یکی از رایج ­ترین خطاهایی که در موتور رخ می­دهد خطای سیم ­پیچ استاتور است. شکل ابتدایی خطا (فاز-به-فاز و غیره)  یا علت پدید آمدن آن (گرمای بیش از حد چرخه­ای و غیره) هرچه که باشد، وجود قاب و پوشش فلزی اطراف باعث می­شود که این خطا به سرعت به خطای زمین تبدیل شود.

بنابراین، تامین حفاظت در برابر خطای زمین بسیار مهم است. نوع و حساسیت حفاظت ارائه شده بستگی زیادی به سیستم ارتینگ دارد، که به ترتیب به بررسی انواع مختلف پرداخته خواهد شد.

با این وجود، معمول است که هر دو المان­ فوری و تاخیری رله را برای خطاهای اساسی و کند داشت.

فهرست مطالب

1-سیستم کاملا زمین شده

2-سیستم­های ارتینگ (زمین شده) مقاومتی

3-ارتینگ با مقاومت پایین

4-ارتینگ با مقاومت بالا

5-سیستم زمین عایق­دار

6-نامتعادلی جریان شارژ سیستم

7-روش ولتاژ باقی مانده

8-سیستم زمین شده با سیم­پیچ پترسون

9-مثال حفاظت در برابر خطای زمین موتور فشار قوی

۱) سیستم کاملا زمین شده

به دلایل ایمنی پرسنل، بیش­تر سیستم­های فشار ضعیف در این گروه قرار می­گیرند. معمولا دو نوع حفاظت در برابر خطای زمین، بسته به حساسیت مورد نیاز وجود دارد.

برای کاربردهایی که حساسیت بزرگ­تر از ۲۰٪ جریان نامی پیوسته ­ی موتور قابل قبول است، می­توان از حفاظت متداول در برابر خطای زمین با کمک اتصال CT مطابق بر شکل ۱ استفاده کرد.

در اثر نامتعادلی احتمالی بار و یا جریان­های خازنی سیستم (برای سیستم­های فشار قوی)، حد پایینی در تنظیمات اعمال می­شود.

باید اطمینان حاصل کرد که رله بخاطر جریان نشتی ناشی از اشباع CT در هنگام راه­ اندازی موتور عمل نکند، که در آن جریان ­های زیاد تقریبا باعث اشباع CT موتور می­شوند.

معمولا از یک مقاومت پایدارساز بصورت سری با رله استفاده می­شود که مقدار آن با استفاده از فرمول زیر محاسبه می­شود:

این مقادیر مقاومت پایدارساز بصورت سری با رله قرار می­گیرد

که:

Ist = جریان راه ­اندازی در سمت ثانویه­ی CT است

I0 = جریان تنظیمی خطای زمین رله  (A)

Rstab = مقدار مقاومت پایدارساز (اهم)

Rct = مقاومت dc سمت ثانویه­ ی CT (اهم)

Rl  = مقاومت تک سر CT (اهم)

Rr = مقاومت رله (اهم)

k  = ضریب اتصال CT (برابر با ۱ برای نقطه­ ی ستاره در CT ، ۲ برای نقطه ­ی ستاره در رله)

مقاومت پایدارساز موجب افزایش تنظیمات [جریان] موثر رله در این شرایط و در نتیجه تاخیر تریپینگ (قطع) است.

هرگاه از مقاومت پایدارساز استفاده شود، مشخصه­ ی قطع باید بطور نرمال بصورت لحظه های باشد.

روش جایگزین بجای مقاومت پایدارساز بهره­ گیری از مشخصه­ ی تاخیر زمانی معین است. تاخیر زمانی استفاده شده معمولا باید با آزمون و خطا پیدا شود، زیرا تاخیر زمانی باید به اندازه کافی طولانی باشد تا از عملکرد نادرست در هنگام راه ­اندازی موتور جلوگیری کرد، و از طرفی باید به اندازه ­ی کافی کوتاه باشد تا در صورت بروز خطا حفاظت موثری از آن به عمل آید.

هماهنگی با سایر دستگاه­ها نیز باید در نظر گرفته شود.

خود کنتاکتور قادر به قطع جریان خطایی نیست که مقدار آن بزرگ­تر از مقداری مشخص است، که بطور معمول کم­تر از حداکثر جریان خطای سیستم خواهد بود – در این شرایط از فیوز کمک گرفته می­شود.

شکل ۲ – در مواردی که سوئیچینگ مکرر و ایمن برای موتورهای سه فاز لازم باشد، از ترکیب­های فیوز-کنتاکتور نوع 3TL6  ساخت زیمنس استفاده می­شود.

با توجه به اینکه فرمان قطع ارسالی از رله موجب باز شدن کنتاکتور می­شود، باید اطمینان حاصل شود این امر تحقق نیابد مگر اینکه فیوز زمان کافی برای عمل کردن داشته باشد.

شکل ۳ (الف) درجه­ بندی نادرست رله با فیوز را نشان می­دهد، رله ابتدا برای طیف وسیعی از جریان­های خطا فراتر از ظرفیت شکست کنتاکتور عمل می­کند. شکل ۳ (ب) درجه­ بندی صحیح را نشان می­دهد. برای دستیابی به این هدف، ممکن است نیاز به استفاده از تاخیر زمانی مشخص در رله باشد.

در صورت نیاز به تنظیمات حساس ­تر رله، استفاده از CT کور بالانس (CBCT) ضروری است. این نوع CT یک CT از نوع حلقوی است که تمام فازهای تغذیه­ ی موتور به علاوه سیستم خنثی در سیستم چهار سیمه از طریق آن عبور می­کند.

الزامات جریان مغناطیس ­کننده نیز با CT تک­ هسته­ ای بجای سه CT کاهش می­یابد.

شکل ۴ کاربرد CT کور بالانس شامل مسیریابی غلاف کابل را برای اطمینان از عملکرد صحیح در صورت رخداد خطاهای غلاف هسته ­ی کابل نشان می­دهد.

۲) سیستم­های ارتینگ (زمین شده) مقاومتی

این سیستم­ها معمولا در سیستم­های فشار قوی استفاده می­شوند که در آن هدف محدود کردن آسیب ناشی از خطاهای زمین از طریق محدودسازی جریان خطای زمین است که ممکن است جریان پیدا کند.

بطور معمول از دو روش ارتینگ مقاومتی استفاده می­شود: ارتینگ با مقاومت پایین و با مقاومت بالا. این دو روش به ترتیب توضیح داده خواهد شد.

۲-۱) ارتینگ با مقاومت پایین

در این روش، مقدار مقاومت برای محدود کردن جریان خطا تا حد چند صد آمپر انتخاب می­شود – مقادیری بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ آمپر معمول هستند.

با اتصال CT خط، حداقل حساسیت ممکن تقریبا برابر با ۱۰٪ جریان نامی اولیه است که این امر بخاطر احتمال اشباع CT در زمان راه­اندازی است.

برای CT کوربالانس، حساسیتی که با استفاده از المان رله­ی خطای زمین غیرجهت­دار ساده امکان­پذیر است به سه برابر جریان شارژ حالت ماندگار فیدر محدود می­شود.

این تنظیمات نباید بزرگ­تر از تقریبا ۳۰٪ از حداقل خطای زمین مورد انتظار باشد. علاوه بر این، ملاحظات در رابطه با تنظیمات و تاخیرهای زمانی مطابق بر سیستم­های کاملا زمین شده است.

۲-۲) ارتینگ با مقاومت بالا

در برخی از سیستم­های فشار قوی، از ارتینگ مقاومت بالا برای محدود کردن جریان خطای زمین تا چند آمپر استفاده می­شود. در این حالت، جریان شارژینگ خازنی سیستم معمولا از حفاظت در برابر خطای زمین حساس اعمالی ممانعت بعمل می­آورد زیرا مقدار جریان شارژ در مقایسه با جریان خطای زمین رخ داده قابل توجه خواهد بود.

راهکار این امر استفاده از رله ­ی خطای زمین جهت­ دار حساس است.

CT کوربالانس در کنار VT که از آن برای اندازه­ گیری ولتاژ مانده استفاده می­شود با زاویه ­ی مشخصه­ ی تنظیمی رله +45ºC بکار برده می­شود. VT باید برای رله مناسب باشد و در نتیجه باید با سازنده ­ی رله در رابطه با انواع مناسب مشورت شود – برخی از رله­ها مستلزم این هستند که VT بتواند شار مانده را انتقال داده و در نتیجه استفاده از VT ۳-فاز ۳-شاخه­ای مرتفع می­شود.

تظیمات ۱۲۵٪ جریان شارژینگ خازنی تکفاز برای کل سیستم با استفاده از این روش امکان­پذیر است. تاخیر زمانی مورد استفاده بحرانی نیست اما باید به قدر کافی برای قطع سریع تجهیزات در صورت رخداد خطای زمین ثانویه بلافاصله بعد از اولین خطا سریع باشد.

حداقل آسیب توسط  خطای اول ناشی می­شود اما دومین خطا بطور موثری مقاومت محدودکننده­ی جریان در مسیر خطا را رفع می­کند که به جریان­های خطای بسیار بزرگ منتهی می­شود.

روش دیگر که از تشخیص ولتاژ مانده استفاده می­کند امکان­پذیر است و در بخش بعدی (در زیر) توضیح داده خواهد شد. 

۳) سیستم زمین عایق­دار

تشخیص خطای زمین مشکلاتی بر روی سیستم­هایی که ارت ایزوله دارند در پی دارد زیرا هیچ جریان خطایی برای خطای زمین تک فاز عبور نمی­کند. اماُ تشخیص همچنان ضروری است زیرا اضافه­ولتاژها بر روی فازهای بدون خطا پدید می­آید و لازم است خطا را قبل از رخداد خطای دوم یافته و رفع کرد.

دو روش امکان­پذیر است:

تشخیص نامتعادلی منتجه در جریان­های شارژینگ سیستم

اضافه­ولتاژ مانده.

۳-۱) نامتعادلی جریان شارژینگ سیستم

حفاظت خطای زمین حساس با استفاده از CT کور بالانس برای این طرح لازم است. اصول این کار همانند اصولی است که تاکنون توضیح داده شده است به استثنای شیفت فاز ولتاژ که بجای 90ºC+ برابر با 90ºC-  است.

برای نشان دادن این امر، شکل ۵ در زیر توزیع جریان در سیستم ایزوله را در فاز C-به-زمین نشان می­دهد و شکل ۶ دیاگرام برداری رله را برای این شرایط ترسیم کرده است.

جریان مانده تشخیصی توسط رله برابر است با مجموع جریان­های شارژینگ عبوری از بخش سالم سیستم به علاوه جریان­های شارژینگ فاز سالم برروی فیدر خطادار – یعنی سه برابر جریان شارژینگ در هر فاز از بخش سالم سیستم.

می­توان از تنظیم رله برابر با۳۰ درصد این مقدار برای تامین حفاظت بدون خطر قطع ناشی از جریان­های شارژینگ خازنی سیستم سالم استفاده کرد.

با توجه به اینکه هیچ جریان خطایی وجود ندارد، این امکان وجود دارد که رله را در محل و بعد از اعمال عمدی خطاهای زمین در نقاط مختلف سیستم و اندازه­گیری جریان­های مانده­ی منتجه بکار برد.

اگر امکان تنظیم کردن رله بر روی مقداری بین جریان شارژینگ روی فیدر تحت حفاظت و جریان شارژینگ برای باقی سیستم وجود داشته باشد، تجهیزات جهت­دار لازم نیستند و می­توان VT را همراه با آن قرار داد.

۳-۲) روش ولتاژ مانده

خطای زمین تکی در صورت افزایش ولتاژ بین نقطه­ی خنثی سیستم و زمین رخ می­دهد که ممکن است توسط رله­ای تشخیص داده شود که ولتاژ مانده­ی سیستم را اندازه می­گیرد (که بطور نرمال برای سیستم سالم و کاملا متعادل برابر با صفر است). در نتیجه، هیچ CT لازم نیست و این روش ممکن است در جایی مفید واقع شود که تدارک تعداد زیادی از CTهای تعادل هسته­ای غیر ممکن یا دشوار باشد که این امر بخاطر محدودیت­های فیزیکی یا زمین­های پرهزینه است.

VTهای مورد استفاده برای وطیفه باید مناسب باشند در نتیجه VTهای ۳-فاز ۳-شاخه­ای مناسب نیستند و رله معمولا دارای الارم و تنظیمات قطع است و هرکدام تاخیرهای زمانی قابل تنظیم دارند.

ولتاز تنظیمی باید از روی ارتینگ و امپدانس­های سیستم محاسبه شوند که نمونه­ا­­ی برای سیستم با زمین مقاومتی در شکل ۷ نشان داده شده است.

درجه­بندی رله ­ها باید با دقت انجام شود زیرا ولتاز مانده توسط تمام رله­ها در بخش تحت تاثیر قرار گرفته [خطادار] سیستم تشخیص داده می­شود.

درجه­بندی باید با در نظر داشتن این امر انجام شود و معمولا مبنای زمانی برای فراهم آوردن آلارم­ها (مرحله­ی اول) با مرحله­ی دوم دارای زمان قطع معین بالا برای پشتیبانی خواهد بود.

۴) سیستم زمین شده با سیم­پیچ پترسون

ارتینگ سیستم قدرت فشار قوی با استفاده از راکتور معادل خازن موازی سیستم تحت عنوان ارتینگ سیم­پیچ پترسون (یا سیم­پیچ رزونانس) شناخته می­شود.

با استفاده از این روش، خطای زمین تکی منجر به جریان زمین صفر عبوری (برای تعادل کامل بین اندوکتانس ارتینگ و خازن موازی سیستم) می­شود و در نتیجه می­توان سیستم را در این حالت برای دوره­ی زمانی زیادی بکار انداخت در حالیکه خطا مکان­یابی و اصلاح می­شود. 

مثال حفاظت خطای زمین موتور فشار قوی

این بخش مثال­هایی در رابطه با حفاظت از موتورهای القایی فشار قوی و فشار ضعیف اراپه می­دهد.

جدول ۱ پارامترهای مربوط به موتور القایی فشار قوی تحت حفاظت را ارائه می­دهد. با استفاده از رله­ ی حفاظتی Alstom MiCOM P241، تنظیمات حفاظت در برابر خطای زمین محاسبه می­شود.

جدول ۱- پارامترهای موتور القایی فشار قوی

خروجی نامی                             1000kW CMR

ولتاژ نامی                                 3.3kV

فرکانس نامی                             50Hz

ضریب قدرت/بازده نامی                 0.9/0.92

زمان ایستادگی توقف سرد/گرم         20/7 sec

جریان راه­اندازی                         550% DOL

راه­اندازی­های مجاز سرد/گرم            3/2

نسبت CT                               250/1 A

زمان راه­اندازی در ۱۰۰ درصد ولتاژ     4 sec

زمان راه­اندازی در ۸۰ درصد ولتاژ      5.5 sec

ثابت زمانی گرمایش/سرمایش           25/75 mins

ارتینگ سیستم                          کامل

دستگاه کنترلی                          مدارشکن

فرض بر این است که هیچ CBCT وجود نداشته باشد. تنظیمات معمول ۳۰ درصد جریان نامی موتور بکار برده می­شود که به تنظیمات رله­ ی خطای زمین زیر منجر می­شود:

0.3 × 211/250 = 0.25 × In

مقاومت پایدارساز لازم است که مقدار آن مطابق بر رابطه­ی فوق برای جلوگیری از عملکرد نادرست ناشی از جریان نشتی CT در حین راه­اندازی بخاطر اشباع CT محاسبه می­شود. با مقاومت پایدارساز، تریپینگ لحظه­ ای مجاز است.

روش دیگر این است که مقاومت پایدارساز بکار برده شود و از تاخیر زمانی معینی همراه با المان خطای زمین بهره برد. اما، تاخیر زمانی باید با آزمون و خطا در زمان راه اندازی یافته شود.