انواع خطا در سیستم برق

سیستم قدرت نقص‌ها: تعریف و طبقه‌بندی

نقص در سیستم قدرت به عنوان یک ناهماهنگی یا عیب تعریف می‌شود که باعث انحراف جریان الکتریکی از مسیر مورد نظر خود می‌شود. هنگامی که یک نقص رخ می‌دهد، شرایط غیرمعمول عملیاتی ایجاد می‌کند، عمدتاً با کاهش مقاومت دیالکتریک بین رسانه‌ها. این تضعیف دیالکتریک می‌تواند منجر به آسیب شدید به مولفه‌های سیستم قدرت، اختلال در تأمین برق طبیعی و ایجاد خطرات ایمنی شود.

نقص‌های سیستم قدرت عمدتاً به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

• نقص مدار باز: این نوع نقص زمانی رخ می‌دهد که یک شکست یا ناپیوستگی در مدار الکتریکی وجود داشته باشد که مانع جریان طبیعی جریان می‌شود. این می‌تواند ناشی از رسانه‌های آسیب دیده، اتصالات پاره یا خرابی مولفه‌های الکتریکی باشد.

• نقص مدار کوتاه: در یک نقص مدار کوتاه، یک مسیر مقاومت کم ناخواسته بین دو یا چند رسانه وجود دارد که باعث جریان بسیار زیادی از جریان می‌شود. این می‌تواند ناشی از تخریب دیالکتریک، تماس فیزیکی بین رسانه‌ها یا خرابی تجهیزات باشد.

انواع مختلف و نمایانگر این نقص‌های سیستم قدرت در تصویر زیر نشان داده شده است.

علل و طبقه‌بندی نقص‌های سیستم قدرت

نقص‌های سیستم قدرت می‌توانند به دلیل اختلالات طبیعی متعددی رخ دهند. حوادثی مانند برخورد صاعقه، بادهای با سرعت بالا و زلزله می‌توانند نقص‌ها را القا کنند. صاعقه با تخلیه‌های الکتریکی شدید خود می‌تواند دیالکتریک را آسیب ببیند و جریان طبیعی را مختل کند. بادهای با سرعت بالا ممکن است خطوط برق را براندازند یا باعث تغییر موقعیت رسانه‌ها و تماس آنها با اشیاء دیگر شود، در حالی که زلزله می‌تواند زیرساخت‌ها را جابجا کند و منجر به شکست رسانه‌ها و آسیب به مولفه‌های الکتریکی شود.

نقص‌ها می‌توانند نیز نتیجه حوادث مختلفی باشند. به عنوان مثال، سقوط یک درخت روی خطوط برق، برخورد یک وسیله نقلیه با سازه حمایتی یا سقوط یک هواپیما به زیرساخت‌های الکتریکی می‌تواند منجر به اختلالات در سیستم قدرت شود. این حوادث تصادفی می‌توانند مستقیماً رسانه‌ها، دیالکتریک‌ها یا بخش‌های مهم شبکه الکتریکی را آسیب ببینند و نقص‌ها را ایجاد کنند.

۱. نقص مدار باز

نقص مدار باز عمدتاً زمانی رخ می‌دهد که یک یا دو رسانه خراب شوند. از آنجا که این نوع نقص در سری با خط الکتریکی رخ می‌دهد، به آن نقص سری نیز گفته می‌شود. نقص‌های مدار باز تأثیر قابل توجهی بر قابلیت اطمینان سیستم قدرت دارند و اغلب منجر به اختلال در تأمین برق و آسیب محتمل به تجهیزات متصل می‌شوند.

نقص‌های مدار باز می‌توانند به انواع زیر تقسیم‌بندی شوند:

• نقص رسانه باز: این زمانی رخ می‌دهد که یک رسانه واحد در مدار الکتریکی شکسته یا قطع شده و جریان جریان از آن مسیر خاص مختل می‌شود.

• نقص دو رسانه باز: در این سناریو، دو رسانه در سیستم خراب می‌شوند و مختل‌کننده‌ای شدیدتر برای جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. این نوع نقص می‌تواند شرایط نامتقارن ایجاد کند و ممکن است تنش اضافی بر مولفه‌های باقی‌مانده سیستم وارد کند.

• نقص سه رسانه باز: این نقص کمتر رایج و شدیدترین شکل نقص مدار باز است که شامل خرابی همه سه رسانه در یک سیستم سه‌فازی است. این منجر به از دست دادن کامل انتقال برق می‌شود و می‌تواند عواقب دوررسی برای شبکه الکتریکی و بارهای متصل داشته باشد.

کنفیگوراسیون‌های مختلف نقص‌های مدار باز در شکل زیر نشان داده شده است که یک نمایش تصویری از نحوه ظاهر شدن این نقص‌ها در سیستم قدرت ارائه می‌دهد.

۲. نقص مدار کوتاه

نقص مدار کوتاه زمانی رخ می‌دهد که رسانه‌های مختلف فاز با یکدیگر در یک خط برق، ترانسفورماتور برق یا المان‌های دیگر مدار تماس می‌گیرند. این اتصال ناخواسته باعث جریان بسیار زیادی از جریان از یک یا دو فاز سیستم الکتریکی می‌شود. نقص‌های مدار کوتاه می‌توانند به دو دسته اصلی تقسیم‌بندی شوند: متقارن و نامتقارن.

نقص متقارن

نقص‌های متقارن آنهایی هستند که شامل همه سه فاز یک سیستم الکتریکی می‌شوند. به طور قابل توجهی، این نقص‌ها حتی پس از وقوع نقص وضعیت تعادل را حفظ می‌کنند. نقص‌های متقارن عمدتاً در انتهای ژنراتورها رخ می‌دهند. شروع چنین نقص‌هایی می‌تواند به عوامل مختلفی نسبت داده شود، مانند مقاومت قوس الکتریکی تشکیل شده بین رسانه‌ها در هنگام نقص یا وجود مقاومت پایه کم در سیستم زمین‌سازی.

نقص‌های متقارن به دو نوع متمایز تقسیم‌بندی می‌شوند: نقص خط به خط به خط و نقص سه‌فاز خط به زمین.

الف. نقص خط – خط – خط

نقص‌های خط به خط به خط (L - L - L) با طبیعت متقارن خود مشخص می‌شوند. حتی پس از وقوع نقص، سیستم الکتریکی متقارن می‌ماند. در حالی که نسبتاً نادر هستند، نقص‌های L - L - L از شدیدترین نوع نقص‌های مدار کوتاه هستند. آنها بزرگترین جریان‌های نقص را در سیستم ایجاد می‌کنند که نقش مهمی در تعیین نیازهای رتبه‌بندی برشکن‌ها دارند. توانایی برشکن‌ها برای قطع این جریان‌های بسیار بزرگ به صورت ایمن و موثر مستقیماً از ویژگی‌های نقص‌های L - L - L ناشی می‌شود و آنها را به یک نکته کلیدی در طراحی و حفاظت از سیستم قدرت تبدیل می‌کند.

ب. L–L–L–G (نقص سه‌فاز خط به زمین)

نقص سه‌فاز خط به زمین (L–L–L–G) شامل همه سه فاز سیستم الکتریکی است. در این سناریوی نقص، یک اتصال بین همه سه فاز و زمین سیستم ایجاد می‌شود. اگرچه نسبت به برخی از انواع نقص‌های دیگر کمتر رایج است، نقص L–L–L–G اهمیت قابل توجهی در تحلیل سیستم قدرت دارد. آماراً، احتمال وقوع چنین نقصی حدود ۲ تا ۳ درصد است. این احتمال نسبتاً کم با این حال، وقتی یک نقص L–L–L–G رخ می‌دهد، می‌تواند جریان‌های نقص قابل توجهی ایجاد کند و اختلالات گسترده‌ای در سیستم قدرت ایجاد کند که نیاز به اقدامات محافظتی قوی و در نظر گرفتن دقیق در طراحی و عملیات سیستم را می‌طلبد.

نقص نامتقارن

نقص نامتقارن به عنوان یک وضعیت در سیستم قدرت تعریف می‌شود که جریان‌های نامتقارن ایجاد می‌کند، جایی که مقادیر و فازهای جریان در سه فاز از یکدیگر متفاوت هستند. این نوع نقص معمولاً شامل یک یا دو فاز است، مانند خط به زمین (L - G)، خط به خط (L - L) یا خط دوگانه به زمین (L - L - G). به عنوان نتیجه این نقص‌ها، سیستم الکتریکی نامتقارن می‌شود که می‌تواند منجر به مسائل عملیاتی مختلف و آسیب محتمل به تجهیزات شود.

نقص‌های نامتقارن می‌توانند به سه نوع متمایز تقسیم‌بندی شوند:

• خط تک به زمین (L – G) نقص

• نقص خط به خط (L – L)

• خط دوگانه به زمین (L – L – G) نقص

بین تمامی انواع نقص‌های سیستم قدرت، نقص‌های نامتقارن بیشترین رخداد را دارند.

۱. خط تک به زمین (L – G) نقص

نقص خط تک به زمین زمانی رخ می‌دهد که یکی از رسانه‌ها با زمین یا رسانه متعادل تماس می‌گیرد. این نوع نقص بسیار رایج است و ۷۰ تا ۸۰ درصد از تمامی نقص‌های رخ داده در سیستم‌های قدرت را شامل می‌شود. فراوانی بالای وقوع آن آن را به یک نگرانی کلیدی برای عملیاتی‌کنندگان و مهندسان سیستم قدرت تبدیل می‌کند که باید اقدامات محافظتی مؤثری را اجرا کنند تا تأثیرات پتانسیل آن بر ثبات و قابلیت اطمینان سیستم را کاهش دهند.

۳. خط دوگانه به زمین (L - L - G) نقص

در یک نقص خط دوگانه به زمین، دو رسانه همزمان با یکدیگر و زمین تماس می‌گیرند. این سناریوی نقص یک مسیر الکتریکی پیچیده ایجاد می‌کند که عملیات طبیعی سیستم قدرت را مختل می‌کند. در حالی که کمتر از نقص‌های خط تک به زمین رخ می‌دهد، نقص‌های خط دوگانه به زمین هنوز خطرات قابل توجهی برای ثبات سیستم و تمامیت تجهیزات ایجاد می‌کنند. آماراً، احتمال وقوع یک نقص خط دوگانه به زمین حدود ۱۰٪ از تمامی نقص‌های سیستم قدرت است. این احتمال نسبتاً کم اما قابل توجه، اهمیت ادغام استراتژی‌های محافظتی و کاهش خطر در سیستم‌های قدرت را برای حفاظت از آسیب‌های پتانسیل و اختلالات عملیاتی ناشی از چنین نقص‌هایی تاکید می‌کند.