ما هي الاختلافات بين محول التأريض والمحول التقليدي؟

ما هو محول التأريض؟

يمكن تصنيف محول التأريض، المختصر بـ "محول التأريض"، إلى مغمور بالزيت وجاف حسب الوسط الملئ. ويمكن تصنيفه أيضًا إلى محولات تأريض ثلاثية الأطوار وآحادية الطور حسب عدد الأطوار.

الفرق بين محولات التأريض والمحولات التقليدية

يهدف محول التأريض إلى إنشاء نقطة محايدة صناعية لربط ملف القمع أو المقاومة عندما يكون النظام متصلًا بطريقة دلتا (Δ) أو واي (Y) دون وجود نقطة محايدة قابلة للوصول. تستخدم هذه المحولات اتصالات ملف زيجزاغ (أو "Z-نوع"). الفرق الرئيسي من المحولات التقليدية هو أن كل ملف طور مقسم إلى مجموعتين ملفوفتان في الاتجاهين المعاكسين على نفس الساق المغناطيسية. هذا التصميم يسمح بمرور تدفق مغناطيسي تتابعي صفري عبر ساق المغناطيس، بينما في المحولات التقليدية، ينتقل تدفق مغناطيسي صفري عبر مسارات تسرب. 

لذلك، تكون الممانعة التتابعة الصفرية لمحول التأريض Z-نوع منخفضة جدًا (حوالي 10 أوم)، بينما تكون الممانعة التتابعة الصفرية للمحولات التقليدية أعلى بكثير. وفقًا للوائح التقنية، عند استخدام محول تقليدي لربط ملف القمع، يجب ألا يتجاوز سعة الملف 20% من السعة المعتمدة للمحول. في المقابل، يمكن لمحول Z-نوع أن يحمل ملف قمع بنسبة تتراوح بين 90% إلى 100% من سعته الخاصة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمحولات التأريض أن توفر تحميلات ثانوية وتكون محولات خدمة المحطة، مما يوفر تكاليف الاستثمار.

مبدأ عمل محولات التأريض

يقوم محول التأريض بإنشاء نقطة محايدة صناعية مع مقاومة تأريض، والتي عادة ما تكون مقاومتها منخفضة جدًا (غالبًا ما تتطلب أن تكون أقل من 5 أوم). بالإضافة إلى ذلك، بسبب خصائصه الكهرومغناطيسية، يقدم محول التأريض ممانعة عالية للتتابعات الإيجابية والسالبة، مما يسمح فقط بمرور تيار تحفيز صغير في الملفات. على كل ساق مغناطيسية، يتم ملفوفة الجزأين من الملف في الاتجاهين المعاكسين. عندما يتدفق تيار تتابعي صفري متساوي عبر هذه الملفات على نفس الساق، فإنها تظهر ممانعة منخفضة، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط الجهد بشكل طفيف. 

خلال حدوث عطل تأريض، يحمل الملفات تيارات تتابعي إيجابية وسالبة وصفري. يقدم الملف ممانعة عالية للتتابعات الإيجابية والسالبة، ولكن ممانعة منخفضة للتيار التتابعي الصفري لأن الملفين داخل نفس الطور متصلان بالتسلسل بقطبية معاكسة—حيث تكون القوى الدافعة المغناطيسية التي يولدها الملفين متساوية في الحجم ولكنها متعاكسة في الاتجاه، وبالتالي تلغي بعضها البعض.

تستخدم العديد من محولات التأريض فقط لتوفير نقطة محايدة ذات مقاومة منخفضة ولا توفر أي تحميل ثانوي؛ لذلك، تم تصميم العديد منها بدون ملف ثانوي. أثناء التشغيل العادي للشبكة، يعمل محول التأريض بشكل أساسي في حالة عدم التحميل. ومع ذلك، خلال حدوث عطل، يحمل تيار العطل لمدة قصيرة فقط. في نظام متأرض بممانعة منخفضة، عندما يحدث عطل تأريض طور واحد، يقوم الحماية التتابعي الصفري الحساسة بتحديد وإزالة الخط الماص للعطل بشكل مؤقت. 

يعمل محول التأريض فقط خلال الفترة القصيرة بين حدوث العطل وتشغيل حماية التتابعي الصفري للخط. خلال هذه الفترة، يتدفق تيار تتابعي صفري عبر مقاومة التأريض المحايدة ومحول التأريض، وفقًا للصيغة: IR = U / R₁، حيث U هي فولتية الطور لنظام الكهرباء وR₁ هي مقاومة التأريض المحايدة.

العواقب عند عدم القدرة على إخماد قوس التأريض بشكل موثوق

• إخماد وانبعاث متقطع لقوس التأريض الطوري الواحد يولد فولتيات تأريض قوسية ذات سعات تصل إلى 4U (حيث U هي فولتية الذروة للطور) أو حتى أعلى، وتستمر لفترات طويلة. هذا يشكل تهديدًا خطيرًا لعزل المعدات الكهربائية، مما قد يؤدي إلى انهيار النقاط الضعيفة في العزل ويتسبب في خسائر كبيرة.

• يؤدي القوس المستمر إلى تأيين الهواء المحيط، مما يقلل من خصائص العزل ويزيد من احتمالية حدوث قصر بين الأطوار.

• قد تحدث فولتيات تجاوز مغناطيسية تؤدي بسهولة إلى تلف المحولات الفولتية والمثبطات للصدمات—وقد تصل إلى حد الانفجار. هذه العواقب تشكل تهديدًا شديدًا لسلامة العزل في معدات الشبكة وتهدد التشغيل الآمن للنظام الكهربائي بأكمله.

ما هي التيارات التتابعي الإيجابية والسالبة والصفرية؟

• تيار تتابعي سالب: الطور A يتأخر عن الطور B بمقدار 120 درجة، الطور B يتأخر عن الطور C بمقدار 120 درجة، والطور C يتأخر عن الطور A بمقدار 120 درجة.

• تيار تتابعي إيجابي: الطور A يتقدم على الطور B بمقدار 120 درجة، الطور B يتقدم على الطور C بمقدار 120 درجة، والطور C يتقدم على الطور A بمقدار 120 درجة.

• تيار تتابعي صفري: جميع الأطوار الثلاثة (A، B، C) متناسقة—لا يوجد طور يتقدم أو يتأخر عن الآخر.

خلال أعطال قصر الأطوار الثلاثة والتشغيل الطبيعي، يحتوي النظام فقط على مكونات تتابعي إيجابية.
خلال أعطال التأريض الطوري الواحد، يحتوي النظام على مكونات تتابعي إيجابية وسالبة وصفرية.
خلال أعطال قصر الأطوار الثنائية، يحتوي النظام على مكونات تتابعي إيجابية وسالبة.
خلال أعطال قصر الأطوار الثنائية إلى الأرض، يحتوي النظام على مكونات تتابعي إيجابية وسالبة وصفرية.

خصائص التشغيل لمحولات التأريض

يعمل محول التأريض تحت ظروف عدم الحمل أثناء التشغيل الطبيعي للشبكة ويواجه تحميلاً زائداً قصيراً المدة أثناء الأعطال. باختصار، وظيفة محول التأريض هي خلق نقطة محايدة صناعية لتوصيل مقاومة التأريض. أثناء العطل الأرضي، يظهر مقاومة عالية للتسلسلات الإيجابية والسالبة ولكن مقاومة منخفضة للتسلسل الصفر، مما يضمن تشغيل موثوق لحماية العطل الأرضي.

التأريض المحايد عبر أنظمة ملفات القمع

عند حدوث عطل أرضي فردي مؤقت في الشبكة بسبب عزل جهاز غير كافٍ، أو ضرر خارجي، أو خطأ من المشغل، أو زيادة الجهد الداخلية، أو أي سبب آخر، يتدفق تيار العطل الأرضي عبر ملف القمع كتيار استحثائي، وهو في الاتجاه المعاكس لتيار السعة. هذا يمكن أن يقلل من تيار النقطة المعطوبة إلى قيمة صغيرة جداً أو حتى صفراً، مما يؤدي إلى إخماد القوس الكهربائي وإزالة المخاطر المرتبطة به. يتم إزالة العطل تلقائياً دون تشغيل الحماية بالتراب أو قطع الدائرة، مما يحسن بشكل كبير موثوقية التزويد بالطاقة.

ثلاثة أنماط تشغيل تعويضية

هناك ثلاثة أنماط تشغيل تعويضية مختلفة: التعويض الناقص، التعويض الكامل، والتعويض الزائد.

• التعويض الناقص: يكون التيار الاستحثائي بعد التعويض أقل من تيار السعة.

• التعويض الزائد: يكون التيار الاستحثائي بعد التعويض أكبر من تيار السعة.

• التعويض الكامل: يكون التيار الاستحثائي بعد التعويض مساوياً لتيار السعة.

نمط التعويض المستخدم في التأريض المحايد عبر أنظمة ملفات القمع

في الأنظمة ذات التأريض المحايد عبر ملفات القمع، يجب تجنب التعويض الكامل. بغض النظر عن حجم جهد عدم التوازن في النظام، يمكن أن يسبب التعويض الكامل الرنين المتسلسل، مما يعرض ملف القمع لأجهادات جهد خطرة. لذلك، يتم اعتماد التعويض الزائد أو الناقص في الواقع، مع أن التعويض الزائد هو الأكثر استخداماً.

الأسباب الرئيسية لاعتماد التعويض الزائد

في الأنظمة ذات التعويض الناقص، يمكن أن يحدث جهد زائد مرتفع بسهولة أثناء الأعطال. على سبيل المثال، إذا تم قطع بعض الخطوط بسبب عطل أو لأسباب أخرى، قد يتحول النظام ذو التعويض الناقص نحو التعويض الكامل، مما يسبب الرنين المتسلسل ويؤدي إلى جهد انحراف محايد مرتفع جداً وجهد زائد. الانحراف الكبير للمحايد في الأنظمة ذات التعويض الناقص يشكل تهديداً لسلامة العزل وهو عيب لا يمكن تجنبه طالما يتم استخدام التعويض الناقص.

خلال التشغيل العادي لنظام التعويض الناقص مع اختلاف كبير في التوازن الثلاثي، قد يحدث جهد زائد رنين فررومغناطيسي مرتفع جداً. هذا الظاهرة تنشأ من الرنين الفررومغناطيسي بين ملف القمع ذو التعويض الناقص (حيث ωL > 1/(3ωC₀)) والسعة الخطية (3C₀). هذا النوع من الرنين لا يحدث مع التعويض الزائد.

تتوسع الأنظمة الكهربائية باستمرار، وتزداد السعة الأرضية للشبكة بالتالي. مع التعويض الزائد، يمكن أن يظل ملف القمع المثبت في الخدمة لفترة طويلة حتى لو تحول في النهاية نحو التعويض الناقص. ومع ذلك، إذا بدأ النظام بتعويض ناقص، فإن أي توسع يتطلب على الفور زيادة في قدرة التعويض.

مع التعويض الزائد، يكون التيار الذي يمر عبر نقطة العطل استحثائياً. بعد إخماد القوس الكهربائي، يكون معدل استعادة جهد المرحلة المعطوبة أبطأ، مما يجعل إعادة إشعال القوس أقل احتمالية.

تحت التعويض الزائد، يؤدي انخفاض تردد النظام فقط إلى زيادة درجة التعويض الزائد بشكل مؤقت، مما لا يشكل مشكلة خلال التشغيل العادي. على العكس، يمكن أن يؤدي التعويض الناقص مع تردد مخفض إلى تقريب النظام من التعويض الكامل، مما يؤدي إلى زيادة جهد الانحراف المحايد.

ملخص

يعمل محول التأريض أيضاً كمحول محطة، حيث يقوم بتخفيض الجهد من 35 كيلوفولت إلى 380 فولت لتزويد الطاقة لشحن البطاريات، وطاقة مراوح SVG، والإضاءة الصيانة، والأحمال المساعدة العامة للمحطة.

في الشبكات الكهربائية الحديثة، يتم استبدال الخطوط الهوائية بكابلات بشكل واسع. بما أن التيار الأرضي السعوي للأخطاء الفردية في خطوط الكابلات أكبر بكثير من ذلك في الخطوط الهوائية، غالباً ما يفشل التأريض المحايد عبر ملفات القمع في إخماد قوس العطل وقمع الجهود الزائدة الرنينية الخطرة. لذلك، تتبنى محطتنا نظام التأريض المحايد ذي المقاومة المنخفضة. هذا النهج مشابه لأنظمة التأريض المحايد الصلبة ويحتاج إلى تركيب حماية للأخطاء الأرضية الفردية تعمل على قطع الدائرة. عند حدوث عطل أرضي فردي، يتم عزل الخط المعطوب بسرعة.