التحليل الرقمي للحماية الكهربائية من تفريغ تيارات البرق

أهمية التحليل الرقمي للحماية الكهربائية من تفريغ تيارات البرق

البرق هو الظاهرة الطبيعية الأكثر إثارة والأكثر شيوعاً، ومع ذلك؛ فإن “ومضات البرق” من السحابة إلى الأرض (CG) الناتجة عن عدم توازن الشحنة الكهربائية بين “السحابة والأرض”، تشكل تهديدات خطيرة لسلامة المرافق الأرضية وخاصة لأنظمة القدرة الكهربائية، كما يمكن أن يتكون وميض (CG) من مكونين رئيسيين، وهما المرحلة الأولية ومرحلة العودة (RS)، وفي المرحلة الابتدائية ينتشر “تيار البرق” الهابط من سحابة الرعد إلى الأرض.

ونتيجة لذلك، يبدأ تيار التوصيل المتقدم والصاعد (UCLs) بقطبية معاكسة من الأجسام الأرضية البارزة ويتطور في الاتجاه المعاكس مع التيارين الهابطين، كما ويلتقون في النهاية مع تيار النزول الرئيسي، ثم تربط القناة بين سحابة الرعد والأرض، وفي مرحلة (RS) يتم تحييد الشحنات الكهربائية ذات القطبين المعاكسين، وهي المتراكمة في سحابة الرعد والأرض على التوالي.

ومن خلال القناة المتكونة في المرحلة الأولية مما ينتج عنه نبضة تيار (RS) كبيرة في وميض (CG)، كما تحدد (UCLs) نقطة ضربة البرق في ومضات (CG) الطبيعية، لذلك؛ فإن معظم (UCLs) هي بمثابة تيارات كهربائية متطورة تنتشر بشكل مستمر، لذا؛ فإن فهم ونمذجة العملية الديناميكية لـ (UCLs) الإيجابية يعتبر أمراً بالغ الأهمية لتصميم نظام حماية مناسب من الصواعق.

ولسوء الحظ؛ فإن حدوث البرق العرضي في المكان والزمان يجعل دراسة البرق أمراً صعباً بشكل خاص، مثل العديد من الميزات والعمليات الرئيسية لتيارات البرق، لذلك يكاد يكون من المستحيل قياس تيار التفريغ للبرق أو الحصول عليه مباشرة باستخدام التكنولوجيا الحالية.

كما يبدو أن المراقبة البصرية هي طريقة ممكنة وعملية لتقييم تيار التفريغ لنشر تقدم تيار البرق الإيجابي، بحيث يُعتقد أن الضوء المنبعث من البرق يحتوي على معلومات في القناة الرائدة وقد يكون مرتبطًا بالتيار الكهربائي المتدفق في القناة.

الإعدادات التجريبية الخاصة بتيار البرق المتقدم

أجريت التجارب في مختبر الجهد الكهربائي الفائق لشركة (State Grid Corporation) الصينية، بحيث يتم عرض الإعدادات التجريبية في الشكل التالي (1)، كما تم استخدام فجوة قضيب على مستوى (4) أمتار لإنتاج تصريفات إيجابية، وأثناء التجارب تم توليد نبضات الجهد الدافع الموجب بوقت أمامي (250) ميكرو ثانية ووقت متأخر مقداره (2500) ميكرو ثانية بواسطة مولد جهد ماركس (4.8) ميجا فولت وتم تطبيقه على القضيب الموصل.

كذلك بدأ التيار الكهربائي المتقدم من طرف القضيب بالانتشار، كما تم قياس نبضات الجهد المطبقة باستخدام مقسم جهد مكثف وتم تسجيلها بواسطة راسم تذبذب رقمي خاص بالعملية، أيضاًُ تم تضمين تحويلة حالية بمقاومة مكافئة (5) ونظام اكتساب رقمي داخل قطب قضيب الجهد العالي لقياس تيار التفريغ.

أيضاً كانت متطلبات الأداء الرئيسية لنظام القياس الحالي كما يلي: عرض نطاق تردد كهربائي (-3 dB ، DC) إلى (18.3 MHz)، وذلك ضمن معدل العينة، وهو (2) جيجا هرتز، أيضاً تم ترتيب كاميرا فيديو عالية السرعة (Photron FASTCAM SA) لتسجيل العملية الديناميكية لتصريفات القائد الإيجابية، بحيث تم تشغيل كاميرا الفيديو عالية السرعة المزودة بعدسة (50 مم F1.2) بمعدلات أخذ عينات تبلغ (225000) إطار في الثانية (FPS) مع وقت تعريض يبلغ (4.44) ميكرو ثانية لكل إطار.

ولفحص العلاقة بين تيار التفريغ والسطوع الذي تم الحصول عليه من إطارات الفيديو عالية السرعة للقادة الموجبة للانتشار، يجب مزامنة تيار التفريغ المقاس وإطارات الفيديو عالية السرعة في المجال الزمني ثم قياس تيار التفريغ في يمكن استخراج مدة التعرض للإطار، وذلك من أجل تحقيق التزامن، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يتم تعريف وقت البدء على أنه الوقت الذي يبدأ فيه ارتفاع شكل موجة الجهد الدافع المطبق على القضيب.

كذلك تم تشغيل “راسم الذبذبات” الذي يسجل شكل موجة الجهد النبضي أولاً، ثم تم إرسال إشارة تم إنشاؤها بواسطة مرسمة الذبذبات إلى نظام القياس الحالي وكاميرا الفيديو عالية السرعة كإشارة إطلاق، أيضاً تم تحويل جميع إشارات الزناد إلى إشارات ضوئية وإرسالها بواسطة الألياف الضوئية لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي، كما تم قياس التأخير (t0) في كل حدث تفريغ وتم قياس تأخيرات الإرسال (t1) و (t2) قبل التجارب، أيضاً تم تصحيح هذه التأخيرات في مرحلة معالجة البيانات.

معالجة البيانات الخاصة بسلوك تيار البرق المتقدم

يتم الحصول على سطوع نشر القادة الموجبين من إطارات الفيديو الرقمية عالية السرعة التي تعرض قنوات قائد الانتشار، وهذه الإطارات ملونة وتتكون من مكونات (R و G و B)، وذلك لتقييم سطوع رواد النشر لذلك تم القيام بتحويل إطارات الفيديو الرقمية عالية السرعة الملونة إلى صور ذات تدرج رمادي، بحيث يعتمد تقييم السطوع على مصفوفة القيم الرمادية (Y)، كما يمكن حساب القيم الرمادية (Y) على بكسل واحد على النحو التالي: