متناسب با خطا های محتمل و نیز قدرت نامی طرح های حفاظت ترانسفورماتور طراحی می شوند.

طرح های حفاظت الکتریکی: سنجش پارامتر های الکتریکی در هنگام بروز خطا

• حفاظت اضافه شار یا ولت به هرتز
• حفاظت زمین شدن تانک یا هسته
• حفاظت های جریانی
• حفاظت دیفرانسیل

طرح های حفاظت مکانیکی: سنجش سرعت گاز یا سیال هنگام خطا

• دستگاه فشار شکن
• رله افزایش سریع فشار
• رله بوخهلتس

حفاظت اضافه شار یا ولت به هرتز

اگر شار حالت ماندگار سینوسی از شار اشباع هسته فراتر رود آنگاه این اضافه شار می تواند باعث داغ شدن مجموعه ترانسفورماتور و آسیب عایق و هسته شود. یک مشخصه زمان معکوس برای سطح هشدار و یک مشخصه زمان معین برای سطح تریپ بکار می رود .

حفاظت های جریانی

ترانسفورماتورهای با قدرت زیر 2500 KvA توسط فیوز حفاظت می شوند. ترانسفورماتور ها با قدرت بین 2500 KvA و 5000 KvA توسط رله های اضافه جریان آنی یا تاخیر دار حفاظت می شوند .ترانسفورماتور ها با قدرت 5000 KvA توسط طرح های حفاظت دیفرانسیل و رله های جریانی حفاظت می شوند. از طریف فیوز برای ترانسفورماتور ها با قدرت پایین و رله های اضافه جریان برای قدرت های بالاتر استفاده می شود .حفاظت اضافه جریان را می توان برای خطا های داخلی ترانسفورماتور بکار برد. خطا های داخلی می تواند باعث آسیب سیم پیچ ها و عایق ترانسفورماتور شود .

حفاظت اضافه جریان از طریق رله های اضافه جریان زمان معکوس یا آنی و یا فیوز انجام می پذیرد .فیوز را می توان در سمت اولیه ترانسفورماتور های کوچک بکار برد. جریان نامی فیوز باید بالاتر از حدود ۱۵0 درصد جریان بار حداکثر باشد.

جریان هجومی ترانسفورماتور که در هنگام کلیدزنی یا برق دار نمودن ترانسفورماتور ایجاد می شود نباید باعث عملکرد فیوز شود. کات اوت فیوز که در اولیه ترانسفورماتور های توزیع بکار می رود نمونه ای از این نوع فیوز ها است.

هدف از این حفاظت، آشکار سازی جریان های ناشی از اضافه بار طولانی مدت روی ترانسفورماتور است. جریان تنظیمی رله باید دست کم ۱۱۵ درصد جریان بار حداکثر باشد. در استفاده از رله های اضافه جریان آنی، مهم ترین مانع جریان هجومی ترانسفورماتور است که باید به نحومناسب از جریان خطا تمایز داده شود .

حفاظت دیفرانسیل

اگر خطایی در ناحیه محدود به دو سیم پیچ رخ دهد، آنگاه اختلاف جریان اولیه و ثانویه از یک حد مشخص بیشتر شده و رله عمل می کند. رله دیفرانسیل، رله حساسی است که بر اساس اختلاف جریان وارد شده به آن عمل می کند. حفاظت اصلی ترانسفورماتور و ژنراتور در برابر خطا های داخلی بر مبنای حفاظت دیفرانسیل است.

حفاظت دیفرانسیل درصدی

به دلیل وجود خطا در ترانس های جریان در طرفین و سایر عوامل خطا مانند وجود تپ چنجر در یک طرف ترانسفورماتور تحت شرایط نرمال و غیر خطا و یا خطا های خارج از ناحیه ترانسفورماتور یک جریان حداقل از رله دیفرانسیل عبور خواهد کرد. در این حالت برای جلوگیری از عملکرد رله در برابر این شرایط از یک جریان بنام جریان نگهدارنده ) 𝐼𝑟 ( یا مقاوم و یک جریان به عنوان جریان عمل کننده ) 𝐼𝑑 ( در طرح دیفرانسیل استفاده می شود که به آن طرح حفاظت دیفرانسیل درصدی گفته می شود .

شرط عملکرد رله این است که جریان دیفرانسیل از یک درصد مشخصی از جریان نگهدارنده بالاتر رود . K شیب مشخصه بوده و می تواند مقادیری مانند 20 تا 40 درصد باشد.

عوامل ایجاد خطا در حفاظت دیفرانسیل درصدی

1. جریان هجومی ترانسفورماتور (Inrush Current)

این جریان به دلیل مشخصه غیر خطی هسته ترانسفورماتور و البته لحظه کلید زنی به وجود می آید. تفاوت این جریان با جریان خطا در این است که مولفه هارمونیک دوم آن قابل توجه است. لذا از این طریق می توان برای تمایز آن از جریان خطا استفاده کرد. البته می توان با تشخیص زمان خاموش بودن ترانسفورماتور و برق دار شدن آن نیز جریان هجومی را تشخیص داد.

2. اشباع ترانسفورماتور جریان ( CT Saturation )

تحت جریان های اتصال کوتاه بیرون از ناحیه ترانسفورماتور ممکن است CT به اشباع برود. اگر CT یک طرف به اشباع برود آنگاه جریان های ثانویه متفاوت بوده و لذا ممکن است رله دیفرانسیل به اشتباه عمل کند. راهکار غلبه بر این مشکل پیدا کردن بدترین شرایط خطا و لحاظ نمودن آن در منحنی رله دیفرانسیل است.

جریان هجومی ترانسفورماتور

وقتی که یک ترانسفورماتور بدون برق می شود، جریان مغناطیس کننده و یا جریان تحریک گذرایی در سیستم جاری می شود که به آن جریان هجومی ترانسفورماتور می گویند. این جریان گذرای هجومی می تواند به عنوان یک خطای داخلی در ترانسفورماتور توسط رله دیفرانسیل تشخیص داده شود. دامنه این جریان می تواند به ( 8 تا 25 برابر جریان نامی ترانسفورماتور) بسته به قدرت ترانسفورماتور و ابعاد آن برسد.

فاکتور هایی که بر روی دامنه و مدت زمان تداوم جریان هجومی تاثیر می گذارند عبارتند از:

1. قدرت و ابعاد اکتیوپارت ترانسفورماتور
2. قدرت سیستم
3. مقاومت اهمی مدار و سیستم
4. نوع ورق هسته استفاده شده در ترانسفورماتور
5.  پسماند هسته
6. نحوه برق دار شدن ترانسفورماتور

شکل زیر جریان هجومی را برای یک ترانسفورماتور شبکه که اندازه گیری شده است، نشان می دهد.

وقتی که یک ترانسفورماتور بدون برق می شود، جریان آن صفر می گردد اما شار در هسته صفر نمی شود و مقدار ان در هسته به 𝑅𝜑 می رسد. اگر ترانسفورماتور دو مرتبه برق دار شود چنانچه در نقطه ای از شکل موج که معادل شار پس ماند هسته است، عمل تحریک ترانسفورماتور انجام شود، جریان هجومی در ترانسفورماتور وجود نخواهد داشت. هر چند در عمل کنترل لحظه کلید زنی عملا” غیرممکن است و در هر صورت حالت گذرا در شکل موج جریان وجود خواهد داشت.

اگر ترانسفورماتور در لحظه ای که شار در حداکثر مقدار منفی خود می باشد ) −𝜑𝑀𝑎𝑥 ( برق دار شود، از آنجایی که شار پسماند مقدار مثبت Max دارد و شار در هسته نمی تواند به یکباره و آنا” تغیر مقدار بدهد، بجای شروع از مقدار −𝜑𝑀𝑎𝑥 ، از مقدار 𝑅𝜑 شروع و منحنی 𝜑𝑡 را دنبال خواهد کرد . شکل موج 𝜑 ترانسفورماتور برای دامنه معینی از شار و اندوکسیون در هسته آن طراحی شده است ولی غیر سینوسی است .پس 𝜑𝑡 با این شکل موج Super Saturation را به وجود می آورد و باعث یک پیک در شکل موج جریان می شود .

شکل موج جریان هنگام بروز خطا داخلی و خارجی

کاربرد حفاظت دیفرانسیل همراه با مسائلی است که باید در نظر گرفته شوند :

1. کلید تنظیم ولتاژ و درصد تنظیم ولتاژ
2. نسبت تبدیل ترانسفورماتور های جریان
3. گروه برداری سیم پیچ ها و اختلاف °30در ولتاژ فاز در اتصال ستاره – مثلث
4. جریان مغناطیسی کننده و جریان هجومی

از آنجایی که رله دیفرانسیل جریان هجومی را به عنوان خطای داخلی در نظر می گیرد، چند روش برای تشخیص بین جریان هجومی و جریان خطا وجود دارد :

• کاهش حساسیت رله به شکل موج های جریان که دارای offset dc هستند
• تشخیص هارمونیک دوم
• غیر فعال کردن رله دیفرانسیل در پروسه برق دار کردن ترانسفورماتور
• تاخیر زمانی

حفاظت دیفرانسیل نباید در شرایط زیر عمل نماید:

1. در صورتی که خطا در خارج از ترانسفورماتور اتفاق بیافتد.
2. در صورت اختلاف جریان اولیه و ثانویه در صورت تغیر tap

حفاظت دیفرانسیل ترانسفورماتور سه فاز

• نوع اتصال سیم پیچ مثلث یا ستاره بودن تاثیر مهمی در طرح حفاظتی دارد .
• جریان های اولیه و ثانویه در حالت عادی و غیر خطا هم از نظر دامنه و هم از نظر فاز بسته به نوع اتصال فرق دارند لذا برای عملکرد درست رله تحت شرایط عادی جریان های ثانویه ورودی به رله از هر دو طرف باید از نظر فاز و دامنه یکسان باشند.
• طبق استاندارد فرض می شود که کمیت های سمت فشار قوی از کمیت های همنام در سمت فشار ضعیف 30 درجه الکتریکی جلوتر هستند.

• می توان اختلاف فاز های به وجود آمده را با اتصال مناسب CT ها جبران نمود .
• اتصال ستاره – مثلث در ترانسفورماتور قدرت باعث اختلاف فاز 30 درجه در حالت عادی (بدون وقوع خطای الکتریکی) بین کمیت های مربوطه در اولیه و ثانویه خواهد شد لذا باید قبل از ورود این جریان ها به رله دیفرانسیل، این جریان ها را از نظر اختلاف فاز یکسان نمود. با اتصال ستاره می توان جریان های ثانویه ورودی به رله دیفرانسیل را از نظر اختلاف فاز یکسان نمود. همچنین برای یکسان نمودن CT  مثلث جریان های ثانویه ورودی به رله از نظر دامنه یا فاز می توان در رله های الکترومکانیکی و استاتیکی از ترانس های جریان کمکی )ترانس های کوچکی که قبل از رله و در همان تابلویی که رله نصب می شود، قرار می گیرند( یا Interposing Current Transformer استفاده نمود. در رله های دیجیتالی نیازی به این اتصالات نیست.

حفاظت خطای زمین محدود شده برای سمت ستاره ترانسفورماتور سه فاز

در این حالت طرح حفاظتی نشان داده شده فقط برای خطا های فاز – زمین در محدوده سیم پیچ ترانسفورماتور پاسخ می دهد. برای خطا های خارج از محدوده سیم پیچ چون CT سمت نوترال و برای این سه CT سمت دیگر یک جریان را می بینند لذا رله عمل نمی کند.

حفاظت ترکیبی دیفرانسیل و خطای زمین محدود شده

در این حالت حفاظت دیفرانسیل سه فاز مشابه قبل انجام می شود .حفاظت خطای زمین در سمت ستاره مانند قبل بوده و در واقع از ثانویه CT های مربوط به حفاظت دیفرانسیل فاز تغذیه می شوند. در واقع فرض شده که جریان نوترال سمت ستاره و نیز جریان هر یک از سه فاز روی یک هسته مغناطیسی اعمال شده و به عبارت دیگر اختلاف مجموع جریان سه فاز و نیز جریان نوترال به یک رله دیفرانسیل داده می شود. لذا برای خطا های زمین در بیرون سیم پیچ، جمع جریان هر سه فاز و نیز جریان مسیر نوترال یکسان بوده و عملا جریانی در رله جریانی موجود در ثانویه CT ایجاد نمی شود. اگر خطا داخل باشد این جریان ها فرق کرده و لذا رله عمل خواهد کرد.

حفاظت ترکیبی دیفرانسیل و خطای زمین محدودشد ه با استفاده ا ز تران س های کمکی

ICT یا ترانس های نسبت دور برای خنثی کردن اختلاف فاز 30 درجه و نیزاستفاده به عنوان حفاظت خطای زمین محدود شده است.

حفاظت ترکیبی دیفرانسیل و خطای زمین محد ود شده درحضور ترانسفورماتور زمین