اصول ساختمانی رله های حفاظتی
رله ها در ولتاژ و جریان بالا کار نمی کنند و ولتاژ و جریان ناشی از اتصال کوتاه توسط وسایلی مانند ترانسفورماتور ولتاژ((P.T و جریان((C.T تبدیل به مقدار کمتری می شوند و رله ها باآن ولتاژ و جریان کم کار می کنند.به لحاظ نوع حفاظت لازم است ازC.Tها یاP.Tها یا ترکیبی از این دو استفاده شود.در اینجا به اصول ساختمانی انواع رله ها که طبیعتاً رله جریان زیاد نیز جزو آنهاست پرداخته می شود.

الف)رله های جریانی: این رله ها دریک مقدار مشخص جریان(تنظیم جریانی) که قبلا معین شده است کار می کنند.رله های جریانی شامل رله های جریان زیاد و جریان کم هستند.
ب)رله های ولتاژی:این رله ها در یک مقدار مشخصی از ولتاژ(تنظیم ولتاژی)که قبلا معین شده است شروع به کار می کنند.رله های ولتاژی نیز همانند رله های جریانی به رله های ولتاژ زیاد و رله های ولتاژ کم تقسیم می شوند.
ج)رله های توان:این رله ها براساس یک میزانی از قدرت عمل می کنند.رله های توان به دو دسته قدرت کم و قدرت زیاد تقسیم می شوند.
د)رله های جهت دار:
-جریان متناوب:این رله ها بر اساس ارتباط زاویه فاز بین کمیت های آن عمل می کنند.
-جریان مستقیم:رله های جهت دار براساس جهت جریان عمل کرده و معمولا رل های با مغناطیس دایم و سیم پیچ متحرک هستند.
ه)رله های فرکانسی:رله های فرکانسی براساس فرکانس از قبل تعیین شده عمل می نمایند.این رله ها شامل کم و فرکانس زیاد هستند.
و)رله های حرارتی:رله های حرارتی بعنوان عناصر حفاظتی در یک درجه حرارت تعیین شده عمل می نمایند.
ز)رله های تفاضلی:عملکرد این رله ها براساس تفاضل مقداری یا برداری دو کمیت همچون جریان الکتریکی یا ولتاژ استوار است.
ح)رله های دیستانس:رله های دیستانس بر طبق فاصله بین ترانسفورماتورهای حفاظتی و خطاعمل می کنند.به عبارت دیگر فاصله به کمیتهایی چون مقاومت ، راکتانس یا امپدانس، تبدیل شده و اندازه گیری می شود.
رله زمانی (تایمر)و انواع آن

یکی از وسایل فرمان دهنده مدار های کنترل اتوماتیک ،تایمر ها یا رله های زمانی هستنند که وظیفه کنترل مدار را برای مدت زمان معینی بر عهده دارند.اصول کار رله ها همانند کنتاکتور ها است با این تفاوت که در رله ها:1-تمام کنتاکت ها از لحاظ فرم ظاهری شبیه هم هستنند و در مدار های فرمان شرکت می کنند .2-کنتاکت ها بنا به مقتضیات کار ممکن است به طور لحظه ای یا با تاخیر زمانی قطع و وصل شوند . در این صورت نام رله ،رله لحظه ای یا رله با تاخیر زمانی خواهد بود.3-رله ها همچنین ممکن است دارای کنتاکت های لحظه ای یا با تاخیر زمانی باشند.البته منظور از تاخیر زمانی فاصله زمانی است که بین عمل کنتاکت (اعم از باز شدن یا بسته شدن) از لحظه اتصال سیم پیچ رله به ولتاژ به وجود می آید.تا کنون در صنعت برق رله های زیادی ساخته شده اند که مشخصات مختلفی داشته و هر یک برای کار بخصوصی مورد استفاده قرار می گیرند.برای مثال در انتقال انرژی و حفاظت خطوط ،از یک رله خاص استفاده می کنند.یک جور رله دیگر که مشخصات بخصوص دیگری دارد در صنعت نساجی و رله دیگر در جای دیگر....

1-رله زمانی موتوری یا الکترو مکانیکی

این رله بر اساس ساعتی کار میکند که محرک چرخ دنده های آن موتور آسنکرو سنکرو و بیشتر موتور با قطب چاکدار است می باشد.اصول کار آن به این صورت است که دور موتور توسط یک سیستم چرخ دنده کاهش می یابد بطوری که در نهایت ،آخرین چرخ دنده کنتاکت را خیلی به آرامی با یا بسته می کند. زمان شروع رله از لحظه راه اندازی موتور محسوب می شود.توسط این رله می توان زمان هایی از حدود ثانیه تا حدود ساعت ،و حتی روز و هفته تنظیم نمود.محل دیسک در لحظه شروع به کار ،قابل تنظیم است و پس از تنظیم زمان آن (توسط زایده خارجی) و تغذیه تایمر ،موتور با دور ثابت به حرکت در می آید و با گردش موتور ،زمان تایمر شروع می شود. پس از گردش ،به علت برخورد با زایده دیسک ،متوقف می شود و به میکرو سویچ داخلی فرمان می دهد و کنتاکت های تایمر عمل می کنند و به طور اتوماتیک قطع می شوند و موتور یا هر وسیلهء دیگر از کار می افتد.البته رله های جدیدی است که هنگام عمل کنتاکت بازی را بسته و کنتاکت بسته ای را باز می کند و می توان موتوری را خاموش یا روشن کرد یا نیرو را از مو توری به موتور دیگر انتقال داد .

2-رله زمانی الکترونیکی

از تایمر های الکترونیکی برای تنظیم زمان های کمتر از ثانیه تا چندین ثانیه استفاده می شود. در ساختمان این تایمر ها ،از مدار ها و اجزای الکترونیکی استفاده می شود.در در نوعی از این تایمر ها با شارژ و دشارژ شدن یک خازن بوبین یک رله کوچک تحریک می شود. اصول ساختمان رله الکترونیکی بر مبنای مدار RC (خازن و مقاومت)و بر حسب تاخیر زمانی استوار است .تنظیم این نوع تایمر ها بستگی به مقاومت سر راه خازن دارد.در ساده ترین نوع تایمر الکترونیکی در تایمر نوع خازنی ،رله هنگامی وصل می شود که خازن شارژ بشود و ولتاژ دوسر آن برابر ولتاژ وصل رله گردد.پس از وصل رله ،با ذخیره شدن در خازن روی مقاومتی که توسط کنتاکت باز رله به دو سر خازن وصل می شود تخلیه می گردد.در این نوع با تعغیر ظرفیت خازن می توان زمان تایمر را تنظیم کرد.

3-رله زمانی نیو ماتیکی

در این رله ا خاصیت ذخیره سازی و فشردگی هوا استفاده می شود .به این ترتیب که رله هنگام رها شدن،خیلی راحت رها می شود.وقتی که بوبین تحریک قسمت متحرک را جذب می کند ،اهرم،قطعه ای را که به شکل دم آهنگری است فشار خواهد داد .هوای دم از طیق سوپاپ یک طرفه خارج می شود. وقتی که بوبین از تحریک خارج می شود ،فنر دم را منبسط می کند .دم از طریق سوپاپ تنظیم ،از هوا پر می شود.سرعت انبساط دم در رابطه با پیچ تنظیم تفاوت می کند وقتی که دم به حالت عادی برگشت ،کنتاکت ها عمل می کنند.بنابراین به وسیله تنظیم کردن پیچ تنظیم ،عمل کردن کنتاکت ها را می توان تعقیر داد.کار این زمان سنج شبیه تایمر موتوری است ؛با این تفاوت که زمان سنج موتوری پس از تنظیم و وصل بوبین آن به ولتاژ شروع به کار می کند،ولی زمان سنج نیو ماتیکی پس از قطع بوبین آن از ولتاژ شروع به کار می کند.

4-رله زمانی بی متال یا حرارتی (تایمر حرارتی)

این نوع تایمر با استفاده از خاصیت بی متال کار می کند و در انواع رله ذوب شونده ،رله حرارتی بی متال و رله حرارتی منعکس کننده میله ای ساخته می شوند.زمانی که جریان از بی متال عبور می کند گرم میشود و پس از مدتی در اثر تعقیر شکل عمل کرد مدار را قطع یا وصل میکند.دقت این نوع تایمر زیاد نیست و آب و هوای محیط بر روی آن اثر می گذارد به طور کلی می توان رله های زمانی را به دو دسته تقسیم کرد:

الف-رله های تاخیر در وصل(ON-DELAY) :به رله ای گفته می شود که باید به رله انرژی داده شود و سپس رله عمل کرده کنتاکتی را باز یا بسته کند؛مثل رله زمانی موتوری.

ب-رله تاخیر در قطع(OFF-DELAY) :به رله ای گفته می شود که بعد از قطع شدن انرژی عمل کرده کنتاکتی را باز یا بسته کند؛مثل رله نیو ماتیکی.

5-رله زمانی هیدرو لیکی

در این رله ها از سیستم هیدرو لیکی جهت تاخیر در مدار استفاده می شود. طرز کار آن طوری است که وقتی جریان برق به رله وصل می شود ،مقداری روغن در داخل آن جابهجا می شود.برای بازگشت روغن به مکان اولیه زمانی لازم است که این زمان را به عنوان زمان تایمر در نظر میگیرند.این رله ها را در مدارهای مختلف به کار می برند.اگر کسی از دوستان توضیح بیشتری در ارتباط با این رله دارد لطفا ارائه بده تا مطالب کامل تر شود.
رله اضافه بار(حرارتی یا بیمتال)

دستگاه های الکتریکی را باید در مقابل خطرات و خطاهای احتمالی حفاظت کرد.یکی از راه های حفاظت موتورهای الکتریکی ،استفاده از رله حرارتی و رله مغناطیسی است رله حرارتی موتور را در مقابل اضافه بار حفاظت میکند.رله اضافه باری جهت کنترل جریان موتورهای الکتریکی بکار میرود و یک نوع رله حفاظتی است.این رله از دو فلز مختلف الجنس که ضرایب انبساط طولی مختلفی دارند تشکیل شده است. به اطراف این دو فلز به هم چسبیده ،یک رشته سیم حامل جریان الکتریکی پیچیده شده را طوری تنظیم کرد که در اثر افزایش کم جریان ،دستگاه مربوطه بدون دلیل و به سرعت قطع نشود با استفاده از این منحنی ها همچنین می توان آنرا طوری تنظیم کرد که زمان قطع زیاد شده و عبور جریان اضافی موجب صدومه به دستگاه نشود.شرایط کار این رله ها از(20-)درجه تا (60+)درجه سانتی گراد متغیر است .

رله مغناطیسی

رله مغناطیسی نیز برای کنترل جریان به کار می رود . اصول کار این رله بر اساس پدیده مغناطیس پایه گذاری شده است .از این رله برای قطع جریان های اتصال کوتاه استفاده می شود.می دانیم که یک اتصال کوتاه باید سریع قطع شود بنابر این در چنین موقعیتی نمی توان از رله اضافه باری(حرارتی)استفاده نمودچون گرم شدن بیمتال رله به یک زمان نسبتا طولانی نیاز دارد.این رله از یک هسته مغناطیسی که اطراف آن چند دور سیم پیچیده شده تشکیل گردیده است.عبور جریان اتصال کوتاه باعث مغناطیس شدن و جذب اهرم قطع می شود.این رله را به طور مجرا به ندرت مورد استفاده قرار می دهند و در کلیدهای اتوماتیک از آنها بهمراه رله های حرارتی بهره می گیرند.
رله ديستانس
مدل شبيه سازي رله ها بسيار پيشرفته است .كه شامل مدل سازي اضافه جريان و حفاظت ديستانس و شناسايي نوسانات و امكان اتوماتيك بستن است .كه هر كدام از آنها به صورت مجزا در زير توضيح داده مي شود .وقتي يك سيگنال قطع از يك سيستم حفاظتي مي رسد پس از يك زمان تاخيري مي رسد و همچنين زمان لازم براي باز شدن بريكردر نظر گرفته مي شود و اين تاخير رله هاي اضافه جريان نيز در اينجا مدل سازي شده است.وهمچنين مدلهاي رله هاي حفاظتي اضافه- كاهش ولتاژ موجود است كه در قسمتهاي بعد توضيح داده مي شود .
بريكرها
جريان عبوري از بريكرها را نمي توان بر روي صفر تنظيم كرد. هنگامي كه بريكر ما بايد باز شود منجر به حل يك ماتريس ژاكوپين غير قابل حل مي شود. بنابراين جريان روي بريكرها در هنگام بسته بودن در مقدار خيلي كمي تنظيم مي شودكه در حدود e-5 ×1 است و اين آنقدر كم است براي نتيجه شبيه سازي ما مشكلي ايجاد نمي كند .
رله هاي اضافه جريان
رله هاي اضافه جريان معكوس با زمان و زمان ثابت داريم, مشخصات قطع اين رله ها در شبيه سازي به كار مي رود . اين رله ها داراي يك ورودي جريان است كه امپدانس را اندازه گيري مي كنند و داراي سينگال جهت ياب هستند كه اطلاعاتي درباره جهت عبوري انرژي به ما مي دهد . جهت عبوري توان از طريق رابطه زير بدست مي آيد :
تشخيس جهت عبور توان


اگر رابطه بالا بزرگتر از صفر باشد جهت عبوري توان در جهت رله است و نبايد عمل كند در غير اين صورت جهت توان عكس است ورله بايد عمل كند .
1-زمان ثابت
اگر مقدار جريان بيشتر از مقدار تنظيم شده براي رله باشد تايمر ما شروع به كار مي كند . اگر زمان تايمر ما به زمان تنظيم شده براي قطع برسد سينگال قطع به خروجي داده مي شود و مي توان از قسمت قدرت رله براي باز كردن مدار استفاده كرد . زمان رله, زمان ثابت بيشتر از زمان تنظيم شده ماكزيمم زمان ذونها در رله ديستانس است براي جلوگيري از تداخل با امپدانس اندازه گيري شده .
2-زمان معكوس
اصول كلي آن قبلا توضيح داده شده و زمان قطع آن متفاوت است . زمان آن بسته به جريان است و هر چه جريان ما بيشتر باشد زمان قطع سريعتر است .
اگر جريان I خيلي بزرگتر از I> باشد رله زماني عمل مي كند كه رابطه زير برقرار باشد.

نمودار رله زمان معكوس نرمال

متغير هاي اضافه جريان
اگر رله زمان-معكوس اضافه جريان براي مدت كوتاهي به كار انداخته شود و بعد از آن سينگال تايمر آن قطع شود مثلا به دلايلي ديگر احتياج به عمل كرد اين رله نباشد, زمان تايمر رله بر روي صفر تنظيم نمي شود بلكه به صورت خيلي آهسته به سوي صفر برميگردد.علت آن اين است كه عمل كردهاي قبلي سيستم بايد در آن ذخيره شود.عمل كرد اضافه جريان طوري ساخته شده است كه يك حفاظت پشتبان است و هنگامي كه ديستانس ها عمل مي كند نبايد هيچ واكنشي دهد .
حفاظت ديستانس :

نمودار رله ديستانس
عمل كرد و خصوصيات حفاظت ديستانس همانطور كه در شكل بالا مي بينيد برنامه نويسي شده است اين مدلها بر اساس رله هاي 511*2.3 شركت ABB است .
نقاط R1- R3 وx1-x3 براي ناحيه هاي 1 تا 3 تنظيم شده است . زمان تنظيم شده براي ناحيه يك 0.1 ثانيه وبراي ناحيه دو0.4. ثانيه و براي ناحيه سه0.8 ثانيه است . هنگامي كه امپدانس وارد ناحيه 3 مي شود تايمر رله روشن مي شود هنگامي كه امپدانس براي مدت زيادي در يكي از ذونها باقي ماند زمان آن با زمان قطع رله برابر مي شود و رله ديستانس سيگنال قطع را true مي كند . امپدانس طبق روابط زير محاسبه مي شود :

شرايط قطع به صورت زير اعمال مي شود:
1- اضافه جريان (1و4(In يا كاهش ولتاژ (0و7 (x Unو
2- تشخيص نا حيه
در اين نوع حفاظت سنجش افت ولتاژ نياز است. زيرا بعضي مواقع يك جريان نشتي خيلي كمي وجود دارد و مقدار جريان خطا به مقدار تنظيم شده بر روي رله نمي رسد تا رله قطع كند . بنابراين از ولتاژ براي مشخص كردن اينكه چه موقع خطا در سيستم اتفاق افتاده است استفاده مي شود

منطق عملكرد رله ديستانس
در شكل بالا ما منطق عمل كرد يك حفاظت ديستانس را مي بينيم .همانطور كه ملاحظه مي كنيد. ناحيه 2 فقط موقعي خطا را تشخيص مي دهد كه ناحيه 3 قبلا آن را تشخيص داده باشد .
تشخيص دهنده نوسان

منطق تشخيص نوسان
اگر نوسان خارج از ذون 3 باشد همه ذونها از يك قطع ناخواسته محافظت مي شوند . سيگنال نشان دهنده نوسان تا جايي فعال مي ماند كه نوسان داخل ذون 3 باشد .هنگامي كه نوسان وارد ناحيه تشخيص نوسان شد تايمر روشن و هنگامي كه ازآن خارج شد reset مي شود ولي اگر نوسان وارد ناحيه ذون 3 شد وكم شدن امپدانس ادامه داشت زمان تايمر ثابت مي شود و زمان اندازه گرفته شده را با مقدار ثبت شده درآن مقايسه مي شود. مقدار تنظيم شده براي اولين نوسان msee 45 وبراي نوسانات بعدي msec15 است.
(رله هاي اتوماتيك قطع و وصل كردن)Auto reclosing
80% خطاهاي خط انتقال هنگامي كه خط از مدار خارج مي شود از بين مي رود و اينگونه خطا ها به صورت گذرا هستند مثل صاعقه و درختان و شبيه اينها, هنگامي كه خط از مدار خارج شود اين خطا نيز رفع مي شود و بعد ازآن دوباره مي توانيم خط را وصل كنيم و به همين دليل ما از ريكلوزها استفاده مي كنيم .اين كليدها پس از باز شدن زماني را صبر مي كنند به عنوان مثال msee 600 و سپس كليد دوباره بسته مي شود. اگر اين كار با موفقيت انجام شد خط به حالت عمل كرد عادي خود بر مي گردد و خطا رفع شده است و اگر اين عمل موفقيت آميز نبود رله دوباره فرمان قطع به بريكر مي دهد و آن را باز مي كند و خط از مدار خارج مي شود تا مشكل خطا رفع شود و رله را به صورت دستي خاموش مي كنند . بستن ريكلوزها بيش از سه بار بسيار خطرناك است و بايد در يك محدوده مجاز انجام شود و اين فرض وجود دارد كه بيش از دو بار ممكن است موفقيت آميز باشد يا ممكن است خسارتي به تجهيزات ما وارد كند و عمر آن را كم شود .
منطق عملكرد Autoreclosing
ريكلوزها ما فقط موقعي كار مي كنند كه خطاي تشخيص داده شده در قسمت حفاظت اصلي ما رخ داده و درناحيه اول بوده و ناشي از اضافه جريان نباشد. در حالتهايي كه خطاي اتفاق افتاده شد خيلي پيچيده و خيلي بزرگ باشد از عمل كرد ريكلوزها جلوگيري مي شود.در واقع ريكلوزرها قسمتي از رله است و كليد جدا گانه نيستند.در اينجا اين نوع عملكرد رله شبيه سازي مي شود . هنگامي كه بريكر باز مي شود و تايمر شروع به كار مي كند بعد از يك پريود زماني ms600 بريكر دوباره بسته مي شود . اگر خطا باز هم وجود داشته باشد رله دوباره عمل مي كند و بريكر را باز مي كند در غير اين صورت بريكر بسته مي ماند و رله به كار خود ادامه مي دهد.