رله جهت دار برای مدیریت جریان‌های خطای یک طرفه ضروری هستند و ایمنی و کارایی سیستم‌های قدرت را افزایش می‌دهند.
در سیستم تغذیه کننده اصلی درون حلقه‌ای، رله جهت دار در سیستم تغذیه تک سر فیدر موازی استفاده می‌شود.
رله جهت دار خطا را فقط در یک جهت حس کرده و وقتی خطا در جهت مخالف باشد، عمل نمی‌کند. این رله فقط در تجهیزات بسیار حساس استفاده می‌شود.
در این مقاله به بررسی رله جهت دار، اصول کار، انواع، کاربردهای آن، اتصالات، مزایا و نحوه عیب یابی رله جهت دار خواهیم پرداخت.
1# رله جهت دار چیست؟
رله جهت دار (Directional Relay) در مهندسی برق، یک وسیله حفاظتی است که در سیستم‌های قدرت برای شناسایی جهت جریان‌های خطا و ایزوله کردن بخش آسیب دیده سیستم، ضمن حفظ عملکرد بقیه شبکه، استفاده می‌شود.
این رله‌ها برای تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم‌های الکتریکی بسیار مهم هستند؛ زیرا بلافاصله مشکلات را شناسایی و ایزوله می‌کنند.
آنها با نظارت مداوم بر جریان در سیستم و فعال شدن زمانی که جریان از آستانه‌های از پیش تعیین شده فراتر می‌رود یا در جهت مخالف عملکرد عادی جریان می‌یابد، عمل می‌کنند.
رله معمولاً از ورودی‌های ولتاژ و جریان برای تعیین زاویه فاز استفاده می‌کند که نشان دهنده جهت جریان خطا است.
این پاسخ هدفمند به حفظ پایداری و جلوگیری از قطعی‌های غیرضروری در سیستم قدرت کمک می‌کند.
رله‌های جهت دار، برخلاف رله‌های معمولی که صرفاً بر اساس شرایط اضافه جریان فعال می‌شوند، با در نظر گرفتن جهت جریان خطا، یک لایه اضافی ایجاد می‌کنند.
این ویژگی در شبکه‌های الکتریکی پیچیده که جریان برق می‌تواند در چندین جهت رخ دهد، مانند شبکه‌های به هم پیوسته و خطوط برق حلقه ای، بسیار مهم است.
رله‌های جهت دار با شناسایی دقیق جهت خطاها به جداسازی بخش‌های معیوب کمک می‌کنند، در نتیجه اختلال را به حداقل می‌رسانند و قابلیت اطمینان منبع تغذیه را افزایش می‌دهند.
1-1# اجزای استفاده شده در رله جهت دار
رله‌های جهت دار بر اساس رابطه زاویه فاز بین ولتاژ و جریان در محل خود عمل می‌کنند.
آنها معمولاً از اجزای زیر استفاده می‌کنند:
- ولتاژ قطبی: این ولتاژ که معمولاً از یک ترانسفورماتور پتانسیل (PT) یا ترانسفورماتور ولتاژ (VT) گرفته می‌شود، به عنوان مرجعی برای تعیین جهت جریان عمل می‌کند.
- جریان عملیاتی: جریان اندازه گیری شده توسط ترانسفورماتور جریان (CT) اطلاعاتی در مورد دامنه و فاز جریان خطا ارائه می‌دهد.
- اندازه گیری زاویه: رله زاویه فاز بین جریان و ولتاژ مرجع را اندازه گیری می‌کند.
اگر زاویه در محدوده از پیش تعریف شده قرار گیرد، رله فعال می‌شود.
2# اصول کار رله جهت دار
رله جهت دار بر اساس مفهوم تحلیل فازور کار می‌کند.
فازور یک عدد مختلط است که هم بزرگی و هم زاویه فاز یک کمیت متناوب، مانند ولتاژ یا جریان را نشان می‌دهد.
رله زاویه فاز بین جریان خطا و یک ولتاژ مرجع را برای تعیین جهت خطا مقایسه می‌کند.
رله دائماً سیگنال‌های جریان و ولتاژ را به ترتیب ازCT و PT رصد می‌کند.
این ترانسفورماتورها سطح جریان و ولتاژ را به مقادیر معقولی که رله بتواند مدیریت کند، کاهش می‌دهند.
رله زاویه فاز سیگنال‌های جریان و ولتاژ را مقایسه می‌کند.
با بررسی اتصال فاز بین جریان و ولتاژ، رله می‌تواند، جهت جریان برق در مدار الکتریکی را تعیین کند.
بر اساس پارامترها و منطق مشخص شده، رله تعیین می‌کند که آیا جریان در جهت مورد نظر بوده یا مخالف آن است.
اگر جریان مطابق با مقادیر تعیین شده در جهت رو به جلو جریان یابد، نشان دهنده عملکرد عادی است.
با این حال، اگر جریان در جهت مخالف جریان یابد یا از آستانه‌های از پیش تعریف شده تجاوز کند و نشان دهنده خرابی باشد، رله اقدام پیشگیرانه انجام می‌دهد.
وقتی رله جهت دار یک خطا یا حالت غیرعادی را تشخیص می‌دهد، یک سیگنال قطع به مدارشکن متصل به جز معیوب سیستم ارسال می‌کند.
این مرحله بخش مشکل دار را از بقیه سیستم جدا کرده، از آسیب به تجهیزات جلوگیری و در عین حال پایداری و ایمنی شبکه برق را نیز تضمین می‌کند.
یک رله جهت دار، جهت جریان‌های خطا را تعیین می‌کند و تنها زمانی عمل می‌کند که خطا در جهت از پیش تعریف شده‌ای نسبت به محل رله قرار داشته باشد.
این عملکرد انتخابی به جلوگیری از قطع غیرضروری مدارشکن‌ها کمک کرده و تضمین می‌کند که فقط بخش معیوب ایزوله شده و اختلال در سیستم به حداقل می‌رسد.
1-2# نحوه عملکرد رله جهت دار در سیستم‌های قدرت
رله‌های جهت دار بر اساس اندازه گیری زاویه فاز بین جریان و ولتاژ عمل می‌کنند.
این رله‌ها از یک کمیت قطبی کننده که اغلب از ولتاژ سیستم مشتق شده، برای تعیین جهت جریان استفاده می‌کنند.
هنگامی که یک خطا رخ می‌دهد، رله زاویه فاز جریان خطا را با ولتاژ مرجع مقایسه می‌کند.
اگر زاویه در محدوده از پیش تعریف شده قرار گیرد، نشان دهنده خطای رو به جلو است و رله فعال می‌شود.
اگر زاویه نشان دهنده خطای معکوس باشد، رله غیرفعال می‌ماند.
این تمایز دقیق تضمین می‌کند که رله‌های جهت دار حفاظت انتخابی را ارائه می‌دهند که برای حفظ پایداری در شبکه‌های برق به هم پیوسته بسیار مهم است.
این رله‌ها با شناسایی دقیق جهت خطا، به جداسازی فقط بخش‌های معیوب کمک می‌کنند، اختلال را به حداقل می‌رسانند و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهند.
درک و تنظیم صحیح پارامترهای زاویه فاز برای عملکرد مؤثر مهم بوده و رله‌های جهت دار را در سیستم‌های الکتریکی پیچیده که تشخیص و جداسازی دقیق خطا برای عملکرد بهینه مورد نیاز است را ضروری می‌سازد.
نگهداری و کالیبراسیون منظم نیز برای اطمینان از عملکرد صحیح و قابل اعتماد این رله‌ها در طول زمان حیاتی است.
2-2# دستورالعمل نصب رله جهت دار
نصب صحیح رله جهت دار برای عملکرد مؤثر آنها بسیار مهم است.
با انتخاب رله‌هایی که با ولتاژ و جریان نامی سیستم مطابقت دارند، از جمله رله‌های حسگر جریان قابل تنظیم که امکان کنترل دقیق جریان‌های تحت نظارت را فراهم می‌کنند، شروع کنید.
این ویژگی به ویژه در سیستم‌هایی که شرایط بار متغیر نیاز به تنظیمات حفاظتی قابل تنظیم دارند، مفید است.
مطمئن شوید که ولتاژ قطبی به درستی از یک منبع قابل اعتماد، معمولاً ولتاژ سیستم، گرفته شده است.
اتصالات دقیق ترانسفورماتور جریان (CT) و ترانسفورماتور ولتاژ (VT) برای اندازه گیری صحیح زاویه فاز ضروری است.
رله را در یک منطقه با تهویه مناسب قرار دهید تا از گرمای بیش از حد جلوگیری کرده و دسترسی آسان برای تعمیر و نگهداری فراهم کند.
دستورالعمل‌های سازنده را برای سیم کشی و تنظیمات دنبال کنید و قبل از ادغام رله در طرح حفاظتی، تست کاملی را برای تأیید عملکرد صحیح انجام دهید.
علاوه بر این، اطمینان از اتصال صحیح زمین رله برای جلوگیری از تداخل نویز الکتریکی که می‌تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد، بسیار مهم است.
در صورت لزوم از کابل‌های محافظ استفاده و تمام اتصالات را محکم کنید تا از سیم کشی شل که منجر به خطا یا قرائت نادرست شود، جلوگیری شود.
کالیبراسیون و آزمایش منظم باید برای حفظ دقت و قابلیت اطمینان رله برنامه ریزی شود.
مستندسازی صحیح نصب و تنظیمات می‌تواند به عیب یابی و نگهداری آینده کمک کند و مطمئن شود که رله در طول عمر خود به درستی کار می‌کند.
این رویکرد دقیق در نصب نه تنها موفقیت عملیاتی فوری؛ بلکه قابلیت اطمینان و ایمنی طولانی مدت در سیستم برق را نیز تضمین می‌کند.
3# انواع رله جهت دار
رله جهت‌دار بر اساس روش مورد استفاده برای به دست آوردن ولتاژ مرجع و مشخصه عملکرد رله، به چندین نوع طبقه بندی می‌شوند.
رایج‌ترین انواع رله‌های جهت دار عبارت اند از:
- اضافه جریان: این رله‌ها از اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ برای تعیین جهت خطا استفاده می‌کنند.
آنها معمولاً در سیستم‌های قدرت با فیدرهای شعاعی یا موازی استفاده می‌شوند. - امپدانس: این رله‌ها، امپدانس مدار را با یک امپدانس مرجع از پیش تعیین شده مقایسه می‌کنند تا جهت خطا را تعیین کنند.
رله‌های جهت دار امپدانس در طرح‌های حفاظت دیستانس استفاده می‌شوند که به حفاظت از خطوط انتقال و ترانسفورماتورها کمک می‌کنند. - توان: این رله‌ها از مؤلفه‌های توان اکتیو و راکتیو برای تعیین جهت خطا استفاده می‌کنند.
آنها معمولاً در حفاظت ژنراتورها و موتورهای سنکرون به کار می‌روند. - دیستانس: این رله‌ها امپدانس را در امتداد یک خط اندازه گیری کرده و بر اساس فاصله و جهت خطا، قطع می‌کنند و معمولاً در شبکه‌های انتقال و فوق توزیع استفاده می‌شوند.
4# کاربردهای رله جهت دار
رله جهت دار در کاربردهای مختلف سیستم قدرت برای محافظت در برابر انواع مختلف خطاها استفاده می‌شود.
برخی از کاربردهای اصلی رله جهت دار را در ادامه بررسی می‌کنیم.
1-4# حفاظت فیدر
رله‌های جهت دار برای محافظت از فیدرهای شعاعی و موازی در برابر خطاهایی مانند اتصال کوتاه، خطای زمین و اضافه بار استفاده می‌شوند.
آنها به جداسازی سریع بخش معیوب فیدر، جلوگیری از آسیب به تجهیزات و به حداقل رساندن اختلالات سرویس کمک می‌کنند.
2-4# حفاظت ترانسفورماتور
رله‌های جهت دار در طرح‌های حفاظت ترانسفورماتور برای محافظت در برابر خطاهای داخلی و خارجی در خطوط انتقال متصل به کار می‌روند.
آنها در کنار سایر دستگاه‌های حفاظتی مانند رله‌های دیفرانسیل، برای ارائه حفاظت جامع به ترانسفورماتورها کار می‌کنند.
3-4# حفاظت ژنراتور
در سیستم‌های تولید برق، رله‌های جهت دار برای محافظت از ژنراتورها در برابر خطاهایی که ممکن است داخل ژنراتور یا در خطوط انتقال متصل به آن رخ دهد، استفاده می‌شوند.
آنها تضمین می‌کنند که خطاها به سرعت ایزوله شوند تا از آسیب به ژنراتور جلوگیری و پایداری سیستم برق حفظ شود.
4-4# حفاظت باسبار
رله‌های جهت دار می‌توانند در طرح‌های حفاظت باسبار برای تشخیص و جداسازی خطاها در ناحیه باسبار استفاده شوند.
آنها با جدا کردن سریع بخش معیوب از بقیه شبکه به حفظ یکپارچگی سیستم قدرت کمک می‌کنند.
5-4# سیستم‌های توزیع برق اصلی حلقوی
در شبکه‌های توزیع برق شهری، خطوط برق اصلی حلقوی با فراهم کردن مسیرهای تغذیه چندگانه، افزونگی را تضمین می‌کنند.
رله‌های جهت دار در این سیستم‌ها برای شناسایی صحیح محل خطا و جلوگیری از قطع غیرضروری فیدرهای سالم بسیار مهم هستند.
6-4# حفاظت از فیدر موازی
در کارخانه‌های صنعتی یا مناطق با قابلیت اطمینان بالا، برق اغلب از طریق فیدرهای موازی تأمین می‌شود.
خطا در یک فیدر نباید باعث قطع هر دو فیدر شود. رله‌های جهت دار تضمین می‌کنند که فقط فیدر آسیب دیده قطع شده است.
7-4# شبکه‌های شعاعی با تولید توکار
با افزایش نفوذ تولید توزیع شده، شبکه‌های شعاعی دوطرفه می‌شوند.
رله‌های اضافه جریان سنتی نمی‌توانند جریان‌های خطای مستقیم و معکوس را تشخیص دهند و منجر به عملکرد نادرست می‌شوند.
رله جهت دار در چنین مواردی ضروری است.
8-4# حفاظت خطوط انتقال در شبکه‌های به هم پیوسته
در شبکه‌های انتقال به هم پیوسته که در آن جریان برق بسته به شرایط بار متفاوت است، رله‌های دیستانس جهت دار معمولاً استفاده می‌شوند.
9-4# حفاظت خطوط انتقال
این رله‌ها برای محافظت از خطوط انتقال طولانی در برابر خطاها استفاده می‌شوند و با اطمینان از این که فقط رله نزدیک به خطا عمل می‌کند، از قطع برق غیرضروری جلوگیری می‌کنند.
10-4# حفاظت اتصال متقابل
در سیستم‌هایی با منابع متعدد رله‌های جهت دار به مدیریت جریان برق کمک کرده و از بازگشت مجدد جریان به شبکه جلوگیری می‌کنند.
11-4# حفاظت موتور
از آنها می‌توان برای محافظت موتورها در برابر اضافه بار و خرابی فاز استفاده کرد و عملکرد ایمن را تضمین نمود.
12-4# کاربردهای ریزشبکه
در ریزشبکه‌ها، آنها به مدیریت پخش توان و محافظت در برابر خطا در سیستم‌های تولید توزیع شده کمک می‌کنند.
13-4# نظارت بر کیفیت توان
رله‌های جهت دار می‌توانند مشکلات کیفیت توان، مانند هارمونیک‌ها و افت ولتاژ را رصد کنند و داده‌هایی را برای بهینه سازی سیستم ارائه دهند.
5# بخش‌های مختلف رله جهت دار
بخش‌های رله جهت دار عبارت است از:
- ترانسفورماتور ولتاژ: که شامل یک ترانسفورماتور ولتاژ است و ولتاژ سیستم قدرت را به سطحی که رله بتواند پردازش کند، کاهش می‌دهد.
ترانسفورماتور ولتاژ، سیگنال ولتاژ متناسب با ولتاژ سیستم قدرت را به رله ارسال می‌کند. - ترانسفورماتور جریان: که دارای یک یا چند ترانسفورماتور جریان است که جریان عبوری از منبع تغذیه را به سطحی مناسب برای مدیریت رله کاهش می‌دهند.
ترانسفورماتورهای جریان بر اساس جریان عبوری در سیستم، سیگنال جریان متناسبی را به رله ارسال می‌کنند. - سیم پیچ پتانسیل: که سیم پیچ ولتاژ نیز نامیده می‌شود، یک سیم پیچ درون رله است که سیگنال ولتاژ را از ترانسفورماتور پتانسیل دریافت می‌کند.
این سیم پیچ معمولاً به صورت موازی با سیستم متصل می‌شود و به عنوان مرجعی برای تعیین جهت جریان برق عمل می‌کند. - سیم پیچ جریان: که به عنوان سیم پیچ جهت دار نیز شناخته می‌شود، سیگنال‌های جریان را از ترانسفورماتورهای جریان دریافت می‌کند.
این سیم پیچ معمولاً به صورت سری با سیستم متصل می‌شود و یک میدان مغناطیسی متناسب با جریان عبوری از آن تولید می‌کند. - بخش مدار قطع: که مکانیسم قطع مدارشکن را هنگام شناسایی خطا شرح می‌دهد.
رله جهت دار با مقایسه سیگنال‌های ولتاژ و جریان دریافتی از سیم پیچ‌های پتانسیل و جریان تشخیص می‌دهد که خطا در جهت رو به جلو است یا رو به عقب.
اگر خطایی در جهت رو به جلو شناسایی شود، رله یک سیگنال قطع به مدارشکن ارسال می‌کند که جز معیوب سیستم را ایزوله می‌کند.
6# اتصالات رله جهت دار
در زمان خطا، ولتاژ و ضریب توان در نقطه خطا پایین می‌آید، بنابراین رله جهت دار نمی‌تواند گشتاور کافی برای عملکرد خود ایجاد کند و اگر رله به گونه‌ای طراحی شود که گشتاوری متناسب با VI cosΦ ایجاد کند، این مشکل هرگز قابل حل نخواهد بود.
از این رو برای ایجاد گشتاور کافی در طول انواع خطاها، صرف نظر از محل آنها، اتصالات رله باید اصلاح شوند.
هر رله توسط جریان فاز مربوطه و ولتاژ دو فاز دیگر تغذیه می‌شود. دو روش اتصال به شرح زیر انجام می‌شود.
1-6# اتصال ۳۰ درجه
برای فاز A، سیم پیچ جریان رله توسط جریان فاز IA و سیم پیچ ولتاژ توسط ولتاژ خط VAC انرژی می‌گیرد.
برای فاز B، سیم پیچ جریان رله توسط جریان فاز IB و سیم پیچ ولتاژ توسط ولتاژ خط VBA انرژی می‌گیرد.
همچنین برای فاز C، سیم پیچ جریان رله توسط آی سی جریان فاز و سیم پیچ ولتاژ توسط VCB ولتاژ خط تغذیه می‌شوند.
رله به گونه‌ای طراحی شده که وقتی جریان و ولتاژ آن همفاز هستند، حداکثر گشتاور را ایجاد کند، یعنی ضریب توان سیستم 0.866 باشد.
2-6# اتصال ۹۰ درجه
برای فاز A، سیم پیچ جریان رله توسط جریان فاز IA و سیم پیچ ولتاژ توسط ولتاژ خط VBC انرژی می‌گیرد.
برای فاز B، سیم پیچ جریان رله توسط جریان فاز IB و سیم پیچ ولتاژ توسط ولتاژ خط VCA انرژی می‌گیرد.
همچنین برای فاز C، سیم پیچ جریان رله توسط IC جریان فاز و سیم پیچ ولتاژ توسط ولتاژ خط VAB تحریک می‌شوند.
رله به شکلی طراحی شده که وقتی جریان رله ۴۵ درجه از ولتاژ جلوتر باشد، حداکثر گشتاور را ایجاد کند.
7# مزایای رله جهت دار
رله جهت دار مزایای متعددی در حفاظت از سیستم‌های قدرت ارائه می‌دهند، از جمله:
- قطع به موقع جریان‌های غیرعادی از آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری می‌کند.
- کاهش احتمال حوادث الکتریکی و آتش سوزی، ایمنی کلی را بهبود می‌بخشد.
- کاهش قطع غیرضروری مدارشکن‌ها، راندمان سیستم را بهبود می‌بخشد.
- تنظیمات قابل تنظیم، امکان سفارشی سازی را برای برآورده کردن نیازهای منحصر به فرد سیستم فراهم می‌کند.
- توانایی آنها در عملکرد بر اساس جهت جریان خطا، امکان گزینش پذیری بهبود یافته در طرح حفاظتی را فراهم می‌کند و تأثیر خطاها بر سیستم قدرت را به حداقل می‌رساند.
- رله‌های جهت دار را می‌توان به راحتی با سایر دستگاه‌های حفاظتی در سیستم، مانند رله‌های غیرجهت دار و بریکرها، هماهنگ کرد تا حفاظت جامعی در برابر انواع مختلف خطاها فراهم شود.
- به دلیل اصول عملکرد ساده و طراحی جاافتاده، رله‌های جهت دار در تشخیص و جداسازی خطاها در سیستم قدرت بسیار قابل اعتماد در نظر گرفته می‌شوند.
8# عیب یابی مشکلات رایج رله جهت دار
رله‌های جهت دار، علیرغم پیچیدگی می‌توانند با مشکلاتی مواجه شوند که نیاز به عیب یابی دارند.
تنظیمات نادرست زاویه فاز می‌تواند، منجر به قطع اشتباه یا عدم عملکرد هنگام خطا شود.
تنظیمات رله را مرتباً بررسی و کالیبره کنید تا با پارامترهای سیستم مطابقت داشته باشند.
CT یا VT معیوب می‌تواند باعث اندازه گیری‌های نادرست و منجر به عملکرد نادرست رله شود.
این اجزا را بازرسی و نگهداری کنید تا از دقت آنها مطمئن شوید.
عوامل محیطی مانند دما و رطوبت می‌توانند بر عملکرد رله تأثیر بگذارند، بنابراین مطمئن شوید که رله در یک محیط کنترل شده نصب شده است.
آزمایش و نگهداری دوره ای برای شناسایی و اصلاح مشکلات احتمالی و تضمین عملکرد قابل اعتماد رله‌های جهت دار ضروری است.
علاوه بر این، خطاهای سیم کشی یا اتصالات شل می‌تواند باعث ایجاد خطاهای متناوب یا نقص در عملکرد رله شود. در طول نصب و بازرسی‌های معمول، تمام اتصالات را دوباره بررسی کنید.
مشکلات نرم افزاری یا میان افزار نیز می‌توانند بر عملکرد رله تأثیر بگذارند، بنابراین نرم افزار رله را با آخرین نسخه‌های ارائه شده توسط سازنده به روز نگه دارید.
نظارت بر گزارش‌ها و تشخیص رله می‌تواند، بینش‌هایی در مورد هرگونه ناهنجاری یا مشکلات مکرر ارائه دهد.
آموزش پرسنل در مورد تکنیک‌های صحیح کار با رله‌های جهت دار و عیب یابی می‌تواند قابلیت اطمینان و کارایی آنها را در محافظت از سیستم برق افزایش دهد.
با پرداختن به این عوامل به صورت پیشگیرانه، می‌توانید زمان خرابی را به حداقل رسانده و پایداری و ایمنی شبکه برق را تضمین کنید.
درباره نویسنده : فریبا صالح
نظرتون درباره این مقاله چیه؟
ما رو راهنمایی کنید تا اون رو کامل تر کنیم و نواقصش رو رفع کنیم.
توی بخش دیدگاه ها منتظر پیشنهادهای فوق العاده شما هستیم.
