تأثير توافقيات التسلسل المنتجة مغناطيسياً على المحولات الكهربائية

دراسة تأثير التوافقيات المغناطيسية على المحولات الكهربائية

يعتبر المصدر الرئيسي لطقس الفضاء هو التفاعل بين المجال المغناطيسي للأرض والشمس، وهي التي يؤثر نشاطها بشكل مباشر على الغلاف المغناطيسي للأرض، أي اختلاف كبير في انبعاثات الشمس يسبب اضطراباً مغناطيسياً أرضياً (GMD)، بحيث يتم تعريف (GMD) على أنه اضطراب مؤقت في الغلاف المغناطيسي للأرض ناتج عن انبعاثات الشمس الموجهة إلى الأرض، مثل التوهجات الشمسية والعواصف الإشعاعية والانبعاثات الكتلية الإكليلية (CMEs).

كما تتصادم الجسيمات النشطة مع الأيونوسفير وتنتج مصابيح الفلورسنت المعروفة باسم الشفق، كذلك وتنتج أيضاً نفاثات كهربائية، وهي تيار من التيارات في الموصلات الافتراضية على ارتفاع مئات الكيلومترات فوق سطح الأرض، كما وتنتج التقلبات في شدة التيار الكهربائي واتجاهه مجالاً كهربائياً على مستوى الأرض يسمى المجال الجيوكهربائي، والذي يتراكم عبر مسافات، مما يتسبب في اختلاف الجهد الأرضي بين المواقع البعيدة.

أيضاً يدير المجال الكهروضوئي تياراً شبه مستمر يتدفق على سطح الأرض في اتجاه الحقل، بحيث تسمى هذه التيارات بالتيارات المستحثة مغناطيسياً (GICs)، كما يمكن أن تدخل (GICs) إلى نظام الطاقة من خلال المحولات المؤرضة للمحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية.

لذلك؛ فإن محولات القدرة الكهربائية هي أدوات أساسية ومكلفة، بحيث تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الطاقة، كما يوجد أكثر من (2100) محول فائق الجهد في “أنظمة الطاقة الأمريكية”، وجميعها عرضة للتلف الذي تسببه (GICs).

ونظراً لأن المهلة الزمنية لمحولات الطاقة تتراوح بين (12) و (24) شهراً؛ فإن فقدان أي من هذه المحولات يعني فقدان إمكانية الخدمة في شبكة الطاقة المرتبطة، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن استبدال المحولات سيتكبد خسائر مالية فادحة. تكلفة الوحدة الواحدة ما بين (2.5) و (10) مليون.

كما أن التهديد الأساسي الذي تشكله (GICs) لمحولات الطاقة هو تسخين الملف وما يقابله من خسائر في الأرواح، كذلك المحايدون لمحولات الطاقة عالية الجهد هي نقاط دخول لمراكز (GIC) في نظام الطاقة، ونظراً للاختلاف البطيء في (GICs) (أقل من 1 هرتز)؛ فإنها تظهر على شكل تيار مستمر لنظام الطاقة الذي يغلب عليه التيار المتردد.

كذلك؛ فإنها تسبب تيارات التيار المستمر تحيزاً شديداً في قلب المحولات، حيث أن هذه الظاهرة تسمى نصف دورة التشبع، لذلك يؤدي تشبع نصف الدورة إلى تسخين وتوافقيات في المحول مما يفرض مخاطر تعطل المحولات ويقلل من متوسط العمر المتوقع للمحول الكهربائي.

كما يلخص الشكل التالي (1) تأثيرات (GICs) على مكونات نظام الطاقة، بحيث تنظر الشبكة إلى المحولات المشبعة بواسطة (GIC) على أنها أحمال استقرائية ضخمة، لذا فهي تزيد بشكل كبير من استهلاك الطاقة التفاعلية للشبكة.

النمذجة والمحاكاة الخاصة بدراسة تأثير التوافقيات المغناطيسية

أثناء حدوث (GMD)، يكون محول الطاقة هو المكون الأكثر حساسية وضعفاً في شبكة الطاقة، لذلك من المهم تصميم محولات الطاقة بدقة لتعكس استجابة واقعية لمحول طاقة حقيقي أثناء تدفق (GIC).

نصف دورة التشبع: لا تتطلب محولات الطاقة الحديثة سوى عدد قليل من الأمبيرات من التيار المتناوب المثير، والذي يولد التدفق الضروري لتحويل الجهد الكهربائي، بحيث يرتبط التدفق المتولد بالمادة الأساسية، والتي تكون في هذه الحالة من الصلب.

كما تم تصميم المحولات لتعمل في المنطقة الخطية فقط، ومع ذلك وفي ظل ظاهرة (GIC)؛ تعمل محولات الطاقة في المنطقة اللاخطية والتشبع ينقل تيار التيار المستمر في (GIC) نقطة التشغيل إلى منطقة التشبع، بحيث يبقى التشبع واضح في خصائص المحول عند قمم الجهد أو التيار الكهربائي، خاصةً إذا تجاوز حجم تيار الإثارة (Iex) المنطقة الخطية؛ فإن الجهد يشبع.

دائرة اختبار محولات الطاقة: لتوضيح تأثيرات (GIC) على محولات الطاقة؛ فإنه يتم إنشاء دائرة اختبار باستخدام (SIMULINK)، بحيث تتكون الدائرة الموضحة في الشكل التالي (2) من شبكة طاقة مصنفة (100 MVA ، 60) هرتز، والتي توفر حمولة مقاومة تبلغ (0.5 pu)، وذلك عبر محول (wye-wye)، والذي يتم محاكاة (GIC) فيه كمصدر تيار متحكم فيه يتم حقنه في محايد جانب الجهد العالي للمحول، كما تتراوح قيمة (GIC) من (0- A) إلى (400- A).

كما ويعمل جانب الشبكة للمحول بجهد مختلف، مثل (230) كيلو فولت و (500) كيلو فولت و (765) كيلو فولت لاختبار تأثير (GIC) على الفولتية العالية والعالية المعتمدة في الولايات المتحدة، حيث أن شبكة الكهرباء والجهد عند جانب الحمل يبقى ثابتاً عند (2.4) كيلو فولت.

وذلك نظراً لأنه يساهم في الحد الأدنى من اختبار (GIC)، بالإضافة إلى هذه الحالات الثلاث، والتي يتم اختبار محول الطاقة من خلالها في شكل ثلاثة مراحل من خمسة أنواع أساسية من خمسة أطراف وفي شكل ثلاث وحدات محولات أحادية الطور من النوع الصدفي.

كما يأخذ نموذج المحول المستخدم في الاعتبار أدوات التوصيل بين اللفات والمحايدة المؤرضة، بحيث تشير الهندسة إلى أن الملف (1) مقترن بجميع الملفات (2 ، 3 ، 4 ، 5)، وذلك على عكس نموذج (SIMULINK) الافتراضي، كذلك نموذج مصفوفة الحث ينفذ العلاقة التالية:

حيث تمثل (V1 ، V2 ، V3) اللفات الأولية حيث تمثل (V4 ، V5 ، V6)؛ حيث أن اللفات الثانوية المقابلة (R1) إلى (R6) تمثل مقاومة اللف، بحيث يتم حساب شروط الحث الذاتي (Lii) وشروط الحث المتبادل (Lij) من نسب الجهد.

في ظل التشغيل العادي، يكون تيار الإثارة جيبياً، كما ويقع تدفق التشغيل داخل المنطقة الخطية التي تقل عن (1.1) pu فقط، وعادة لا تستهلك المحولات كميات هائلة من الطاقة التفاعلية ويتم إصلاح الجهد عبر لفاتها، كما هو مبين في الشكل التالي (3)، بحيث يتم الحفاظ على استهلاك الطاقة التفاعلي للمحول النموذجي ومستوى الجهد عند (0.045) pu و (1) pu، على التوالي.

رسم توضيحي لتأثير (GIC) على محولات الطاقة عند مستويات الجهد المختلفة: إذا تعرض محول الطاقة لـ (GIC)، بحيث يتم إدخال تدفق التيار المستمر إلى القلب، كما يعتمد حجم تدفق التيار المستمر هذا على إحجام مسار التيار المستمر، بحيث يعمل تدفق التيار المستمر على تحويل تدفق التيار المتردد بمقدار مساوٍ لحجمه، وبالتالي زيادة تدفق التيار المتردد في نصف الدورة في اتجاه تدفق التيار المستمر وتخفيف التدفق في نصف الدورة الأخرى.

ومن هنا المصطلح، حيث نصف الدورة التشبع، ومع هذا الإزاحة للتيار المستمر؛ فإن تيار الإثارة ليس جيبياً ولا متماثلاً، وله قمم عالية في نصف الدورة المشبعة. في الشكل التالي (4)، بحيث تظهر تأثيرات (GIC) على التدفق وتيار الإثارة، كما أن الاضطرابات في الدورة السلبية لحلقة التخلفية واضحة أيضاُ يتراوح حجم تيار التيار المستمر بين (40-60) أمبير، مما يتسبب في انخفاض الجهد بنسبة (5 ٪) وزيادة في استهلاك الطاقة التفاعلية إلى (0.3) pu.

بحيث تتكون الشبكة الأمريكية من أكثر من (2000) محول طاقة عالي الجهد تعمل بمستويات جهد (230) كيلو فولت و (345) كيلو فولت و (500) كيلو فولت و (765) كيلو فولت، ولفهم تأثير (GIC) بوضوح على محول الطاقة، بحيث يتم تطبيق (GIC) في الدائرة (الشكل 2) وعلى مستويات (765) كيلو فولت و (500) كيلو فولت و (230) كيلو فولت.