تحليل عميق لآليات حماية الأعطال للمفاتيح الكهربائية للمساند

1.مقدمة

1.1 الوظيفة الأساسية والخلفية لـ GCB
يعتبر مفتاح الدائرة الكهربائية للمولد (GCB)، كنقطة اتصال حاسمة بين المولد والمُحول المرتفع، مسؤولاً عن قطع التيار في الظروف الطبيعية والأعطاب. على عكس مفاتيح الدائرة التقليدية في محطات التوزيع، يتحمل GCB التيار القصير الضخم القادم من المولد مباشرة، مع تيار قطع أعطال محدد يصل إلى مئات الكيلو أمبير. في الوحدات الكبيرة للإنتاج، ترتبط عملية GCB الموثوقة بشكل مباشر بأمان المولد نفسه واستقرار تشغيل الشبكة الكهربائية.

1.2 أهمية آليات حماية الأعطاب
عند حدوث عطل داخل المولد أو على خطه الخارج، يمكن أن يصل تيار العطل إلى ذروته خلال عشرات المللي ثانية. بدون آليات حماية مستهدفة، ستكون هناك أضرار لا رجعة فيها مثل زيادة درجة حرارة التفاف/تشوه والعزل الكهربائي. أظهر تحليل لحادث شبكي في أمريكا الشمالية عام 2010 أن تكاليف الإصلاح بعد العطل للأجهزة المنتجة للطاقة التي تعاني من نقص في الحماية السريعة كانت أعلى بنسبة تزيد عن 300%. لذلك، فإن إنشاء آلية حماية متعددة الأبعاد ومتناسقة هو الدفاع الأساسي لضمان موثوقية أنظمة إنتاج الطاقة.

2.المبادئ الأساسية لآليات حماية GCB
2.1 تعريف وأهداف أساسية لآليات الحماية
تعتبر آليات حماية GCB حل هندسة نظام يقوم بمراقبة المعلمات الكهربائية غير الطبيعية في الوقت الحقيقي ويقوم بتشغيل عملية القطع بناءً على المنطق المحدد مسبقًا. أهدافها الأساسية ثلاثية: أولاً، قطع تيار العطل في غضون ثلاثة دورة (60 مللي ثانية)؛ ثانياً، تمييز الأعطاب الداخلية بدقة من الاضطرابات الخارجية؛ وثالثاً، تحديد موقع العطل بدقة لدعم القرارات الصيانة اللاحقة.

2.2 نظرة عامة على أنواع الأعطاب الشائعة
تنقسم سيناريوهات العطل النموذجية إلى ثلاثة فئات: (1) الأعطاب القصيرة بين الأطوار، والتي تتميز بزيادة مفاجئة في التيار وعدم توازن ثلاثي الأطوار زائد؛ (2) أعطال الأرض الواحدة، والتي يتم تحديدها عن طريق انحراف الجهد عند نقطة المحايدة؛ (3) أعطال تطور، والتي تظهر في البداية كانبعاث جزئي غير طبيعي وتتطور تدريجيًا إلى انهيار العزل. تظهر الإحصائيات أن أعطال الأرض تشكل 67% في الوحدات فوق 600 ميجاوات، مما يضع متطلبات أعلى على حساسية أنظمة الحماية.

3.أنواع الآليات الرئيسية للحماية
3.1 آليات الحماية من التيار الزائد
تمكّن المعايير المركبة المتعددة المستويات من الرد التدريجي: تعمل عملية القطع الفورية عالية السرعة على الأعطاب القريبة الخطيرة مع وقت التشغيل متحكم فيه ضمن 25 مللي ثانية؛ تتطابق المنحنيات المعكوسة الزمنية مع قدرة التحمل الحراري للأجهزة، وتبدأ عملية القطع المؤجلة عندما يتجاوز التيار 1.5 مرة قيمة التقييد المحددة بشكل مستمر؛ تمنع عناصر التمييز الاتجاهية التشغيل الخاطئ أثناء الأعطاب الخارجية. أكدت البيانات الميدانية من محطة طاقة ساحلية أن هذه الآلية نجحت في تقييد مدة تيار العطل إلى 83 مللي ثانية.

3.2 آليات الحماية التفاضلية
تم بناء نظام حماية رقمي كامل استنادًا إلى قانون كيرشوف للتيار. تم تثبيت محولات التيار من الفئة 0.2S بشكل مزامن عند نقطة المحايدة للمولد وعلى جانب مخرج GCB. عندما يتجاوز الفرق المتجهي بين الجانبين العتبة (عادة ما تكون محددة عند 15% من التيار المحدد)، يتم إعلان وجود عطل داخلي. يشمل التطبيق الأخير خوارزمية تصحيح الوجهة، مما يحل بنجاح مشكلة خطأ الزاوية 15 درجة الناتجة عن التيارات السعة الموزعة.

3.3 آليات حماية أعطال الأرض
لأنظمة الأرض ذات المقاومة العالية، تم تطوير حماية اتجاهية الصفرية: يتم الحصول على مكونات الجهد الصفرية عبر محولات الجهد المخصصة وتجمع مع التيار الصوري لتشكيل مصفوفة التمييز الاتجاهي. تقنية جديدة لمنع التوافقي الثالث تتجنب بشكل فعال التداخل من جهود التوافقيات عند نقطة المحايدة أثناء التشغيل الطبيعي. تظهر التجارب الميدانية أن هذه الآلية تحقق نسبة نجاح تبلغ 98.7% في اكتشاف أعطال الأرض بمقاومة تزيد عن 10 أوم.

4.عملية تنفيذ آليات الحماية
4.1 دور الأجهزة الواقية وأنظمة التحكم
تستخدم الأجهزة الواقية الحديثة القائمة على الميكروبروسيسور هيكلًا ثلاثي الطبقات: تقوم الطبقة القياسية بالتقاط الموجات في الوقت الحقيقي بسرعة أخذ عينات 4000 هرتز؛ تقوم الطبقة القرار بمعالجة متوازية باستخدام عدة وحدات المعالجة المركزية لإكمال 32 حسابًا - بما في ذلك تحويل فورييه وتحليل التوافقيات - في غضون 10 مللي ثانية؛ تستخدم الطبقة التنفيذية دارات القطع المباشرة بالألياف الضوئية لضمان أن يكون وقت نقل الأمر أقل من 2 مللي ثانية. غالبًا ما يتم تنفيذ منطق "اثنين من ثلاثة" في الوحدات الحرجة للتخلص من مخاطر الفشل النقطي.

4.2 اكتشاف العطل وسلاسل العمليات السريعة
تشمل سلسلة القطع النموذجية ثمانية خطوات رئيسية: حدوث تيار العطل → تحويل الإشارات الثانوية بواسطة محولات التيار → تنشيط الجهاز الواقي → تحديد نوع العطل → حساب منطق القطع → التحقق من إشارة الحظر → تنشيط ملفات اللولب القاطع للمفتاح → إطفاء القوس. تظهر دراسات تحسين الوقت أنه باستخدام غرف إطفاء القوس المضغوط مسبقًا يمكن تقليل وقت الانقطاع الكلي إلى 58 مللي ثانية، وهو تحسن بنسبة 22% مقارنة بالآليات التقليدية.

5.خاتمة
5.1 ملخص النقاط الرئيسية لآليات الحماية
تطورت حماية GCB الحديثة إلى نظام دفاع متعدد الطبقات وذكي: تعتبر حماية التيار الزائد الطبقة الأساسية، وتوفر حماية التفاضلية عزل منطقة دقيق، وتعزز حماية أعطال الأرض التغطية للنقاط الضعيفة. يكمن الاختراق الرئيسي في تحقيق إزالة العطل في غضون ثلاثة دورة مع الحفاظ على معدل التشغيل الخاطئ دون 0.01 مرة سنويا. ومع ذلك، يجب ملاحظة أن إعدادات الحماية يجب إعادة ضبطها كل سنتين وفقًا منحنيات تقادم المعدات.

5.2 توصيات لتحسين التطبيقات العملية
تم اقتراح ثلاث تدابير تحسين متقدمة: أولاً، دمج تقنية تحديد موقع العطل المؤقتة الموجية لتحسين دقة تحديد موقع العطل إلى ±5 متر؛ ثانياً، تطوير خوارزميات حماية متكيفة تقوم بتعديل معاملات الحساسية تلقائيًا بناءً على عمر تشغيل الوحدة؛ ثالثاً، تنفيذ الرصد عبر الإنترنت لحالة الجهاز الميكانيكي للقواطع الكهربائية، باستخدام 12 معلمة - بما في ذلك سرعة الفتح وارتداء الاتصال - لتوقع موثوقية النظام. أثبتت محطة طاقة تجريبية أن هذه التدابير زادت من توفر نظام الحماية إلى 99.97٪.