معالجة تحدي التيار الزائد للدائرة القصيرة: حلول ومُطبَّقات مُحدِّد التيار فائق السرعة (FCL)

1. تحدي التطبيق: نقاط الضعف في مخططات الحماية التقليدية من التفريغ القصير​

في الشبكات الكهربائية الحديثة، خاصة في محطات التحويل لمحطات الطاقة والمناطق الصناعية الكبيرة، يتم اعتماد التشغيل المتوازي لأكثر من محول أو مولد لتعزيز موثوقية تزويد الطاقة وكفاءتها. ومع ذلك، يؤدي ذلك إلى زيادة حادة في مستويات تيار التفريغ القصير، مما يتجاوز غالبًا القدرة المقاومة المحددة (مثل القدرة الديناميكية / الحرارية) للمعدات الموجودة مثل مفاتيح الدائرة وقواطع الدائرة والمتحولات.

تواجه الحلول التقليدية تحديات كبيرة:

1. ​قواطع الدائرة التقليدية:​​ يستغرق وقت فصلها عشرات المilliseconds، مما يجعلها غير قادرة على منع تأثير أول ذروة لتيار التفريغ القصير (التيار الذروي). لا تزال المعدات تتعرض لقوة كهرومغناطيسية هائلة وتاثيرات حرارية، مما يشكل خطرًا على الأضرار.
2. ​المفاعلات الحدودية للتيار:​​ رغم أنها يمكن أن تحدها تيار التفريغ القصير، فإن تشغيلها المستمر في السلسلة يؤدي إلى خسائر مستمرة في الطاقة النشطة (زيادة تكاليف الكهرباء)، وهبوط الجهد (التاثير على جودة الطاقة)، وخسائر في الطاقة غير النشطة. قد تسبب أيضًا مشاكل في تنظيم المولدات، مما يقدم أداءً اقتصاديًا وتقنيًا ضعيفًا.
3. ​استبدال المعدات بالكامل:​​ استبدال أقسام كاملة من مفاتيح الدائرة أو المتحولات للتعامل مع زيادة تيار التفريغ القصير يتطلب استثمارًا ضخمًا، ويحتاج إلى هندسة معقدة، ويسبب انقطاعات طويلة في الكهرباء.

​II. الحل: القيمة الأساسية للتطبيق لمحدود التيار الفائق السرعة (FCL)​​

يوفر الحل الحالي محدود التيار الفائق السرعة (FCL) وهو جهاز ذكي يقوم على تكوين متوازي من "مفتاح سريع" و"موقد حدودي للتيار". يحل هذا الجهاز بشكل أساسي التحديات المذكورة أعلاه، حيث تكمن قيمته الأساسية في "فصل بسرعة ميلي ثانية" و"الفوائد الاقتصادية طوال دورة الحياة."

​مزايا التطبيق الأساسية:​​

• ​حماية فائقة السرعة، وإزالة تأثير التيار الذروي:​​ قادر على إكمال الكشف والعمل الحدودي للتيار خلال 1 ميلي ثانية بعد حدوث تفريغ قصير، مما يحد من التيار قبل أن يصل إلى ذروته المدمرة. هذا يحمي بشكل مثالي المعدات مثل مفاتيح الدائرة ومراقبات التيار ووصلات الكابل من القوى الكهرومغناطيسية الهائلة، وهو ما لا يمكن تحقيقه مع قواطع الدائرة التقليدية.
• ​فوائد اقتصادية كبيرة ووفورات في الطاقة:​​ يتم عادة تطبيق FCL بالتوازي مع مفاعل حدودي للتيار. أثناء التشغيل العادي، يتدفق التيار عبر FCL (خسارة قريبة من الصفر)؛ أثناء التفريغ القصير، يتم فصل FCL بسرعة، ويتم نقل التيار إلى المفاعل للحد منه. هذا النمط يتجنب الخسائر الكبيرة في تكاليف الكهرباء المرتبطة بالتشغيل طويل الأمد للمفاعلات، مما يجعله الحل الأكثر اقتصادية للحد من التيار. وفي الوقت نفسه، يتجنب الاستثمار الباهظ لتغيير أقسام كاملة من مفاتيح الدائرة، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة إعادة بناء أو توسيع أو بناء محطات التحويل الجديدة.
• ​موثوقية عالية وتصميم خالٍ من الصيانة:​​ أثبتت أداءه المستقر عبر أكثر من 60 عامًا من التشغيل العالمي. يتميز مكون التشغيل الأساسي، وهو الجسر الموصل، بتصميم معياري. بعد التشغيل، يحتاج فقط إلى استبدال الوحدة الداخلية في المصنع، مما يؤدي إلى تكاليف صيانة منخفضة للغاية، ويمكن إعادة استخدام الهيكل الرئيسي.
• ​قابلية التكيف مع سيناريوهات واسعة:​​ إنه الحل الفني الوحيد أو الأمثل للتعامل مع تيارات التفريغ القصيرة الزائدة في سيناريوهات مثل التشغيل المتوازي للمحوّلات والتوصيل مع مصادر الطاقة المستقلة.

​III. السيناريوهات النموذجية للتطبيق والحلول​

​IV. التنفيذ التقني ودليل الاختيار​

1. ​تحليل موجز لمبدأ العمل:​​
   يقوم الجهاز بمراقبة التيار (I) ومعدل تغيره (di/dt) في الوقت الحقيقي عبر CTs بوشة عالية الدقة. يستخدم معايير ثنائية - يصدر أمر الفصل فقط عندما يتجاوز كلاهما العتبات - مما يمنع التشغيل الخاطئ بشكل فعال. عند التفعيل، ينفجر الجسر الموصل ويتم الفصل خلال 1 ميلي ثانية، ويتم نقل التيار إلى موقد حدودي للتيار متوازي خاص، والذي يكمل الحد من التيار وأطفاء القوس في زمن قصير جدًا.
2. ​نماذج التوريد واختيارها:​​
   توفر ثلاثة أنماط تكامل مرنة بناءً على احتياجات المشروع:
• ​نوع المكون المنفصل:​​ مناسب لمشاريع التجديد، يتم تثبيته داخل مفاتيح الدائرة الموجودة، مما يوفر المساحة.
• ​نوع الانسحاب (المثبت على العربة):​​ لـ مفاتيح الدائرة الجديدة، يتم تركيب الجسر الموصل على عربة قابلة للانسحاب، والتي تعمل أيضًا كمفتاح عازل لتسهيل الصيانة.
• ​نوع الخزانة الثابتة:​​ مناسب لجميع مستويات الجهد، خاصة أنظمة 36/40.5kV. يتم تثبيت جميع المكونات بشكل ثابت في هيكل مضغوط.
3. ​المعلمات الرئيسية للاختيار (مثال):​​

​V. الخلاصة​

ليس محدود التيار الفائق السرعة (FCL) مجرد جهاز بديل بسيط ولكنه يمثل نهجًا ثوريًا لحماية النظام. من خلال سرعته الفائقة في الفصل بسرعة ميلي ثانية، فإنه يعيد تعريف المعايير لحماية التفريغ القصير، مما يوفر للعملاء سلامة وفوائد اقتصادية غير مسبوقة. عند مواجهة التحدي الواسع لتيارات التفريغ القصير الزائدة، يوفر FCL حلًا من الطراز الأول ناضجًا وموثوقًا به وقد تم تأكيده من خلال آلاف المشاريع حول العالم. إنه خيار استراتيجي لضمان موثوقية وتشغيل اقتصادي مستقبلي لأنظمة الطاقة الحرجة.