الكاتب: محمد أسامة عليان

الأستاذ المشرف: أ.د محمد توفيق لازم الزهيري

المدقق اللغوي: د.ابتسام حسين


عندما تتعرض منظومة قدرة كهربائية لعطل ما ( أو أي ظرف آخر غير طبيعي) فإن ذلك العطل يجب أن يزال بأسرع وقت من جميع الأجزاء المكهربة الأخرى لسببين رئيسيين :

  1. تقليل التلف في نقطة العطل ومنع حدوث الحرائق والانفجارات أو الارتفاع المفرط لدرجات حرارة الأجهزة والمعدات المعرضة للعطل .
  2. استعادة استقرارية المنظومة وضمان استمرار تجهيز الطاقة الكهربائية للدوائر والأجهزة والمعدات الأخرى  وعدم قطعها بالكامل .

مفهوم حماية أنظمة القدرة

وتعرف الحماية الكهربائية بأنها العلم أو الفن الذي يبحث في اكتشاف وجود العطل والمبادرة في التشغيل الصحيح لوسائل الحماية، سواء كانت قواطع دائرة أو مصاهر مصممة لهذا الغرض. وقد أدَى الاستخدام المتزايد للطاقة الكهربائية في مختلف مرافق الحياة إلى جعل وسائل الحماية في منظومات القدرة والوثوق التام في اشتغالها من المسائل ذات الاهتمام الكبير.

مكونات نظام القدرة

يتألف نظام القدرة بصورة عامة من نظام رئيسي ومنظومات ثانوية  وذلك:

1- النظام الرئيسي:

يتكون من العناصر الأساسية لتوليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية بدأ من محطة التوليد وصولا الى المستهلك وكما موضح في الشكل (1).

الشكل (1): النظام الرئيسي في نظام القدرة [1].

2-المنظومات الثانوية

تعرف المنظومات الثانوية كونها المنظومات المساعدة التي ليس لها علاقة بالتوليد والنقل والتوزيع، أي المنظومات الرئيسية المذكورة سلفًا حيث يمكن إدراجها كما يأتي : 

  1. منظومة الحماية
  2. منظومات التحكم التلقائي في الجهد و التردد و تدفق الطاقة و تعويض الطاقة التفاعلية (reactive power compensation)
  3. أجهزة قياس استهلاك الطاقة الكهربائية و التحكم التشغيلي والبيانات الاحصائية 
  4. منظومات التحكم اليدوي عن بعد عبر روابط الإتصالات (SCADA)
  5. منظومات التحكم اليدوي المحلي (دعم الطاقة التفاعلية على مستوى الجهد، تكوين الشبكة)
  6. مراقبة حالة الأجهزة (درجة الحرارة، عطل)
  7. البنية التحتية للإتصالات
  8.  أجهزة التحويل – محولات التيار ومحولات الجهد

الحماية ضد الأعطال (faults) والظروف غير الطبيعية (abnormalities)

تتعرض أنظمة القدرة عادة الى أعطال وظروف غير طبيعية تؤدي إلى توقفها  وكما يأتي:

الأعطال:

إن الأعطال الرئيسية التي تحدث في النظام الكهربائي هي أعطال دوائر القصر والأعطال الناجمة عن الحمل الزائد . وقد تحدث أعطال الدائرة القصيرة  بطرق متعددة، بما في ذلك تدهور وفشل العوازل بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو الرطوبة الزائدة، وكذلك الأضرار الميكانيكية التي تتعرض لها معدات التوزيع الكهربائية  وتلف معدات الاستخدام نتيجة للحمل الزائد أو غيره من أشكال سوء الاستخدام .

 قد تحدث أعطال  الدائرة القصيرة بين موصلين اثنين ( ثنائية الطور)، أو بين جميع موصلات النظام المتعدد الطور، أو بين طور واحد أو أكثر باتصالها بالأرض،  وقد تكون الدائرة القصيرة بسبب جسم موصل صلب ( ثابت)  وفي هذه الحالة تكون الدائرة القصيرة دائمة ولها مقاومة منخفضة نسبيًا. وبصورة عامة يمكن تلخيص أنواع الأعطال الرئيسية في نظام القدرة كما يأتي:

  1. أعطال الدائرة المقصورة (3Ф ، 2 Ф ، Ф g، 2 Ф g ) 
  2. أعطال الدائرة المفتوحة (الموصل المفتوح)
  3. أعطال المركبة المعقدة (بين الدوائر الكهربائية المختلفة )
  4. أعطال الداخلية في الملفات

الظروف غير الطبيعية

الظروف غير الطبيعية التي قد يتعرض لها أي نظام قدرة كهرباتي تشمل 

  1. الإنخفاض أو الزيادة في التردد 
  2. الحمل الزائد وارتفاع  درجة الحرارة بسبب التشغيل المفرط
  3. الزيادة أو الإنخفاض في الجهد 
  4. التدفق الزائد في محولات القدرة
  5. التشغيل غير المتزامن للآلات المتزامنة
  6. العيوب الميكانيكية

 أنواع أعطال الدائرة القصيرة

عطل بسبب حدوث قصر بين ثلاثة أطوار-

 عطل بسبب حدوث قصر بين ثلاثة أطوار مع الأرض-

 عطل بسبب حدوث قصر بين طورين-

عطل بسبب حدوث قصر بين طورين مع الأرض-

عطل بسبب حدوث قصر بين طورواحد مع الأرض-

 أنواع أعطال الدائرة المفتوحة 

-عطل بسبب حدوث قطع في طور واحد

-عطل بسبب حدوث قطع في طورين

-عطل خلال ممانعة كبيرة في طور واحد

  وقد بينت الدراسات التي أجريت في العديد من الدول أن الإحصاءات لاحتمال حدوث الأعطال كنسبة مئوية  لأنواع الدائرة القصيرة هي :

  • عطل أحادي الطور مع الأرض: 70 – 80 ٪
  • عطل طور مع  طور مع الأرض: 17 – 10 ٪
  • عطل طور مع طور: 10 – 8 ٪
  • عطل  ثلاث أطوار: 3 – 2 ٪

وتتلخص أسباب حدوث أعطال الدائرة القصيرة بالآتي : 

  1. انهيار العزل 
  2. الطيور والحيوانات التي تلامس وتجسر العوازل
  3. الحفريات التي تؤدي الى تلف الكابلات تحت الأرض
  4. انهيار الأعمدة الناقلة للطاقة
  5. التكسر بالموصلات الناقلة
  6. اصطدام المركبات والسيارات بأبراج نقل الطاقة 
  7. المخلفات التي تحملها الرياح وترميها على الأسلاك المكهربة
  8. العمليات التشغيلية المغلوطة التي تنفذ من قبل العاملين

أما آثار الأعطال الناجمة عن الدائرة القصيرة فهي :

  • يمكن أن تتدفق تيارات كبيرة أو كبيرة جدًا عبر أجزاء من الشبكة حيث  يمكن أن تصل قيمها الى آلاف أو عشرات الآلاف من الأمبيرات .
  • لا يمكن السماح لهذه التيارات الكبيرة إلا بالتدفق لفترة زمنية  قصيرة للغاية،  وإلا فإن المعدات والمولدات ستتعرض للتلف، حيث تتراوح فترة التدفق  المسموح بها  خلال الدائرة القصيرة بين 10 ميلي ثانية و 3 ثوانٍ.
  • قد يسبب تأثير التسخين الناجم عن  التيارات ذات الدائرة القصيرة في نشوب حرائق تشمل  الممتلكات الشخصية والعامة .  
  • يمكن أن تحدث القوى الميكانيكية الكبيرة جدًا الناجمة عن تيارات الدائرة القصيرة دمار كبير وتلف للمعدات والاجهزة والأبنية المحيطة .
  • قد “يهرب” التيار الكهربائي من موصلات الشبكة ويتدفق عبر مسارات يمكن أن تسبب خطرًا على الأشخاص أو الحيوانات ويسبب أضرارًا بالممتلكات بصورة عامة.

نظام الحماية

متطلبات الأداء لنظام الحماية

  • التمييز بين الحمل (عادي) وظروف خطأ (غير طبيعي)
  • لا ينبغي الخلط بينه وبين ظروف عابرة غير ضارة
  • أن تكون انتقائية – التنسيق مع أنظمة الحماية الأخرى
  • سرعة كافية لمنع الضرر والمخاطر – ولكن ليس بسرعة كبيرة
  • ليس لديك “مناطق عمياء” ، أي مناطق غير محمية
  • درجة عالية من الموثوقية وتوافرها
  • آمن ضد التشغيل غير الصحيح (الأمان)
  • يجب ألا تقيد تصنيف المصنع والمعدات الأساسية
  • ينبغي أن يكون بأسعار معقولة 

المكونات الأساسية لنظام الحماية

1-PR:  مرحل الحماية

2-CB:  قاطع الدائرة

3-Equip:  العنصر المحمي 

4-CT:  محول التيار

5-VT:  محول الجهد

6-DC:  المصدر الأحتياطي للجهد المستمر

7-HMI:  واجهة بين الانسان والآلة

8-PCL رابط الاتصالات

عناصر نظام الحماية

  1. محول التيار أو محول الجهد 
  2. مرحل
  3. TC
  4. قاطع الدائرة 
  5. مصدر الجهد المستمر    

مرحل الحماية

هو جهاز يتعرف على أية ظروف تشغيل غير عادية في الدائرة وذلك من خلال قياس الكميات الكهربائية (تيار –  جهد –  تردد –  زاوية الطور) التى تختلف قيمها عند حدوث الأعطال في الدائرة الكهربائية . وتوصل المرحلات بالدوائر الثانوية لمحولات القياس وعندما يستكشف المرحل  وجود عطل ما يقوم بغلق دائرة ملف اعتاق قاطع الدائرة  الذي يقوم بدوره بفتح الدائرة الكهربائية. ويعمل المرحل على  اكتشاف الظروف غير المرغوب فيها خلال المناطق المحددة ويقوم  بفصل المنطقة المتأثرة بالعطل وذلك لتجنب حدوث خطر مميت أو تدمير للأشخاص والمعدات عن طريق تشغيل قواطع الدائرة المناسبة. 

المتطلبات الأساسية للمرحلات Basic requirements of Relay

بالنظر للنتائج المتوقع حدوثها، يجب أن يتم تصميم نظم الوقاية حتى تحقق عدد من المتطلبات الهامة وتشمل:

  1. الاعتمادية Reliability : للحكم على نظام وقاية بأنه نظام يعتمد عليه (موثوق فيه ) عندما يشمل كل من:

        * ضمان تصرف النظام بطريقة صحيحة خلال الأعطال وهو ما يطلق عليه الثقة. 

* ضمان عدم تشغيل نظام الوقاية في حالة عدم الحاجة وهو ما يطلق عليه الأمان وهذا يعني أن الاعتمادية على نظام الوقاية تتحقق عندما يتصرف بطريقة سليمة تحت ظروف النظم غير الملائمة والظروف البيئية المحيطة .

2- الســـرعة Speed:  يجب أن تستجيب المرحلات للظروف غير الطبيعية في أقل وقت ممكن، وهذا يعني أن زمن التشغيل يجب أن لا يتجاوز الثلاث دورات على أساس نظم الـ 60 هرتز .

3- الانتقائية Selectivity: نظام الوقاية يجب أن يعطي أعلى استمرارية ممكنة للخدمة مع أقل فصل ممكن لنظام القدرة .

4- بسيط واقتصادي Simplicity and Economy: الاحتياج إلى كون النظام بسيط واقتصادي هو متطلب شائع في أي تصميم هندسي وبالتالي في نظم الحماية .

5- الحساسية  Sensitivity: أن يعمل المرحل طبقا للإحساس بأقل قيمة ضبط. 

تصنيف المرحلات

يمكن تصنيف مرحلات الحماية وفقًا للوظيفة التي يعمل بها وبنائها والإشارة الواردة ونوع الحماية.

  • مرحلات قياس 
  •  مرحلات (فتح وغلق ) (on – off) و يعرف أحيانًا بمرحلات (all or nothing ) وتتضمن مرحلات التأخر الزمني (Time-lag) والمرحلات المساعدة ومرحلات الفصل. والسمة الشائعة لهذه الفئة أن المرحل ليس له مستوى محدد للضبط ويتم تغذيته بكمية معينة والتى إما تكون أعلي من القيمة التى يعمل عندها أو أقل من القيمة التى يعاد عندها لوضعه الأصلي. وفئة مرحلات القياس تتضمن عددًا من الأنواع والسمة الشائعة لهذه الفئة أن المرحل يعمل عند مستوى معين سبق ضبطه وتحديده وأمثلة على هذه المرحلات كالآتي :-

1- مرحلات التيار: وتعمل عند قيمة محددة للتيار وتشمل مرحلات زيادة التيار ومرحلات نقص التيار .

2- مرحلات الجهد:– وتعمل عند  قيمة محددة للجهد وتشمل مرحلات زيادة الجهد ومرحلات نقص الجهد 

3- مرحلات القدرة:- وتعمل عند قيمة محددة للقدرة وتشمل مرحلات زيادة القدرة ومرحلات نقص القدرة 

4-  المرحلات الاتجاهية وتشمل:   

ا- مرحلات التيار المتردد: وتعمل على أساس علاقة الطور الزاوي بين الكميات  المتناوبة ( المترددة) .

ب- مرحلات التيار الثابت: وتعمل على أساس اتجاه التيار وغالبًا لنظام المغناطيس الثابت أو الملف المتحرك 

5-  مرحــلات التــــردد: وتعمل عند قيمة محددة للتردد وتشمل مرحلات زيادة التردد  ومرحلات نقص التردد 

6-  مرحلات الحـــرارة: وتعمل عند قيمة محددة لدرجة الحرارة خلال الجزء المحمي 

7- المرحلات التفاضلية: وتعمل على أساس الفرق بين كميتين مثل التيار أو الجهد ،وهكذا وهذا الفرق يمكن أن يكون اتجاهي أو قياسي 

8- مرحــــلات الممانعة:  وتعمل على أساس المسافة بين محول قياس التيار والعطل  والمسافة تقاس على أساس قياس المقاومة أو المفاعلة أو الممانعة.

أنواع المرحلات

تنقسم المرحلات طبقًا لتركيبها وعملها إلى:

-المرحلات الكهرومغناطيسية Electromagnetic

-المرحلات الكهروحرارية Electro thermal relays

-المرحلات الاستاتيكية Static relays

-المرحلات الكهروديناميكية Electro –  dynamic relays

-المرحل الفيزيائي الكهربي Physical –  electric relays

-مرحلات الحاسوب Computer relays

مخطط مرحلات حماية أنظمة القدرة .


المراجع

  1. محاضرات وقاية أنظمة القوى / الاستاذ الدكتور محمد توفيق لازم الزهيري ، كلية الهندسة و التكنولوجيا، جامعة فيلادلفيا 2019.
  2. J.kewis et al ” Protective relaying ” 4th Edition , 2014.