تحليل تقنية حماية التحويلات الأرضية في مواقع البناء

حققت الصين حالياً إنجازات معينة في هذا المجال. قام الأدب المتعلق بتصميم مخططات تكوين نموذجية لحماية أعطال التأريض في أنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض للمفاعلات النووية. بناءً على تحليل الحالات المحلية والدولية التي أدت فيها أعطال التأريض في أنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض للمفاعلات النووية إلى تشغيل خاطئ لحماية التسلسل الصفر للمحولات، تم تحديد الأسباب الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح اقتراحات لتحسين تدابير حماية أعطال التأريض في أنظمة الطاقة المساعدة للمفاعلات النووية بناءً على هذه المخططات التكوينية النموذجية.

درس الأدب المتعلق أنماط التغير في التيار الفارق والتيار المقيد، وقام بتحليل كمي لقابلية التكيف لحماية التفاضل النسبي للمحولات الرئيسية تحت ظروف هذه الأعطال من خلال حساب نسبة التيار الفارق إلى التيار المقيد.

ومع ذلك، لا تزال هذه الطرق تواجه العديد من المشاكل التي تحتاج إلى حل عاجل. على سبيل المثال، المقاومة الأرضية الزائدة، واختيار طرق التأريض بشكل غير صحيح، وتوفير تدابير تأريض الحماية من البرق بشكل غير كافٍ - يمكن أن تؤدي كل هذه القضايا إلى فشل المحولات وحتى تسبب حوادث أمنية. لذا، من الضروري إجراء المزيد من البحوث والتحليل العميق حول تقنيات حماية تأريض المحولات في مواقع البناء، مع دمج أحدث النتائج البحثية والتطورات التقنية.

من خلال هذا البحث، يمكن ليس فقط رفع المستوى النظري لتقنية حماية تأريض المحولات، ولكن أيضًا توفير حلول وتدابير عملية وقابلة للتطبيق على المشاريع الإنشائية الفعلية. يأمل الباحثون أن يجذب هذا البحث المزيد من الاهتمام والإهتمام من العلماء لتقنيات حماية تأريض المحولات في مواقع البناء، مما يؤدي إلى تعزيز تطور هذا المجال بشكل جماعي.

1 تحديد طرق تأريض المحولات

قد تتسبب طريقة التأريض المباشر لنقطة الوسط المحايدة للمحولات التقليدية في تدفقات تيار قص زائدة تحت ظروف معينة، مما قد يتسبب في تلف المعدات. لذا، تم اقتراح طريقة التأريض بمقاومة منخفضة لنقطة الوسط المحايدة. يعتبر التأريض بمقاومة منخفضة طريقة فعالة لتحقيق السيطرة الفعالة على تيار تأريض المحولات عن طريق توصيل مقاومة منخفضة بين نقطة الوسط المحايدة للمحول والأرض. يمكن لهذه طريقة التأريض ليس فقط تنظيم حجم تيار التأريض وتقليل تأثير الصواعق والفولتية الزائدة على المحولات، وبالتالي تحسين الاستقرار التشغيلي، ولكن أيضًا تقييد تيارات القص وتقليل خطر تلف المعدات.

وبشكل أكثر تحديداً، عند تنفيذ التأريض بمقاومة منخفضة لنقطة الوسط المحايدة للمحولات في مواقع البناء، الخطوة الأولى هي تحديد قيمة المقاومة الأرضية المناسبة. وفقاً لقانون أوهم، تكون قيمة المقاومة الأرضية عكسياً نسبية لتيار التأريض وللجهد الأرضي. لذا، عند اختيار قيمة المقاومة الأرضية لطريقة التأريض بمقاومة منخفضة لنقطة الوسط المحايدة، يجب تحديد قيمة المقاومة أولاً، والمعادلة كالآتي:

في المعادلة، R₀ تمثل قيمة المقاومة للمقاوم الأرضي؛ U₀ تمثل الجهد الكهربائي المتوسط للنظام الكهربائي في موقع البناء؛ I₀ تمثل التيار المار عبر المقاوم المحايد. وفقاً لحساب المعادلة (1)، يجب اختيار قيمة مقاومة أرضية مناسبة يمكنها تقييد تيار القص بشكل فعال بينما تتجنب التأثير الزائد على المحول.

الخطوة التالية هي تحديد معلمات مثل مساحة المقطع العرضي ومادة السلك الأرضي. يجب أن تمتلك مادة السلك الأرضي أيضاً قابلية توصيل عالية ومقاومة للتآكل لتضمن عمرها التشغيلي ومعقوليتها. درست هذه الدراسة الظروف الفعلية لتأريض المحولات في مواقع البناء واختارت سلك النحاس المطلاء بالقصدير كموصل أرضي - وهو مادة تتميز بقابلية توصيل جيدة وسهولة التوصيل وقدرة قوية على مقاومة التآكل، مما يتوافق تماماً مع متطلبات طريقة التأريض بمقاومة منخفضة لنقطة الوسط المحايدة.

تؤثر مساحة المقطع العرضي للسلك الأرضي مباشرة على قيمة المقاومة، مما يؤثر بدوره على تيار التأريض. لذا، يتم اختيار مساحة المقطع العرضي المناسبة للسلك الأرضي بناءً على المعادلة التالية:

في المعادلة، S تمثل مساحة المقطع العرضي للسلك الأرضي في طريقة التأريض بمقاومة منخفضة لنقطة الوسط المحايدة؛ η تمثل معامل النسبة بين مقاومة التأريض لنقطة الوسط المحايدة ومقاومة تأريض المحول؛ T تمثل الارتفاع الحراري المسموح به للسلك الأرضي. وأخيراً، يجب تحديد عمق الدفن للكهربائي الأرضي. لضمان التشغيل المستقر للكهربائي الأرضي في البيئات القاسية، يجب أن يكون عمق الدفن أكبر من سمك طبقة التربة المتجمدة في موقع البناء، مما يضمن بشكل شامل موثوقية وسلامة نظام التأريض.

باختصار، عند تنفيذ تأريض المحولات في مواقع البناء، يتم استخدام طريقة التأريض بمقاومة منخفضة لنقطة الوسط المحايدة، مع إعدادات معقولة لمعلمات التأريض بما في ذلك قيمة المقاومة، ومساحة المقطع العرضي للسلك الأرضي، واختيار المادة، وعمق الدفن للكهربائي الأرضي، مما يوفر أساساً صلباً لتشغيل المحول بشكل مستقر أثناء البناء.

2 تصميم خطة حماية تأريض المحولات

وفقاً للمحتوى أعلاه، يتم استخدام طريقة التوصيل بالأرضية ذات المقاومة المنخفضة في تقنية حماية التوصيل بالأرضية لمحولات الكهرباء في مواقع البناء. هذه الطريقة تتحكم بشكل فعال في تيار التوصيل بالأرضية للمحولات من خلال مقاومة منخفضة. قد تحدث العديد من الأعطال أثناء تشغيل المحولات، وأكثرها شيوعًا هو عطل التوصيل بالأرضية لأحد الأطوار. يشير عطل التوصيل بالأرضية لأحد الأطوار إلى قصر دارة بين أحد أطوار ملفات المحول والأرضية بينما يستمر الطوران الآخران في العمل بشكل طبيعي. هذا العطل يتسبب في تغير جهد نقطة الوسط المحايدة للمحول مما يؤدي إلى عدم توازن في التيار الثلاثي الأطوار. باستخدام هذه الخاصية، تم اقتراح نظام حماية مبني على عدم توازن التيار الثلاثي الأطوار في المحولات:

أولاً هو حماية الجزء الأول من التسلسل الصفرية، مع صيغة حساب الإعداد كالتالي:

في الصيغة، I₁ يمثل قيمة التيار التشغيلي للحماية الصفرية للمحولات في مواقع البناء؛ γ₁ يمثل معامل الثقة؛ γ₂ يمثل معامل الفرع الصفرية؛ I₂ يمثل قيمة التيار التشغيلي للحماية الصفرية للأجزاء المجاورة للمحولات في مواقع البناء. بعد حساب قيمة التيار لحماية الجزء الأول من التسلسل الصفرية وفقًا للصيغة (3)، يتم ضبط وقت التشغيل لحماية الجزء الأول ليكون عادة حوالي 0.5 ثانية أطول من وقت التشغيل للحماية الصفرية التالية.

ثم يأتي حماية الجزء الثاني من التسلسل الصفرية. صيغة حساب قيمة التيار الحامي هي نفسها لحماية الجزء الأول من التسلسل الصفرية، أي أن التيار الحامي يتم الحصول عليه أيضًا وفقًا للصيغة (3)، ولكن الوقت التشغيلي مختلف، ويحتاج إلى زيادة حوالي 0.3 ثانية بناءً على وقت التشغيل لحماية الجزء الأول من التسلسل الصفرية.

أخيرًا، هناك حماية الجهد الصفرية. بالنظر الشامل إلى أن نقطة الوسط المحايدة قد تفقد حساسيتها الطبيعية أثناء أعطال التوصيل بالأرضية لأحد الأطوار في محولات مواقع البناء، يجب أن يكون الجهد التشغيلي لحماية الجهد الصفرية أقل من الجهد الصفرية الأقصى الذي يظهر عند نقطة تركيب الحماية أثناء أعطال التوصيل بالأرضية لأحد الأطوار. يتم تحديد قيمة الجهد لحماية الجهد الصفرية بشكل أساسي وفقًا للصيغة التالية:

في الصيغة، U₁ يمثل الجهد التشغيلي لحماية الجهد الصفرية؛ U₂ يمثل الجهد المقنن لثلاث ملفات ثانوية.

باختصار، لتشكيل نظام حماية كامل لعدم توازن التيار الثلاثي الأطوار، يتطلب الأمر سلسلة من الحسابات المعقدة، بما في ذلك صيغ حساب حماية الجزء الأول والثاني من التسلسل الصفرية وحماية الجهد الصفرية. استنباط وتطبيق هذه الصيغ سيساعد في تحديد نوع وشدة أعطال التوصيل بالأرضية لأحد الأطوار في مواقع البناء بشكل أكثر دقة. يمكن لهذا النظام الحامي ليس فقط تحديد وموقع وإزالة أعطال التوصيل بالأرضية بسرعة، بل أيضاً تقليل احتمال حدوث حالات انقطاع التيار الناجمة عن أعطال التوصيل بالأرضية. وفي الوقت نفسه، وبالاشتراك مع طريقة التوصيل بالأرضية ذات المقاومة المنخفضة، يتم تشكيل هيكل حماية شامل للتوصيل بالأرضية للمحولات في مواقع البناء، مما يوفر حماية قوية لتشغيل المحولات بأمان.

3 تحليل تجريبي

لتأكيد فعالية تقنية حماية التوصيل بالأرضية للمحولات المشار إليها في مواقع البناء، سيتم استخدام برنامج محاكاة أنظمة الطاقة PowerFactory في هذا الفصل لإجراء تجارب محاكاة لحماية التوصيل بالأرضية للمحولات. أولاً، يتم إنشاء نموذج لنظام كهربائي للمبنى في برنامج المحاكاة، والذي يشمل أساسًا المحولات والخطوط ذات الجهد العالي والمنخفض والأحمال وغيرها من المعدات. الجدول 1 يعرض نموذج ومواصفات المعلمات للمحول التجريبي.

يظهر الهيكل المحدد للمحول في الشكل 1.

ثم تم إجراء تجارب محاكاة لحماية التأريض للمحولات باستخدام ثلاثة طرق تأريض مختلفة على التوالي: التأريض من نقطة المحايد بمقاومة منخفضة، التأريض من نقطة المحايد بمقاومة عالية، والتأريض من نقطة المحايد مع ملف القمع الكهربائي. عند تحديد طرق التأريض، بالنسبة لطريقة التأريض من نقطة المحايد بمقاومة منخفضة، تم اختيار مقاومة ذات قيمة مقاومة صغيرة، محددة بـ 0.5 أوم، لمحاكاة تأثير التأريض بمقاومة منخفضة؛ وبالنسبة لطريقة التأريض من نقطة المحايد بمقاومة عالية، تم اختيار مقاومة ذات قيمة مقاومة أكبر، محددة بـ 10 أوم، لمحاكاة خصائص التأريض بمقاومة عالية.

خلال التجربة، تم محاكاة مستويات التيار الأرضي للمحول تحت حالات أعطال التأريض للأطوار الواحدة. تم تحديد موقع العطل بشكل محدد عند منتصف خط الطور الواحد على الجانب المنخفض الجهد للمحول، مع ضبط مقاومة العطل على 100 أوم لمحاكاة مقاومة التأريض أثناء عطل التأريض. في عملية محاكاة العطل، تم استخدام نظام جمع بيانات ذو معدل أخذ عينات عالي لتسجيل بيانات التيار الأرضي، مع ضبط تردد الأخذ على 1000 مرة في الثانية لضمان التقاط التغيرات الدقيقة في التيار الأرضي.

بالإضافة إلى تسجيل قيمة التيار الأرضي عند حدوث العطل، تم تحديد عدة نقاط زمنية، بما في ذلك 0.1 ثانية، 0.5 ثانية، 1 ثانية، 5 ثوانٍ، و10 ثوانٍ بعد حدوث العطل، لمراقبة التغيرات في التيار الأرضي في نقاط زمنية مختلفة. لتجنب العشوائية في نتائج التجربة، تم تسجيل بيانات التيار الأرضي 10 مرات، مع اعتبار القيمة المتوسطة كنتيجة تجريبية نهائية. يوفر الشكل 2 مقارنة لأثر حماية التأريض للمحولات باستخدام طرق تأريض مختلفة.

كما هو موضح في الشكل 2، قارنت التحليلات المحاكاة خصائص التيار الأرضي للمحولات تحت حالات أعطال الأطوار الواحدة لطرق التأريض من نقطة المحايد بمقاومة منخفضة، بمقاومة عالية، وبملف القمع الكهربائي. تشير النتائج إلى أن التيار الأرضي تحت طريقة التأريض من نقطة المحايد بمقاومة منخفضة أعلى بكثير من التيار الأرضي تحت طريقة التأريض من نقطة المحايد بمقاومة عالية وطريقة التأريض من نقطة المحايد بملف القمع الكهربائي.

تحت تقنية حماية التأريض المصممة، كان متوسط تيار التأريض للمحول 70.11 أمبير، وهو زيادة بمقدار 43.44 أمبير و21.62 أمبير على التوالي مقارنة بتقنيات مجموعة الضبط. هذا يساعد في تقليل شدة الشرارة عند نقطة العطل ويسرع قدرة العطل على التلاشي الذاتي. لذلك، فإن تقنية حماية التأريض المصممة ممكنة وموثوقة، ومناسبة للتطبيق العملي في حالات أعطال الأطوار الواحدة للمحولات، مما يحمي سلامة التشغيل للمحولات في مواقع البناء.

4. الخلاصة

تقدم تقنية حماية التأريض للمحولات في البناء اقتراحًا لخطة حماية التيار الصفر الزائد المستندة إلى طريقة التأريض من نقطة المحايد بمقاومة منخفضة. من خلال التجارب المقارنة، تم التحقق من تفوق تقنية حماية التأريض المصممة في الحماية الرئيسية لأعطال الأطوار الواحدة للمحولات. رغم تحقيق بعض الإنجازات البحثية، لا تزال هناك بعض القيود. على سبيل المثال، قد تكون ظروف التجربة وعينات البيانات غير شاملة بما فيه الكفاية، مما يتطلب المزيد من التحقق من شمولية الاستنتاجات.

يمكن أن يركز البحث المستقبلي على المجالات التالية: أولاً، توسيع نطاق التجارب وزيادة عينات البيانات لتحسين دقة واستيعاب الاستنتاجات؛ ثانيًا، إجراء دراسات متعمقة حول الخطط والتقنيات الأخرى للحماية لاستكشاف طرق حماية التأريض للمحولات الأكثر كفاءة وموثوقية؛ وأخيرًا، تطوير أجهزة وأنظمة حماية أداء أعلى بالاشتراك مع التطبيقات الهندسية العملية.