Restricted Earth Fault

در این مستند نحوه عملکرد پنج رله رایج در زمینه عملکرد تابع REF Low Impedance بررسی خواهد شد. برای هر رله در گام اول نحوه عملکرد آن تابع به صورتی که در منوال آن اشاره شده مورد بررسی قرار می‌گیرد. سپس نحوه طراحی پلن تست برای تست کامل آن ارائه خواهد شد. این رله‌ها شامل MiCOM P632، Siemens 7UT6X، Siemens 7UT8X، ABB RET521 و ABB RET600 خواهد بود.

در برخی از رله‌های ذکر شده عملکرد رله بر اساس مقایسه جریان شاخه نوترال و جریان توالی صفر محاسبه شده توسط رله است و عملا عملکرد رله بر اساس اختلاف مقدار (مقدار دیفرانسیل) دو جریان مذکور است. در برخی دیگر، مقایسه دو جریان مذکور صرفا جهت پایداری رله با بررسی داخل یا خارج زون بودن خطای رخ داده است و عملکرد رله صرفا بر اساس مقدار جریان شاخه نوترال است و عملا دیفرانسیل دو جریان مذکور برای عملکرد رله استفاده نمی‌شود.

حفاظت REF برای تشخیص خطای ارت فالت درون انواع ترانس، اتوترانس، راکتور، موتور و ... استفاده می‌شود. با توجه به دقت و حساسیت بالای این حفاظت، می‌تواند تا حد زیادی نواحی عدم پوشش حفاظت دیفرانسیل و ارت فالت عادی را پوشش دهد. این حفاظت فقط در شرایطی می‌تواند استفاده شود که امکان اندازه‌گیری جریان عبوری از نوترال وجود داشته باشد.

در مدت عملکرد سیستم در شرایط عادی Isp و 3I0 تقریبا برابر صفر هستند. اما به محض وقوع یک خطای ارت فالت، مقدار این دو جریان دچار تغییر می‌شود که بسته به شرایط خطا ممکن است با هم برابر باشند و یا اینکه دچار اختلاف باشند.

حفاظت دیفرانسیل زمین این رله بر اساس مقایسه جمع برداری جریان‌های فاز سمت مربوطه ترانسفورماتور با جریان نقطه‌نول IY است. برای شروع بررسی نحوه عملکرد این تابع، ابتدا پارامترهای مورد استفاده رله، مطابق آنچه در منوال آن ذکر شده بررسی می‌شود.اولین پارامتری که این رله برای عملکرد خود استفاده می‌کند Matching Factor است که به صورت ذیل حساب می‌شود.

موارد زیر در مورد Matching Factors صدق می‌کند:

- Matching Factor باید همواره کمتر ۱۶ باشد.

- مقدار Matching Factor باید همواره بیشتر از ۰.۵ باشد.

اگر Matching Factor شرایط فوق را برآورده نکنند، یک الارم صادر شده و بلاک می‌شود.

برای این رله دو مد عملکرد در منوال آن ذکر شده که هر کدام به طور جداگانه بررسی خواهد شد.

در این مد، اختلاف جریان هر فاز با جریان نوترال به عنوان جریان دیفرانسیل محاسبه می‌شود. جریان بایاس هم مقدار جریان فاز در نظر گرفته می‌شود.

برای این مد عملکرد جریان دیفرانسیل و بایاس به صورت زیر ارائه شده است.

در مقایسه با حالت عملکردی «Low imped. / Sum (IP)»، در اینجا از مشخصه دو شیب استفاده شده است.

برای تست این تابع باید در روم دیفرانسیل نوع Protection Function را REF انتخاب کرد و در ستون Primary باید اطلاعات سمت فاز (Main Side) و در ستون Secondary باید اطلاعات سمت نوترال وارد شود.

در تب Protection Device و Characteristic Definition باید اطلاعات متناسب با مد انتخاب شده در رله وارد شود.

با توجه به فرمول جریان بایاس این مد که جریان فاز را به عنوان جریان بایاس در نظر گرفته( )، فرمول مناسب Max(Ip,Is) است. نرم افزار به طور پیش فرض جریان Ip را بزرگتر در نظر گرفته که باعث می‌شود فرمول انتخابی با فرمول رله تطابق داشته باشد. با توجه به ثابت بودن اطلاعات مربوط به منحنی مشخصه REF، می‌توان مطابق زیر اطلاعات را برای Idiff>، Idiff>> و تب Characteristic Definition وارد کرد. در این مد اطلاعات موجود در تنظیمات رله تاثیری در منحنی مشخصه ندارند.

در این مد فرمول جریان بایاس انتخابی به صورت انتخاب می‌شود. چرا که در هر Fault Type تکفاز، تستر در هر طرف فقط از یک فاز جریان تزریق خواهد کرد بنابرین Ip=3I0 خواهد بود. برای اطلاعات منحنی مشخصه باید به تنظیمات رله مراجعه کرد و بر اساس آن منحنی مشخصه رله را تکمیل کرد.

همانطور که گفته شد، در حفاظت REF از دو جریان ISP و 3I0 برای انجام پروسه حفاظت استفاده می‌شود. در این پروسه جریان عملگر تنها Isp است و 3I0 به منظور تشخیص خطای داخلی یا خارجی سیستم استفاده می‌شود. در مدت عملکرد سیستم در شرایط عادی Isp و 3I0 تقریبا برابر صفر هستند. اما به محض وقوع یک خطای ارت فالت، مقدار این دو جریان دچار تغییر می‌شود که بسته به شرایط خطا ممکن است با هم برابر باشند و یا اینکه دچار اختلاف باشند.

• اگر خطای رخ داده درون ناحیه حفاظتی باشد دو جریان Isp و 3I0 جاری خواهند شد که با توجه به جهت این جریان‌ها که به سمت داخل ترانس هستند هر دو این مثبت در نظر گرفته می‌شوند.

• اگر خطای رخ داده خارج از زون حفاظتی باشد، دو جریان Isp و 3I0 جاری خواهند شد. جریان Isp به سمت داخل ترانس بوده و مثبت در نظر گرفته می‌شود اما جریان 3I0 به سمت خارج از ترانس جاری می‌شود و منفی در نظر گرفته می‌شود.

برای اینکه حفاظت REF برای خطاهای خارج از زون حفاظتی دچار عملکرد (کاذب) نشود علاوه بر تعریف یک جریان عملگر باید یک متد پایدارساز برای رله تعریف شود. با این توضیحات IREF و Istab به صورت زیر تعریف می‌شود.

برای روشن شدن مطلب سه وضعیت مختلف خطا ذکر می‌شود.

• خطای خارج از زون و برابر بودن اندازه Isp و 3I0

در چنین شرایطی با فرض برابر بودن اندازه Isp و 3I0، جهت Isp به سمت داخل ترانس و مثبت، و 3I0 به سمت خارج از ترانس و منفی در نظر گرفته می‌شوند.

در این شرایط جریان پایدارساز دو برابر جریان عملگر بوده و حفاظت REF پایدار است.

• خطا داخل زون و تغذیه خطا فقط از Star Point:

در این شرایط Isp به سمت داخل ترانس و مثبت، و 3I0 صفر است

در این شرایط حفاظت REF در بالاترین میزان حساسیت قرار داشته و تریپ خواهد داد.

• خطا داخل زون و تغذیه خطا از Star Point و سیستم به مقادیر برابر

در چنین وضعیتی جهت Ispو 3I0، به سمت داخل ترانس و مثبت در نظر گرفته می‌شوند.

در این شرایط Istab منفی است. بنابراین به مقدار صفر ست شده و حفاظت REF در بالاترین میزان حساسیت قرار داشته و تریپ خواهد داد.

بنابر توضیحات ارائه شده در صورت خطای داخل زون، رله هیچ جریان پایدار سازی نخواهد داشت و تریپ خواهد داد. اما به ازای خطای خارج از زون جریان پایدار ساز بزرگی وجود خواهد داشت و رله تریپ نخواهد داد.

در همه مثال های بالا فرض شد که جهت جریان‌های Isp و 3I0، با هم یکسان و یا 180 درجه اختلاف زاویه دارند. این فرض در مقادیر Primary درست است اما در مقادیر Secondary به دلیل شرایطی مثل اشباع CT و خطاهای اندازه‌گیری زاویه‌ها ممکن است دارای اختلاف بوده و باعث کاهش مقدار جریان ISTAB شود. با توجه به متد ارائه شده با فرض برابر بودن اندازه جریان‌های Isp و 3I0 اگر زاویه بین Isp و 3I0 90 درجه باشد مقدار جریان ISTAB صفر می‌شود.

مثال:

در رله زیمنس پارامتری به نام Limit Angle تعریف شده که مقدار ان برابر 100 درجه است که اگر زاویه بین جریان‌های Isp و 3I0 بیشتر از آن باشد رله پایدار خواهد بود. مشخصه عملکرد REF بر اساس زاویه بین Isp و 3I0 و به ازای به صورت زیر است.

با توجه به اینکه در رله‌های سری4 زیمنس تابع REF به صورت دیفرانسلی طراحی نشده و منحنی مشخصه دیفرانسیلی برای آن تعریف نشده، امکان تست آن در روم دیفرانسیل وجود ندارد و برای تست آن باید از روم AMT Sequencer استفاده کرد. برای اینکار باید در Hardware config یک جریان از گروه A و یک جریان از گروهB فعال کرد. جریان IA به سمت فاز و جریان IB به سمت نوترال متصل می‌شود.

در مرحله اول تست باید مقدار Setting را تست کرد. برای نمونه برای مقدار 0.15In باید فقط از سمت نوترال به صورت Step Ramp جریان را با پله‌های 2.5mA افزایش داد. توجه کنید در این رله In بر اساس جریان نامی ترانس در نظر گرفته می‌شود، نه جریان نامی CT. یعنی اگر جریان نامی سمت HV مقدار 250آمپر باشد و CT استفاده شده 300/1 باشد، با تنظیم 0.15In مقدار مد نظر 0.15*250 = 37.5A سمت اولیه و 0.125A سمت ثانویه است.

در مرحله بعدی تست باید متد پایدار ساز و زاویه بین دو جریان نوترال و فاز تست شود. برای تست متد پایدار ساز باید جریان فاز با مقدار یکسان با جریان نوترال تزریق شود. در حالت اول باید هم فاز با جریان نوترال باشد و در حالت دوم باید 180 درجه با آن اختلاف زاویه داشته باشد. در حالت همفاز رله تریپ داده و در حالت اختلاف 180 درجه رله باید پایدار باشد.

در مرحله آخر زاویه Limit Angle که مقدار ان برابر 100 درجه است، باید تست شود. برای اینکار کافی است مد Quick انتخاب شده و زاویه به صورت دستی تغییر داده شود تا عملکرد رله وابسته به این زاویه تست و صحت سنجی شود.

این رله از جریان IY که جریان نوترال و جریان 3I0 که جریان توالی صفر است برای محاسبات استفاده می‌کند. از این دو پارامتر یک جریان دیفرانسیل و یک جریان بایاس محاسبه می‌شود.

منحنی ارائه شده برای این تابع به صورت Ichar-Ibias است که Ichar برای پیکاپ و تریپ تعریف مجزایی دارد و عملکرد پیکاپ و تریپ REF باید به طور مجزا بررسی شوند.

برای تریپ این رله نسبت جریان نوترال به جریان Ichar متناظر با Ibias در منحنی مشخصه بررسی می‌شود.

مطابق با اطلاعات ارائه شده در منوال رله، برای اینکه رله تریپ صادر کند در وهله اول باید مقدار Itrip بزرگتر از 1 باشد. علاه بر این، تریپ رله وابسته به زاویه جریان نوترال و جریان 3I0 است. اگر این زاویه کمتر از 90 باشد خطا داخل و اگر بیشتر از 90 درجه باشد، بسته به نسبت IY به 3I0 خطا داخل یا خارج از زون حفاظتی تشخیص داده می‌شود.

پیکاپ این تابع مستقل از زاویه بین جریان‌هاست و اگر Idiff محاسبه شده بزرگتر از Ichar باشد رله پیکاپ خواهد کرد

با توجه به اینکه در رله‌های سری5 زیمنس منحنی مشخصه تریپ REF به صورت دیفرانسلی دیده نشده، امکان تست تریپ آن در روم دیفرانسیل وجود ندارد و برای تست تریپ باید از روم AMT Sequencer استفاده کرد. توجه کنید که منحنی مشخصه ارائه شده دارای محور افقی بایاس و محور عمودی Ichar است. این محور عمودی برای تریپ رله مقدار IY است به همین دلیل در روم دیفرانسیل امکان تست تریپ رله وجود ندارد.

برای تست در روم سکوئنسر باید در Hardware Config سه جریان از گروه A و یک جریان از گروه B فعال کرد. سه جریان گروه A به سمت فاز و جریان IB به سمت نوترال متصل می‌شود.

در مرحله اول تست باید مقدار Setting را تست کرد. برای اینکار باید به یک فاز از سه فاز جریان داد و سپس جریان نوترال را پله پله افزایش داد. بعد از تریپ رله باید مقدار جریان نوترال که باعث تریپ رله شده است را با منحنی مشخصه تطبیق داد. برای تطبیق باید ابتدا جریان بایاس متناظر را با رابطه ارائه شده حساب کرد و سپس جریان IY را با Ichar مطابقت داد.

در مرحله بعدی تست باید متد پایدار ساز و زاویه بین دو جریان نوترال و فاز تست شود. برای تست متد پایدار ساز باید جریان فاز با مقدار مشخص و همچنین جریان نوترال در حالات مختلف تزریق شود.

. برای اینکار باید به هردو سمت فاز و نوترال جریان داد و طوری تنظیم کرد که جریان IY در منحنی مشخصه رله در ناحیه عملکرد باشد. برای تست این حالت باید در مد Quick مقدار جریان‌ها را ثابت نگه داشته و زاویه را جهت صحت عملکرد رله در حد آستانه (مثلا90 درجه) مورد بررسی قرار داد. همانطور که در منحنی سمت راست مشخص است بسته به نسبت IY به 3I0 حد آستانه زاویه متغیر است که می‌تواند برای تست مورد توجه قرار گیرد.

برای تست Pickup رله می‌توان از روم دیفرانسیل استفاده کرد، چرا که با توجه به منوال رله، محور عمودی منحنی مشخصه Ichar-Ibias، مقدار دیفرانسیل جریان نوترال و جریان توالی صفر است.

برای تست در روم دیفرانسیل، در پنجره Test Object ، بلوک Differential باید تابع REF را برای Protection Function انتخاب کرد و سپس اطلاعات Main Side و Neutral را متناسب با سمتی که این تابع قرار دارد تکمیل کرد. فرمول Ibias باید IP+IS وارد شود. با توجه به اینکه در حالت خطای تکفاز فقط از یکفاز جریان تزریق می‌شود این فرمول متناظر با فرمول رله است.

برای تشخیص خطای ارت‌فالت داخل زون، رله از دو المان منحنی مشخصه diff-bias و دایرکشنال استفاده می‌کند. در این رله جریان نوترال (IN) به عنوان رفرنس جهتی در نظر گرفته شده چرا که در هر دوحالت خطای داخل و خطای خارج از زون حفاظتی جهت آن ثابت است. برای این رله رابطه ذکر شده برای Idiff و Ibias به صورت ذیل است.

با توجه به ساختار ارائه شده توسط منوال این رله، CTهای سمت فاز به سمت ترانس باید زمین شوند و CT سمت نوترال خلاف جهت ترانس زمین می‌شوند. به همین دلیل علامت منفی در محاسبه Idiff معنی پیدا می‌کند. به طور کلی برای اینکه رله خطای ارت فالت را درون ناحیه حفاظتی تشخیص دهد باید جهت جریان های دیده شده توسط رله خلاف یکدیگر باشند.

به ازای خطاهای خارج از زون حفاظتی مقدار دیفرانسیل تقریبا برابر صفر است. با توجه به تعریف رله جهت جریان هر دو CT یکسان بوده که باعث می‌شود رله خطا را خارج از زون حفاظتی ببیند.

منحنی مشخصه diff-bias ارائه شده توسط رله دارای سه بخش بوده که بخش اول آن جریان حد آستانه بین 5 تا 50 درصد توسط کاربر قابل تنظیم بوده و سایر بخش‌ها مشخص و ثابت هستند.

برای تست این تابع در رله RET521 می‌توان از روم دیفرانسیل استفاده کرد. نکاتی که در وارد کردن اطلاعات این تابع خفاظتی باید توجه شود به صورت ذیل است:

برای تست این تابع باید در روم دیفرانسیل نوع Protection Function را REF انتخاب کرد و در ستون Primary باید اطلاعات سمت فاز (Main Side) و در ستون Secondary اطلاعات سمت نوترال وارد شود. جهت Starpoint Grounding سمت Neutral باید Toward Line و رابطه Ibias باید Max(Ip,Is) انتخاب شود. در اینجا برای حد آستانه عملکرد 0.3 منحنی مشخصه دیفرانسیلی رسم شده است.

این رله برای حفاظت REF از دیفرانسیل بین جریان توالی صفر فازها (3I0) و جریان نوترال IY استفاده می‌کند. همچنین یک جریان بایاس برای منحنی مشخصه diff-bias این تابع تعریف شده که متوسط جریان سه فاز رله است.

بر اساس نکات ذکر شده در منوال رله، COSphi زمانی 1 در نظر گرفته می‌شود که زاویه بین جریان نوترال (IY) و جریان توالی صفر فازها (3I0) 180درجه باشد و اگر زاویه بین آن‌ها کمتر از 90 درجه باشد مقدار COSphi صفر در نظر گرفته می‌شود. بنابراین زمانی رله تریپ خواهد داد که زاویه بین جریان نوترال (IY) و جریان توالی صفر فازها (3I0) بیشتر از 90 درجه باشد.

برای این رله دو نوع Connection Type تعریف شده که به طور خلاصه اگر CTهای هر دو سمت به سمت تجهیز یا خلاف جهت تجهیز زمین شده باشند Type1 و یکی از آن‌ها در جهت ترانس و دیگری خلاف جهت ترانس باشد، Type2 است.

در منوال رله از ساختار زیر(Type1) برای تشریح خطای داخل و خارج و آنالیز رله برای این کار استفاده شده است. در این ساختار اگر زاویه جریان 3I0 و IY کمتر از 90 درجه باشد، خطای خارج از زون دیده شده و تابع بلاک می‌شود.

برای تست این تابع در رله RET620 می‌توان از روم دیفرانسیل استفاده کرد. نکاتی که در وارد کردن اطلاعات این تابع حفاظتی باید توجه شود به صورت ذیل است:

برای تست این تابع باید در روم دیفرانسیل نوع Protection Function را REF انتخاب کرد و در ستون Primary باید اطلاعات سمت فاز (Main Side) و در ستون Secondary اطلاعات سمت نوترال وارد شود. اگر Connection Type در رله type1 بود جهت Starpoint Grounding هر دو CT باید Toward Object باشد، در غیر این صورت CT سمت Neutral باید Toward Line انتخاب شود.

رابطه Ibias باید Max(Ip,Is)/K1 و عدد K1=3 انتخاب شود.

در اینجا برای حد آستانه عملکرد 0.3 منحنی مشخصه دیفرانسیلی رسم شده است.