الحماية من أعطال تأريض التيار المتردد للمحطة الكهربائية

أهمية الحماية من أعطال تأريض التيار المتردد للمحطة الكهربائية

يتمتع ناقل التيار المستمر ذو “الجهد العالي” (HVDC) القائم على المحول متعدد المستويات (MMC) بإمكانية جيدة في مجالات تكامل الطاقة المتجددة والتوصيل البيني “غير المتزامن” للشبكات وإمدادات الطاقة المعزولة، ونظراً لمزاياها مثل النموذجية وقابلية التوسع وجودة الإخراج الموجي؛ فإنه يمكن تحقيق أنظمة (MMC-HVDC) في تكوين “ثنائي القطب” لتحقيق أوضاع تشغيل مرنة ومستوى جهد زائد أقل، والذي يتوافق مع اتجاه تطوير شبكات التيار المستمر بجهد عالٍ وسعة كبيرة ومحطات متعددة.

في السنوات الأخيرة، تحدثت الدراسات الخاصة بأنظمة (MMC-HVDC) بشكل أساسي عن خصائص أعطال التيار المستمر وتحسين استراتيجيات الحماية أو التحكم، كما تركزت هذه الدراسات المرتبطة بأعطال التيار المتردد على جانب الشبكة بشكل أساسي على تأثير الأعطال على أنظمة التحكم، وذلك بدون عزله بواسطة المحول الكهربائي.

كما تكون أخطاء التأريض الكهربائي الداخلية للمحطة أكثر ضرراً على (MMCs) والخصائص تختلف بشكل ملحوظ عن تلك الخاصة بأعطال التيار المتردد على جانب الشبكة، حيث أن تحليل خصائص خطأ داخلي أحادي الطور إلى الأرض وخطأ الدائرة القصيرة ثنائي الطور في نظام (MMC-HVDC) أحادي القطب المتماثل، لذلك لن تسبب هذه الأعطال تياراً زائداً شديداً في (MMC) ولا تسبب ضرراً كبيراً للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالطاقة.

لذلك؛ فإن الهيكل الأحادي له متطلبات منخفضة لسرعة الحماية ويمكن أن تلبي الحماية التفاضلية التقليدية للتيار المتردد هذا المطلب، بحيث تم إجراء تحليل وحساب أخطاء التيار المتردد الداخلية للمحطة ثلاثية الطور إلى الأرض في نظام ثنائي القطب (MMC-HVDC)، كما يُقترح أيضاً معيار حماية يعتمد على التيار التفاضلي لأذرع المحول ولكنه حساس لمقاومات الخطأ.

أيضاً تمت مناقشة خصائص ما بعد الحجب لخطأ أحادي الطور إلى الأرض الداخلي للمحطة في نظام (HVDC) ثنائي القطب القائم على (HB-MMC) ونظام (HVDC) ثنائي القطب القائم على (FB-MMC) على التوالي، كما تم تصميم بعض مخططات الحماية المناسبة وتم تحسين استراتيجيات التحكم لقمع الجهد الزائد والتيار الكهربائي الزائد الناجم عن أخطاء التأريض.

الإجراءات الاستباقية للحماية من أعطال تأريض التيار المتردد

فيما بعد تم تجهيز كل (MMC) بحماية ضد التيار الزائد، والتي ستعمل بعد أخطاء التأريض وحظر(IGBTs)، لذلك؛ فإن جميع الأبحاث الحالية تهمل الخصائص المؤقتة للحظر المسبق، وفي الواقع  تم تفريغ مكثفات (SM) بشكل حاد قبل حظر (MMC)، كما أن الحماية من التيار الزائد للأنظمة هي العائق الأخير لحماية (IGBTs).

كذلك؛ فإن عتبة حماية التيار الزائد مرتفعة للغاية، حيث تقترب من ضعف التيار المقدر لـ (IGBTs)، خاصةً إذا فشلت حماية التيار الزائد للأسلحة؛ فإنه سيتم تدمير (IGBTs) عن طريق تفريغ تيارات (SMs) في غضون بضعة أجزاء من الثانية، لذلك يتوجب القيام بتصميم حماية أسرع لاكتشاف خطأ التأريض قبل أن يتم حظر (IGBTs) بواسطة التيار الزائد ثم اتخذنا بعض تدابير الحماية على الفور.

كما يمكن أن يكون تيار الخطأ محدوداً وأن يتم مسحه مسبقاً، وفي الوقت نفسه يمكن استخدام حماية التيار الزائد للأسلحة كحماية احتياطية لأعطال التأريض الداخلية للمحطة، بحيث تتعاون هاتان الوسيلتان مع بعضهما البعض لتعزيز موثوقية الحماية الداخلية للمحطة وتقليل احتمالية تدمير المحول بسبب فشل الحماية الفردية.

ومع ذلك؛ فإن الحماية التفاضلية الشائعة في الهندسة الفعلية لها سرعة ضعيفة ولا يمكنها اكتشاف الخطأ قبل حظر (IGBTs)، وبالتالي من المهم تحليل الخصائص المؤقتة للحظر المسبق وتصميم مخططات حماية جديدة لأعطال تأريض التيار المتردد الداخلية للمحطة.

تحليل تكوين الحماية للمنطقة المحمية لخط التيار المتردد

يظهر مبدأ تقسيم الحماية النموذجي في نظام (MMC-HVDC) في الشكل التالي، ويتكون من سبعة أجزاء: المنطقة المحمية لمحول التيار المتردد والمنطقة المحمية لخط التيار المتردد الداخلية للمحطة ومنطقة المحول المحمية والمنطقة المحمية ثنائية القطب والتيار المستمر داخل منطقة محمية بقطب ومنطقة محمية بخط التيار المستمر، بحيث تتداخل المناطق المحمية المجاورة مع بعضها البعض لحماية جميع المعدات الكهربائية بدون منطقة ميتة.

وبالنسبة للمنطقة المحمية بخط التيار المستمر، يتم استخدام الحماية القائمة على الموجة المتنقلة على نطاق واسع باعتبارها الحماية الرئيسية في الهندسة العملية، وعادة ما يتم استخدام الحماية التفاضلية تحت الجهد المنخفض وحماية الجهد المنخفض كحماية احتياطية، بحيث تم تجهيز المنطقة المحمية المحمية بشكل عام بحماية التيار الزائد للأسلحة، والتي ستعمل وتمنع (IGBTs) بمجرد اكتشاف زيادة التيار في الذراع.

وهناك أبحاث محدودة حول حماية المنطقة المحمية لخط التيار المتردد الداخلية للمحطة، بحيث يستخدم مخطط الحماية النموذجي في أنظمة التيار المستمر المرنة بشكل عام الحماية التفاضلية لناقل التيار المتردد كحماية رئيسية لخطوط التيار المتردد الداخلية للمحطة، كما يتم استخدام حماية التيار الزائد لناقل التيار المتردد وحماية التيار صفر التسلسل كحماية احتياطية.

ومع ذلك، يستغرق الأمر عدة دورات للحماية التفاضلية للناقل المعتمد على تردد الطاقة للكشف عن الخطأ، مما يؤخر استراتيجيات الحماية التالية الموضوعة قيد الاستخدام، على سبيل المثال لن يتم تشغيل الثايرستور (T2) حتى يتم اكتشاف خطأ تأريض داخلي للتيار المتردد، نتيجة لذلك سيتم تأجيل وقت التعثر لقاطع التيار المتردد، وهو أمر غير متوقع في الهندسة الفعلية.

علاوة على ذلك، وكما هو مذكور في المقدمة؛ فمن المتوقع أن الحماية الرئيسية للمنطقة المحمية لخط التيار المتردد الداخلية للمحطة يمكن أن تعمل قبل حماية التيار الزائد، ومن الواضح أن سرعة الحماية التفاضلية لناقل التيار المتردد لا يمكنها تلبية هذا المطلب، لذلك من الضروري التحقق من الخصائص المؤقتة للحظر المسبق وتقديم حماية جديدة مع سرعة أفضل لاكتشاف أخطاء التأريض الداخلية للمحطة.

تحليل خصائص الخطأ العابرة

تتميز أعطال التأريض على خطوط التيار المتردد الداخلية للمحطة وتلك الموجودة على أطراف الصمام للمحول بنفس الخصائص، لذلك يطلق عليها مجتمعة أخطاء التأريض الداخلية للمحطة هنا ويمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع، وهي أعطال أحادية الطور إلى الأرض، وأعطال من الطور إلى الأرض وأعطال من ثلاث مراحل إلى الأرض، حيث تتشابه الخصائص المؤقتة لخطأ تأريض غير متماثل والفرق الوحيد هو عدد الأطوار المعيبة.

كما يمكن اعتبار خطأ من ثلاث مراحل إلى الأرض خطأ خاصاً غير متماثل ولا يحتوي على مراحل غير معيبة، وفي ضوء ذلك تأخذ هذه الورقة خطأ أحادي الطور إلى الأرض كمثال لتوضيح خصائص وطريقة حساب أخطاء التأريض الداخلية للمحطة، وفي الهندسة العملية؛ فإنه يجب أن تتطابق قدرة (IGBT) على تحمل التيار الزائد وقدرة مقاطعة (DCCBs) مع مستوى الخطأ الحالي.

لذلك، يوفر حساب تيار الخطأ مرجعاً مهماً لاختيار المعدات الكهربائية، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن حساب تيار الخطأ سوف يتحقق نظرياً من صحة تحليل خصائص الخطأ ويدعم تصميم الحماية الرئيسية للمنطقة المحمية لخط التيار المتردد الداخلية للمحطة، بحيث يتم النظر في عملية التبديل العابر لـ (SMs) واستراتيجيات التحكم الخاصة بـ (MMCs) قبل حظر المحول.