تحسين أجهزة الحماية الكهربائية لخطوط النقل مع DTLR

مع استمرار زيادة القدرة المركبة لتوليد الطاقة المتجددة في الوقت الحاضر لتلبية كل من الانبعاثات والمتطلبات الاقتصادية؛ تؤدي طبيعة التوليد المتقطع إلى الحاجة إلى زيادة قدرة النقل، بحيث يمكن استخدام تصنيف الخط الحراري الديناميكي لزيادة قدرة خطوط النقل دون ترقية البنية التحتية.

ضرورة تحسين أجهزة الحماية الكهربائية لخطوط النقل مع DTLR

مع تزايد الطلب على الطاقة الكهربائية؛ أصبحت أنظمة الطاقة أكثر تعقيداً، وبالتالي يواجه مشغلو أنظمة الطاقة العديد من التحديات بسبب هذا التعقيد، كما يتطلب تلبية هذا الطلب زيادة كبيرة في قدرة التوليد، ووفقاً لذلك تتطلب البنية التحتية لنظام النقل ترقية عالية التكلفة، بحيث يعتبر تصنيف الخط الحراري الديناميكي (DTLR) أحد الحلول البديلة لزيادة قدرة خطوط النقل الهوائية الحالية (TLs).

كذلك يتم تحديد التصنيف الحراري لـ (TL) بشكل أساسي لفصول مختلفة بناءً على أسوأ الظروف الجوية، كما يبقى هذا التصنيف ثابتاً طوال الموسم ويُطلق عليه تصنيف الخط الثابت (SLR)، وعلى عكس (SLR) يعتمد (DTLR) على قياسات الوقت الفعلي للظروف البيئية مثل درجة الحرارة المحيطة وسرعة الرياح واتجاه الرياح لتحديث التصنيف.

كذلك يتم حساب تصنيفات خط النقل سواء كانت ثابتة أو ديناميكية بناءً على معادلة توازن الحرارة في معايير (IEEE 738)، وخلال الظروف الجوية المواتية؛ فإنه يمكن لمشغلي النظام استخدام الفوائد الكاملة لـ (TL) من خلال زيادة سعتها وفقاً لحسابات (DTLR)، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن أن يؤدي استخدام (DTLR) إلى تقليل ترهل الموصل وبالتالي منع التلف المبكر لـ (TL) بسبب زيادة درجة حرارة الموصل.

دمج أجهزة الحماية الشائعة في عملية في تحسين خطوط النقل

أجهزة الحماية الأكثر شيوعاً مع (TL) هي مرحلات المسافة والتيار الزائد (OC)، وعادة يتم استخدام (OC) كحماية احتياطية لمرحل المسافة، لذلك من الضروري تقييم الحماية التقليدية لـ (TL) باستخدام (DTLR)، كذلك تم إجراء العديد من الدراسات حول الكشف عن حالات الأعطال مثل مخططات الحماية الكهربائية التجريبية.

أيضاً هناك أساليب الحماية التفاضلية والطرق المعتمدة على الموجة المتنقلة القائمة على الموجة الخوارزميات وخوارزميات مكونات التسلسل، كما ركزت هذه الأساليب على التمييز بين الظروف العادية وظروف الخطأ سواء كانت داخلية أو خارجية، وعلاوة على ذلك لم يتم التحقيق في ظروف التحميل الزائد وتمييزها عن ظروف الخطأ.

كما أن الدراسات الواردة في الدراسات لحماية (TL) مع (DTLR) محدودة للغاية، بحيث تم استخدام مخطط الحماية من الحمل الزائد الاحتمالي، وذلك للكشف عن ظروف الحمل الزائد غير الآمنة بناءً على التوزيع الاحتمالي لدرجة حرارة الموصل، وأثناء ظروف الحمل الزائد بين (1.2 – 1.5) من التيار الاسمي؛ فقد فشلت المرحلات الكلاسيكية في اكتشاف (48٪) من حالات الحمل الزائد غير الآمنة، بينما فشل المخطط الاحتمالي في اكتشاف (39٪) من هذه الحالات، وبالتالي؛ فإن المخطط الاحتمالي يفتقر إلى الاعتمادية.

النموذج الرياضي الخاص بنظام الحماية الكهربائية DTLR

يعتمد التصنيف الديناميكي لـ (TL) على معادلة توازن الحرارة من (IEEE Standard 738)، كما تُعرَّف معادلة توازن الحرارة في الحالة المستقرة على النحو التالي:

حيث أن:

(qc): هو التبريد بالحمل الحراري بسبب حركة الهواء.

(qr): هو الحرارة التي تمت إزالتها بالإشعاع.

(qs): هي حرارة الإشعاع الشمسي المكتسبة من الشمس.

(I2R): هو تسخين الجول المكتسب من تدفق التيار الكهربائي في الموصل.

(Tc): هي درجة حرارة الموصل.

كما يتم إعطاء التبريد التقليدي من خلال ثلاث معادلات مختلفة (qcn ، qc1 ، qc2) لسرعة الرياح الصفرية (الحمل الحراري الطبيعي) وسرعة الرياح المنخفضة وسرعة الرياح العالية على التوالي.

كما يتم اختيار التبريد بالحمل الحراري بناءً المعادلات الرياضية السابقة بحيث تصبح:

حيث أن:

(ρf): هي كثافة الهواء.

(D): هو القطر الخارجي للموصل.

(Ta): هي درجة الحرارة المحيطة.

(Kangle): هو عامل اتجاه الرياح.

(Vw): هي سرعة الرياح.

(μf): هي السرعة الديناميكية.

(kf): هي الموصلية الحرارية.

أنماط الحماية التقليدية لخطوط النقل الكهربائية

هناك العديد من المرحلات التقليدية المستخدمة مع (TL)، وهي مرحلات المسافة والتيار الزائد هي أكثر المرحلات التقليدية المستخدمة في حماية (TL).

• حماية المسافة: يعتمد تتابع المسافة على قياس الممانعة الظاهرة باستخدام الجهد الكهربائي (V) والتيار (I ، Phaseors) في موقع الترحيل، بحيث يتم حساب المعاوقة الظاهرة على النحو التالي:

• حماية التيار الزائد: يعمل مرحل (OC) عندما يكون التيار المقاس أعلى من قيمة الالتقاط المحددة مسبقاً (Is)، وعادةً ما يتم ضبط قيمة التقاط المرحل على (110-120٪) من التيار الاسمي، لذلك إذا تجاوز تيار التشغيل إعداد المرحل؛ فسوف يرسل إشارة رحلة إلى (CB) سواء كانت الحالة خطأ أو حمل زائد. لاستخدام حماية التيار الزائد كحماية احتياطية؛ فإن خاصية المرحل المستخدم هي وقت محدد.

المنهجية المقترحة لعملية حماية خطوط النقل الكهربائية

يبحث هذا الطرح في تأثير الظروف البيئية المتغيرة على خط النقل (DTR) وتأثير الأعطال سواء كانت متناظرة أو غير متناظرة، وبالتالي تحسين أداء مرحلات التيار الزائد والمسافة، بحيث تتكون الخوارزمية المقترحة من ثلاث خوارزميات فرعية (DTLR)، وهي النسبة الحالية للتسلسلات السلبية والإيجابية ومعيار الجهد لاكتشاف الأعطال والحمل الزائد غير الآمن وتقييد المرحلات التقليدية أثناء التحميل الزائد الآمن.

كما تكتشف خوارزمية (DTLR) التحميل الزائد غير الآمن والأخطاء سواء كانت متماثلة أو غير متناظرة، لذلك إذا فشلت خوارزمية (DTLR) في اكتشاف الأخطاء؛ فإنه يلزم معيار آخر، ونظراً لأن الخطأ المتماثل والحمل الزائد لهما تسلسل إيجابي فقط؛ فإنه يتم استخدام النسبة الحالية للتسلسلات السلبية والإيجابية لاكتشاف الأخطاء غير المتكافئة.

وبسبب تبديل (CB)، قد يكون التسلسل السلبي موجودًا لفترة محدودة جداً، وبالتالي يضاف تأخير نصف الدورة إلى نسبة التسلسل (I / I +)، وذلك للتأكد من أن الحالة خطأ غير متماثل، وعندما تكون هذه النسبة أعلى من العتبة (Th1) بعد انتظار نصف دورة؛ فإنه يتم تعيين خطأ غير متماثل.

وللتمييز بين الخطأ المتماثل والحمل الزائد الآمن؛ يتم استخدام معيار الجهد الكهربائي، بحيث يستخدم هذا المعيار حقيقة أن انخفاض الجهد أثناء ظروف الخطأ المتماثل مرتفع بدرجة كافية مقارنة بظروف التحميل الزائد، وبالتالي يتم استخدام مكون (60) هرتز لجهود الخط لهذا الغرض؛ خاصةً إذا كان جهد الخط أقل من قيمة العتبة المحددة مسبقاً (Th2)؛ فإن المرحل يعلن الحالة على أنها خطأ متماثل.

في النهاية يؤدي التكامل المتزايد لتوليد الطاقة المتجددة في شبكات الطاقة إلى استخدام التصنيف الحراري الديناميكي لتلبية هذا التوليد دون تغيير البنية التحتية لخطوط النقل الحالية، وبالتالي؛ فإن زيادة الحمل تؤثر على أداء المرحلات التقليدية الموجودة ومن الصعب التمييز بين ظروف الخطأ والحمل الزائد، لذلك يعد هذا العمل هو الاقتراح الأول لخوارزمية محسّنة معززة بمرحلات تقليدية في وجود (DTLR) للكشف عن جميع حالات العطل سواء كانت متماثلة أو غير متماثلة وغير آمنة من الحمل الزائد وتقييد (CB) أثناء الحمل.