Earth Fault Protection on Unground System

Earth Fault Protection on Unground System.

ในบางครั้งเราอาจจะพบกับระบบ Unground ซึ่งข้อดีของระบบ Unground คือเมื่อเกิด single line to ground fault ในระบบ จะไม่มีกระแส fault ไหลหรือมีเพียงเล็กน้อย (จากวงจรการต่อ voltage transformer และ stray capacitance ของสายส่ง) ทำให้ส่วนที่เหลือในระบบยังคงสามารถทำงานต่อไปได้ แต่อย่างไรก็ตามระบบก็ต้องถูกออกแบบเพื่อให้สามารถทนต่อ Over Voltage ที่เกิดขึ้นได้ ด้วยเหตุนี้โดยทั่วไปเราจึงใช้ระบบ Unground กับระบบ low voltage และ medium voltage เท่านั้น

Relay Connections

รูปที่ 4 แสดงวงจรการต่อรีเลย์ ประกอบด้วย voltage transformer , current transformer และ Directional Earth Fault Relay ลักษณะของการต่อ voltage transformer จะต่อเหมือนกับในรูปที่ 1 แล้วนำ residual voltage ไปเป็น input ให้กับ Directional Earth Fault Relay โดย resistor ที่ต่ออยู่ทางด้าน secondary ของ voltage transformer ทำหน้าที่ป้องกันการเกิด Ferro resonance โดยค่า resistor จะเลือกตาม voltage ratio ตามตารางที่ 1 ส่วน input อีกตัวหนึ่งของDirectional Earth Fault Relay คือ residual current ได้จากการต่อ current transformer ตามรูป

ตารางที่ 1 แสดงการเลือกค่าความต้านทานตามขนาดของ Voltage Transformer Ratio

จากวงจรการต่อDirectional Earth Fault Relay หากระบบเกิด single line to ground fault กระแส Fault ที่เกิดขึ้นสามารถแยกพิจารณาได้ 2 ส่วน ดังนี้

รูปที่ 5 ทิศทางการไหลของกระแส Fault

รูปที่ 6 Phasor Diagram

รูปที่ 5 แสดงทิศทางการไหลของกระแส faultที่มาจาก voltage transformer ขณะเกิด phase C to ground fault และนำมาเขียน Phasor Diagram ได้ดังรูปที่ 6 ซึ่งเราพบว่า residual current มี phase นำหน้า residual voltageอยู่ 90 องศา

รูปที่ 7 Simulation Circuit using PSCAD/EMTDC

ในรูปที่ 7 แสดงวงจรที่ใช้จำลองการเกิด phase C to ground fault โดยใช้โปรแกรม PSCAD/EMTDC เพื่อดูความสัมพันธ์ของ residual voltage และ residual current โดยพิจารณากระแส fault ที่มาจาก voltage transformer เพียงอย่างเดียว ซึ่งผลลัพธ์ก็คือใน Feeder ที่เกิด fault จะมี residual current นำหน้า residual voltage อยู่ 90 องศา ส่วนใน Healthy Feeder จะมี residual current เท่ากับศุนย์ ดังรูปที่ 8 และ 9 ตามลำดับ

รูปที่ 8 residual voltage และ residual current on Fault Feeder

รูปที่ 9 residual voltage และ residual current on Healthy Feeder

2. กระแส fault ที่เกิดจาก stray capacitance

รูปที่ 11 Phasor Diagram

รูปที่ 10 แสดงทิศทางการไหลของกระแส faultที่เกิดจาก stray capacitance ขณะเกิด phase C to ground fault และนำมาเขียน Phasor Diagram ได้ดังรูปที่ 11 ซึ่งเราพบว่า residual current มี phase ล้าหลัง residual voltageอยู่ 90 องศา

รูปที่ 12 Simulation Circuit using PSCAD/EMTDC

ในรูปที่ 12 แสดงวงจรที่ใช้จำลองการเกิด phase C to ground fault โดยใช้โปรแกรม PSCAD/EMTDC เพื่อดูความสัมพันธ์ของ residual voltage และ residual current โดยพิจารณากระแส fault ที่เกิดจาก stray capacitance เพียงอย่างเดียว ซึ่งผลลัพธ์ก็คือใน Feeder ที่เกิด fault จะมี residual current ล้าหลัง residual voltage อยู่ 90 องศา ส่วนใน Healthy Feeder จะมี residual current นำหน้า residual voltage อยู่ 90 องศา ดังรูปที่ 13 และ 14 ตามลำดับ

รูปที่ 13 residual voltage และ residual current on Fault Feeder

รูปที่ 14 residual voltage และ residual current on Healthy Feeder

เราพบว่าการตั้งค่า RCA ของ Directional Earth Fault Relay ขึ้นอยู่กับปริมาณของกระแส fault ที่มาจาก 2 ส่วนนี้ ถ้าเราใช้ Directional Earth Fault Relay ในการป้องกันระบบที่ไช้สาย Feeder เป็นสาย cable สั้นๆ เราอาจจะตั้งค่า RCA เท่ากับ 90 องศาหรือใช้ Directional Earth Fault ที่มี Characteristic ดังรูปที่ 15 ได้ แต่ถ้าสาย Feeder เป็นสาย cable ยาวๆ มีค่า stray capacitance มากๆ อาจจะทำให้กระแส fault ที่มาจาก stray capacitance มีค่ามากกว่า กระแส fault ที่มาจาก voltage transformer ซึ่งทำให้ residual current ขณะเกิด single line to ground ล้าหลัง residual voltage ส่งผลให้ Directional Earth Fault Relay ที่ตั้งค่า RCA เท่ากับ 90 องศาหรือ Directional Earth Fault Relay ที่มี Characteristic ดังรูปที่ 15 ไม่ทำงาน และอาจทำให้อุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าของเราเกิดความเสียหายได้

นอกจากนี้แล้วหากบน Healthy Feeder มี stray capacitanceมากๆ ยังทำให้ residual current บน Healthy Feeder ขณะเกิด single line to ground นำหน้า residual voltage อีกด้วย ซึ่งอาจทำให้ Directional Earth Fault Relay บน Healthy Feeder ส่งสัญญาณ trip ได้

ดังนั้นเพื่อพิสูจน์ว่า residual current นำหน้าหรือล้าหลัง residual voltage จึงควรทำการทดสอบจริงที่ไซด์งานหรือทำการวัดค่า stray capacitance ของทุกๆ สาย Feeder

รูปที่ 15 Directional Earth Fault Relay Characteristic ,Toshiba Type IDG5D.

รูปที่ 16 แสดงสัญญาณของ residual voltageและ residual current บน fault feeder

รูปที่ 17 แสดงสัญญาณของ residual voltageและ residual current บน healthy feeder

รูปที่ 16, 17 แสดงสัญญาณของ residual voltageและ residual current ที่วัดได้ที่โรงงานน้ำตาล ประจวบ จังหวัด กาญจนบุรี

Reference.

1. Areva Relays Manual.
2. Mitsubishi Type CWG-2B-D, CWG-2B-R Directional Ground Relay Manual
3. Power System Analysis, second edition. Hadi Saadat.
4. Toshiba Instructions for Directional Ground Relay Type 1DG5D.
5. Yearly Maintenance Tested Report, Prajuab Sugar Factory.