تتراوح أنظمة الحماية بين أنظمة بسيطة لا تتعدى بعض المصهرات (Fuses) لحماية بعض خطوط الدارات ذات الفولطية المنخفضة والمتوسطة، وأنظمة حماية معقدة لحماية الدارات الكهربائية ذات الفولطيات العالية.
يعرف نظام الحماية بأنه النظام الذي يكشف الأعطال وأوضاع التشغيل غير العادية، ويعمل على إرسال إشارة إلى العناصر المسؤولة عن فصل الجزء الذي حدث فيه العطل، حيث تعمل هذه العناصر على فصل هذا الجزء عن بقية مكونات الدارة الكهربائية.
المتطلبات الأساسية لأجهزة الحماية الكهربائية
إن القواطع الآلية غير كافية بمفردها لعزل الأعطال التي يمكن أن تحدث على تجهيزات نظام القدرة المراد حمايتها. ويجب أن تدعم القواطع الآلية بأجهزة حماية مناسبة مثل المرحلات للكشف على وجود الأعطال وعزل الجزء المتعطل عن بقية أجزاء نظام القدرة السليمة، وبذلك تعمل على الحد من انتشار التلف الذي يمكن أن يحدث بسبب حدوث الأعطال. وجميع أجهزة الحماية المستخدمة مهما كانت نوعيتها واستعمالها يجب أن تتصف بعدة صفات أساسية. ومن هذه الصفات: الانتقائية والموثوقية وسرعة العمل والحساسية والاستقرار. وسنقدم بعض الإيضاح لهذه الصفات:
الانتقائية Selectivity
إن صفة الانتقائية لجهاز الحماية هو قدرته على عزل الجزء الذي حدث به خطأ دون بقية الأجزاء السليمة واستمرار التغذية في بقية الشبكة الكهربية ، أي أن تكون له القدرة على اكتشاف وجود الخطأ في النظام المراد حمايته وتحديد القواطع الآلية التي تعمل لعزلالخطأ. ويبين الشكل التالي محطة توليد صغيرة مكونة من مجموعتي توليد كل مجموعة مكونة من مولد ومحول تغذي قضبانا مجمعة، يخرج منها عدة مخارج أو مغذيات خارجية.
 |
| تأمين مناطق الحماية المتراكبة لتفادي المناطق بدون حماية |
عند حدوث خطأ على أحد المغذيات الخارجية فإن الحماية الخاصة بهذا المغذي تعطي أمر الفصل للقاطع الآلي لهذا المغذي فقط وتبقى التغذية في بقية أقسام المنشأة. وكذلك الأمر عند حدوث عطل على القضبان المجمعة فإن الحماية تعطي أمر الفصل لفصل التغذية عن
منطقة الخطأ.
أما إذا حدث الخطأ ضمن منطقة مجموعة (المولد - المحول) فإن الحماية لهذه المنطقة تعطي أمر الفصل فقط للقاطع الآلي الخاص بهذه المنطقة. و يلاحظ أن المنشأة مقسمة إلى عدة مناطق محمية، كل منطقة لها حماية مستقلة. كما يلاحظ أن مناطق الحماية تتراكب
( over lapping) وذلك من أجل الحماية الكاملة وعدم وجود مناطق ميتة بدون حماية.
ويلاحظ أن منطقة حماية القضبان المجمعة تتراكب مع حماية المغذيات الخارجية وكذلك مع منطقة الحماية لمجموعة المولد - المحول. ويبين الشكل التالي نظام قدرة نموذجي أشد تعقيداً مكوناً من مجموعات توليد تغذي عدة محطات تحويل مع ارتباطها بخطوط نقل
القدرة.
 |
| نظام قدرة نموذجي مع مناطق الحماية المتراكبة |
وقد تم تقسيم هذا النظام إلى عدة مناطق حماية مع تأكيد أن تكون هذه المناطق متراكبة. فإذا حدث خطأ على إحدى هذه المناطق فإن كافة القواطع الآلية الواقعة بين تلك المنطقة وبين بقية المناطق يجب أن تفصل.
ويظهر في الشكل أن الرقم 1 يشير إلى منطقة الحماية لمجموعة المولد - المحول والرقم 2 يشير إلى منطقة حماية محول الاستطاعة والرقم 3 يشير إلى حماية قضبان مجمعة و4 إلى حماية الخطوط و 5 إلى حماية المحركات.
سرعة العمل Speed
إن المطلب الثاني الذي يجب تحقيقه من أجهزة الحماية هو سرعة العمل، فعند حدوث خطأ في منطقة ما فان الحماية في هذه المنطقة يجب أن تقرر دون تأخير إذا كان هذا الخطأ ضمن الحماية أو خارجها وكلما طالت فترة بقاء الخطأ استمر تيار الخطأ مما يؤديإلى تلف الأجهزة.
وإذا كان الخطأ ضمن المنطقة المحمية فإن الحماية يجب أن تفصل القاطع الآلي مباشرة ولكن الحماية لا يمكنها التأكد بشكل لحظي فيما إذا كان الخطأ ضمن منطقة الحماية أو خارجها.
وتعتبر خاصية السرعة ضرورية لأنها تفصل القسم المتعطل خلال فترة زمنية قصيرة مما يؤدي إلى التخفيف أو الحد من التلف والدمار للتجهيزات كما يتم تجنب فقدان الاستقرار في عمل مجموعات التوليد ومجموعات القدرة، ويتحدد زمن عزل الخطأ بعدة أمور منها:
مواصفات وجودة أجهزة الحماية ونوعيتها.
استطاعة وجهود وتكاليف نظام القدرة.
نوعية الخطأ.
ويتكون زمن فصل الخطأ من ثلاثة أجزاء وهي :
- زمن المرحل Relay time: وهو الزمن الذي يستغرقه المرحل من لحظة إحساسه بالخطأ. وهذا الزمن يعتمد على نوع المرحل المستخدم. فالمرحلات الكهروميكانيكية تستغرق وقتاً أطول من المرحلات الستاتيكية.
- زمن القاطع Breaker time: وهو الزمن الذي يستغرقه القاطع من وقت استقبال إشارة الفصل وحتى فصل نقاط التلامس.
- زمن إطفاء القوس Arc distinguishin: وحيث أنه عند حدوث الفصل تنشأ شرارة بين نقاط التلامس للقاطع فإن زمن القوس هو الزمن منذ لحظة فصل آخر تلامسات القاطع حتى إطفاء القوس نهائياً.
الموثوقية (الاعتمادية)
يجب أن تعمل المرحلات بدون أي خلل عند حدوث خطأ في المنطقة المحمية وعندما تفشل المرحلات في العمل لسبب ما من الأسباب فإنها تسبب اضطراباً في التغذية واضطراباً في المنشآت وكذلك عندما تعمل المرحلات بدون حدوث أي خطأ فإنها تسبب أيضا اضطراباً في التغذية نتيجة العمليات الخاطئة.لذلك تعتبر صفة الموثوقية متطلباً هاماً في عمل المرحلات وهي إمكانية الاعتماد على أجهزة الحماية أن تعمل بطريقة صحيحة في حالة حدوث خطا.
وتعرف الموثوقية (الاعتمادية) على أنها النسبة المئوية لعمليات الفصل الصحيحة . وفي الأجهزة الحديثة تصل هذه النسبة إلى 98%.
التمييز Discrimination
وهي أن يكون نظام الحماية قادراً على التمييز بين ما إذا كان نظام القوى في حالة طبيعية أو معرضاً لحالة خطأ وفي حالة الخطأ أن يميز بين ما إذا كان الخطأ واقعاً في منطقة الحماية الخاصة به أو في منطقة خارجية.
الاستقرار والحساسية
الاستقرار Stability هو أن يعمل نظام الحماية للأخطاء الواقعة في منطقة الحماية الخاصة به ولا يتأثر بالأخطاء التي تحدث خارج هذه المنطقة.الحساسية Sensitivity هو قدرة نظام الحماية للاستجابة لأي حالة غير نظامية
الحماية الرئيسية والحماية الاحتياطية
إن وضع أجهزة حماية احتياطية لأجهزة الحماية الرئيسية مطلب مهم ورئيسي للحماية باستخدام المرحلات ففي حالة فشل أحد القواطع الآلية أو المرحلات بفصل القسم المتعطل يجب أن تعمل أجهزة الحماية الاحتياطية الخاصة بهذا الجزء المتعطل بعد فترة زمنية كافيةوتختلف الإجراءات المتخذة لتأمين الحماية الاحتياطية من المضاعفة التامة للمرحلات والقواطع الآلية وباقي تجهيزات الحماية من جهة، وبين عدم تأمين أية حماية إضافية مطلقاً من جهة أخرى ولتأمين حماية احتياطية مناسبة يجب دراسة التالي:
- الوسائل الفنية الممكنة لتأمين الحماية الاحتياطية.
- أهمية الجزء المحمي حماية احتياطية.
- تكاليف الطرق المختلفة لتأمين الحماية الاحتياطية.
- احتمالات الأخطاء واحتمالات فشل أجهزة الحماية الأساسية.
- تأثير انقطاع التيار على العمليات الصناعية أو المحولات المختلفة بصورة مؤقتة.