حماية المولد – أنواع الأعطال وأجهزة الحماية
الأعطال الشائعة في المولدات وأنظمة الحماية
تصنيف أعطال المولدات
تنقسم أعطال المولدات بشكل أساسي إلى نوعين داخلي وخارجي:
أعطال المحركات الأولية (مثل محركات الديزل، التوربينات) هي عبارة عن أعطال ميكانيكية يتم تعريفها أثناء تصميم المعدات، على الرغم من أنها يجب أن تتكامل مع حمايات المولد لأغراض القطع.
أنواع الأعطال الداخلية
1. أعطال الملف الثابت
2. أعطال الملف الدوار
3. فقدان المجال/التحفيز
4. التشغيل خارج الخطوة
5. التشغيل كمحرك
6. الأعطال الميكانيكية
آلية تسخين الدوار
التيارات غير المتوازنة في الملف الثابت (مثل التسلسل السلبي للأطوار) تثير تيارات دورانية في الدوار بضعف تردد النظام (100/120 هرتز)، مما يسبب تسخينًا محليًا. هذا يضعف قضبان التثبيت والأطواق في الدوار.
أنواع الأعطال الخارجية
التشوهات في نظام الطاقة
أجهزة حماية المولد
الخطط الرئيسية للحماية
1. حماية أعطال الملف الثابت
2. حماية أعطال الملف الدوار
3. حماية التحميل غير المتوازن
4. حماية التسخين الزائد
5. الحماية الميكانيكية
6. الحماية الاحتياطية والإضافية
مبادئ الحماية
آليات حماية أعطال ملفات الدوار
تعمل موحدات التيار الزائد على حماية أعطال قصر الدائرة في ملفات الدوار الملفوفة، حيث تقوم بقطع المولد عند اكتشاف زيادة غير طبيعية في التيار. تمثل الأعطال الأرضية خطرًا آخر على ملفات الدوار، رغم أن حمايتها تتطلب طرقًا متخصصة.
في المولدات الحرارية الكبيرة، تكون ملفات الدوار أو المجال عادةً غير مترابطة بالأرض، مما يعني أن عطل الأرضي الواحد لا ينتج عنه تيار عطل. ومع ذلك، يؤدي هذا العطل إلى رفع جهد النظام بأكمله والجهاز المحفز. يمكن أن يسبب الجهود الإضافية الناتجة عن فتح دائرة المجال أو المولد الرئيسي، خاصة أثناء ظروف العطل، ضغوطًا على عزل ملف المجال، مما قد يؤدي إلى عطل أرضي ثانٍ. يمكن أن يؤدي العطل الثاني إلى تسخين محلي للحديد، تشوه الدوار، وعدم التوازن الميكانيكي الخطر.
غالبًا ما تستعمل حماية العطل الأرضي في الدوار موحدًا يراقب العزل عن طريق تطبيق جهد مساعد بالتناوب على الدوار. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام موحد الجهد في سلسلة مع شبكة ذات مقاومة عالية (عادةً مزيج من المقاومات الخطية وغير الخطية) عبر دائرة الدوار. نقطة الوسط لهذه الشبكة تربط بالأرض عبر ملف حساس للموحد (رمز ANSI/IEEE/IEC 64). تفضل الخطط الحديثة للحماية بشكل متزايد مزيجًا من المقاومات الخطية وغير الخطية لتحسين اكتشاف الأعطال ومراقبة العزل.
آليات حماية فقدان المجال والإثارة الزائدة
تستخدم حماية فقدان المجال موحدًا لكشف التغييرات في تدفق الطاقة الردّية. تستخدم الخطة النموذجية موحد Mho (الممانعة) ذو المرحلة الواحدة المعزز - والذي يتم تغذيته بواسطة محولات التيار (CTs) ومحولات الجهد (VTs) - لقياس الممانعة الحمل. يقوم الموحد بتشغيل عندما تقع الممانعة ضمن خصائص تشغيله. يقوم موحد التوقيت بإطلاق قاطع الدائرة للمولد إذا استمرت الطاقة الردّية لمدة ثانية واحدة (توقيت قياسي).
حماية الإثارة الزائدة
لمنع التشبع المغناطيسي أثناء بدء التشغيل وإيقافه، يتم تنفيذ حماية الإثارة الزائدة (رمز ANSI/IEEE/IEC 59) على أساس العلاقة:B = V/f
حيث:
يجب أن يظل التدفق المغناطيسي أقل من نقطة التشبع، مما يعني أن الجهد يمكن أن يزداد فقط بشكل متناسب مع التردد (السرعة). يزيد التحفيز السريع من خطر الإثارة الزائدة، والذي يتم اكتشافه بواسطة موحدات الجهد لكل هرتز. تحتوي هذه الموحدات على خصائص خطية وتفعل عندما يتجاوز V/f الحدود المحددة.
حماية التسخين الزائد للملف الثابت والدوار
تعتبر أنظمة الحماية الموثوقة ضرورية لتقليل الأضرار ووقت الإصلاح، حيث تعتبر المولدات من أغلى مكونات نظام الطاقة.
تستفيد هذه الحماية من موحد يقارن التيار في طورين عبر محولات التيار (CTs)، كما هو موضح في الشكل 2. يتم تحديد الإعدادات الواقية بناءً على الوقت الأقصى الذي يمكن للدوار أن يتحمل فيه التسخين، والمحدد بواسطة المعادلة K = I²t (مشتقة من قانون جول)، حيث I هو التيار السلبي للتسلسل وt هو المدة.
تختلف منحنيات التيار الزمنية النموذجية المحددة من قبل الشركة المصنعة لهذا الشرط بناءً على نوع المحرك الأولي، كما هو موضح في الرسم البياني المرجعي.
أنظمة حماية الطاقة العكسية، التشغيل خارج الخطوة، والتردد/الجهد
حماية الطاقة العكسية (رمز ANSI/IEEE/IEC 32)
تستخدم هذه الحماية موحد الطاقة الاتجاهي لمراقبة الحمل على المولد، يتم تغذيته بواسطة محولات التيار (CTs) ومحولات الجهد (VTs) (راجع الشكل 3). يقوم الموحد بتشغيل عند اكتشاف تدفق الطاقة العكسي - مما يشير إلى أن المولد يسحب الطاقة من الشبكة (التشغيل كمحرك) - ويقوم بتشغيل قاطع الدائرة لمنع تلف التوربين.
حماية التشغيل خارج الخطوة
صممت للكشف عن اضطرابات في نظام الطاقة (وليس أعطال المولد)، تقوم هذه الحماية بكشف الانزلاق القطبي عندما يفقد المولد التزامنه. تقوم بتشغيل قاطع الدائرة للمولد مع السماح بالتوربين بالاستمرار في العمل، مما يسمح بإعادة التزامن بعد انتهاء الاضطراب.
حماية التردد والجهد
حماية التردد الأعلى/الأدنى (رمز ANSI/IEEE/IEC 81)
موحدات الجهد الأعلى/الأدنى (رموز 27/59)
مراقبة وتحكم في انحرافات الجهد لحماية المعدات من الضغط أو التلف.
حماية بدء التشغيل الإضافية للأطوار
تمنع بدء تشغيل المولد في حالة عطل أو تحميل. تعمل موحدات التيار الزائد ذات الإعدادات المنخفضة فقط عندما يكون التردد أقل من 52 هرتز (لأنظمة 60 هرتز) أو 42 هرتز (لأنظمة 50 هرتز)، مما يضمن الحماية أثناء التحولات البدءية.
حماية القصر الخارجي
تكتشف وتصفى موحدات التيار الزائد (50، 50N، 51، 51N) الأعطال في الشبكة الخارجية، مما يحمي المولد من التيار الزائد الناتج عن الأعطال.
تعمل هذه الخطط الحامية مجتمعة على معالجة التشوهات التشغيلية - من عكس تدفق الطاقة إلى اضطرابات شاملة لنظام الطاقة - لضمان سلامة المولد واستقرار الشبكة.
