درون رله بوخهلتس معمولاً دو شناور وجود دارد. شناور بالایی برای تشخیص گازهای تولیدشده از تجزیه روغن هنگام وقوع خطاهای جزئی و تدریجی طراحی شده است. شناور پایینی به یک پره مکانیکی متصل است و در صورت حرکت سریع روغن (ناشی از خطاهای شدید یا اتصال کوتاه داخلی)، فعال می‌شود. هر شناور دارای سوئیچ مخصوص به خود است که می‌تواند آلارم یا دستور قطع را به سیستم کنترلی بدهد.
رله بوخهلتس یکی از تجهیزات حفاظتی کلیدی در صنعت برق است که به‌طور خاص برای ترانسفورماتورهای روغنی طراحی شده است. این دستگاه با تشخیص زودهنگام خطاها، از آسیب‌های جدی به ترانسفورماتورها جلوگیری می‌کند و نقش مهمی در حفظ پایداری سیستم‌های قدرت ایفا می‌کند. به گزارش ابرار صنعتی، رله بوخهلتس با ترکیب طراحی مکانیکی ساده و عملکرد قابل اعتماد، به یکی از استانداردهای حفاظتی در مهندسی برق تبدیل شده است.
آشنایی با رله بوخهلتس
رله بوخهلتس (Buchholz Relay) یک دستگاه حفاظتی مکانیکی است که برای شناسایی و واکنش به خطاهای داخلی در ترانسفورماتورهای روغنی و سایر تجهیزات الکتریکی پر از روغن استفاده می‌شود. این رله در مسیر لوله اتصال بین مخزن اصلی ترانسفورماتور و مخزن انبساط (کنسرواتور) نصب می‌شود و با تشخیص تغییرات غیرعادی در روغن عایق، مانند تولید گاز، کاهش سطح روغن یا جریان شدید روغن، هشدار می‌دهد یا مدار را قطع می‌کند. رله بوخهلتس در سال 1921 توسط ماکس بوخهلتس، مهندس آلمانی، اختراع شد و از آن زمان به یکی از اجزای استاندارد در حفاظت ترانسفورماتورها تبدیل شده است.
رله بوخهلتس به دلیل توانایی تشخیص خطاهای داخلی مانند خرابی عایق، اتصال کوتاه یا گرمای بیش از حد هسته، نقش حیاتی در افزایش عمر ترانسفورماتورها دارد. این رله با ارائه هشدارهای زودهنگام، امکان مداخله سریع را فراهم می‌کند و از خسارات پرهزینه جلوگیری می‌کند.
نحوه عملکرد رله بوخهلتس
وقتی خطایی در داخل ترانسفورماتور رخ می‌دهد، انرژی آزادشده باعث تجزیه عایق‌های کاغذی یا روغن می‌شود. این فرایند گاز تولید می‌کند که به سمت بالای مخزن حرکت می‌کند و در مسیر به داخل محفظه رله بوخهلتس وارد می‌شود. گاز در آنجا تجمع یافته و سطح روغن را پایین می‌آورد که باعث فعال شدن شناور بالایی می‌شود. این فعال‌سازی معمولاً منجر به ارسال سیگنال هشدار به اپراتور می‌شود.
در موارد شدیدتر که خطا موجب جریان سریع روغن در مسیر لوله شود، پره متصل به شناور پایینی به حرکت در می‌آید. این حرکت مکانیکی منجر به فعال شدن سوئیچ دوم و در نتیجه صدور فرمان قطع برای کلید قدرت یا بریکر ترانسفورماتور می‌شود. به این ترتیب، از بروز خسارت گسترده‌تر به ترانس یا حتی انفجار احتمالی جلوگیری می‌شود.
اهمیت در سیستم حفاظتی
رله بوخهلتس با توجه به ویژگی مکانیکی خود می‌تواند خطاهایی را تشخیص دهد که معمولاً از دید رله‌های الکتریکی پنهان می‌مانند. این موضوع آن را به یک ابزار حیاتی در حفاظت داخلی ترانسفورماتورها تبدیل کرده است. در واقع، این رله نقش پیش‌هشداردهنده را ایفا می‌کند و با هشدار به موقع، از ورود به مرحله بحرانی جلوگیری می‌کند. در بسیاری از نیروگاه‌ها، پست‌های انتقال و صنایع بزرگ، نصب این رله بر روی ترانسفورماتورهای روغنی الزامی است.
تفاوت رله بوخهلتس با رله حفاظتی معمولی
در سیستم‌های قدرت، حفاظت از ترانسفورماتورها و تجهیزات حساس یکی از الزامات اصلی بهره‌برداری ایمن و پایدار است. دو نوع رایج از تجهیزات حفاظتی، رله بوخهلتس و رله‌های حفاظتی معمولی هستند که هرکدام وظایف خاصی را بر عهده دارند و نحوه عملکرد متفاوتی دارند. درک تفاوت این دو، به مهندسان برق کمک می‌کند تا طراحی دقیق‌تری در حفاظت از تجهیزات انجام دهند.
عملکرد رله بوخهلتس
رله بوخهلتس به‌صورت خاص برای ترانسفورماتورهای روغنی طراحی شده و وظیفه‌اش تشخیص خطاهای داخلی مانند شکست عایقی، قوس الکتریکی یا گرم شدن غیرعادی در داخل تانک ترانسفورماتور است. اساس کار این رله بر مبنای تشخیص تجمع گاز و جریان سریع روغن در مسیر بین تانک اصلی و منبع انبساط (کنسرواتور) است. هرگونه نشت گاز یا حرکت ناگهانی روغن، باعث فعال شدن رله می‌شود و می‌تواند هشدار دهد یا دستور قطع صادر کند.
نقش رله‌های حفاظتی معمولی
رله‌های حفاظتی معمولی، مانند رله‌های جریان زیاد، رله دیفرانسیل یا رله زمین، بیشتر بر اساس تحلیل جریان و ولتاژ در مدار کار می‌کنند. این رله‌ها عموماً در تابلو برق یا کنار کلید قدرت نصب شده و وظیفه‌شان حفاظت در برابر خطاهای بیرونی، اتصال کوتاه، اضافه‌بار یا خطای زمین است. در حالی که رله بوخهلتس مستقیماً با وضعیت فیزیکی داخلی ترانسفورماتور سر و کار دارد، رله‌های حفاظتی متکی به مقادیر الکتریکی هستند.
مقایسه فنی دو نوع رله
| ویژگی | رله بوخهلتس | رله حفاظتی معمولی |
| محل نصب | روی لوله بین تانک و کنسرواتور | داخل تابلو برق یا کنار ترانس |
| نوع خطای قابل تشخیص | خطاهای مکانیکی و گازی داخل ترانس | اتصال کوتاه، اضافه‌بار، زمین |
| حساسیت به تغییر فیزیکی | بسیار بالا | ندارد |
| وابستگی به سیگنال الکتریکی | ندارد | دارد |
| واکنش در برابر قوس داخلی | دارد | معمولاً ندارد |
| کاربرد اصلی | ترانسفورماتورهای روغنی | انواع تجهیزات برق قدرت |
| خروجی | هشدار یا قطع اضطراری | کنترل سیستم کلیدزنی |
رله بوخهلتس و رله حفاظتی معمولی مکمل یکدیگرند و نمی‌توان یکی را جایگزین دیگری دانست. استفاده هم‌زمان از این دو نوع رله، هم حفاظت داخلی و هم حفاظت خارجی ترانسفورماتور را تضمین می‌کند. در واقع، رله بوخهلتس برای تشخیص مشکلاتی طراحی شده که با تجهیزات الکتریکی قابل اندازه‌گیری نیستند، در حالی که رله‌های حفاظتی معمولی تغییرات جریان و ولتاژ را در نظر می‌گیرند. در یک طراحی حرفه‌ای سیستم حفاظتی، هر دو نوع باید در نظر گرفته شوند.
تاریخچه و تکامل رله بوخهلتس
رله بوخهلتس از زمان اختراعش در اوایل قرن بیستم، مسیری طولانی را طی کرده است. ماکس بوخهلتس این دستگاه را برای پاسخ به نیازهای رو به رشد صنعت برق طراحی کرد، زمانی که ترانسفورماتورهای روغنی به‌طور گسترده در سیستم‌های انتقال و توزیع قدرت مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در دهه‌های 1940 و 1950، با استانداردسازی طراحی ترانسفورماتورها، استفاده از این رله در سطح جهانی گسترش یافت.
رله بوخهلتس در طول سال‌ها بهبودهایی در مواد و حساسیت خود تجربه کرده است. امروزه، مدل‌های مدرن این رله از مواد مقاوم‌تر و کلیدهای پیشرفته‌تر استفاده می‌کنند و حتی قابلیت ادغام با سیستم‌های دیجیتال برای مانیتورینگ از راه دور را دارند. با این حال، اصول مکانیکی اولیه آن همچنان بدون تغییر باقی مانده است، که نشان‌دهنده طراحی هوشمندانه و پایدار این دستگاه است.
ساختار و اجزای اصلی
رله بوخهلتس از چند بخش کلیدی تشکیل شده است که هر کدام نقش خاصی در عملکرد حفاظتی آن دارند:
- محفظه اصلی (Housing): بدنه‌ای فلزی یا پلاستیکی مقاوم که اجزای داخلی را در برابر شرایط محیطی محافظت می‌کند. این محفظه معمولاً در مسیر لوله اتصال نصب می‌شود.
- شناور بالایی (Upper Float): شناوری متصل به یک لولا که با کاهش سطح روغن یا تجمع گاز به سمت پایین حرکت می‌کند. یک کلید جیوه‌ای یا مغناطیسی روی این شناور قرار دارد که مدار هشدار را فعال می‌کند.
- شناور پایینی (Lower Float): شناوری دیگر که به یک صفحه بافل متصل است و در برابر جریان شدید روغن (مثلاً ناشی از اتصال کوتاه) واکنش نشان می‌دهد. این شناور مدار قطع (تریپ) را فعال می‌کند.
- کیسه‌های تخلیه گاز (Gas Release Bags): در قسمت بالایی رله قرار دارند و برای جمع‌آوری گازهای تولیدشده استفاده می‌شوند. این گازها می‌توانند برای تحلیل نوع خطا بررسی شوند.
- کلیدهای جیوه‌ای یا مغناطیسی (Switches): برای ارسال سیگنال‌های هشدار یا قطع به سیستم‌های کنترلی.
بلوک ترمینال (Terminal Block): برای اتصال الکتریکی کلیدها به سیستم خارجی.
اصول کار رله بوخهلتس
عملکرد رله بوخهلتس بر اساس یک مکانیزم مکانیکی ساده اما مؤثر استوار است. این رله به سه نوع ناهنجاری اصلی در ترانسفورماتور حساس است:
- تجمع گاز: هنگامی که خطایی مانند خرابی عایق، گرمای بیش از حد هسته یا تخلیه جزئی در ترانسفورماتور رخ می‌دهد، روغن عایق تجزیه شده و گازهایی مانند هیدروکربن‌ها، مونوکسید کربن (CO) و دی‌اکسید کربن (CO₂) تولید می‌کند. این گازها به سمت بالای رله حرکت کرده و در محفظه آن جمع می‌شوند، که باعث کاهش سطح روغن و حرکت شناور بالایی به سمت پایین می‌شود. این حرکت کلید هشدار را فعال می‌کند.
- کاهش سطح روغن: اگر به دلیل نشتی یا سایر مشکلات، سطح روغن در مخزن کاهش یابد، شناور بالایی به سمت پایین حرکت کرده و مدار هشدار را فعال می‌کند.
- جریان شدید روغن: در صورت بروز خطاهای جدی مانند اتصال کوتاه یا خطای تپ‌چنجر، موج شدیدی از روغن از مخزن اصلی به سمت کنسرواتور جریان می‌یابد. این جریان به صفحه بافل برخورد کرده و شناور پایینی را جابه‌جا می‌کند، که کلید قطع را فعال کرده و ترانسفورماتور را از مدار جدا می‌کند.
این مکانیزم دو مرحله‌ای (هشدار برای خطاهای جزئی و قطع برای خطاهای جدی) باعث می‌شود رله بوخهلتس هم در پیشگیری و هم در واکنش سریع به خطاها مؤثر باشد.
انواع رله بوخهلتس
رله‌های بوخهلتس در مدل‌های مختلفی تولید می‌شوند که بر اساس تعداد شناورها و حساسیت طراحی می‌شوند:
- رله تک‌شناوری: فقط یک شناور دارد و برای تشخیص کاهش سطح روغن یا تجمع گاز طراحی شده است. این مدل ساده‌تر و ارزان‌تر است اما فقط هشدار می‌دهد و قابلیت قطع مدار را ندارد.
- رله دو‌شناوری: رایج‌ترین نوع که شامل شناور بالایی برای هشدار و شناور پایینی برای قطع مدار است. این مدل برای ترانسفورماتورهای بزرگ مناسب است.
- رله‌های پیشرفته: مجهز به حسگرهای دیجیتال یا قابلیت اتصال به سیستم‌های SCADA برای مانیتورینگ از راه دور.
ویژگی‌های برجسته
رله بوخهلتس به دلیل طراحی و عملکردش، ویژگی‌های منحصر به فردی دارد:
1. تشخیص زودهنگام خطاها
این رله می‌تواند مشکلات کوچک را قبل از تبدیل شدن به خطاهای جدی شناسایی کند، که این ویژگی در کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری بسیار مهم است.
2. عملکرد مکانیکی ساده
عدم وابستگی به قطعات الکترونیکی پیچیده، آن را در برابر خرابی‌های الکتریکی مقاوم می‌کند.
3. تحلیل گاز
جمع‌آوری گازها امکان بررسی نوع خطا (مانند خرابی عایق یا گرمای هسته) را بدون نیاز به باز کردن ترانسفورماتور فراهم می‌کند.
4. دو مرحله‌ای بودن
ترکیب هشدار و قطع، انعطاف‌پذیری بالایی در مدیریت خطاها ارائه می‌دهد. طراحی مقاوم در برابر دما و رطوبت، آن را برای شرایط سخت صنعتی مناسب می‌کند.
کاربردهای رله بوخهلتس در صنعت
رله بوخهلتس به‌طور گسترده در سیستم‌های قدرت و تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود:
1. ترانسفورماتورهای قدرت
مهم‌ترین کاربرد رله بوخهلتس در حفاظت از ترانسفورماتورهای روغنی با توان نامی بیش از 500 کیلوولت-آمپر است. این رله از ترانسفورماتورها در برابر خطاهایی مانند اتصال کوتاه، خرابی عایق و گرمای هسته محافظت می‌کند.
2. سیستم‌های انتقال و توزیع
در شبکه‌های انتقال و توزیع برق، برای افزایش ایمنی و پایداری سیستم‌های قدرت استفاده می‌شود.
3. ترانسفورماتورهای صنعتی
در کارخانه‌ها و تأسیسات صنعتی که ترانسفورماتورهای بزرگ به کار می‌روند، این رله نقش کلیدی در حفاظت تجهیزات دارد.
4. راکتورهای روغنی
در برخی راکتورهای پر از روغن نیز برای تشخیص خطاهای داخلی استفاده می‌شود.
5. تحلیل خطا
جمع‌آوری گازها برای آنالیز کروماتوگرافی، امکان تشخیص نوع و شدت خطا را فراهم می‌کند.
مزایای استفاده از رله بوخهلتس
- تشخیص زودهنگام خطاها از خرابی‌های پرهزینه جلوگیری می‌کند.
- با قطع سریع مدار در خطاهای جدی، ایمنی سیستم را افزایش می‌دهد.
- امکان بررسی خطاها بدون باز کردن ترانسفورماتور.
- طراحی مکانیکی ساده، عمر طولانی را تضمین می‌کند.
معایب و محدودیت‌ها
- به دلایل اقتصادی، برای ترانسفورماتورهای با توان کمتر از 500 کیلوولت-آمپر استفاده نمی‌شود.
- حداقل زمان عملکرد 0.1 ثانیه است، که برای برخی خطاهای سریع ممکن است کند باشد.
- فقط خطاهایی را تشخیص می‌دهد که در سطح روغن پایین‌تر از رله رخ دهند.
- برای کابل‌های اتصال نیاز به سیستم حفاظتی جداگانه است.
مقایسه رله بوخهلتس با سایر رله‌های حفاظتی
1. در برابر رله دیفرانسیل
رله دیفرانسیل برای تشخیص خطاهای خارجی و داخلی سریع‌تر عمل می‌کند، اما نیاز به نصب پیچیده‌تر و هزینه بیشتری دارد. رله بوخهلتس ساده‌تر و ارزان‌تر است اما فقط برای ترانسفورماتورهای روغنی مناسب است.
2. در برابر رله اضافه‌جریان
رله اضافه‌جریان برای حفاظت عمومی استفاده می‌شود اما نمی‌تواند خطاهای داخلی مانند تجمع گاز را تشخیص دهد، در حالی که رله بوخهلتس در این زمینه تخصصی‌تر است.
استانداردها و مشخصات فنی
رله بوخهلتس بر اساس استانداردهایی مانند IEC 60076 و IEEE C57.104 طراحی و تولید می‌شود. مشخصات کلیدی شامل:
- حساسیت گاز: تشخیص گازهای تولیدشده از 50 تا 100 سانتی‌متر مکعب
- سرعت روغن: واکنش به جریان روغن با سرعت 50 تا 100 سانتی‌متر بر ثانیه
- دمای کاری: معمولاً از -25 تا +85 درجه سانتی‌گراد
- زمان عملکرد: حداقل 0.1 ثانیه برای قطع
رله‌های بوخهلتس مدرن با حسگرهای دیجیتال و قابلیت اتصال به سیستم‌های مانیتورینگ مانند SCADA ادغام شده‌اند. تحقیقات در Journal of Electrical Engineering & Technology نشان می‌دهد که افزودن حسگرهای هوشمند برای تحلیل گاز در محل، دقت تشخیص خطاها را افزایش داده است. در آینده، انتظار می‌رود این رله‌ها با هوش مصنوعی ترکیب شوند تا پیش‌بینی خطاها دقیق‌تر شود.
سوالات متداول درباره رله بوخهلتس
1. رله بوخهلتس چیست؟
رله بوخهلتس یک دستگاه حفاظتی مکانیکی است که برای تشخیص خطاهای داخلی در ترانسفورماتورهای روغنی استفاده می‌شود و با شناسایی گاز، کاهش سطح روغن یا جریان شدید روغن، هشدار می‌دهد یا مدار را قطع می‌کند.
2. این رله چه نوع خطاهایی را تشخیص می‌دهد؟
این رله خطاهایی مانند خرابی عایق، گرمای هسته، اتصال کوتاه، تجمع گاز و کاهش سطح روغن را تشخیص می‌دهد. با تحلیل گازهای جمع‌شده، می‌توان نوع و شدت خطا را مشخص کرد، که این امکان بررسی غیرمخرب ترانسفورماتور را فراهم می‌کند.
3. چرا رله بوخهلتس در ترانسفورماتورهای کوچک استفاده نمی‌شود؟
به دلیل هزینه‌های طراحی و نصب، استفاده از این رله در ترانسفورماتورهای با توان کمتر از 500 کیلوولت-آمپر مقرون‌به‌صرفه نیست. برای این ترانسفورماتورها، روش‌های حفاظتی ساده‌تر کافی هستند.
4. آیا رله بوخهلتس می‌تواند خطاهای خارجی را تشخیص دهد؟
خیر، این رله فقط برای خطاهای داخلی طراحی شده است. برای حفاظت از کابل‌ها یا خطاهای خارجی، نیاز به رله‌های دیگری مانند رله اضافه‌جریان یا دیفرانسیل است.
5. چگونه می‌توان از هشدارهای کاذب رله جلوگیری کرد؟
برای جلوگیری از هشدارهای کاذب، باید رله با حساسیت مناسب تنظیم شود و نصب آن با زاویه دقیق انجام گیرد. همچنین، بررسی دوره‌ای و تخلیه گازهای غیرمرتبط (مانند هوای واردشده هنگام پر کردن روغن) ضروری است. این اقدامات از واکنش‌های غیرضروری رله جلوگیری می‌کنند.
منبع: ابرار صنعتی
