حفاظت نامتقارن ستاره زمین شده و نشده بانک‌های خازنی موازی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز،محافظت از بانک‌های خازنی شنت در برابر خطا‌های داخلی شامل چندین دستگاه حفاظتی در یک طرح هماهنگ است.

به طور معمول، عناصر حفاظتی موجود در بانک‌های خازنی شنت (SCB) در برابر خطا‌های داخلی عبارتند از: فیوز‌های مجزا (در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرد)، حفاظت نامتقارن و فراهم کردن هشدار یا قطع و رله‌های اضافه جریان برای حافظت در برابر خطای بانک خازنی.

حذف یک عنصر یا واحد خازن مشکل دار توسط فیوز آن منجر به افزایش ولتاژ در عناصر / واحد‌های باقیمانده و عدم تعادل در بانک می‌شود. از اضافه ولتاژ پیوسته (بالای ۱.۱ پریونیت) در هر واحد با استفاده از رله‌های حفاظتی که بانک خازنی را قطع می‌کند، جلوگیری می‌شود.

حفاظت نامتعادل به طور معمول تغییرات مرتبط با خرابی یک عنصر یا واحد خازنی را حس می‌کند و وقتی اضافه ولتاژ حاصل در واحد‌های خازن سالم باقی‌مانده بیش از حد باشد، از سرویس خارج می‌شود.

حفاظت نامتعادل به طور معمول محافظت اولیه در برابر خطای آرک در یک بانک خازنی و سایر ناهنجاری‌هایی که ممکن است به عناصر / واحد‌های خازنی آسیب برساند، فراهم می‌کند. خطای آرک ممکن است در کسر کوچکی از ثانیه سبب آسیب جدی گردد.

به منظور به حداقل رساندن میزان خسارت به بانک در اثر قوس خارجی، حفاظت نامتعادل باید دارای حداقل تاخیر عمدی باشد. بسته به ترتیب بانک خازنی و زمین شدن آن، حفاظت نامتقارن خازن از جهات مختلفی ارائه می‌شود. انواع مختلفی از برنامه‌های حفاظتی نامتقارن برای خازن شنت با فیوز داخلی، خارجی و بدون فیوز استفاده می‌شود.

روش‌های حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده

الف. بانک‌های ستاره تکی

ب. بانک‌های ستاره دوبل

۱. روش‌های حفاطت نامتقارن برای برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

الف. بانک‌های ستاره تکی

ب. بانک‌های ستاره دوبل

پ. روش حفاطت دیفرانسیلی ولتاژ

روش‌های حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده

الف. بانک‌های ستاره تکی

ساده‌ترین روش برای تشخیص عدم تعادل در بانک‌های ستاره زمین نشده مجزا، اندازه‌گیری ولتاژ توالی خنثی یا صفر بانک است. اگر بانک خازنی متعادل باشد و ولتاژ سیستم متعادل باشد، ولتاژ خنثی برابر با صفر خواهد بود. تغییر در هر مرحله از بانک منجر به یک ولتاژ توالی خنثی یا صفر خواهد شد.

شکل ۱ – روش حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده.

شکل ۱ – روش حفاطت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین نشده. شکل ۱ (a) روشی را نشان می‌دهد که ولتاژ بین خازن خنثی و زمین را با استفاده از یک VT و یک رله ولتاژ با فیلتر هارمونیک سوم اندازه‌گیری می‌کند. این روش ساده است، اما از عدم تعادل ولتاژ سیستم و عدم تعادل ذاتی رنج می‌برد.

دستگاه سنجش ولتاژ به طور کلی یک ترانسفورماتور ولتاژ است، اما می‌تواند یک دستگاه پتانسیل خازنی یا یک دستگاه پتانسیل مقاومتی باشد. دستگاه سنجش ولتاژ باید برای کمترین نسبت ولتاژ قابل دستیابی انتخاب شود، در حالی که هنوز هم می‌تواند در برابر شرایط ولتاژ گذرا و پیوسته مقاومت کند تا حداکثر حساسیت تشخیص عدم تعادل را بدست آورد. با این حال، یک ترانسفورماتور ولتاژ مورد استفاده در این کاربرد باید برای ولتاژ کامل سیستم رتبه بندی شود، زیرا ولتاژ خنثی در بعضی شرایط می‌تواند در هنگام کلیدزنی به حداکثر ۲.۵ پریونیت برسد.

مؤلفه توالی صفرِ معادل، که عدم تعادل سیستم را از بین می‌برد، با استفاده از سه دستگاه سنجش ولتاژ با اتصال ستاره که در سمت فشارقوی از خط به زمین متصل شود و ثانویه‌ها دارای اتصال مثلث شکسته می‌باشد ایجاد می‌شود. منبع ولتاژ VT‌ها می‌تواند در یک بانک خازن باشد یا از VT‌های مورد استفاده در شین بانک خازنی استفاده نمود.

شکل ۱ (b) یک طرح حفاظت رله عدم تعادل خنثی را برای یک بانک خازنی با اتصال ستاره و زمین نشده را با استفاده از سه ترانسفورماتور ولتاژ فاز به خنثی نشان می‌دهد که ثانویه‌های آن دارای اتصال مثلث باز هستند و به به یک رله اضافه ولتاژ متصل شده است. در مقایسه با طرح شکل ۱ (a)، این طرح از مزیت عدم حساسیت به وضعیت نامتقارن ولتاژ سیستم برخوردار است.

همچنین ولتاژ نامتقارن که به رله اضافه ولتاژ می‌رود سه برابر ولتاژ خنثی است که از شکل ۱ (الف) بدست می‌آید. به ازای نسبت ترانس ولتاژ برابر، افزایش ۳ برابری حساسیت نسبت به طرح ترانسفورماتور ولتاژ خنثی به زمین وجود دارد. ترانسفورماتور‌های ولتاژ برای ولتاژ خط به خط باید رتبه بندی شوند.

شکل ۲ – رله‌های دیجیتال مدرن می‌توانند ولتاژ توالی صفر را از ولتاژ فاز محاسبه کنند.

رله‌های دیجیتالی مدرن می‌توانند ولتاژ توالی صفر را مطابق شکل ۲ (a) از ولتاژ فاز محاسبه کنند و نیاز به VT‌های کمکی اضافی را برای به دست آوردن ولتاژ توالی صفر را از بین می‌برد. شکل ۲ (b) همان اصل را، اما با استفاده از VT‌ها در شین بانک خازنی نشان می‌دهد.

اگرچه طرح‌های نشان داده شده در شکل ۱ (b)، ۲ (a) و ۲ (b) عدم تعادل سیستم را از بین می‌برند، اما عدم تعادل ذاتی خازن را از بین نمی‌برند. شکل ۳ یک طرح حفاظتی را نشان می‌دهد که عدم تعادل سیستم را برطرف می‌کند و عدم تعادل ذاتی خازن را نیز جبران می‌کند که در واقع تغییرات طرح تفاضلی ولتاژ برای بانک‌های زمین‌شده است. بهترین روش برای از بین بردن عدم تعادل سیستم، تقسیم بانک به دو اتصال ستاره است. اما شاید این مطلب همیشه ممکن و مطلوب نباشد. عدم تعادل سیستم به عنوان ولتاژ توالی صفر هم در پایانه بانک خازنی و هم در نقطه خنثی بانک ظاهر می‌شود.

مؤلفه توالی صفر ترمینال بانک خازنی از ۳ VT خط با اتصال ستاره در سمت فشارقوی و ثانویه با اتصال مثلث به دست می‌آید. اختلاف ولتاژ بین سیگنال نامتقارن خنثی به دلیل عدم تعادل سیستم و توالی صفر محاسبه شده از طریق VT‌های ترمینال به ازای کلیه شرایط عدم تعادل سیستم جبران می‌شود. خطای باقی مانده در خنثی به دلیل تلورانس سازندگان خازن ظاهر می‌شود و با استفاده از یک تغییر فاز جبران می‌شود.

ب. حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره دوبل زمین نشده

بانک‌های زمین نشده را می‌توان به دو بانک مساوی تقسیم کرد. این پیکربندی بانکی ذاتا برای جبرانسازی عدم تعادل ولتاژ سیستم بکار می‌رود. با این حال، اثرات تلورانس سازندگان خازن بر عملکرد رله تأثیر خواهد گذاشت مگر اینکه برای جبران این خطا اقدامی انجام شود.

شکل ۳ – روش ولتاژ خنثی نامتقارن جبران شده


سه روش برای حفاظت عدم تقارن برای بانک‌های دوبل با اتصال ستاره زمین نشده ارائه شده است. در شکل ۴ (a) از ترانسفورماتور جریان برای اتصال دو خنثی و یک رله اضافه جریان (یا یک شنت و رله ولتاژ) استفاده شده است.

شکل ۴ (b) از ترانسفورماتور ولتاژ متصل شده بین دو خنثی و یک رله ولتاژ استفاده می‌کند.

اثر عدم تعادل ولتاژ سیستم توسط در هر دو طرح حذف می‌شود، و ولتاژ‌ها یا جریان‌های هارمونیک سوم در هنگام تعادل بی تأثیر هستند. ترانسفورماتور جریان یا ترانسفورماتور ولتاژ باید برای ولتاژ سیستم رتبه بندی شود.

جریان خنثی به میزان نصف جریان یک بانک مجزا با همان اندازه می‌باشد. با این حال، نسبت ترانسفورماتور جریان و مقدار مجاز رله ممکن است برای حساسیت مورد نظر انتخاب شوند، زیرا طرح‌های خنثی زمین‌شده در معرض اضافه جریان ناشی از کلیدزنی یا جریان تک فاز قرار ندارند.

اگرچه ترانسفورماتور ولتاژ با نسبت پایین مطلوب است، اما ترانسفورماتور ولتاژ با ولتاز نامی سیستم برای خنثی زمین‌نشده لازم است. بنابراین، یک نسبت دور بالاتر قابل قبول است.

شکل ۴ – حفاظت نامتقارن برای بانک‌های دوبل زمین نشده با اتصال ستاره با استفاده از ترانسفورماتور‌های جریان و ولتاژ

شکل ۵ طرحی را نشان می‌دهد که در آن نقاط خنثی دو بخش خازن زمین نشده‌اند، اما به هم گره خورده اند. از ترانسفورماتور ولتاژ برای اندازه گیری ولتاژ بین خازن خنثی و زمین استفاده می‌شود.

رله باید دارای فیلتر هارمونیک باشد.

شکل ۵ – نقاط خنثای دو بخش خازن زمین نشده‌اند، اما به یکدیگر متصلند.

روش‌های حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

a) حفاظت نامتقارن برای بانک تکی زمین شده

عدم تعادل در بانک خازنی باعث می‌شود جریان در خنثی جاری شود. شکل ۶ (a) حفاظتی را بر اساس ترانسفورماتور جریان نصب شده بر روی اتصال بین زمین و خنثی بانک خازنی نشان می‌دهد. این ترانسفورماتور جریان دارای شرایط لازم اضافه ولتاژ و جریان بالای غیرمعمول است.

نسبت به گونه‌ای انتخاب شده است تا هم قابلیت اضافه جریان کافی و هم سیگنال مناسب برای حافظت را داشته باشد. خروجی ترانسفورماتور جریان دارای مقاومت بار (burden resistor) و رله حساس به ولتاژ است. به دلیل وجود جریان‌های هارمونیک (به ویژه هارمونیک سوم، یک هارمونیک توالی صفر که در اتصال خنثی به زمین جریان می‌یابد)، رله باید به گونه‌ای تنظیم شود تا حساسیت آن نسبت به فرکانس‌های غیر از فرکانس برق (اصلی) کاهش یابد.

ولتاژ دو سر مقاومت بار (بردن) همفاز با جریان خنثی به زمین است. این جریان خنثی به زمین، مقدار بردار مجموع جریان‌های سه فاز است که با فاز سیستم فاز به زمین ۹۰ درجه اختلاف دارد.

در این طرح ممکن است که آنبالانسی‌های ولتاژ سیستم با در نظر گرفتن جابه جایی فاز ۹۰ درجه انجام شود و برای بانک‌های خازنی بسیار بزرگ که نیاز به تنظیمات بسیار حساس دارند، چندان مناسب نیست.

هر بار که بانک خازن برقدار می‌گردد، جریان‌های لحظه‌ای شارژ نا متعادلی خازن در فاز‌ها و در خنثی خازن گردش می‌کنند. هر جا که یک بانک موازی در حال کار است، این جریان می‌تواند از مرتبه هزار آمپر باشد که باعث خرابی شدن رله و CT می‌شود.

شکل ۶- حفاظت نامتفارن برای بانک‌های دارای اتصال ستاره زمین شده

شکل ۶ (ب) یک طرح حفاظتی ولتاژ نامتعادل را برای SCB دارای اتصال ستاره زمین شده که از ولتاژ نقطه تپ خازن استفاده می‌کند را نشان می‌دهد. عدم تعادل در بانک خازنی باعث عدم تعادل در ولتاژ‌ها در محل تپ سه فاز خواهد شد. طرح حفاظت شامل یک دستگاه سنجش ولتاژ است که بین نقطه میانی خازن و زمین در هر فاز متصل می‌شود.

رله ولتاژ با قابلیت تاخیر زمانی با فیلتر هارمونیک سوم به ثانویه‌های مثلث باز متصل می‌شود. رله‌های دیجیتالی مدرن به جای آنکه در شکل ۶ (ب) نشان داده شده است، از ولتاژ توالی صفر محاسبه شده استفاده می‌کنند.

b) حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره دوبل زمین شده

شکل ۷ طرحی را نشان می‌دهد که یک ترانسفورماتور جریان در قسمت خنثی هر دو بخش SCB دودارای اتصال ستاره نصب شده است. نقاط خنثی به یک زمین مشترک متصل می‌شوند و ثانویه‌های ترانسفورماتور جریان به صورت برعکس به یک رله اضافه جریان متصل شده اند به همین دلیل رله نسبت به شرایط بیرونی که هر دو بخش از بانک خازن را در یک جهت یا شیوه تحت تأثیر قرار می‌دهد، حساس نیست.

ترانسفورماتور‌های جریان می‌توانند در معرض جریان‌های گذرا قرار گیرند و بنابراین حفاظت در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ‌های ضربه ناشی از آن لازم است در صورت امکان باید به اندازه جریان بار‌های تک فاز سایز شوند.

در طرح جایگزین، اتصالات از خنثی به زمین از دو اتصال ستاره ممکن است در جهت مخالف از طریق یک ترانسفورماتور جریان قرار بگیرند.

شکل ۷- حفاظت نامتقارن برای بانک‌های با اتصال ستاره دوبل زمین شده

C) روش حفاظت ولتاژ تفاضلی برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

در SCB‌های بزرگ با تعداد زیادی واحد خازنی، تشخیص از دست دادن ۱ یا ۲ واحد خازن بسیار دشوار است، زیرا سیگنال ناشی از عدم تعادل در بانک خازنی بطور ذاتی پنهان می‌شود.

ولتاژ تقاضلی یک روش بسیار حساس و کارآمد را برای جبران عدم تعادل بانک خازنی و سیستم در بانک‌های خازنی با اتصال ستاره زمین شده پایه فراهم می‌کند.

شکل ۸ – طرح ولتاژ تفاضلی برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

در این طرح از دو ترانسفورماتور ولتاژ در هر فاز استفاده می‌شود: یکی متصل به یک تپ در بانک خازنی و دیگری متصل به شین بانک دارای اتصال ستاره یا برای بانک‌های دوبل دارای اتصال ستاره در تپ مشابه بانک دوم. با مقایسه ولتاژ‌های هر دو VT، یک سیگنال ناشی از دست رفتن عناصر یا واحد‌های خازن مجزا ایجاد می‌گردد.

ولتاژ تپ بانک خازنی با اتصال دستگاه سنجش ولتاژ در انتهای گروه زمین (یا گروه ها) خازن‌ها بدست می‌آید که ممکن است یک تپ میانی باشد، جایی که ولتاژ بین نقطه میانی فاز و زمین اندازه گیری می‌شود. در طرح دیگر ممکن است، ولتاژ تپ در خازن‌های ولتاژ پایین در انتهای نقطه خنثی فاز اندازه گیری شود.

شکل ۹ – روش حفاظت ولتاژ تفاضلی برای بانک‌های با اتصال ستاره زمین شده

برای راه اندازی، پس از بررسی اینکه تمام خازن‌ها سالم هستند و هیچ فیوزی عمل نکرده است، در ابتدا سطح ولتاژ در مقدار برابر تنظیم. سیگنال تقاضلی اولیه بین ولتاژ تپ خازن و سیگنال ولتاژ شین (برای بانک‌های دارای اتصال ستاره) صفر است و تلورانس خازن و عدم تعادل ولتاژ سیستم اولیه جبران می‌شود.

اگر عدم تعادل ولتاژ سیستم متغیر باشد، سیستم رله هنوز جبران‌شده است، زیرا درصدی تغییر در ولتاژ شین منجر به همان درصد تغییر در تپ بانک خازنی می‌شود.

هر گونه اختلاف ولتاژ بین ولتاژ تپ خازن و ولتاژ شین، به دلیل عدم تعادل ناشی از از دست دادن واحد‌های خازنی در همان فاز خاص خواهد بود. برای بانک‌های دوبل با اتصال ستاره، ولتاژ تپ با دیگر ولتاژ تپ‌های دیگر مقایسه می‌شود.

رله دیجیتال مدرن بطور دینامیکی خطا‌های ثانویه‌ای را که با ایجاد تغییر در دستگاه و اختلاف دما بین واحد‌های خازنی درون بانک ایجاد می‌شود، را جبران می‌کند.

اگر تب بانک در خط میانی قرار داشته باشد، حساسیت برای خرابی‌های داخل و خارج از بخش در حال کار یکسان است. اگر بانک زیر خط میانی قرار بگیرد، حساسیت برای شکست‌های این قسمت بیشتر از قسمت خارج از تپ ​​خواهد بود.

این اختلاف ممکن است در دستیابی به تنظیم مناسب رله مشکل ایجاد کند. حساسیت برای تپ میانی و تپ واقع در خازن‌های فشارضعیف در انتهای نقطه خنثی فاز، یکسان است.

تپ کردن در گروه‌های سری پایین یا یک تپ میانی برای بانک‌های بدون فیوز با چندین رشته مناسب نیست، زیرا رشته‌ها به یک دیگر در نقطه تپ وصل نمی‌شوند. تپ کردن در طول خازن‌های ولتاژ پایین برای بانک‌های خازنی بدون فیوز مناسب است.

 

منبع : ماه صنعت