نظام الطاقة الكهربائية هو نطاق واسع الانتشار، كلما زادت كفاءة الكهرباء التي نريدها، زادت الحاجة لحمايتها، من أجل الحفاظ على المعدات والموظفين في مأمن من أي نوع من الضرر الناجم عن عدم التوازن الكهربائي أو حالة العطل، تؤدي أجهزة الحماية غرضها عن طريق الحفاظ على قسم معيب معزول عن النظام الصحي المتبقي لجعله يعمل دون أي اضطرابات، لا تتمثل وظيفة نظام الحماية في منع الأعطال كما يوحي اسمه، بل إنه يقلل من تكاليف الإصلاح، ولأنه يستشعر الخطأ قبل الحدوث ويقوم بأجراء فوري.
أهداف حماية نظام الطاقة:
يتطلب الأمر الكثير من الجهد والمال لتصميم نظام طاقة، وبالطبع يريد كل مستثمر الحصول على أقصى عائد على الاستثمار، ولكن ماذا لو تعطلت بعض المعدات؟
قد يواجه النظام بأكمله مخاطر التلف الشديد والتدهور، مما يؤدي إلى تعريض الأرواح والممتلكات والمعدات الأخرى للخطر، ولتقليل احتمالية الضرر الناجم عن الفشل تأتي أجهزة الحماية.
كما تقلل أجهزة الحماية من فرص انقطاع الكهرباء وتقييد الأعطال في المعدات أو المنطقة المعطلة، وبهذه الطريقة يحافظ مالكين النظام على رضا عملائهم عن الخدمة المستمرة،، ويستمر النظام بأكمله في العمل دون أعطال كبيرة وانقطاع التيار الكهربائي، ولمراقبة النظام باستمرار والحفاظ عليه آمناً عن طريق فصل المكونات التي هي تحت الخطأ فقط، والاحتفاظ بأكبر قدر ممكن من الشبكة لا تزال قيد التشغيل، تم تطوير أنظمة حماية مختلفة.
نطاق الحماية:
يحمي كل مخطط حماية منطقة محددة تعرف باسم منطقة الحماية (نطاق الحماية)، تحيط منطقة الحماية بكل معدات الطاقة، فعندما يحدث خطأ ما في أي منطقة، فإن قاطع الدائرة في تلك المنطقة فقط هو الذي يقوم برحلات لذلك، كما يتم فصل أي عنصر معيب فقط دون التأثير على بقية النظام.
وباتباع ست فئات من مناطق الحماية ممكنة في نظام ما، فإننا نطبق هنا مفهوم التنسيق الانتقائي عل كل من:
- المولدات ووحدات المولدات والمحولات.
- المحولات.
- الباصات.
- الخطوط (الإرسال، الإرسال الفرعي، التوزيع).
- معدات الاستخدام (المحركات، الأحمال الثابتة، أو غيرها).
- بنوك المكثفات أو المفاعلات (عند الحماية بشكل منفصل).
أجهزة ومكونات الحماية:
المصهر:
المصهر هو جهاز التدمير الذاتي، بحيث يمرر التيار في دائرة كهربائية إلى ما لا نهاية ويقوم بتفجير نفسه في ظل ظروف غير طبيعية، هذه مكونات حماية مستقلة في نظام كهربائي على عكس قاطع الدائرة، والذي يتطلب بالضرورة دعم من المكونات الخارجية.
محول القدرة (التيار وفرق الجهد):
لا يمكن تحقيق الحماية الدقيقة دون قياس الظروف العادية وغير الطبيعية للنظام بشكل صحيح، حيث تعمل محولات الأجهزة كمحول طاقة في الأنظمة الكهربائية، كما انها تعطي قياسات الجهد والتيار وتقدم ملاحظات حول ما إذا كان النظام سليماً أم لا، محولات الجهد والمحولات الحالية تقيس هذه المعلمات الأساسية.
المحول الحالي لديه وظيفتين للقيام بهما، أولاً: يقوم بتخفيض التيار إلى مثل هذه المستويات بحيث يمكن التعامل معه بسهولة بواسطة ملف تيار الترحيل، ثانياً: يقوم بعزل دارة الترحيل عن الجهد العالي لنظام الجهد العالي، ويكون (CT) الأساسي في سلسلة مع الخط الذي يتم قياس التيار فيه.
يقوم محول الجهد بتخفيض الجهد العالي للخط إلى مستوى آمن بما يكفي لنظام الترحيل (ملف ضغط المرحل) ومن أجل الفنيين للتعامل معه، كما يتم توصيل أساسي (PT) بالتوازي عند النقطة التي يكون فيها القياس مطلوباً.
المرحل:
المرحلات هي عبارة عن أجهزة استشعار، ونظراً للقدرة على اتخاذ قرارات بشأن التعرف على الأخطاء، تعتبر هذه المرحلات بمثابة عقل أنظمة الطاقة، كما يتم تشغيل المرحلات عن طريق قياس قيم الجهد والتيار وتحويلها إلى إشارات رقمية أو تمثيلية، والتي بدورها تعزل الدوائر عن طريق فتح الدوائر المعيبة، وفي أغلب الأحيان، تخدم المرحلات هدفين، التنبيه والرحلة، وبمجرد ملاحظة الخلل.
في السنوات السابقة، كانت وظائف المرحلات محدودة للغاية وكانت ضخمة جداً، ومع ذلك ومع التقدم في التكنولوجيا الرقمية، أصبحت المرحلات تراقب المرحلات العمليات المختلفة، والتي توفر الحماية بالكامل للنظام.
القاطع:
قاطع الدائرة هو مفتاح يعمل بالكهرباء، وهو قادر على فتح وإغلاق الدوائر بأمان، يتم تركيب القاطع على مخرج المرحل المرتبط، وعندما يكون قاطع الدائرة في حالة مغلقة، يتم إغلاق ملامساته بواسطة شد زنبرك الإغلاق، أما عندما يتم تنشيط ملف الرحلة، فإنه يطلق مزلاجاً، مما يتسبب في نشوء الطاقة المخزنة داخل زنبرك الإغلاق لإحداث عملية فتح سريعة.
يتطلب فتح الدوائر المعيبة بعض الوقت، ومع ذلك، فإن قواطع الدائرة التي تُستخدم لعزل الدوائر المعيبة، يمكنها حمل تيارات الأعطال هذه حتى يتم مسح التيارات الخاطئة، كما يمكن تصنيف قواطع الدائرة وفقاً لاعتبارات التصميم المختلفة مثل وسائط التبريد بالقوس الكهربائي، وآلية التشغيل ومستويات الجهد وما إلى ذلك.
البطاريات:
المكون الآخر المهم في نظام الحماية هو البطاريات، والتي تُستخدم لضمان الطاقة غير المنقطعة للمرحلات وملفات التكسير، يتطلب تشغيل المرحلات والقواطع مصادر طاقة لا تتأثر بالأعطال ولضمان وصول القدرة الكهربائية الى أجهزة الحماية بشكل مستمر وبدون انقطاع.
جهاز حماية (ESD):
يحمي جهاز حماية (ESD) المكونات الإلكترونية من التفريغ الكهروستاتيكي، التفريغ الكهروستاتيكي هو تراكم الشحنات التي يمكن أن تلحق الضرر بدائرة الحماية ويمكن أن تتسبب في حدوث خلل ما.
جهاز حماية الزيادة بالجهد الكهربائي:
واقي زيادة التيار هو جهاز يستخدم لحماية المعدات الكهربائية، عن طريق كبت طفرات الجهد، ويحاول هذا الجهاز تقييد الجهد الموفر لجهاز كهربائي عن طريق إبقائه أقل من عتبة آمنة، بحيث يتم استخدام العناصر المذكورة أعلاه على نطاق واسع في أي نظام حماية ويتطلب تصميمها دراسة واختيار دقيق للتشغيل السليم.
مخططات الحماية:
مخطط حماية التيار الزائد:
يمكن اعتبار التراكم المفاجئ للتيار نتيجة للخطأ، لذلك يمكن اعتبار الحماية من التيار الزائد أكثر مبادئ الحماية وضوحاً؛ لأنه يمكن استخدام حجم التيار كمؤشر على وجود خطأ ما، لكن حجم تيار العطل مرتبط بنوع الخطأ ومقاومة المصدر.
تعتمد مقاومة المصدر على عدد وحدات التوليد التي تعمل في وقت معين وتتغير باستمرار من وقت لآخر، لذلك، فإن نقطة الضبط للتمييز بين مقدار التيار الخاطئ من التيار الطبيعي وكذلك وقت التشغيل للحماية من التيار الزائد تتغير باستمرار من خطأ إلى خطأ آخر، ومن وقت لآخر، وقد دفع هذا مهندسي الحماية إلى التفكير في مبادئ أخرى وهي:
مرحل التيار الزائد اللحظي:
هذه اللحظية تعني عدم وجود تأخير زمني مقصود، وقت تشغيل هذا المرحل (اللحظي) بالملي ثانية، مثل هذا الترحيل لديه فقط إعدادات الالتقاط وليس لديه أي إعداد للوقت.
مرحل الوقت المحدد:
يمكن تعديل مرحل التيار الزائد للوقت المحدد لإصدار مخرج رحلة في مقدار زمني محدد، بحيث يكون قابل للتعديل بعد التقاطه، وبالتالي فإنه يحتوي على تعديل الالتقاط وتعديل ضبط الوقت.
مرحل التيار الزائد العكسي:
تتوافق خاصية الوقت المعكوس مع متطلبات أنه كلما كان الخطأ أكثر خطورة، يجب مسحه بشكل أسرع لتجنب تلف الجهاز، تم توحيد خصائص الوقت العكسي كالتالي:
- الحد الأدنى المعكوس للوقت (IDMT OC) التتابع.
- وقت معكوس جداً (OC) تتابع.
- وقت معكوس للغاية (OC) تتابع.
