انواع خطا در سیستم قدرت — به زبان ساده

۴۹۲۳ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۶ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۶ دقیقه
انواع خطا در سیستم قدرت — به زبان ساده

شبکه‌ها، ماشین‌ها و تجهیزات الکتریکی اغلب در معرض خطاهای مختلفی قرار می‌گیرند. وقتی خطا رخ دهد، مقادیر مشخصه (مانند امپدانس) ماشین‌ها ممکن است تغییر کرده و تا زمان رفع خطا با مقادیر اصلی تفاوت داشته باشند. دلایل متفاوتی وجود دارند که موجب وقوع خطا در سیستم قدرت می‌شوند؛ از جمله: صاعقه، باد، افتادن درخت روی خط، خرابی دستگاه‌ها و... . در این آموزش، انواع خطا در سیستم قدرت را معرفی می‌کنیم.

997696

خطا در سیستم قدرت

خطا در سیستم قدرت الکتریکی را می‌توان این‌گونه تعریف کرد: هرگونه شرایط غیرعادی سیستم که با خطای الکتریکی تجهیزات، مانند ترانسفورماتورها، ژنراتورها و... رخ می‌دهد. وقوع خطا، همچنین با خطای عایق و ایجاد مسیر خطایی همراه است که منجر به اتصال کوتاه و مدار باز شدن هادی‌ها می‌شود.

در شرایط عملکرد عادی یا ایمن، تجهیزات الکتریکی در یک شبکه سیستم قدرت در ولتاژ و جریان نامی کار می‌کنند. وقتی خطا در یک مدار یا دستگاه رخ دهد، ولتاژ و جریان از مقادیر نامی‌شان انحراف پیدا می‌کنند. خطا در سیستم قدرت سبب اضافه جریان، افت ولتاژ، نامتعادلی فازها، عدم توازن توان و ضربه‌های ولتاژ ناگهانی می‌شود. این موارد سبب وقفه در عملکرد عادی شبکه، خطای تجهیزات، آتش‌سوزی و... خواهند شوند.

معمولاً شبکه‌های قدرت الکتریکی به وسیله تجهیزات حفاظتی پست‌ها (مانند مدارشکن‌ها و رله‌ها برای محدود کردن خطا و جلوگیری از دست رفتن خدمات به دلیل خطای الکتریکی) مورد حفاظت قرار می‌گیرند.

انواع خطا در سیستم قدرت

خطاهای الکتریکی در سیستم قدرت سه‌فاز، در دو نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: خطای مدار باز و خطای اتصال کوتاه. علاوه بر این، این خطاها خود به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم می‌شوند. در ادامه، درباره این خطا‌ها توضیح خواهیم داد.

خطای مدار باز

این نوع خطا به دلیل وقوع خطا در یک یا چند هادی رخ می‌دهد. شکل زیر خطای مدار باز را برای خطوط تکفاز، دوفاز و سه‌فاز نشان می‌دهد.

خطاهای مدار باز

رایج‌ترین عوامل این نوع خطاها، خطاهای کابل‌ها و خطوط هوایی، و خطای یک یا چند فاز از مدارشکن‌ها و نیز ذوب شدن یک فیوز یا هادی در یک یا چند فاز است. خطاهای مدار باز، خطای سری نیز نامیده می‌شوند. این نوع خطاها، جز خطای سه‌فاز، نامتقارن یا نامتعادل هستند.

یک خط انتقال را قبل از وقوع خطای مدار باز در نظر بگیرید که با یک بار متعادل کار می‌کند. اگر یکی از فازها ذوب شود، بار واقعی روی ژنراتور کاهش یافته و سبب بالا رفتن شتاب و در نتیجه، چرخیدن آن در کمی بالاتر از سرعت سنکرون می‌شود. این اضافه سرعت سبب اضافه ولتاژ در سایر خطوط انتقال می‌شود. بنابراین، شرایط مدار باز تکفاز و دو فاز می‌توانند منجر به عدم تعادل ولتاژها و جریان‌های سیستم قدرت شوند که سبب وقوع آسیب‌های بزرگی در تجهیزات خواهد شد.

از علل ایجاد خطای مدار باز، می‌توان به هادی‌های شکسته و عملکرد نادرست مدارشکن در یک فاز یا بیشتر از آن اشاره کرد. این نوع خطا، اثرات زیر را در پی خواهد داشت:

  • عملکرد غیرعادی سیستم
  • خطر برای اشخاص و حیوانات
  • فرا رفتن ولتاژ‌ از مقادیر نامی در بخش‌هایی از شبکه، که خود موجب خطای عایق و وقوع خطای اتصال کوتاه می‌شود.

اگرچه خطاهای مدار باز ممکن است نسبت به خطاهای اتصال کوتاه زمان بیشتری طول بکشند، اما باید آن‌ها را در سریع‌ترین زمان ممکن حذف کرد تا از آسیب‌های بزرگ‌تر جلوگیری شود.

خطای اتصال کوتاه

اتصال کوتاه را می‌توان به عنوان یک اتصال غیرعادی با امپدانس بسیار پایین بین دو نقطه با ولتاژهای مختلف (چه عمدی و چه سهوی) تعریف کرد. این نوع خطا، شایع‌ترین و شدیدترین نوع خطا است، که سبب عبور یک جریان ناگهانی بسیار بزرگ از تجهیزات یا خطوط انتقال می‌شود. اگر این خطاها، حتی در یک دوره کوتاه، برقرار بمانند، منجر به خسارات بزرگی به تجهیزات خواهند شد.

خطاهای اتصال کوتاه، خطای شنت یا موازی نیز نامیده می‌شوند. این خطاها به دلیل از بین رفتن خاصیت عایقی بین هادی‌های فاز یا بین هادی‌های فاز و زمین یا هر دو به وجود می‌آیند. خطاهای اتصال کوتاه مختلف، شامل سه فاز به زمین، سه فاز با هم و جدا از زمین، فاز به فاز،‌ یک فاز به زمین، دو فاز به زمین و فاز به فاز به علاوه یک فاز به زمین در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

خطای اتصال کوتاه

خطای سه فاز به هم و جدا از زمین، و سه فاز، خطاهای اتصال کوتاه متعادل یا متقارن هستند، در حالی که سایر خطاها نامتقارن هستند. عوامل داخلی و خارجی می‌توانند سبب ایجاد خطاهای اتصال کوتاه شوند:

  • عوامل داخلی، شامل خرابی خطوط انتقال یا تجهیزات، استهلاک عایق، خرابی عایق ژنراتور، ترانسفورماتور و سایر تجهیزات الکتریکی است.
  • عوامل خارجی، شامل اضافه بار تجهیزات، خرابی عایق‌ها در اثر صاعقه‌های ناگهانی و در حالت کلی، آسیب‌دیدگی مکانیکی است.

این نوع خطا، اثرات زیر را در پی خواهد داشت:

  • آرک زدن، که می‌تواند منجر به آتش‌سوزی و انفجار در تجهیزاتی مانند ترانسفورماتورها و مدارشکن‌ها شود.
  • جریان‌های غیرعادی که سبب می‌شوند تجهیزات گرم شوند و در نتیجه از طول عمر عایق آن‌ها کاسته شود.
  • ولتاژهای کاری سیستم ممکن است نسبت به مقدار مطلوب خود بالاتر یا پایین‌تر روند، که این موضوع منجر به اثرات مخرب در سرویس‌دهی سیستم قدرت به مشترکان می‌شود.
  • تا زمانی که خطای اتصال کوتاه باقی بماند، پخش توان شدیداً محدود یا متوقف می‌شود.

خطاهای متقارن و نامتقارن

همان‌طور که در بالا گفتیم، خطاها اغلب در دو دسته مدار باز و اتصال کوتاه تقسیم‌بندی می‌شوند که خود می‌توانند متقارن یا نامتقارن باشند. در ادامه، این دو دسته را توضیح می‌دهیم.

خطاهای متقارن

یک خطای متقارن، باعث ایجاد جریان‌های خطای متقارن می‌شود که ۱۲۰ درجه نسبت به هم اختلاف فاز دارند. خطای متقارن، خطای متعادل نیز نامیده می‌شود. این خطا در هرسه فاز به طور همزمان و به صورت اتصال کوتاه رخ می‌دهد. در واقعیت، این خطاها نسبت به خطاهای نامتقارن به ندرت رخ می‌دهند. دو دسته خطا متقارن، خطای خط به خط به خط (L-L-L) و خطای خط به خط به خط به زمین (L-L-L-G) هستند که در شکل زیر نشان داده شده است.

خطای متقارن

سهم وقوع خطای متقارن شدید از کل خطاهای سیستم ۲ تا ۵ درصد است. هرچند، اگر این خطاها رخ دهند، حتی اگر سیستم در وضعیت متعادل باقی بماند، سبب یک آسیب بسیار بزرگ به تجهیزات خواهد شد. تحلیل این نوع خطاها برای انتخاب ظرفیت قطع مدارشکن‌ها، انتخاب رله‌های تنظیم فاز و سایر تجهیزات حفاظتی ضروری است. این خطاها در هر فاز و با استفاده از ماتریس امپدانس شین یا قضیه تونن تحلیل می‌شوند.

خطاهای نامتقارن

رایج‌ترین خطاهایی که در شبکه سیستم قدرت رخ می‌دهند، خطاهای نامتقارن هستند. این نوع خطاها منجر به جریان‌های خطای نامتقارن می‌شوند (اندازه‌های مختلف با جابه‌جایی فاز نابرابر دارند). خطاهای نامتقارن خطای نامتعادل نیز نامیده می‌شوند، زیرا منجر به جریان‌های نامتعادل در سیستم می‌شوند. طبق آنچه در بالا گفتیم، خطاهای نامتقارن شامل هر دو خطای مدار باز (شرایط باز شدن یک فاز یا دو فاز) و خطاهای اتصال کوتاه (به جز L-L-L-G و L-L-L) هستند.

در شکل زیر، سه نوع خطای متقارن نشان داده شده است که به دلیل شرایط اتصال کوتاه رخ می‌دهند.

خطای نامتقارن

خطای خط به زمین (L-G) یکی از رایج‌ترین خطاها و رخدادهایی است که ۷۰ تا ۸۰ درصد خطاهایی که در سیستم قدرت رخ می‌دهند از این نوع هستند. این خطا موجب اتصال کوتاه بین خط و زمین می‌شود و در مقایسه با سایر خطاها خطر کمتری دارد.

خطای خط به خط زمانی رخ می‌دهد که یک هادی حامل جریان با هادی دیگری که حامل جریان است تماس پیدا کند. بادهای شدید اصلی‌ترین عامل این نوع خطا هستند که موجب چرخش خطوط هوایی و برخورد آن‌ها با یکدیگر می‌شود. این نوع خطا خطر کمتری دارد و در ۱۵ تا ۲۰ درصد مواقع نسبت به کل خطاها رخ می‌دهد.

خطاهای نامتقارن با استفاده از روش‌های مؤلفه‌های نامتقارن برای تعیین ولتاژ و جریان در همه بخش‌های سیستم تحلیل می‌شوند. تحلیل این خطاها، در مقایسه با کل خطاهای متقارن، دشوارتر است. این تحلیل برای تعیین اندازه یک مدارشکن جهت مشخص کردن بزرگ‌ترین جریان اتصال کوتاه ضروری است. جریان بزرگ‌تر، معمولاً در هنگام خطای L-G یا L-L اتفاق می‌افتد.

تجهیزات حفاظت در برابر خطا

وقتی خطا در هر بخش از سیستم رخ می‌دهد، باید در زمان بسیار کمی آن را رفع کرد تا از آسیب بزرگ‌تر به تجهیزات و افراد، و نیز از وقفه در برق‌رسانی به مشترکان جلوگیری کرد. سیستم رفع خطا از دستگاه‌های حفاظتی مختلفی، مانند رله‌ها و مدارشکن‌ها برای آشکارسازی و رفع خطا بهره می‌برد. چند مورد از این دستگاه‌های حفاظتی را در ادامه معرفی می‌کنیم.

فیوز

هرجا که خطایی رخ داده باشد، فیوز مدار را باز می‌کند. این تجهیز از یک سیم مسی نازک تشکیل شده است که دورن محفظه‌ای شیشه‌ای قرار دارد.

فیوز

جریان خطا که مقدار زیادی دارد، دمای سیم را بالا برده و آن را ذوب می‌کند. وقتی سیم از بین برود، باید فیوز را به صورت دستی تعویض کرد.

مدارشکن

مدارشکن یا بریکر رایج‌ترین وسیله محافظتی است که می‌تواند مدار را به صورت دستی یا از طریق کنترل از راه دور در شرایط عملیاتی عادی وصل یا قطع کند. مدارشکن‌ها، بسته به ولتاژ‌ کاری‌شان، انواع مختلفی دارند؛ مانند: روغنی، خلأ یا SF6.

مدارشکن

رله

رله‌ها دستگاه‌های تشخیص خطا هستند. این دستگاه‌ها خطا را تشخیص می‌دهند و مدارشکن را به کار می‌اندازند تا مدارِ دارای خطا جدا شود. یک رله از یک پیچه مغناطیسی و کنتاکت‌ها (NC و NO) تشکیل شده است. جریان خطا پیچه را انرژی‌دار کرده و سبب تولید میدان مغناطیسی می‌شود. در نتیجه، کنتاکت‌ها عمل خواهند کرد.

رله

برخی از انواع رله‌ها، عبارتند از: رله اندازه، رله امپدانسی، رله جهتی، رله پیلوت و رله دیفرانسیل.

صاعقه‌گیر

در هنگام برخورد صاعقه با خطوط انتقال و تجهیزات، شوک ناگهانی در شبکه سیستم برق ایجاد می‌شود. این امر باعث ایجاد ولتاژ و جریان زیاد در سیستم خواهد شد. با قرار دادن صاعقه‌گیرها در تجهیزات انتقال، اثرات این صاعقه‌ها دفع می‌شود یا کاهش می‌یابد.
صاعقه گیر

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

بر اساس رای ۲۴ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
ElectronicsHub
۲ دیدگاه برای «انواع خطا در سیستم قدرت — به زبان ساده»

سلام و درود
اگه مرجع هم میزدید عالی میشد

سلام علی عزیز.
مراجع آموزش‌های مجله فرادرس در انتهای هر مطلب ذکر شده‌اند.
سپاس از همراهی‌تان.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *