أنواع العيوب والأخطاء في أنظمة نقل القدرة الكهربائية

ضرورة التعرف على العيوب والأخطاء في أنظمة نقل القدرة الكهربائية:

غالباً ما تتعرض الشبكات والآلات الكهربائية والمعدات لأنواع مختلفة من الأعطال أثناء تشغيلها، خاصةً عند حدوث خطأ، كما قد تتغير القيم المميزة (مثل الممانعة) للآلات من القيم الحالية إلى قيم مختلفة حتى يتم التخلص من الخطأ، أيضاً قد يكون هناك الكثير من الاحتمالات لأعطال تظهر في شبكة نظام الطاقة، بما في ذلك الإضاءة والرياح وسقوط الأشجار على الخطوط وفشل الجهاز وما إلى ذلك.

حيث يمكن تعريف الخطأ في “نظام الطاقة الكهربائية” على أنه أي حالة غير طبيعية للنظام تتضمن عطلاً كهربائياً للمعدات، مثل المحولات والمولدات وقضبان التوصيل وما إلى ذلك، كما يشمل بدء الخطأ أيضاً فشل العزل وإخفاق المسار الذي ينتج عنه ماس كهربائي ودائرة مفتوحة للموصلات.

وفي ظل ظروف التشغيل العادية أو الآمنة؛ فإن المعدات الكهربائية في “شبكة نظام الطاقة” تعمل بالجهد العادي ومعدلات التيار، وبمجرد حدوث الخطأ في دائرة أو جهاز، تنحرف قيم الجهد والتيار عن نطاقاتها الاسمية.

كما تتسبب الأعطال في نظام الطاقة في زيادة التيار و”انخفاض الجهد” (Drop-Voltage) وعدم توازن المراحل والطاقة المعكوسة وارتفاع الجهد العالي، مما ينتج عن هذا انقطاع التشغيل العادي للشبكة وتعطل المعدات والحرائق الكهربائية وما إلى ذلك.

وعادة ما تكون شبكات أنظمة الطاقة محمية بمعدات حماية المفاتيح الكهربائية مثل قواطع الدوائر والمرحلات من أجل الحد من فقدان الخدمة بسبب الأعطال الكهربائية.

أنواع العيوب الشائعة في أنظمة نقل القدرة الكهربائية:

تصنف الأعطال الكهربائية في نظام الطاقة ثلاثي الطور بشكل أساسي إلى نوعين، وهما “أعطال الدائرة المفتوحة والقصيرة”، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن أن تكون هذه الأخطاء متماثلة أو غير متناظرة.

أعطال الدائرة المفتوحة:

تحدث هذه الأخطاء بسبب فشل واحد أو أكثر من الموصلات، كما تشمل الأسباب الأكثر شيوعاً لهذه الأعطال، فشل مفصل الكابلات والخطوط العلوية وفشل مرحلة واحدة أو أكثر من قاطع الدائرة وأيضاً بسبب ذوبان الصمامات أو الموصل في مرحلة واحدة أو أكثر، كما تسمى أخطاء الدائرة المفتوحة أيضاً باسم “أخطاء السلسلة”، وهذه نوع غير متماثل أو غير متوازن من الأخطاء باستثناء خطأ مفتوح من ثلاث مراحل.

لذلك يتوجب الأخذ بالاعتبار أن خط النقل يعمل بحمل متوازن قبل حدوث عطل الدائرة المفتوحة، وفي حالة ذوبان إحدى الطور؛ فإنه يتم تقليل التحميل الفعلي للمولد وهذا يتسبب في زيادة تسارع المولد، وبالتالي يتم تشغيله بسرعة أكبر قليلاً من السرعة المتزامنة، كما تؤدي هذه السرعة الزائدة إلى زيادة الفولتية في خطوط النقل الأخرى.

وبالتالي؛ فإنه يمكن أن تؤدي الظروف المفتوحة أحادية وثنائية الطور إلى عدم توازن الفولتية والتيارات في نظام الطاقة، مما يتسبب في أضرار جسيمة للمعدات، ومن الأسباب الرئيسية لهذا النوع من الأعطال هو وجود موصل مكسور وتعطل قاطع الدائرة في مرحلة واحدة أو أكثر.

ومن أهم تأثيرات هذه الأعطال:

• تشغيل غير طبيعي للنظام.

• خطر على الأفراد وكذلك الحيوانات.

• تجاوز الفولتية عن القيم العادية في أجزاء معينة من الشبكة، مما يؤدي إلى فشل العزل وتطور أعطال أخرى وظهور ماس كهربائي.

وعلى الرغم من أنه يمكن تحمل أعطال الدائرة المفتوحة لفترات أطول من أعطال الدائرة القصيرة، إلا أنه يجب إزالتها في أقرب وقت ممكن لتقليل الضرر الأكبر.

أعطال الدارة الكهربائية المغلقة:

يمكن تعريف الدائرة القصيرة على أنها اتصال غير طبيعي بمقاومة منخفضة للغاية بين نقطتين ذات إمكانات مختلفة، سواء تم ذلك عن قصد أو عن طريق الخطأ، كما أن هذه هي أكثر أنواع العيوب شيوعاً وخطورة، مما يؤدي إلى تدفق تيارات عالية غير طبيعية عبر المعدات أو خطوط النقل، وخاصةً إذا سُمح لهذه العيوب بالاستمرار حتى لفترة قصيرة؛ فإنها تؤدي إلى أضرار جسيمة للمعدات.

ومن أهم الأسباب التي تقف وراء هذا النوع من الأعطال:

• قد تكون هذه نتيجة لتأثيرات داخلية أو خارجية.

• تشمل التأثيرات الداخلية انهيار خطوط أو معدات النقل وتقادم العزل وتدهور العزل في المولد والمحولات والمعدات الكهربائية الأخرى والتركيبات غير الملائمة والتصميم غير الملائم.

• تشمل التأثيرات الخارجية التحميل الزائد للمعدات وفشل العزل بسبب زيادة الإضاءة والأضرار الميكانيكية من قبل الجمهور.

ومن أهم تأثيرات هذا النوع من الأعطال:

• يمكن أن تؤدي الأعطال المنحنية إلى نشوب حريق وانفجار في المعدات مثل المحولات وقواطع الدائرة.

• تتسبب التيارات غير الطبيعية في زيادة سخونة المعدات، مما يؤدي إلى تقليل العمر الافتراضي لعزلها.

• يمكن أن تقل الفولتية التشغيلية للنظام عن قيم قبولها أو تزيد عنها، مما يؤدي إلى إحداث تأثير ضار على الخدمة التي يقدمها نظام الطاقة.

• يتم تقييد تدفق الطاقة بشدة أو حتى حظره تماماً طالما استمر عطل الدائرة القصيرة.

أخطاء متناظرة وغير متناظرة:

يتم تصنيف الأخطاء بشكل أساسي إلى أخطاء مفتوحة و”قصيرة الدائرة” ومرة أخرى يمكن أن تكون هذه الأخطاء متماثلة أو غير متناظرة.

الأخطاء المتناظرة (المتكافئة):

يؤدي “الخطأ المتناظر إلى ظهور “تيارات خطأ متناظرة” يتم إزاحتها بمقدار 1200 مع بعضها البعض، كما يسمى الخطأ المتماثل أيضاً بالخطأ المتوازن، بحيث يحدث هذا الخطأ عندما تكون جميع المراحل الثلاث قصيرة الدائرة في نفس الوقت.

كما تتراوح نسبة حدوث الأخطاء المتناظرة من 2 إلى 5٪ من إجمالي أخطاء النظام. يتسبب في أضرار جسيمة للمعدات للحفاظ على حالة متوازنة، لذلك؛ فإنه يتوجب حل هذه الأخطاء لتحديد سعة التمزق لقواطع الدائرة واختيار المرحلة الدقيقة لمفاتيح الحماية الأخرى، وذلك حسب نظرية ثيفينين.

الأخطاء غير المتناظرة (غير المتكافئة):

من أكثر الأخطاء شيوعاً التي تحدث في شبكة نظام الطاقة هي الأعطال غير المتكافئة، حيث يؤدي هذا النوع من الخطأ إلى ظهور تيارات خطأ غير متناظرة (لها مقادير مختلفة مع إزاحة غير متكافئة في الطور)، كما تسمى هذه الأخطاء أيضاً بالأخطاء غير المتوازنة لأنها تسبب تيارات غير متوازنة في النظام، كما تشمل الأخطاء غير المتماثلة كلاً من أخطاء الدائرة المفتوحة (حالة مفتوحة أحادية وثنائية الطور) وأعطال ماس كهربائي (باستثناء L-L-G و L-L-L).

حيث يعد الخطأ المفرد من خط إلى أرض (LG) أحد أكثر العيوب شيوعاً، وتوضح التجارب أن (70-80) بالمائة من الأخطاء التي تحدث في نظام الطاقة هي من هذا النوع، وهذا يشكل مسار ماس كهربائي بين الخط والأرض، كما أن هذه أخطاء أقل خطورة مقارنة بالعيوب الأخرى.

كما يحدث خطأ من خط إلى خط عندما يتصل موصل حي بموصل حي آخر، حيث تعتبر الرياح العاتية السبب الرئيسي لهذا الخطأ الذي قد يتلامس خلاله تأرجح الموصلات العلوية، وأن هذه أخطاء أقل شدة وقد يتراوح نطاق حدوثها بين 15-20٪.

في خط مزدوج إلى أخطاء الأرض؛ فقد يتلامس خطان مع بعضهما البعض وكذلك مع الأرض، حيث تعتبر هذه الأعطال جسيمة ويبلغ حدوث هذه الأعطال حوالي 10٪ عند مقارنتها بإجمالي أعطال النظام، كما يتم تحليل الأعطال غير المتماثلة باستخدام طرق المكونات غير المتماثلة من أجل تحديد الجهد والتيارات في جميع أجزاء النظام.