تقييد تيار القصر في الأنظمة الكهربائية وتطبيق محددات تيار العطل (FCL)

0 مقدمة​
مع تطور أنظمة الطاقة وزيادة الطلب على الأحمال، أصبحت دمج الوحدات الكهربائية ذات السعة الكبيرة ومعدات المحطات الفرعية—خاصة ظهور محطات الطاقة الكبيرة في مراكز الأحمال والربط بين الأنظمة الكهربائية الكبيرة—قد أدى بشكل لا مفر منه إلى ارتفاع مستمر في مستويات التيار القصير. بدون إجراءات فعالة للحد من هذا التوجه، لن يؤدي ذلك فقط إلى زيادة كبيرة في استثمارات المعدات للمحطات الفرعية الجديدة ولكن أيضًا سيؤثر بشدة على خطوط الاتصال والأنابيب لمعدات المحطات الفرعية الموجودة، مما قد يتطلب تمويلًا كبيرًا للتجديد والترقية.

في المراحل الأولى من تطور النظام، عندما تكون سعة النظام صغيرة ومستويات التيار القصير منخفضة، يمكن عادة التعامل مع زيادة التيار القصير عن طريق استبدال أجهزة التحويل—غالبًا ما يكون لدى باقي معدات المحطة الفرعية هامش كافٍ في هذه المرحلة. ومع ذلك، عندما تكون سعة نظام الطاقة كبيرة ومستويات التيار القصير عالية ويستمر التيار القصير في الارتفاع بسبب الربط بين الأنظمة أو توسيع السعة، فإن استبدال قواطع الدائرة لم يعد كافيًا. قد تتطلب المحطات الفرعية الموجودة ليس فقط استبدال قواطع الدائرة ولكن أيضًا تحسين أو استبدال المحولات الرئيسية وأجهزة الفصل والمحولات القياسية والحافلات والعوازل والبنى التحتية وأنظمة التأريض. بالإضافة إلى ذلك، قد تحتاج خطوط الاتصال إلى التغليف أو حتى تحويلها إلى كابلات اتصال تحت الأرض.

بسبب العديد من العوامل، تستمر الوحدات الكهربائية ذات السعة الكبيرة والمحطات الكهربائية في الاندماج في شبكة 220 كيلوفولت، مما يؤدي إلى زيادة سريعة جدًا في مستويات التيار القصير. لقد أصبحت قدرة القطع والاستقرار الديناميكي لعدد كبير من قواطع الدائرة بـ 220 كيلوفولت—وحتى المحطات الفرعية بأكملها—غير متوافقة مع المستويات المتزايدة للتيار القصير، مما يخلق تحديات تقنية واقتصادية خطيرة. لذلك، أصبح البحث عن الحد من التيار القصير أمرًا ملحًا.

​1 الإجراءات التقليدية لتقييد التيار والتقييدات المرتبطة بها​
يمكن التعامل مع تقييد التيار القصير من منظوري الهيكل والتشغيل والمعدات. تشمل الإجراءات التقليدية الفئات التالية، ولكن لكل منها تقييدات كبيرة:

• ​أ. تعديل هيكل الشبكة​
  يشمل تطوير شبكات ذات فولتية أعلى وتقسيم شبكات الفولتية المنخفضة / الحافلات وفصل الشبكة.
• تطوير شبكات ذات فولتية أعلى: يتطلب استثمارات كبيرة ويتضمن مخاوف بيئية.
• تقسيم شبكات الفولتية المنخفضة / الفصل: سهل التنفيذ ولديه آثار تقييد تيار كبيرة ولكنه يقلل من هوامش الأمان النظامية ويحد من المرونة التشغيلية، مما يجعله مناسبًا فقط للسيناريوهات الضرورية.
• ​ب. تقنية الربط المباشر​
  يمكن أن يقلل الربط المباشر بشكل كبير من التيار القصير، ولكن الاستثمار في محطات التحويل على الطرفين مرتفع للغاية. بالنسبة للروابط القصيرة مع تبادل طاقة منخفض، تعتبر هذه الحل غير مجدٍ اقتصاديًا.
• ​ج. المحولات ذات المقاومة العالية​
  استخدام المحولات ذات المقاومة العالية لتقييد التيار القصير على الجانب ذو الفولتية المنخفضة هو إجراء شائع. ومع ذلك، تظهر هذه المحولات خسائر أعلى أثناء التشغيل المستقر، مما يؤثر على الاقتصاديات النظامية.
• ​د. المفاعلات السلسلية​
  المفاعلات السلسلية، والتي تتميز بتكنولوجيا تصنيع ناضجة وأثر واضح في تقييد التيار، يتم استخدامها بالفعل في أنظمة المساعدة في محطات الطاقة والمحطات الفرعية بـ 10–35 كيلوفولت. ومع ذلك، فإن تطبيقها في الأنظمة ذات الفولتية الفائقة يزيد من خسائر الشبكة ويقلل من الاستقرار النظامي، مما يحد من ملاءمتها.
• ​ه. توسيع سعة المعدات وإعادة التجهيز​
  استبدال قواطع الدائرة وإعادة تجهيز المحطات الفرعية الموجودة للتعامل مع التيار القصير الأعلى يعالج المشكلة مباشرة ولكنه يتطلب استثمارًا عاليًا وبناءً معقدًا، مما يؤدي إلى كفاءة اقتصادية ضعيفة وتواضع الوقت.

نظرًا للتقييدات الكبيرة المرتبطة بالإجراءات التقليدية، أصبح تطوير أجهزة جديدة لتقييد التيار متوافقة مع الأنظمة الكهربائية الحديثة أمرًا حتميًا. وقد ظهر محدد التيار القصير (FCL) كحل وهو أيضًا مكون مهم لأنظمة نقل الطاقة المتناوبة المرنة (FACTS).

​2 تطبيق محددات التيار القصير (FCL) في أنظمة الطاقة​

​2.1 النموذج والمبادئ الأساسية لـ FCL​
تستند المبادئ الأساسية لـ FCL إلى تقنية تقييد التيار باستخدام المفاعلات السلسلية، مع تحسينها باستخدام الإلكترونيات القوية للتغلب على العيوب المرتبطة بالمفاعلات السلسلية التقليدية (مثل الخسائر العالية أثناء التشغيل المستقر والتاثير على الاستقرار النظامي). يمكن تبسيط نموذجه الأساسي إلى: "لا يوجد معاوقة أثناء التشغيل الطبيعي؛ إدخال المعاوقة بسرعة أثناء الأعطال لتقييد التيار."

• خلال التشغيل الطبيعي: الجهاز التحويلي مغلق، المعاوقة المكافئة لـ FCL قريبة من الصفر، ولا تؤثر على النظام.
• خلال حالة العطل: الجهاز التحويلي يفتح بسرعة، مما يؤدي إلى إدخال المفاعل المحدد للتيار لتقييد التيار القصير.

تشمل المكونات الأساسية لـ FCL أربعة عناصر رئيسية:

1. عنصر كشف التيار القصير السريع: يقوم بمراقبة التيار النظامي في الوقت الحقيقي ويحدد بسرعة أعطال التيار القصير.
2. جهاز التحويل السريع: يعمل بسرعة خلال الأعطال لتحويل الحالة بين "عدم وجود معاوقة" و "وجود معاوقة".
3. المفاعل المحدد للتيار: المكون الرئيسي لتقييد التيار، يقوم بقمع التيار القصير عبر المعاوقة.
4. عنصر حماية الجهد الزائد: يمنع الجهد الزائد أثناء تحويل العطل، مما يحمي معدات النظام.

​2.2 الوظائف ومتطلبات التصميم لـ FCL​

​2.2.1 الوظائف الأساسية لـ FCL​
يوفر FCL نهجًا جديدًا لتقييد التيار القصير في أنظمة الطاقة وهو مكون رئيسي في الأنظمة الكهربائية الحديثة. تشمل مميزاته:

• تقليل العبء على قواطع الدائرة: تتناسب مستويات الجهد الأعلى مع تيارات أعطال أكبر وأكثر صعوبة في القطع. يقوم FCL بتقليل التيار الذي يجب قطعه بواسطة قواطع الدائرة، مما يمدد عمر المعدات.
• تحسين الاستقرار النظامي: قمع التيار القصير بسرعة يقلل من انخفاض الجهد في الخطوط ويقلل من احتمال فقدان التزامن بين المولدات، مما يعزز استقرار الزاوية والجهد والتردد.
• زيادة استغلال المعدات والخطوط: إذا عمل FCL قبل الوصول إلى ذروة التيار القصير، فإنه يقلل من متطلبات الحدود الحرارية والاستقرار الديناميكي، مما يزيد من القدرة الفعلية للنقل في الخطوط.
• تحسين جودة الجهد: قمع التيار بسرعة قبل تصحيح العطل يقصر مدة انخفاض الجهد على الخطوط غير المعيبة، مما يضمن استقرار جهد الشبكة.
• تقليل التداخل مع المرافق المحيطة: قمع التيار القصير في الشبكات ذات الجهد العالي يقلل من التداخل الكهرومغناطيسي مع خطوط الاتصال القريبة وأنظمة الإشارات الحديدية.

​2.2.2 متطلبات التصميم لـ FCL​
لتكييف FCL مع خصائص تشغيل نظام الطاقة، يجب أن يستوفي المعايير التصميمية التالية:

• لا يوجد تأثير على النظام أثناء التشغيل الطبيعي (انخفاض الجهد قريب من الصفر).
• رد فعل سريع أثناء الأعطال (في غضون 1-2 ميلي ثانية)، يقيد الذروة والتيار المستقر للأعطال دون آثار جانبية مثل الجهد الزائد.
• إعادة الضبط التلقائية بعد تصحيح العطل دون تدخل يدوي.
• لا يوجد تداخل مع منطق التشغيل الطبيعي لأجهزة الحماية.
• تكلفة معقولة وكفاءة تكلفة عالية، تلبي احتياجات التطبيقات الهندسية.

​2.3 مقارنة بين مختلف أنظمة تنفيذ FCL​

​2.3.1 مقارنة بين الحلول​

• ​الخاتمة: FCL القائم على المواد الجديدة (خاصة الموصلات الفائقة) والألكترونيات القوية هي الحلول المثلى حاليًا. الأول بسيط وموثوق ولكنه محدود بالتكنولوجيا المواد؛ الثاني قابل للتحكم بشكل قوي، ومع انخفاض تكلفة الإلكترونيات القوية، أصبح قابلًا للتطبيق الهندسي، مما يجعله الاتجاه الأكثر وعده للبحث والتطوير.

​2.5 اتجاهات البحث المستقبلية لـ FCL​
يجب أن يركز البحث المستقبلي على FCL على "تحسين الأداء، وتكامل الوظائف، والتكيف الهندسي." تشمل الاتجاهات الرئيسية:

1. محولات المعاوقة القابلة للتعديل المستمر: الانتقال من التقييد الحالي "معاوقة ثنائية الحالة (صفر أو لانهائي)" إلى تطوير محولات المعاوقة القابلة للتعديل المستمر التي تتناسب بشكل ديناميكي مع المعاوقة الأعلى مع التيار الأعلى للأعطال. يجب أن تتضمن أيضًا تعويض عامل الطاقة واستيعاب الجهد الزائد، مجتمعة مع نظريات التحكم (مثل التغذية الراجعة السلبية، التحكم PID) لتعزيز التحكم الآلي في النظام.
2. التكامل مع أجهزة التحكم في FACTS: تطوير أجهزة التحكم الشاملة التي تجمع بين FCL والمكونات الأخرى لـ FACTS (مثل SVG، SVC) لتحسين الكفاءة الاقتصادية الكلية وتعزيز أنظمة نقل وتوزيع الطاقة القابلة للتحكم.
3. الاختراقات التقنية الرئيسية:
• آليات التأثير لـ FCL على استقرار نظام الطاقة.
• منطق التنسيق بين FCL وأجهزة الحماية.
• تحسين أنظمة الكشف عن الإشارات السريعة جدًا للأعطال وأجهزة التحكم.
• تأثيرات FCL على جودة الطاقة (مثل التوافقيات، تقلبات الجهد) وتدابير التخفيف.

​3 الخاتمة​

• أ. أصبح تقييد التيار القصير في أنظمة الطاقة مشكلة حاسمة تتطلب حلًا عاجلًا. كجهاز حماية جديد، يقدم محدد التيار القصير (FCL) حلًا فعالًا، وتطوير FCL متوافق مع الشبكات الحديثة له قيمة نظرية وهندسية كبيرة.
• ب. FCL القائم على الإلكترونيات القوية يمتلك أساسًا نظريًا وقابلية تطبيق هندسي. أداؤه الممتاز في التحكم وتراجع تكلفة الأجهزة الإلكترونية القوية يشير إلى آفاق تطوير واسعة.
• ج. مع تقدم تطور تقنيات FACTS/CusPow، ينبغي أن يقوم FCL—كعضو رئيسي في عائلة FACTS—ليس فقط بمعالجة مشكلات تقييد التيار في شبكات النقل والتوزيع بشكل مستقل ولكن أيضًا التعاون مع أجهزة التحكم الأخرى في FACTS لتعزيز تطور أنظمة نقل وتوزيع الطاقة القابلة للتحكم.