ساختار عملكرد رله

انواع رله‌ها
جهت تشخيص انواع مختلف خطا و با توجه به مشخصه‌هاي موردنياز، انواع مختلفي از رله در سيستم حفاظتي مورد استفاده قرار مي‌رد كه در ادامه به اجمال معرفي مي‌شوند.

رله اضافه جريان
متداولترين نوع رله كه در شبكه استفاده مي‌گردد، رله جريان زياد است. رله‌هاي جريان زياد تأخيري داراي چند مشخصه زمان _ جريان بوده و زمان قطع آنها وابسته به مقدار جريان خطا مي‌باشد. مطابق استاندارد IEC‌ سري 60255 اين نوع رله‌ها بايستي داراي چها مشخصه مختلف باشند كه زمانهاي قطع متفاوتي را ارائه مي‌كنند. اين رله‌ها مي‌توانند از نوع جهت‌دار باشند كه در اين صورت رله تنها به خطاهاي در يك جهت پاسخ مي‌دهد. رله جريان زياد تأخيري مي‌تواند به واحد آني نيز مجهز گردد كه در اين صورت در جريانهاي بسيار زياد، زمان عملكرد رله ثابت و مقدار كوچكي خواهد بود. رله‌هاي اضافه جريان آني مي‌توانند بصورت واحد مجزا نيز مورد استفاده قرار رند. شكل شماره (1-1) مشخصه‌هاي زمان – جريان رله اضافه جريان را مطابق با استاندارد IEC نشان مي‌دهد. رله‌هاي اضافه جريان داراي دو تنظيم زماني و جرياني مي‌باشند. به كمك تنظيم جريان مي‌توان حد جريان شروع عملكرد[3] رله را تنظيم كرد و به كمك تنظيم زماني هماهن بين رله‌هاي مختلف امكانپذير مي‌گردد.
رله ديستانس
رله ديستانس نامي عمومي براي رله‌هاي امپدانسي است كه از وروديهاي ولتاژ و جريان استفاده كرده و يك سيگنال خروجي را تهيه مي‌نمايند. فرمان قطع زماني صادر مي‌شود كه فاصله نقطه خطا از محل نصب رله كوچكتر از يك مقدار مشخص باشد.
اين نوع رله بطور گسترده‌اي براي حفاظت خطوط مورد استفاده قرار مي‌رد. رله ديستانس همچنين براي حفاظت اتصال حلقه به حلقه سيم‌پيچي‌هاي ترانسفورماتورهاي قدرت نيز مي‌تواند مورد استفاده قرار رد.
مشخصه عملكردي رله ديستانس معمولاً بصورت گرافيكي و بر حسب دو متغير R و X نشان داده مي‌شود. دياگرام مشخصه رله نشان‌دهنده امپدانسهايي است كه در جهت قطع رله واقع مي‌شوند و هچنين شامل امپدانسهايي است كه رله به ازاي آنها عمل نمي‌كند. رله‌هاي ديستانس بر حسب مشخصه عملكردي خود به انواع مختلفي تقسيم مي‌شوند كه در ادامه مورد بررسي قرار مي‌رد.

الف ـ رله ديستانس نوع راكتانسي
اين نوع رله جزء موهومي امپدانس يعني راكتانس (X)‌ را اندازه‌ مي‌رد و مشخصه آن در صفحه R-X‌ بصورت يك خط موازي با محور R است. رله راكتانسي هنگامي عمل مي‌كند كه مقدار راكتانس خط از محل رله تا نقطه خطا، كوچكتر از مقدار تنظيم شده باشد. اين نوع رله نسبت به مقاومت خطا و بالطبع مقاومت جرقه حساس نمي‌باشد اما لازمست به امكاناتي براي جهت‌دار شدن و عملكرد مناسب در مقابل امپدانس بار مجهز گردد. اين نوع رله جهت حفاظت خطوط كوتاه كه مقاومت جرقه در مقايسه با امپدانس خط قابل توجه است مناسب مي‌باشد.

ب ـ رله ديستانس نوع امپدانس
رله امپدانسي به اندازه امپدانس ) ( پاسخ مي‌دهد و به اين ترتيب مشخصه اين رله بصورت يك دايره به مركز مبدا مختصات صفحه R-X مي‌باشد. براي اينكه رله جهتدار شود لازم است كه داراي امكانات اضافي ديگري باشد تا جهت منفي (ربعهاي دوم، سوم و چهارم) را جدا كند.

ج ـ رله ديستانس نوع مهو
مشخصه رله مهو به صورت دايره‌اي است كه قطر آن برابر امپدانس تنظيم شده است. رله مهو هنگامي عمل مي‌كند كه امپدانس ديده شده از محل رله تا نقطه خطا درون مشخصه قرار رد. از آنجا كه قسمت اعظم مشخصه دايره‌اي شكل در ربع اول واقع مي‌شود اين رله جهت‌دار خواهد بود.
ناحيه عدم عملكرد

ناحيه عملكرد

اين مشخصه بخاطر ساد و جهت‌دار بودن بسيار مورد استفاده قرار گرفته و در قياس با رله امپدانسي داراي حساسيت كمتري در مقابل نوسانات قدرت در شبكه مي‌باشد. اين مشخصه همچنين داراي فاصله كافي با امپدانس بار مي‌باشد. با اين حال به دليل آنكه اين مشخصه داراي پوشش كمي در جهت محور حقيقي (R) است، در خطوط كوتاه ممكن است دچار مشكل در تشخيص ناحيه حفاظتي گردد (تأثير مقاومت جرقه مي‌تواند به حدي ‌باشد كه رله خطاي موجود در يك ناحيه را در ناحيه بعدي ببيند).
در بعضي موارد زون سوم رله مهو كمي به سمت ربع سوم صفحه مختصات تغيير مكان داده مي‌شود كه اين مشخصه به افست مهو[4] مشهور است. اين موضوع باعث مي‌شود كه براي خطاهاي حوالي شينه پشت خط حفاظت پشتيبان فراهم شود. نوع ديگري از انواع رله‌هاي مهو كه به آن Cross Polarized مي‌گويند داراي مشخصه مهو براي خطاهاي سه فاز بوده و براي ساير خطاها، مشخصه در امتداد محور مقاومت باز مي‌شود تا بتواند خطاهاي جرقه‌ را پوشش دهد.

دـ رله ديستانس با مشخصه چهارضلعي
تنظيم رله بر روي محور X و R بطور مستقل امكانپذير بوده و اين امر باعث بهبود مشخصه مقاومتي رله در مقايسه با رله مهو مي‌گردد و امكان درنظرگرفتن مقاومت جرقه را به طور موثري فراهم مي‌آورد.
هـ ـ ساير مشخصه‌ها
بجز موارد ذكر شده، رله‌ها مي‌توانند داراي مشخصه بيضوي، تركيبي و حالات خاص باشند. در مشخصه تركيبي معمولاً از نوع راكتانس نظارت شده توسط مشخصه مهو استفاده مي‌شود. رله بيضوي داراي مشخصه بيضوي در راستاي زاويه خط بوده و به اين ترتيب در مقابل امپدانس بار از پايداري مناسبي برخوردار است.
جهت پايداري بهتر رله ديستانس در مقابل امپدانس بار، مي‌توان مشخصه چهارگوش رله‌ها را به نحوي اصلاح كرد كه نسبت به امپدانس بار پايداري بيشتري نشان دهد. براي اين كار مشخصه چهارگوش با توجه به حدود زاويه امپدانس بار بريده مي‌شود.
رله ديفرانسيل
رله ديفرانسيل بر پايه جمع جبري جريانهاي ورودي و خروجي در منطقه حفاظت شده عمل مي‌نمايد. در حالت عادي، جرياني كه به يك نقطه وارد مي‌شود برابر با جرياني است كه از آن خارج مي‌گردد، بنابراين تفاضل آنها صفر بوده و جرياني از رله نمي‌گذرد. اگر در نقطه حفاظت شده اتصالي رخ دهد، قسمتي از جريان به سمت نقطه اتصالي ريخته و جريان خروجي كمتر از جريان ورودي است، بنابراين جرياني از رله عبور مي‌كند. اگر اين جريان تفاضلي، بيشتر از مقدار تنظيم شده باشد، رله‌ فرمان قطع را صادر مي‌كند. اين نوع حفاظت در اكثر قسمتهاي سيستم مورد استفاده قرار مي‌رد. قابل ذكر است كه اين نوع حفاظت، اضافه بار و يا اتصاليهاي خارج از منطقه حفاظت‌شده را نمي‌بيند و همچنين اين رله اتصاليهاي بين دورهاي سيم پيچي در موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتور را تشخيص نمي‌دهد.
رله ديفرانسيل، حفاظتي با سرعت بالا و حساس را ارائه مي‌نمايد و به انواع زير تقسيم مي‌گردد:
- رله ديفرانسيل جريان زياد
- رله ديفرانسيل درصدي
- رله ديفرانسيل امپدانس زياد
- رله ديفرانسيل پايلوت
در رله‌هاي ديفرانسيل، انتخاب ترانسفورماتورهاي جريان بسيار مهم بوده و براي عملكرد صحيح و مناسب حفاظت حياتي مي‌باشد.

الف ـ رله ديفرانسيل جريان زياد
رله ديفرانسيل جريان زياد در يك تفاضل جريان ثابت عمل كرده و براحتي توسط خطاهاي ترانسفورماتورهاي جريان تأثير مي‌پذيرد. اين نوع رله، در مقايسه با بقيه رله‌هاي ديفرانسيل داراي حساسيت كمتري است بخصوص زماني كه براي اتصاليهاي زمين با مقادير كم مورد استفاده قرار رد. در شرايط عادي، جرياني كه از ترانسفورماتورهاي جريان دو طرف مي‌گذرد برابر است و بنابراين بايد جريان ثانويه ترانسفورماتورها نيز يكسان باشند تا جرياني از رله عبور نكند.
معمولاً ترانسفورماتورهاي جريان دقيقاً نسبت تبديل نامي را ارائه نمي‌نمايند. بنابراين اگر از رله ديفرانسيل جريان زياد استفاده مي‌گردد، اين رله بايد بطريقي تنظيم گردد كه ماكزيمم جريان خطاي ترانسفورماتورها را تحمل نموده و فرمان قطع صادر نگردد. بهمين خاطر براي بدست آوردن حساسيت موردنظر معمولاً از رله ديفرانسيلي درصدي بهره گرفته مي‌شود.

ب ـ رله ديفرانسيل درصدي
رله‌هاي ديفرانسيل درصدي در شينه‌ها، ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورها مورد استفاده قرار مي‌رد. اين رله‌ها به سه نوع تقسيم مي‌شوند. رله با درصد ثابت، رله با درصد متغير كه براي تمام موارد فوق بكار مي‌روندو رله داراي هارمونيك كه تنها براي ترانسفورماتور بكار مي‌رود.
رله‌هاي درصد متغير براي تشخيص اتصاليهاي سطح پايين در منطقه حفاظتي نسبت به رله‌هاي با درصد ثابت حساستر است. رله ديفرانسيل درصدي كه براي ترانسفورماتور استفاده مي‌شود، داراي حساسيت كمتري نسبت به رله‌هايي است كه براي شينه، ژنراتور و موتور بكار مي‌رود.
جهت بدست آوردن حساسيت مناسب در محدوده جريان خطا، رله‌هاي ديجيتالي داراي مشخصه باياس متغير مي‌باشند. در اين رله‌ها هرچه جريان ديفرانسيل ناشي از جريان خطا افزايش يابد، جريان باياس نيز افزايش مي‌يابد و رله در تمامي جريانها داراي حساسيت مناسب خواهد بود.

ج ـ رله ديفرانسيل امپدانس زياد
رله ديفرانسيل امپدانس زياد براي حفاظت شينه و سيم‌پيچي ترانسفورماتور و به صورت رله ديفرانسيل جرياني و يا رله ديفرانسيل ولتاژي بكار مي‌رود. براي اتصاليهاي خارج از منطقه حفاظتي خطاي زيادي در ترانسفورماتور جريان مربوطه رخ مي‌دهد و ولتاژي بالاتر از حد عادي بر روي رله بوجود مي‌آيد و از اين رو ولتاژ زيادي بر روي ترانسفروماتور جريان قرار مي‌رد و جريان تحريك ترانسفورماتورهاي جريان را افزايش مي‌دهد. بنابراين جريانهاي خطا ترجيح مي‌دهند بجاي عبور از امپدانس بالاي رله، از امپدانس مغناطيسي معادل ترانسفورماتورهاي جريان عبور كنند و براي جلوري از اين عمل از مقاومت متغير موازي با رله استفاده مي‌شود تا اين ولتاژ در يك حد قابل قبول باقي بماند.

دـ رله ديفرانسيل پايلوت
اين نوع رله داراي سرعت بالايي بوده و براي حفاظت اتصاليهاي فاز و زمين در خطوط كوتاه، مورد استفاده قرار مي‌رد. در اين سيستم حفاظتي، پايلوت در حقيقت كانالي است كه دو انتهاي خط انتقال را به هم ارتباط مي‌دهد. اين كانال معمولاً به سه شكل وجود دارد. اولين نوع آن همان پايلوت واير و يا كانال سيمي (كابل) است و ارتباط جرياني از طريق كابل تامين مي‌گردد.
نوع دوم پايلوت جريان كارير (PLC) است. در اين سيستم جريان فركانس زياد كه فركانس آن بين 3 تا 200 كيلو هرتز مي‌باشد، از طريق يكي از سيمهاي خط انتقال به رنده‌اي واقع در سر ديگر خط منتقل مي‌شود. در اين سيستم معمولاً زمين و سيم زمين بجاي سيم برگشت عمل مي‌كنند.
پايلوت ميكروويو، سيستم راديويي با فركانس بالاي 900 مگاهرتز است. جهت فواصل كوتاه از حفاظت پايلوت واير استفاده مي‌شود و براي فواصل بيشتر پايلوت كارير مورد استعمال دارد. موارد كاربرد پايلوت ميكروويو زماني است كه از لحاظ فني و اقتصادي پايلوت كارير جوابگو نباشد.
اين نوع رله‌گذاري شامل دو رله در دو انتهاي خط است كه توسط سيم پايلوت، جريان كارير و يا ميكروويو بهم متصل مي‌شوند. خروجي سه ترانسفورماتور جريان به شبكه توالي اعمال مي‌شود. اين شبكه جرياني تركيبي كه متناسب با جريان خط است توليد مي‌كند و پلاريته آن متناسب با جهت جريان است. هر رله شامل يك عضو محدودكننده و يك عضو عمل‌كننده مي‌باشد. عضو محدودكننده با مسير جرياني پايلوت سري بوده و عضو عمل‌كننده هر رله، موازي با مسير جرياني پايلوت واقع مي‌شود.
در حالت كار عادي و در حالتي كه اتصالي در خارج از منطقه حفاظتي رخ دهد جهت جريانها بگونه‌اي است كه جرياني از اعضاي عمل‌كننده عبور نمي‌كند.
اما زماني كه اتصالي در منطقه حفاظتي رخ دهد، جريان يك طرف در همان جهت باقي‌مانده ولي جريان طرف ديگر در جهت خلاف جاري مي‌شود و نتيجتاً جريان را به سيم‌پيچهاي اعضاي عمل‌كننده تزريق مي‌نمايد. اگر جريان اتصالي تنها از يك كليد عبور كند رله واقع در محل آن كليد، جريان را از طريق مسير پايلوت ارسال مي‌كند و كليد در طرف مقابل نيز عمل مي‌كند.

رله ولتاژي
رله‌‌هاي ولتاژي به دو نوع ولتاژ كم و ولتاژ زياد تقسيم مي‌شوند كه در حالت‌هاي نقصان و ازدياد ولتاژ در شبكه عمل مي‌نمايند. علاوه بر اين، حالت عدم تقارن ولتاژ در سه فاز سيستم را حس نموده و فرمانهاي كنترلي لازم را صادر مي‌كنند. در بعضي از موارد، از رله ولتاژ زياد در تركيب حفاظت تفاضل ولتاژ بهره گرفته مي‌شود، بنابراين چنانچه اختلاف دو ولتاژ از يك حد مشخص فراتر رود، رله عمل مي‌كند.

الف ـ رله ولتاژ كم
رله ولتاژ كم رله‌اي است كه با كاهش ولتاژ مجموعه‌اي از كنتاكتها را متصل مي‌كند و به دو نوع زير تقسيم مي‌گردد:
- رله با تأخير زماني: تنظيم ولتاژ با تپ‌هاي گسسته قابل انجام است و زمان تأخير در ارسال فرمان قطع نيز قابل تنظيم مي‌باشد.
- رله آني: در اين حالت نيز تنظيم تپ‌هاي ولتاژ وجود دارد و زمان در يك محدوده كوچك قابل تغيير مي‌باشد.

ب ـ رله ولتاژ زياد
رله ولتاژ زياد در مقابل افزايش ولتاژ عمل نموده و فرمانهاي كنترلي را صادر مي‌نمايد. اين نوع رله در موارد زير بكار مي‌رود:
- حفاظت سيستم در مقابل اضافه ولتاژ: اين رله مي‌تواند در مقابل افزايش ولتاژ، سيگنال خبردهنده ارسال كند و يا در صورت لزوم بارها و مدارهاي حساس به ولتاژ را قطع نمايد و از صدمه ديدن آنها جلوري نمايد.
- عدم تقارن ولتاژ فازها: رله ولتاژي، عدم تقارن ولتاژ در فازها را در حالت اتصال كوتاه و اشكال در فيوز ثانويه ترانس ولتاژ حس مي‌كند كه اين كار با اندازه‌ري توالي صفر و منفي ولتاژها انجام مي‌رد.
رله عدم تقارن ولتاژ براي ايزوله‌كردن رله‌ها يا وسايلي كه با قطع ولتاژ در يك يا هر سه فاز ثانويه ترانس ولتاژ يا وجود اشكال در فيوز ثانويه ترانس ولتاژ نادرست عمل مي‌كنند، بكار مي‌رود. بعنوان مثال رله ديستانس يا رله سنكرونيزم، در اين صورت فرمان نادرست صادر مي‌كنند. بنابراين زمان قطع رله بالانس ولتاژ بايد بحدي كوچك باشد تا قبل از اينكه رله‌هاي نامبرده باعث قطع كليد شوند، آنها را از مدار خارج كند.
رله‌هاي ولتاژ زياد نيز داراي دو نوع تأخيري و آني هستند. در رله‌هاي ولتاژ زياد آني تنها تنظيم ولتاژ آستانه مطرح است و پس از افزايش ولتاژ از حد مربوطه، رله بلافاصله عمل خواهد كرد.
رله اضافه شار يا اضافه تحريك
از آنجا كه شار هسته ترانسفورماتور وابسته به نسبت ولتاژ به فركانس است، رله اضافه شار نيز بر مبناي اندازه‌ري نسبت ولتاژ به فركانس (V/HZ) عمل مي‌نمايد. اين رله داراي مشخصه عملكرد زمان معكوس مي‌باشد، به اين معني كه براي تغييرات زياد (V/HZ)، در زمان كوتاهتري عمل مي‌كند و تغييرات كوچك ولتاژ به فركانس داراي تأخيري بيشتري خواهد بود. از آنجا كه فركانس در شبكه تقريباً ثابت است لذا افزايش ولتاژ در شبكه به معني افزايش شار خواهد بود. به همين دليل در بسياري از موارد بجز در ترانسفورماتورهاي نيروگاهي از اين نوع رله استفاده نمي‌شود.
رله فركانسي
اين رله‌ها براي اندازه‌ري و نظارت بر روي فركانس شبكه مورد استفاده قرار مي‌رند. اين رله‌ها به كاهش يا افزايش فركانس و يا نرخ تغييرات فركانس حساس مي‌باشند.
كاربرد رله‌هاي فركانس پائين زماني است كه در يك شبكه بارها بطور مستقل توسط ژنراتورهاي داخلي و يا با تركيب ژنراتورها و خطوط ارتباطي با شبكه‌هاي ديگر تغذيه گردند. زماني كه يك ژنراتور بطور ناگهاني از شبكه خارج مي‌شود رله‌هاي فركانس پايين بطور اتوماتيك تعدادي از بارها را خارج نموده تا مصرف با باقيمانده توليد هماهنگ شود.
رله سنكرونيزم
اين رله زماني بكار مي‌رود كه دو يا چند فيدر به يك باس مشترك متصل مي‌گردند. اتصال موفقيت‌آميز دو منبع به يكديگر بست به اختلاف دامنه‌هاي ولتاژ طرفين، زاويه‌هاي فاز و فركانسهاي دو منبع در زمان اتصال دارد. رله كنترل سنكرونيزم در صورت نزديك بودن مقادير دو طرف، اجازه اتصال را خواهد داد.
رله سنكرون‌كننده، رله‌اي است كه در رابطه با اتصال ژنراتور به شبكه و يا اتصال دو شبكه مجزا مورد استفاده قرار مي‌رد. اين رله سنكرون‌كننده براي كنترل يك يا چند كليد در يك نيروگاه و ارتباط با سيستم كنترل نيز بكار مي‌رود. بر خلاف رله كنترل سنكرونيزم، رله سنكرون‌كننده مي‌تواند فرمان وصل كليد را در نقطه دقيق سنكرونيزم صادر نمايد.
سنكرون‌كردن دستي نيازمند آموزش، استفاده از قدرت تشخيص، تجربه و دقت كافي از طرف اپراتور است. كليدها و ژنراتورها در صورت عدم دقت اپراتور دچار صدمه مي‌شوند. بنابراين فرمان وصل كليد، تنها وقتي كه رله سنكرونيزم اجازه دهد، صادر مي‌گردد.
رله كنترل سنكرونيزم براي نظارت بر اتصال دستي كليد بكار مي‌رود. بنابراين اپراتور مقادير سنكرونيزم را كنترل كرده و بطور دستي فرمان وصل مي‌دهد ولي كنتاكت باز رله سنكرونيزم كه بصورت سري قرار گرفته است از اتصال جلوري مي‌كند. كنتاكت باز رله سنكرونيزم وقتي بسته مي‌شود كه اختلاف زاويه فاز در دو طرف كليد از مقدار مشخص كمتر بوده و همچنين اختلاف ولتاژ بين دو طرف مقدار كمي را دارا باشد.
رله سنكرونيزم به دو طريق مورد استفاده قرار مي‌رد. مي‌توان اين رله را بعنوان ناظر در اتصال دستي ژنراتور به شبكه مورد استفاده قرار داد. طريق ديگر استفاده از رله سنكرونيزم در اتصال اتوماتيك ژنراتور به شبكه است كه در اين حالت علاوه بر اينكه شرايط سنكرونيزم مورد ارزيابي قرار مي‌رد، فرمانهايي از طرف رله سنكرونيزم به سيستمهاي تنظيم فركانس و ولتاژ ژنراتور ارسال مي‌گردد و اتصال كاملاً اتوماتيك صورت مي رد.
رله زماني
رله زماني در مواردي بكار مي‌رود كه تأخير عمدي در ارسال سيگنال يا عمل قطع و وصل موردنياز باشد. بدين خاطر اين رله به تنهايي بكار نمي‌رود و در كنار رله‌هاي سنجشي در حفاظت شبكه مورد استفاده قرار مي‌رد. دقت رله‌هاي زماني زياد و قابل تنظيم مي‌باشند.
نوع ديجيتالي اين رله‌ها داراي قسمتي است كه تابع تأخير را تهيه نموده و فرمان قطع يا وصل كنتاكتهاي كنترلي را صادر مي‌نمايد. اين رله‌ها علاوه بر سيستم حفاظت در تجهيزات كنترل اتوماتيك و فرآيند صنعتي مورد بهره‌برداري قرار مي‌رند.
1-3-9- ساير رله‌ها
انواع رله‌ها به موارد گفته‌شده در قبل محدود نمي‌شود و از تنوع بسيار زيادي برخوردار است. از انواع ديگر رله‌ها مي‌توان به رله نظارت بر قطع مدار تريپ، رله جابجايي نقطه صفر، رله كاهش امپدانس و... اشاره كرد.