บทที่ 7...

1

บทท 7

การปองกนความผดพรองทเฟสและดน

โดยใชรเลยกระแสเกนแบบมทศทาง

(Phase and Earth Fault Protection Using Directional

Overcurrent Relays)

2

7.1 บทน า ระบบไฟฟาแบบ Radial - กระแสผดพรองไหลในทศทางจากแหลงก าเนดไฟฟา ไปยงจดผดพรองเสมอ

- ใช Overcurrent Relay แบบธรรมดา (50,51,50N,51N)

B A

F2 F1

3

ระบบไฟฟาแบบ Ring หรอ แบบ Network - กระแสผดพรองสามารถไหลได 2 ทศทาง - การปองกนจ าเปนตองใชรเลยกระแสเกนแบบมทศทาง ( Directional Overcurrent Relay ) ( 67 , 67N )

A

51 67 6767 67

51 67 67

67

67

B' B C' C

D'

D

E E'A'

D

4

พจารณาระบบแบบ Parallel Feeder

รปท 7.1 วงจรคขนาน ( Parallel Feeder )

51

Load

F1

CA51

B D 5151

เมอเกด Fault ท F1 รเลย C และ D จะท างาน

5

รปท 7.2 วงจรคขนาน ( Parallel Feeder ) เมอเกด Fault ท F2

Load51 A

B

C

D

F2

51

51

51

เมอเกด Fault ท F2 เพอใหสามารถจายไฟตอไปได Relay A ,C ตองท างาน Relay B ,D ตองไมท างาน แตกรณนรเลยทกตวท างาน ท าให Feeder ทงสองถก Trip

6

รปท 7.3 วงจรคขนาน ( Parallel Feeder ) เมอใช Directional O/C Relay

51 LoadA

F2 C

67

67D

51

51

E

B

ถาเปลยนรเลย C, D เปน Directional O/C Relay รเลย A, C จะ Trip ดวย เพราะทศทางถกตอง สวน รเลย B จะยงไม Trip เพราะตง Time Delay ไว รเลย D จะไม Trip เพราะทศทางไมถกตอง ระบบไฟฟายงสามารถท างานไดตามปกต

7

Directional Overcurrent Relay แบงออกเปน 2 ชนด คอ

1. Phase Directional Overcurrent Relay ( 67 )

ใชปองกนผดพรองแบบเฟส

- Phase to Phase Fault

- Three Phase Fault 2. Ground Directional Overcurrent Relay ( 67N ) ใชปองกนผดพรองลงดน

- Single Phase to Ground Fault

- Double Phase to Ground Fault

8

7.2 หลกการของ Directional Overcurrent Relay รเลยสามารถรทศทางของกระแสได ตองอาศยการ เปรยบเทยบเฟส ระหวางปรมาณ 2 ปรมาณ คอ

1. Reference or Polarizing Quantity คาแรงดน (Voltage Polarizing) หรอ กระแสของ ระบบ (Current Polarizing) ทใชเปนปรมาณอางอง

2. Operating Quantity คากระแส (Current Operating) ของระบบทน ามา เปรยบเทยบกบ Polarizing Quantity

9

1. Current Operating และ Current Polarizing สามารถอธบายจากสมการแรงบดของ

Electromechanical Relay ในบทท 4

S i n poKT โดยท

T = แรงบด = Operating Flux = Polarizing Flux = Angle Between Fluxes ( มมระหวาง Operating และ Polarizing Quantity )

o

p

10

รปท 7.4 การท างานของรเลยแบบ Current Polarizing

Sin 2I

1IK T

I2

CT ( 2 )

Polarizing

CT ( 1 )

I1

Operating

11

- คา Torque จะมคาสงสดเมอ = 90o

- แตในทางปฏบต เมอเกด Fault

คา Phase Angle จะไมเทากบ 90o

- สามารถแกปญหาโดย

การตอคาความตานทาน

ชดเชย Phase Angle ขนานกบ Polarizing Coil

12

รปท 7.5 วงจรแสดงการปรบมมของรเลย แบบ Current Polarizing

CT ( 1 )

I1

Operating

CT ( 2 )X

LR

I2

IR

I c

Polarizing

01 I pI 2

22 IKIjXR

RI

LC

13

α I K IT sin21

รปท 7.6 การวดมมเพอบอกการท างานของรเลย

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

I2

IC

22 IKIjXR

RI

LC

14

เมอก าหนดให I1 = Operating Quantity

I2 = Polarizing Quantity = คามมทออกแบบ คอ มมระหวาง Polarizing Current ( I2 )

กบกระแสใน Polarizing Coil ( IC ) = มมระหวาง Operating Quantity ( I1 ) กบ Polarizing Current ( I2 ) = มมระหวาง I1 กบ I2 ทท าใหเกด Torque คาสงสด = Angle Between Fluxes ( มมระหวาง Operating และ Polarizing Quantity ) MTA = มมของกระแส Operating และ Reference ทใหแรงบด สงสด ( Maximum Torque Angle )

15

0 ; จะได

0 ;o90 และ

)o90-(

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

I2

IC

16

90)]-(-[ Sin 2I

1I

1KT

)]-(o[90 Sin 2I

1I

1K

)-( Co s 2I

1I

1K

2K - )-( Cos

2I

1I

1K

net T

Constant Spring- gTorqueRestrainin2

K เมอ

17

2. Current Operating และ Voltage Polarizing

รปท 7.7 การท างานของรเลยแบบ Voltage Polarizing

S i n VI

1IK T

Polarizing

VT

IV

CT

Operating

I1

V

01 I pV

คาแรงบดจะขนกบขนาดและมมเฟสของกระแสและแรงดนตามสมการ

18

เพอใหรเลยเกดคา Torque สงสด ตองตอตวชดเชย Phase Angle ดวยการตอ Capacitor อนกรม

รปท 7.8 วงจรแสดงการปรบมมของรเลยแบบ Voltage Polarizing

R + jXL

Iv

VVT

Polarizing

XC

Operating

I1

CT

] )C

XL

(X jR [ VI V

VI K'

- V1

VI K

19

] )C

XL

( X jR [ VI V

VI K'

- V1

VI K

Sin VI

1I

1KT

ก าหนด I1 = Operating Quantity V = Polarizing Quantity

20

รปท 7.9 การวดมมเพอบอกการท างานของรเลย

ก าหนด I1 = Operating Quantity V = Polarizing Quantity

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IV

21

= คาทออกแบบ = มมระหวาง Polarizing Voltage ( V ) กบ กระแสใน Polarizing Coil ( IV )

= มมระหวาง Operating Quantity ( I1 ) กบ Polarizing Quantity ( V ) = มมระหวาง V กบ I1 ทท าใหเกดคา Torque สงสด MTA = มมของกระแส Operating และ Reference ทใหแรงบดสงสด ( Maximum Torque Angle )

โดยท :

22

0 ; จะได

0 ;o90 และ

)o90-(

90)]-(-[ Sin V1I

1KT

)]-(o[90 Sin V1I

1K

)-( Cos V1I

1K

2K - )-( Cos V

1I

1K

net T

Constant Spring- gTorqueRestrainin2

K เมอ

23

7.3 Phase Directional Overcurrent Relay ( 67 )

รปท 7.10 Phase Directional Overcurrent Relay

24

ตองมปรมาณ 2 ปรมาณ เปรยบเทยบกน คอ

- Operating Quantity ซงเปนคากระแสของระบบ

- Polarizing Quantity ซงจะเปนคากระแส หรอ แรงดนใดๆ ทน ามาเปรยบเทยบได

Connection

30o , 60o , 90o

25

1. 30o Connection

รปท 7.11 Phasor Diagram ของ 30o Connection

Va

Vb

Vc

Vac

Ia 30o

26

ส าหรบรเลยปองกนเฟส B และ เฟส C สามารถแสดงดงตาราง

RELAY Operating Current Polarizing Voltage

Phase A

Phase B

Phase C

Ia

Ib

Ic

Vac

Vba

Vcb

27

2. 60o Connection

รปท 7.12 Phasor Diagram ของ 60o Connection

Va

Vb

Vc

Vac

Ia

Vac+V

bc

Vbc

30o

30o

28

3. 90o Connection ( Quadrature Connection )

รปท 7.13 Phasor Diagram ของ 90o Connection

Va

Vbc

Ia

30o

MTARestrain/Block

Operate/Trip

Flux

29

Restrain / Block คอ Relay ไมสงให CB Trip ( Relay ไมท ำงำน )

Operating / Trip คอ Relay สงให CB Trip ( Relay ท ำงำน )

ส ำหรบรเลยปองกนเฟส B และ เฟส C สำมำรถแสดงดงตำรำง

RELAY Operating Current Polarizing Voltage

Phase A

Phase B

Phase C

Ia

Ib

Ic

Vbc

Vca

Vab

30

7.4 Phase Directional Overcurrent Relay 90 o Connection - นยมใชมากทสด

- ม 2 แบบ คอ

แบบท 1 30o MTA

แบบท 2 45o MTA

31

90o Connection – 30o M.T.A.

รปท 7.14 Phasor Diagram ของ 90o Connection – 30o M.T.A.

Va

Vbc

Ia

30o

MTA

Operate/Trip

Restrain/Block

Flux

32

รปท 7.15 Phasor Diagram ท P.F. = 0.5 Lagging

Va

Vbc

Ia

30o

MTA

Restrain/Block

Operate/Trip

Flux

Cos = 0.5 = 60° , ทบเสน MTA Ia ท ามม 30° กบ Vbc

33

)o30 - o(30 Cos V1I

1K T

V1I

1K

MAX

T

ซงสามารถค านวณหา Torque ไดดงน :

T=K I V Cos ( - )1 1

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IV

Va

Vbc

Ia

30o

MTA

Restrain/Block

Operate/Trip

Flux

34

รปท 7.16 Phasor Diagram ท P.F. = 1.0 Cos = 1.0 = 0 , Ia ท ามม 90° กบ Vbc

Va

Vbc

Ia

30o

MTA

Flux

Restrain/Block

Operate/Trip

35

o oT K I V Cos (90 - 30 )1 1

V1I

1K 0.5

MAX

T0.5

ซงสามารถค านวณหา Torque ไดดงน

T=K I V Cos ( - )1 1

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IVV

a

Vbc

Ia

30o

MTA

Flux

Restrain/Block

Operate/Trip

36

รปท 7.17 Phasor Diagram ท P.F. = 0 Lagging Cos = 0 = 90° ,

Ia in phase กบ Vbc

Va

Vbc

Ia

MTA

Flux

Operate/Trip

Restrain/Block

30o

37

o oT K I V Cos (0 - 30 )1 1

V1I

1K 0.866

MAX

T0.866

ซงสามารถค านวณหา Torque ไดดงน

T=K I V Cos ( - )1 1

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IV

Va

Vbc

Ia

MTA

Flux

Operate/Trip

Restrain/Block

30o

38

การตอรเลยแบบ 90o Connection – 30o M.T.A. เหมาะส าหรบปองกน Plain Feeder กบแหลงจายทม Zero Sequence อยกอนจดทท าการตอรเลย ดงรปท 7.18

รปท 7.18 แสดงต าแหนงของรเลยทตอแบบ 90o – 30o

RF

39

สรปการตอ Directional Overcurrent Relay

แบบ 90o Connection – 30o MTA.

Power Factor Torque

0 ( 0o ) 0.5 Tmax

0.5 ( 60o ) Tmax

1.0 ( 90o ) 0.866 Tmax

40

90o Connection – 45o MTA.

รปท 7.19 Phasor Diagram ของ 90o Connection – 45o MTA.

Va

Vbc

Ia

MTA

Operate/Trip

Restrain

/Block

Flux

45o

41

รปท 7.20 Phasor Diagram ท P.F. = 0.707 Lagging Cos = 0.707 = 45°

Ia ท ามม 45° กบ Vbc

Va

MTA

Flux

Operate/Trip

Restrain

/Block

Ia

Vbc

45o

42

)o45 - o(45 Cos V1I

1K T

V1I

1K

MAX

T

ซงสามารถค านวณหา Torque ไดดงน

T=K I V Cos ( - )1 1

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IVV

aMTA

Flux

Operate/Trip

Restrain

/Block

Ia

Vbc

45o

43

รปท 7.21 Phasor Diagram ท P.F. = 1.0 Cos = 1.0 = 0°

Ia ท ามม 90° กบ Vbc

Va

MTA

Flux

Operate/Trip

Restrain

/Block

Ia

Vbc

45o

44

o oT K I V Cos (90 - 45 )1 1

V1I

1K 0.707

MAX

T0.707

ซงสามารถค านวณหา Torque ไดดงน

T=K I V Cos ( - )1 1

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IV

Va

MTA

Flux

Operate/Trip

Restrain

/Block

Ia

Vbc

45o

45

รปท 7.22 Phasor Diagram ท P.F. = 0 Cos = 0 = 90° Ia In phase Vbc

Va

MTA

Flux

Operate/Trip

Restrain

/Block

Ia

Vbc

45o

46

o oT K I V Cos (0 - 45 )1 1

V1I

1K 0.707

MAX

T0.707

ซงสามารถค านวณหา Torque ไดดงน

T=K I V Cos ( - )1 1

I1

Operate/Trip

MTA

Restrain

/Block

V

IVV

aMTA

Flux

Operate/Trip

Restrain

/Block

Ia

Vbc

45o

47

การตอรเลยแบบ 90o Connection – 45o MTA. เหมาะทจะใชส าหรบปองกน Parallel Transformer หรอ Transformer Feeder ทม Zero Sequence Source

รปท 7.23 แสดงต าแหนงของรเลยทตอแบบ 90o – 45o

RF

48

7.5 Ground Directional Overcurrent Relay ( 67N )

Operating Signal

จะไดจากกระแสทมาจากการตอขนาน CT กนทกๆ เฟส

Polarizing Signal - กระแสตกคาง ( Residual Current ) - แรงดนตกคาง ( Residual Voltage )

49

Polarizing Signal

1. กระแสตกคาง ( Residual Current )

- ไดจาก CT ทตออย ณ จด Neutral ของหมอแปลง

2. แรงดนตกคาง ( Residual Voltage )

- ไดมาจาก VT 3 เฟส ทมขดดาน

- Primary ตอแบบ Wye Grounded

- Secondary ตอแบบ Broken Delta ( V )

50

1. รเลยปองกนความผดพรองลงดน แบบ Voltage Polarization

รปท 7.24 การใชรเลยกระแสเกนแบบรทศทางปองกนการเกด ผดพรองลงดนโดยวธ Voltage Polarization

67N

I

Vo

VT

CTa

b

c

51

รปท 7.25 Phasor Diagram ระบบปกตและเมอเกดความผดพรอง

Van

Vcn V

bn

Van

Vcn V

bn

Va2

3I0

3V0

(a) Balance System ( Zero Residual Voltage )

(b) Unbalance System Phase a to Ground Fault ( 3V0 Residual Voltage )

52

2. รเลยปองกนความผดพรองลงดน แบบ Current Polarization

รปท 7 . 2 6 กำรใชรเลยกระแสเกนแบบรทศทำงปองกนกำรเกด ผดพรองลงดนโดยวธ C u r r e n t P o l a r i z a t i o n

OP

POLCT

CT

DEF. Relay

67N

53

3. รเลยปองกนความผดพรองลงดน

แบบ Dual Polarized Earth Fault Relay

ในบางครงคา Residual Voltage อาจมคาต าเกนไป ในขณะทบางครง

คา Residual Current กมต าเกนกวาทจะน ามาใชเปน Polarization

ได

ดงนนจงมการแกปญหาน โดยใชทง Residual Voltage และ

Residual Current เปน Polarization

เพอทวาเมอปรมาณใดปรมาณหนงมคาต าเกนไปรเลยยง สามารถ

ใชปรมาณทเหลอเปน Polarization ได

54

7.6 ตวอยางการประยกตใชงาน

Directional Overcurrent Relay

รปท 7.27 กำรใช Directional Overcurrent กบ Parallel Feeder

51 67

51 67

Load

A B

CD

Parallel Feeder

55

รปท 7.28 การ Grading ในระบบ Parallel Feeder

Time (s)

Current (A)

A, D

B, C

56

Ring Main

รปท 7.29 การใช Directional Overcurrent Relay กบ Ring Main

A

51 67 6767 67

51 67 67

67

67

B' B C' C

D'

D

E E'A'

D

57

การท า Grading

1. เปด Ring ท A ท าการ Grading Relay โดยเวลาทเรยง

จากมากไปนอยเปนดงน

: A' - E' - D' - C' - B ( เชน 1.7 s , 1.3 s , 0.9 s ,

0.5 s , 0.1 s )

2. เปด Ring ท A' ท าการ Grading Relay โดยเวลาทเรยง จากมากไปนอยเปนดงน

: A - B - C - D - E ( เชน 1.7 s , 1.3 s , 0.9 s ,

0.5 s , 0.1 s )

58

รปท 7.30 การ Grading ในระบบ Ring Main

Time (s)

Current (A)B', E

C', D

D', C

E', B

A', A

59

Parallel Source without Transformer

รปท 7.31 กำรใช Directional Overcurrent

กบ Parallel Source without Transformer

Load Bus

50 51 51N

51 51N 67 67N

Infeed 1 Infeed 2

Same Protection Infeed 1 F

I L

oad

Lo

ad

Lo

ad

60

รปท 7.32 กำรใช Directional Overcurrent Relay

กบ Parallel Source with Transformer

Parallel Source with Transformer

Load Bus

51 51N 67 67N

H.V.

Infeed 1

Same Protection

Infeed 1

50 51 51N

51G 51G

50 51 51N

H.V.

Infeed 2

61

Feeder Multifunction Relay

- ส ำหรบกำรปองกนสำยปอบ Feeder

ปจจบนนยมใชแบบ Multifunction Relay

ซงม Overcurrent Protection แบบ Nondirectional

และ Directional

- นอกจำกนยงม Function อนๆอกมำกมำย

62

Feeder Multifunction Relay

63

64

Single Line Diagram

สวสด