رله بوخهلتس

در این آموزش، یکی از تجهیزات حفاظتی ترانسفورماتورها را معرفی خواهیم کرد. «رله بوخهلتس» (Buchholz Relay) تجهیزی است که برای حفاظت ترانسفورماتورهای روغنی به کار می‌رود. به دلایل اقتصادی، رله بوخهلتس در ترانسفورماتورهایی که توان نامی آن‌ها کمتر از ۵۰۰ کیلوولت-آمپر است مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. این رله از ترانسفوماتورها در برابر خطرات مشخصی مانند خرابی عایق سیم‌پیچ‌ها و شکست الکتریکی روغن محافظت می‌کند. رله بوخهلتس را «ماکس بوخهلتس» (Max Buchholz) آلمانی در سال ۱۹۲۱ معرفی کرد.

ساختار و عملکرد رله بوخهلتس

رله بوخهلتس قابلیت شناسایی انواع مختلف خطاها را دارد و به محض تشخیص، مدار را قطع می‌کند تا از آسیب‌دیدگی ترانسفورماتور جلوگیری شود. شکل زیر طرح کلی رله بوخهلتس در ترانسفورماتور را نشان می‌دهد. رله بوخهلتس، یک محفظه روغن است که از طریق اتصالات لوله‌ای بین مخزن اصلی و منبع انبساط روغن ترانسفورماتور قرار دارد.

رله بوخهلتس دو بخش اصلی دارد که بخش بالایی آن از یک شناور تشکیل شده است. این شناور به یک لولا متصل شده، به گونه‌ای که می‌تواند بسته به مقدار روغن محفظه رله به صورت آزادانه به سمت بالا و پایین حرکت کند. یک کلید جیوه‌ای روی شناور تعبیه شده است. در نتیجه، تنظیم و تراز بودن کلید جیوه‌ای به موقعیت شناور بستگی دارد.

بخش دوم و پایینی رله از یک صفحه و یک کلید جیوه‌ای تشکیل شده است. این صفحه از طریق یک لولا در درون محفظه و جلوی ورودی روغن و به گونه‌ای تعبیه شده است که وقتی روغن با فشار بالا به رله وارد می‌شود، تراز صفحه با کلید جیوه‌ای متصل به آن تغییر خواهد کرد.

علاوه بر دو شناوری که به آن‌ها اشاره شد، یک رله بوخهلتس کیسه‌های تخلیه‌ هوایی در قسمت فوقانی دارد.

اصول عملکرد رله بوخهلتس بسیار ساده و بر اساس یک پدیده مکانیکی است. هر زمانی که یک عیب کوچک، مانند عیوب عایق، شکست هسته، گرم شدن هسته، تجزیه عایق ترانسفوماتور به گازهای هیدروکربنی مختلف مونو اکسید کربن و دی اکسید کربن در ترانسفورماتور رخ دهد، رله تحریک می‌شود. گازهای تولیدی ناشی از تجزیه روغن عایق ترانسفورماتور در بخش بالایی رله انباشته شده و موجب کاهش سطح آن می‌شوند. تصویر زیر چگونگی عملکرد رله بوخهلتس را به خوبی نشان می‌دهد.

پایین آمدن سطح روغن به معنی پایین آمدن شناور و در نتیجه از تراز در آمدن و کج شدن کلید جیوه‌ای است. در نتیجه، کنتاکت‌های کلید جیوه‌ای بسته شده و مدار هشدار فعال می‌شود.

گاهی به دلیل نشتی روغن در مخزن اصلی، ممکن است حباب‌های هوا در قسمت بالایی محفظه رله بوخهلتس جمع شوند و در نتیجه سطح روغن را کاهش داده و موجب فعال شدن مدار هشدار گردند. با جمع کردن این گازها از کیسه‌های تخلیه قسمت فوقانی رله و آنالیز آن‌ها می‌توان نوع عیب رخ داده در ترانسفورماتور را پیش‌بینی کرد.

سایر عیوب مانند اتصال کوتاه بین فازها یا زمین یا خطاهایی که در تغییر تپ ترانسفورماتور رخ می‌دهند، با یک موج روغن همراه خواهد بود که به صفحه برخورد کرده و سبب می‌شوند کلید جیوه‌ای متصل به شناور پایینی بسته شود. این کلید، مدار قطع (Trip) کلید‌های قدرت را فعال کرده و سریعاً ترانسفورماتوری را که در آن خطا رخ داده است از سیستم قدرت جدا می‌کند.

ممکن است رله بوخهلتس بدون رخ دادن هیچ‌گونه خطایی در ترانسفورماتور عمل کند. به عنوان مثال، وقتی روغن به ترانسفورماتور اضافه می‌شود، ممکن است همراه با آن هوا وارد شود و در زیر پوشش رله جمع شود که سبب عملکرد اشتباه رله بوخهلتس می‌شود. در این حالت از یک قفل مکانیکی استفاده می‌شود که از حرکت کلیدهای جیوه‌ای هنگام بالا بردن سطح روغن جلوگیری می‌کند. این قفل مکانیکی سبب جلوگیری از حرکت غیرضروری حباب شیشه‌ای کلیدهای جیوه‌ای در هنگام حمل و نقل رله نیز می‌شود.

اگر سرعت روغن در لوله اتصال، نه به دلیل یک خطای داخلی، برای تحریک شناور پایینی کافی باشد، ممکن است این شناور به اشتباه عمل کند. این حالت می‌تواند در زمان اتصال کوتاه خارجی رخ دهد که در آن، اضافه جریان‌های گذرنده از سیم‌پیچ سبب اضافه دمای مس و روغن و منبسط شدن آن می‌شود.

به طور خلاصه می‌توان گفت که رله بوخهلتس در سه وضعیت زیر عمل می‌کند:

1. وقتی حباب‌های گاز به دلیل رخ دادن خطا در درون ترانسفورماتور تشکیل شود.
2. وقتی سطح روغن ترانسفورماتور کم شود.
3. زمانی که روغن به سرعت از کنسرواتور (منبع انبساط روغن) به مخزن اصلی یا بالعکس جریان پیدا کند.

از مزایای رله بوخهلتس این است که خطاهای داخلی سیم‌پیچ و خطاهایی را که به علت گرمای هسته رخ می‌دهد تشخیص می‌دهد و از تشدید آ‌ن‌ها جلوگیری می‌کند. همچنین، ماهیت و شدت خطا را می‌توان بدون باز کردن و بررسی ترانسفورماتور و تنها با آزمایش نمونه‌های هوا تعیین کرد.

برخی از مهم‌ترین محدودیت‌های رله بوخهلتس عبارتند از:

• فقط در ترانسفورماتورهای روغنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• فقط خطاهای پایین‌تر از سطح روغن را آشکار می‌کند.
• از کابل‌‌ها محافظت نمی‌کند و باید از حفاظت‌های جدا برای کابل‌ها استفاده کرد.
• پاسخ زمانی این رله بسیار بزرگ است. به طوری که حداقل زمان عملکرد این رله 0.1 ثانیه و میانگین آن 0.2 ثانیه است.

 

آزمون رله بوخهلتس

آزمون‌های متعددی برای رله بوخهلتس وجود دارد که در اینجا به سه مورد از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

• تست نشتی (Leakage Test): در این آزمایش، رله را در دمای ۹۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۳ دقیقه در روغن قرار داده و وجود جریان‌های نشتی روغن را بررسی می‌کنند.
• تست الکتریکی (Electrical Test): در این آزمون، اتصال رله به عایق ایزوله شده زمین برای تضمین تحمل بیش از ۱ دقیقه در ولتاژ ۲ کیلوولت بررسی می‌شود.
• تست عملکردی (Functional Test): این آزمون را می‌توان به طور خاص با PLC انجام داد و عملکرد رله را بررسی کرد.

نکات مربوط به نصب و راه‌اندازی رله بوخهلتس

همان‌طور که گفتیم، عملکرد رله بوخهلتس بسیار ساده است؛ البته الزاماتی نیز برای نصب این رله وجود دارد که باید آن‌ها را رعایت کرد. برخی از مهم‌ترین الزامات نصب رله‌های بوخهلتس به شرح زیر است:

1. شناورهای رله باید برای کار در شرایط مختلف آماده باشند؛ به همین منظور باید آن‌ها را در روغن گرم غوطه‌ور کرد تا توانایی تحمل نیرو‌های اضافه را داشته باشند.
2. رله و لوله متصل به آن باید حداقل ۱.۵ تا ۳ درصد شیب داشته و هیچ گونه بیرون‌زدگی نداشته باشند تا اطمینان حاصل شود که گازها به طور کامل در محفظه قرار می‌گیرند.
3. برای آنکه اتصالات هادی از روغن آسیب نبینند، باید به جای لاستیک از کاغذ استفاده شود.

آنالیز خطا

با بررسی و تحلیل گاز جمع شده در رله بوخهلتس می‌توان نوع خطای رخ داده را مشخص کرد. جدول زیر این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد.

ماهیت گاز	خطای احتمالی
بی‌رنگ و خنثی	هوا در روغن یا عایق محبوس شده است.
سفید متمایل به خاکستری با بوی تند و غیر قابل اشتعال	گرمای بیش از حد عایق
زرد و قابل اشتعال	تجزیه عایق چوبی
خاکستری تیره قابل اشتعال	قوس الکتریکی و گرم شدن بیش از حد