انواع خطا در سیستم الکتریکی قدرت

خطا در یک سیستم الکتریکی قدرت را می‏توان بصورت زیر تعریف نمود:

هر حالت غیر عادی در سیستم که بدلیل خرابی تجهیزات الکتریکی مانند ترانسفورماتورها،ژنراتورها، کابل های انتقال و … اتفاق افتاده باشد. دلیل خطا می ‏تواند خرابی عایق یا اتصال کابل‏های انتقال و موارد دیگر باشد.

در شرایط نرمال، جریان و ولتاژ در کل سیستم قدرت و سیستم مصرف ‏کننده در حالت عادی و مناسب می ‏باشند. زمانی که خطایی در سیستم رخ دهد، مقادیر ولتاژ و جریان تحت تاثیر خطا قرار گرفته و از محدوده نامی و استاندارد عملکرد خود خارج می ‏شوند.

خطا در سیستم قدرت باعث بروز مشکلاتی بسیاری می‏ شوند که مهمترین آنها به شرح زیر است:

• افزایش بیش از حد جریان
• افت ولتاژ
• عدم تقارن فازها
• اضافه ولتاژهای ناگهانی

هر یک از این خطاها می‏ توانند باعث قطع جریان برق، اختلال در عملکرد سیستم ها و تجهیزات الکتریکی، آتش سوزی، خسارت به تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی، کاهش بهره‏ وری، خطا و وقفه در عملکرد و … شود.

انواع خطا

بطور کلی خطاهای الکتریکی در سیستم الکتریکی سه فاز به دو گروه خطا های اتصال باز و خطا های اتصال کوتاه تقسیم می‏شوند. علاوه بر آن، خطا ها می ‏توانند بصورت خطا های متقارن و نامتقارن تقسیم‏ بندی شوند.

 

خطاهای اتصال باز

این خطا ها بدلیل مشکل یا خرابی در یک یا چند هادی بوجود می ‏آیند، شکل زیر خطا های مدار باز در حالت‏ های تکفاز، دوفاز و سه فاز نشان می ‏دهد. از شایعترین دلایل این خطا ها می ‏توان به خرابی کابل ها ، خرابی قطعات و تجهیزات حفاظتی، خرابی بریکرها و همچنین ذوب شدن فیوزها یا هادی‏ ها، اشاره نمود.

در یک شرایط عادی در خطوط انتقال و با در نظر گرفتن عدم وجود هیچگونه خطایی در شبکه الکتریکی، شبکه در حالت متعادل کار می ‏کند، فرض کنیم یکی از فازها معیوب شود و بعنوان مثال ذوب شود، در اینحالت بار واقعی مولد جریان متناوب کاهش می ‏یابد، یکی از تاثیرات شایع اینگونه خطاها، افزایش سرعت عملکرد ترانسفورماتور جهت جبران افت ولتاژ شبکه می باشد، در نهایت تلاش جهت جبران افت ولتاژ در خطی که خطا در آن اتفاق افتاده،  باعث افزایش ولتاژ خطوط سالم می‏ شود و شرایط این خطوط نیز از حالت نرمال خارج می ‏شود.

بنابراین خطای مدار باز در یک یا دو خط می ‏تواند تاثیرات مخرب و خطرناک بر روی خطوط سالم داشته باشد واشخاص ، تجهیزات و مصرف ‏کننده ها را با خطرات جدی مواجه نماید.

علل ایجاد خطاهای مدار باز

خرابی و قطع هادی(ها) و عدم عملکرد صحیح بریکرها در یک یا چند مرحله

تاثیرات خطاهای مدار باز

• عملکرد نامناسب سیستم‏ های قدرت و مصرف‏ کننده‏ های الکتریکی
• خطرات جدی جهت انسان و حیوانات
• افزایش ولتاژ خطوط که در نهایت باعث شکسته شدن عایق‏ ها و خطاهایی مانند اتصال کوتاه می‏ شود.

شدت و تاثیرات منفی خطا های مدار باز به مراتب کمتر از خطا هایی مانند اتصال کوتاه می ‏باشد ولی نیاز است که در سریعترین زمان ممکن نسبت به حفاظت از آنها، اقدام شود چراکه در طول زمان منجر به خطا های شدیدتری می ‏شوند و خسارت را افزایش می‏ دهند.

خطاهای اتصال کوتاه

خطاهای اتصال کوتاه را می‏توان به این صورت تعریف نمود:

شرایط غیر عادی و غیر استانداردی است که باعث می‏ شود که بین دو نقطه با اختلاف پتانسیل‏ های مجزا، امپدانس بسیار پایینی ایجاد شود، خواه این شرایط عمدی باشد یا تصادفی. این خطا ها رایج ‏ترین و شدیدترین خطا هایی هستند که منجر به ایجاد جریان ‏های غیرعادی الکتریکی بین بخش های مختلف سیستم الکتریکی و تجهیزات و خطوط انتقال می ‏شوند که در حالت عادی بهیچ عنوان نباید بین آنها تبادل انرژی الکتریکی برقرار شود و بسته به اینکه این جریان‏ ها در چه قسمتی از مدار سیستم الکتریکی جاری شوند، خسارت های جانی و مالی را بدنبال خواهند داشت.

خطا های اتصال کوتاه، در مدت زمان بسیار کم، می ‏توانند آسیب ‏های شدیدی را بوجود آورند، در نتیجه حفاظت هر چه بیشتر در مقابل آنها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. این خطاها معمولا بدلیل خرابی عایق، بین هادی‏ های فاز یا فاز و زمین رخ می ‏دهند.

مهمترین حالتهای خطای اتصال کوتاه بصورت‏های زیر اتفاق می‏افتد:

• اتصال سه فاز با زمین

• اتصال سه فاز با هم

• اتصال تک فاز به زمین

• اتصال دو فاز به زمین

• اتصال فاز به فاز و زمین و تکفاز به زمین

دلایل خطاهای اتصال کوتاه

دلایل بروز خطای اتصال کوتاه ممکن است داخلی یا خارجی باشد:

دلایل داخلی مانند :

• خرابی خطوط انتقال یا تجهیزات
• فرسودگی یا اصطلاحا پیری عایق
• خرابی عایق ژنراتور و ترانسفورماتور
• مشکل و خطا در طراحی شبکه
• نصب و راه اندازی های نامناسب

دلایل خارجی مانند:

• اضافه بار تجهیزات
• خرابی عایق‏ها بدلیل افزایش حرارت و دما
• آسیب های مکانیکی بدلایل مختلف مانند ضربات یا آسیب توسط دیگران مانند کابل دزدی
• سیمکشی یا کابلکشی غیر اصولی و مغایر با قوانین و استاندارد

تاثیرات خطای اتصال کوتاه

• در برخی موارد باعث قوس الکتریکی و آرک فلش می‏ شوند که باعث آسیب، آتش سوزی یا حتی انفجار در ترانسفورماتورها و سیستم های حفاظتی می ‏شوند.
• جریان‏ های خطای غیر عادی باعث گرم شدن بیش از حد تجهیزات و افزایش دما در آنها و در نهایت آسیب می‏ شود.
• ولتاژ در مصرف کننده‏ ها با تاثیرات خطای اتصال کوتاه می‏ تواند کاهش یا افزایش‏ های ناگهانی داشته باشد و یا جریان الکتریکی کاملا قطع شود.

خطاهای متقارن و نامتقارن

همانطور که اشاره شد، خطا های اصلی به دو گروه خطا های اتصال باز و خطا های اتصال کوتاه تقسیم‏ بندی می ‏شوند. خطا های دیگری نیز در ادامه این خطا ها ایجاد می ‏شوند که آنها را به دو گروه خطا های متقارن و نامتقارن تقسیم ‏بندی می ‏کنیم.

خطاهای متقارن

این خطاها معمولا زمانی اتفاق می ‏افتند که هر سه فاز بطور همزمان اتصال کوتاه شوند و در مقایسه با خطاهای نامتقارن به ندرت اتفاق می ‏افتند. دو نوع خطای متقارن مهم عبارتند از اتصال هر سه خط فاز با هم و یا اتصال هر سه خط فاز با هم و با زمین. در شکل زیر دیاگرام این دو نوع خطا نشان داده شده است.

خطا های متقارن حدود 2 تا 5 درصد از کل خطا های شبکه برق را شامل می ‏شوند و احتمال این خطا ها بسیار کم است ولی در صورت اتفاق، آسیب ها و خسارت های بسیار شدیدتری را در مقایسه با دیگر خطاها بوجود می‏ آورند. تجزیه و تحلیل صحیح در انتخاب سطح مقطع کابلها و قطعات حفاظتی مانند رله‏ های کنترل فاز، می‏ تواند از آسیب به تجهیزات در زمان وقوع اینگونه خطا ها ، جلوگیری  نماید. این خطاها بر روی هر فاز، با استفاده از قضیه Thevenin تجزیه و تحلیل می ‏شوند.

خطاهای نامتقارن

بیشترین نوع از خطا های اتفاق افتاده در شبکه برق، خطاهای نامتقارن هستند، این نوع خطاها باعث ایجاد جریان‏های خطای نامتقارن می ‏شوند، این جریان ها در مقادیر مختلف و با جابجایی فازها و نقطه خنثی همراه است، این خطاها به خطاهای نامتعادل که با عدم تعادل فازها و شبکه برق همراه است، نیز شناخته می‏ شوند.

خطا های نامتقارن شامل خطا هایی مانند خطاهای مدار باز(در دو مدل تکفاز و دوفاز) و خطاهای اتصال کوتاه به استثنای خطاهای مربوط به خطا های متقارن هستند.

در شکل زیر سه مدل از خطا های نامتقارن که بدلیل اتصال کوتاه رخ می ‏‏دهند، نشان داده شده‏ است. مانند خطای فاز به زمین(L-G)، فاز به فاز(L-L) و خطای دو فاز به زمین(L-L-G)

• خطای زمین یا خطای تکفاز به زمین بیشترین درصد وقوع خطاهای نامتقارن را شامل می‏ شود، این خطا ها سهمی در حدود 70 تا 80 درصد از خطا های نامتقارن را دارا هستند. در اینگونه خطا ها مسیری بین یکی از فازها با زمین با امپدانس بسیار کم و بصورت اتصال کوتاه بوجود می ‏آید، این خطاها باعث خطرات زیادی می‏ شوند، ولی شدت خطر نسبت به خطاهای دیگر کمتر است و از طرفی احتمال وقوع آنها بسیار بیشتر از مدل های دیگر خطاها است.
• خطاهای خط به خط (L-L) زمانی رخ می‏ دهند که یک هادی فاز با هادی فاز دیگری اتصال کوتاه شود، یکی از دلایل اصلی بروز این خطا ها، بادهای شدید هستند که باعث تکان ‏های شدید کابل‏ های خط انتقال و برخورد لحظه ‏ای آنها با هم می‏ شود، از طرفی در شرایطی ممکن است یک هادی فاز پاره شده و بر روی هادی فاز دیگری بیافتد.
• در خطاهای( L-L-G) دو هادی فاز با هم و سپس با زمین در تماس قرار می ‏گیرند، احتمال وقوع اینگونه خطاها در مقایسه با خطاهای کل شبکه برق و خطوط انتقال نیرو، کمتر از ده درصد است.

خطا های نامتقارن با استفاده از اجزای نامتقارن به منظور تعیین ولتاژ و جریان در تمام قسمتهای شبکه و سیستم الکتریکی مورد تجزیه و تحلیل قرار می ‏گیرند و محاسبه آنها بسیار پیچیده ‏تر از خطا های متقارن است، بعنوان مثال در این تجزیه و تحلیل نیاز است اندازه قدرت بزرگترین خطای اتصال کوتاهی که ممکن است اتفاق بیافتد را محاسبه نماییم که خود نیاز به دقت و محاسبات پیچیده و پیش‏بینی های نزدیک به واقعیت در بدترین حالت ممکن دارد.

 

تجهیزات حفاظتی در مقابل خطا

هنگامیکه خطایی در شبکه الکتریکی اتفاق می ‏افتد، باید در کمترین زمان ممکن نسبت به حفاظت در مقابل آن اقدام شود تا خطری متوجه اشخاص و تجهیزات وبجود نیاید و یا وقفه در عملکرد سیستمها ایجاد نشود. سیستم رفع خطا بسته به محل و نوع سیستم های الکتریکی و نوع تجهیزات متفاوت است و نیاز به طراحی و محاسبه و انتخاب صحیح نوع حفاظت دارد، در ادامه با برخی از متداول ‏ترین قطعات و سیستم‏ های حفاظتی آشنا می ‏شویم:

فیوز:

فیوزها در زمان خطا، مدار را باز می‏ کنند و مهمترین، ساده‏ترین و متداول ترین قطعه حفاظتی محسوب می ‏شوند. فیوزها بطور کلی تکنولوژی بسیار ساده‏ای دارند و از  یک سیم مسی نازک با دو اتصال در طرفین آن، ساخته می ‏شوند که در نهایت درون یک محفظه قرار می ‏گیرند. خطاهای شدید، درجه حرارت سیم را افزایش داده و آن را ذوب می‏ کند و در نهایت ارتباط را قطع می ‏کنند. فیوزها در صورت خرابی نیاز به تعویض دارند، آنها انواع مختلفی دارند که بر اساس محل استفاده و نوع تجهیزات الکتریکی انتخاب می‏ شوند.

قطع کننده های مدار یا بریکرها

قطعاتی حفاظتی هستند که بصورت گسترده در شبکه برق مورد استفاده قرار می ‏گیرند و بصورت دستی و یا کنترل از راه دور موجود هستند، بسته به نوع کارکرد، انواع مختلفی از آنها طراحی و تولید می ‏شود، مانند بریکرهای هوایی، روغنی، وکیوم، SF6

رله هایی حفاظتی

 

رله های حفاظتی قطعاتی با توانایی تشخیص خطا هستند، آنها خطا را تشخیص داده و مدار را قطع می‏ کنند تا تجهیزات تحت حفاظت، آسیب نبینند. رله معمولا از بخش های کویل مغناطیسی و کنتاکت تشکیل شده است(NC-NO).

جریان خطا باعث ایجاد انرژی در کویل می ‏شود و میدان مغناطیسی افزایش پیدا می ‏کند و در نهایت کنتاکت ها تحریک می‏ شوند و عمل می ‏نمایند. برخی از انواع مهم رله های حفاظتی عبارتند از :

• Magnitude Relays

• Impedance Relay

• Pilot Relays

• Directional Relays

• Differential Relays

 

سرج ارستر

هنگام بروز برخی از خطاها در سیستم تولید و توزیع برق و یا برخورد صاعقه به تاسیسات الکتریکی و خطوط انتقال نیرو، ولتاژهای ناگهانی و گذرای پرقدرت در زمانی بسیار کوتاه، بوجود می‏ آیند که به آنها سرج گفته می ‏شود، این خطاها باعث ایجاد اضافه‏ ولتاژهای و اضافه جریان های شدید و لحظه ‏ای در شبکه برق و کابل ‏ها می ‏شوند.

جهت مقابله و حفاظت در مقابل این خطاها و ضربات شدید از تجهیزاتی مانند سرج ارستر در ضربات مستقیم و سرج پروتکشن در ضربات غیر مستقیم استفاده می‏ شود.

 

ارت الکترونیکی سیستمی حفاظتی است که توسط کارشناسان شرکت کنزا صنعت الموت اختراع و به شماره 46660 به ثبت رسیده است. ارت الکترونیکی کنزا صنعت، دستگاهی اتصال زمین است که جهت حفاظت از تجهیزات و سیستمهای حساس مخابراتی، الکترونیکی و کامپیوتری کاربرد دارد و وظایف ارت عملیاتی را انجام می دهد.

سرعت عملکرد این سیستم از روشهای رایج بسیار بالاتر است و بعنوان مثال خطای اتصال فاز به بدنه تجهیزات را در کمتر از 100 میلی ثانیه حفاظت می نماید، این زمان جهت حفاظت از قطعات حساسی مانند میکروپروسسوها و پردازنده ها، بسیار ایده آل است، ارت الکترونیکی  بصورت سری با مصرف کننده ها قرار می گیرد و در انواع مختلف  تولید می شود و نویزهای بدنه را فیلتر می نماید و از اختلالات الکترومغناطیسی و الکتریکی در تجهیزات حساس، جلوگیری می نماید.