فایل ورد کامل عملکرد رله‌های حفاظت زمین و تحلیل خطاهای مرتبط

بخشی از فهرست مطالب پروژه فایل ورد کامل عملکرد رله‌های حفاظت زمین و تحلیل خطاهای مرتبط

فصل اول : اصول عملکرد رله های زمین

۱-۱    خطاهای زمین

۲-۱ اتصالات رله های زمین

۳-۱ انواع معمول رله های زمین

۱-۳-۱ رله های با مشخصه معکوس

۲-۳-۱ رله های زمان معین

۳-۳-۱ رله های IDMT

۴-۳-۱ رله های لحظه ای

فصل دوم : مطالعه رله های جهت دار زمین

۱-۲  ضرورت جهت دار بودن

۲-۲ هماهنگی رله های جهت دار

۳-۲ پلاریزه کردن رله های جهت دار

۱-۳-۲ پلاریزه کردن توسط جریان

الف: ترانس های دو سیم پیچه

ب : ترانس های سه سیم پیچه

ج : اتو ترانس ها

۲-۳-۲ پلاریزه کردن توسط ولتاژ

۳-۳-۲ روش های دیگر پلاریزاسیون

۴-۲ مشخصه عمل رله های جهت دار

۱-۴-۲ جبران سازی در رله های زمین

فصل سوم : بررسی برخی از مشکلات رله های زمین

۱-۳    جریان مانده اشتباه

۱-۱-۳ عملکرد ضعیف ترانس های جریان

نامساوی بودن بردن و اختلاف بین ترانس های جریان

اشباع DC ترانس های جریان

۲-۳ خطاهای چند مداره

۳-۳ نامتقارن باز وبسته شدن کلیدها

۴-۳ معکوس شدن جریان در سیم پیچ پلاریزه کننده

۵-۳ مشکل رله های حاصل ضربی

۶-۳ مشکل جریان القا شده در خطوط موازی

۷-۳ کاربرد مشخصه هیبرید

فصل چهارم : سیستم های حفاظت زمین دیفرانسیلی

۱-۴    معرفی سیستم دیفرانسیل اصلاح شده

۲-۴    انواع سیستم های دیفرانسیلی

۱-۲-۴ سیستم دیفرانسیل قدیمی

۲-۲-۴ سیستم دیفرانسیل اصلاح شده

۳-۴    تحلیل شبکه قدرت

۱-۳-۴ مفاهیم اولیه تحیلی شبکه

۲-۳-۴ روش تجزیه و تحلیل سیستم

۴-۴ مطالعه حالت های مختلف سیستم

۵-۴ توسعه دیفرانسیل اصلاح شده

فصل پنجم : تنظیم رله زمین در یک شبکه نمونه

۱-۵    معرفی شبکه نمونه

۲-۵    محاسبات

۳-۵    تنظیمات رله

۴-۵ نتایج بدست آمده

نتیجه گیری

ضمیمه

مراجع

مقدمه :
شبکه قدرت همواره در معرض خطاهای گوناگونی قراردارد . از میان همه این خطاها احتمال وقوع خطای زمین بیشتر است . تقریبا بیش از ۹۵ درصد خطاهای شبکه از این نوع است. بنابراین حفاظت تجهیزات شبکه قدرت در برابر این نوع خطاها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
یکی از روش های حفاظت سیستم ها در برابر خطای زمین استفاده از رله های جریان زیاد است این روش که از دیرباز مورد استفاده قرار می گرفته است هنوز هم جزو اصلی  ترین روش های حفاظت زمین محسوب می شود .اگر چه در برخی مواردرله دیستانس به عنوان رله اصلی در این خطاها بکار می رود  اما رله های جریان زیاد زمین در این موارد نقش مهمی ایفا میکنند ،زیرا موارد بسیاری وجود دارد که رله دیستانس در خطاهای زمین عمل نمی کند.
با این حال شرایط و عوامل زیادی وجود دارد که باعث می شود که رله های جریان زیاد زمین ،‌ عملکرد صد در صد درست نداشته باشند . این بیشتر به خاطر شرایطی است که شبکه قدرت بر رله تحمیل میکند . بنابراین آشنایی با این شرایط و هم چنین رویارویی با آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است ،‌ زیرا با این کار قابلیت اطمینان سیستم های قدرت را می توان بالابرد.
 
فصل اول
اصول  عملکرد رله های زمین
در حالیکه مقالات متعددی  در زمینه انواع خاصی از رله های زمین و مشکلات مربوط به آن نوشته شده است ، اما یک بررسی کلی در مورد اصول  عملکرد  این رله ها کمتر یافت می شود .در این فصل سعی بر این است تا مفاهیم اساسی رله های زمین بیان شود و یک آشنایی کلی با طرز کار این رله ها صورت گیرد با این امید که بتوان برای مهندسین حفاظت مفید واقع گردد.
لازم به ذکر است که در این پروژه ، منظور از حفاظت خطوط انتقال حفاظت جریان زیاد است و رله های زمینی که در اینجا بحث می شود ، همگی طبق اصول رله های جریان زیاد عمل می کنند . بنابراین نباید آن ها را با انواع دیگر حفاظت خطوط نظیر  حفاظت دیستانس و یا Pilot Protection اشتباه گرفت.
 
۱    : خطاهای زمین (GROUND  FAULTS)
خطاهای زمین به خطاهایی گفته میشود که بین یک یا دو فاز  و زمین صورت می گیرد . رله زمین در چنین مواقع ی باید بتواند در کمترین زمان ممکن این اشکال را احساس کند و فرمان لازم برای عملکرد کلیدهای قدرت را صادر کند.
کمیتی که در رله های زمین برای تشخیص خطا بکار می رود ولتاژ (۳V0) یا جریان باقیمانده  (3I0) است کهV0 وI0 مقادیرمولفه صفر ولتاژ و جریان هستند . بیشتر سیستم های قدرت زمین شده اند و این زمین کردن ممکن است بصورت مستقیم باشد و یا از مقاومت یا راکتانس استفاده شده باشد. در نتیجه جز در موارد خاصی ، ولتاژ و جریان های باقیمانده بسیاری وجود دارد که میتوانند توسط رل های زمین مورد استفاده قرار گیرند . البته ولتاژ و جریان مولفه منفی نیز در خطای زمین وجود دارد و با ترکیب آن ها با مقادیر مولفه صفر ، در آشکار نمودن و ایزوله کردن خطاها می توان از آن ها استفاده کرد.
قابل ذکر است که خطای سه فاز به زمین به علت این که مولفه صفر قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند نمی تواند باعث عملکرد رله زمین شود . به همین خاطر عموما این نوع خطا به عنوان یک خطای فاز درنظر گرفته می شود.
هیچکدام از کمیت های مشخص کننده خطای زمین (ولتاژ و جریان مولفه صفر) هنگامیکه سیستم در شرایط نرمال قرار دارد ، به مقدار قابل ملاحظه ای موجود نیستند. این نکته مهم باعث شده است تا بتوان رله های جداگانه ای را برای حفاظت زمین استفاده کرد که حساسیت بیشتری دارند و در مقادیری کمتر از بار سه فاز سیستم تنظیم می شوند.

۲-۱: اتصالات رله های زمین
در این جا چند نوع متداول از اتصالات رله های زمین که استفاده از آن ها در حفاظت زمین رایج است تشریح می گردد. در تمام این روش ها از ولتاژ یا جریان باقیمانده برای تشخیص خطای زمین استفاده می شود.
الف : در روش اول که در شکل a-1-1 نمایش داده شده است ، رله زمین از خروجی سه ترانس جریان که بصورت موازی بسته شده اند تغذیه می گردد . اولیه هر کدام از ترانس ها یکی از فازهای خط انتقال است . بنابر این جریانی که از رله عبور می کند برابر است با :
Ir=Ia+Ib+Ic=3I0
این جریان که به جریان باقیمانده معروف است ، سه برابر جریان مولفه صفر سیستم است و فقط هنگامی وجود دارد که در سیستم خطای زمین داشته باشیم.
شکل ۱-۱ : تشخیص خطای زمین بوسیله جریان مولفه صفر
چون در شرایط کار عادی سیستم ، جریان باقیمانده نداریم ، پس تنظیم این رله ها را می توان در مقادیر کم انجام داد . به همین دلیل معمولا این رله ها بین ۳۰ تا ۷۰ درصد جریان نامی تنظیم می شوند . تنظیم این رله ها مستقل از بار است و با تنظیم رله های اضافه بار متفاوت است ، ذکر این نکته ضروری است که تنظیم  آن ها در مقادیر کم ،‌باعث تحمیل بِردِن  اضافی به C.T خواهد شد و این مطلوب نیست .
رله های C,B,A که هر کدام در ثانویه یکی از C.Tها بسته شده اند ، برای حفاظت در برابر خطای فاز هستند یعنی در صورت وقوع خطای دو فاز به هم ویا خطای سه فاز ،‌ المان جریان زیاد این رله ها باعث صدور فرمان لازم می گردد. این رله ها باید طوری تنظیم شوند که در بارگیری کامل از خط و حتی در مقادیری بیش از آن عمل نکنند . این رله ها ممکن است در برخی خطاهای زمین عمل کنند . با این وجود نباید آن ها را به عنوان رله زمین در نظر گرفت بلکه باید آن ها را به عنوان یک حفاظت پشتیباد برای رله زمین به حساب آورد . گاهی اوقات به منظور صرفه جویی اقتصادی ، به جای این که سه رله جریان زیاد برای فازها بکار برند،‌از دو رله استفاده میکنند.
در صورتیکه  تمام C.T ها ایده آل باشند ،‌ تحت شرایط کارکرد نرمال و هم چنین در خطاهای بین فازها جریانی از رله زمین نخواهد گذشت . با این وجود ،‌چون C.T  ها هر قدر هم که یکسان باشند باز هم تفاوت های جزئی  دارند، همواره مقداری جریان از رله زمین عبور می کند این جریان که به جریان مانده اشتباهی معروف است ،‌ هنگامی که اولیه C.T ها در جریان نامی کار میکند حدود ۰۱/۰ تا ۱/۰ آمپر است و در خطاهای شدید بین فاز ها ، مقادیر  بسیار بزرگتری خواهد داشت. برای اجتناب از این جریان اشتباه می توان از یک نوع ترانس جریان استفاده کرد که هر سه فاز را در بر میگیرد . در شکل b-1 نمونه ای از این نوع ترانس جریان که به C.T توالی صفر  معروف است ، نشان داده شده است با استفاده از این C.T در واقع نامتعادلی در خروجی C.T ها از بین خواهد رفت . استفاده از این C.T در سیستم های با ولتاژ کم و متوسط رایج است.
ب: روش دوم که در شکل ۲-۱ نشان داده شده است را تنها در پست هایی می توان به کار برد که ترانس هایی با سیم پیچ ستاره زمین شده دارند . در چنین مواقعی جریان رله زمین توسط یک C.T که بین نقطه خنثی ترانس و  زمین بسته می شود تامین می گردد . فقط در صورت بروز خطای زمین است که از نقطه صفر ترانس قدرت جریان می گذرد و به محض عبور جریان ،‌رله زمین واقع درآن جاکه درمقادیرکم نیزتنظیم می گردد،‌فرمان لازم راصادر خواهد کرد.

شکل ۲-۱ : استفاده از جریان نوترال ترانس برای تشخیص خطای زمین
این رله فقط خطاهای زمین طرف ستاره را حفاظت می کند و به خطاهای سمت مثلث حساس نیست زیرا همانطور که می دانیم ، جریان مولفه صفر نمی تواند از یک ترانس ستاره – مثلث عبور کند . بنابراین این رله خطاهای زمین طرف مثلث را نمی بیند.
در سیستم هایی که به علت عدم وجود نقطه خنثی از ترانس های زمین برای ایجاد این نقطه استفاده می شود ، رله زمین را میتوان از یک C.T که در نوترال ترانس زمین بسته می شود تغذیه کرد.
ج: یکی دیگر از روش های تشخیص خطای زمین ،‌استفاده از ولتاژ باقیمانده به صورتیکه در شکل a-3-1 نشان داده شده است می باشد . ترانس ولتاژی که در این روش استفاده می شود ، اولیه اش ستاره زمین شده و ثانویه اش مثلث باز می باشد. ولتاژی که در گوشه باز این مثلث اندازه گیری می شود برای تشخیص خطای زمین به رله اعمال می شود. از این روش بیشتر در واقعی استفاده می شود که سیستم قدرت فاقد نقطه صفر باشد . یکی از این موارد ، حفاظت خطای زمین در سمت مثلث یک ترانس قدرت است . رله زمین در این جا یک رله ولتاژی لحظه ای است و در مواردی که لازم است می توان با استفاده از یک تایمر ،‌تاخیر زمانی لازم را ایجاد کرد.
وقتی سیستم درحالت نرمال است ولتاژ موجود در ترمینال های مثلث باز، صفر است . اما هنگام رخ دادن یک خطای زمین ،‌این تعادل به هم خورده و ولتاژی به رله اعمال میگردد. نکته مهمی که هنگام استفاده از این روش باید به آن دقت کرد این است که همواره ولتاژ مولفه صفر، در محل اتصالی بیشترین مقدار را دارد و هر چه از آن دور تر می شویم از مقدار آن کاسته می شود. درصورتی که امپدانس خط مابین نقطه اتصالی و محل رله و با مقاومت خود اتصال در مقایسه با امپدانس منع بزرگ باشد ، باعث کاهش بیش از حد این ولتاژ در محل رله می شود و بنابراین ،‌در تنظیم رله ها باید دقت بیشتری لحاظ نمود.
امروزه باساختن رله های مدرن که می توانند با ۱ تا ۲ درصد ولتاژ نامی عمل نمایند ، این مساله حل شده است.
شکل ۳-۱ : استفاده از ولتاژ برای تشخیص خطای زمین

د: روش دیگر برای بدست آوردن ولتاژ باقیمانده مورد نیاز رله زمین ، در سیستم هایی است که از طریق سیم پیچ پیترسون  زمین شده اند . این روش در شکل b-3-1 نشان داده شده است . همان طور که از شکل مشخص است ، ولتاژی که در دو سر سیم پیچ  پیترسون ظاهر می شود برای تشخیص خطای زمین به رله اعمال شده است .] ۱۴[
۳-۱ انواع معمول رله های زمین:
هر خط انتقال در یک سیستم زمین شده می تواند به وسیله ترکیب یک یا تعداد بیشتری از رله های زیر حفاظت شود:
الف – رله های جریان زیاد زمانی (Time Overcurrent Relays) که شامل دو مورد زیر است:
۱-رله های زمان معکوس (Inverse time relays)
۲- رله های زمان معین (Definite timerelays)
ب – رله های جریان زیاد زمانی جهت دار (Time Overcurrent Relays Directional) که شامل همان دو مورد ذکر شده در بند الف می باشد.
ج – رله های جریان زیاد لحظه ای (Instantaneous Overcurrent Relays)
د- رله های جریان زیاد لحظه ای جهت دار(Directional Instantaneous Overcurrent Relays)
۱-۳-۱    رله های با مشخصه معکوس
اکثر سیستم های حفاظت زمین بوسیله ترکیبی از دو مورد اول فوق و با استفاده از رله های زمان معکوس عمل حفاظت را انجام می دهند .  این رله ها معمولا شامل یک دیسک اندکسیونی هستند که توسط جریان ،‌حاصل ضرب دو جریان و یا حاصل ضرب یک جریان و یک ولتاژ عمل می کنند و مشخصه های جریان – زمان متعددی دارند . رله های الکترونیکی نیز ساخته شده اند که در آن ها مشخصه زمان معکوس توسط یک مدارRC ایجاد می شود. این مقاومت،‌ یک مقاومت غیر خطی است که تغییر آن باعث تغییر زمانی مدار و در نتیجه ،‌ زمان عملکرد رله می شود برخی از مشخثه های زمان معکوس به عنوان نمونه در شکل ۴-۱ نشان داده شده اند.
شکل ۴-۱ : انواع مشخصه های زمان معکوس
خاصیت معکوس در این رله ها توسط رابطه I.T=K تعریف می شود. از مزیت های مهم این رله های این است که هر چه جریان خطا زیادتر باشد ،‌ آن را در زمان کوتاهتری قطع می کنند و خطاهای با جریان کمتر را با یک تاخیر زمانی پاک می کنند. زمان عملکرد این رله ها را حتی می توان با استفاده از مشخصه I2 . T = K کمتر کرد . این مشخصه که معکوس تر از قبلی است مشخصه خیلی معکوس  نامیده می شود . در برخی از کاربردها از مشخصه بی نهایت معکوس  نیز استفاده می شود.
در رله های از نوع حاصل ضربی  ،‌زمان قطع بستگی به حاصل ضرب دو کمیت دارد. به عنوان مثال در رله های جهت دار زمین که در فصل دوم بررسی می شود، ‌حاصل ضرب دو جریان یا یک جریان و یک ولتاژ است که زمان صدور فرمان را مشخص می سازد . در بکار گیری این رله ها با مشکلاتی مواجه می شویم که در فصل سوم به آن خواهیم پرداخت.
۲-۳-۱ رله های زمان معین (Definite Time)
در این نوع رله ها، ‌زمان عملکرد رله به اندازه جریان بستگی ندارد . بنابراین هنگامی که جریان اندازه گرفته شده بیشتر از مقدار تنظیمی رله باشد ، در یک زمان از پیش تعیین شده و بدون توجه به مقدار جریان ،‌عمل می کنند به عنوان مثال چنین رله ای باید جریان خطای بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ آمپر با در ۳/۰ ثانیه قطع کند. از این رله ها در اروپا زیاد استفاده می شود.
۳-۳-۱ رله های IDMT
در انگلستان و آمریکا یک منحنی مشخصه که حاصل ترکیب مشخصه رله های زمان معکوس و زمان معین می باشد معمول است .]۷[ در این رله ها ،‌از یک مشخصه معکوس استفاده می شود که حداقل زمان قطع آن نیز معلوم است . در شکل زیر ،‌مشخصه رله های زمان معین و زمان معکوس و مقایسه ان با رله IDMT نشان داده شده است.
شکل ۵-۱  مشخصه های زمان معکوس ،‌معین و IDMT
۴-۳-۱ رله های جریان زیاد لحظه ای
یک روش برای کاهش زمان عملکرد رله در خطاهای نزدیک منبع ،‌ استفاده از رله های لحظه ای است. معمولا این رله ها برای تکمیل حفاظت به همراه رله های زمان معکوس بکار می روند. در طراحی های خوب ، زمان عملکرد این رله ها را حتی تا کمتر از ۰۱/۰ تانیه نیز می توان کاهش داد. ] ۱۱[
در حفاظت زمین ، هر رله باید با تمام رله های دیگری که روی یک خطای زمین ممکن است عمل کنند،‌ هماهنگ شود. این هماهنگی باید انجام گیرد تا قسمت خطا دیده سیستم ،‌ با کمترین تعداد بریکرهای عمل کننده از بقیه سیستم جدا شود. در فصل سوم به چند نمونه از مشکلاتی که هنگام هماهنگی رله های زمین ممکن است پیش آید ، اشاره کرده و راه حل هایی نیز ارائه خواهیم کرد.
 
فصل دوم
مطالعه رله های جهت دار زمین
برای جلوگیری از عملکرد اشتباه برخی رله های زمین در خطاهایی که به آن ها مربوط نمی شود ،‌ باید آن ها را از نوع جهت دار   انتخاب کرد. در این صورت هر رله تنها محدوده حفاظتی خودش را تحت پوشش قرار می دهد و بنابراین قابلیت اطمینان   شبکه را بالا می برد به همین خاطر، در این فصل سعی شده است تا در باره این رله ها و نحوه پلاریزه کردن آن ها و مشخصه عمل آن ها مطالبی بیان شود.

۱-۲ضرورت جهت دار بودن
واضح است که رله های یک خط انتقال شعاعی لازم نیست که حتما جهت دار باشند اما هنگام استفاده از خطوط موازی و یا شبکه های حلقوی در بعضی از خطاهای زمین ممکن است جریان خطا برای دورله یکسان باشد و تنها جهت جریان در دو رله متفاوت در حالی که فقط یک رله باید عمل کند . در چنین مواقعی برای جلوگیری از عملکرد اشتباه ، حتما باید از مشخصه جهت دار استفاده کرد . شکل ۱-۲ یک نمونه از چنین شبکه هایی را نشان می دهد.
در خطای زمین در نقطه F1 ،‌ جریانی که رله های ۱ و ۲ می بینند ،‌یکسان است . در نتیجه ممکن است شرایطی پیش آید که بجای رله ۱، رله ۲ عمل کند . وضعیت مشابهی برای رله ۱ در خطا در نقطه F2 ممکن است ایجاد شود . برای اجتناب از چنین مواردی ،‌این دو رله را از نوع جهت دار انتخاب می کنند . در شکل ،‌ جهتی که رله خطاهای آن طرف را باید ببیند توسط پیکان مشخص شده است.
شکل ۱-۲  یک نمونه از شبکه هایی که رله زمین آن ها باید جهت دار باشد

۲-۲ هماهنگی    رله های جهت دار
شکل ۲-۲ یک شبکه حلقوی را نشان می دهد که برای حفاظت زمین آن از رله های زمین جهت دار و غیر جهت دار استفاده شده است. در دو انتهای هر خط ، ‌دو رله جهت قرار دارد که برای خطاهای روی آن خط به عنوان حفاظت اصلی  محسوب می شوند و برای خطوط جلوتر،‌نقش حفاظت پشتیبان  را ایفا می کنند . در نزدیکی منابع نیز از رله های غیر جهت دار استفاده شده است و این به دلیل حساسیت و اهمیت خطاهای نزدیک منبع است . هماهنگی رله های جهت دار در شبکه های حلقوی ،‌مشابه هماهنگی این رله ها در شبکه های شعاعی است با این تفاوت که رله ها را به دو دسته تقسیم کرده و در دو جهت مختلف ، آن ها را جداگانه هماهنگ می کنند.
در شکل ۲-۲ برای هماهنگی در جهت عقربه های ساعت، ‌ابتدا رله ۹ را در نظر گرفته و سپس به ترتیب رله های ۷ و ۵ و ۳و ۱ را با آن هماهنگ می کنیم.  این هماهنگی اگر با رله های زمان معین انجام گیرد، ‌باید مطابق ترتیب ذکر شده ،‌ زمان قطع رله ها را زیاد کرد و اگر توسط رله های زمان معکوس انجام گیرد ،‌ ابتدا باید منحنی مربوط به رله ۹ را رسم کرد و منحنی های رله های بعدی را به T.M.S بیشتر و جریان تنظیمی بیشتر ،‌ پشت سر هم قرارداد . در جهت خلاف عقربه های ساعت نیز ابتدا باید رله ۲ را در نظر گرفته و سپس رله های ۴ و ۶و ۸ و ۱۰ را به ترتیب با آن هماهنگ کرد.

شکل ۲-۲  طریقه استفاده رله های جهت دار در شبکه حلقوی

۳-۲ پلاریزه کردن رله های زمین(Ground Relay Polarization)
هنگامیکه به مشخصه جهت دار احتیاج داریم ،‌باید یک کمیت مرجع داشته باشیم تا جهت کمیت دیگری را با آن مقایسه کنیم . در رله های جهت دار زمین نیز این قاعده برقرار است ،‌ یعنی یک مرجع باید وجود داشته باشد تا مشخص کند که جهت جریان خطا ،‌ به درون خط است و یا به سمت شین است.
بنابراین عملکرد درست رله زمین به این بستگی دارد که یک کمیت ثابت یا مرجع داشته باشیم که جریان خطای درون خط را با آن مقایسه کنیم . این کمیت مرجع در رله های زمین ،‌جریان یا ولتاژ مولفه صفر است. اگر از ولتاژ استفاده شود این روش را پلاریزاسیون ولتاژ گویند و چنانچه از جریان برای این منظور استفاده شود ،‌ پلاریزاسیون جریان نامیده می شود.
در پلاریزه کردن بوسیله ولتاژ ،‌ از ترانس ولتاژ بصورت ستاره زمین شده – مثلث باز   استفاده کرده و ولتاژ اندازه گرفته شده در گوشه باز مثلث را به المان جهت دار رله اعمال می کنند.
در پلاریزه کردن بوسیله جریان ،  کمیت جهت دار را از ثانویه یک ترانس جریان که بین نقطه صفر ستاره یک ترانس قدرت و زمین بسته شده است می گیرند . در شکل ۳-۲  ،‌شمای کلی این دو نوع پلاریزاسیون نمایش داده شده است.
همانطور که در شکل دیده می شود ،‌ المان جریان زیاد رله ،‌توسط ثانویه سه ترانس جریان موازی که هر کدام روی یکی از فازهای خط بسته شده است تغذیه می گردد. (روش باقیمانده ) در نتیجه ،‌ هم المان جریان زیاد و هم المان جهت دار رله بصورت صحیح تغذیه شده اند . در بدست آوردن کمیت های پلاریزه کننده رله زمین نکاتی وجود دارد که دانستن آن ها مهم است . به همین منظور این دو نوع پلاریزاسیون و مسایل مربوط به آن در بخش های بعدی به تفصیل بحث خواهد شد.

شکل  3-2 طریقه پلاریزه کردن رله زمین بوسیله ولتاژ جریان

۱-۲-۳    پلاریزه کردن توسط جریان (Current Polarization)
از این روش بیشتر در پست هایی استفاده می کنندکه ترانس های قدرت آن ها بطور مناسب زمین شده اند . معمولا این جریان پلاریزه کننده را از یک C.T که در نقطه خنثی ترانس بسته شده است،‌ بدست می آورند . شکل ۴-۲ این روش را نشان می دهد.
این واقعیت که نقطه یا نقاط خنثی یک ترانس قدرت زمین شده اند ،‌ به این معنی نیست که یک جریان مرجع قابل اطمینان برای رله زمین ایجاد می کند .  بلکه دانستن اتصالات کامل ترانس و گاهی اوقات ،‌ آگاهی از اتصالات دیگر سیستم ضروری است.

شکل ۴-۲  پلاریزه کردن بوسیله جریان

الف : ترانس های دو سیم پیچه
در مورد ترانس های دو سیم پیچه ،‌ دانستن اتصالات کامل ترانس ضروری است . این اتصالات در شکل ۵-۲ نمایش داده شده اند. از این سه اتصال ،‌شکل a-5-2 بیشترین استفاده را دارد و تنها اتصالی است که می تواند برای پلاریزه کردن رله های زمینی که در سمت ستاره بسته شده اند ،‌استفاده شود . حضور سیم پیچی مثلث باعث شده است که جریان مولفه صفر مساوی و هم فاز از نقطه خنثی ترانس به سمت بالا جاری شود و به درون سیم پیچ ستاره وارد گردد . به خاطر خاصیت تزویج شار ترانس ،‌ این جریان درون سیم پیچ مثلث می چرخد اما از این سیم پیچ خارج نمی شود تا در سیستم قدرت طرف مثلث جاری شود. بنابراین خطاهای زمین طرف مثلث ،‌ هیچ جریان باقیمانده ای در نقطه خنثی ترانس ایجاد نمی کنند.

شکل ۵-۲ بدست آوردن جریان پلاریزه کننده از نوترال ترانس دو سیم پیچه

جریان باقیمانده در اتصال ترانس شکل b-5-2 نیز نمی تواند جاری شود. بنابراین ،‌ نقطه  خنثی اگر چه زمین شده است ،‌جریانی برای پلاریزه کردهن رله زمین بدست نمی دهد زیرا اگر جریان باقیمانده در طرف زمین شده ترانس بخواهد جاری شود ،‌ پس باید در سمت زمین نشده نیز ظاهر شود. یعنی این جریان در نقطه خنثی ستاره زمین نشده انباشته شده است در صورتی که هیچ مسیری برای جاری شدن ندارد  و این بر خلاف قانون کیرشهف است.
زمین کردن هر دو طرف ترانس که در شکل c- 5-2 نشان داده شده است نیز وضعیت را تغییر نمی دهد یعنی این نیز جریان باقیمانده مناسبی برای پلاریزاسیون ایجاد نمی کند ،‌زیرا اگر فرض شود که شبکه های متصل به هر دو سیم پیچ ستاره زمین شده باشند آن گاه یک خطای زمین در سیستم سمت راست باعث می شود که جریان باقیمانده از نقطه خنثی ستاره سمت چپ به سمت پایین جاری شده و در سیم پیچ سمت راست ،‌ به سمت بالا جاری شود . به عبارت دیگر ،‌ خطاهای زمین در سیستم سمت چپ سبب خواهد شد که جریان باقیمانده در نقطه خنثی سمت چپ ،  به پایین و در نقطه خنثی سمت راست به طرف بالا جریان یابد. در نتیجه اگر یک ترانس جریان فقط در یکی از نقاط خنثی قرار گیرد ،‌جریان مرجع مناسبی بدست نمی آید زیرا جهت آن بسته به این که خطا در کدام سمت ترانس رخ می دهد عوض می شود.
موازی کردن دو ترانس جریان واقع در هر کدام از نقاط خنثی نیز سودی ندارد زیرا در نهایت جریان  منتجه ای که به رله می رسد صفر است.
واضح است که ترانس های مثلث – مثلث نیز نمی تواند برای پلاریزاسیون جریان استفاده شوند زیرا جریان مولفه صفر ،‌ نه به درون سیم پیچی مثلث وارد شده و نه از آن خارج می شود بلکه تنها درون آن می چرخد.

ب : ترانس های سه سیم پیچه
این ترانس ها نیز می توانند به منظور پلاریزه کردن جریان مورد استفاده قرار گیرند . چند نوع از اتصالات مختلف این ترانس ها در شکل ۶-۲ نشان داده شده است . این بانک های ترانسفورمری یا بصورت ستاره-ستاره – مثلث و یا به صورت ستاره – مثلث – مثلث می باشند . اگر تنها یکی از ستاره ها زمین شده باشد و دیگری از زمین ایزوله باشد و یا یک سیم پیچ مثلث باشد ،‌همان طوری که در شکل a-6-2 نشان داده شده است ، این نقطه زمین شده ،‌ جریان پلاریزه کننده مناسبی برای خطاهای زمین همان سمت بدست می دهد ،‌درست مثل ترانس های دو سیم پیچه ستاره – مثلث.

شکل ۶-۲  بدست آوردن جریان باقیمانده از ترانس سه سیم پیچه
سیم پیچ دوم چه مثلث باشد و چه ستاره زمین نشده ،‌فرقی نمی کند و تنها تاثیر سیم پیچ مثلث این است که جریان باقیمانده زیادتر خواهد شد زیرا همانطور که در مدار معادل صفر ترانس دیده می شود ،‌ سیم پیچ مثلث یک مسیر اضافی برای عبور این جریان ایجاد می کند . به عبارت دیگر ،‌موازی شدن امپدانس ZL  با ZT باعث افزایش جریان مولفه صفر شده است .
اما غالبا در عمل هر دو سیم پیچ ستاره زمین می شوند . در چنین مواردی جریان پلاریزه کننده را میتوان با موازی بستن دو ترانس جریان در نقاط خنثی دو سیم پیچ ستاره بدست آورد . این حالت نیز در شکل های b-6-2 و c-6-2 نمایش داده شده است. توزیع جریان مولفه صفر ،‌ برای یک خطا در سمت فشار قوی با این فرض که سیستم متصل شده به سمت فشار ضعیف ، زمین شده باشد. در شکل b- 6-2 و چنین توزیعی برا ی خطا در سمت فشار ضعیف در شکل c- 6-2 نشان داده شده است . برای هر دو نوع خطا ،‌ چه در سمت فشار قوی و چه در سمت فشار ضعیف جریان منتجه برای پلاریزاسیون در یک جهت است.
باید دقت کرد که در مثال موجود در شکل فوق ،  تقسیم جریان بین سیم پیچ مثلث و سیم پیچ فشار قوی یا ضعیف به صورت مساوی در نظر گرفته شده است . معمولا این جریان ها نا مساوی هستند . تقسیم واقعی جریان بین این سیم پیچ ها ،‌ بستگی به نسبت بین امپدانس سیم پیچ ثالثیه (ZT) و سیم پیچ فشار قوی یا ضعیف دارد. این تقسیم جریان به امپدانس های صفر سیستم های متصل به هر کدام از سیم پیچ های ترانس نیز وابسته است . اما در نهایت این تقسیم جریان به هر صورتی که انجام گیرد ، بر جهت جریان درون رله تاثیر ندارد و جهت ایت جریان را تغییر نخواهد داد.

شکل ۷-۲ موازی کردن دو ترانس جریان با نسبت تبدیل های مناسب

نکته ای که در اینجا باید به آن توجه کرد این است که در صورتی که رله زمین از خروجی دو ترانس جریان موازی که در نقاط خنثی دو سیم پیچ بسته شده اند تغذیه می شود، برای دست یابی به یک جریان پلاریزه کننده مناسب نسبت تبدیل ترانس ها باید به نسبت عکس ولتاژهای دو سیم پیچ باشد . این مطلب توسط شکل ۷-۲  نشان داده شده است.
این جریان منتجه که از دو ترانس جریان موازی گرفته می شود معادل با جریانی است که در سیم پیچ مثلث براه می افتد. در حقیقت با قرار دادن یک ترانس جریان در این سیم پیچ می توان جریان ثانویه آن را برا ی پلاریزه کردن رله زمین بکار برد. کاربرد این روش بیشتر در جاهایی است که اندازه گیری هر دو جریان خنثی در سیم پیچ های ستاره امکان پذیر نمی باشد تا زمانی که سیم پیچ مثلث به صورت بی بار کار می کند یعنی هیچ خروجی از آن گرفته نمی شود، تنها یک ترانس جریان در یکی از ساق های آن کافی است. اما اگر به سیم پیچ مثلث بار متصل شود ،‌سه ترانس جریان هر کدام در یکی از ساق ها باید قرار گیرد تااز تاثیر جریان های بار نا متعادل در جریان پلاریزه کننده ، جلوگیری کنند. ]۱۲[ این ترانس ها به روش باقیمانده بسته می شوند و بنابر این جریان ۳I0 را اندازه می گیرند.

ج: اتو ترانس ها
بیشتر شبکه های قدرت از اتو ترانس های زمین شده با سیم پیچی مثلث در ثالثیه برای مبادله قدرت از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر استفاده می کنند که این تبدیل ولتاژ با نسبت های ۲ به ۱ و حتی کمتر صورت می گیرد.
نقطه خنثی زمین شده این ترانس ها ممکن است برای پلاریزاسیون مناسب باشد و یا نباشد . پس در چنین مواقعی دقت کافی باید در مورد جهت جریان در نقطه خنثی ترانس انجام گیرد. در تمام خطاهای زمین طرف فشار ضعیف جریان همواره از زمین به سمت نقطه خنثی جاری می شود . به عبارت دیگر جریان خطا در نوترال ترانس به سمت بالاست اما در خطاهای سمت فشار قوی ، جریان نوترال ترانس ممکن است به بالا یا به پایینجاری شود ویا حتی ممکن است مقدار آن صفر باشد . اگر در تمام خطاها جریان به سمت بالا باشد ،‌در این صورت رله زمین جهت دار را می توان تبوسیله ترانس جریانی که در این نقطه بسته می شود ،‌ پلاریزه کرد در غیر این صورت این جریان برای پلاریزاسیون مناسب نیست.
عواملی که بر جریان نوترال ترانس تاثیر گذار هستند را می توان توسط یک مثال مورد بررسی قرار داد . اتو ترانس شکل a-8-2 را در نظر بگیرید که قسمت KV 150 سیستم را به قسمت KV 220 متصل می کند . مدار معادل سمت KV220 به این علت که بر جریان نوترال اتو ترانس اثر ندارد، نشان داده نشده است . امپدانس های موجود در شکل ،‌ امپدانس های معادل برای هر یک از سه سیم پیچ هستند.
شکل a-8-2 خطای زمین در سمت KV 220 یک اتو ترانس

سه شبکه توالی صفر، مثبت و منفی برای این سیستم در شکل b-8-2 نشان داده شده است . انها شبکه توالی صفر است که دارای شاخه های موازی است که یکی مربوط به ثالثیه مثلث است و دیگری شبکه معادل KV150 را نشان می دهد . جریان بین این دو شاخه ، به صورتی که با ضرایب توزع روی شکل نشان داده شده است ، تقسیم می شود. تمام مقادیر راکتانس ها در مبنای MVA5/37 داده شده اند.
شکل b-8-2 شبکه های معادل صفر ، مثبت و منفی

برای محاسبه جریان ها داریم :

 (127-154)=81A*3
که جهت آن از نقطه صفر به سمت زمین است . این توزیع جریان ها در شکل C-8-2 نمایش داده شده اند.
شکل C-8-2  مقادیر جریان خطا در اتو ترانس مفروض
با کمی دقت در شبکه توالی صفر در می یابیم که جریان بیشتری در سیستم kv150 نسبت به سیستم kv220 براه می افتد و به همین خاطر است که جریان در نوترال ترانس به سمت پایین جاری می شود . در نتیجه این جریان در این حالت پلاریزه کردن رله زمین مناسب نیست. توزیع جریان خطا در سیستم سه فاز مورد بحث ،‌ در شکل ۹-۲ نشان داده شده است . این جریان ها مقادیر واقعی بر حسب آمپر هستند . این شکل نشان می دهد که چطور جریان نوترال در محل خطا و در نقطه خنثی اتو ترانس ،‌ به سمت زمین سرازیر می شود و چطور مجموع این دو جریان نهایتا در نقطه خنثی سیستم kv 150 دو باره به سیستم بر می گردد.

شکل ۹-۲ مقادیر واقعی جریان ها در سیستم سه فاز مورد بحث
در حالت کلی برای یک خطای زمین در سمت فشار قوی ،‌فرض می کنیم که lh نشان دهنده جریان سمت فشار قوی و IL جریان سمت فشار ضعیف باشند که هر دو در مبنای ولتاژ فشار قوی محاسبه شده اند. در این صورت ،‌ جریان نوترال اتو ترانس برابر است با :
۳[IH-IL(KVH/KVL)]
رابطه فوق را به این صورت نیز میتوان نوشت:
۳IH[1-K(KVH/KVL)]
که در آن K  ضریب توزیع جریان در سیستم فشار ضعیف است . اگر این جریان نوترال مثبت باشد ،‌جهت آن به سمت بالاست و اگر منفی باشد جهتش به سمت زمین است . به عبارت دیگر ، اگر عبارت K(KVH /KVL) برابر با یک باشد ،‌ جریان نوترال برابر صفر خواهد بود . اگر بزرگتر از یک باشد جریان به سمت زمین است و اگر کوچکتر از یک باشد،‌ جریان به سمت بالاست .  در نتیجه بسته به شرایط سیستم ،‌ این جریان دو جهت مختلف خواهد داشت و بنابر این برای پلاریزه کردن رله زمین مناسب نیست . در مثال مورد بحث اگر امپدانس صفر سیستم KV150 کمی بیشتر باشد مثلا حدود ۶۸/۰ باشد ،‌ در این صورت جریان نوترال برای پلاریزاسیون نخواهیم داشت یعنی مقدار آن صفر خواهد بود.
پیش از این گفتیم که در خطاهای سمت فشار ضعیف ،‌ جریان نوترال ترانس تغییر جهت نمی دهد و همواره در یک جهت است . حال در این جا به کمک روابط ریاضی این مطلب را اثبات می کنیم . در خطاهای زمین سمت فشار ضعیف ،‌ فرض کنید که Ih و Il همان جریان هایی باشند که قبلا معرفی کردیم با این تفاوت که این بار در ولتاژ مبنای فشار ضعیف اندازه گیری شده اند . در این صورت ،‌ جریان نوترال برابر است با:
۳[IL-IH(KV1/KVH)]
رابطه فوق را به صورت زیر نیز می توان نوشت:
۳I1[1-P(KV1/KVH)]
که در آنP  ضریب توزیع جریان در سمت فشار قوی است .  در این رابطه، هم P  و هم KV1/KVh همواره کوچک تر از یک هستند .  بنابراین حاصل ضرب آن ها همیشه کمتر از یک است و این یعنی جریان نوترال همیشه مثبت است و از زمین به سمت نقطه صفر جاری می شود.
پس در مواقعی که نقطه خنثی اتوترانس ، یا در دسترس نیست و یا برای پلاریزاسیون مناسب نیست ،  چه باید کرد؟
در این مواقع از یک یا سه ترانس جریان که در سیم پیچ ثالثیه مثلث به همان روشی که قبلا توضیح داده شد بسته می شوند، برای پلاریزاسیون جریان استفاده می کنند.

۲-۳-۲ پلاریزه کردن بوسیله ولتاژ
روش دیگری که برای پلاریزه کردن رله های زمین بکار می رود استفاده از ولتاژ با قیمانده است این ولتاژ به این علت که جهت آن به محل خطا بستگی ندارد ، می تواند یک کمیت مرجع مناسب برای این رله ها باشد.
از این نوع پلاریزاسیون بیشتر در ایستگاه هایی استفاده می شود که بانک های ترانسفورمری آن ها در طرف رله زمین نشده اند و یا اینکه جریان نوترال آن ها در دسترس نیست تا برای پلاریزاسیون جریان استفاده شود. امروزه ،‌استفاده از این روش حتی در شبکه های زمین شده نیز گسترش یافته است . ولتاژ باقمیانده را از گوشه باز یک ترانس ولتاژ که به صورت ستاره زمین شده – مثلث باز بسته می شود،  بدست می آورند. این ترانس می تواند یک ترانس ولتاژ سه فاز باشد که ثانویه اش مثلث باز است و یا میتوان سه ترانس ولتاژ تک فاز استفاده کرد و آن ها را به صورت ذکر شده اتصال داد . این روش در شکل a10-2 نشان داده شده است.
شکل ۱۰-۲ انواع روش های بدست آوردن ولتاژ باقیمانده

اگر از ترانس ولتاژ اصلی نتوان به صورتی استفاده کرد که ثانویه مثلث باز را ایجاد کند ،‌ ولتاژ باقیمانده را میتوان بوسیله یک ترانس ولتاژ کمکی  که به صورت ستاره – مثلث باز بسته می شود،‌ به دست آورد این روش در شکل b-10-2 نشان داده شده است باید دقت کرد که نقطه خنثی ثانویه ترانس اصلی باید به نقطه خنثی ترانس کمکی متصل باشد زیرا در غیر این صورت ،  جریان های مولفه صفر نمی توانند در سیم پیچ ها جاری شوند . تا زمانی که این دو نقطه به هم متصل هستند احتیاج به زمین کردن نقاط خنثی نیست.]۶[
گاهی اوقات ترانس ولتاژ اصلی یک ترانس دو سیم پیچه است که هر دو طرف آن ستاره بوده و زمین شده اند تا ولتاژ فاز به زمین سیستم را برای کارهای اندازه گیری  و همچنین برای رله های دیگر مهیا کنند . در این مواقع نقطه خنثی ترانس کمکی نیز باید زمین شود تا مسیر عبور جریان مولفه صفر فراهم شود . این حالت در شکل c-10-2 نشان داده شده است.
می دانیم که ولتاژ مولفه صفر همیشه در محل خطا بیشترین است و از آنجا به طرف نقاط زمین شده سیستم از مقدارش کاسته می شود که این به خاطر افت های Z0 I0 است . توزیع ولتاژ مولفه صفر در یک شبکه نمونه در شکل۱۱-۲ نشان داده شده است. این نمودار برای یک خطای فاز-زمین در طرفین خط انتقال ترسیم شده است . فرض شده که امپدانس ترانس در ایستگاه R برابر ?۴ و در ایستگاه S برابر ?۷ باشد و X0 خط انتقال بین دو منبع نیز ?۱۸ باشد . بیشترین مقدار ولتاژ باقیمانده در خطاهای نزدیک و کمترین آن در خطاهای دور بدست می آید.
شکل ۱۱-۲ توزیع ولتاژ مولفه صفر در یک شبکه زمین شده

از این شکل میتوان فهمید که چرا پلاریزاسیون جریان در ایستگاه های که بانک های ترانسفورمری آن ها مستقیما زمین شده اند و بخصوص هنگامی که امپدانس خط در مقایسه با امپدانس ترانس زیاد است توصیه شده است . علت این است که در خطاهای دور بیشتر ولتاژ مولفه صفر ،‌ به عنوان افت ولتاژ روی خط قرار گرفته و مقدار کمی از آن در ایستگاه یا در محل رله برای پلاریزاسیون باقی می ماند بنابراین اگر قرار است در این ایستگاه ها از پلاریزاسیون ولتاژ استفاده شود حتما باید اندازه ولتاژ باقیمانده که در دسترس رله قرار می گیرد برای خطاهای دور سنجیده شود.  در چنین ایستگاه هایی معمولا از رله های حساسی استفاده می کنند که حتی با مقادیر کم ولتاژ ، مثلا ۵/۰ درصد ولتاژ نامی، عمل می کنند.

۳-۳-۲ روش های دیگر پلاریزاسیون
در مواقعی که جریان یا ولتاژ مولفه صفر در دسترس نیست می توان رله های زمین را با استفاده از مولفه های منفی ولتاژ جریان پلاریزه کرد. به این ترتیب که المان جریان زیاد رله توسط مولفه صفر جریان که از C.T هایی که به صورت باقیمانده بسته شده اند ،‌تغذیه می گردد در صورتیکه المان جهت دار توسط مولفه منفی و با استفاده از فیلترهای ولتاژ یا جریان انرژی دار می شود. استفاده از این روش بدلیل نیاز به فیلترهای اضافی موانع اقتصادی در پیش رو دارد . ]۱۲[ در چنین سیستم هایی ماکزیمم و مینیمم ولتاژ و جریان مولفه منفی را باید محاسبه کنیم تا مطمئن شویم که آن ها به مقدار کافی برای عملکرد رله جهت دار و فیلتر مربوط به آن وجود دارند به عنوان یک قاعده کلی اگر مولفه صفر به مقدار کافی برای عملکرد راله ها موجود نباشد ، مولفه منفی نیز به اندازه کافی وجود نخواهد داشت . علت این است که امپدانس بزرگ مولفه صفر که جریان مولفه صفر را محدود کرده است، جریان مولفه منفی را نیز محدود می کند زیرا همانطور که می دانیم در یک خطای فاز – زمین ، شبکه های توالی صفر و منفی به صورت سری قرار می گیرند.
یک مورد استثنا در استفاده از پلاریزاسیون با مولفه صفر در خطوط موازی است که شبکه های توالی صفر روی یکدیگر اثر متقابل دارند . بنابراین یک خطای زمین روی یکی از خطوط باعث القای جریان در خط دیگر شده و سبب می شود که ولتاژ و جریان درمنابع زمین در یکی از دو انتهای آن خط، معکوس شود و باعث عملکرد اشتباه رله زمین شود. در چنین مواردی از رله های جهت دار مولفه منفی استفاده می کنند زیرا مقدار جریان مولفه منفی القا شده، حتی در خطوط ترانسپوزه نشده ،‌ بسیار کم و قابل چشم پوشی است.