شبکه توزیع و انتقال برق تا مصرف

شبکه قدرت از تولید تا مصرف

یک شبکه قدرت از نقطه تولید تا مصرف،شامل اجزاء و مراتبی است که ژنراتور را به عنوان مولد و ترانسهای خطوط انتقال را بعنوان  مبدل و واسطه در بر می‌گیرد .

محدودیت تولید

ژنراتورها معمولاً” جریانهای بزرگ را تولید میکنند اما به لحاظ ولتاژ محدودیت دارند،زیرا عایق بندی شینه ها حجم و وزن زیادی ایجاد می‌کند و به همین لحاظ ژنراتورها در نورم های ولتاژی 6،11،21 و حداکثر 33 کیلو ولت ساخته می‌شوند .

انتقال قدرت

بر عکس تولید که به لحاظ ولتاژ محدودیت دارد، در انتقال قدرت،مشکل جریان مطرح است زیرا هر چه جریان بیشتر شود،مقطع سیمها بیشتر و در نتیجه ساختمان دکل ها بزرگتر و تلفات انتقال نیز فزونی می‌گیرد . به همین لحاظ سعی می‌شود که پس از تولید جریان،با استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده،سطح ولتاژ افزایش و میزان جریان کاهش داده شود . ضمنا” عمل انتقال سه فاز،توسط  سه سیم صورت می‌گیرد ( به سیم چهارم نیازی نیست ) و برای تشخیص اتصال  کوتاه های احتمالی فاز به زمین،از شبکه زمین و نوترالی که در پست مبدا ایجاد می‌کنند،سود می‌جویند  .

توزیع و مصرف قدرت

پس از انتقال قدرت تا نزدیکی های منطقه مصرف،سطح ولتاژ در چند مرحله پایین می‌آید تا قابل مصرف شود. در ایران درحال حاضر برای انتقال قدرت از ولتاژ های 400 و 230 کیلوولت (فاز- فاز)  استفاده می‌شود و در مناطق شهری نیز این ولتاژها  به سطح 63 کیلو ولت ( شبکه فوق توزیع )کاهش پیدا می‌کند و با تبدیل 63 به 20 کیلو ولت،ولتاژ اولیه برای ترانسفورماتورهای توزیع محلی مهیا می‌گردد تا با ولتاژ 400 ولت ( فاز- فاز )،برق مورد نیاز مصرف کننده های عادی فراهم آید .

شود . تپ چنجر نیز که بعنوان تنظیم کننده ولتاژ بکار گرفته می‌شود معمولاً در طرف فشار قوی تعبیه می‌گردد تا عمل تغییر تپ (Tap) را در جریانهای کمتری انجام دهد و جرقه کنتاکتها به حداقل رسد .

ضرورت اتصال به زمین

تا زمانی که  اتصالی با زمین در شبکه اتفاق نیفتاده باشد،نیازی به برقراری اتصال نوترال با زمین نمی‌باشد، اما به لحاظ امکان وقوع اتصال کوتاه های با زمین و برقراری سیستم حفاظتی برای تشخیص آنها،ناچار به داشتن سیستم نوترال خواهیم بود،به این ترتیب که سه فاز شبکه را از طریق یک ترانس نوتر (معمولاً داری سیم پیچ زیگزاگ ) به یکدیگر متصل و نقطه صفر یا خنثی (نول ) آنرا با زمین مرتبط می‌کنیم . این ترانس ضمن ایجاد نوترال برای شبکه، به دلیل راکتانسی که دارد ،جریان اتصال کوتاه با زمین را نیز محدود می‌کند .

تانک رزیستانس

عبارت از یک تانک فلزی پر از الکترولیت بسیار رقیق کربنات سدیم است . خاصیت این محلول آن است که مقاومت الکتریکی آن به طور معکوس در برابر حرارت تغییر می‌کند . در صورت پیدا شدن جریان نشتی با زمین ایجاد حرارت در مایع و کاهش مقاومت آن،جریان عبوری افزایش یافته و به سرعت به حدی می‌رسد که رله نوتر را تحریک نماید . بنابراین خاصیت این مقاومت،آشکار نمودن جریانهای نشتی کم و غیر قابل تشخیص به وسیله رله  نوترال اصلی می‌باشد تا از عبور جریان مداوم نشتی و داغ شدن ترانس نوتر و سوختن احتمالی آن جلوگیری بعمل آورد .

ضرورت برقراری حفاظت

پس از برپایی یک سیستم قدرت،اول چیزی که نیاز به آن احساس می‌شود،برخورداری سیستم از یک حفاظت اتوماتیک است . در اوایل پیدایش شبکه های قدرت،سعی می‌شد سیستم را در مقابل جریانهای اضافی ( Excess  Currents) حفاظت نماید و اینکار توسط فیوز انجام می‌شد اما با گسترش شبکه ها و تمایل به داشتن حفاظتی انتخاب کننده ( Selective )،یعنی آن نوع از حفاظت که بواسطه آن برای هر خطا  ( Fault) ئی در هر نقطه از شبکه،مناسبترین عمل قطع انجام شود، سیستم حفاظت Over current (که اصطلاحاً ماکزیمم جریان گفته می‌شود) مطرح شد و گسترش یافت .

انواع سیستمهای اورکارنتی

در جایی که نیروگاه فقط یک بار منفرد را تغذیه می‌دهد، نیاز حتمی‌به وجود رله اورکارنت نیست و رله ای که بتواند پس از تاخیر معینی مدار را قطع نماید،کافی به نظر میرسد . اما در یک شبکه توسعه یافته،که هر باسبار بیش از یک خروجی را تغذیه می‌کند،رفتار سلکتیو بیشتری لازم است تا قسمت حذف شده و خاموشی حاصله به حداقل رسد .

سیستم حفاظت اورکارنتی فاز به زمین

حفاظت اورکارنتی برای تک تک فازها ضروریست اما یک رله زمین Earth  Fault  = E/F برای هر سه فاز کافیست . غالباً نیاز به آن است که رلهE/F   نسبت به جریانهای زمین بسیار حساس باشد . به عبارت دیگر،تنظیم رله زمین اغلب کمتر از مقدار تنظیمی‌رله فاز قرار می‌گیرد ( حدود20 % آن ).

حفاظت باقی مانده یا رزیجوال

در صورتیکه بخواهیم رله زمین به جریانهای  بسیار کم زمین حساس باشد،از اتصال باقیمانده یا  Residual  Connection ) ) استفاده می‌شود،در این روش،سیم پیچ های ثانویه سه ترانس جریان – یکی برای هر فاز – به صورت موازی بسته می‌شوند و مشترکا” یک رله زمین را تغذیه می‌کنند . در حالی که وضعیت نرمال باشد، خروجی مجموعه این ترانس ها صفر است و همچنین در حالتی که اتصال کوتاه دو فاز رخ دهد،این تعادل همچنان باقی می‌ماند . خط پارگی در یک فاز ( بدون اتصالی با زمین ) نیز باعث عمل رله نمی‌شود . از آنجائیکه رله زمین در حالت تعادل جریان (در حالت نرمال) تحریک نمی‌شود،می‌توان تنظیم آن را پایین انتخاب نمود و آنرا برای هر مقدار جریان نشتی زمین حساس کرد .

کاربرد رله های جریانی 

از رله های جریان با زمان ثابت و زمان معکوس ،در غالب فیدرهای ورودی یا خروجی کاربرد دارد.در فیدرهای خروجی 20 کیلوولت و پایین تر ،از دو رله جریانی در دو فاز و یک رله زمین استفاده می‌شود .حذف رله جریانی از فاز وسط به جهت صرفه جویی صورت می‌گیرد و اشکالی نیز بوجود نمی‌آورد ،اما در ولتاژهای بالاتر ،هر سه فاز از رله جریانی برخوردارند و رله زمین  نیز بر سر راه نقطه صفر ترانس جریانها و انتهای سه رله فازها بسته می‌شود .

رله های ولتاژی

کاربرد رله های ولتاژی محدود است و دو تیپ عمده دارند:

1. رله ولتاژی که در اثر کاهش ولتاژ به عمل در می‌آید(Under Voltage).
2. رله ولتاژی که در اثر افزایش ولتاژ تحریک می‌شود (Excess Voltage).

از این رله ها در حفاظت فیدرهای خازن ،رگولاتور ولتاژ ترانسفورماتور و حفاظت خطوط ورودی به پست استفاده می‌شود .

رله اتومات برای قطع و وصل بنکهای خازنی

این وسیله معمولاً به قدرت راکتیو حساس است و می‌تواند در محدوده تنظیمی‌خود ،بنکهای خازنی را یکی پس از دیگری و به ضرورت در مدار آورده یا از مدار خارج سازد .

در بعضی موارد ،امکان دیگری نیز در این رله ها تعبیه می‌شود تا متناسب با کاهش ولتاژ شبکه ،خازنها را وارد مدار نماید و این ارتباط از آن جهت است که ولتاژ شبکه بستگی به میزان بار و همینطور Cos j شبکه دارد و با کم شدن Cosj،شدت جریان افزایش یافته ،افت بیشتر ولتاژ مدار را باعث می‌شود و به این ترتیب، می‌توانیم رله را طوری تنظیم کنیم که ولتاژ شبکه از حد محاسبه شده پایین تر آید ،فرمان وصل به فیدر خازن و در حالت عکس آن فرمان قطع صادر کند .

حفاظت جهتی جریان

معمولاً”در مواردی مثل حفاظت ژنراتور در نیروگاه و حفاظت فیدرهای ترانس،از رله های جریانی حساس به جهت جریان (Directional Overcurrent = D.O.C) استفاده می‌کنند و این امر به خاطر آن است که در مواقع قطع تحریک ژنراتور یا بی برق شدن ترانس ،از معکوس شدن جریان جلوگیری بعمل آید.

رله های نوترال

جریان های اتصال کوتاه با زمین و هرگونه جریان نشتی شبکه 20 کیلوولت،از طریق نوترال به شبکه باز می‌گردد . اتصال با زمین در هر یک از خروجی ها،رله ای زمین مربوطه و همچنین رله های نوترال را تحت تاثیر قرار می‌دهد و در صورت گذر از حد تنظیمی‌رله ها باعث تحریک آنها می‌شود،بنابراین لازم است که به لحاظ زمانی نوعی هماهنگی بین رله های زمین خروجی ها و رله های نوترال وجود داشته باشد و بیش از عمل رله نوترال ،رله زمین فیدر خروجی مربوطه فرمان قطع صادر می‌کند . غالباً یکی از رله  های نوترال – معمولاً با تنظیم بالا – دارای چنین هماهنگی با  هر یک از خروجی ها است . رله دیگری روی نوترال نصب می‌شود که نصب به جریانهای بسیار کم نیز حساس است و اصطلاحاً Sensitive Earth)  Fault   ) گفته می‌شود اما دارای زمان تاخیر طولانی ( معمولاً یک دقیقه برای آلارم و سه دقیقه برای فرمان قطع ) می‌باشد . این رله،جریانهای نشتی پابدار یا مقاوم (stand by) را دیده و باعث قطع فیدر ترانس می‌شود . چنین رله ای را رله دو مرحله ای می‌نامند . در مواردی که از تانک رزیستانس بر سر راه ترانس نوتر استفاده نشده است،وجود چنین سیستمی‌ضروری می‌نماید .

حفاظت ترانسفورماتور قدرت

ترانسفورماتور قدرت به دلیل ارزش اقتصادی آن،با مجموعه از رله های مختلف حفاظت می‌شود .از جمله رله های اصلی حفاظت کننده آن،رله بوخهلتس و رله دیفرانسیل هستند، رله‌های ترمیک نیز ترانسفورماتور را به لحاظ حرارتی کنترل می‌کنند و بسته به درجات تنظیمی‌آنها، سیستم های خنک کنندگی ( همانند فن ها و پمپ روغن ) را بکار می‌اندازد و یا در صورت افزایش بیش از حد حرارت،آلارم و یا فرمان قطع صادر می‌کند .

حفاظت جریانی برای ترانسفورماتور

معمولاًدر هر دو طرف ترانس قدرت با استفاده از C.T  ها رله های اورکانت (برای هر سه فاز) نیز تعبیه می‌شوند و البته این رله ها از جمله حفاظت های اصلی ترانس به حساب نمی‌آیند اما با سایر رله های اورکارنت شبکه هماهنگ هستند و در صورت عمل نکردن رله‌های پیش روی خود و پس از گذشت زمان تنظیمی بعمل در می‌آیند . البته از آنجا که در قالب رله‌های اورکارنت، واحد جریان زیاد لحظه ای هم وجود دارد،در صورت تنظیم دقیق این واحدها و افزایش ناگهانی جریان به طوری که از حدود تنظیمی‌آنها فراتر رود فرمان قطع سریع خواهند داشت .

گشتاور حاصل از ولتاژ

این دو گشتاور بر ضد هم عمل می‌کنند و ظرایف طراحی به گونه ای است که در حالت نرمال شبکه برایند این دو گشتاور ناچیز بوده و رله بدون عکس العمل می‌ماند اما به هنگام بروز اتصالی ( افزایش جریان و کاهش ولتاژ )،توازن رله به هم خورده و گشتاور جریان بر گشتاور ولتاژ فزونی می‌آید و رله به عمل در می‌آید . طبیعی است که برای اتصالی بسیار دور از رله،امکان عمل رله کم می‌شود و به این ترتیب می‌توان رله را طوری طراحی نمود که از فاصله معینی به بعد، به عمل در نیاید و به عبارت دیگر رله را طوری ساخت که برای فاصله ای از پیش تعیین شده کاربرد داشته باشد و از همین جاست که رله‌های دیستانس با برد کوتاه، متوسط و بلند ساخته می‌شوند . مکان هندسی نقاطی که در آنها گشتاور عمل کننده جریان و گشتاور بازدارنده ولتاژ برابر می‌شوند، مشخصه مرزی رله یا منحنی مشخصه رله ( Relay- characteristic) نامیده می‌شود و از آنجا که این رله‌ها بسیار دقیق ساخته می‌شوند، امپدانس سنجش شده توسط آنها، تقریباً به صورت ایده ال،نسبت ولتاژ به جریان و زاویه بین آن دو خواهد بود و به این ترتیب می‌توان عملکرد امپدانس رله را بر روی نمودار R –X رسم نمود .

• شبکه قدرت از تولید تا مصرف – 1
• محدودیت تولید- 1
•  انتقال قدرت – 1
• توزیع و مصرف قدرت  1
• آرایش ترانسفورماتورهای قدرت – 2
• اجزاء یک پست انتقال یا فوق توزیع – 2
• ضرورت اتصال به زمین – ترانس نوتر – 2
• تانک رزیستانس – 3
• ضرورت برقراری حفاظت – 3
• انواع سیستمهای اورکارنتی – 4
• سیستم حفاظت اورکارنتی فاز به زمین – 4
• حفاظت باقیمانده یا رزیجوآل – 5
• هماهنگ کردن رله های جریانی زمان ثابت – 5
• اشکال رله های با زمان ثابت – 5
• رله های اورکانت زمان معکوس – 6
• انواع رله های جریانی با زمان معکوس و موارد استفاده هر یک – 6
• کاربرد رله های جریانی – 7
• رله های ولتاژی – 7
• حفاظت فیدر خازن – 7
• رله اتومات برای قطع و وصل بنکهای خازنی – 8
• حفاظت فیدر کوپلاژ 20 کیلوولت – 9
• حفاظت فیدر ترانس 20 کیلوولت – 9
• حفاظت جهتی جریان – 9
• حفاظت R.E.F – 10
• رله های نوترال – 10
• حفاظت ترانسفورماتور  قدرت – 10
• رله بوخهلتس – 11
• رله های ترمیک یا کنترل کننده درجه حرارت ترانس – 12
• رله دیفرنسیال – 13
• چند نکته در رابطه با رله دیفرنسیال – 16
• رله دیفرنسیل با بالانس ولتاژی – 17
• رله بدنه ترانس – 17
• حفاظت جریانی برای ترانسفورماتور – 18
• رله های رگولاتور ولتاژ – 18
• رله اضافه شار – 20
• حفاظت باسبار – 21
• نوع اتصالی های باسبار – 22
• خصوصیات حفاظت باسبار – 22
• انواع حفاظت باسبار – 22
• حفاظت خط – 23
• نکاتی در خصوص رله های دیستانس – 25
• نوسان قدرت و حفاظت رله دیستانس در مقابل آن – 27
• رله دوباره وصل کن – 29
• کاربرد رله دوباره وصل کن – 31
• ضد تکرار – 32
• رله واتمتریک – 33
• رله مؤلفه منفی – 36
• سنکرون کردن – 39
• رله سنکرون چک – 41
• رله سنکرونایزینگ ( سنکرون کننده ژنراتورها ) –  43
• رله فرکانسی – رله حذف بار – 44
• سیستم اینتریپ و اینترلاک – 46