أنواع الأعطال في نظام الطاقة

أعطال نظام الطاقة: التعريف والتصنيف

يُعرَف العطل في نظام الطاقة بأنه حالة استثنائية أو عيب يسبب انحراف التيار الكهربائي عن مساره المقصود. عند حدوث عطل، تنشأ ظروف تشغيل غير طبيعية، بشكل أساسي من خلال تقليل قوة العزل بين الموصلات. يمكن لهذا التدهور في العزل أن يؤدي إلى أضرار خطيرة للمكونات لنظام الطاقة، وتعطيل إمداد الطاقة الطبيعي، وإحداث مخاطر سلامة.

يتم تصنيف أعطال نظام الطاقة بشكل رئيسي إلى نوعين رئيسيين:

• عطل الدائرة المفتوحة: يحدث هذا النوع من الأعطال عندما يكون هناك فجوة أو انقطاع في الدائرة الكهربائية، مما يمنع تدفق التيار الكهربائي بشكل طبيعي. يمكن أن ينتج هذا من موصلات تالفة، أو اتصالات فضفاضة، أو فشل المكونات الكهربائية.

• عطل الدائرة القصيرة: في عطل الدائرة القصيرة، يكون هناك مسار مقاومة منخفضة غير مقصود بين موصلين أو أكثر، مما يتسبب في تدفق كمية كبيرة من التيار. يمكن أن يكون هذا نتيجة لانهيار العزل، أو الاتصال الفيزيائي بين الموصلات، أو أعطال المعدات.

تظهر أنواع وأشكال هذه الأعطال لنظام الطاقة في الصورة أدناه.

أسباب وتصنيف أعطال نظام الطاقة

يمكن أن تحدث أعطال نظام الطاقة بسبب مجموعة متنوعة من الاضطرابات الطبيعية. يمكن للأحداث مثل ضربات البرق، والرياح ذات السرعة العالية، والزلازل أن تؤدي جميعها إلى حدوث أعطال. يمكن للبرق بشراراته الكهربائية القوية أن يضر بالعزل ويضلل تدفق التيار الكهربائي الطبيعي. قد تطيح الرياح ذات السرعة العالية بأعمدة الكهرباء أو تجعل الموصلات تتأرجح وتلامس أشياء أخرى، بينما يمكن للزلازل أن تنقل البنية التحتية وتؤدي إلى قطع الموصلات وتلف المكونات الكهربائية.

يمكن أيضًا أن تكون الأعطال نتيجة لحوادث مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي سقوط شجرة على خطوط الكهرباء، أو اصطدام سيارة ببنية داعمة، أو تحطم طائرة في البنية التحتية الكهربائية إلى تعطيل نظام الطاقة. يمكن لهذه الأحداث العرضية أن تضر مباشرة بالموصلات والعوازل أو أجزاء أخرى حيوية من الشبكة الكهربائية، مما يؤدي إلى حدوث أعطال.

1. عطل الدائرة المفتوحة

يحدث عطل الدائرة المفتوحة بشكل أساسي عندما يفشل موصل واحد أو اثنان. نظرًا لأن هذا النوع من الأعطال يحدث في سلسلة مع الخط الكهربائي، فإنه يُعرف أيضًا باسم العطل المتسلسل. تؤثر أعطال الدائرة المفتوحة بشكل كبير على موثوقية نظام الطاقة، مما يؤدي غالبًا إلى تعطيل إمداد الطاقة وإمكانية تلف المعدات المتصلة.

يمكن تقسيم أعطال الدائرة المفتوحة إلى الأنواع التالية:

• عطل الموصل المفتوح: يحدث هذا عندما ينقطع موصل واحد في الدائرة الكهربائية أو يصبح غير متصل، مما يعطل تدفق التيار عبر هذا المسار المحدد.

• عطل افتتاح موصلين: في هذا السيناريو، يفشل موصلان في النظام، مما يخلق اضطرابًا أكثر شدة في تدفق الكهرباء. يمكن لهذا النوع من الأعطال أن يؤدي إلى ظروف غير متوازنة وقد يسبب ضغوطًا إضافية على المكونات المتبقية في النظام.

• عطل افتتاح ثلاثة موصلات: وهو الأكثر ندرة والأكثر خطورة من أعطال الدائرة المفتوحة، حيث يشمل فشل الثلاثة موصلات في نظام ثلاثي الأطوار. يؤدي هذا إلى فقدان كامل لإرسال الطاقة ويمكن أن يكون له تأثيرات بعيدة المدى على الشبكة الكهربائية والأحمال المتصلة.

توضح التكوينات المختلفة لأعطال الدائرة المفتوحة في الشكل أدناه، مما يوفر تمثيلاً بصرياً لكيفية ظهور هذه الأعطال داخل نظام الطاقة.

2. عطل الدائرة القصيرة

يحدث عطل الدائرة القصيرة عندما تتلامس الموصلات من مراحل مختلفة داخل خط الطاقة، محول الطاقة، أو عناصر الدائرة الأخرى. هذا الاتصال غير المقصود يتسبب في تدفق كمية كبيرة من التيار عبر مرحلة واحدة أو مرحلتين من النظام الكهربائي. يمكن تقسيم أعطال الدائرة القصيرة إلى فئتين رئيسيتين: الأعطال المتماثلة وغير المتماثلة.

الأعطال المتماثلة

الأعطال المتماثلة هي تلك التي تنطوي على الثلاث مراحل لنظام كهربائي. بشكل ملحوظ، تحتفظ هذه الأعطال بحالة توازن حتى بعد حدوث العطل. تحدث الأعطال المتماثلة بشكل رئيسي في أطراف المولدات. يمكن أن يعزى بدء هذه الأعطال إلى عوامل مختلفة، مثل مقاومة القوس الكهربائي الذي يتشكل بين الموصلات أثناء العطل أو وجود مقاومة تأريض منخفضة في نظام التأريض.

تُقسم الأعطال المتماثلة إلى نوعين مميزين: عطل الخط - الخط - الخط وعطل الخط الثلاثي - الأرض.

أ. عطل الخط - الخط - الخط

تتميز أعطال الخط - الخط - الخط (L-L-L) بطبيعتها المتوازنة. حتى بعد حدوث العطل، تحتفظ النظام الكهربائي بالتوازن. رغم أنها نادرة نسبيًا، تعتبر أعطال L-L-L من أنواع أعطال الدائرة القصيرة الأكثر خطورة. فهي تولد أكبر تيارات عطل في النظام، والتي تلعب دورًا مهمًا في تحديد متطلبات تصنيف المفاتيح الكهربائية. القدرة على قطع هذه التيارات عالية المقدار بشكل آمن وفعال تحدد مباشرة بواسطة خصائص أعطال L-L-L، مما يجعلها اعتبارًا رئيسيًا في تصميم وحماية نظام الطاقة.

ب. L–L–L–G (عطل الخط الثلاثي - الأرض)

يشمل عطل الخط الثلاثي - الأرض (L–L–L–G) جميع الثلاث مراحل لنظام الكهرباء. في هذا سيناريو العطل، يتم إنشاء اتصال بين جميع الثلاث مراحل والجذر لنظام الكهرباء. رغم أنه أقل شيوعًا مقارنة بأنواع أخرى من الأعطال، فإن عطل L–L–L–G يحمل أهمية كبيرة في تحليل نظام الطاقة. إحصائيًا، احتمالية حدوث هذا النوع من الأعطال حوالي 2 إلى 3 بالمئة. رغم هذه الاحتمال المنخفض النسبي، إلا أن عطل L–L–L–G عندما يحدث يمكن أن يولد تيارات عطل كبيرة ويسبب اضطرابات واسعة لنظام الطاقة، مما يتطلب تدابير حماية قوية وبعناية في تصميم وتشغيل النظام.

الأعطال غير المتماثلة

يُعرَف العطل غير المتماثل بأنه حالة في نظام الطاقة تولد تيارات غير متماثلة، حيث تختلف قيم ومراتب التيارات في الثلاث مراحل بشكل كبير عن بعضها البعض. هذا النوع من الأعطال يشمل عادة مرحلة واحدة أو مرحلتين، مثل الخط - الأرض (L-G)، الخط - الخط (L-L)، أو الخط المزدوج - الأرض (L-L-G). نتيجة لهذه الأعطال، يصبح النظام الكهربائي غير متوازن، مما يمكن أن يؤدي إلى مجموعة متنوعة من المشكلات التشغيلية وإمكانية تلف المعدات.

يمكن تقسيم الأعطال غير المتماثلة إلى ثلاثة أنواع مميزة:

• خط واحد - الأرض (L – G) عطل

• خط - خط عطل (L – L)

• خط مزدوج - الأرض (L – L – G) عطل

من بين جميع أنواع أعطال نظام الطاقة، تعتبر الأعطال غير المتماثلة الأكثر شيوعًا.

1. خط واحد - الأرض (L – G) عطل

يحدث عطل خط واحد - الأرض عندما يأتي أحد الموصلات في اتصال بالأرض أو يلمس الموصل المحايد. يعتبر هذا النوع من الأعطال شائعًا للغاية، حيث يمثل نسبة مذهلة تتراوح بين 70-80% من جميع الأعطال التي تحدث في أنظمة الطاقة. تجعل هذه النسبة العالية من الحدوث منه قضية حاسمة لمشغلين ومهندسي نظام الطاقة الذين يجب عليهم تنفيذ تدابير حماية فعالة لتخفيف الآثار المحتملة على استقرار وموثوقية النظام.

3. خط مزدوج - الأرض (L - L - G) عطل

في عطل خط مزدوج - الأرض، يتواصل موصلان في نفس الوقت مع بعضهما البعض والأرض. يخلق هذا سيناريو العطل مسارًا كهربائيًا معقدًا يزعزع التشغيل الطبيعي لنظام الطاقة. رغم أنه أقل شيوعًا من أعطال خط واحد - الأرض، لا يزال عطل خط مزدوج - الأرض يشكل مخاطر كبيرة لاستقرار النظام وسلامة المعدات. إحصائيًا، احتمالية حدوث عطل خط مزدوج - الأرض حوالي 10% من جميع أعطال نظام الطاقة. هذه الاحتمالية المنخفضة ولكن ليست مهملة تؤكد على أهمية دمج استراتيجيات حماية ومعالجة شاملة ضمن أنظمة الطاقة لحماية ضد الأضرار المحتملة والاضطرابات التشغيلية الناجمة عن هذه الأعطال.