Directional OC/EF Protection

داورپناهمهدي دانشگاه تهران–دانشكده برق و كامپيوتر

معرفي رله جهتي

البته با اين . رله هاي جريان زياد جهت دار شبيه رله هاي معمولي مي باشند •. مي شود (AND)تفاوت كه يك واحد جهت ياب به آن اضافه

مربوط به عملكرد رله در صورتي فعال مي شود كه جريان اندازه شمارنده محاسبه •طابق با گيري شده توسط آن از حد عملكرد بزرگتر باشد و جهت عبور جريان نيز م

. جهت تنظيمي در رله باشد رله شروع مي Resetting چنانچه حداقل يكي از شروط فوق برقرار نباشد، منطق •

.شود

ه كه رله هاي ديجيتال داراي سه واحد رله جريان زياد جهتي در هر فاز بود •. عملكرد هر كدام باعث تريپ هر سه فاز رله خواهد شد

كاربرد رله هاي جهتي: جداسازي صحيح خطا و يا بهبود هماهنگي حفاظتي در ١.

منبعشبكه هاي با چند ١.

موازي و مسيرهاي حلقويشبكه هاي ٢.

ايزولهتشخيص صحيح خطاي زمين در شبكه هاي با نوترال ٢.

انتقال خطوط تبادلي توان براي اندازه گيري انرژي فلويتعيين جهت ٣.

) مثال در حفاظت ژنراتور(تشخيص جهت نادرست توان اكتيو يا راكتيو ۴.

جهت ) نظير رله ديفرانسيل يا حفاظت ژنراتور(استفاده در ساير رله ها ۵.CTتشخيص خطاي داخلي از خارجي به هنگام اشباع

كاربرد رله هاي جهتي: جداسازي صحيح خطا و يا بهبود هماهنگي حفاظتي در ١.

موازي و مسيرهاي حلقويشبكه هاي •

در Current Reversalلزوم استفاده از منطق به ويژه در (مسيرهاي موازي با حفاظت سريع

صورت استفاده از رله جريان زياد آني يا رله در شبكه هاي از دو سو تغذيه) ديستانس

معرفي سيگنالهاي پالريزه نبوده و به تنهايي معنا ندارد، بلكه مطلق يك كميت ac جهت عبور جريان •

ظور بايستي اين جهت را نسبت به يك مرجع مشخص تعيين نمود كه براي اين من: معموال از سيگنالهاي زير استفاده مي شود

: ولتاژ سيستم •زمين ولتاژ فاز به •فاز ولتاژ فاز به •صفر ولتاژ مولفه •منفي ولتاژ مولفه •

: جريان سيستم •) EFو يا REFمثال در رله ( جريان محل اتصال نوترال به زمين •) مثال در حفاظت ديفرانسيل( جريان قسمتهاي ديگر •

ديجيتالرله جهتي . الف

خطاروش تعيين جهت ١.جريانمحاسبه اختالف زاويه بين ولتاژ و . 1-1) P-Qمحور مختصات (محاسبه توان در هر فاز . 1-2) R-Xمحور مختصات ( محاسبه زاويه امپدانس در هر نوع خطا . 1-3

ولتاژنحوه استفاده از سيگنال پالريزه ٢.1-1 .Self Polarisation

1-2 .Cross Polarisation

1-3 .Memory Polarisation

رله جهتي آنالوگ. ب

روشهاي تعيين جهت خطا

خوديپالريزاسيونتالف زاويه در اين روش سيگنال پالريزه ولتاژ فاز به زمين همان فاز است يعني اخ .ظر مي باشد جريان خطا با ولتاژ فاز به زمين در همان فاز به عنوان جهت خطا مد ن ه برابر زاويه انتظار مي رود كه زاويه بين ولتاژ و جريان اندازه گيري شده توسط رل

درجه 80 كيلو ولت حدود 400 و 230اين زاويه در خطوط . مشخصه خط انتقال باشد . درجه مي باشد 65 كيلوولت حدود 63 و 132و در خطوط

خودي، اختالف فاز بين ولتاژ و جريان اندازه گيري شده در پالريزاسيوندر روش البته استفاده اين . ( زاويه خط انتقال است [φsc=tg-1(XL/RL)]شرايط اتصال كوتاه برابر

بنابراين مي توان از اين .) موضوع در اتصال كوتاه هاي نامتقارن با خطا همراه است البته به دليل وجود خطا در تعيين اين زاويه . زاويه به عنوان جهت خطا استفاده نمود

درجه انتخاب 90بايستي حاشيه اطمينان مناسبي در نظر گرفته شود كه معموال برابر را به دو قسمت مساوي تقسيم مي كنند كه قطر محل مثلثاتي يعني دايره . مي شود

) و نسبت به سيگنال پالريزه مثلثاتي در خالف (φscتقسيم دايره عمود بر خط با زاويه مبين مثلثاتي و در نتيجه نصف دايره ) Maximum Torque Lineمعروف با خط (بوده

.جهت جلو مي باشد

درجه در 90منشاء خطاي تخمين زاويه و لزوم در نظر گرفتن حاشيه اطمينان رله هاي متداول

سادهمقاومت محل خطا در شبكه هاي ١.

تغذيهمقاومت محل خطا در شبكه هاي از چند سو ٢.

ميانيجريان تغذيه ٣.

CTاشباع ۴.

پدانس بر مبناي عدم تساوي زاويه امپدانس واقعي خط معيوب با زاويه محاسبه شده از ام۵.شده كوپله و به ويژه مداره در خطاهاي نامتقارن در خطوط يك Z=V/Iرابطه

ميرا شونده جريان خطا و dcخطاي فيلتر اندازه گيري ديجيتال به دليل وجود مولفه ۶.خطا مياني جريان هارمونيكهاي

باال اعوجاجنه كم و خطاي فيلتر اندازه گيري ديجيتال در تخمين ولتاژ فاز به زمين كه دام٧.) CVT در FSCبه ويژه به دليل رفتار ( دارد

خطاي اندازه گيري زياد %) 1كمتر از ( در خطاي نزديك پست با دامنه خيلي كم ولتاژ ٨.: استIEC186طبق % 5افزايش خطاي ترانس ولتاژ نسبت به كالس دقت در ولتاژ كمتر از ١.

و عدم اعتبار زاويه تخميني ولتاژ...) وADCخطاي(افزايش خطاي اندازه گيري رله ٢.

متقابلپالريزاسيون بجاي استفاده از ولتاژ فاز به زمين همان فاز، از ولتاژ دو 8 و 7به منظور حل مشكالت

. فاز ديگر استفاده مي شود

زمين هستند و در اين نوع خطا ولتـاژ بـين دو فـاز -با توجه به اينكه اكثر خطاها از نوع فاز در اين . تعيين مي شود BC بر اساس ولتاژ Aسالم تغيير چنداني نمي كند، لذا جريان فاز مطـابق VBC و VAسازي اختالف زاويه بـين روش زاويه بين ولتاژ و جريان پس از جبران

:رابطه زير محاسبه مي شودABC IV ∠−+∠= °90θ

بـه عنـوان سـيگنال VBCالبته معموال جبران سازي فوق انجام نشده و مستقيما از ولتـاژ MTA=90-tg-1(X/R)پالريزه استفاده مي شود كه در اين حالت تنظيم زاويه رلـه بـصورت

.در نظر گرفته مي شود

MTL رله جهتي در واقع زاويه بين خط (Characteristic Angle)زاويه مشخصه

(Maximum Torque Line – or Line with Max. Sensitivity) و سيگنال . پالريزه است

VBC

حافظهپالريزاسيون

جهتي در خطاي سه فاز نزديك پست، به دليل صفر شدن ولتاژ كليه فازها واحد ضمنا در شبكه هاي جبران شده با خازن سري . رله به طور صحيح عمل نمي كند

در اين . آيد بوجود مشكل منفي شدن ولتاژ باس بار به هنگام خطا ممكن است لهاي حاالت مي توان بجاي اندازه گيري ولتاژ جهت تشخيص جهت خطا، از سيگنا

. د ولتاژ مربوط به چند سيكل قبل از رخداد خطاي اتصال كوتاه استفاده كر استفاده مي كنند، در Cross Blockingدر رله هاي جديد كه معموال از منطق

درصد ولتاژ نامي 1صورتي كه در حين اتصال كوتاه ولتاژ سيستم به مقدار كمتر از ي توان از برسد، در اينصورت بجاي استفاده از سيگنال اندازه گيري شده ولتاژ، م

. استفاده نمود (Memory Polarization)مقادير ذخيره شده در حافظه

تعيين جهت خطا بر مبناي محاسبه توان در هر فاز

انيكي از اين روش كه مبناي كار كنتورهاي آنالوگ است در رله هاي الكترومك•احد جهتي استفاده مي شد وليكن در برخي رله هاي ديجيتال نيز تحت عنوان و

Watt-metricبكار مي رود . در مقابل اگر توان اندازه گيري شده عدد مثبتي باشد به مفهوم اين است كه خطا•

. و توان منفي به مفهوم خطاي پشت استرله اتفاق افتاده استزاويه بين φ محاسبه مي شود كه P=V.I.Cos(φ) توان در هر فاز بر مبناي رابطه •

. ولتاژ و جريان مي باشد توان كه باعث توليد حداكثر گشتاور اعمالي به ديسك ماكزيممبراي داشتن •

فر باشد كه گردان رله جهت ياب الكترومكانيكي مي شود، بايستي اين زاويه برابر ص. ده مي شودبراي تحقق اين هدف با توجه به نوع كاربرد از اتصاالت متفاوتي استفا

تعيين جهت خطا بر مبناي محاسبه توان در هر فاز

وجود نداشته و با تغيير ولتاژ پالريزه مورد RCA در رله هاي الكترومكانيكي تنظيم زاويه •. يم انجام مي شوداستفاده در هر فاز رله جريان زياد جهتي، مطابق شكلهاي باال اين تنظ

فشار متوسط و فوق توزيع هوايي و فيدرهاي درجه در 60 درجه در شبكه هاي كابلي، 30 اتصال •. درجه در شبكه هاي انتقال به كار مي رود90اتصال

VAB

Forward

درجه90اتصال درجه60اتصال درجه30اتصال

VA

VBVC

VA

VBVC

VA

VBVC

-VAC

-VC

30 60 90

Forward

MTL

MTL MTL

Forw

ard

درجه مي باشـد 70 تا 55زاويه امپدانس مشخصه خط در شبكه هاي فوق توزيع حدود • VC–براي اين منظـور از ولتـاژ . درجه استفاده مي شود 60و لذا در اين شبكه ها از اتصال

مكـان هندسـي VCخط منطبق با بردار. استفاده مي شودIAبراي تشخيص جهت جريان و در نتيجـه نقاطي است كه در آن توان اندازه گيـري شـده حـداكثر مقـدار خـود را دارد

در رله هـاي جهـت . مقدار خود را دارا است ماكزيممگشتاور اعمالي به ديسك گردان رله انس انـدازه گيـري ياب قديمي كه بر اساس اندازه گيري توان كار مي كرد، اگر زاويه امپـد

سك گـردان رلـه شده با زاويه اين خط يكسان مي بود، در اينصورت گشتاور اعمالي به ديـ لـذا . نـد مقدار را داشت و رله دقيقتر و سريعتر مي توانست جهت خطا را پيـدا ك ماكزيمم

. معروف استMTL (Maximum Torque Line)اين خط به در اين اتصال كه جهت جريان خطا بر اساس آن تعيـين مـي شـود، ولتـاژ VC– به ولتاژ •

،MTLزاويه بين ولتـاژ پالريـزه و خـط . گفته مي شود (Polarization Voltage)پالريزه RCA (Relay Characteristic Angle) ناميده مي شود كه در برخـي رلـه هـاي جهتـي

.ديجيتال به عنوان مبناي تنظيم رله مي باشد

متري با ذكر مثالواتتشريح ويژگيهاي رله جهتي

شده به هم استفاده مـيكوپل در رله هاي الكترومكانيكي كه از سه عدد رله جهتي •بوده و جهـتشد، گشتاور اعمالي به ديسك گردان رله برآيند گشتاور اعمالي سه فاز

در رله هاي ديجيتال نيز مـي تـوان همـين. خطا بر مبناي آن تشخيص داده مي شد . منطق را پياده سازي نمود

شده ولـيكن بهتر است يك واحد رله جريان زياد مستقل براي هر فاز در نظر گرفته •براي اين منظور جهت خطا نيز در هر سه فـاز تعيـين. جهت خطا يك بار تعيين شود

ع تـوانمي شود وليكن تشخيص اينكه خطا در جلو يا پشت رله است بر مبناي مجمو است و يا بر مبناي جهت تشخيص داده شده توسـط) مطابق رله هاي آنالوگ (سه فاز

.واحدي است كه دامنه جريان آن بزرگتر است

. كه رله آن فرمان تريپ را صادر كند باعث قطع سه فاز خواهد شدفازي اولين •

رفتار رله در مواجهه با جهت هاي متفاوت در واحدهاي هر فاز

: اهميت زاويه مشخصه در رله هاي آنالوگ

ولتاژ و ( گشتاور توليدي در رله هاي جهتي آنالوگ عالوه بر دامنه سيگنالهاي ١.. ستاندازه گيري شده به زاويه بين جريان و سيگنال پالريزه نيز وابسته ا) جريان

اين است كه ) حداكثر گشتاور توليدي در ديسك گردان رله(لذا بهترين حالت مثال در خطوط انتقال و يا در . باشدMTLراستاي جريان خطا منطق با خط

درجه مناسب α 90= بااليي استX/Rنسبت ثانويه ترانسفورماتور كه داراي . است

درجه 90 و 60، 30، 0 در رله هاي آنالوگ فقط مي توان از زواياي مشخصه ٢. به ترتيب از Rاستفاده كرد كه براي اين منظور بايستي براي جريان فاز

. به عنوان سيگنال پالريزه استفاده شودVTS و VR ،-VRT ، -VCولتاژهاي

: اهميت زاويه مشخصه در رله هاي آنالوگ

عالوه بر داشتن حداكثر حساسيت رله، حاشيه اطمينان 1در صورت رعايت بند ٣.زاويه ( درجه 90مثال با انتخاب اتصال . مي باشدماكزيممعملكرد آن نيز

در حالت خطاي R، اختالف زاويه بين ولتاژ و جريان فاز ) درجه90مشخصه درجه بوده و ليكن اختالف زاويه بين ولتاژ پالريزه و جريان 90مستقيم حدود

به حال اگر . (Cos0=1 Tmax)خطا در اين حالت حدود صفر درجه مي باشد 60مثال (دليل مقاومت محل خطا، زاويه جريان كمتر از مقدار پيش بيني شده

Cos(90-60)*Tmax=0.87Tmaxباشد، در اينصورت گشتاور توليدي برابر ) درجه

در حاليكه اگر . مي باشد، يعني از حساسيت رله چندان كاسته نخواهد شد 30 و در اتصال 0.5Tmax درجه انتخاب مي شد، گشتاور توليدي برابر 60اتصال

. رددرجه، گشتاور توليدي در حالت مذكور برابر صفر بوده و رله عمل نمي ك) انتخاب نوع اتصال در رله هاي آنالوگ( بنابراين انتخاب مناسب زاويه مشخصه

مقدار از باعث بهبود عملكرد رله در حالتي است كه زاويه بين ولتاژ و جريان با.قبل پيش بيني شده متفاوت باشد

: اهميت زاويه مشخصه در رله هاي آنالوگ

حالت يكي ديگر از داليلي كه باعث تغيير زاويه بين ولتاژ و جريان نسبت به٣. CT بوده كه با انتخاب مناسب CTاتصال كوتاه سه فاز ايده آل مي شود، اشباع

و انتخاب مناسب زاويه مشخصه رله جهتي مي ) مطابق نيازمندي سازنده رله(. نيز اطمينان حاصل كردCTتوان از تريپ رله به هنگام رخداد خطا و اشباع

: اهميت زاويه مشخصه در رله هاي ديجيتال

گنال ولتاژ در رله هاي ديجيتال نيز مي توان همانند رله هاي آنالوگ با تغيير سي١.روش ساده تر اين است كه . پالريزه، زاويه مشخصه مورد نظر را انتخاب نمود

مثلثاتيدر جهت ) كه در رله قابل تنظيم است (αبه اندازه زاويه جريان : عبارتند از α شود كه زاويه چرخانده

خودي ( كه استفاده شود پالريزاسيوني در رله هاي ديجيتال از هر روش بنابراين با جريان شده و لذا با همفاز، ولتاژ پالريزه در ضريب توان واحد ) يا متقابل

. را مشخص نمودMTL بايستي راستاي خط αتنظيم زاويه

)(1

th

th

R

Xtg−=α

: اهميت زاويه مشخصه در رله هاي ديجيتال

تاثيري در گشتاور توليدي در رله MTLدر رله هاي ديجيتال انحراف از خط ٢.نداشته و فقط از منظر دقت رله در تشخيص صحيح خطا ) عملكرد سريعتر رله(

و نيز ) RFو اثر تغذيه از منبع مقابل در ( با توجه به تاثير مقاومت محل خطا . اشباع ترانس جريان اهميت دارد

: اهميت زاويه مشخصه در رله هاي ديجيتال

بجاي در با توجه به دقت باالتر رله هاي ديجيتال در تعيين جهت خطا، مي توان ٣. 100مثال ( درجه، جهت مقابل و پشت رله را محدودتر 180نظر گرفتن يك بازه

در اين رله ها بايستي عالوه بر زاويه مشخصه رله، زاويه بين . نمود) درجه130تا . نيز داده شودموربدو خط

Forward Direction

Backward Direction

VR

IR

جريان و در رله هاي الكترومكانيكي جريان زياد جهتي، گشتاور توليدي به زاويهبنابراين بايستي در هماهنگي . رله بستگي دارد) زاويه مشخصه( ولتاژ و نوع اتصال

يكساني اين رله ها بايستي دقت شود كه رله هاي پشت سر هم داراي زاويه مشخصهاين موضوع در . باشند و يا تاخير اضافي بابت عدم رعايت آن در نظر گرفته شود

. هماهنگي رله هاي ديجيتال و آنالوگ نيز اهميت زيادي دارد

هماهنگي رله هاي جهتي جريان زياد

Cross Polarisation از روش زيمنس شركت 7SJ62به عنوان نمونه د رله در اين رله ميزان چرخش ولتاژ پالريزه تنظيم مي شود كه مقدار . استفاده شده است

-φrot=90مناسب اين تنظيم تقريبا برابر φsc مي باشد.. از ولتاژ پالريزه مي باشد درجه 86± اين رله جهتي برابر ناحيه با حاشيه اطمينان forwardناحيه

تنظيم نمونه رله جهتي جريان زياد

VA

VBVC

VA+VB

V0

ISC_A=I0

Directional Earth Fault Relay

Appropriate polarizing signal is “V0”, but I0 should be reversed.

Directional Earth Fault Relay

فاز معيوب عمال به دليل عبور جريان اتصال كوتاه از امپدانس تونن، زاويه ولتاژ. نمي باشدVa2 با همفاز V0 شده و عمال چابجانسبت به حالت نرمال كمي

Directional Earth Fault Relay

Appropriate Setting is angle of estimated impedance calculated by:

AAscA

A IVI

VZ ∠−∠=⇒= ϕ

It is should be considered, above equation is not equal to positive sequence of line impedance, because in single phase earth fault the positive impedance of protected line is calculated by: )/( 00 IkIVZ AA ×+=+

)( +≈−= scscrot ϕϕϕ

VA

VBVC V-

ISC_A

Appropriate polarizing signal is “V-”, but IA should be reversed.

Negative Sequence OC Relay

Negative Sequence OC Relay

د كه در از اين رله نيز به عنوان رله تشخيص خطاي فاز به زمين استفاده مي شوبا جريان فاز ) نيز همانند مولفه هاي مثبت و صفر(چنين حالتي جريان مولفه منفي

. استISCA- برابر جهت I2–بنابراين جهت سيگنال . استهمفازمعيوب

Typical Settings

90-φsc-φsc

The method of system earthing also affects the Relay Characteristic Angle (RCA) (Maximum Torque Angle –MTA- or Angle of Maximum Relay Sensitivity), and the following settings can be used typically:

i. resistance-earthed system: 0° RCA

ii. distribution system, solidly-earthed: -45° RCA

iii. transmission system, solidly-earthed: -60° RCA

Typical Settings of RCA in DEF Relay

تعيين مثلثاتيتنظيم زاويه مشخصه رله معموال بر مبناي سيگنال پالريزه در جهت .مي شود

Selfدر رله هاي امروزي بجاي Polarization از Cross Polarization استفاده .مي شود

قابليتهاي رله هاي جهتي ديجيتال

(Memory Polarisation) استفاده از سيگنال پالريزه مربوط به چند سيكل قبل •

پالريزاسيون استفاده از تركيب انواع روشهاي •

زونل زمان عملكرد يكسان در زواياي مختلف از سيگنال پالريزه در خطاي داخ•

درجه براي 180يعني پوشش كمتر از ( شيبه استفاده از رله جهتي با مشخصه دو •) افزايش قابليت اطمينان رله

) زيمنس ساخت EFنظير رله ( استفاده از رله جهتي با مشخصه ديفرانسيلي •

تنظيم زاويه مشخصه رله در مقدار مطلوب•

Normal Connection for OC & EF Relays in Grounded-Wye System(Normal circuit layout appropriate for all networks)

Current Connections to Three CTs and a Core Balance CT (Preferred for Earth Fault protection in effectively or low-resistance grounded networks with over head line or for SEF in cable system)

Normal Connection for OC Protection in Ungrounded or Compensated Networks

Current Connections to two CTs and Core Balance CT for Sensitive Earth Fault Detection

(Only for ungrounded or compensated networks)

Current and Voltage Connections for OC Relay and Maximum Precision for SEF Detection or Suitable for DEF Protection

Dynamic Cold Load Pickup

• With the cold load pickup function, pickup and delay settings of directional and nondirectional time overcurrent protection can be changed over dynamically.

• Certain elements of the system have an increased power consumption after a long period of zero voltage (e.g. air-conditioning systems, heating installations, motors). Thus a raise of pickup thresholds can be avoided by taking into consideration such starting conditions.

• There are two methods by which the device can determine if the protected equipment is de-energized. 1.Via binary inputs, the device is informed of the position of the circuit breaker. 2. As a criterion a set current threshold is undershot. If the device determines that the protected equipment is de-energized via one of the above methods, a time, CB Open Time, is started and after its expiration the increasedthresholds take effect.