الحل التعاوني لموحد تقييد التيار العاطل (FCL) وإعادة الإغلاق الأوتوماتيكي للأحادية الطور (SPAR) في شبكات الكهرباء ذات الجهد العالي جدًا في جنوب شرق آسيا

1. مقدمة: خلفية البحث والأهمية​
   مع التطور الاقتصادي السريع في جنوب شرق آسيا، تستمر شبكات الكهرباء في التوسع وتزداد الأحمال. هذا أدى إلى أن تقترب التيارات القصيرة للنظام أو حتى تتجاوز حدود قدرة قطع الدائرة للمفتاح الكهربائي، مما يشكل تهديداً خطيراً لسلامة واستقرار عمليات الشبكة الكهربائية. وفي الوقت نفسه، تعتبر خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي العمود الفقري للربط الإقليمي للطاقة. حيث تشكل الأعطال الأرضية للأطوار الواحدة أكثر من 70% من الأعطال، وحوالي 80% منها أعطال مؤقتة (مثل الصدمات الكهربائية الناجمة عن الرعد أو الأجسام الأجنبية التي تحملها الرياح). تعد تقنية إعادة التشغيل التلقائي للأطوار الواحدة (SPAR) طريقة رئيسية لتسريع إزالة الأعطال وإعادة تزويد الطاقة والحفاظ على استقرار وموثوقية الشبكة.

تعتبر محددة تيار الأعطال (FCLs)، خاصة تلك من نوع مكابح الأكسيد المعدني (MOA)، إجراءات فعالة لمنع زيادة التيار القصير وقد تم تطبيقها بشكل تدريجي في شبكات الجهد العالي. ومع ذلك، ركز معظم البحوث الحالية على تأثير FCLs على الاستقرار العابر للنظام وحماية الريلاي، مع إغفال الآثار السلبية المحتملة على معدلات نجاح SPAR. تستهدف هذه الاقتراح ملء هذا الفراغ البحثي من خلال إجراء تحليل عميق للتفاعل بين FCLs و SPAR، وتقديم مجموعة من استراتيجيات التحكم التعاونية المناسبة لشبكات الكهرباء في جنوب شرق آسيا. هذه الاستراتيجيات تضمن كلًا من الحد الفعال للتيار وتوفير الطاقة بموثوقية.

​1. مبدأ عمل محددة تيار الأعطال من نوع مكابح الأكسيد المعدني (MOA)​
يتكون هذا النوع من FCL بشكل أساسي من المكونات التالية، والتي تعمل بالتنسيق لتحقيق الوظيفة الأساسية "المقاومة المنخفضة أثناء التشغيل الطبيعي والمقاومة العالية أثناء الأعطال":

سير العمل: أثناء التشغيل الطبيعي للنظام، يرن Lf وCf → مقاومة FCL قريبة من الصفر → لا يوجد تأثير على تدفق الطاقة. عند حدوث عطل قصير، يعمل MOA بسرعة لقص Cf → يتم إدخال المفاعل المحدد للتيار L في النظام لمنع زيادة التيار القصير → تنفجر الفجوة المحفزة وأرسل إشارة لإغلاق المفتاح المجاور K → بعد إغلاق K، يقوم بتوجيه التيار لحماية MOA.

​2. تحليل المشكلة: الآثار السلبية لـ FCL على تيار القوس الثانوي و SPAR​
هو التيار الذي يستمر في الحفاظ على نقطة العطل بعد فتح مفتاح الدائرة للأطوار المعيبة أثناء تشغيل SPAR، والذي يتم الحفاظ عليه بواسطة التداخل الكهرومغناطيسي والإلكتروستاتيكي من الأطوار السليمة. يحدد حجم وخصائص هذا التيار بشكل مباشر ما إذا كان يمكن للقوس العاطل الانطفاء الذاتي، وهو أمر حاسم لنجاح SPAR.

تحليل المحاكاة (بناءً على EMTP، مع معلمات النموذج المرجوع إليها لنظام 500 كيلوفولت في جنوب الصين) يظهر أن تركيب FCL قد يؤدي إلى مشكلات جديدة:

• تأثير توقيت المفتاح المجاور (K): إذا كان المفتاح المجاور K مفتوحًا عند انقطاع مفتاح الدائرة، سيتضمن تيار القوس الثانوي مكونًا بحجم كبير (حتى 225 أمبير)، وانحسار بطيء، وتواتر منخفض جدًا (حوالي 3-3.25 هرتز). هذا المكون ذو التواتر المنخفض يقلل بشكل كبير من عدد نقاط الصفر للتيار، مما يجعل من الصعب على القوس العاطل الانطفاء الذاتي ويقلل بشكل واضح من معدلات نجاح SPAR.
• تأثير مقاومة مسار القوس (Rg): عندما تكون مقاومة الانتقال في نقطة العطل كبيرة (مثل 300 أوم)، يكون التيار القصير صغيرًا، مما قد يمنع تفعيل FCL في نهاية الخط (لا يصل MOA إلى الجهد التشغيلي). في هذه الحالة، يبقى Cf غير مقصر ويشكل دائرة تذبذب منخفض التواتر مع المفاعل المتوازي للخط، مما يؤدي أيضًا إلى توليد مكون منخفض التواتر ضار بانطفاء القوس.

​3. تحقيق الآلية: مصدر المكون ذو التواتر المنخفض​
التحليل النظري باستخدام شبكات المقاومة المكافئة وتحويلات لابلاس يكشف عن آلية المكون ذو التواتر المنخفض:
السبب الجذري هو المكثف Cf في FCL. بعد انقطاع مفتاح الدائرة وعزل الطور المعيب، يتم تصريف الطاقة المخزنة في Cf عبر المفاعل المتوازي والمقاومة القوسية لنقطة العطل. تشكل هذه دائرة تذبذب منخفض التواتر، مع تواتر تذبذب (حوالي 3 هرتز) يعتمد بشكل أساسي على Cf ومعلمات المفاعل المتوازي للخط، وبعيدًا إلى حد كبير عن موقع العطل. يتم إلغاء هذا التذبذب ذو التواتر المنخفض فقط عندما يظل المفتاح المجاور K مغلقًا، مما يقص Cf تمامًا.

​4. الحل الأساسي: استراتيجية التنسيق الزمني لـ FCL و SPAR​
لضمان الحد الفعال للتيار بواسطة FCL دون التأثير على SPAR، يقترح هذا الاقتراح استراتيجية تنسيق زمني دقيقة، مع مدة إجمالية محكومة ضمن 0.66-0.73 ثانية:

جوهر الاستراتيجية: استخدام إشارة قطع مفتاح الدائرة من حماية الريلاي كأمر لغلق المفتاح المجاور K بسرعة وإبقائه مغلقًا طوال فترة احتراق القوس الثانوي (حوالي 0.2 ثانية). هذا يقص Cf تمامًا، مما يزيل المكون ذو التواتر المنخفض في تيار القوس الثانوي ويخلق ظروفًا مواتية لأنطفاء القوس الذاتي.

​5. فعالية وفوائد الخطة​
تحقق المحاكاة باستخدام EMTP ما يلي:

1. إزالة الضرر ذو التواتر المنخفض: يزيل تماماً المكون ذو التواتر المنخفض البالغ 3 هرتز في تيار القوس الثانوي، مما يتجنب تأثيراته الضارة على انطفاء القوس.
2. تحسين خصائص انطفاء القوس: يقلل وقت انطفاء القوس الثانوي بنسبة حوالي 4.5٪ ويقلل تيار المكون ذو التواتر الكهربائي بنسبة 10.5٪، مما يحسن بشكل كبير معدلات نجاح SPAR.
3. التوافق والموثوقية: لا يؤثر هذا الأسلوب على خصائص استعادة الجهد الأصلي للنظام ويحقق التوازن بين سلامة FCL (حماية MOA) والحاجة إلى التعافي السريع.
4. سهولة التنفيذ: يعتمد هذا الأسلوب على الإشارات الحالية لحماية الريلاي ويحتاج إلى تعديلات قليلة لنظم الثانوية، وهو منخفض التكلفة ومناسب للمشاريع الحالية أو الجديدة ذات الجهد العالي في دول جنوب شرق آسيا.

​6. الخاتمة والتوصيات​
بالنسبة لشبكات الجهد العالي في جنوب شرق آسيا التي تخطط لتركيب أو التي تم تجهيزها بالفعل بمحددة تيار الأعطال من نوع مكابح الأكسيد المعدني (MOA)، من الضروري الاهتمام الشديد بالمشكلة المحتملة للتذبذبات ذات التواتر المنخفض في تيار القوس الثانوي، والتي يمكن أن تقلل من معدلات نجاح SPAR وتهدد موثوقية تزويد الطاقة.