عملکرد رله دیستانس در خطوط انتقال (برق قدرت)

اصول کار رله‌های دیستانس:
رله های دیستانس صرف نظر از انواع مختلف آنها بر مبنای اندازه گیری فاصله الکتریکی رله تا محل خطا کار می کنند. در مواقعی که حداقل جریان خطا قابل مقایسه با جریان بار باشد، این رله ها کاربرد وسیعی پیدا می کنند و این از آنجا ناشی می شود که رله های دیستانس به جریان حساس نیستند، بلکه امپدانس ظاهری (فاصله الکتریکی) تا محل خطا را می سنجند. رله های دیستانس دارای یک امپدانس داخلی به نام امپدانس تنظیم رله می باشند. این امپدانس (Z0) برابر امپدانس قسمتی از خط است که رله باید آن قسمت را مورد حفاظت قرار دهد.

-ساختمان رله دیستانس:
این رله با دو عنصر ولتاژ و جریان سروکار دارد و نسبت این دو پارامتر را می سنجد. یعنی در اصل از دو ترانس ولتاژ و جریان تشکیل شده است. به طور کلی می توان گفت که یک رله دیستانس از قسمتهای زیر تشکیل شده است: 
1- عضو تحریک کننده 2- عضو سنجشی رله دیستانس (عضو زمانی) 3- عضو جهت یاب 4- تعداد زیادی رله کمکی
طرز کار بدین صورت است که از سیم پیچ عمل کننده  جریانی متناسب با جریان اتصال کوتاه می گذرد و هنگامیکه جریان خطا به یک آستانه رسید، این سیم پیچ تحریک شده و کنتاکتهای مربوطه را به هم وصل می کند در نتیجه رله عمل کرده و مدار قطع می گردد و در ضمن سیم پیچی که سیم پیچی بازدارنده نام دارد نیروی مقاوم یا نیروی بازدارنده را تولید می کند و باعث تولید گشتاور در خلاف جهت گشتاور حاصل از سیم پیچ عمل کننده می گردد. لذا هر چه ولتاژ بیشتر باشد یا نقطه اتصال کوتاه از رله دورتر باشد نیروی سیم پیچ بازدارنده بیشتر شده و در اصل مقاومت ظاهری خط تا نقطه اتصالی بیشتر می شود.
به طور کلی در یک رله دیستانس از یک تحریک جریان زیاد و یک تحریک ولتاژ کم و در نتیجه از تحریک توسط امپدانس کم استفاده می شود. در تحریک توسط جریان زیاد از یک رله جریان زیاد که برای 0.8 تا 2 برابر جریان نامی ترانسفورماتور جریان قابل تنظیم است، استفاده می شود و می توان با توجه به نوع شبکه، در مواقعی که نقطه صفر ستاره آن ایزوله باشد، از دو رله استفاده کرد. در مواقعی که شبکه مستقیما به زمین وصل شده باشد از سه رله استفاده می کنند، البته رله سوم، رله اتصال زمین می باشد. تحریک توسط رله های جریان زیاد در شبکه هایی قابل استفاده است که حداقل جریان اتصال کوتاه فازی از ماکزیمم جریان کار عادی و نرمال شبکه بیشتر باشد. ولی در تحریک توسط امپدانس کم نباید حداقل جریان اتصال کوتاه از ماکزیمم جریان عادی شبکه بیشتر شود. تحریک کننده امپدانس کم نسبت ولتا‍ژ و جریان را می سنجد.
-انواع رله های دیستانس:
رله های دیستانس با توجه به «امپدانس تنظیم» عمل می کنند. این امپدانس مقداری مختلط است در نتیجه دارای دامنه و فاز خواهد بود. با توجه به این موضوع می توان محدوده عملکرد رله ها را در صفحه مختلط R-X توسط یک منحنی بیان نمود.
یک رله دیستانس با هر نوع منحنی مشخصه ای دارای سه ناحیه حفاظتی می باشد. در ناحیه 1 معمولا امپدانس معادل 80 % خط اول (خط اصلی) تنظیم می شود و زمان عملکرد آن خیلی سریع یعنی حدود 0.01 ثانیه است و به عنوان حفاظت اصلی خط به کار می رود. علت اینکه کل خط اصلی به عنوان ناحیه اول انتخاب نمی شود آن است که به واسطه خطاهای ناشی از ترانسفورماتور جریان به عنوان تنظیم ناحیه اول انتخاب نمی شود آنست که به واسطه خطاهای ناشی از ترانسفورماتور جریان یا ولتاژ عملکرد این رله با رله روی خط بعدی همزمان نباشد.
امپدانس تنظیم ناحیه دوم رله معمولا برابر کل امپدانس خط اصلی به اضافه حدود 50% امپدانس خط بعدی است و زمان عملکرد آن حدود 0.4 ثانیه است. ناحیه سوم رله دیستانس دارای امپدانس تنظیمی برابر کل خط به اضافه کل خط دوم به علاوه حدود 25% خط سوم است. بدیهی است زمان عملکرد این ناحیه حدود 0.8 ثانیه است.در زیر انواع مختلف مشخصه ها را مختصرا ذکر می کنیم:

1- رله دیستانس با مشخصه امپدانسی یا تخت
این رله ساده ترین رله از نظر ساختمان و عملکرد می باشد. مشخصه این رله دایره ای است که مرکز آن مبدا مختصات و شعاع آن به اندازه قدر مطلق امپدانس تنظیم آن (ZS) می باشد.  در این شکل زاویه امپدانس خط AB است. این رله فقط به دامنه امپدانس رله تا محل خطا حساس است و برای خطاهاییکه قدر مطلق امپدانس رله تا آن خطا کمتر از l ZS l باشند صرفنظر از جهت جریان خطا عمل می کند.
با توجه به شکل رله برای خطاهای AB (در جهت دید رله ) و BC (در پشت سر رله) عمل می نماید که این عملکرد بزرگترین عیب این رله است زیرا همانند رله های غیر جهت دار عمل می کند. از اینرو هماهنگی این رله ها با یکدیگر مشکل و در بعضی موارد غیر ممکن است به همین دلیل این رله را هیچگاه به تنهایی مورد استفاده قرار نمی دهند و همواره به همراه رله های دیگر که در ادامه شرح داده می شود از آن استفاده می گردد. معادله این رله عبارت است از Z= l ZS l ؛ این معادله دایره ای است .
برای آنکه بتوان این رله را به تنهایی مورد استفاده قرار داد باید آنرا جهت دار کرد. برای اینکار باید محدوده عملکرد این رله را تا حد ممکن در ناحیه اول مختصات قرار دهیم. بهترین زاویه مشخصه المان جهت دار با امپدانس تنظیمی خط مورد حفاظت در حدود 90 درجه می باشد.( مشخصه رله امپدانسی جهت دار )

معایب این رله را میتوان در موارد زیر خلاصه نمود:
1- این رله جهت خطا را تشخیص نمی دهد و در نتیجه استفاده از یک المان جهت دار در آن ضروری است.
2- این رله بر اثر مقاومت قوس محل خهطا می تواند عملکرد اشتباه داشته باشد، زیرا بر اثر مقاومت قوس، بردار امپدانس خطا در روی محور R ها در جهت مثبت کشیده می شود و با این کار ممکن است خطا از محدوده عمل این رله خارج شود.
3- به علت پوشانده شدن محدوده وسیعی از صفحه مختلط توسط مشخصه این رله، عملکرد آن به مقدار زیادی به نوسانات قدرت حساس است. به عبارت دیگر مکان هندسی امپدانس بهنگام نوسانات قدرت پایدار (قابل برگشت به وضع عادی) داخل مشخصه عملکرد رله قرار می گیرد و سبب عملکرد رله می شود.
4- رله دیستانس با مشخصه افست مهو
همانطور که از مشخصه این رله پیداست، علاوه بر در بر گرفتن خط مورد حفاظت در جهت دید خود، قسمتی از خط پشت سر خود را نیز می پوشاند. مشخصه افست (قسمتی که پشت سر خود را می بیند) معمولا برای هنگامی استفاده می شود که رله می خواهد پشت سر خود را نیز ببیند و آن وقتی است که مثلا رله اصلی شینه عمل نکرده است و این رله به عنوان پشتیبان برای ناحیه پشت سر خود عمل می کند. بنابراین لازم است فقط ناحیه سوم رله دارای افست باشد.
5- رله دیستانس با مشخصه راکتانسی
مشخصه این رله یک خط مستقیم موازی با محور افقی است که دارای راکتانس ثابتی می باشد و در صورتیکه راکتانس محل وقوع خطا تا رله کمتر از رآکتانس تنظیمی باشد، رله عمل خواهد کرد. به علت وجود مشخصه خاص این رله فقط حساس به راکتانس بوده و مقاومت خطا روی آن هیچگونه اثری ندارد. رله به صورت معمولی آن برای تمام خطاهای پشت سر خود و حتی برای شرایط کار نرمال و نوسان قدرت عمل خواهد کرد. در واقع این رله برای محدود کردن گستره عملکرد رله های دیگر نظیر رله امپدانسی بکار می رود. معادله این رله X=XS=Cte می باشد؛ X راکتانس امپدانس خطا و XS راکتانس امپدانس تنظیم رله است. منحنی مشخصه رله راکتانسی  می باشد و تنظیم رله متناسب با راکتانس درصد پوشش خط (XS ) است. در اینجا اگر راکتانس دیده شده به وسیله رله کمتر از XS باشد، رله عمل می کند و اگر بیشتر از آن باشد، رله عمل نخواهد کرد. همانطور که از مشخصه این رله استنباط می شود افزایش مقاومت دیده شده خطا، تاثیری در عملکرد رله نخواهد داشت. افزایش مقدار مقاومت باعث می شود که انتهای بردار امپدانس، انتقال پیدا کند و در نتیجه باز هم در ناحیه عملکرد رله قرار می گیرد. به همین دلیل این رله نسبت به مقاومت خط یا اثر مقاومت جرقه حساس نمی باشد.
6- رله دیستانس با مشخصه اهمی
مشخصه این رله یک خط مستقیم می باشد که ضریب زاویه آن می تواند تغییر کند. همانند رله رآکتانسی این رله به تنهایی به کار نمی رود بلکه برای محدود کردن مشخصه دیگر رله ها به کار برده می شود

پژوهشگر و نویسنده:  دکتر (  افشین رشید )