فصل پنجم

 حفاظت سیستم‌ها

5- 1 كليات

ضوابط و دستورا لعملهاي توصیه‌شده به‌منظور حفاظت سیستم‌های نيروي برق و پشتيبان در اين فصل موردبحث قرار می‌گیرد. اگرچه در هنگام استفاده از تجهيزات در موارد اضطراري و پشتيبان، ضوابط استاندارد حفاظت تجهیزات بايستي به‌طور كامل ملاك عمل قرار گيرند، غالباً معيار قابليت اعتماد سيستم ايجاب می‌کند كه در هنگام طراحي منابع انرژي و تغذيه براي بارهاي بحراني، ملاحظات خاصي به عمل آيد. بديهي است رعايت كليه آیین‌نامه‌ها و استانداردهاي ملي، ايالتي و محلي لازم براي حفاظت اجزاء و بخش‌های مختلف سيستم نيروي برق اضطراري يا پشتيبان امري ضروري است معذالك امكان دارد در فرآيند طراحي، فراتر از اين آیین‌نامه‌ها و استانداردها مطلوب نظر باشد.

هدف اين فصل ارائه فهرستي از تمام آیین‌نامه‌ها و استانداردهاي قابل‌استفاده نمی‌باشد ولي برخي از آیین‌نامه‌ها و استانداردهاي عمده كه می‌توانند به اين ضوابط و دستورالعملهاي توصیه‌شده ياري رسانده و آن‌ها را تكميل كنند، مورد ارجاع قرار می‌گیرند.

حفاظت اجزاء و بخش‌های منفردي كه در اغلب سيستمهـاي نيروي برق اضطراري و پشتيبان متعارف به كار می‌روند، با تأکید و توجه به حصول يكپارچگي و اعتماد پذيري مورد لزوم سيستم، بررسي می‌شود.

كاربرد و نگاهداري صحيح سیستم‌ها در فصول ديگر موردبحث قرارگرفته و بايستي به‌عنوان جنبه مهمي از حفاظت مدنظر باشد.

5- 2 بررسي شرايط جريان اتصال كوتاه

در ميان بسياري از زمینه‌های مهم حفاظت اجزاء و اقلام تشكيل دهنده يك سيستم نيروي برق اضطراري يا پشتيبان، زمينه اي كه ملاحظات خاصي را ميطلبد درواقع مقدار در مدت‌زمان جريان اتصال كوتاه در دسترس از منبع برق اضطراري يا پشتيبان می‌باشد. بديهي است كه شرايط خرابي بر دسترس پذيري منبع تغذيه اي كه قرار است اهداف موردنظر را تحقق بخشد، تأثیر مستقيم دارد. به‌منظور تعيين جريان اتصال كوتاه در دسترس توسط منبع تغذيه پشتيبان يا اضطراري در سراسر سيستم، بخصوص در وسايل سويچينگ و قطع كننده جريان، مطالعات لازم بايد به عمل آيد.

در ارزيابي عملكرد ژنراتور پشتيبان يا اضطراري تحت شرايط خرابي، نكته حائز اهميت عبارت است از این‌که آيا جريان خرابي كافي براي مدت‌زمان كافي در دسترس خواهد بود تا در يك سيستم هماهنگ مناسب، وسايل اضافه جريان به‌طور انتخابي از مدار خارج شوند. در اغلب موارد، منابع برق پشتيبان يا اضطراري به‌اندازه منابع عادي و معمول جريان خرابي توليد نمی‌کنند. هنگامی‌که هر دو منابع جهت تغذيه سيستم توزيع طراحي می‌شوند، مقدار جريان خرابي در دسترس از منبع تغذيه عادي و از طريق وسايل سويچينگ دستي يا خودكار، معمولاً نرخ وقفه يا ايستادگي اجزاء سيستم را تعيين می‌کند. در طراحي سيستمي كه از انتخاب پذيري و هماهنگي بهينه با هر دو منابع نيروي برق برخوردار باشد، برنامه‌ریزی دقيق امري ضروري است. جريان اتصال كوتاه در دسترس مولد پشتيبان يا اضطراري بايد با نرخ‌های (مقادير اسمي) وسايل اضافه جريان سيستم مقايسه شود تا بتوان چگونگي حصول به چنين هماهنگي را تعيين كرد. معمولاً منبع نيروي برق پشتيبان يا اضطراري بايد به نحوي به سيستم نيروي برق اتصال يابد كه از لحاظ فيزيكي و الكتريكي تا آنجا كه شرايط واقعي و عملي اجازه می‌دهند، به بارها نزديك باشد. اين امر باعث می‌شود كه تعداد و اندازه كليدهاي خودكار مرتبط در سيستم توزيع و تعداد سطوح هماهنگي موردنیاز به حداقل برسد.

هماهنگي انتخابي وسايل اضافه جريان، فرآيند به كار گرفتن اين وسايل است به‌طوری‌که يكي قبل از ديگري تحت سطوح معيني از جریان‌های خرابي عمل كرده و درنتیجه باعث ايجاد ايزولاسيون مؤثری بين مدار دچار خرابي و مدارهاي خراب نشده می‌شود. به‌منظور تحليل مشروح تر اصول هماهنگي انتخابي به استاندارد IEEE Std 242 مراجعه كنيد.

محاسبه جريان خرابي در دسترس از ژنراتور پشتيبان يا اضطراري شامل تعيين مقدار جريان خرابي و مدت‌زمان برقراري جريان خرابي و نحوه تغيير محتمل آن می‌باشد. امكان دارد كه به اطلاعات آزمون در مورد مشخصه هاي اتصال كوتاه ژنراتور و ارائه آن‌ها توسط سازنده نياز باشد. نبايد فرض كرد كه در شرايط خرابي تحت تغذيه (فقط توسط ژنراتور) سرعت آن تغيير نخواهد كرد: اثرات تغييرات فركانس و بار محرك اوليه نيز بايستي در نظر گرفته شود. هماهنگي انرژي ذخیره‌شده مكانيكي و الكتريكي در يك مجموعه ژنراتور و نوع سيستم تحريك درواقع تعيين خواهد كرد كه چه مدت‌زماني ماشين و ژنراتور جريان خرابي را تحمل كرده و با چه سرعتي اين جريان خرابي افت خواهد كرد. در برخي موارد، توان برق ابتدايي از نرخ (مقدار اسمي) توان برق محرك اوليه بالاتر (در بعضي اوقات چند مرتبه بالاتر) است. اين امر می‌تواند به كاهش سريع سرعت منجر شود. چنين اضافه‌بار محرك اوليه در كاربردهاي مجموعه ژنراتور كوچك محتمل تر از سیستم‌های نيروي برق بزرگ‌تر می‌باشد چون نسبتهاي XR  هر دو سیم‌پیچي هاي ژنراتور و مدارهاي توزيع در سیستم‌های كوچك، پایین‌تر هستند.

معمولاً، سيستم تحريك به‌اندازه كافي سريع پاسخ نداده و به تبع آن بر سيكل اول يا دوم جريان خرابي تأثیر قابل‌ملاحظهاي نداشته و درنتیجه تا اين مرحله، نوع سيستم تحريك اهميتي ندارد. اگر خرابي در سیکل‌هاي 2 تا 4 اول رفع نشود، سؤال جدي عبارت است از این‌که آيا پس از رفع خرابي، مجموعه ژنراتور قادر به بازيابي و ارائه سرويس قابل‌قبول به مدارهاي دچار خرابي نشده می‌باشد يا نه؟ در سیستم‌هایي كه جريان خرابي به‌سرعت به سطوح پایین‌تر از مقادير قطع اضافه جريان تأخیر يافته و لحظه‌ای افت می‌کند، خروج از مدار فقط در چند سيكل اول امکان‌پذیر خواهد بود. اين امر توانايي خروج از مدار انتخابي وسايل اضافه جريان را منتفي كرده و آن‌ها فقط با مقادير لحظه‌ای به کار خود ادامه می‌دهند.

شكل 1-5 نرخ افت جريان خرابي سه فازه به دست آمده از آزمون‌هایي بر سه ژنراتور نوعي را نشان می‌دهد، به‌طوری‌که دو ژنراتور اول جداگانه تحريك شده (با تحريك ثابت) و در شرايط عدم بار مورد آزمون قرارگرفته‌اند. منحني ها تقريبي از نتايج آزمون واقعي می‌باشند. در شكل 1-5 (الف) پس از سپري شدن حدود 40 سيكل، جريان خرابي به نرخ بار كامل ژنراتور افت می‌کند. در شكل 1-5 (ب) جريان خرابي پس از حدود 25 سيكل به نرخ بار كامل افت می‌نماید. نزول سریع‌تر جريان خرابي در ژنراتور کوچک‌تر معمولاً امري متداول است. جريان (I) نشان داده‌شده به ازاء هر واحد (PU) و مبتني بر نرخ يا مقدار اسمي جريان بار كامل ژنراتور می‌باشد. شكل 1-5 (پ) تقريبي از جريان اتصال كوتاه ژنراتور با تحريك شنت بدون قابليت تداوم اتصال كوتاه را نشان می‌دهد. در اين مورد، جريان در 10 سيكل به نرخ بار كامل افت كرده و در 20 سيكل تقریباًبه صفر می‌رسد.

هنگامی‌که دو كليد خودكار مجهز به لغزش (trip) لحظه‌ای به‌صورت سري به کار گرفته شوند، اگرچه كليد خودكار فراسو (upstream) ازنظر جريان بزرگ‌تر است، در خرابيهايي پايين كليد خودكار فروسو (downstream)، نمی‌توان از عمل لغزش لحظه‌ای انتخابي مطمئن بود مگر آن‌که جريان خرابي بسيار كوتاه زمان در مقايسه با حداقل سطح لغزش لحظه‌ای كليد خودكار فراسوي بزرگ‌تر، مقدار كمتري را دارا باشد. اين مفهوم در شكل 2-5 نشان داده‌شده است. در اين شكل موردي نمايش داده می‌شود كه در آن جريان خرابي به دست آمده از شكل 1-5 (ب) بالاتر از جريان پيكاپ لحظه‌ای حداكثر كليد خودكار بزرگ‌تر می‌باشد. امكان دارد اين امر سبب باز شدن (از قفل خارج شدن) لغزش كليد خودكار بزرگ‌تر مذكور شده و درنتیجه هر دو كليد خودكار لغزيده و در مدارهاي نهايي بدون خرابي، نيروي برق قطع شود. افت جريان در طول زمان باز شدن كليد خودكار كه می‌تواند از 1٪ ثانيه كمتر باشد، در مقايسه با تولرانس پيكاپ واحد لغزش يا تغييرات در مولفه غير متقارن جريان، ناچيز و جزئی است. هنگامی‌که كليد خودكار از قفل خارج می‌شود حتماً لغزيده و مدار را قطع می‌کند.

در موارد مختلف شكل 1-5، فقط شرايط خرابي سه فاز نشان داده‌شده اند. در كاربردهاي عملي، خرابيهاي غير متوازن، بخصوص خط ـ به ـ زمين در سیستم‌های داراي اتصال زمين، بسيار بيشتر تجربه می‌شود. بدين دليل، تنها ارزيابي شرايط خرابي سه فاز در كاربرد ماشين ژنراتور كافي نيست. امكان دارد سیستم‌های با تحريك شنت، نيروي برق خود را از خط ـ به – خط، خط ـ به ـ نول يا از تمام سه فاز دريافت كنند. بسته به هر طرح بخصوص، ممكن است خرابي در خط ـ به ـ خط يا خط ـ به ـ نول به يك سطح خود محافظ مطابق شكل 5- 1 افت نكند. حدودي كه اين امر می‌تواند مشكل و مسأله اي تلقي شود بايد بر مبناي مورد به مورد تعيين گردد. می‌توان ژنراتور و سيستم تحريكي را طراحي كرد كه تنزل ولتاژ ترمينال و جريان خرابي ژنراتور را در اثـر هر نوع خرابي در ترمينالهاي ژنراتـور تضمين نمايـد. همچنين سیستم‌های تحريـك و ژنراتورهايي

شكل 1-5: منحني هاي كاهش سه فاز در ماشين ـ ژنراتورها

وجود دارد كه سطح پیش‌بینی‌شده‌ای از جريان خرابي را تضمين می‌کند. هر كاربر بايد نوع سيستمي را كه با نيازهاي او بهترين تطابق را دارد، مشخص نمايد.

شكل 2-5: جريان اتصال كوتاه سه فاز به ازاء كليدهاي خودكار با قالب ريختهشده و اتصال سري

شكل 3-5 تقريبي از آزمون واقعي بر روي ژنراتور توربيني با و بدون پشتيباني تحريك تحت شرايط خرابي سه فاز می‌باشد. منحني ها نشان می‌دهند كه چگونه سيستم تحريك در چند سيكل اول تأثیر جزئی داشته ولي جريان مداوم خرابي اساساً با مورد بدون پشتيباني تحريك تفاوت دارد.

اين نوع پشتيباني تداوم خرابي براي خر ابيهاي خط ـ به ـ خط و خط ـ به ـ زمين، حتي بيش از PU3 جريان خرابي توليد می‌کند. اين مقادير معمولاً، به ترتيب PU و 5 PU8 می‌باشند.

شكل 3-5: كاهش هاي جريان خرابي سه فاز در ژنراتور توربيني kw 900