หลักการของรีเลย์ป้องกันกระแสเกิน Overcurrent
จุดประสงค์ในการติดตั้ง overcurrent relay คือเพื่อตรวจจับ fault ในระบบไฟฟ้า และส่งสัญญาณให้ breaker เปิดวงจรเพื่อแยกระบบไฟฟ้าที่เกิด fault ออกไป ดังนั้น ระบบป้องกันต้องมีความสามารถจำแนกได้ว่าส่วนใดของระบบเกิดผิดปรกติและแยกเฉพาะส่วนนั้นออกจากส่วนอื่นของระบบที่ยังปกติอยู่
วิธีการที่จะจำแนกส่วนที่ผิดปกติ จะเป็นการปรับตั้งระบบอุปกรณ์ตรวจจับ fault โดยการปรับตั้งให้อุปกรณ์ทำการแยกแยะ fault โดยตรวจสอบกระแส ตรวจสอบเวลา หรือทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน
การแยกแยะโดยใช้กระแส
การแยกแยะโดยใช้กระแส อยู่บนพื้นฐานความจริงที่ว่า กระแส fault ที่เกิดขึ้น แปรเปลี่ยนตามตำแหน่งที่เกิด fault นั้น เนื่องจาก impedance ของอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่ายกระแส (source) และจุดเกิด fault รีเลย์ตามจุดต่างๆ จะถูกตั้งใว้ให้ทำงาน ณ ค่ากระแสที่เหมาะสมเพื่อให้มีเพียงรีเลย์ที่จุดใกล้ fault ที่สุดทำงานเท่านั้น
มีหลายข้อที่ควรระวังเมื่อต้องการใช้การแยกแยะ fault โดยวิธีนี้
ตามรูป กระแส fault ทั้งสองฝั่งของ breaker จะมีค่าใกล้เคียงกัน
ค่า setting ของรีเลย์ B จะต้องปรับตั้งให้สามารถตรวจจับ fault ที่เกิดขึ้นที่ F2 แต่เนื่องจากระดับกระแส fault ที่จุด F1 และ F2 มีค่าใกล้กันมาก อาจไม่สามารถทำการปรับตั้งรีเลย์ B ให้สามารถแยกแยะกระแส F1 กับ F2 ได้
ในทางปฏิบัติ ค่ากระแส fault level ของ source อาจมีการเปลี่ยนแปลงด้วย โดยอัตราการเปลี่ยนแปลงที่สูงสุด:ต่ำสุด ปรกติจะอยู่ที่ 2:1 ดังนั้น ถึงแม้จะปรับตั้งรีเลย์ให้ทำงานได้ถูกต้องเหมาะสมเมื่อพิจารณาที่กระแส fault สูงสุด อาจไม่สามารถตรวจจับ fault ในขณะที่ระดับกระแส fault level ลดลงถึงจุดต่ำสุดได้
การแยกแยะโดยใช้เวลา
ถ้าระดับ fault level ค่อนข้างคงที่ทั้งระบบ การแยกแยะด้วยกระแสอาจเป็นไปไม่ได้ ทางเลือกอีกอย่างคือ การแยกแยะด้วยเวลา รีเลย์แต่ละตัวจะตั้งเวลาทำงานที่แน่นอนและตั้งเวลาลดหลั่นต่างกันออกไป การทำงานของรีเลย์จึงไม่ขึ้นกับระดับ fault level เลย ข้อเสียของการใช้เวลาคือ เนื่อจากการตั้งเวลาทำงานลดหลั่นยาวออกไป รีเลย์ที่อยู่ห่างจากปลายสาย (ใกล้ source) ที่สุดจะถูกตั้งเวลาการทำงานนานสุด ทั้งๆที่จุดนี้เป็นจุดที่มี fault level สูงสุดเพราะอยู่ใกล้แหล่งจ่าย
Note: เมื่อประยุกต์ใช้การแยกแยะกระแสโดยเวลา definite time/independent time จะต้องระวังไม่ให้เกินค่าทนกระแสสูงสุดของรีเลย์ (thermal rating)
การแยกแยะโดยใช้ทั้งเวลาและกระแสร่อมกัน
จากข้อเสียของการใช้กระแสและเวลาแยกกัน การใช้กระแสผกผันกับเวลาได้ถูกพัฒนาขึ้นแทน กระแสยิ่งสูงมากรีเลย์ก็ยิ่งทำงานเร็วขึ้น จะเรียกว่าเป็นลักษณะการทำงานแบบกระแสผกผันกับเวลา Inverse Definite Time Characteristic (IDMT) เพื่อที่จะได้เวลาการทำงานเร็วและที่คงที่ ณ กระแสสูงๆ เป็นการใช้ข้อดีของกระแสและเวลา และตัดข้อเสียของการใช้ทั้งสองแบบแยกกัน
Plug Setting Multiplier (PSM) และ Time Multiplier Setting (TMS)
เมื่อเลือกวิธีนี้ จะต้องมีการปรับตั้งสองอย่าง คือ ตั้งค่ากระแสทำงานและตั้งตัวคูณเวลา (time multiplier setting) ต่อไปจะเรียก TMS
ในกรณีรีเลย์ที่ใช้เป็นแบบจานหมุน การตั้งกระแสจะเป็นการเสียบปลั๊กตัวนำเข้าช่องที่ทำไว้สำหรับเลือกตั้งกระแส มีประมาณ 7 ช่อง เมื่อไม่เสียบปลั๊กเลย จะเป็นการเลือกแท๊ปสูงสุด ทำให้ CT ไม่มีโอกาสเปิดวงจร สะดวกในการปรับตั้งค่า
รีเลย์รุ่นใหม่ให้การเปลี่ยนค่าต่างๆ ผ่านปุ่มหน้าตัวเตรื่องและการโปรแกรม จึงไม่มีปัญหาใดๆ กับวงจร CT
ค่ากระแสมีให้เลือกหลายช่วง มักจะเทียบเป็น % กับกระแส secondary ของ CT เช่น CT 5 A secondary ช่วง 50-200% ของค่า setting เทียบได้กับ 2.5-10 A ของกระแส CT secondar, 10-40% เท่ากับ 0.5-2 A เป็นต้น
ถ้า CT primary มีค่าเท่ากับการะแส norminal full load ค่า % setting ของรีเลย์จะเทียบได้โดยตรงกับกระแสจริง มีข้อสำคัญที่ต้องระวังคือ ถ้ากระแส norminal full load มีค่า 400 A แต่ CT ratio เป็น 500/5 ดังนั้น การปรับตั้งรีเลย์ที่ 50-200% ของ 5A การตั้งที่ 100% จะไม่ใช่จุดที่มีกระแส full load แต่จะเป็น 125% ของกระแส full load
เพื่อความสะดวกในการแสดงค่าผกผันระหว่างกระแสและเวลา จะใช้ log/log กร๊าฟ โดยแกน x เป็นเวลาวินาที และแกน y เป็น PSM
ดังนั้น การหาจุดปรับตั้งรีเลย์ (ยังไม่พิจารณา error ต่างๆ) จะง่ายขึ้น โดยทำตามขั้นตอนต่อไปนี้
ตัวอย่าง: CT ratio 500/5
resetting range 50-200% (2.5-10A)
primary current 5000 A
สมมุต รีเลย์ใช้ curve ผกผันแบบมาตรฐาน standard inverse ตั้งที่ 100% หรือก็คือ 5A
ณ จุดนี้ กระแสลัดวงจร secondary ของ CT = 5000/500 x5 = 50 A
ค่ากระแส 50 A นี้ เทียบได้กับ 10 เท่าของค่าsetting ของรีเลย์
Plug setting multiplier PSM = 50/5 = 10
จาก curve ของ standard inverse ที่กระแส 10 เท่าของค่ากระแสที่ตั้งไว้ รีเลย์จะทำงานที่ 3 วินาที(สมมุติว่าค่า TMS เป็น unity)
ถ้ากระแส primary เป็น 2500A (25A secondary) และรีเลย์ตั้งที่ 50% ณ 2.5 A ค่า PMS ยังคงเป็น 10 (มาจาก 25/2.5) รีเลย์ก็ยังคงทำงานที่ 3 วินาที (TMS=1)
การเลือกค่ากระแสจะขึ้นกับกระแส load และ CT ratio ซึ่งปรกติจะใกล้เคียงหรือสูงกว่ากระแสโหลดสูงสุด (สมมุติว่าระบบสามารถรับกระแสโหลดดังกล่าวได้) ต้องเน้นว่า รีเลย์ไม่ได้ถูกออกแบบและไม่ได้ต้องการให้มาใช้งานเป็น overload relay แต่ให้เป็นรีเลย์ที่ใช้ป้องกันระบบไฟฟ้าในขณะเกิดการลัดวงจร
เวลาที่รีเลย์ใช้ในการรีเซ๊ต Resetting time ก็เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณา Reseting time คือเวลาที่รีเลย์ใช้ในการกลับคืนสู่จุดที่ยังไม่มีสัญญาณใดๆมากระตุ้นการทำงานของรีเลย์ อธิบายง่ายเมื่อพิจารณารีเลย์แบบจานหมุนที่จะรีเซ๊ต(จานหมุนๆ กลับคืนเมื่อกระแสลัดวงจรหายไปก่อนที่เวลาจะนับถึงจุดทำงาน โดยจะรีเซ็ตเมื่อกระแสอินพุทลดลงจาก setting ที่ตั้งไว้ 90% ขณะที่รีเลย์ดิจิตอลรุ่นใหม่จะรีเซ๊ตที่ 95% ของค่า setting ข้อควรระวังคือ ถ้ากระแสปกติที่จ่ายโหลดเกินจากค่านี้ รีเลย์จะไม่รีเซ๊ท ถึงแม้ว่า กระแสลัดวงจรถูกตัดออกไปแล้วด้วยเบรคเกอร์อื่น
สำหรับรีเลย์จานหมุน ค่า TMS จะเป็นการปรับกลไกเพื่อปรับการหมุนกลับของจานหมุน ซึ่งถูกจูนไว้ที่ 0.1-1.0 สเกลนี้ไม่เป็นกราฟเส้นตรงและการปรับค่าจริงๆแล้วเป็นการเปลี่ยนเปลงระยะทางที่จานหมุนเดินทางเพื่อไปทำให้ contact ทำงาน
ที่ 10 เท่าของค่า PSM ค่า TMS จะเป็นตัวคูณที่สามารถนำไปคูณกับเวลาที่รีเลย์ทำงาน trip ได้เลยโดยตรง ยกตัวอย่าง ถ้ารีเลย์ทำงานภายในเวลา 3 วินาที ณ จุดกระแสเป็น 10 เท่าของ PMS และเราตั้งค่า TMS =1, ณ TMS=0.5 ด้วยค่ากระแสและ setting เดิม รีเลย์จะทำงานที่ 1.5 วินาที , เช่นเดียวกัน ถ้า TMS=1 รีเลย์จะทำงานที่ 0.3 วินาที, ต้องย้ำว่า เราทำอย่างนี้ได้เฉพาะที่ 10 x PSM เท่านั้น ที่ค่า PSM อื่นๆ ต้องเช็คกับกราฟคุณสมบัติของแต่ละ curve
สำหรับรีเลย์ที่เป็น microprocessor based จะป้อนค่า TMS เป็นตัวเลขเข้าทางเมนู และค่า TMS นี้สัมพันธ์โดยตรงกับทุกค่ากระแสอินพุท
Note: ตัวอย่างที่กล่าวมา ไม่พิจารณาค่า error ต่างๆ
การกำหนดช่วงเวลาหน่วงระหว่างรีเลย์ที่เหมาะสม (grading intervals or Margin)
ตามที่ได้กล่าวแล้ว เพื่อให้การแยกแยะตำเหน่งกระแสลัดวงจรของแต่ละรีเลย์ถูกต้อง ต้องให้มีเวลาหน่วงระหว่างรีเลย์ ค่านี้จะพิจารณาจากหลายข้อมูล
a) เวลาตัดกระแสลัดวงจรของเบรคเกอร์()
b) เวลา Overshoot ของรีเลย์ที่ใช้
c) ค่าความผิดพลาดต่างๆ
d) ช่วงเวลาที่เพิ่มเข้ามาเพื่อเพิ่มความมั่นใจและความปลอดภัย
รีเลย์จะหยุดทำงานเมื่อ circuit breaker สามารถตัดกระแสลัดวงจรออกไปได้อย่างสมบูรณ์ ในทางปฏิบัติจะใช้ค่า 100 mS สำหรับเวลาทั้งหมดที่ circut breaker ใช้ในการตัดกระแสลัดวงจร เวลาจริงจะน้อยกว่านี้
รีเลย์รุ่นเก่าที่เป็นจานหมุน จะยังมีแรงหมุนต่อไปถึงแม้รีเลย์ไม่มี input แล้ว จนกว่าพลังงานที่อยู่ในจานหมุนจะหมดไป ในรีเลย์ที่เป็น static พลังงานอาจค้างในตัวเก็บประจุ ค่าเวลานี้ลดลงได้ด้วยการออกแบบที่ดี แต่ก็ควรนำมาพิจารณาไว้ด้วย เวลาหน่วงนี้ ปรกติจะใช้ค่า 50 mS
Note: ค่า overshoot time นี้ต้องเป็นเวลาที่อยู่ใน แนวหมุนตาม curve เดิม ของรีเลย์ (ดูภาพประกอบ) ไม่ใช่เป็นระยะจริงที่รีเลย์ยังหมุนต่อไปอีกระยะหนึ่งในแนวอื่น
T1=รีเลย์หยุดทำงานแล้ว
T3-T1= เวลา overshoot จริง
T2-T1= เวลา overshoot ที่ใช้ในการคำนวน
อุปกรณ์ทุกตัวในระบบตรวจวัดจะมีค่าผิดพลาดอยู่ (error) ค่าการทำงานตาม curve ของรีเลย์ทั้งสองฝั่ง(ของช่วงความปลอดภัยที่เรากำลังพิจารณาอยู่นี้) มีโอกาสเกิดความผิดพลาดได้ทั้งทางบวกและทางลบ ความผิดเพี้ยนของ Current Transformer โดยหลักเป็นค่าที่เกิดจาก megnetising characteristic อย่างไรก็ตาม ค่า CT error ไม่มีผลกระทบกับรีเลย์ที่เป็น definite time overcurrent
ช่วงเวลา safety margin ที่ 100 mS จะบวกเพิ่มเข้ามาเพื่อเพิ่มความมั่นใจและความปลอดภัย
ช่วงเวลา safety margin ที่แนะนำ
ในอดีต เราตั้งที่ 0.5 sec เป็นค่าถาวรที่พิจารณาว่าพอเพียงและยังคงทำให้การแยกแยะ fault ถูกต้อง แต่ switchgear และรีเลย์รุ่นใหม่ที่ค่า overshoot time ต่ำกว่าเมื่อก่อน ค่า 0.4 sec จึงเป็นค่าที่เหมาะสม แต่ที่ 0.35 sec ก็อาจเป็นค่าดีและก็เป็นไปได้ด้วย
อย่างไรก็ตาม แทนการใช้ fix margin เราจะใช้วิธี fix time สำหรับ breaker operating time และรีเลย์ overshoot และเพิ่มค่าเวลาอื่นๆ อีกซึ่งพิจารณารวมค่าความผิดพลาดของรีเลย์และของ CT และส่วนที่เผื่อสำหรับความปลอดภัย safty margin โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดลำดับการทำงานรีเลย์ที่มีค่าตัวคูณ plug setting ต่ำๆ ที่ซึ่งเวลาที่รีเลย์ทำงานนานกว่าและส่วนที่เผื่อ total margin รวมทั้งหมดอาจจะเป็นค่าเวลาเดียวกับค่าความผิดพลาดของรีเลย์
เมื่อค่า safty margin ที่ 0.25 secs ถูกเลือกจะเป็นค่าของการทำงานของ breaker 0.1 secs เป็นเวลาที่รีเลย์ overshoot 0.05 secs และ 0.1 sec สำหรับส่วนที่เผื่อสำหรับความปลอดภัย safty margin
ในการพิจารณาค่าเวลาตัวแปร, เราสมมุติว่าแต่ละ IDMT รีเลย์เป็นไปตามมาตรฐานข้อผิดพลาด class 7.5 ตามข้อกำหนดทางปฏิบัติของ BS 142 ข้อผิดพลาดสำหรับรีเลย์ class 7.5 คือ 7.5% (แต่ต้องพิจารณาผลกระทบของอุณหภูมิ, ความถี่และการเบี่ยงเบนจากข้อกำหนดที่ใช้อ้างอิงตามที่ระบุใน BS) การประมาณการที่ใช้ในทางปฏิบัติคือ การสมมุติเอาว่าข้อผิดพลาด total effectove ของ 2 x 7.5 คือ 15% พิจารณากับรีเลย์ที่ใกล้ fault ที่สุดซึ่งว่าต้องเป็นการทำงานที่ช้า ค่าผิดพลาดอีก 10% ถูกเพิ่มอีกสำหรับ CT error
ดังนั้น สมการดังต่อไปนี้ถูกใช้เพื่อกำหนด grading margin ระหว่าง IDMT รีเลย์:
เมื่อเป็น definite time overcurrent ค่า fix ต่างๆ จะยังคงเหมือนกัน แต่สมมุติว่ารีเลย์เป็นไปตามมาตรฐานข้อผิดพลาด class 10 หรือ 10% ตามเหตุผลที่ผ่านมา การประมาณการที่ใช้ในทางปฏิบัติคือ การสมมุติเอาว่าข้อผิดพลาด total effectove ของ 20% พิจารณากับรีเลย์ที่ใกล้ fault ที่สุดซึ่งต้องเป็นการทำงานที่ช้า และเช่นเดียวกัน ข้อผิดพลาด CT จะมีผลกระทบเล็กน้อยต่อเวลาทำงาน operating time ดังนั้น สามารถใช้สมการ:
ในระบบส่วนใหญ่ การตั้งลำดับการทำงานของรีเลย์ overcurrent ให้ผลที่ดีเพียงพอเมื่อใช้ที่ค่า 0.4 secs มีเพียงกรณีที่ระบบมีการป้องกันหลายระดับขั้น จะเกิดความยุ่งยากในการคำนวนค่า setting มาก จึงจะมีการพิจารณาค่านี่ใหม่ โดยสรุป แต่ละระบบแตกต่างกัน ต้องมีการพิจารณาตามลักษณะของระบบนั้น การระบุค่าที่เฉพาะเจาะจงค่า grading margin เพื่อทุกๆ ระบบเป็นไปไม่ได้ และทุกๆ การคำนวนจะได้ค่าที่ทุกฝ่ายยอมรับได้ค่าหนึ่ง สำหรับรีเลย์ GEC Alsthom รีเลย์แบบจานหมุนและแบบไมโครโปรเซสเซอร์ มีค่าผิดพลาดน้อยกว่า 7.5%
INVERSE (DEPENDENT) TIME CHARACTERITICS
Standard Inverse Time
Curve นี้เป็นไปตามมาตรฐาน BS 142 บางที่เรียกว่า curve 3/10 เพราะที่ 10 เท่าของ Plug Setting ณ. TMS เท่ากับ 1รีเลย์จะทำงานในเวลา 3 secs.
Curve นี้สามารถถูกกำหนดโดยการแสดงด้วยสมการคณิตศาสตร์:
inverse time characteristic มีการใช้อย่างกว้างขวางกับทุกระดับแรงดัน เป็น curve การป้องกันสำรองสำหรับระบบ EHV และเป็น curve การป้องกันหลักสำหรับระบบจำหน่าย HV และ MV
โดยทั่วไป, normal inverse curve ถูกใช้เมื่อ:
a) ไม่มีความต้องการทำ co-ordination กับอุปกรณ์ป้องกันชนิดอื่นๆ เช่น fuses, thermal characteristic ของหม้อแปลงไฟ, มอเตอร์ ฯลฯ
b) ระดับ fault level จุดใกล้กับส่วนปลายสายของระบบไม่เปลี่ยนเปลงอย่างมีนัยสำคัญ
c) มี inrush เมื่อทำ cold load pick up น้อย cold load inrush คือกระแสที่ปรากฏเมื่อ energise สายป้อน หลังจากการหยุดจ่ายนาน โดยทั่วไป ไม่สามารถตั้งค่ารีเลย์สูงกว่าค่านี้ แต่กระแสควรลดลงต่ำกว่าค่า relay setting ก่อนที่รีเลย์จะทำงาน
Very Inverse Time
Curve นี้ปกติใช้เมื่อพบว่าสามารถเพิ่มระยะห่างการ co-ordinate ด้านเวลามากขึ้น กระแสลัดวงจร ณ จุดใดๆ ในระบบเปลี่ยนแปลงไม่มากเกินไป เหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบที่กระแสลัดวงจรลดลงในอัตราสูงเมื่อระยะระหว่างแหล่งจ่ายเพิ่มขึ้น inverse curve ที่ชันจะได้เวลาสำหรับการ grading มากขึ้น เมื่อลดค่า setting ลง 7 ถึง 4 เท่าของค่า setting เดิม เวลาทำงานของรีเลย์เพิ่มประมาณสองเท่า ทำให้สามารถใช้ค่าตัวคูณเวลา time multiplier setting TMS ที่เท่ากันในรีลเย์หลายตัวที่อนุกรมกันอยู่
สมการคณิตศาสตร์ของ curve:
Extremely Inverse Time
Curve นี้ เวลาทำงานของรีเลย์เป็นสัดส่งนผกผันกับกระแสยกกำลังสอง เวลาทำงานของรีเลย์ที่จุดกระแส peak load ที่ยาวทำให้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการจัดลำดับการทำงาน grading กับ fuse และระบบป้องกันของ feeder ที่มีการจ่ายกระแส ณ จุด peak ของกระแส เช่น feeder ที่จ่ายให้ระบบทำความเย็น ปั๊ม ฮีตเตอร์หม้อต้มน้ำ และอื่นๆ ซึ่งยังต่อกับระบบถึงแม้มีไฟดับเป็นเวลานาน
ในกรณีที่แหล่งจ่ายเป็นระบบที่ strong และการคำนวนได้เวลาทำงานของแต่ละรีเลย์น้อยมาก เนื่องจาก impedance ที่ต่ำของแต่ละ section การ co-ordinate ทำได้ลำบาก จะได้ประโยชน์จาก curve นี้มาก เนื่องจากกระแสที่ต่างกันเล็กน้อยสามารถทำให้เกิดความแตกต่างของเวลาทำงานของรีเลย์ได้มากกว่า
การใช้งานอีกกรณีคือ สำหรับระบบที่มี auto recloser ติดตั้งด้าน distribution รีเลย์จะถูกตั้งให้ทำงานตัดวงจรก่อน fuse เนื่องจาก fault ส่วนมากเป็น transient หรือ temporary ป้องกันฟิวส์ขาดโดยไม่จำเป็น เมื่อเกิดการ reclose ถ้า fault ยังคงอยู่ recloser จะจบการทำงาน reclose และ lockout ทำให้ fuse ทำงานตัดวงจรต่อไป
Curve นี้ยังนิยมใช้ป้องกันอุณหภูมิเกิน over heating ของอุปกรณ์ เพราะอุณหภูมที่เกินจะเป็นไปตามค่ากระแสยกกำลังสอง
Long Time Inverse
สมการกำหนดได้จาก:
Curve นี้มีระยะการทำงานที่ยาวนาน บางครั้งใช้สำหรับป้องกัน NGR ที่มักมี current rating คิดที่เวลาไม่เกิน 30 วินาที เวลาทำงานของรีเลย์ ณ จุดกระแส 5 เท่าของค่า setting ที่ TMS=1 คือ 30 วินาที
การป้องกัน Earth fault
การลัดวงจรที่เกิดขึ้นบ่อยที่สุด คือ การลัดวงจรลงกราวด์ Earth faults ซึ่งก็สามารถถูกตรวจจับโดยระบบป้องกันอื่นๆ ที่ติดที่สายป้อนหลักที่เป็นเฟส แต่เราสามารถสร้างระบบป้องกันที่ไวกว่า โดยการใช้รีเลย์ที่ทำงานตรวจจับเฉพาะ residual current ในระบบ กระแส Residual หรือ Zero sequence จะเกิดเมื่อมีกระแสไหลในระบบกราวด์
กระแส residual สามารถตรวจจับได้โดยการต่อ CT ในจุดสายต่อในระบบที่มีสายต่อ neutral กับ earth หรือการต่อ Line CT แบบขนาน การต่อ line CT แบบขนาน รีเลย์ป้องกัน earth fault จะไม่ขึ้นกับกระแสโหลดดลย ไม่ว่ากระแสโหลดจะสมดุลย์หรือไม่สมดุลย์ การต่อแบบขนานสามารถใช้ในกรณีเป็นการป้องกันกระแสเกินแบบสองเฟสหรือแบบสามเฟสโดยไม่มีผลกับระบบ earth fault เช่นเกียวกัน ระบบสองเฟสพิจารณาว่าพอเพียงเนื่องจากกระแสลัดวงจรระหว่างเฟส interphase fault ใดๆ จะมีผลกระทบไม่น้อยกว่าหนึ่งเฟส อย่างไรก็ตามต้องพิจารณาการกระจายกระแสในรูปแบบ 2:1:1 ในกรณีการป้องกันหม้อแปลง delta/star
ในกรณีระบบที่จะป้องกันเป็น 4 wire low voltage ต้องใช้ CT 4 ตัว เพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพของระบบป้องกันในทุกสภาวะโหลด CT ตัวที่ 4 จะต่อที่ neutral
CT ตัวที่ 4 นี้ อาจไม่ต้องใช้ถ้าค่า setting ของ earth fault relay สูงกว่าค่า maximum spill current ที่เกิดจากสภาวะโหลดไม่สมดุลย์ unbalance load แต่เราก็จะไม่รู้อยู่ดีว่าการไม่สมดุลย์นั้นมีค่าสูงสุดเท่าไหร่ จึงยังคงแนะนำให้มี CT ตัวที่ 4
Time Grading
การจัดลำดับการทำงานของรีเลย์ Earth Fault ก็เหมือนกับรีเลย์ป้องกันที่ป้องกันเฟส สิ่งที่สำคัญคือ fuse ไม่สมารถแยกความแตกต่างระหว่าง phase fault และ earth fault ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถจัดลำดับการทำงานระหว่าง earth fault (ที่มีค่า setting ค่อนข้างต่ำ) กับ fuse ได้
เมื่อระบบมีการติดตั้งอุปกรณ์ Neutral Earth impedance, ระดับกระแส earth fault ในทางปฏิบัติจะเท่ากันทั่วทั้งระบบ ดังนี้น การจัดลำดับการทำงานของวงจรมักทำกันที่ระดับกระแสลัดวงจรนี้ และเนื่องจากระดับ fault level ดังกล่าว จึงไม่ต้องใช้ earth fault รีเลย์ที่มี curve แบบผกผันกระแส IDMT ใช้เพียง definite time เท่านั้น
การป้องกัน Earth fault ที่มีระดับกระแสต่ำ Sensitive Earth Fault Relays
เมื่อความต้านทางทางดินของระบบมีค่าสูง ซึ่งเป็นกรณีที่ระบบไม่ใช่ solid ground กระแสลัดวงจรลงดินจะถูกจำกัดทำให้ earth fault รีเลย์ปกติมีความไวไม่พอ ไม่สามารถตรวจจับ fault ได้ จึงต้องมีรีเลย์ที่มีความไว(ในการตรวจจับ) สูงกว่า ซึ่งรีเลย์ต้องมี burden ต่ำมากๆ รีเลย์ sensitive earth fault นี้ไม่สามารถจัดลำดับการทำงานเข้ากลุ่มกับรีเลย์ปกติได้ และจะปรับตั้งเป็น definite time เวลาหน่วงทำงานนานถึง 10 ถึง 15 วินาที เวลาหน่วงนี้ เพื่อป้องกัน transient unbalance เมื่อเกิด phase fault ค่า setting ต้องสูงกว่ากระแส residual ที่อาจเกิดขึ้นขณะมีโหลดปกติซึ่งอาจเกิดจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ไม่เหมือนกัน 100% ของ CT หรือเกิดจากกระแสรั่วไหลแบบ capacitive ที่ไม่สมดุลย์กันในระบบด้าน primary เพื่อให้มั่นใจว่ารีเลย์จะ reset หลังจากการทำงานชั่วขณะของส่วนวัดกระแส current measuring unit อัตราส่วน drop-off/pick-up ควรมีค่าสูง เช่น 99% เป็นต้น
ระบบป้องกันสำหรับจุดเชื่อมต่อ
ระบบที่ได้กล่าวมาก่อนแล้วมักจะถูกมองเป็นสายป้อนแบบ radial เมื่อทำการจัดลำดับการทำงาน grading แต่ถ้าเป็นระบบที่ต้องเชื่อมต่อกับระบบอื่น เกิดเป็นรูปแบบขนานหรือวงกลม การจัดลำดับจะยุ่งยากขึ้นอีกมาก
ยกตัวอย่าง การทำงานตัดวงจรของ circuit breaker ตัวใดตัวหนึ่งอาจไม่ใช่หรือไม่สามารถทำการตัดการลัดวงจรที่เกิดขึ้นได้ แต่อาจทำให้เกิดการกระจายการลัดวงจรไปยังระบบอื่นๆ เพิ่มอีก อาจทำให้รีเลย์จุดอื่นทำงานหรือไปเปลี่ยนสถานะการทำงานของรีเลย์อื่นที่กำลังจะทำงานตามหน้าที่เดิมที่ตั้งไว้แล้ว สำหรับระบบไฟฟ้า ณ.จุดเชื่อมต่อแล้วระดับกระแสลัดวงจรไม่เปลี่ยนแปลงมากนักและบางทีจะพบว่าไม่สามารถจัดระบบรีเลย์ป้องกันให้สามารถแยกแยะการเกิดลัดวงจรใด้ทุกแบบ เราต้องมองย่อยลงไปถึงสภาวะกระแสลัดวงจรสูงสุด ต่ำสุด จนถึงจุดที่ดีที่สุดที่สามารถยอมรับได้ บ่อยครั้งที่การติดตั้งรีเลย์ป้องกันกระแสเกินแบบมีทิศทาง directional overcurrent ช่วยแก้ปัญหาได้
การป้องกันหม้อแปลง DELTA/STAR
มี 2 จุดที่ควรตรวจสอบเป็นพิเศษเมื่อต้องการใช้รีเลย์กระแสเกินป้องกันหม้อแปลง delta/star
ภายใต้สภาวะเกิดการลัดวงจรแบบ เฟส-เฟส ที่ด้าน star ของทรานสฟอเมอร์ กระแสที่เกิดด้าน delta จะเกิดเป็นรูปแบบ 2:1:1 ตามที่ได้อธิบายว่ารีเลย์ป้องกันกระแสเกินสามารถต่อได้ทั้งแบบ 2 เฟส และ 3 เฟส ในกรณีนี้ การให้รีเลย์แบบ 2 เฟส อาจเกิดการทำงานช้าลง(คล้ายเกิดการหน่วงเวลา) ถ้าอินพุทของรีเลย์นั้นต่ออยู่กับเฟสที่มีกระแสไฟเพียง 1 หน่วย ในทางปฏิบัติ ถ้าอัตราส่วนกระแสลัดวงจรต่ำสุดกับกระแสโหลด สูงกว่า 4 สามารถใช้รีเลย์กระแสเกินแลล 2 เฟสได้ ทั้งนี้ เพราะอย่างน้อยกระแส Full load จะเพิ่มขึ้น 2 เท่าที่ด้าน delta ของหม้อแปลง
อีกจุดหนึ่ง คือ กระแสลัดวงจรแบบ 3 เฟส ด้าน star กระแส primary และ secondary จะเป็นสัดส่วนกันปรือเท่ากัน(สมมุติ อัตราส่วนแรงดันเป็น 1:1) แต่กรณีเกิดการลัดวงจร phase-phase กระแส secondary จะเป็น 0.866 เท่าของกระแส primary ดังนั้น ถ้าการจัดลำดับการทำงานรีเลย์ ณ.จุดกระแสลัดวงจร 3 เฟส ระยะเวลาเผื่อที่ปลอดภัย safty margin อาจไม่เพียงพอเมื่อเกิด phase-phase fault (ดู appendix 1 ด้านล่าง)
ในทางปฏิบัติไม่จำเป็นเสมอไปที่จะทำการ grading ข้ามหม้อแปลง การไม่ต้องพิจารณาตรงนี้ ช่วยให้เราไม่ปวดหัวถ้าระบบไฟฟ้าซับซ้อน มีหลายขั้น อย่างไรก็ตาม เราควรทำ grading ข้ามหม้อแปลงหากการทำงานของเบรคเอร์หลัก ทำให้เกิดไฟดับในวงจรอื่นๆ ที่ไม่ต้องการหรือการควบคุมเบรคเกอร์หลักขึ้นกับหน่วยอื่น
รีเลย์ป้องกันกระแสเกินแบบ HIGH SET OVERCURRENT
เมื่อ impedance ของแหล่งจ่ายน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับ impedance ของวงจรที่ป้องกันอยู่ (ยกตัวอย่าง สายส่งระยะไกลหรือหม้อแปลงสายป้อน) การใช้รีเลย์ป้องกันกระแสเกินแบบ HIGH SET OVERCURRENT จะมีส่วนช่วยได้มาก การใช้วิธีทำงานแบบทันที instantaneous ช่วยลดเวลารีเลย์ทำงาน(รีเลย์ทำงานเร็วขึ้น) ในขณะเกิดการแสลัดวงจรสูงๆ และช่วยให้ curve ที่อยู่ถัดจาก high set ไปทางด้านหลังลดลงต่ำกว่าเดิมได้ ทำการ grading ได้ดีกว่าเดิม (ดูรูปที่ 2)
สิ่งสำคัญที่ขอแจ้งไว้คือ เมื่อจัดลำดับการทำงานกับรีเลย์ที่อยู่ด้านหล้งตัวถัดไป ระยะ grading ควรปรับจากจุดปรับตั้งกระแสของ high set รีเลย์ไม่ใช่ที่จักกระแสลัดวงจรสูงสุดเหมือนที่เราให้เวลา grading รีเลย์แบบ IDMT
เมื่อให้รีเลย์ high set ต้องแน่ใจว่ารีเลย์จะไม่ทำงานเมื่อจุดลัดวงจรอยู่นอกข่ายป้องกัน ปกติรีเลย์จะตั้งไว้ที่ 1.2-1.3 เท่าของกระแสลัดวงจรสูงสุด ณ.จุดปลายของระยะที่ป้องกันอยู่ เมื่อเป็นการใช้ high set instantaneous รีเลย์ ป้องกันที่ด้าน HV ของหม้อแปลง ซึ่งรีเลย์นี้จะต้องไม่ทำงานเมื่อเกิดที่ฝั่ง LV ของหม้อแปลง
ค่าที่เพิ่ม 1.2-1.3 เท่านี้ เพื่อป้องกัน transient overeach (การยืดชั่วขณะของระยะป้องกัน) ความผิดเพี้ยนของ CT และความเพี้ยนของ impedance ของหม้อแปลงและระยะสาย(มีค่าน้อยมากๆ)
การยืดชั่วขณะของระยะป้องกัน ที่เรียกว่า transient overeach เกิดเมื่อคลื่นกระแสมีส่วนประกอบของแรงดันไฟตรง DC offset ถึงแม้รีเลย์จะมี setting สูงกว่าค่ากระแส rms แต่ถ้า trainsient overeach มีค่าสูง กระแสที่ยอด peak เริ่มต้นที่มี DC offset อาจทำให้รีเลย์ทำงานได้
อัตราส่วนเป็นเปอร์เซ็นของ transient overeach กำหนดจาก (I1-I2)/I2 x 100
เมื่อ
I1 คือกระแสที่ทำให้รีเลย์เริ่มตรวจจับ fault (pick up)ขณะที่ระบบอยู่ในสภาวะ steady state เป็น rms Amp
I2 คือกระแส rms เมื่อมี offset สูงสุดและทำให้รีเลย์เริ่มตรวจจับ fault
วิธีการตรวจวัดค่า transient overeach ของรีเลย์กระแสเกิน อธิบายใน appendix 2
รีเลย์กระแสเกินในระบบ INTERLOCKED
ในกรณีที่ต้องติดตั้ง CT ที่ฝั่งใดฝั่งหนึ่งของเบรคเกอร์ ตามรูปตัวอย่าง จะเกิดจุดบอดระหว่างเบรคเกอร์และ CT อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การลัดวงจรที่เกิดที่จุดนี้ถึงแม้จะถูกตรวจจับโดยรีเลย์ตัวใดตัวหนึ่ง แต่จะไม่สามารถตัดการลัดวงจรออกไปได้ บางครั้งมีการประยุกต์ใช้รีเลย์กระแสเกินที่มีระบบ interlock
เมื่อเกิดลัดวงจรที่ "F" จะถูกตรวจพบโดยรีเลย์ป้องกันบัสและทำงานและเปิดเบรคเกอร์ แต่รีเลย์ป้องกันที่สายป้อนไม่สามารถตรวจจับการลัดวงจรนี้ได้และกระแสจะยังคงไหลลงจุดลัดวงจรจากอีกด้านหนึ่ง
รีเลย์กระแสเกินที่มีระบบ interlock ปกติจะถูก block ไม่ให้เริ่มทำงานโดยบัสบาร์รีเลย์ จนเมื่อเกิดบัสบาร์ลัดวงจรรีเลย์ป้องกันบัสบาร์ทำงาน และส่งสัญญาณเป็น contact มาปลดการ block รีเลย์กระแสเกินและให้รีเลย์กระแสเกินทำงานได้ เมื่อรีเลย์กระแสเกินทำงานแล้วจะมีการส่งสัญญาณไปที่ปลายสายป้อนเพื่อเคลียร์กระแสลัดวงจร
ถ้า CT อยู่ด้านบัสบาร์(อีกด้านของเบรคเกอร์) รีเลย์ป้องกันสายป้อนจะถูกใช้เพื่อกระตุ้นให้รีเลย์กระแสเกินที่มี interlock ทำงานร่วมกับรีเลย์ป้องกันบัสบาร์
APPENDIX I
เปรียบเทียบเมื่อหม้อแปลง Delta-Star เกิดลัดวงจร 3 เฟสและ 2 เฟส
a) 3 phase fault
สมมุติ:
Voltage ratio is 1:1
Winding resistance Xt
Balanced 3 phase fault on Star side
Therefore, current flowing into fault on secondary side is;
Since this is a 30 fault, the current on the primary side is equal to the current on the secondary side (assuming a voltage ratio of 1 to 1). Therefore;
b) phase-phase fault
Assume:
Voltage ratio is 1:1
Winding resistance Xt
Phase-Phase fault on Star side
Therefore, current flowing into fault on secondary side is;
Within the delta winding, the CU rrent is given by;
From the diagram it can be seen that a phasephase fault on the star wide will give a 2-1-1 distribution of fault current on the delta side. Thus, in one phase only;
This will clearly affect the grading process.
Normally, the grading process would be calculated on a basis that the grading margin should be present at the maximum fault level seen by both relays. This would imply that the grading margin should be Gi. However, it is a more onerous case when the fault on the Star side gives rise to a 211 distribution, since the Star side relay will be operating more slowly. Therefore, the grading margin to be applied should be G2. As with all grading tasks, the curves should be plotted to ensure correct margins for all currents.
APPENDIX II
TRANSIENT OVEREACH
รูปแบบฟอลท์
การหาจัดทำงานของรีเลย์ในกรณีนี้ มาจากการทดสอบ 2 อย่าง:
1. กำหนดจุด pick up ของรีเลย์เมื่อเป็น Steady state RMS
2. กำหนดจุด pick up ของรีเลย์เมื่อเป็น RMS เมื่อเกิด offset สูงสุด
ค่า RMS จุด pick up ของรีเลย์ เมื่อเกิด offset สูงสุด (B) จะน้อยกว่าจุด pick up ของรีเลย์เมื่อเป็น Steady state RMS เนื่องจากมี offet จาก dc
FIGURE 1
FIGURE 2
ตัวอย่างการคำนวน โปรดติดต่อฝ่าย technical support engineer