الحماية الكهربائية (نظم-)

حمايه كهرباييه (نظم)

Electric protection systems - Systèmes de protection électrique

الحماية الكهربائية (نظم -)

يمكن تشبيه الحماية الكهربائية والإلكترونية لنظام القدرة الكهربائية، بالجهاز العصبي للكائنات الحية من حيث المستشعرات الحساسة للتغيرات الفيزيائية الخطرة، وتجاوزها قيماً محددة. وفي هذه الحال تعطي منظومات الحماية الأوامر السريعة للعزل والحماية. ولما كانت الكائنات الحية تصاب بالشلل عند إصابة جهازها العصبي فإنه لا يمكن إطلاقاً تشغيل أو استثمار نظام كهربائي من دون نظام حماية متكامل فعال وسريع.

المفاهيم الأساسية لحماية منظومات القدرة الكهربائية

الشروط غير النظامية لعمل الشبكة:

تعمل جميع عناصر الشبكة وتجهيزاتها على توتر محدد، وتصمم الآلات والخطوط لتتحمل تياراً محدداً. وتعرف هذه القيم المحددة بالقيم الاسمية للشبكة، ومنها التوتر الاسمي والتيار الاسمي والاستطاعة الاسمية والتردد الاسمي، واتجاه جريان الاستطاعات. غير أن التغير الدائم للحمولات على الشبكة يؤدي إلى انحراف القيم الحقيقية للتوتر والتيار والاستطاعة والتردد، زيادة ونقصاً عن القيم الاسمية، وتعتبر هذه التغيرات طبيعية طالما بقيت ضمن المجال المحدد سلفاً، أما إذا تجاوزت ذلك المجال فإن عمل الشبكة يخضع لشروط غير نظامية للأسباب الآتية:

ـ مرور تيارات خطرة في أجزاء الشبكة تتسبب في انخفاض في التوتر وارتفاعٍ خطرٍ في حرارة التجهيزات وتلفها نتيجة للاستعمال الخاطئ للتجهيزات أو إغلاق خاطئ لأحد أطوار القاطع.

ـ فشل العازلية في الآلات والشبكات بسبب توترات عابرة خطرة قد يكون خارجياً كالصواعق، أو داخلياً كالمناورة الخاطئة على خط نقل قدرة طويل، أو إلى سوء تصنيع العوازل.

ـ حدوث عطل بسبب قصر بين الطور والأرض أو بين طورين والأرض أو ثلاثة أطوار والأرض.

ففي حال حدوث تلك الأعطال تنخفض قيم الممانعة Z المرافقة للقوة المحركة الكهربائية E,V انخفاضاً شديداً ينتج من تيارات قصر كبيرة جداً [Icc] في معظم عناصر الشبكة الكهربائية، وخاصة بالقرب من مكان القصر، تسبب تلف الآلات أو انفجارها، أو حدوث قوس كهربائية شديدة ينتج منها حريق خطر. لذا كان من أهم أهداف حماية نظم القدرة الكهربائية وضع خطة حماية متكاملة توفر ما يأتي:

ـ عزل الجزء المصاب آنياً قبل أن تفقد الشبكة استقرارها.

ـ فصل الشبكة من جهة المنبع في حال فشل حماية الجزء المصاب .

ـ توفير حماية رديفة للحماية الأساسية في حال عدم إقلاعها.

ـ توفير حماية خاصة بكل عنصر من عناصر الشبكة.

ـ توفير حماية التجهيزات الكهربائية من التلف عند استعمالها في شروط غير نظامية.

ـ مراقبة التوتر والتردد.

الظواهر الفيزيائية المرافقة لحدوث الأعطال الكهربائية

يمكن حصر الظواهر الفيزيائية المرافقة لحدوث العطل بالنقاط الآتية:

ـ ازدياد كبير في قيمة التيار /I/ وانخفاض قيمة توتر الشبكة /V/.

ـ انخفاض في قيم الممانعة الظاهرية للشبكة /Z/.

ـ عدم توازن تيار الدخل مع تيار الخرج في عناصر الشبكة.

ـ عند حدوث عطل في عنصر الشبكة يحدث ارتفاع سريع ومفاجئ في درجة حرارة الآلة.

ـ عند حدوث عطل غير متناظر (تماس بين طورين ـ تماس بين طور مع الأرض وغيرها) يلاحظ ظهور المركبات المتناظرة (الموجبة - السالبة - الصفرية)، ويمكن قياس تلك المركبات باستعمال مرشحات كهربائية خاصة.

الأسس المعتمدة في تقسيم الشبكة إلى مناطق حماية

يتم ذلك بتقسيم الشبكة إلى مناطق حماية، تحتوي كل منطقة على حواكم لكشف العطل في المنطقة، وعلى قواطع آلية لعزل المنطقة عن باقي الأجزاء حين حدوث عطل فيها، ويستخدم القاطع الآلي لعزل الجزء المتعطل حين حدوث عطل ويستخدم لفتح وإغلاق الدارة في الحالات الاعتيادية. أما الغرض من الحاكمة فهو معرفة وجود عطل في منطقة حماية معينة وتنبيه القاطع الآلي للعمل كما هو واضح في الشكل (1).

ويفضل تقليص حجم الجزء المعزول من الشبكة بسبب العطل قدر الإمكان، وجعله مقصوراً على مولد أو محولة أو خط نقل أو قضبان مجمعة. ويجب تصميم مناطق وأجهزة حماية رئيسية واحتياطية لمجابهة احتمال فشل أجهزة الحماية الأساسية.

الشروط اللازم توافرها في منظومة الحماية

1- الانتقائية: يجب على نظام الحماية بموجبها إعطاء أمر آني للقواطع المحيطة لعزل عنصر الشبكة المصاب بعطل، ومن المهم جداً عدم فصل أي جزء آخر من الشبكة، إذ إن فصل مولد أو خط سالم من الشبكة قد يؤدي إلى زيادة الحمل على عناصر الشبكة الأخرى والتسبب بفقد استقرارها .

2- السرعة: إن تركيب مجموعات توليد كبيرة في الشبكة سبب في ارتفاع قيمة تيار القصر في الشبكات الحديثة، لذا كان من الأهمية توفير حماية سريعة للتخفيف من التلف الذي قد يسببه تيار القصر في التجهيزات، وللحد من تطور خطأ بسيط إلى قصر بين طورين في حال استمرارية القوس الكهربائية.

3- الموثوقية: هي درجة الثقة التي توفرها تجهيزات الحماية ومنظومتها والتي تسمح بتناسيها عدة أشهر أو عدة سنين طالما لا يحدث أي عطل في الشبكة، لكن من جهة أخرى يجب أن تعمل المنظومة وتحمي الشبكة حماية أكيدة وفعالة عند حدوث أي عطل فيها.

4- الحساسية: على الحاكمة أن تعمل مهما كانت الشروط حتى في حال تخفيف تيار العطل أو في حال التخفيف الآني لاستطاعة القصر للشبكة عن طريق مانعات العطل. ولهذه الحساسية حدود يجب عدم تجاوزها لتفادي العمل الخاطئ لعناصر الشبكة عند زيادة الحمل مثلاً.

أجهزة التحسس لتغيرات النظام - تجهيزات التحويل

تستخدم أجهزة قياس دقيقة تقيّم التغيرات الطارئة من توتر، وتيار، واستطاعة، وممانعة إلى الحواكم وأجهزة التحكم لمراقبة عمل نظام كهربائي مؤلف من مولدات وخطوط ومحولات رئيسية وفرعية في شروط العمل النظامية وغير النظامية. ولأن قيم هذه التغيرات في نظام القدرة الكهربائية تقاس بالكيلوفولت والكيلوأمبير والميغا وات MW توصل أجهزة القياس بمناطق الحماية عن طريق تجهيزات التحويل، حيث يمكن الحصول بوساطتها على قيم مخفضة للتوتر والتيار متناسبة طرداً مع القيم الحقيقية للتوتر والتيار في الشبكة، الأمر الذي يمكّن من استخدام أجهزة قياس وتحكم ذات ملفات مصممة على قيم لا تتجاوز 5 أمبير مثلاً و120 فولت، لقياس أي مقدار كهربائي للشبكة. تصمم تجهيزات التحويل هذه تصميماً خاصاً، بحيث تتوافر فيها شروط أهمها أن تكون بسيطة، واقتصادية، وذات موثوقية عالية، وذات عزل كهربائي جيد، وذات نسبة تحويل قريبة من المثالية. نميز من تجهيزات التحويل هذه نوعين: محولات التوتر (PT) (الشكل-2) توصل إلى الشبكة على التوازي، وتكون إما أحادية الطور أو ثلاثية الطور ولمختلف مستويات التوتر، ومحولات التيار (CT) (الشكل-3).

الشكل (2) محول توتر ثلاثي الطور		الشكل (3) مخطط رمزي لمحول توتر (PT) ولمحول تيار(CT)

الحاكمات أو المرحّلات

الحاكمات هي العناصر التي تستشعر الأعطال التي تصيب نظام القدرة الكهربائية وعند تجاوز القيم الخاصة بالتيار أو التوتر، أو الاستطاعة وغيرها من متحولات القيم النظامية المحددة للنظام. تتحرض الحاكمة وتغلق تماساتها لدارة ثانوية، وتأمر بفتح قاطع الحماية لعزل العنصر المعطل عن كامل الشبكة الكهربائية. ويمكن تصنيف الحاكمات بحسب الوظيفة إلى حاكمات التيار، والتوتر، والاستطاعة، والممانعة. ويمكن تصنيف الحاكمات بحسب تصميمها الداخلي، إلى حاكمات تحريضية أو كهروميكانيكية آنية أو ذات تأخير زمني، ومنها حاكمات إلكترونية ومنظومات حاسوبية متكاملة تتولى تعديل قيم متحولات عناصر نظام القدرة إلى قيم رقمية والتعامل معها ببرامج منطقية.

- الحاكمات الكهرطيسية: أنواعها كثيرة جداً منها على سبيل المثال الحاكمة ذات القرص المتحرض مع تأخير زمني، وهي للحماية من التيار الأعظمي Imax، وتتألف من قلب معدني مغنطيسي مفتوح ويمثل (الشكل-4) مسقطاً شاقولياً ومسقطاً أفقياً بين أقطابه قرص من الألمنيوم. في الحالة النظامية يمر تيار 5 أمبير في الملف المغذي للحاكمة يؤدي إلى نشوء سيالة مغنطيسية في الثغرة الهوائية بين القطبين تتسبب في تحريض تيارات فوكو في قرص الألمنيوم. ثم يحدث تنافر بين الحقل الموجود بين القطبين والساحة المتولدة من تيارات فوكو تؤدي إلى دوران قرص الألمنيوم وإغلاق التماس (ba) وبالتالي إغلاق الدارة الثانوية بسبب فتح القاطع الآلي كما هو مبين في (الشكل-5).

الشكل (4) يمثل مسقطاً أفقياً وشاقولياً لحاكمة ذات القرص المتحرض مع إمهال زمني للحماية من التيار الأعظمي Imax		الشكل (5) يمثل ثلاث محولات شدة CT تغذي ثلاث حاكمات 7-CO للتيار تماساتها مرتبطة على التوازي مع دارة ثانوية يتم تغذيتها من بطاريات للتيار المستمر. إن إغلاق أحد تماسات حاكمة التيار أو التماسات الثلاث يسبب إغلاق الدارة الثانوية وبالتالي إطلاق وشيعة القاطع الآلي

- الحاكمة ذات الأسطوانة المتحرضة: من أهم صفات هذه الحاكمة أنه يمكن تغذيتها بقيم مختلفة للتيار والتوتر، وبالتالي يمكن تحويلها بعد تعديلات محددة لتعمل حاكمة استطاعة أو حاكمة ممانعة وفق (الشكل-6).

وتتألف الحاكمة ذات الأسطوانة المتحرضة من دارة مغنطيسية مؤلفة من أربعة أقطاب بارزة، وفي الوسط أسطوانة من الألمنيوم تحرضها قوى دوارة من ملف التيار وقوى معاكسة من ملف التوتر. عند دوران الأسطوانة يغلق اللسان الناتئ داخل الأسطوانة مع تماس موجود في محورها وتغلق التماسات f-e لدارة التيار المستمر التي ستحرض قاطع الحماية بحسب (الشكل-7).

الشكل (6) حاكمة ذات أسطوانة متحرضة		الشكل(7) تغذية حاكمة ممانعة من (CT) و (PT)

- الحاكمات الإلكترونية: بدأت أنظمة الحماية الحديثة تعتمد على الحاكمات الإلكترونية لما تتمتع به من مميزات أهمها:

ـ زمن استجابتها قصير جداً .

ـ عدم وجود أجزاء متحركة وبالتالي تنعدم مشكلة العطالة لعناصرها.

ـ استهلاكها من الطاقة صغير جداً لانعدام ملفات الدخل.

ـ حساسيتها عالية جداً.

ـ رخص ثمنها مما يمكّن من توفير حماية رديفة متكررة.

ـ خلوها من التماسات الكهربائية وانعدام مشكلة الفتح والإغلاق والشرارة الكهربائية المرافقة.

ـ سهولة معايرتها وفحصها بالحاسوب المحمول.

يمثل (الشكل-8) حاكمة إلكترونية للتيار الأعظمي imax مع تأخير زمني. تفيد العناصر الإضافية الموجودة مع الحاكمة في تحديد التأخير الزمني.

حماية عناصر نظام القدرة الكهربائية

إن حماية المولدات والمحولات الكهربائية وخطوط نقل القدرة، وقضبان التجمع والمحطات والمكثفات يتطلب عدداً كبيراً جداً من حاكمات الحماية يمكن اختصارها كما يأتي:

ـ إن الحماية الأساسية لكل مولد ـ ومحول هي الحاكمة التفاضلية إضافة إلى /35/ حاكمة أخرى تشمل جميع المتحولات الفيزيائية والكهربائية المرافقة لأي عطل في الجهازين.

ـ الحماية الأساسية لكل خط نقل توتر عالٍ هي حاكمة الممانعة أو ما تسمى حاكمة المسافة إضافة إلى /38/ حاكمة.

ـ تجهز قضبان التجمع ـ والمحركات والمكثفات بحاكمات التيار إضافة إلى سبع حمايات إضافية لتغطية كامل الأعطال الممكن حدوثها على تلك العناصر.

إن تنفيذ نظام حماية متكامل للعناصر المبينة أعلاه، وبالاعتماد على عناصر حماية تقليدية، تحريضية أو كهروميكانيكية مشكلة هندسية وتقنية واقتصادية كبيرة جداً، ناهيك عن المشكلات الأخرى التي تواجه تصميم هذا العدد الكبير من الحواكم، ومعايرتها، ومراقبتها والإشراف عليها وصيانتها بدقة وباستمرار، ويمكن تقدير مقدار الجهد والوقت المبذولين لحصر عطل ما وإصلاحه، كل هذا لا يتناسب مع متطلبات السرعة، والوثوقية، والأمان، لنظم القدرة في العصر الحديث.

لذلك تركزت البحوث والدراسات الجادة للبحث عن نظام حماية إلكتروني - حاسوبي يحقق متطلبات نظام القدرة من حيث الوثوقية - والأمان - والسرعة في الكشف عن الأعطال وبأقل تكلفة اقتصادية ممكنة.

التطورات الحديثة في مجال نظم الحماية المتكاملة

في ظل ثورة المعلوماتية التي اجتاحت جميع فروع المعرفة والتقنيات كان لابد من تطور نظم حاسوبية متخصصة قوية وفعالة في مجال الحماية قادرة على التفاعل مع الإنسان وتتكامل مع عدد كبير من التجهيزات الإلكترونية والأنظمة المنطقية يساندها نظام اتصالات حديث من أجل تحقيق منظومة حماية سريعة وذات وثوقية عالية جداً ويمكن التعامل معها عبر الحاسوب الشخصي PC.

الشكل (9)

منظومة إلكترونية حاسوبية لحماية عناصر نظم القدرة الكهربائية

قابلة للبرمجة باستخدام الحاسوب الشخصي PC

ويبين (الشكل-9) منظومة إلكترونية حاسوبية تغطي متطلبات جميع عناصر نظام القدرة الكهربائي وتتألف هذه المنظومة من المراحل الآتية:

1- مرحلة الدخل I/A

2- تحويل الإشارة من قيم تمثيلية إلى قيم رقمية

3- خوارزمية الحماية الأساسية لمنظومة الحماية

4- منظومة حاكمات الحماية الإلكترونية

5- نظام تسجيل الحالة العابرة

المراقبة والإشراف الذاتي

تتمتع منظومة الحماية الحاسوبية المبينة في (الشكل-9) وعبر وحدة التحكم والمراقبة SCS/SMS بميزة الإشراف المستمر الذاتي والاختبار الذاتي لجهاز الحماية.

إن تعطل أي جزء من المنظومة، يمكن الإعلان عنه مباشرة عن طريق جرس إنذار ويختبر العمل الصحيح للدارة التمثيلية والرقمية بتنفيذ عملية التصحيح والتبديل ومقارنتها مع توتر مرجعي.

ويتضمن النظام خوارزمية تفحص ذاكرة المعالج باستمرار وتصحيح الخوارزمية عن طريق دارة مراقبة خاصة وهكذا تملك منظومة الحماية مراقبة ذاتية، وليس هناك داع لأي تصحيح أو اختبار دوري.

مقداد مهنا

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلدالثامن

رقم الصفحة ضمن المجلد : 531

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية