مرحل التفاعل ومرحل حماية المسافة - Reactance and Distance Protection Relay

ما هو مرحل التفاعل – Reactance Relay؟

مرحل التفاعل هو مرحل عالي السرعة. يتكون هذا المرحل من عنصرين، عنصر التيار الزائد وعنصر اتجاه الجهد التيار (current-voltage directional). طور العنصر التيار عزماً موجباً وعنصر اتجاهي متطور للجهد التيار والذي يعاكس العنصر التيار اعتماداً على زاوية الطور بين التيار والجهد.

مرحل المفاعل هو مرحل للتيار الزائد مع قيود اتجاهية. يتم ترتيب عنصر الاتجاه لتطوير أقصى عزم دوران سالب عندما يتأخر التيار عن جهده بمقدار (90) درجة. الكوب الحثي (induction cup) أو هياكل حلقة الحث المزدوجة هي الأنسب لتشغيل مرحلات المسافة من نوع التفاعل.

بناء مرحل التفاعل – Construction of Reactance Relay:

مرحل مفاعل يستخدم هيكل كوب الحث (induction cup). له هيكل رباعي الأقطاب يحمل ملفات تشغيل واستقطاب وتقييد، يتم تطوير عزم التشغيل من خلال تفاعل التدفقات بسبب الملفات الحاملة للتيار، أي تفاعل التدفقات وينتج عزم التقييد عن طريق تفاعل التدفقات بسبب الأقطاب.

سيكون عزم التشغيل متناسباً مع مربع التيار بينما يتناسب عزم التقييد مع ((VI cos (Θ – 90 °). يتم الحصول على أقصى زاوية لعزم الدوران المطلوبة بمساعدة دوائر المقاومة – المكثف (resistance -capacitance)، إذا تمت الإشارة إلى تأثير التحكم بـ (–k3)، تصبح معادلة عزم الدوران:

T = K₁×I² – K₂VI cos (θ – 90) – k₃

T = K₁×I² – K₂ sin θ – k₃

حيث (θ)، يُعرّف بأنّه موجب عندما يتخلف عن (V). عند نقطة التوازن، يكون صافي عزم الدوران صفراً، وبالتالي:

K₁(I²) = K₂VI cos (θ – 90) – K₃

K₁(I²) = K₂VI sin θ + K₃

K₁ = K₂ (V/I) sin θ + K₃/ I²

V/I sin θ = K₁/K₂ – K₃/K₂ (I²)

Z sin θ = K₁/K₂

تم إهمال تأثير التحكم في الزنبرك في المعادلة أعلاه، أي (K₃ = 0).

خاصية التشغيل لترحيل المفاعلة:

تظهر خصائص التشغيل لترحيل التفاعل في الرسم البياني على شكل خط مستقيم موازي لمحور السينات. (X) هي مفاعلة الخط المحمي بين موقع الترحيل ونقطة الصدع، و(R) هي مكون المقاومة للمقاومة (impedance).

توضح الخاصية أن عنصر المقاومة للمقاومة ليس له أي تأثير على عمل التتابع، حيث يتفاعل التتابع فقط مع مكون التفاعل. النقطة الواقعة أسفل خاصية التشغيل تسمى “منطقة عزم الدوران الموجبة”.

إذا كانت قيمة (τ)، في معادلة عزم الدوران العامة، المعبر عنها في الرسم البياني الذي شرحناه سابقاً هي (90) درجة أخرى، فسيستمر الحصول على خاصية الخط المستقيم، لكنّها لن تكون موازية لمحور (R). يسمى هذا التتابع “مرحل معاوقة الزاوية”:

T = K₁(I²) – K₂VI cos (θ – τ) – K₃

هذا النوع من الترحيل غير قادر على تحديد ما إذا كان الخطأ قد حدث في القسم الذي يوجد فيه المرحل، أو أنّه حدث في القسم المجاور عند استخدامه على خط النقل. لن تكون الوحدة الاتجاهية المستخدمة مع مرحل المفاعلات هي نفسها المستخدمة مع مرحل نوع الممانعة لأنّ الفولت – أمبير التفاعلي المقيد، في هذه الحالة، سيكون تقريباً مساوياً للصفر.

لذلك، يحتاج مرحل “مسافة نوع التفاعل” إلى وحدة اتجاهية لا تعمل في ظل ظروف التحميل. يعتبر مرحل نوع المفاعلة مناسباً جداً كمرحل أرضي للخطأ الأرضي لأنّ مدى وصوله لا يتأثر بمقاومة الخطأ.

مرحل حماية المسافة – Distance Protection Relay:

مرحل حماية المسافة هو الاسم المعطى للحماية، والتي يعتمد عملها على مسافة نقطة التغذية إلى الخطأ. وقت تشغيل هذه الحماية هو دالة على نسبة الجهد والتيار، أي الممانعة. تعتمد هذه الممانعة بين المرحل والخطأ على المسافة الكهربائية بينهما. النوع الرئيسي من مرحلات المسافة هو مرحلات الممانعة (impedance relays)، ومرحلات التفاعل (reactance relays).

شرح مرحل حماية المسافة:

يختلف مبدأ ترحيل حماية المسافة عن الأشكال الأخرى للحماية لأنّ أدائها لا يعتمد على حجم التيار أو الجهد في دائرة الحماية ولكنّه يعتمد على نسبة هاتين الكميتين. وهو عبارة عن مرحل كمية مزدوجة التشغيل حيث يتم تنشيط أحد ملفاتهم بالجهد ويتم تنشيط الملف الآخر بواسطة التيار. ينتج عنصر التيار عزماً موجباً أو عزم دوران عندما يتسبب عنصر الفولتية في عزم دوران سلبي وإعادة ضبط.

يعمل المرحل فقط عندما تنخفض نسبة الجهد والتيار عن القيمة المحددة. أثناء الخطأ، يزداد حجم التيار ويقل الجهد عند نقطة الخطأ. يتم قياس نسبة التيار والجهد عند نقطة المحول للتيار والجهد. يعتمد الجهد في منطقة المحولات المحتملة على المسافة بين (PT) والخطأ. إذا كان الخطأ أقرب، يكون الجهد المقاس أقل، وإذا كان الخطأ بعيداً، يكون الجهد المقاس أكثر.

ومن ثم، بافتراض مقاومة خطأ ثابتة، فإنّ كل قيمة لنسبة الجهد والتيار المقاسة من موقع الترحيل يمكن مقارنتها بالمسافة بين نقطة الترحيل ونقطة الخطأ على طول الخط. ومن ثم تسمى هذه الحماية “حماية المسافة” أو “حماية المعاوقة”. منطقة المسافة هي حماية غير وحدة، أي أنّ منطقة الحماية ليست دقيقة. الحماية عن بعد هي حماية عالية السرعة ويمكن تطبيقها ببساطة.

يمكن استخدامه كحماية أساسية وكذلك حماية احتياطية. يستخدم بشكل شائع في حماية خطوط النقل. يتم استخدام مرحلات المسافة لكل من حماية الطور والخطأ الأرضي، وهي توفر سرعة أعلى لإزالة الخطأ. كما أنّها مستقلة عن التغييرات في حجم الدوائر القصيرة للتيار، وبالتالي فهي لا تتأثر كثيراً بالتغيير في قدرة التوليد وتكوين النظام.

وبالتالي، فإنّها تقضي على أوقات التخليص الطويلة للخطأ بالقرب من مصادر الطاقة التي يتطلبها مرحل التيار الزائد إذا تم استخدامها لهذا الغرض.

تطبيقات مرحل حماية المسافة:

يتم استخدام مرحل حماية المسافة على نطاق واسع لحماية خطوط نقل التيار المتردد ذات الجهد العالي وخطوط التوزيع. لقد استبدلوا حماية التيار الزائد للأسباب التالية:

• يوفر حماية أسرع مقارنة بترحيل التيار الزائد.

• له إعداد دائم دون الحاجة إلى إعادة ضبط.

• مرحل الحماية المباشرة له تأثير أقل على مقدار مستويات التوليد والخطأ.

• يسمح حجم خطأ التيار بتحميل الخط العالي.

تُستخدم مخططات الحماية عن بعد بشكل شائع لتوفير الحماية الأولية أو الرئيسية والحماية الاحتياطية لخط نقل التيار المتردد وخط التوزيع ضد الأعطال ثلاثية الطور، وأخطاء الطور إلى الطور، وأعطال الطور إلى الأرض.