 |
| أساسيات الحماية الكهربائية لمنظومات القوي الكهربائية |
إن منظومة القوى الكهربائية هي أكبر نظام ابتدعه الإنسان على وجه الأرض حيث أنها الأكبر في عدد المكونات وعدد العاملين بها وعدد المستفيدين منها والأوسع انتشاراً جغرافيا ، فلو نظرنا إلى منظومة القوى الكهربائية لوجدناها تغطي مساحات كبيرة من العالم حولنا وتحتوي على مئات المولدات وآلاف المحولات وآلاف الكيلومترات من خطوط النقل الهوائية ومئات آلاف الكيلومترات من خطوط التوزيع وتربو تكلفة إنشائها على عشرات بل مئات المليارات وعدد العاملين بها يزيد على الآلاف ويستفيد منها ملايين البشر سواء في الاستخدامات المنزلية أو التجارية أو الصناعية.
وفي هذا المقال سنتعرف علي أساسيات الحماية الكهربائية
أساسيات الحماية الكهربائية
معظم مكونات منظومة القوى الكهربائية موجودة في مساحات مكشوفة (كخطوط النقل والتوزيع التي تمتد على مسافات طويلة في الصحاري وداخل المدن والقرى) وبالتالي فهي عرضة لحدوث أعطال أو أخطاء وذلك نتيجة لتأثير العوامل البيئية والجوية كالبرق والعواصف والأمطار أو نتيجة لاقتراب بعض الكائنات الحية كالطيور والأفاعي من الموصلات المكشوفة أو نتيجة لبعض الحوادث كاصطدام طائرة بأحد الخطوط الهوائية أو اصطدام سيارة بمحول أو بعامود أو برج ، وحتى الأجزاء الموجودة في أماكن مغلقة لا تسلم من حدوث مثل هذه الأخطاء نتيجة لتسلل القوارض أو الحيوانات الصغيرة وملامسة الموصلات ، وحتى الكابلات المدفونة في باطن الأرض تكون عرضة لحدوث مثل هذه الأخطاء نتيجة لأعمال الحفر في بعض الأحيان ، هذا بالإضافة إلى أنه قد تحدث أخطاء داخلية "Internal faults "نتيجة لانهيار عزل موصلات المحول أو المولد أو الكابل.
وهذه الأخطاء تؤدي إلى حدوث إما دوائر قصر"short circuits" والتي ينتج عنها مرور تيار كبير جدا في الأجزاء التي تعرضت
للخطأ والأجزاء المجاورة مما يتسبب في آثار تدميرية إذا لم يتم إزالة هذا الخطأ بسرعة ، أو إلى حدوث قطع في أحد الدوائر open circuit مما يسبب في انقطاع الخدمة وما ينتج عنه من خسائر مادية وخصوصا في المصانع والمواقع الإنتاجية المختلفة.
وخطورة الأخطاء لا تنحصر في تدمير الجزء الذي حدث به الخطأ فحسب ولكن إذا لم يتم فصل هذا الخطأ بسرعة فإنه ينتشر في باقي الأجزاء السليمة مما يؤدي إلى كثير من الخسائر المادية نتيجة لتلف المعدات وكذلك نتيجة لتوقف المصانع وقد يصل الأمر إلى خسائر
في الأرواح ولهذا فإنه لا يمكن ترك منظومة القوى دون حماية من مثل هذه الأخطار وذلك لحماية رؤوس الأموال الضخمة التي أنفقت في إنشاء هذه المنظومة وتأمينا لضمان استمرارية تغذية الأحمال المهمة كالمصانع والمستشفيات والدوائر الحكومية والبنوك والمنشآت الأمنية.
الأخطاء الكهربائية Electrical Faults
غالبًا ما تتعرض الشبكات والآلات والمعدات الكهربائية لأنواع مختلفة من الأعطال أثناء تشغيلها. عند حدوث خطأ ، قد تتغير القيم المميزة (مثل الممانعة) للآلات من القيم الحالية إلى قيم مختلفة حتى يتم إزالة الخطأ. قد يكون هناك الكثير من الاحتمالات لأعطال تظهر في شبكة نظام الطاقة ، بما في ذلك الإضاءة والرياح وسقوط الأشجار على الخطوط وفشل الجهاز وما إلى ذلك.كما هو معروف ، إن منظومات القوى الكهربائية هي أنظمة تيار متردد ثلاثية الأوجه وشروط التشغيل السليم الآمن هي :
- أن تكون الأوجه الثلاثة متزنة balanced 3 phase.
- أن يكون التيار ضمن الحدود المسموح بها .
- ألا يمر أي تيار خارج الدوائر المعدة لنقل التيار من محطات التوليد إلى الأحمال.
- ألا تنقطع التغذية عن الأحمال .
- يكون الجهد والتردد ثابتين كل عند القيمة المحدد له.
ولكن قد تسبب بعض الأحداث غير المرغوب فيها في الإخلال بهذه الشروط المطلوبة للتشغيل الآمن ، وهذه الأحداث هي ما نسميه أخطاء faults وقد تحدث هذه الأخطاء نتيجة لأحد الأسباب الآتية
أسباب الأخطاء (الأعطال) الكهربائية
- انهيار العزل عند أي نقطة داخل ملفات المولد أو المحرك، أو المحول ، انهيار عوازل الخطوط الهوائية ، وانهيار عوازل الكابلات الكهربائية.
- ملامسة جسم موصل لجزء مكشوف من موصلات القدرة كأن يمر سرب من الطيور بين خطين من خطوط النقل فتقوم أجسام هذه الطيور المتراصة جنبا إلى جنب بقصر الموصلين معا، أو ثعبان يصل بين خطين من خطوط القدرة ، أو شجرة تقع على الخطوط ، أو رياح قوية تجعل الموصلات تتلامس ، أو طائرة تصطدم بالخطوط.
- البرق lighting يضرب أحد الخطوط ويسبب الجهد الفائق الناتج عن البرق والذي يزيد عن مليون فولت في انهيار عازل الخط.
- أعمال التخريب المتعمدة.
- قطع الموصلات نتيجة تراكم الثلوج عليها.
أنواع الأخطاء الكهربائية
تصنف الأعطال الكهربائية في نظام الطاقة ثلاثي الطور بشكل أساسي إلى نوعين ، وهما أعطال الدائرة المفتوحة والقصيرة. ويمكن تصنيف الأخطاء في منظومة القدرة من حيث طبيعة الخطأ إلى :- أخطاء دوائر القصر Short circuit faults
- أخطاء الدائرة المفتوحةOpen conductor faults
- أخطاء الملفات Winding faults
كما يمكن تصنيف الأخطاء من حيث أعدادها
- خطأ وحيد single fault
- أخطاء متعددة multiple fault وتسمى أيضا أخطاء متزامنة simultaneous faults أي أخطاء تحدث في نفس الوقت معاً ولا يشترط أن تكون في نفس المكان ، فقد يكون نظام القدرة معرضا لدائرة قصر بين خطين في مكان ما وخطا في ملف أحد المحولات في مكان آخر ومثل هذه الأخطاء نادر الحدوث وأغلب الحالات التي يحدث فيها أخطاء متعددة هو قطع أحد الخطوط وملامسة للبرج فيكون عندنا خطأ دائرة مفتوحة مع خطأ أرضي في نفس الوقت.
وأيضا يمكن تصنيف الأخطاء تبعا لزمن حدوثها إلى :
- أخطاء عابرة temporary faults وهي الأخطاء التي تحدث وتنتهي سريعا. ومعظم الأخطاء من هذا النوع حيث يتسبب تيار الخطأ الكبير في إحراق الجسم المتسبب في حدوث الخطأ دون تدخل من أفراد الصيانة.
- أخطاء دائمة permanent faults وهى الأخطاء التي تستمر لفترة طويلة والتي تحتاج إلى إصلاح وصيانة لإزالة الخطأ.
كما يمكن تصنيف الأخطاء تبعا لمكونات منظومة القوى كالآتي
- أخطاء خطوط النقل Transmission line faults
- أخطاء الكابلات الأرضية Underground cable faults
- أخطاء المولدات Generator faults
- أخطاء المحركات Motor faults
- أخطاء المحولات Transformer faults
- أخطاء القضبان العمومية Bus bar faults
أخطاء دوائر القصر Short circuit faults
يمكن تعريف دائرة القصر على أنها اتصال غير طبيعي ذو مقاومة منخفضة جدًا بين نقطتين ، سواء تم إجراؤها عن قصد أو عرضًا.
وهي أكثر أنواع الأخطاء الكهربائية شيوعًا وخطورة ، مما يؤدي إلى تدفق تيارات عالية غير طبيعية عبر المعدات أو خطوط النقل. إذا سمح لهذه العيوب بالاستمرار حتى لفترة قصيرة ، فإنها تؤدي إلى أضرار جسيمة للمعدات.
تحدث هذه الأخطاء غالباً على الخطوط الهوائية والكابلات الأرضية والسبب الرئيسي لها هو فشل أحد الأوجه لقاطع أو مفتاح عزل في إتمام التوصيل.
وتشمل انواع أخطاء دوائر القصر الأنواع التالية:
- خطأ قصر وجه واحد مع الأرض single phase to ground fault
- قصر وجهين معا Phase to phase fault
- قصر وجهين مع اتصال الأرض Two phase to ground fault
- قصر الثلاث أوجهه Three phase fault ويعرف أيضا بالخطأ المتماثل Symmetrical fault
والتيار في حالة الخطأ المتماثل هو أكبر من تيارات الخطأ في الحالات الأخرى ولذا يستخدم هذا الخطأ لحساب مستويات أخطاء النظام وتحديد المقننات المطلوبة لمعدات الحماية من قواطع وغيرها.
أسباب دوائر القصر
قد تكون هذه نتيجة لتأثيرات داخلية أو خارجية- تشمل التأثيرات الداخلية انهيار خطوط أو معدات النقل ، وتقادم العزل ، وتدهور العزل في المولد ، والمحولات والمعدات الكهربائية الأخرى ، والتركيبات غير الملائمة ، والتصميم غير المناسب.
- تشمل التأثيرات الخارجية التحميل الزائد للمعدات ، وفشل العزل بسبب زيادة الإضاءة والأضرار الميكانيكية من قبل الجمهور.
تأثيرات دوائر القصر
- يمكن أن تؤدي الأعطال المنحنية إلى نشوب حريق وانفجار في المعدات مثل المحولات وقواطع الدائرة.
- تتسبب التيارات غير الطبيعية في زيادة سخونة المعدات ، مما يؤدي إلى تقليل العمر الافتراضي لعزلها.
- يمكن أن تقل الفولتية التشغيلية للنظام عن قيم قبولها أو تزيد عنها مما يؤدي إلى إحداث تأثير ضار على الخدمة التي يقدمها نظام الطاقة.
- يتم تقييد تدفق الطاقة بشدة أو حتى حظره تمامًا طالما استمر عطل الدائرة القصيرة.
أخطاء الدائرة المفتوحة Open Circuit Faults
تحدث هذه الأخطاء غالبا على الخطوط الهوائية والكابلات الأرضية والسبب الرئيسي لها هو فشل أحد الأوجه لقاطع أو مفتاح عزل في إتمام التوصيل. وتشمل هذه الأخطاء الأنواع التالية:- انقطاع أحد الأوجه
- انقطاع وجهين
- انقطاع الأوجه الثلاث
ضع في اعتبارك أن خط النقل يعمل بحمل متوازن قبل حدوث عطل الدائرة المفتوحة. في حالة ذوبان إحدى الطور ، يتم تقليل التحميل الفعلي للمولد وهذا يتسبب في زيادة تسارع المولد ، وبالتالي يتم تشغيله بسرعة أكبر قليلاً من السرعة المتزامنة. تؤدي هذه السرعة الزائدة إلى زيادة الفولتية في خطوط النقل الأخرى. وبالتالي ، يمكن أن تؤدي الظروف المفتوحة "open conditions"أحادية وثنائية الطور إلى عدم توازن الفولتية والتيارات في نظام الطاقة مما يتسبب في أضرار جسيمة للمعدات.
الأسباب
تلف موصل وتعطل قاطع الدائرة في مرحلة واحدة أو أكثر.
تأثيرات
- عمل غير طبيعي للنظام.
- خطر على الأفراد وكذلك الحيوانات.
- تجاوز الفولتية إلى ما هو أبعد من القيم العادية في أجزاء معينة من الشبكة ، مما يؤدي أيضًا إلى فشل العزل وتطور أعطال تماس كهربائي.
- على الرغم من أنه يمكن تحمل أعطال الدائرة المفتوحة لفترات أطول من أعطال الدائرة القصيرة ، إلا أنه يجب إزالتها في أقرب وقت ممكن لتقليل الضرر الأكبر.
أخطاء الملفات Winding Faults
تحدث هذه الأخطاء على ملفات الآلات (المولدات والمحركات والمحولات ) وتشمل:- قصر بين ملفين phase to phase fault
- قصر بين ملف والأرض phase to earth fault ويحدث عندما ينهار العزل لأحد الملفات ويصبح ملامسا لجسم الآلة
- قصر بين عدد من لفات الملف الواحد inter-turn short circuit وهذا النوع يعتبر أهم هذه الأخطاء من وجهة نظر الحماية لأنه لا تظهر آثاره على الأطراف الخارجية للآلة حيث يكون التيار عاديا بينما يكون التيار في الملفات المقصورة كبيراً جدا مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها وقد يؤدي إلى انهيار الموصل نفسه.
- قطع في أحد الملفات وهي حالة نادرة وغالبا ما تحدث في الملف الذي حدث عليه دائرة قصر عند نقطة العطل أو
- قريبا منها.
مصادر
كتاب حماية النظم الكهربائية (المناهج السعودية)
Types of Faults in Electrical Power Systems