تعتبر مفاتيح الدائرة للمنشآت الكهربائية مناسبة لعدد كبير من محطات توليد الطاقة، بما في ذلك محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، والنووية، والتوربينات الغازية، ودورة التوليد المركبة، والطاقة الكهرومائية، ومحطات تخزين الضخ. وهي أيضًا مثالية لإعادة تجهيز المحطات القائمة التي لا تحتوي على مفاتيح دائرة للمولدات.
في الماضي، كانت مفاتيح الدائرة للمولدات تُستخدم بشكل شائع في محطات الوحدات المتعددة حيث يتم ربط العديد من المولدات الصغيرة نسبيًا بحافلة مشتركة. ومع النمو السريع في حجم المولدات وارتفاع مستويات تيار العطل في النظام، تجاوزت قدرات فصل هذا النوع من معدات التحكم سريعاً. ثم تم اعتماد مفهوم الوحدة، حيث كان لكل مولد نظام إمداد بخاري مساعد مستقل متصل مباشرة بمحول الرفع وواحد أو أكثر من مفاتيح الجهد العالي.
عند مقارنة الاتصال بوحدة، توفر استخدام مفاتيح الدائرة للمولدات لتغيير المولدات عند جهدها النهائي العديد من المزايا:
تبسيط العمليات: يبسط الإجراءات التشغيلية، مما يقلل من التعقيد وإمكانية الخطأ البشري أثناء مهام التبديل المتعلقة بالمولدات.
حماية محسنة: يقدم حماية أفضل للمولد، وكذلك للمحولات الرئيسية والوحدة، مما يحمي هذه المكونات الحرجة من الأعطال والزيادات الكهربائية.
زيادة الموثوقية: يعزز أمان نظام توليد الطاقة ويحسن بشكل كبير من توافر محطة الطاقة، مما يقلل من وقت التوقف ويزيد من إنتاج الطاقة.
فوائد اقتصادية: يجلب أيضًا مزايا اقتصادية، مثل تقليل تكاليف الصيانة وتحسين الكفاءة التشغيلية على المدى الطويل.
يمكن تلخيص المتطلبات الرئيسية لتخطيط الشبكة الكهربائية في محطات الطاقة كالتالي:
نقل فعال للطاقة: نقل الطاقة الكهربائية المولدة من المولد إلى نظام النقل ذو الجهد العالي (HV)، مع مراعاة الاحتياجات التشغيلية والعوامل المتعلقة بالتوافر والموثوقية والجدوى الاقتصادية.
إمداد كهربائي مساعد موثوق به: ضمان إمداد الطاقة الكهربائية لأنظمة المساعدة والخدمة في المحطة، وهو أمر أساسي لضمان تشغيل محطة الطاقة بأمان وموثوقية.
توضح الشكل 1 أمثلة على تخطيطات محطات الطاقة التي تستخدم مفتاح دائرة المولد لربط المولد بمحول الرفع الرئيسي، مما يوضح كيفية دمج هذه المفاتيح في التكوين الكهربائي العام لمحطة الطاقة.
تلعب مفاتيح الدائرة للمولدات دورًا حاسمًا ومتنوعًا في أنظمة الطاقة، حيث تقوم بعدة واجبات تشغيلية أساسية:
المزامنة مع نظام الجهد العالي (HV): هي مسؤولة عن مزامنة المولد مع جهد النظام على مستوى الجهد العالي (HV). وهذا يضمن اتصالًا سلسًا بين خرج المولد والشبكة، مما يسهل نقل الطاقة الكهربائية بكفاءة.
فصل المولد عن نظام الجهد العالي (HV): تمكن من فصل المولدات عن نظام الجهد العالي، وهو ما يكون مفيدًا خاصة عند إيقاف المولدات غير المحملة أو المحملة الخفيفة. هذه العملية تساعد في الحفاظ على استقرار وسلامة شبكة الطاقة.
قطع تيار الحمل: يمكن لهذه المفاتيح قطع تيار الحمل، مع القدرة على التعامل مع تيار كامل الحمل للمولدات. هذه الوظيفة ضرورية للتشغيل الطبيعي وإدارة الحمل داخل محطة الطاقة.
قطع تيار العطل المغذي من النظام: يمكنها قطع تيار العطل المغذي من النظام، مما يحمي المولد والمكونات الأخرى من آثار تدفق التيار الزائد بسبب أعطال النظام.
قطع تيار العطل المغذي من المولد: وبالمثل، صممت لتقطيع تيار العطل المغذي من المولد، مما يحمي المولد نفسه من الأعطال الداخلية ويضمن تشغيله الآمن المستمر.
قطع التيار تحت ظروف عدم التوافق: يمكن لمفاتيح الدائرة للمولدات التعامل مع قطع التيار تحت ظروف عدم التوافق، مع القدرة على إدارة زاوية عدم التوافق تصل إلى 180 درجة. هذه الميزة ضرورية للحفاظ على استقرار النظام خلال ظروف التشغيل غير الطبيعية.
المزامنة في محطات تخزين الضخ (وضع المحرك): في محطات تخزين الضخ، عند بدء تشغيل المولد-المحرك في وضع المحرك، يستخدم مفتاح الدائرة لمزامنة الجهاز مع نظام الجهد العالي. هناك طرق مختلفة للمزامنة متاحة، مثل استخدام محول التردد الثابت (SFC) أو بدء التشغيل بالطريقة المتوازية.
معالجة تيار البدء في محطات تخزين الضخ (وضع المحرك): عند بدء تشغيل المولد-المحرك في وضع المحرك مع بدء التشغيل غير المتزامن في محطات تخزين الضخ، يقوم مفتاح الدائرة بإغلاق وتقطيع تيار البدء، مما يضمن عملية بدء سلسة ومتحكم بها.
قطع تيار العطل ذات التردد المنخفض: في محطات الطاقة التي تعمل بتوربينات الغاز ودورة التوليد المركبة وتخزين الضخ، بناءً على مصدر التغذية عند البدء، يمكن لمفتاح الدائرة قطع تيار العطل المغذي من المولد عند ترددات أقل من 50/60 هرتز، مما يتكيف مع المتطلبات الخاصة لنظم توليد الطاقة هذه.
هناك عدة طرق للمزامنة في محطات تخزين الضخ.
طريقة بدء التشغيل باستخدام محول التردد الثابت (SFC): تتكون هذه الطريقة بشكل أساسي من محول ثايستور مرتبط بمحول الوحدة على الجانب ذو الجهد العالي ومحول عكسي مرتبط بالمولد. يقوم المحول العكسي ببدء تشغيل المولد من تردد قوة منخفض ويزيد تدريجيًا حتى يصل إلى التردد الفعلي للقوة. بمجرد تهييج المولد لإنتاج الطاقة، قد يكون هناك فرق زاوي بين خرجه وخراج الشبكة. في اللحظة التي يكون فيها الفرق الزاوي بين المولد وشبكة الجهد العالي هو الأقل، يتم مزامنة المولد مع شبكة الجهد العالي باستخدام مفتاح دائرة المولد أو مفتاح دائرة الجهد العالي.
طريقة بدء التشغيل المتوازية: في محطة الطاقة التي تحتوي على عدة مولدات، يمكن استخدام طريقة بدء التشغيل المتوازية. يتم استخدام الطاقة المنتجة بواسطة مولد يعمل تحت الظروف الاسمية لبدء تشغيل مولد آخر متوقف حتى يصل إلى التردد الفعلي للقوة. ثم يتم مزامنة المولد مع شبكة الجهد العالي باستخدام مفتاح دائرة المولد أو مفتاح دائرة الجهد العالي.
وفقًا للمعيار IEC/IEEE 62271-37-13، يتم تحديد دورة العمل القصيرة المعتمدة لمفتاح دائرة المولد بأنها تتكون من وحدتين من العمليات، مع فترة زمنية تبلغ 30 دقيقة بين كل عملية. يتم تمثيل دورة العمل كـ "CO – 30 دقائق – CO"، مما يعني قطع تيار قصير متكامل مرتين، مع فترة زمنية تبلغ 30 دقيقة بين كل عملية قطع تيار قصير.تم تصميم هذا الهيكل خصيصًا لحماية محطات الطاقة والمولدات. إجراء عمليتين متتاليتين من الإغلاق والفتح خلال تيار قصير متكامل قد يتسبب في أضرار للمولد ومحولات الرفع.
هذا النوع من التيار القصير نادر للغاية، ومن غير المرجح أيضًا أن يحاول مدير المحطة إغلاق الدائرة مرة أخرى بعد مرور 30 دقيقة فقط على حدث تيار قصير متكامل.
الفترة الزمنية البالغة 30 دقيقة بين العمليتين ضرورية لاستعادة الظروف الأولية لمفتاح الدائرة ومنع تسخين مكوناته بشكل مفرط. يجب ملاحظة أن هذه الفترة الزمنية قد تختلف بناءً على نوع العملية ومميزات مفتاح دائرة المولد.
