیت ژنراتورهایشان پس از اتصال به شبکه سراسری استفاده می‌کنند. سنکرون کردن مجدد این نیروگاه‌ها با شبکه نیاز به رله‌های سنکرونیسم پیچیده تری دارد که بتوانند همزمان زاویه فاز و همچنین تفاوت فرکانس لغزش و ولتاژ بین شبکه و نیروگاه محلی را اندازه گیری کنند. این نوع رله‌ها نوعا به صورت اتوماتیک یا دستی بر وضعیت نظارت می‌کنند و وصل مجدد را فرمان می‌دهند.