انواع رله‌ های حفاظتی الکتریکی

رله های حفاظتی چیست؟

رله حفاظتی یک دستگاه هوشمند است که پارامترهای الکتریکی یک سیستم قدرت، مانند ولتاژ، جریان و فرکانس را نظارت می‌کند. هنگامی که این پارامترها از محدوده نرمال خود منحرف می‌شوند، رله حفاظتی شرایط غیرعادی را تشخیص داده و یک پاسخ را آغاز می‌کند،

رله‌های حفاظتی منجر به حذف عناصر غیرعادی یا اتصال کوتاه شده‌ی سیستم قدرت می‌شوند. این عملکرد در جلوگیری از آسیب به تجهیزات، تضمین ایمنی پرسنل و حفظ پایداری سیستم قدرت بسیار حیاتی است. از این تجهیزات معمولا در  تابلو برق استفاده میشود.

علاوه بر این، برای محافظت در برابر اتصال کوتاه، رله‌گذاری اولیه، اولین خط دفاعی، و رله‌گذاری پشتیبان استفاده می‌شود که در صورت خرابی رله‌گذاری اولیه، وارد عمل می‌شوند. تجهیزات رله حفاظتی با کلمات “حساسیت”، “انتخاب‌پذیری” و “سرعت” توصیف می‌شوند. این ویژگی‌ها به رله اجازه می‌دهند تا مشکلات را به طور دقیق تشخیص داده و عناصر معیوب را به سرعت قطع کند.

انواع رله های حفاظتی:

در مهندسی برق و الکترونیک، انواع مختلفی از رله‌های حفاظتی برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند. در این مقاله، رله‌های زیر را بررسی می‌کنیم:

1. رله اضافه جریان (Overcurrent Relay)
2. رله دیفرانسیل (Differential Relay)
3. رله امپدانسی یا فاصله‌ای (Distance/Impedance Relay)
4. رله خطای زمین (Earth Fault Relay)
5. رله ولتاژ (Voltage Relay)
6. رله فرکانسی (Frequency Relay)
7. رله توان معکوس (Reverse Power Relay)
8. رله حرارتی (Thermal Relay)
9. رله حفاظتی موتور 
10. رله جهتی (Directional Relay)
11. رله سنکرون‌سازی (Synchronizing Relay)
12. رله بازیابی (Reclosing Relay)

رله اضافه جریان (Overcurrent Relay):

رله اضافه جریان(Overcurrent relay)، وظیفه حفاظت از سیستم در برابر عبور جریان بالا را بر عهده دارد. این رله، حفاظت از تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی را در برابر آسیب‌های ناشی از اضافه بار، جریان اتصال کوتاه و سایر شرایط غیرعادی تسهیل می‌کند. اگر جریان برای مدت زمان مشخصی از مقدار آستانه (Threshold Value) افزایش یابد، رله یک سیگنال تریپ (Trip Signal) ارسال می‌کند که مدار را قطع می‌کند و در نتیجه، مدار را با مرزهای مشخص از ناحیه معیوب جدا می‌کند. این رله‌ها می‌توانند انواع مختلفی از خطاها (Faults)، از جمله دوره‌های کوتاه عدم فعالیت، اضافه بار (Overload) و خطاهای زمین (Ground Faults) را تشخیص دهند. آن‌ها تأثیر قابل توجهی در حفظ پایداری دستگاه و جلوگیری از بروز خطا در آن دارند.

رله دیفرانسیل (Differential Relay):

این دستگاه برای شناسایی خطاها، جریان ورودی و خروجی ناحیه حفاظت شده را با یکدیگر مقایسه می‌کند. بر اساس این اصل، بروز خطا باعث ایجاد اختلاف در جریان ورودی و خروجی ناحیه می‌شود که رله را فعال کرده و بخش معیوب را ایزوله (Isolate) می‌کند. برخلاف رله‌های اضافه جریان (Overcurrent Relays)، رله‌های دیفرانسیل جریان را در دو نقطه مقایسه می‌کنند. اگر جریان‌ها (جریان‌های ورودی و خروجی) برابر نباشند، مدار نامتعادل (Unbalanced) است و احتمال وجود خطا وجود دارد، بنابراین بخش معیوب را از مدار اصلی جدا (Trip) می‌کند.

این عملکرد بر اساس اصل قانون جریان کیرشهف (Kirchhoff’s Current Law) است که بیان می‌کند مجموع جریان‌های ورودی و خروجی هر گره (Node) در شرایط عادی باید برابر باشد. رله‌های دیفرانسیل بسیار حساس (Sensitive) هستند و حفاظت سریع و انتخابی ارائه می‌دهند، که آسیب به تجهیزات را به حداقل می‌رساند و زمان خرابی را کاهش می‌دهد.

رله فاصله ای (Distance Relay):

رله فاصله‌ای (Distance Relay) با اندازه‌گیری امپدانس (Impedance)، فاصله دقیق تا محل خطا (Fault) را تعیین می‌کند. این رله‌های فاصله که معمولاً به عنوان رله‌های امپدانس شناخته می‌شوند، به طور موثر در اندازه‌گیری و تعیین دقیق محل خطاهای مربوط به امپدانس یا فاصله بین رله و نقطه خطا در شبکه برق (Power Grid) عمل می‌کنند. آن‌ها با مقایسه مقدار امپدانس واقعی خط حفاظت شده با یک منحنی از پیش تعریف شده (Characteristic Curve) کار می‌کنند. اگر هرگونه مغایرت (Discrepancy) پیدا کنند که اندازه‌گیری‌های ثبت شده را خارج از این منحنی از پیش تعیین شده نشان دهد، به این معنی است که خطایی وجود دارد.

رله خطای زمین (Earth Fault Relay):

رله خطای زمین در سیستم‌های الکتریکی به منظور حفاظت در برابر خطاهایی استفاده می‌شود که شامل شکستگی یا اتصالی است که از زمین (Ground) به مدار الکتریکی گسترش می‌یابد. این رله با قطع مدار در هنگام تشخیص خطا، با آسیب تجهیزات، شوک‌های الکتریکی و آتش‌سوزی مقابله می‌کند. رله‌های خطای زمین دارای تنظیمات انتخابی (Selective Settings) هستند. همچنین، یک فعالیت حیاتی در این عملکرد، به طور ویژه انجام می‌شود تا اختلال (Disruption) به سایر بخش‌های شبکه الکتریکی (Electric Grid) که هنوز در حال کار هستند، به حداقل برسد.

این رله‌های خطای زمین در نحوه عملکرد خود متنوع هستند و بنابراین، در کاربرد نیز متنوع هستند. برخی از رله‌ها بر اساس جریان باقیمانده (Residual Current) که در هادی نول (Neutral Conductor) سیستم جریان دارد، عمل می‌کنند؛ برخی دیگر بر اساس تشخیص جریان خطای کوچک به زمین، و نوع آخر بر اساس جریان خطای بزرگ که با مقاومت کم به زمین جریان دارد، عمل می‌کنند.

رله ولتاژ (voltage Relay):

سیستم رله حفاظت ولتاژ (Voltage Protection Relay System) یک جزء ضروری در هر پیکربندی الکتریکی است. این سیستم از خطرات ایمنی و آسیب به تجهیزات جلوگیری می‌کند. ولتاژ را نظارت می‌کند تا مشخص کند آیا سطوح ولتاژ بیش از حد بالا می‌روند یا خیلی پایین می‌آیند. بسیاری از صنایع، به ویژه صنایع با ولتاژ بالا، از سیستم‌های رله حفاظت ولتاژ استفاده می‌کنند.

رله فرکانس (Frequency Relay):

رله فرکانس (Frequency Relay) یک دستگاه الکتریکی است که فرکانس یک سیستم قدرت AC را پایش (Monitor) می‌کند و در صورت انحراف قابل توجه فرکانس از یک نقطه تنظیم (Setpoint) از پیش تعیین شده، یک عمل را آغاز می‌کند، مانند تریپ (Tripping) یک کلید مدار (Circuit Breaker). اساساً، این رله به عنوان یک مکانیزم حفاظتی در برابر فرکانس‌های بیش از حد بالا (Overfrequency) یا پایین (Underfrequency) در سیستم عمل می‌کند. این رله معمولاً برای حفاظت از دیزل ژنراتور و موتورهای بزرگ در برابر آسیب‌های ناشی از تغییرات غیرعادی سرعت مرتبط با تغییرات فرکانس استفاده می‌شود.

رله توان معکوس (Reverse Power Relay):

رله توان معکوس (Reverse Power Relay یا RPR) یک دستگاه حفاظتی الکتریکی است که جهت جریان توان را در یک سیستم پایش می‌کند و هنگامی که جریان توان در جهت معکوس را تشخیص می‌دهد، به طور خودکار یک کلید مدار (Circuit Breaker) را تریپ می‌کند. اساساً، این رله به عنوان یک مکانیزم ایمنی برای حفاظت از ژنراتورها در برابر آسیب زمانی که به جای تامین توان به شبکه، شروع به دریافت توان از آن می‌کنند، عمل می‌کند.

رله حرارتی (Thermal Relay):

رله حرارتی (Thermal Relay)، که با نام رله اضافه بار حرارتی (Thermal Overload Relay) نیز شناخته می‌شود، یک دستگاه حفاظتی (Protective Device) است که تجهیزات الکتریکی را از آسیب ناشی از گرمای بیش از حد (Overheating) محافظت می‌کند. این رله اغلب در مدارهای کنترل موتور (Motor Control Circuits) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

رله حفاظت موتور (Motor Protection Relay):

رله‌های حفاظت موتور (Motor Protection Relays)، موتورهای الکتریکی را از اضافه بار (Overload)، عدم تعادل فاز، اضافه جریان (Overcurrent) و اتصال کوتاه (Short Circuit) با پایش مشخصه‌های سیستم الکتریکی و تریپ (Trip) موتور در صورت تشخیص شرایط غیرعادی محافظت می‌کنند. سنسورهای خارجی یا سنسورهای دما در موتور تعبیه می‌شوند تا دمای سیم‌پیچ‌های موتور را اندازه‌گیری کنند، که از آسیب حرارتی موتور جلوگیری می‌کند و موتور هر زمان که شرایط گرمای بیش از حد ناشی از جریان بیش از حد یا منبع دیگری را حس کند، تریپ می‌کند. حفظ تعادل مناسب بین جریان و فاز موتور ضروری است. هرگونه عدم تعادل منجر به گرمای بیش از حد و تنش مکانیکی موتور می‌شود. به منظور جلوگیری از آسیب موتور، رله عدم تعادل فاز را تشخیص داده و اقدامات حفاظتی را آغاز می‌کند.

رله جهتی (Directional Relay):

رله‌های جهتی (Directional Relays) زاویه تفاضلی بین جریان خطا (Fault Current) که از ناحیه مشکل‌دار می‌آید و زاویه مرجع (Reference Angle) ناحیه حفاظت‌شده در پشت رله را تعیین می‌کنند. رله جهتی این دو زاویه را با هم مقایسه می‌کند و اگر زاویه تفاضلی بیشتر از مقدار از پیش تعیین‌شده باشد، خطا جدا می‌شود. انواع مختلفی از رله‌های جهتی بر اساس روش عملکرد و کاربردشان وجود دارد، از جمله:

• رله‌های جهتی اضافه جریان (Overcurrent Directional Relays): زمانی مفید هستند که جریان در پایین‌ترین جهت جریان داشته باشد.
• رله‌های جهتی فاصله (Distance Directional Relays): حسگر توان جهتی و حفاظت فاصله را با هم ترکیب می‌کنند.
• رله‌های جهتی توان (Power Directional Relays): از پایش جریان توان برای مکان‌یابی و رفع خطاها یا شرایط عدم تعادل استفاده می‌کنند.

رله سنکرون‌سازی (Synchronizing Relay):

رله‌های سنکرونیزم (Synchronism Relays) برای تأیید اینکه ولتاژهای دو طرف یک کلید مدار (Circuit Breaker) در رابطه فاز و دامنه مناسب قرار دارند، استفاده می‌شوند. رله زمانی اجازه عملیات بستن را می‌دهد که ولتاژهای باس و خط تقریباً نرمال، برابر، هم فاز و هم فرکانس باشند.

رله بازیابی (Reclosing Relay):

رله بازیابی (Reclosing Relay) یا رله وصل مجدد خودکار، یک دستگاه حفاظتی است که در سیستم‌های قدرت الکتریکی، به ویژه در خطوط انتقال و توزیع، استفاده می‌شود. وظیفه اصلی آن، بازیابی خودکار برق پس از اینکه یک خطای موقت باعث تریپ (باز شدن) کلید مدار می‌شود، است.

جدول مقایسه رله‌های حفاظتی:

در جدول زیر عملکرد و کاربرد هر کدام از انواع رله های حفاظتی را شرح دادیم قرار دادن انواع رله ها در یک جدول امکان مقایسه راحت‌تر آنها را فراهم کرده است.

شماره	رله حفاظتی	عملکرد و کاربرد	مزایا	معایب
1	رله اضافه جریان	مانیتورینگ سطح جریان و قطع مدار در صورت تجاوز از حد مجاز.	سادگی، هزینه کم، کاربرد گسترده.	عملکرد کند و محدود به حفاظت اضافه جریان.
2	رله دیفرانسیل	مقایسه جریان ورودی و خروجی یک تجهیز برای تشخیص خطای داخلی.	حساسیت بالا و عملکرد سریع.	تنظیمات پیچیده و محدود به بخش‌های خاص سیستم.
3	رله امپدانسی	مانیتورینگ امپدانس بین رله و نقطه احتمالی خطا.	حفاظت منطقه‌ای و مناسب برای خطوط انتقال طولانی.	حساس به تغییرات سیستم مانند بارگذاری، که می‌تواند باعث عملکرد اشتباه شود.
4	رله خطای زمین	تشخیص خطای زمین از طریق اندازه‌گیری جریان‌های باقی‌مانده.	تشخیص سریع و قابل‌اعتماد خطای زمین.	نیاز به حفاظت اضافه جریان و حساس به دقت ترانسفورماتور جریان (CT).
5	رله ولتاژ	فعال شدن در صورت تغییرات غیرمجاز ولتاژ.	طراحی ساده و مؤثر در حفاظت از نوسانات ولتاژ.	عدم توانایی در تشخیص تفاوت بین تغییرات بار و تغییرات ناشی از خطا.
6	رله فرکانسی	پایش فرکانس سیستم و عملکرد در صورت خروج از محدوده تنظیم‌شده.	مناسب برای حفاظت ژنراتورها و پایداری سیستم.	در برابر سایر خطاها مؤثر نیست و به هماهنگی با رله‌های دیگر نیاز دارد.
7	رله توان معکوس	مانیتورینگ جهت جریان توان، مخصوص حفاظت ژنراتور.	جلوگیری از عملکرد موتورگونه ژنراتورها.	کاربرد محدود و نیازمند ترکیب با روش‌های حفاظتی دیگر.
8	رله حرارتی	حفاظت از موتورها و ترانسفورماتورها در برابر اضافه‌حرارت.	مؤثر در جلوگیری از آسیب حرارتی تجهیزات.	زمان پاسخگویی طولانی‌تر و ناتوانی در تشخیص خطاهای سریع.
9	رله حفاظتی موتور	رله‌ای ویژه برای حفاظت موتورها در برابر اضافه جریان، کاهش ولتاژ، و نامتعادلی فاز.	حفاظت کامل از موتور با ویژگی‌هایی مانند ریست خودکار.	پیچیده‌تر و گران‌تر از رله‌های ساده‌تر.
10	رله جهتی	مشابه رله اضافه جریان، اما با در نظر گرفتن جهت جریان.	مناسب برای شبکه‌های پیچیده که جهت جریان مهم است.	نیازمند تنظیم فاز دقیق و حساس به پیکربندی سیستم.
11	رله سنکرون‌سازی	اطمینان از همگام‌سازی دو ژنراتور AC یا ژنراتور و شبکه.	بهبود قابلیت اطمینان سیستم و امکان موازی‌سازی ژنراتورها.	نیازمند تنظیمات پیچیده و کاربردی محدود به سنکرون‌سازی.
12	رله بازیابی	تلاش برای وصل مجدد مدار پس از قطع به دلیل خطا.	بهبود قابلیت اطمینان سیستم و بازیابی سریع پس از خطاهای گذرا.	نامناسب برای خطاهای دائم و تلاش‌های مکرر ممکن است مشکل را تشدید کند.

کد انسی رله های حفاظتی و معرفی مهم‌ترین آن‌ها

در سیستم‌های حفاظتی الکتریکی، حفاظت‌ها با شماره‌های استاندارد مشخص می‌شوند که توسط استاندارد IEEE C37.2 تعریف شده‌اند. این شماره‌ها برای نام‌گذاری رله‌ها و تجهیزات حفاظتی در مدارها و نقشه‌های الکتریکی به‌کار می‌روند. هر شماره بیانگر عملکرد خاصی است و به طراحان و مهندسان کمک می‌کند تا سیستم‌های حفاظتی را به‌صورت دقیق و استاندارد مشخص کنند.

در جدول زیر کدهای انسی رله های حفاظتی که بیشترین کاربرد را دارد شرح داده شده است.

مهم‌ترین حفاظت‌ها در سیستم‌های صنعتی و نیروگاهی:

در صنایع و نیروگاه‌ها، برخی حفاظت‌ها حیاتی‌تر از بقیه هستند و به طور گسترده در طراحی و ساخت تابلو برق و سیستم‌های حفاظتی استفاده می‌شوند.

۱. حفاظت اضافه جریان (50/51)

• کاربرد: تابلوهای توزیع، خطوط انتقال، حفاظت موتور و ترانسفورماتور.
• اهمیت: جلوگیری از آسیب به تجهیزات در اثر جریان بیش از حد.

۲. حفاظت دیفرانسیل (87)

• کاربرد: حفاظت از ترانسفورماتورها، ژنراتورها، باس‌بارها و خطوط انتقال.
• اهمیت: تشخیص سریع خطای داخلی با دقت بالا.

۳. حفاظت امپدانسی (21)

• کاربرد: خطوط انتقال و توزیع برق.
• اهمیت: تشخیص و مکان‌یابی خطاهای شبکه با استفاده از امپدانس خط.

۴. حفاظت خطای زمین (64)

• کاربرد: سیستم‌های الکتریکی با نقطه‌ خنثی زمین‌شده برای تشخیص نشتی و اتصال کوتاه به زمین.
• اهمیت: جلوگیری از آسیب تجهیزات و افزایش ایمنی پرسنل.

۵. حفاظت توان معکوس (32)

• کاربرد: حفاظت از ژنراتورها در برابر برگشت توان.
• اهمیت: جلوگیری از عملکرد ژنراتور به‌عنوان موتور که می‌تواند به آن آسیب برساند.

۶. حفاظت ولتاژ و فرکانس (27/59/81)

• کاربرد: پایداری شبکه و حفاظت ژنراتورها.
• اهمیت: جلوگیری از آسیب‌های ناشی از نوسانات ولتاژ و فرکانس در سیستم قدرت