اختيار وتحسين تكوين الحماية لطرق تأريض نقطة التعادل لمحولات الجهد العالي 110 كيلوفولت

مقدمة

في أنظمة الطاقة ذات الجهد العالي، تُعدّ طريقة تأريض نقطة التعادل للمحولات عاملاً حاسماً يؤثر على سلامة النظام وموثوقيته واستقراره. بالنسبة لأنظمة الطاقة ذات جهد 110 كيلوفولت، يؤثر اختيار طريقة تأريض نقطة التعادل بشكل مباشر على مستويات عزل المعدات، وحماية الجهد الزائد، وتكوين حماية المرحلات، وموثوقية إمداد الطاقة. في الصين، تعتمد أنظمة جهد 110 كيلوفولت عادةً على طريقة تأريض فعالة جزئياً، حيث يتم تأريض بعض نقاط التعادل في المحولات بشكل مباشر بينما تظل نقاط أخرى غير مؤرضة، بهدف الحد من تيارات قصر الدائرة أحادية الطور مع منع مخاطر الجهد الزائد.

تحلل هذه المقالة خصائص ومزايا وقيود طرق تأريض نقطة التعادل المختلفة لمحولات 110 كيلو فولت، وتستكشف استراتيجيات تكوين الحماية المثلى، وتقدم اتجاهات التطوير المستقبلية.

1. طرق تأريض النقطة المحايدة الرئيسية لمحولات 110 كيلو فولت

1.1 التأريض المباشر

التأريض المباشريشير هذا إلى التوصيل المباشر لنقطة التعادل في المحول بالأرض. تعمل هذه الطريقة على تثبيت جهد نقطة التعادل بشكل فعال، مما يضمن أنه في حالة حدوث عطل أرضي أحادي الطور، لا يتجاوز ارتفاع جهد الطور غير المتضرر 1.4 ضعف جهد الطور. وهذا بدوره يُسهم في تقليل متطلبات عزل المعدات وخفض التكاليف.

لكن من أبرز عيوبها ما يلي: تيار خطأ أرضي أحادي الطور مرتفع للغاية(حتى عدة آلاف من الأمبيرات)، مما قد يؤثر على قدرة قاطع الدائرة على الفصل واستقرار النظام. لذلك، يُستخدم التأريض المباشر عمومًا في أنظمة الجهد 110 كيلوفولت وما فوق حيث يكون من الضروري إزالة الأعطال بسرعة.

1.2 محايد غير مؤرض

في نظام غير مؤرضتكون نقطة التعادل للمحول معزولة عن الأرض. عند حدوث عطل أرضي أحادي الطور، يكون تيار العطل صغيرًا جدًا (وهو في الأساس تيار سعوي للنظام)، مما يسمح للنظام بمواصلة العمل لفترة قصيرة (عادةً ما تصل إلى ساعتين). وهذا يُحسّن بشكل كبير من موثوقية إمدادات الطاقة.

مع ذلك، في الأنظمة غير المؤرضة، قد تتسبب أعطال التأريض أحادية الطور في ارتفاع جهد الطور غير المتضرر إلى مستوى جهد الخط. إذا كان العزل ضعيفًا، فقد يؤدي ذلك إلى انهيار، متفاقمًا إلى عطل بين طورين. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي التأريض القوسي المتقطع إلى توليد زيادة الجهد الكهربائي الناتج عن القوس الكهربائي، حيث تصل إلى 3-3.5 أضعاف جهد الطور، مما يشكل تهديدًا لعزل المحول.

1.3 التأريض عبر مقاومة صغيرة

لتحقيق التوازن بين مزايا وعيوب أنظمة التأريض المباشر والأنظمة غير المؤرضة، طريقة تأريض المعاوقةيُستخدم هذا الأسلوب غالباً. ويشمل ذلك التأريض من خلال مقاومة صغيرة أو مفاعلة صغيرة.

• تأريض بمقاومة صغيرةيحد هذا الأسلوب من تيار العطل إلى بضع مئات من الأمبيرات، مما يقلل من تأثيره على النظام مع ضمان التشغيل السريع للحماية. كما أنه يكبح الفولتية الزائدة بفعالية، وهو مناسب لشبكات التوزيع ذات الكابلات الكثيفة والتيارات السعوية الكبيرة.
• التأريض ذو المفاعلة الصغيرةيمكن لهذه الطريقة تعويض التيار السعوي للنظام من خلال التيار الحثي، مما يقلل من احتمالية إعادة اشتعال القوس الكهربائي. وتُعتبر هذه الطريقة في كثير من الأحيان طريقة تأريض مُعوَّضة.

يجمع التأريض عبر مقاومة منخفضة بين مزايا الأنظمة المباشرة وغير المؤرضة، مما يوفر حماية من الجهد الزائد وموثوقية عالية نسبياً لإمداد الطاقة. ويُستخدم على نطاق واسع في أنظمة 110 كيلوفولت، وخاصة تلك التي تحتوي على تيارات سعوية كبيرة أو تتطلب جودة طاقة عالية.

2. تكوين الحماية لنقاط التعادل في محولات الجهد العالي 110 كيلوفولت

2.1 مخاطر زيادة الجهد

مستوى العزل لنقطة التعادل في محول 110 كيلو فولت هو عادةً شبه معزول، حيث لا تتجاوز قدرة تحمل الجهد ثلث قدرة تحمل نهاية الخط. وهذا يجعل نقطة التعادل عرضة للتلف الناتج عن زيادة الجهد. تشمل أنواع زيادة الجهد الرئيسية ما يلي:

• زيادة الجهد في تردد الطاقة: ناشئة عن تبديل الخطوط، أو الدوائر القصيرة غير المتماثلة، أو فقدان الحمل المفاجئ.
• زيادة الجهد الرنيني: ناتج عن تذبذبات بسبب التفاعلات بين العناصر الحثية والسعوية أثناء عمليات النظام أو الأعطال.
• زيادة الجهد عند التبديل: ناتج عن تحويل الطاقة المغناطيسية والكهروستاتيكية أثناء فتح أو إغلاق قواطع الدائرة.
• زيادة الجهد الكهربائي الناتج عن الصواعق: ناتجة عن ضربات البرق، وتتميز بسعة عالية ومدة قصيرة.

2.2 أجهزة الحماية الشائعة

لحماية نقطة التعادل في المحول، تُستخدم أجهزة الحماية التالية بشكل شائع:

• مانعات الصواعقتحد هذه الأجهزة من زيادة الجهد الناتج عن الصواعق وبعض حالات زيادة الجهد الناتجة عن عمليات التبديل. ومع ذلك، غالبًا ما تكون مانعات الصواعق القياسية غير كافية لمستوى العزل المنخفض لنقاط التعادل في محولات الجهد العالي (110 كيلوفولت)، مما يجعل عملية الاختيار صعبة.
• فجوات العزلتحمي هذه الأنظمة من ارتفاعات الجهد الناتجة عن ترددات الطاقة والرنين. عند حدوث ارتفاع في الجهد، ينقطع الحاجز الكهربائي، مما يؤدي إلى تأريض النقطة المحايدة للحد من ارتفاع الجهد. من عيوبها صعوبة ضبط مسافة الحاجز بدقة، مما قد يؤدي إلى خلل في تنسيق الحماية.
• التوصيل المتوازي لمانع الصواعق والفجوةهذه طريقة حماية شائعة الاستخدام. يتولى مانع الصواعق حماية نفسه من زيادة الجهد الناتج عن الصواعق، بينما تعالج الفجوة زيادة الجهد الناتج عن تردد الطاقة والرنين. كما تحمي الفجوة مانع الصواعق من زيادة الجهد المفرطة الناتجة عن تردد الطاقة والتي قد تؤدي إلى تلفه. يوفر هذا النهج مزايا متكاملة.

2.3 تكوين حماية المرحل

تشمل حماية المرحل لنقطة التعادل في محول 110 كيلو فولت بشكل أساسي الجوانب التالية:

• حماية التيار ذي التسلسل الصفريبالنسبة للمحولات المؤرضة مباشرة، يتم ضبط حماية التيار ذي التسلسل الصفري لإزالة أعطال التأريض بسرعة. وعادةً ما تُقسّم الحماية إلى أقسام، مع فترات تأخير قصيرة لتحديد موقع العطل وفترات تأخير أطول لفصل جميع جوانب المحول.
• حماية الجهد ذي التسلسل الصفري وحماية تيار الفجوةبالنسبة للمحولات غير المؤرضة، يتم تركيب نظام حماية من جهد التسلسل الصفري ونظام حماية من تيار الفجوة. عندما يتسبب عطل أرضي في فقدان النظام لنقطة التأريض، مما يؤدي إلى ارتفاع جهد نقطة التعادل، تنقطع الفجوة. يعمل نظام حماية تيار الفجوة أو نظام حماية جهد التسلسل الصفري بتأخير زمني (0.3-0.5 ثانية) لفصل المحول من جميع الجهات.
• تنسيق حماية النسخ الاحتياطيةلضمان الانتقائية، يجب تنسيق فترات التأخير الزمني لحماية التسلسل الصفري. على سبيل المثال، يجب أن يكون التأخير الزمني لحماية النسخ الاحتياطي على المحول أطول من التأخير الزمني لحماية الخط التي يدعمها.

3 توصيات للتحسين وتحليل الحالة

3.1 قيود الأساليب التقليدية

بينما استخدام مانعات الصواعق موازية للفجواتعلى الرغم من شيوع هذا النهج، إلا أنه ينطوي على العديد من أوجه القصور:

• صعوبة في اختيار مانع الصواعقمن الصعب العثور على مانعات الصواعق القياسية التي تلبي متطلبات كل من جهد التشغيل المستمر العالي وجهد النبضة البرقية المتبقي المنخفض لنقاط التعادل في محولات 110 كيلو فولت.
• التحديات في تحديد الفجوات: جهد انهيار الفجوة الهوائية عرضة للتشتت، مما يجعل من الصعب تنسيق عملية الفجوة بدقة لحالات "فقدان الأرض" و"مع الأرض".
• تعقيد الحماية المرحليةقد تتعطل الحماية ضد "فقدان الأرض" (مثل الحماية من الجهد الزائد للتسلسل الصفري والحماية من التيار الزائد للفجوة)، مما يستلزم معايير حجب إضافية، الأمر الذي يزيد من التعقيد ويقلل من الموثوقية.

3.2 مزايا التأريض عبر المفاعلة الصغيرة

تشير الأبحاث والممارسات إلى أن تأريض النقطة المحايدة عبر مفاعلة صغيرةيوفر مزايا كبيرة مقارنة بطرق التأريض الجزئي التقليدية:

• متطلبات مستوى العزل المخفّضبعد اعتماد التأريض ذي المفاعلة الصغيرة، يمكن خفض مستوى عزل نقطة التعادل للمحول من 35 كيلو فولت إلى 20 كيلو فولت، مما يلغي الحاجة إلى مانعات الصواعق والفجوات ويبسط تكوين الحماية.
• وضع التأريض الموحد: هذه الطريقة تقضي على حدوث نظام معزول غير مؤرض، مما يسمح بتبسيط أو حذف الحماية ذات الصلة، وبالتالي تعزيز الموثوقية.
• الاحتفاظ بالمزايا: فهو يحافظ على مزايا التأريض الجزئي، مثل الحماية البسيطة والموثوقة من التسلسل الصفري، مع الحد من تيارات قصر الدائرة أحادية الطور.

3.3 تحليل دراسة الحالة

ومن الأمثلة على ذلك تحويل محطة فرعية طرفية بجهد 110 كيلوفولت. استخدم التصميم الأصلي... مانع الصواعق موازٍ للفجوةلحماية نقطة التعادل. مع ذلك، بعد اعتماد تأريض ذي مفاعلة صغيرة، انخفض مستوى العزل المطلوب لنقطة التعادل في المحول، وتم تبسيط أجهزة الحماية، وتحسين موثوقية التشغيل. وأظهرت الحسابات أن مقاومة التأريض يمكن أن تحد من تيار العطل إلى بضع مئات من الأمبيرات، ويمكن تنسيق حماية التسلسل الصفري بسهولة.

وفي حالة أخرى، حدث عطل في محطة فرعية بجهد 110 كيلوفولت، حيث أدى عطل أرضي أحادي الطور عابر على خط التغذية إلى انهيار فجوة نقطة التعادل وفصل المحول. وكشف التحليل أنه على الرغم من أن عطل الخط كان عابرًا، التغذية الراجعة من عدد كبير من المحركات غير المتزامنةوفّر جانب الحمل الطاقة اللازمة للقوس الكهربائي، مما أدى إلى استمرار العطل. وهذا يُبرز أهمية توفير حماية كاملة لنقطة التعادل، بما في ذلك الحماية من التيار الزائد ذي التسلسل الصفري، وحماية تيار الفجوة، وحماية جهد التسلسل الصفري، للمحولات ذات أحمال المحركات الكبيرة (المصادر المكافئة)، وذلك خلال مرحلة التصميم.

4. الخاتمة والتوقعات

يُعد اختيار طريقة تأريض نقطة التعادل لمحولات الجهد العالي (110 كيلوفولت) وتكوين الحماية الخاص بها مهمة متعددة الجوانب تتطلب مراعاة بنية النظام وخصائص الأحمال ومتطلبات الموثوقية. وبينما تُعد طريقة التأريض الجزئي التقليدية المقترنة بمانعات الصواعق والفجوات شائعة، إلا أنها تواجه تحديات في اختيار الأجهزة وتنسيق الإعدادات. طريقة التأريض ذات المفاعلة الصغيرةيقدم بديلاً واعداً، حيث من المحتمل أن يقلل من متطلبات العزل، ويبسط الحماية، ويحسن الموثوقية.

ستركز اتجاهات التنمية المستقبلية على المجالات التالية:

• تطبيق الأجهزة الجديدة: مثل الفجوات المركبة أو الفجوات القابلة للتحكم المستخدمة بالتوازي مع مانعات الصواعق، مما يعزز موثوقية الحماية ودقتها.
• تقنية الحماية الرقمية: استخدام الحماية القائمة على الحواسيب الصغيرة مع خوارزميات متقدمة (مثل تحديد شكل الموجة، وتحليل التوافقيات) لتحسين حساسية وموثوقية الحماية من الأعطال الأرضية.
• التوحيد القياسي والنمطية: تطوير معدات حماية نقطة التعادل المعيارية والنمطية لتبسيط التصميم والصيانة.

باختصار، يُعدّ تحسين طريقة تأريض نقطة التعادل في محولات الجهد العالي (110 كيلوفولت) وتكوين الحماية أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز سلامة وموثوقية وكفاءة تشغيل نظام الطاقة. ومع التطورات التكنولوجية، يُتوقع ظهور حلول أكثر ذكاءً وكفاءةً وانتشارًا.