انواع رله های حفاظتی ترانسفورماتور

رله‌ های حفاظتی ترانسفورماتور نقش حیاتی در تشخیص سریع خطاها و جلوگیری از آسیب‌های جدی به ترانسفورماتور دارند. با توجه به هزینه بالا و اهمیت عملکرد پیوسته ترانسفورماتورها در شبکه قدرت، استفاده از رله‌های حفاظتی استاندارد و متناسب با نوع ترانس، یک الزام فنی محسوب می‌شود. هدف اصلی این رله‌ها، شناسایی شرایط غیرعادی و صدور فرمان مناسب برای محدودسازی یا قطع مدار پیش از بروز خسارت گسترده است.

اهمیت استفاده از رله‌ های حفاظتی ترانسفورماتور:

تشخیص به‌موقع خطاهای داخلی و خارجی ترانسفورماتور

جلوگیری از افزایش دما، تخریب عایق و کاهش عمر تجهیز

کاهش ریسک خاموشی گسترده و افزایش پایداری شبکه

حفاظت از سرمایه‌گذاری و کاهش هزینه‌های تعمیر و تعویض

 

عملکرد رله ‌های حفاظتی ترانسفورماتور

رله‌های حفاظتی ترانسفورماتور با پایش مداوم پارامترهای الکتریکی و فیزیکی مانند جریان، ولتاژ، دما و گازهای محلول در روغن، وضعیت عملکرد ترانس را بررسی می‌کنند. در شرایط عادی، مقادیر اندازه‌گیری‌شده در محدوده مجاز قرار دارند. اما به‌محض وقوع خطاهایی مانند اتصال کوتاه داخلی، اضافه‌بار، خطای زمین یا افزایش غیرعادی دما، رله انحراف از مقدار نرمال را تشخیص می‌دهد.
پس از تشخیص خطا، رله بلافاصله سیگنال فرمان قطع را به کلید قدرت (Circuit Breaker) ارسال می‌کند تا ترانسفورماتور از مدار خارج شود و از آسیب‌های جدی‌تر، افزایش هزینه تعمیر و خاموشی گسترده جلوگیری شود. این فرآیند باید سریع، دقیق و قابل اعتماد باشد تا با اصول حفاظت و استانداردهای بهره‌برداری هماهنگ بماند.

 

رله دیفرانسیل  (Differential Relay)

رله دیفرانسیل یکی از دقیق‌ترین تجهیزات حفاظتی ترانسفورماتور است که برای تشخیص خطاهای داخلی در سیم‌پیچ‌ها به‌کار می‌رود. این رله با مقایسه جریان ورودی و خروجی ترانسفورماتور عمل می‌کند؛ در شرایط عادی، اختلاف این جریان‌ها تقریباً صفر است، اما در صورت بروز خطای داخلی مانند اتصال کوتاه بین دورها یا فازها، جریان differential افزایش یافته و رله بلافاصله فرمان قطع را صادر می‌کند. این مکانیزم باعث می‌شود خطا قبل از گسترش و آسیب جدی به ترانسفورماتور شناسایی شود.

از مهم ‌ترین مزایای رله دیفرانسیل می‌توان به سرعت عملکرد بالا، دقت زیاد در تشخیص خطاهای داخلی ترانسفورماتور و جلوگیری از قطع غیرضروری در خطاهای خارجی اشاره کرد. به همین دلیل، این رله به‌طور گسترده در ترانسفورماتورهای قدرت، پست‌های فشار قوی و تجهیزات حساس صنعتی استفاده می‌شود و نقش کلیدی در افزایش ایمنی و کاهش هزینه‌های تعمیر و توقف سیستم دارد.

 

رله اضافه‌ جریان (Overcurrent Relay)

رله اضافه‌جریان یکی از پرکاربردترین رله‌های حفاظتی است که با پایش مداوم جریان عبوری از تجهیز، افزایش غیرعادی جریان را تشخیص می‌دهد. زمانی که جریان از مقدار تنظیم‌شده (Trip Setting) فراتر برود، رله با توجه به نوع تنظیمات خود، به‌صورت آنی یا با تأخیر زمانی فرمان قطع مدار را صادر می‌کند. این رله نقش کلیدی در Overcurrent Protection دارد و از تجهیزات در برابر آسیب‌های ناشی از اتصال کوتاه، اضافه‌بار و خطاهای شدید الکتریکی محافظت می‌کند. انتخاب صحیح نوع عملکرد و تنظیمات تریپ، مستقیماً بر دقت حفاظت و جلوگیری از قطع‌های ناخواسته تأثیر می‌گذارد.

ویژگی	رله   Instantaneous	رله Time-Delayed
زمان عملکرد	قطع فوری پس از عبور از حد مجاز	قطع با تأخیر زمانی مشخص
کاربرد اصلی	اتصال کوتاه‌های شدید و ناگهانی	اضافه‌بار و خطاهای تدریجی
حساسیت به جریان	بسیار بالا	قابل تنظیم و کنترل‌شده
نقش در Selectivity	محدود	بسیار مؤثر
تنظیمات مهم	Trip Settings دقیق	Trip Settings + منحنی زمان

 

رله بوخهلتس  (Buchholz Relay)

رله بوخهلتس یک ابزار حفاظتی مهم برای ترانسفورماتورهای روغنی است که به سرعت گازهای ناشی از خطای داخلی یا خرابی‌های ناگهانی را شناسایی می‌کند. این رله بین محفظه اصلی روغن و تانک ریزش روغن (conservator) نصب می‌شود و با ایجاد هشدار یا قطع جریان، از آسیب جدی به ترانسفورماتور جلوگیری می‌کند.

عملکرد آن به این صورت است که وقتی گاز تولید شده از تجزیه روغن ناشی از خطا جمع می‌شود، شناور داخل رله حرکت کرده و یا سوئیچ را تحریک می‌کند. این عمل باعث صدور هشدار اولیه یا قطع جریان اضطراری می‌شود. استفاده از رله بوخهلتس باعث افزایش ایمنی، کاهش خسارت و شناسایی سریع خطا می‌شود.

 

رله حرارتی و حفاظت دما  (Thermal/Temperature Protection)

رله حرارتی ابزاری حیاتی برای حفاظت ترانسفورماتورها در برابر افزایش دما و آسیب‌های ناشی از حرارت است. این سیستم با مانیتورینگ دقیق دما، از آسیب‌های جدی به تجهیزات جلوگیری می‌کند و طول عمر ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد.

ویژگی‌ها و کاربرد سنسورها در حفاظت دما:

سنسور بیمتال (Bimetal Sensor) تشخیص افزایش دما و قطع جریان در مواقع بحرانی.

ترموکوپل (Thermocouple) اندازه‌گیری دقیق دمای نقطه‌ای و ارسال سیگنال به سیستم حفاظت.

سنسور مقاومتی (RTD) پایش مداوم دمای سیم‌پیچ و جلوگیری از داغ شدن بیش از حد.

رله حرارتی الکترونیکی (Electronic Thermal Relay) تنظیم دقیق آستانه دما و امکان اتصال به سیستم‌های مانیتورینگ دیجیتال.

مزایا:

پیشگیری از سوختگی سیم‌پیچ‌ها و خرابی‌های مکانیکی.

افزایش ایمنی تجهیزات و کاهش هزینه‌های نگهداری.

امکان یکپارچه‌سازی با سیستم‌های کنترلی هوشمند و مانیتورینگ آنلاین.

 

رله خطای زمین محدود  (REF Relay)

رله خطای زمین محدود (REF) ابزاری حیاتی برای تشخیص خطای ارت داخلی در ترانسفورماتورها و سیستم‌های توزیع برق است. این رله به‌صورت دقیق جریان‌های خطای زمین را در محدوده مشخصی از ترانسفورماتور یا بخش خاصی از شبکه شناسایی می‌کند و به این ترتیب از آسیب‌های گسترده و خطرات ایمنی جلوگیری می‌کند.

مثال عملی: فرض کنید در یک ترانسفورماتور ۲۰ مگاولت‌آمپر، اتصال کوتاه بین فاز و زمین در بخش داخلی ترانسفورماتور رخ داده است. رله REF با استفاده از جریان‌های خطای زمین محدود، سریعاً این خطا را تشخیص می‌دهد و فرمان قطع را به کلید مدار می‌فرستد. این عملکرد از آسیب‌های احتمالی به سیم‌پیچ‌ها، عایق‌ها و تجهیزات حفاظتی جلوگیری کرده و زمان بازیابی سیستم را کاهش می‌دهد.

نکته: Restricted Earth Fault protection در این سیستم تضمین می‌کند که تنها بخش تحت پوشش رله تحت نظارت است و خطاهای بخش‌های دیگر شبکه باعث عمل نکردن رله نمی‌شوند، بنابراین دقت و ایمنی افزایش می‌یابد.

 

مقایسه رله‌ های آنالوگ و دیجیتال  (Static vs Numerical)

ویژگی	رله آنالوگ (Static)	رله دیجیتال (Numerical)
عملکرد	آنالوگ، بر اساس سیگنال‌های پیوسته	دیجیتال، با پردازش سیگنال‌ها به صورت عددی
دقت	دقت متوسط، تحت تأثیر نویز	دقت بالا، قابل تنظیم و دقیق
انعطاف‌پذیری	محدود، تغییر تنظیمات نیاز به سخت‌افزار	بسیار بالا، تغییر پارامترها از طریق نرم‌افزار
نصب و نگهداری	ساده، قطعات کمتر	نیازمند تخصص، پیچیده‌تر
قابلیت اتصال به شبکه	ندارد یا محدود	امکان اتصال به سیستم‌های SCADA و شبکه برق
هزینه	پایین‌تر	بالاتر، ولی صرفه‌جویی بلندمدت با کاهش خطا
کاربرد اصلی	سیستم‌های سنتی و کوچک	سیستم‌های بزرگ و پیشرفته، YMYL در حفاظت ترانسفورماتورها

 

نکات تنظیم و هماهنگی حفاظتی در ترانسفورماتور

تعیین رله اصلی رله جریان (Overcurrent) یا رله دیفرانسیل را بر اساس نوع ترانسفورماتور و سطح ولتاژ انتخاب کنید.

زمان‌بندی ترتیبی (Time-Current Coordination) رله‌ها باید به‌صورت سلسله‌مراتبی تنظیم شوند تا در صورت خطا، نزدیک‌ترین رله سریع‌تر عمل کند و رله‌های بالادست با تأخیر عمل کنند.

تعیین آستانه جریان (Pickup Setting) مقدار جریان راه‌اندازی رله را کمی بالاتر از جریان نامی ترانسفورماتور و جریان بار عادی تنظیم کنید.

ضریب هماهنگی (Coordination Margin) برای جلوگیری از قطع اشتباه رله‌ها، فاصله زمانی حداقل ۰.۳ تا ۰.۵ ثانیه بین رله‌های سری رعایت شود.

بررسی هماهنگی با حفاظت شبکه: رله ترانسفورماتور باید با رله‌های فیدر و باس‌های شبکه هماهنگ باشد تا کل سیستم در مقابل خطا محافظت شود.

آزمون و شبیه‌ سازی: قبل از اعمال تنظیمات نهایی، با نرم‌افزار شبیه‌سازی یا تست عملی، coordination و زمان‌بندی رله‌ها را بررسی کنید.

بازنگری دوره‌ای: با تغییر بار، اضافه شدن تجهیزات یا اصلاح شبکه، تنظیمات رله‌ها باید مجدداً بررسی و به‌روز شوند.

 

حفاظت‌ های تکمیلی و به ‌روز  (Advanced Protection Schemes)

حفاظت‌های تکمیلی در ترانسفورماتورها نقش حیاتی در افزایش ایمنی و جلوگیری از آسیب‌های غیرمنتظره دارند. این سیستم‌ها معمولاً علاوه بر حفاظت اصلی، با روش‌های پیشرفته‌ای مانند Overfluxing Protection برای جلوگیری از اشباع هسته، Tank Earth Protection برای ایمن‌سازی بدنه و گزینه‌های جدید مبتنی بر کنترل دیجیتال و سنسورهای هوشمند تجهیز می‌شوند.

مثال عملی: در یک ترانسفورماتور ۲۰۰ مگاولت‌آمپر نصب‌شده در شبکه شهری ۲۰۲۵، سنسورهای هوشمند Overflux با دقت میلی‌ثانیه تغییرات ولتاژ هسته را پایش می‌کنند و در صورت بروز اشباع، دستور قطع مدار را صادر می‌کنند. همزمان، سیستم Tank Earth، جریان نشت احتمالی بدنه را اندازه‌گیری کرده و از ایجاد شوک یا آسیب جدی جلوگیری می‌کند.

این فناوری‌های به‌روز، نه تنها ریسک خرابی ترانسفورماتور را کاهش می‌دهند، بلکه با ادغام داده‌های لحظه‌ای و کنترل خودکار، قابلیت اطمینان شبکه را در شرایط غیرمنتظره تا حد چشمگیری افزایش می‌دهند