الف) حفاظتهاي مورد نياز براي ترانسفورماتورهاي توزيع با توجه به استاندارد
ترانسفورماتورهاي توزيع بين ۳۰۰KVA و ۲۵۰۰KVA با سطوح ولتاژ ۲۰kV، ۲۴kV و يا ۳۸۰V مي‌باشد. در شبكه‌هاي توزيع صنعتي ترانسفورماتورهايي كه براي تغذيه بارهاي عمومي بكار مي‌روند قدرتي بين ۲-۵MVA در سطح ولتاز ۳-۳۰KV را دارا مي‌باشند.
با توجه به استاندارد ANSI/IEEE و استاندارد VDA، حفاظتهاي مورد نياز ترانسفورماتورهاي تا سطح ۵MVA به شرح زير است:
- رله اضافه بار
با دو يا سه مرحله به منظور تشخيص افزايش تدريجي جريان بار ترانسفورماتور تا ميزان ۱۰% الي ۲۰% و با تاخير زماني كافي در حدود چند دقيقه. رله در مرحله اول و دوم آلارم ارسال مي‌كند و در مرحله سوم فرمان قطع براي كليد ارسال مي‌كند.
- رله اضافه جريان نوع IDMT مجهز به واحد آني
از تنظيم تأخيري براي مقابله باخطاهاي گذرا و از واحد آني براي حفاظت در برابر برخي خطاهاي داخلي استفاده مي‌شود. به هنگام تنظيم رله IDMT بايد جريان هجومي ترانسفورماتور در نظر گرفته شود.
- رله اتصال زمين براي محافظت ترانسفورماتور در برابر خطاهاي اتصال زمين.
اكثر ترانسفورماتورهاي سه فاز در سطح توزيع داراي اوليه (سمت فشار قوي) مثلث و ثانويه (سمت فشار ضعيف) ستاره زمين شده مي‌باشند. بنابراين مطابق آنچه كه در بخش ۳-۱-۳ بيان گرديد مي‌توان از رله ۵IN براي حفاظت آن استفاده نمود.
- رله گازي حساس به فشار و حجم گاز جهت تشخيص گازهاي توليد شده ناشي از تجزيه روغن.
سازندگان ترانسفورماتورها معمولاً يك رله بوخهلتس بر روي ترانسفورماتور نصب مي‌كنند كه در ترانسفورماتورهاي كوچك و كم قدرت مناسب براي تشخيص گازهاي جمع شده در آن مي‌باشد.
- چنانچه در برخي تأسيسات صنعتي نياز به ترانسفورماتورهاي توزيع با مكانيزم تپ چنجر قابل تغيير زير بار باشد، بايد حتماً از رله تعيين كننده سطح روغن استفاده نمود. در شبكه توزيع شهري معمولاً تپ چنجر ترانسفورماتورها ازنوع off-load بوده و بنابراين نيازي به اين نوع رله نمي‌باشد.
در ترانسفورماتورهاي توزيع باتوجه به مسايل تكنيكي و اقتصادي، از حفاظت اضافه جريان نوع IDMT مجهز به واحد آني (چنانچه در سمت فشار قوي كليد موجود باشد) و يا فيوز (در صورت نبود كليد) به عنوان حفاظت اصلي استفاده مي‌شود. اين حفاظتها تأخيري بوده تا هماهنگي با تجهيزات حفاظتي پايين دستي امكان پذير باشد. از اين نوع حفاظتهاي تأخيري به عنوان حفاظت اصلي در ترانسفورماتورهاي پرقدرت توزيع، انتقال و توليد به دليل پايداري سيستم، هزينه بالاي تعمير و مدت زمان خروج ترانس استفاده نمي‌شود و معمولاً در اين نوع ترانسفورماتورها نقش حفاظت پشتيبان براي حفاظت تفاضلي را بر عهده دارند.
هم اكنون از رله‌هاي اوليه براي حفاظت اصلي ترانسفورماتورهاي زمين شبكه توزيع استفاده مي‌شود.
ب) دلايل افزايش حرارت ترانسفورماتور و نتايج نامطلوب آن
دلايل افزايش حرارت ترانسفورماتور عبارتند از:
- دماي زياد محيط
- از كار افتادن سيستم خنك كنندگي
- خطاي خارجي كه با تأخير رفع شده است
- اضافه بار
- شرايط غير معمول سيستم مانند فركانس پايين، ولتاژ بالا، جريان بار غيرسينوسي و يا عدم تعادل ولتاژ فازي
نتايج نامطلوب افزايش حرارت به شرح زير است:
- عمر عايق‌هاي ترانسفورماتور با توجه به مدت زمان و ميزان افزايش حرارت كاهش مي‌يابد.
- افزايش حرارت زياد باعث خرابي عايق‌ها مي‌شود.
- افزايش حرارت زياد، حرارت سيستم خنك كننده ترانسفورماتور را بالا برده و باعث آتش گرفتن ترانسفورماتور مي‌شود.
- افزايش حرارت، گاز توليد مي‌كند كه مي‌تواند باعث نقص الكتريكي شود.
بنابراين لازم است كه افزايش حرارت در ترانسفورماتور تشخيص داده شده و چنانچه حرارت از محدوده مجاز خارج گرديد، ترانس از مدار خارج شود.
از آنجا كه روغن داغ داراي چگالي پايين است به سمت بالا حركت مي‌كند. بنابراين روغني كه در سطح قرار دارد داراي دماي بالايي است. دماي اين روغن تا حدودي نشان دهنده دماي سيم پيچي‌ها و متناسب با بار ترانسفورماتور است. دماي روغن سطح كمتر از دماي نقاط داغ روي سيم‌پيچي است و بنابراين نمي‌تواند نشان دهنده دماي سيم‌پيچي باشد. لذا استفاده از ترمومتر كه دماي سطح روغن را نشان مي‌دهد براي مقابله با اضافه بار كاملاً مناسب نمي‌باشد.
ج) حفاظت ثانويه
با توجه به مشكلات ذكر شده در مورد رله‌هاي اوليه، امروزه از رله‌هاي ثانويه بطور گسترده بخصوص در شبكه‌هاي انتقال استفاده مي‌شود. مزاياي رله‌هاي ثانويه بخصوص ايزوله بودن آن از سمت فشار قوي باعث شده كه در اكثر كشورها از رله‌هاي ثانويه در شبكه توزيع نيز استفاده گردد. با توجه به پيشرفت‌هاي اخير، امروزه مي‌توان از رله‌هاي ديجيتالي ثانويه استفاده نمود. رله‌هاي ديجيتالي داراي فيلتر ورودي، مبدل آنالوگ به ديجيتال و ميكروپروسسور داخلي است. فيلتر ورودي هارمونيك‌ها را فيلتر كرده و فقط مؤلفه اصلي شكل موج جريان را از خود عبور مي‌دهد. هارمونيك‌هاي شبكه بر روي رله‌هاي الكترومكانيكي و رله‌هاي استاتيكي اثرات نامطلوبي دارد و باعث عملكرد نابجاي آنها مي‌شود.
در بخش مبدل آنالوگ به ديجيتال، از شكل موج نمونه برداري شده و سپس با استفاده از الگوريتمهاي مختلف نظير الگوريتم فوريه تمام سيكل. مقدار ماكزيمم جريان را بدست مي‌آورند و در نهايت با پردازشهاي انجام گرفته در ميكروپروسسور مربوطه، تصميم نهايي براي ارسال يا عدم ارسال فرمان قطع اتخاذ مي‌شود.
واحدهاي رله ديجيتالي به شرح زير است:
- واحد فازي تأخيري (۵۱): اين واحد داراي مشخص‌هاي معكوس زماني معمولي، خيلي معكوس، شديداً معكوس و زمان طولاني مي‌باشد. بنابراين با افزايش دامنه جريان خطا، زمان عملكرد رله كاهش مي‌يابد.
- واحد فازي آني (۵۰): اين بخش براي رفع سريع خطا بكار مي‌رود.
- واحد اتصال زمين تأخيري (۵۱N): اين بخش نيز داراي منحني‌‌هاي معكوس زماني بوده و براي حفاظت تأخيري در برابر اتصال زمين بكار برده مي‌شود.
- واحد اتصال زمين آني ( ۵۰N): اين واحد براي رفع سريع خطاي اتصال زمين بكار مي‌رود.
علاوه بر واحدهاي فوق هر رله ديجيتالي چندين ورودي را مي‌تواند دريافت كندكه از آنها براي مانيتورينگ و يا تشخيص وضعيت تجهيزات ديگر مي توان استفاده نمود. به عنوان مثال در ترانسفورماتور توزيع از خروجي رله بوخهلتس براي فعال كردن يك آلارم در درون رله مي‌توان استفاده نمود. همچنين برخي از رله‌هاي ديجيتالي داراي واحدهايي هستند كه از آنها به منظور حفاظت اضافه بار ترانسفورماتور مي توان استفاده نمود.
وجود ميكروپروسسور و الگوريتمهاي دقيق براي اندازه‌گيري باعث شده است كه دقت اين نوع رله‌ها بيشتر از رله‌هاي الكترومكانيكي و الكترونيكي باشد. همچنين از نظر اقتصادي اين نوع رله‌ها مقرون به صرفه مي‌باشد ومي‌توانند همزمان براي حفاظت فازي و اتصال زمين بكار برده شوند. بنابراين با يك رله ديجيتالي مي‌توان ترانسفورماتور توزيع را حفاظت نمود.
د) رله بوخهلتس
اين نوع رله ، در ترانسفورماتورهايي كه داراي مخزن انبساط بوده و فضايي براي گاز انباشته شده در اطراف تانك روغن ندارند به كار مي‌رود. اين رله در لوله‌اي كه تانك اصلي روغن را به مخزن انبساط متصل مي‌كند قرار مي‌گيرد و طوري طراحي شده است كه هر گونه گاز ساطع شده از روغن را احساس مي‌كند. اين رله مي‌تواند خطاهاي كوچك را از روي انباشت گاز در طي يك بازه زماني و يا خطاهاي بزرگ را از روي جابجايي سريع روغن تشخيص دهد. اين رله مي‌تواند حجم كمي از گاز را تشخيص دهد و بنابراين قادر به تشخيص جرقه‌هايي با انرژي كم است. اين رله همچنين قادر به تشخيص حرارت ايجاد شده در اثر مقاومت بالاي اتصالات، جريان گردشي زياد بين ورقه‌ها، جرقه با انرژي كم يا زياد و يا فرسودگي ناشي از اضافه بار است.