حماية خطوط الجهد العالي – الأعطال وأجهزة الحماية
الأعطال الشائعة في الخطوط الجوية
تشمل الأسباب الأكثر شيوعًا للأعطال في الخطوط الجوية:
المقالة ذات الصلة: حماية المحولات الكهربائية والأعطال
أجهزة حماية الخطوط الجوية
لا تكون حماية التيار الزائد المستندة إلى الوقت فعالة للخطوط الجوية ذات الجهد العالي (HV). هذا بسبب وجود مصادر متعددة ومترابطة للتيار الزائد، والتي قد تحد منها محددات التيار الزائد. تتطلب خطط الحماية في الخطوط الجوية ذات الجهد العالي ما يلي:
لتلبية هذه المتطلبات، يتم استخدام الأجهزة الحامية التالية بشكل شائع في الخطوط الجوية ذات الجهد العالي:
يتم عادةً تطبيق حماية الفرق على الخطوط الجوية القصيرة، بينما تكون حماية المسافة أكثر ملاءمة للخطوط الجوية الطويلة. يتم تصنيف الخطوط الجوية كقصيرة أو طويلة بناءً على مقارنة بين الترددي والمقاومة والقدرة الكهربائية للخط. يعتبر الخط قصيرًا عندما تكون مقاومته وقدرته الكهربائية ضئيلة مقارنة بالترددي. غالبًا ما يتم تنفيذ هذا التقييم باستخدام مخطط π للخط الجوي.
تؤثر عدة عوامل على المقاومة الكهربائية للخط، والاستجابة الفيزيائية له للظروف القصيرة، والتغذية الجارية للخط. تشمل هذه العوامل مستوى الجهد، والبناء الفيزيائي للخط الناقل، ونوع وحجم الموصلات، والمسافة بين الموصلات. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر عدد نقاط نهاية الخط على تدفق التيار الحمل والأعطال، والذي يجب أن يأخذ به نظام الحماية في الاعتبار. كما تؤثر الخطوط الموازية على التحكم في التغذية الجارية، حيث يمكن أن يؤثر التداخل المتبادل على التيار الأرضي المقاس بواسطة أجهزة الحماية. تؤثر أيضًا وجود محولات التوصيل أو أجهزة التعويض التفاعلي، مثل مجموعات المكثفات المتسلسلة أو المكثفات الجانبية، على اختيار نظام الحماية وإعدادات أجهزة الحماية. نتيجة لذلك، يكون دراسة مفصلة للخط الجوي ضرورية لتحديد أجهزة الحماية الأنسب. بشكل عام، يمكن اعتبار الخط الذي يبلغ طوله حتى 80-100 كم قصيرًا، رغم أن هذا يمكن أن يختلف بناءً على مستوى الجهد وخصائص الشبكة.
حوالي 90% من أعطال الخطوط الجوية هي عابرة بطبيعتها. يمكن تصنيف الأعطال كما يلي:
قد يتطلب مثل هذه الأعطال قطع مرحلة واحدة، مما يسمح بإعادة تشغيل الخط فورًا بعد قطع المفاتيح الكهربائية. وبالتالي، يتم استخدام أنظمة القطع بأحادية المرحلة وإعادة التشغيل التلقائي بشكل شائع في المفاتيح الكهربائية المرتبطة بالخطوط الجوية للنقل (عادةً بجهد 220 كيلو فولت أو أعلى). عندما يقوم المفاتيح الكهربائية بقطع تيار العطل، يتم إطفاء القوس الكهربائي، ويتبخر الهواء المؤين. عادةً ما يكون إعادة التشغيل التلقائي ناجحًا بعد تأخير ببضع دورات فقط. ومع ذلك، أثناء أداء الأعمال المُشحن، يجب ضبط أجهزة إعادة التشغيل التلقائي على الخطوط تحت العمل على وضع عدم إعادة التشغيل. يحتاج المفاتيح الكهربائية المستخدمة في هذه التطبيقات إلى تصميم خاص لتكون قادرة على التعامل مع هذه العمليات ومقاومة عدم الاستقرار حتى يتم إصدار أمر القطع النهائي.
حماية الفرق والمقارنة بين الأطوار
تعتمد حماية الفرق على قانون كيرشوف للتيار. في سياق الخط الناقل، تعمل عن طريق مقارنة التيار الداخل للخط في أحد الطرفين مع التيار الخارج منه في الطرف الآخر. تتبادل أجهزة حماية الفرق في كل طرف من خط النقل البيانات حول تيار الخط عبر رابط اتصالات الألياف الضوئية. غالبًا ما يتم إنشاء هذا الرابط باستخدام كابل الأرض البصري (OPGW)، الذي يستخدم أيضًا في تصميم حماية الخفقات للخط الجوي ويحتوي على كابلات الألياف الضوئية داخل تركيبه. توضح الشكل 1 مخطط نظام حماية الفرق.
الشكل 1 – مخطط حماية الفرق للخط الجوي
نظام آخر لحماية الخطوط الناقلة ذات الجهد العالي (HV)، والذي يستند إلى مبدأ حماية الفرق ويستخدم حتى للخطوط طويلة المدى، هو حماية مقارنة الأطوار.
يعمل هذا النظام عن طريق مقارنة الزاوية الطورية بين التيار في طرفي الخط المحمي. في حالة الأعطال الخارجية، يكون للتيار الداخل للخط نفس الزاوية الطورية النسبية للتيار الخارج منه. نتيجة لذلك، تسجل أجهزة مقارنة الأطوار في كل طرف قليلًا أو لا يوجد اختلاف في الزاوية الطورية. وبالتالي، يبقى نظام الحماية مستقرًا ولا يحدث قطع. ومع ذلك، خلال العطل الداخلي، يتدفق التيار من كلا الطرفين إلى الخط، مما يسبب اختلافًا في الزاوية الطورية يمكن لأجهزة مقارنة الأطوار اكتشافه. عند تحديد هذا الاختلاف، يتم تفعيل الأجهزة لعزل وإزالة العطل.
في أنظمة مقارنة الأطوار، تلعب أجهزة بدء التشغيل دورًا مهمًا. تقوم هذه الأجهزة ببدء عملية مقارنة الأطوار بمجرد اكتشاف حالة العطل. يتم تصميمها للعمل في حالات العطل الداخلية والخارجية، مما يوفر مراقبة شاملة.
للحصول على عمل فعال لحماية مقارنة الأطوار، يعد وجود قناة اتصال موثوقة أمرًا ضروريًا. في التطبيقات الحديثة، أصبحت الكابلات البصرية المتكاملة داخل كابل الأرض البصري (OPGW) الخيار المفضل لإنشاء هذا الرابط الاتصالي.
يوضح الشكل 2 مخطط الخط الواحد لنظام توازن الجهد Merz Price، الذي يستخدم لحماية الخطوط ثلاثية الأطوار.
حماية مقارنة الأطوار وحماية المسافة
حماية مقارنة الأطوار
الشكل 2 – مخطط حماية مقارنة الأطوار
في حماية مقارنة الأطوار، يتم وضع محولات التيار المتطابقة استراتيجيًا في كل طور في كلا طرفي خط النقل. يتم توصيل كل زوج من محولات التيار، واحدة في كل طرف من الخط، على التوالي مع جهاز حماية. في ظروف التشغيل العادية وغير العطل، تكون الجهد الثانوي المولد بواسطة هذه المحولات متساويًا في القيمة ولكن معاكسًا في الاتجاه، مما يحقق توازنًا بينهما.
خلال تشغيل النظام الصحيحة، يتطابق التيار الداخل للخط في طرف واحد تمامًا مع التيار الخارج منه في الطرف الآخر. نتيجة لذلك، يتم توليد جهود ثانوية متساوية ومعاكسة في محولات التيار الثانوية في طرفي الخط. يضمن هذا التوازن الجهد أن لا يتدفق أي تيار عبر أجهزة الحماية، مما يحافظ على استقرار نظام الحماية.
ومع ذلك، عندما يحدث عطل في نقطة مثل F على الخط، كما هو موضح في الشكل 2، يتم تعطيل توزيع التيار. على وجه التحديد، سيتدفق تيار أكبر بكثير عبر CT1 مقارنة بـ CT2. يسبب هذا الاختلاف في التيار عدم تساوي الجهد الثانوي للمحولات. وبالتالي، يتم إنشاء تيار دوار يتدفق عبر الأسلاك الرئيسية وأجهزة الحماية. ردًا على هذا التدفق، يتم تشغيل المفاتيح الكهربائية في كلا طرفي الخط لفتحها، مما يعزل الخط المعطوب بسرعة من باقي نظام الطاقة.
قراءة أيضًا: الحماية الأولية والثانوية أو الاحتياطية في نظام الطاقة
حماية المسافة
تعتمد حماية المسافة على أجهزة الحماية التي تقيس المقاومة الكهربائية لخط النقل عن طريق تحليل الإشارات الجهدية والتيارية المطبقة عليها. عند حدوث عطل على الخط، يحدث تغييران كبيران: يرتفع التيار بشكل كبير، ويتنخفض الجهد بشكل كبير.
نظرًا لأن المقاومة الكهربائية لخط النقل تناسب طوله مباشرة، يتم تصميم أجهزة الحماية لتقيس المقاومة حتى نقطة محددة مسبقًا تُعرف باسم "نقطة الوصول". غالبًا ما تُطلق على هذه الأجهزة اسم أجهزة الحماية المقاومة، وتقوم بحساب المقاومة باستخدام قانون أوم، المعبر عنه بالصيغة Z = U/I، حيث Z تمثل المقاومة، U هو الجهد، وI هو التيار.
تُصمم أجهزة الحماية المقاومة للعمل حصريًا للأعطال التي تحدث بين موقع الجهاز ونقطة الوصول المحددة. تسمح هذه الميزة لها بالتمييز الفعال بين الأعطال في أقسام مختلفة من الخط. يتم مقارنة المقاومة الظاهرة التي يحسبها الجهاز مع المقاومة المحددة مسبقًا لنقطة الوصول. إذا كانت المقاومة المقاسة أقل من مقاومة نقطة الوصول، فإن ذلك يعني أن هناك عطلًا على الخط بين الجهاز ونقطة الوصول. عند انخفاض المقاومة المحسوبة ضمن نطاق تشغيل الجهاز، يتم تفعيل الجهاز ليبدأ الإجراءات الحامية.
لضمان الحماية الشاملة، يتم تثبيت أنظمة حماية المسافة في كلا طرفي خط النقل، ويتم إنشاء رابط اتصال بين هذه النهايات، كما هو موضح في الشكل 3. يمكّن هذا الاتصال من التنسيق في تشغيل أجهزة الحماية في كل طرف، مما يعزز فعالية نظام الحماية بشكل عام.
أداء وخصائص أجهزة حماية المسافة
الشكل 3 – مخطط حماية المسافة للخط الجوي
يتم تقييم أداء أجهزة حماية المسافة بشكل أساسي بناءً على معلمتين رئيسيتين: دقة الوصول ووقت التشغيل.
دقة الوصول
تتضمن دقة الوصول مقارنة الوصول الفعلي لأجهزة حماية المسافة في ظروف العالم الحقيقي مع قيمتها المقاومة المحددة مسبقًا. تتأثر هذه المعلمة بشكل كبير بالجهد المطبق على الجهاز أثناء ظروف العطل. يمكن أن يؤدي الجهد المنخفض أو المشوه إلى عدم دقة في المقاومة المقاسة، مما يؤثر على قدرة الجهاز على تحديد موقع العطل بشكل صحيح ضمن نطاق الوصول المحدد. بالإضافة إلى ذلك، تلعب تقنيات قياس المقاومة المستخدمة في تصميمات أجهزة الحماية المحددة دورًا مهمًا. يمكن أن تؤدي الخوارزميات المختلفة والتكوينات المادية إلى مستويات مختلفة من الدقة، مما يؤثر على دقة الوصول الكلية للجهاز.
وقت التشغيل
يعد وقت التشغيل لأجهزة حماية المسافة قيمة متغيرة تعتمد على عدة عوامل. يؤثر حجم التيار العاطل بشكل مباشر؛ يمكن أن يسبب التيار العاطل الأعلى تشغيلًا أسرع، بينما قد يؤدي التيار الأقل إلى وقت استجابة أطول. يهم أيضًا موقع العطل بالنسبة لإعداد الجهاز. يمكن أن يثير الأعطال الأقرب إلى المصدر أو ضمن مسافة معينة من الجهاز استجابة أسرع مقارنة بالأعطال البعيدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يضيف النقطة على موجة الجهد التي يحدث فيها العطل تباينًا في وقت التشغيل.
بعض الأخطاء العابرة للإشارة المقاسة، والتي ترتبط بتقنيات القياس المحددة المستخدمة في تصميم الجهاز، يمكن أن تعقد الأمور بشكل أكبر. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي الأخطاء الناتجة عن محولات الجهد الكهربائي (CVT) أو محولات التيار المشبعة (CT) إلى تأخير تشغيل الجهاز بشكل كبير، خاصة للأعطال التي تحدث بالقرب من نقطة الوصول. يمكن لهذه الأخطاء العابرة أن تشوه الإشارات الجهدية والتيارية، مما يؤدي إلى تفسير خاطئ للمقاومة وتأخير في تفعيل الجهاز.
خصائص أجهزة حماية المسافة
تُظهر خصائص أجهزة حماية المسافة، غالبًا ما يُشار إليها باسم شكل الحماية، كدالة للمقاومة (R) والمعاومة (X) على مخطط R/X أو قابلية التوصيل. من أشهر الأشكال الدائرية (خاصة mho) والمربعية. تُظهر هذه الأشكال الخاصة في الشكل 10 والشكل 11 على التوالي. لكل شكل مميزاته الخاصة ويتم تصميمه لتحسين أداء الجهاز تحت ظروف مختلفة لنظام الكهرباء، مما يوفر وسيلة موثوقة لتمييز بين ظروف التشغيل العادية والأعطال الفعلية داخل القسم المحمي من الخط.
الشكل 4 – خاصية mho
خصائص أجهزة حماية المسافة وإعدادات الوصول وإعادة التشغيل
الشكل 5 – خاصية رباعية الأضلاع
تحصل خاصية المقاومة mho على اسمها من مظهرها على مخطط القابلية، حيث تظهر كخط مستقيم. ومع ذلك، فقد اكتسبت خصائص المقاومة متعددة الأضلاع، مثل الشكل الرباعي، شعبية كبيرة. توفر هذه الخصائص مرونة ملحوظة في تغطية مقاومة الأعطال لكل من الأطوار والأرض. لقد جعلت هذه المرونة منها الخيار المفضل لمعظم أجهزة حماية المسافة الحديثة.
يمكن تكوين أجهزة حماية المسافة بخمسة مناطق مميزة، بعضها محدد لقياس المقاومة في الاتجاه العكسي. تقدم هذه المناطق العكسيات حماية احتياطية لحافلات الحافلات. يتم ربط كل منطقة بوقت تشغيل محدد للجهاز، مما يسمح برد متطور ومنسق للأعطال التي تحدث في مواقع مختلفة داخل الشبكة الكهربائية المحمية.
عند تثبيت أجهزة حماية المسافة في كلا طرفي خط النقل، تختلف أوقات استجابتها للأعطال بناءً على مسافة نقطة العطل (F) من كل طرف من خط النقل. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك خط نقل يربط محطتي توزيع A وB. سيتم اكتشاف العطل أولاً بواسطة جهاز حماية المسافة الموجود في المحطة الأقرب لنقطة العطل F، وسيتم قطع المفتاح الكهربائي المقابل قبل المفتاح في المحطة الأخرى.
لمنع استمرار تغذية العطل القصيرة بالطاقة من الطرف الآخر من الخط حتى يتم تفعيل حماية المسافة ذات الصلة، يكون رابط اتصال بين أجهزة الحماية ضروريًا. عادةً ما يتم إنشاء هذا الاتصال عبر كابلات الألياف الضوئية المتكاملة داخل كابل الأرض البصري (OPGW). يمكّن هذا الإعداد من قطع كلا المفتاحين الكهربائيين في آن واحد، مما يضمن عزل سريع وفعال للقسم المعطوب.
لا يمكن برمجة جهاز حماية المقاومة لقياس المقاومة الدقيقة للخط حتى المفتاح في الطرف البعيد. هذا بسبب الأخطاء وعدم الدقة الموجودة في المكونات مثل محولات التيار (CTs) ومحولات الجهد (VTs) وأجهزة الحماية نفسها، وكذلك في حسابات مقاومة الخط. لمعالجة هذه عدم اليقين، يتم ضبط مدى الجهاز لقياس قيمة المقاومة أقل من المقاومة الإجمالية المقابلة لطول الخط الكامل. على سبيل المثال، يعد ضبط المنطقة 1 لتغطية ما يصل إلى 85٪ من مقاومة الخط ممارسة شائعة وأمنة. تخدم الـ 15-20٪ المتبقية كهامش أمان، مما يمنع حماية المنطقة 1 من التمدد إلى الخط المحمي بسبب الأخطاء والعدم الدقة في القياس. بدون هذا الهامش، سيكون هناك خطر فقدان القدرة على التمييز بين الأعطال في أقسام الخط المجاورة، خاصة عند التعامل مع أنظمة الحماية السريعة.
من الضروري ضبط إعدادات مدى التشغيل وأوقات القطع لكل منطقة قياس بدقة لتحقيق التنسيق المناسب بين أجهزة حماية المسافة عبر نظام الطاقة. يضمن هذا التضبط الدقيق أن يتم تصفية الأعطال بالترتيب الصحيح، مما يقلل من الاضطرابات ويحافظ على استقرار الشبكة الكهربائية.
قراءة ذات صلة: مقدمة إلى التوافقيات - تأثير التوافقيات على نظام الطاقة
إعادة التشغيل
كما تم مناقشته في القسم 4.2، فإن معظم الأعطال في الخطوط الجوية غير متناظرة وعابرة. إعادة التشغيل التلقائي، وهي وظيفة حرجة في أنظمة الطاقة، يتم تنفيذها بواسطة جهاز إعادة التشغيل التلقائي. يتم تشغيل هذا الجهاز بواسطة أجهزة حماية الخط الجوي، كما هو موضح في الشكل 6.
إعادة التشغيل التلقائي في أنظمة الطاقة
الشكل 6 – جهاز إعادة التشغيل التلقائي
يتأثر قرار إعادة تشغيل الخط الكهربائي بعدة عوامل. تعتبر الإدخالات والإرشادات من فرق التخطيط والتشغيل ضرورية لتحديد أفضل ممارسات إعادة التشغيل المخصصة لمتطلبات الشركة والمنطقة. تشمل الاعتبارات الرئيسية لإعادة التشغيل على مستوى النقل:
الاعتبارات الرئيسية
