ما هي الأنواع الشائعة والخصائص الشائعة للفولتية الزائدة في شبكة التوزيع

تتميز شبكات التوزيع بتوزيعها الواسع وعدد المعدات الكبيرة ومستوى العزل المنخفض، مما يجعلها عرضة لحوادث العزل الناجمة عن الجهد الزائد. هذا ليس فقط يقلل من استقرار نظام التوزيع بأكمله وأداء العزل للخطوط ولكنه أيضًا له تأثير سلبي كبير على التشغيل الآمن للشبكة الكهربائية والتنمية الصحية والمستدامة لصناعة الطاقة.

من وجهة نظر الدائرة، باستثناء مصدر الطاقة، يمكن تمثيل نظام الطاقة بواسطة مجموعات مختلفة من ثلاثة مكونات نموذجية: المقاومة (R) والاندكتانس (L) والسعة (C). بين هذه المكونات، يعتبر الاندكتانس (L) والسعة (C) مكونات تخزين للطاقة وهي الشروط الأساسية لتشكيل الجهد الزائد؛ بينما تعتبر المقاومة (R) مكونًا يستهلك الطاقة ويمكن أن يقمع بشكل عام تطور الجهد الزائد. ومع ذلك، في حالات فردية، قد يؤدي إضافة المقاومة بطريقة غير صحيحة أيضًا إلى حدوث الجهد الزائد.

أنواع وأنماط شائعة للجهد الزائد في شبكات التوزيع

تشمل أنواع الجهد الزائد الشائعة في شبكات التوزيع أساساً الجهد الزائد بسبب القوس المتقطع أثناء التوصيل بالأرض، وجهد الرنين الخطي، وجهد الرنين الفيرومغناطيسي (بما في ذلك جهد الرنين عند الفصل وجهد تشبع المحول PT).

الجهد الزائد بسبب القوس المتقطع أثناء التوصيل بالأرض

يعد الجهد الزائد بسبب القوس المتقطع أثناء التوصيل بالأرض نوعًا من الجهود الزائدة الناتجة عن التبديل. تتوقف قيمته على عوامل مثل خصائص المعدات الكهربائية وهياكل النظام ومعلماته التشغيلية وأشكال التشغيل أو الأعطال، ولها طابع عشوائي واضح. وهو الأكثر شيوعًا في الشبكات الكهربائية التي لا يتم توصيل نقطة الحياد فيها بكفاءة.

تأتي طاقة الجهد الزائد الناتج عن التبديل من نظام الطاقة نفسه، وتكون قيمتها تقريبًا نسبية لجهد النظام المرجعي. غالبًا ما يتم التعبير عنها بمضاعف أعلى قيمة للجهد الفاسي للأعلى للنظام. عندما تسبب العمليات أو الأعطال تغييرات في حالة التشغيل للشبكة الكهربائية، سيتم تحويل الطاقة المغناطيسية المخزنة في المكونات الاندكتانية إلى طاقة كهربائية للمكونات السعتية في وقت معين، مما يؤدي إلى عملية عابرة متذبذبة وبالتالي ينتج جهد زائد مؤقت عدة مرات أعلى من جهد التغذية، وهذا ما يسمى بالجهد الزائد الناتج عن التبديل.

تسبب الأقواس المتقطعة تغيرات متكررة في حالة التشغيل للشبكة الكهربائية، مما يؤدي إلى اهتزازات كهرومغناطيسية في دوائر الاندكتانس والسعة، ثم تحدث عمليات عابرة في المرحلة غير المعيبة والمرحلة المعيبة ونقطة الحياد، مما يؤدي إلى الجهد الزائد. وهذا هو الجهد الزائد بسبب القوس المتقطع أثناء التوصيل بالأرض (المعروف أيضًا باسم الجهد الزائد بسبب القوس الأرضي). ترتبط آلية تكوينه بشكل وثيق بإطفاء وإعادة إشعال القوس: كل مرة يتخطى فيها تيار العطل الأرضي الصفر بشكل طبيعي، سيكون لإطفاء القوس فترة قصيرة؛ عندما يكون الجهد الاستعادة لقناة القوس أكبر من قوة استعادة العازلة لها، سيشتعل القوس مرة أخرى. وبشكل محدد:

• عندما يكون تيار التوصيل بالأرض كبيرًا، تكون قناة القوس مشحونة بشدة ويحترق القوس بشكل مستقر؛

• عندما يكون التيار صغيرًا، تستعيد قناة القوس قوتها العازلة بسرعة، ويصعب إعادة إشعال القوس، ويمكن تحويل الإطفاء المؤقت إلى إطفاء دائم؛

• عندما يكون التيار متوسطًا، يتشكل ظاهرة القوس الأرضي المتقطع الذي يكون على وضع التشغيل والإطفاء.

يتم إحداث الجهد الزائد الشديد بسبب القوس الأرضي المتقطع من خلال تراكم الطاقة المستمر في الشبكة الكهربائية. من منظور الحد من الجهد الزائد، إذا كان بالإمكان تسرب الشحنات الزائدة المتراكمة في الشبكة الكهربائية خلال عملية اشتعال وإطفاء القوس عبر المقاومة خلال نصف دورة تردد الطاقة بعد إطفاء القوس، سيكون جهد انحراف نقطة الحياد تقريبًا صفريًا ولن يحدث جهد زائد عالي القيمة.

جهد الرنين الخطي

في الشبكة الكهربائية، يُطلق على الجهد الزائد الناتج عن الرنين المتسلسل بين المكونات الاندكتانية بدون نواة حديدية (مثل الاندكتانس الخطي للخطوط والاندكتانس التسربي للمحولات وغيرها) أو المكونات الاندكتانية ذات النواة الحديدية التي تكون خصائص التحفيز لها قريبة من الخطية (مثل ملفات إخماد القوس وغيرها) والمكونات السعتية في الشبكة الكهربائية (مثل السعة بين الخط والأرض وغيرها) تحت تأثير الجهد غير المتناظر اسم جهد الرنين الخطي. أبرز أشكاله هو انحراف جهد نقطة الحياد.

وفقاً للمعايير الصناعية DL/T620-1997 "حماية الجهد الزائد والتآلف العازل للأجهزة الكهربائية البديلة"، في نظام التوصيل بالأرض باستخدام ملف إخماد القوس، يجب ألا يتجاوز انحراف جهد نقطة الحياد لفترة طويلة 15٪ من الجهد الفاسي المرجعي للنظام تحت ظروف التشغيل العادية.

جهد الرنين الفيرومغناطيسي

يُطلق على الجهد الزائد العالي المستمر الذي يتم تحفيظه بواسطة تشبع الاندكتانس ذو النواة الحديدية في دائرة التذبذب لنظام الطاقة اسم جهد الرنين الفيرومغناطيسي. يوجد نوعان من جهود الرنين الفيرومغناطيسي الشائعين في شبكات التوزيع أقل من 35 كيلوفولت، وهما جهد الرنين عند الفصل وجهد تشبع المحول PT، ويشار إليهما مجتمعين باسم جهد الرنين اللاخطي. لديهم خصائص وأنماط مختلفة تمامًا عن جهد الرنين الخطي وجهد القوس الأرضي المتقطع. تحت مجموعات مختلفة من المعلمات، قد يحدث جهد رنين الأساسي والجزئي والتردد العالي.

• جهد الرنين عند الفصل: عندما يكون النظام في حالة التشغيل غير الكامل للثلاث مراحل بسبب انقطاع الأسلاك أو تشغيل المقاطع غير الكامل للثلاث مراحل أو التشغيل غير المتزامن الشديد أو ذوبان مصهرات مرتفعة الجهد في مرحلتين أو مرحلة واحدة وما إلى ذلك، فإن جهد الرنين الفيرومغناطيسي الناتج هو جهد الرنين عند الفصل. عند حدوث الانقطاع، يتم عادةً تزويد الجهد الثلاثي المتناظر بالحمولة غير المتناظرة للثلاث مراحل، والدارة معقدة وتحتوي على مكونات غير خطية. لذلك، من الضروري استخدام نظرية ثيفينين وطريقة المكونات المتناظرة لتحويل الدارة الثلاثية إلى دارة مكافئة أحادية، وفرزها إلى أبسط دارة LC متسلسلة، ومن ثم تحليل شروط الرنين وإجراء الحساب والتحليل. هناك ثلاثة أشكال لأعطال انقطاع الأسلاك في مرحلة واحدة: انقطاع بدون توصيل بالأرض، وانقطاع مع توصيل الجانب المرفق بالأرض، وانقطاع مع توصيل الجانب الحمل بالأرض.

• جهد تشبع المحول PT: في النظام الذي لا يتم توصيل نقطة الحياد فيه بكفاءة، يتم عادةً تركيب محولات الجهد الكهرومغناطيسية المتصلة Y0 على قضبان محطات الطاقة والمحولات لتتبع حالة العزل. أثناء التشغيل الطبيعي، تكون مقاومة التحفيز للمحول الكهرومغناطيسي عالية جدًا، لذا تكون مقاومة الأرض للشبكة سعتية ومتوازنة بشكل أساسي في ثلاث مراحل. ومع ذلك، بعد بعض عمليات التبديل أو اختفاء أعطال الأرض، ستتكون دارة رنين خاصة من ثلاث مراحل أو مرحلة واحدة مع السعة الخطية أو السعة الضالة الأخرى للمعدات، وقد يتم تحفيز جهود الرنين الفيرومغناطيسي المختلفة من الأنسجة التوافقية، وهذا ما يسمى بجهد تشبع المحول PT. من بينها، يعتبر جهد الرنين الجزئي الأكثر ضررًا. سوف يسبب زيادة كبيرة في تيار التحفيز لفترة طويلة، ويفجر مصهر المحول، وحتى قد يتسبب في تسخين المحول بشدة وإطلاق الزيت أو حتى الانفجار. بالإضافة إلى ذلك، يتميز جهد تشبع المحول PT بخصائص صفرية واضحة.

جهد الرعد

يعد تصريف الرعد في الأساس ظاهرة تفريغ غير شراري في مجال كهربائي غير متجانس للغاية بمدى هواء طويل جدًا. تتضمن عملية التفريغ الأساسية تفريغ القائد والتفريغ الرئيسي والتفريغ اللاحق. لكل تيار رعد سالب القطبية يتشكل من الرعد، شكل موجي نبضي أحادي القطب. المعلمات الرئيسية التي تصف شكل الموجة هي القيمة القصوى وزمن الأمواج الأمامي وزمن النصف القيمة القصوى.

يتم تقسيم جهد الرعد إلى جهد الرعد المباشر وجهد الرعد المستمد. من بينها، يشمل جهد الرعد المستمد مكونات الاستقراء الكهروستاتيكي (أساسيًا) والاستقراء الكهرومغناطيسي، ويتميز بما يلي:

• القطبية معاكسة لتلك الموجودة في السحابة الرعدية، أي معاكسة لقطبية تيار الرعد؛

• يظهر في ثلاث مراحل بنفس الوقت وبقيم تقريبًا متساوية، ولن يكون هناك فرق جهد بين المراحل ولا تفريغ بين المراحل؛

• إذا كانت القيمة كبيرة، فقد يتسبب في تفريغ الأرض؛

• شكل الموجة أكثر مسطحًا وأطول من جهد الرعد المباشر؛

• إذا كان هناك خط رعد محمول بالأرض فوق الأسلاك، سيتم تقليل الجهد المستمد على الأسلاك بسبب تأثير الدرع الكهرومغناطيسي. كلما كانت المسافة بين الخطوط أقرب، كان معامل التداخل أكبر، وكان الجهد المستمد على الأسلاك أقل.

بشكل عام، لا يتم تركيب خطوط الرعد على طول الخطوط بأكملها لشبكات التوزيع أقل من 35 كيلوفولت، ويتم وضع خطوط رعد بطول 1-2 كم فقط في مداخل ومخارج المحطات كحماية لقسم الخط الوارد.