اقرأ في هذا المقال
أهمية الحماية المتحركة في أنظمة القدرة الكهربائية
تعتبر حماية نظام القدرة الكهربائية بمثابة عنصر تشغيل حيوي لأنظمة الطاقة “لاكتشاف الأعطال” وعزلها، كذلك من المتوقع أن يلبي نظام الحماية متطلبات الحساسية والانتقائية، بحيث تشير الحساسية إلى القدرة على اكتشاف وعزل المناطق المعيبة بسرعة كافية لتجنب إتلاف المعدات الأخرى في “نظام الطاقة”، كما تشير الانتقائية إلى “العزل الذكي” والمحسّن للأعطال لتقليل عدد العملاء الذين يعانون من انقطاع التيار الكهربائي.
لذلك تنتج المولدات المتزامنة ما يصل إلى ستة أضعاف التيار المقدر أثناء ظروف الخطأ، ومن ناحية أخرى لا توفر العاكسات تيارات أعلى من (1.2-1.5) مرة من القيمة المقدرة، كما أن هناك حاجة لأنظمة حماية جديدة للحفاظ على عمليات آمنة وموثوق بها للشبكة في مواجهة التغييرات الناجمة عن زيادة الموارد القائمة على العاكس مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.
كذلك لقد كانت موثوقية الشبكة الكهربائية معقدة أيضاً مع زيادة كمية التوليد المعتمد على العاكس على الشبكة التي تتسبب في انخفاض القصور الذاتي الكلي للنظام لأن التوليد المتناوب يتم استبداله بتوليد الطاقة الإلكتروني، وخاصةً في أنظمة طاقة القصور الذاتي المنخفضة، بحيث تعد سرعة نظام الحماية أمراً بالغ الأهمية لإزالة الخطأ بسرعة قبل أن تصل الشبكة إلى عدم الاستقرار ولا تكون قادرة على التعافي.
وهذا يعني الاختراق المتزايد لمصادر الطاقة المتجددة في النظام أن نظام الحماية يجب أن يكون قادراً على العمل بشكل أسرع، ولكنه أيضاً أقل حساسية للديناميكيات المتغيرة بسرعة من التوليد المتقطع، وذلك من أجل تحسين موثوقية النظام ومرونته، بحيث كان هناك اتجاه تنازلي في الوقت الذي تستغرقه عناصر الحماية لفصل وكسر الخطأ عن النظام، كما وقد أدى ذلك إلى تطوير أنظمة حماية جديدة سريعة التعثر (FTPS)، مثل حماية الموجة المتنقلة (TW).
مخططات الحماية المتحركة الخاصة بالأنظمة الكهربائية
تستند مخططات الحماية (TW) على قياسات عالية التردد الكهربائي وتحدد وقت وصول توقيع موجة الخطأ، بحيث ينتشر “التردد الكهرومغناطيسي” العابر عالي التردد عبر النظام بسرعة الضوء تقريباً، مما يسمح لمعدات الحماية باكتشاف الموجة في أقل من (1) مللي ثانية بعد الخطأ، وبالنسبة للأنظمة ذات الاختراق المهم للموارد القائمة على العاكس؛ فإن هذا له ميزة إزالة الخطأ بشكل أسرع لتجنب عدم الاستقرار مع تقليل القصور الذاتي للنظام.
وبالإضافة إلى تحسين استقرار النظام؛ فإنها لا تعتمد الموجة المتنقلة على حجم حقن التيار الخاطئ، لذلك لديها القدرة على اكتشاف الأعطال في الأنظمة ذات الاختراقات العالية للتوليد المعتمد على العاكس المتجدد مع تيار دائرة قصر منخفض، بحيث تتضمن بعض المزايا الأخرى القدرة على اكتشاف الانحناء أو أخطاء المقاومة العالية المؤقتة وعدم الحساسية لنوع الخطأ أو المقاومة والقدرة على العمل في نظام مع تعويض الخط.
نظرية وتطبيق (TW) في أنظمة القدرة الكهربائية
(TWs) هي موجات كهرومغناطيسية تنتشر على طول معدات نظام الطاقة (مثل الخطوط والكابلات وما إلى ذلك)، ونتيجة للاضطراب الذي يحدث في نظام الطاقة؛ فإنه يمكن تعريف الاضطرابات على أنها أي خطأ أو صاعقة أو تبديل وما إلى ذلك، وعندما تصل هذه العبور الكهرومغناطيسي عالي التردد إلى تقاطع شبكة الطاقة أو المحطة التي يتم فيها تغيير معلمات الدائرة؛ فإنه يتم تقسيم (TW) الحادث إلى (TWs).
وهو كجزء من الحادث (TW)، بحيث ينعكس للخلف بينما الجزء الآخر ينكسر إلى المعدات المجاورة والمحددة اعتماداً على معلمات الدائرة على جانبي الطرف، كما يتغير اتساع (TWs) المنعكسة والمنكسرة وفقاً لذلك، بحيث يُعرَّف معدل الانعكاس بأنه نسبة الاتساع بين (TWs) المنعكسة والواقعة.
كما يُعرَّف معدل الانكسار على أنه نسبة اتساع الانكسار (TW) على اتساع (TW) الحادث على كل جهاز، بحيث تستمر (TWs) في ضرب المحطات وتنعكس مرة أخرى، كما يتم تخفيف سعاتها تدريجياً بعد الحادث، وهو ما يسمى “مخطط بيولي الشبكي”، وهو عبارة عن نهج توضيحي لوصف هذه العملية، حيث يظهر مخطط شبكي في الشكل التالي (1).
كما تخضع (TWs) على طول خطوط النقل “لمعادلات التلغراف” التي تقترن “بالمعادلات التفاضلية” التي تحدد الجهد [(v (x ، t))] والتيار الكهربائي [(i (x ، t))]، وذلك في أي نقطة في الزمان والمكان، وفي مجال (Phaseor) المختص بالحلول العامة لهذه المعادلات:
حيث أن [(I + 0، V + 0) (I − 0، V 0)] هي تحويلات “لابلاس” لوظائف الوقت التي تمثل ما يسمى بالموجات المتنقلة، بحيث تشير (x) إلى المسافة المقاسة من نقطة السقوط، كما وتشير إلى ثابت الانتشار، وفي الحالة التي تمثل فيها [(I + 0 ، V + 0 )، (I 0 ، V 0)] “أشباه جيبيه” أحادية التردد، كما وتحولت إلى المجال الزمني وتمثل التعبيرات في المعادلات السابقة موجات جيبيه تنتشر على طول خط النقل في (+).
تحديد (TW) لموقع الخطأ
تلعب مخططات الحماية السريعة المفعول دوراً مهماً في تعزيز مرونة واستقرار شبكات الطاقة الحديثة، بحيث يمكن أن تكون هذه المخططات فعالة للغاية في بعض الحوادث الخطيرة التي يمكن أن يكون لها آثار ضارة على المجتمع، على سبيل المثال حرائق الغابات التي تسببها خطوط الكهرباء المكسورة. ولهذه الغاية اكتسبت (FTPS) القائمة على (TW) اهتماماً كبيراً.
كما تعتمد هذه المخططات في الغالب على تحديد المكونات عالية التردد لـ (TWs) في حالة حدوث خطأ، بحيث يستخدمون (TWs) المكتشفة لتصنيف وتحديد الأعطال على خطوط النقل والتوزيع، كما يمكن تصنيف مخططات الحماية القائمة على (TW) بناءً على عوامل مختلفة من حيث التقنيات والبنية التحتية المطلوبة لتنفيذها.
ومن وجهة نظر متطلبات البنية التحتية للاتصالات؛ فإنه يتم تقسيم مخططات الحماية القائمة على (TW) إلى مخططات أحادية النهاية ومزدوجة النهايات، بحيث تتم مراجعة مخططات الحماية أحادية النهاية مقابل أنظمة الحماية القائمة على (TW)، كما تعتمد المخططات ذات النهايات المزدوجة على ارتباط اتصال من الطرف البعيد للخط لإرسال وقت وصول حادث (TW) عند المحطة البعيدة.
أيضاً يتم استخدام وقت وصول (TWs) الحادث في المحطات المحلية والبعيدة لتحديد موقع الخطأ، حيث أن مطلب ارتباط الاتصال في هذه المخططات هو المتطلب الرئيسي للوصول الى الموثوقية، وذلك لأنه عندما يتم اختراق ارتباط الاتصال، يفشل نظام الحماية المستند إلى (TW) في تحديد موقع الأخطاء بشكل صحيح.
ومن ناحية أخرى؛ فإن المخططات أحادية النهاية تلغي متطلبات البنية التحتية للاتصالات، بحيث يعتمدون عادةً على وقت وصول حادث (TW) وعكس (TW) أولاً من موقع الخطأ، كذلك لقد تم توسيع فكرة استخدام الاتصالات لتحليل (TW) إلى ما هو أبعد من المخططات ذات النهايتين، وهناك بعض الأبحاث التي تُظهر أن وجود معلومات عن أجهزة استشعار متعددة في الشبكة مفيد في تحديد موقع الخطأ المستند إلى (TW).
وأخيراً يمكن تقسيم مخططات الحماية القائمة على (TW) إلى مخططات سلبية ونشطة، بحيث تستخدم المخططات السلبية فقط (TWs) التي تم إنشاؤها بواسطة الأعطال في أي من طرفي الخط لاكتشاف الخطأ وتحديد موقعه، ومن ناحية أخرى تقوم المخططات النشطة بحقن إشارة عالية التردد في خط النقل المعيب وتحسب فرق الوقت بين الإشارة المحقونة وانعكاسها للعثور على موقع الخطأ.
