النسبة المئوية للترحيل التفاضلي Percentage Differential Relay

تعريف المرحل التفاضلي Differential Relay:

المرحل التفاضلي (differential relay)، هو الذي يعمل عندما يكون هناك فرق بين اثنين أو أكثر من الكميات الكهربائية المتشابهة التي تتجاوز قيمة محددة مسبقًا. في دائرة مخطط الترحيل التفاضلي، هناك نوعان من التيارات تأتي من جزأين من دائرة الطاقة الكهربائية. يلتقي هذان التياران عند نقطة تقاطع حيث يتم توصيل ملف الترحيل.

وفقًا لقانون كيرشوف الأول للتيار (Kirchhoff Current)، فإنّ التيار الناتج المتدفق عبر ملف الترحيل ليس سوى تجميع للتيارين، قادمًا من جزأين مختلفين من دائرة الطاقة الكهربائية. إذا تمّ ضبط قطبية وسعة كلا التيارين بحيث يكون مجموع الطور لهذين التيارين يساوي “صفرًا” في حالة التشغيل العادية. وبالتالي لن يكون هناك تيار يتدفق عبر ملف الترحيل في ظروف التشغيل العادية. ولكن بسبب أي خلل في دائرة الطاقة، إذا تم كسر هذا التوازن، فهذا يعني أنّ مجموع الطور لهذين التيارين لم يعد صفراً وسيكون هناك تيار غير صفري يتدفق عبر ملف الترحيل وبالتالي يتم تشغيل الترحيل.

شرح المرحل التفاضلي:

في مخطط التيار التفاضلي، هناك مجموعتان من محولات التيار متصلة بأي من جانبي الجهاز المحمي بواسطة مرحل تفاضلي. يتم اختيار نسبة محولات التيار، بحيث تتطابق التيارات الثانوية لكل من محولات التيار مع بعضها البعض في الحجم. إنّ أقطاب محولات التيار (current transformers) تجعل التيار الثانوي لهذه المحولات يتعارض مع بعضها البعض. يتضح من الدائرة أنّه فقط إذا تمّ إنشاء أي فرق غير صفري بين هذا وبين التيارات الثانوية، فإنّ هذا التيار التفاضلي فقط سوف يتدفق عبر ملف التشغيل الخاص بالمرحل.

إذا كان هذا الاختلاف أكبر من قيمة ذروة المرحل، فسيتم تشغيله لفتح قواطع الدائرة لعزل المعدات المحميّة عن النظام. ينجذب عنصر الترحيل المستخدم في الترحيل التفاضلي إلى نوع المحرك على الفور، حيث يتم تكييف المخطط التفاضلي فقط لإزالة الخطأ داخل المعدات المحمية، بمعنى آخر، يجب أن يزيل المرحل التفاضلي فقط الخطأ الداخلي للمعدات ومن ثمّ يجب عزل المعدات المحمية في أقرب وقت كأي خطأ حدث داخل الجهاز نفسه. لا يلزم أن يكون هناك أي تأخير زمني للتنسيق مع المرحلات الأخرى في النظام.

أنواع المرحلات التفاضلية Types of Differential Relay:

هناك نوعان أساسيان من الترحيل التفاضلي اعتمادًا على مبدأ التشغيل:

• المرحل التفاضلي للتيار المتعادل (Current Balance Differential Relay). 

• المرحل التفاضلي للجهد المتعادل (Voltage Balance Differential Relay). 

شرح أنواع المرحلات التفاضلية:

في المرحل التفاضلي للتيار، يتم تركيب محولين للتيار على جانبي الجهاز المراد حمايته. ترتبط الدوائر الثانوية من (CT) في سلسلة “على التوالي” بطريقة تنقل تيار (CT) الثانوي في نفس الاتجاه. يتم توصيل ملف التشغيل لعنصر الترحيل عبر الدائرة الثانوية (CT). في ظل ظروف التشغيل العادية، تحمل المعدات المحمية “إمّا محول طاقة أو مولد تيار متردد” تيارًا عاديًا. في هذه الحالة، لنفترض أنّ التيار الثانوي لـ (CT1) هو (I1) والتيار الثانوي لـ (CT2) هو (I2). من الواضح أيضًا من الدائرة أنّ التيار الذي يمر عبر ملف الترحيل ليس سوى (I1-I2).

كما قلنا سابقًا، يتم اختيار نسبة محول التيار والقطبية، (I1 = I2)، وبالتالي لن يكون هناك تيار يتدفق عبر ملف الترحيل. الآن في حالة حدوث أي خطأ في المنطقة الخارجية للمنطقة التي تغطيها (CT)، يمر التيار الخاطئ من خلال محولات التيار لكل من محولات التيار وبالتالي تظل التيارات الثانوية لكل محولات التيار كما هي في حالة ظروف التشغيل العادية. لذلك في هذه الحالة لن يتم تشغيل المرحل. ولكن في حالة حدوث أي عطل أرضي داخل المعدات المحمية كما هو موضح، لن يكون هناك تيارات ثانوية متساوية. في هذه الحالة، يتم تشغيل المرحل التفاضلي لعزل المعدات الخاطئة “المحول أو المولد” من النظام.

عيوب المرحل التفاضلي:

يعاني هذا النوع من أنظمة الترحيل بشكل أساسي من بعض العيوب:

• قد يكون هناك احتمال عدم تطابق في مقاومة الكبل من (CT) الثانوي إلى لوحة الترحيل عن بُعد.

• تتسبب سعة كابلات الدليل هذه في تشغيل غير صحيح للمرحل عندما يحدث خطأ كبير خارج الجهاز.

• لا يمكن تحقيق المطابقة الدقيقة لخصائص محولات التيار، وبالتالي قد يكون هناك تيار متدفق عبر المرحل في ظروف التشغيل العادية.

النسبة المئوية للترحيل التفاضلي Percentage Differential Relay:

تمّ تصميم هذا للاستجابة للتيار التفاضلي في مصطلح علاقته الجزئية بالتيار المتدفق عبر القسم المحمي. في هذا النوع من الترحيل، توجد ملفات تقييد بالإضافة إلى ملف التشغيل الخاص بالمرحل. تنتج ملفات التقييد عزم دوران مقابل عزم الدوران التشغيلي. في ظل الظروف العادية ومن خلال الأعطال، يكون عزم الدوران المقيد أكبر من عزم الدوران التشغيلي. وبالتالي يبقى المرحل غير نشط. عند حدوث خطأ داخلي، تتجاوز قوة التشغيل قوة التحيز وبالتالي يتم تشغيل المرحل.

يمكن ضبط قوة التحيز هذه عن طريق تغيير عدد الدورات على ملفات التقييد. على سبيل المثال، إذا كان (I1) هو التيار الثانوي لـ (CT1) و(I2) هو التيار الثانوي لـ (CT2)، فإنّ التيار من خلال ملف التشغيل هو (I1 – I2) والتيار من خلال ملف التقييد هو ((I1 + I2) / 2). في الحالة العادية ومن خلال حالة العطل، يكون عزم الدوران الناتج عن ملفات التقييد بسبب التيار ((I1 + I2) / 2) أكبر من عزم الدوران الناتج عن ملف التشغيل بسبب التيار (I1 – I2) ولكن في حالة خلل داخلي تصبح هذه الأمور معاكسة. ويتم تعريف إعداد التحيز على أنّه نسبة (I1– I2) إلى ((I1 + I2) / 2):

يتضح من الشرح أعلاه أنّه كلما زاد التيار المتدفق عبر ملفات التقييد، زادت قيمة التيار المطلوب لتشغيل ملف التشغيل. يُطلق على المرحل النسبة المئوية للمرحل لأنّه يمكن التعبير عن تيار التشغيل المطلوب للترحيل كنسبة مئوية من خلال التيار.

نسبة CT والاتصال للترحيل التفاضلي CT Ratio and Connection for Differential Relay:

قاعدة الإبهام البسيطة هذه هي أنّ محولات التيار على أي لف نجمي يجب أن تكون متصلة بطريقة دلتا (delta) وأنّ محولات التيار في أي لف دلتا يجب أن تكون متصلة بطريقة النجمة (star). يتم ذلك للتخلص من تيار التسلسل الصفري في دائرة الترحيل. إذا كانت (CTs) متصلة بطريقة النجمة، فستكون نسبة (CT):

I_n/1 or 5 A

سيتم توصيل (CTs) بطريقة دلتا، ستكون نسبة (CT):

I_n/0.5775 or 5×0.5775 A

المرحل التفاضلي للجهد المتعادل Voltage Balance Differential Relay:

في هذا الترتيب، يتم توصيل محول التيار بأي من جانبي الجهاز بطريقة تجعل (EMF) المستحثة في المرحلة الثانوية لكلا محولي التيار يعارضان بعضهما البعض. هذا يعني أنّ المحولات الثانوية لمحولات التيار من كلا جانبي الجهاز متصلة في سلسلة بقطبية معاكسة. يتم إدخال ملف الترحيل التفاضلي في مكان ما في الحلقة التي تمّ إنشاؤها عن طريق توصيل سلسلة من المحولات الثانوية للتيار.

في ظروف التشغيل العادية وأيضًا من خلال ظروف الخطأ، تكون المجالات الكهرومغناطيسية المستحثّة في كل من (CT) الثانوية متساوية ومعاكسة لبعضها البعض، وبالتالي لن يكون هناك تيار يتدفق عبر ملف الترحيل. ولكن بمجرد حدوث أي عطل داخلي في الجهاز الخاضع للحماية، لم تعد هذه المجالات الكهرومغناطيسية متوازنة ومن ثمّ يبدأ التيار في التدفق عبر ملف الترحيل وبالتالي يقوم برحلات قاطع الدائرة (circuit breaker).