أساسيات وقاية نطم القوى الكهربية

 أساسيات وقاية نطم القوى الكهربية

   منظومة القوى الكهربية كما تبدو فى الشكل التالي تبدأ من المولد الذى ينتج الكهرباء، وهو عادة يكون من النوع المتزامن Generator Synchronous ،مرورا بالمحو ل Transformer الذى ير فع قيمة جهد التوليد إلى قيمة عالية بغرض خفض قيمة التيار ومن ثم خفض الفقد فى القدرة  المنقولة من مكان لآخر حيث  ثم يلى ذلك خطوط نقل القدرة، وهى غالبا تكون أما محمولة على أبراج عالية (Lines Transmission Overhead) أو فى صورة كابالت كهربية مدفونة فى الأرض (Cables Underground) لا سيما داخل المدن، ثم تنتهى خطوط النقل بمجموعة من محولات التوزيع Transformers Distribution التى تخفض الجهد إلى قيم مختلفة لتوزيعه على المستهلكين فى المناطق الصناعية (جهد متوسط)، والمناطق السكانية (جهد منخفض) من خلال شبكة من الكابلات، تنتهى بمجموعات متنوعة من اللوحات الكهربية Boards Distribution .ويتم ربط عناصر المنظومة ببعضها من خلال ما يسمى بقضبان التوزيع Bars Bus ،والتى تظهر كخط سميك فى الشكل التالي ،و هذه القضبان يركب عليها عدد من خلايا الدخول وخلايا الخروج.

  و منظومة القوى الكهربية معرضة للأسف لأنواع كثيرة من الأعطال، وذلك لأسباب قد تكون داخلية تتعلق بتصميم عناصرها وتحملها لقيم محددة للتيار والجهد، أو تكون لأسباب خارجية نتيجة العوامل البيئية المؤثرة على الأجزاء الخارجية من هذه المنظومة. هذه الأعطال قد تؤثر بالسلب على تشغيل الشبكة وتؤثر أيضا على منظومة الأمان سواء للمعدات التي قد تتعرض للتدمير إن لم يتم إزالة العطل بسرعة، أو للأفراد الذين يمكن أن يصابوا بإصابات جسيمة قد تصل للوفاة نتيجة أعطال المعدات وانفجار بعضها. ودور منظومة الحماية هو تجنب المشاكل الناتجة عن هذه الأعطال لحماية المعدات والأفراد جميعا، وكذلك لضمان استمرارية التشغيل وتقليل أزمنة فصل الكهرباء إلى أقل زمن ممكن.


و سنعرض فى هذا الدرس والدروس القادمة  للمواضيع التالية: 

  •  أسباب وأنواع الأعطال فى منظومة القوى الكهربية.
  •  عناصر منظومة الوقاية، و كذلك أشهر الإشارات Signals Relaying التى تستخدمها أجهزة الوقاية لاكتشاف هذه الأعطال، وأسماء أشهر أنواع أجهزة الوقاية Relays Protective. 
  •  أشهر أنواع قواطع الدائرة الكهربية Breakers Circuit ،والعلاقة بينها وبين أجهزة الوقاية. 
  •  أنواع منظومات الوقاية ـ ومجالات تطبيقها وأنواع أجهزة الــ Relays المستخدمة في كل تطبيق .Application 
  •  أهم المفاهيم الأساسية فى منظومة الوقاية التى يلزم لمهندس الكهرباء عموما ومهندس الوقاية خصوصا أن يكون ملما بها إلماما تاما. 
  • أهم المتطلبات التى تراعى عند اختيار أجهزة الوقاية بصفة عامة.
  •  أشهر طرق تصنيع أجهزة الوقاية بدءا من الإلكتروميكانيكية وحتى الأجهزة الرقمية الحديثة. 

1ـ أعطال منظومة القوى

   في هذا الجزء سنتعرف على أسباب حدوث الأعطال، ثم تصنيفات الأعطال.

1ـ1 أسباب الأعطال

    الأعطال فى منظومة القوى الكهربية هى كل ما يسبب تغيير غير طبيعى فى قيم التيار أو الجهد. وأكثر ما يسبب ذلك عموما انهيار فى العزل الموجود على الموصلات بسبب ضغوط ميكانيكية أو كهربية، هو حدوث إما بسبب تقادم المعدات، أو ربما نتيجة ظروف جوية (برق، رياح شديدة)، أو بسبب عوامل خارجية(حرائق، سقوط أشجار ضخمة، حوادث طرق، أو حو ادث حفر واصطدام بالكابالت المدفونة)، إلخ.

   وقد يكون سبب العطل هو تشغيل خاطئ operation Wrong (على سبيل المثال حين يغلق الــ Operator الخط بينما لايزال مفتاح الــ Switch Earthing في وضع توصيل)، كما قد يكون العطل نتيجة Open Circuit بسبب كسر فى أحد موصلات الدائرة مثلا، و قد يكون العطل أيضا نتيجة تحميل زائد Overload.

   والواقع أن هناك العديد من الأسباب التى تؤدى إلى حدوث انهيار لقيم العزل الأساسية بين خط و الأرض، او بين خطين، ومن ثم تحدث تغير غير طبيعى فى قيم التيار أو الجهد أو كالهما.
    فأما الزيادة في التيار فستسبب ارتفاعا في درجة حرارة المعدات نتيجة الطاقة المقدرة بـــ (I² R t)  وربما تصل إلى حدوث حريق إذا لم تفصل في الزمن المحدد. وأما الزيادة في الجهد فستسبب انهيار العزل للمعدات وبالتالي حدوث Circuit Short.

2ـ1 تصنيف الأعطال 

   تصنف الأعطال بطرق مختلفة، على سبيل المثال:
   قد تصنف طبقا لعدد الأوجه Phases المتأثرة بالعطل، فربما يكون العطل:
  •  Single Line-to-Ground Fault. 
  •  Double Line-to-Ground Fault.
  •  Line-to-Line Fault. 
  •  Three-Phase Fault. 
  •  Three Lines-to-Ground Fault

    كما قد تصنف طبقا لدرجة التشابه بين الــPhases ،فمثال الأنواع الثالثة الأول السابقة تسمى أعطالا غير متماثلة Faults Unsymmetrical لأن قيم التيار والجهد تختلفان من Phase لآخر، أما النوع الرابع و الخامس فيسمى عطلا متماثلا Fault Symmetrical لأن قيم الجهود و التيارات فى جميع الــPhases متساوية.

    و قد تصنف الأعطال باعتبارها Faults Earth أو Faults Phase ، ففى النوع الأول وهو EF تكون الأرض جزءا من دائرة العطل المغلقة، بينما فى النوع الثانى وهو Faults Phase فإن الأرض ليست جزءا من دائرة العطل المغلقة.
   ويمكن تصنيف الأعطال أيضا طبقا للفترة الزمنية التى يستغرقها العطل، فهناك أعطـال دائمة Faults Permanent ،و أخرى لحظية Faults Transient ،فالأولى قد تكون نتيجة خط هوائى سقط على الأرض مثلا وبالتالي فهو دائم (لحين إزالة العطل). بينما الثانية قد تكون نتيجة تلامس فرع شجرة  مثلا،  مع الخط فى يوم عاصف لبرهة ثم يرجع الوضع كما كان. وهناك تصنيفات أخرى للأعطال سنعرض لها لاحقا.

2ـ سمات الأعطال FAULT CHARACTERISTICS

   يعتبر دراسة الــ Characteristics Fault أو ما يسمى بسمات الأعطال من أهم الدراسات الممهدة لدراسة وقاية نظم القوى، فعلى مهندس الوقاية أن يعرف بالضبط نوع التغيرات التي ستطرأ على الإشارات Signals Relaying المختلفة بالشبكة عقب حدوث العطل، فعند حدوث عطل بالدائرة فإنه يمكن اكتشاف حدوث ذلك من خلال تتبع التغير الذى يحدث أما في قيم الــ magnitude الخاصة بالجهد أو التيار (أو كلاهما) أو التغير في الــ angles Phase بينهما.

 1ـ2 قراءة Phasor Diagram 

    ولدراسة متعمقة أكثر عن الــ Characteristics Fault يمكن تتبع التغيرات المختلفة في قيم الجهد والتيار وزوايا كل إشارة منهما من خلال دراسة ما يعرف بالــ diagram Phasor .والشكل التالي يمثل ــ  Phasor diagram لــ three-phase system     في الظروف الطبيعية
   
لاحظ أن التيار في كل phase متأخر عن voltage Phase بزاوية حسب قيمة الــ factor power الخاص بالحمل، وأن الــ Voltage Phase متأخر عن الــ voltage Line بزاوية قدرها 30 درجة.

تعليقات
ليست هناك تعليقات
إرسال تعليق