نقل الشحنة الكهربائية للأرض في شبكات توزيع DC

معيار نقل الشحنة الكهربائية للأرض في شبكات توزيع التيار المستمر

توزيع التيار المستمر هو نوع جديد من تكنولوجيا توزيع القدرة الكهربائية يعتمد على نوع مصدر الجهد “المحول المعياري” متعدد المستويات (MMC)، وذلك بالمقارنة مع توزيع التيار المتردد، لذلك؛ فإن توزيع التيار المستمر له العديد من المزايا من حيث “قدرة إمداد الطاقة” والجودة والموثوقية، وحتى الآن أجرت العديد من الدول بما في ذلك الصين أشكالاً مختلفة من الأبحاث حول نظريات توزيع (DC) والمشاريع الإيضاحية ذات الصلة.

لذلك فقد أصبح نظام توزيع الطاقة بالتيار المستمر تدريجياً نقطة ساخنة في جميع أنحاء العالم في مجال البحث والبناء الذكي، بحيث يتراوح جهد شبكة توزيع التيار المستمر بشكل واسع من عدة كيلو فولت إلى عدة عشرات من الكيلو فولت ومعظمها في شكل أسلاك متناظرة أحادية القطب، وذلك لضمان موثوقية النظام، كما يتم اعتماد طريقة التأريض ذات التيار المنخفض عموماً عند النقطة المحايدة للنظام.

لكن عندما يحدث خطأ من القطب إلى الأرض  ويكون تيار العطل صغيراً؛ فإنه سوف ينخفض الجهد عند قطب الخطأ إلى ما يقرب من الصفر بينما سيزداد ذلك عند القطب غير المصاحب للخطأ إلى حوالي ضعف الجهد المقنن، كما أنه سيؤدي ارتفاع الجهد في القطب غير المصادق إلى حدوث جهد زائد كبير في النظام، مما يشكل تهديداً كبيراً للتشغيل الآمن للخطوط والآلات الكهربائية ذات الصلة.

لذلك، من الضروري لأجهزة حماية الخط لشبكة توزيع التيار المباشر تحديد الخطأ من القطب إلى الأرض وتحديد موقعه بدقة وعزل خط الصدع في الوقت المناسب لضمان السلامة التشغيلية للنظام، بحيث تم إجراء بعض الأبحاث التي تدور حول مبادئ الحماية وطرق الخطأ من القطب إلى الأرض في شبكة توزيع التيار المستمر وتم تحقيق النتائج الأولية.

وبالنظر إلى أن تيار العطل صغير جداً؛ فإنه تم اقتراح طريقة لتحديد خطأ القطب إلى الأرض عن طريق الكشف عن تيار التسرب في الحالة المستقرة، والذي لن يتأثر بالسعة إلى الأرض، ولكنه يتطلب دقة عالية لمعدات الكشف، لذلك هناك طريقة لاكتشاف وتحديد الخطأ من القطب إلى الأرض عن طريق حقن تيار متناوب في الخط عند حدوث عطل مقترح.

ومع ذلك؛ فإن هذه الطريقة تخضع لتداخل الضوضاء، كما وستكون هناك حاجة إلى معدات توليد وكشف إضافية، لذلك بعد اكتشاف العطل، سترسل الوحدات الفرعية للمحول نبضة موجة متنقلة إلى الخط، والتي وفقاً لمعدات حماية الخط يمكن بعد ذلك التعرف على الخطأ وتحديد موقعه، لكن هذه الطريقة تتطلب نبضاً إضافياً للوحدة الفرعية وحدة التحكم.

الهيكل النموذجي وخصائص كابلات شبكات توزيع التيار المستمر

الطوبولوجيا النموذجية لشبكات توزيع التيار المباشر

يمكن تقسيم شبكات التوزيع النموذجية للتيار المستمر إلى النوع الشعاعي والنوع الدائري والنوع ذي النهايتين، وذلك مع اعتبار شامل لموثوقية النظام وتعقيد التحكم في التشغيل وتكوين الحماية، بحيث يأخذ هذا الطرح شبكة توزيع (DC) ذات النهايتين كمثال للتحليل، كما ينقسم الخط الفاصل بين مصادر الطاقة في كلا الطرفين إلى ثلاثة أقسام.

لذلك يظهر هيكل النظام النموذجي في الشكل التالي (1) والبنية الأساسية لمحطة محول (MMC) مبينة في الشكل التالي (2)، كما تنطبق نتائج التحليل أيضاً على أنواع أخرى من شبكات توزيع التيار المباشر.

في الشكل السابق (1)، يتبنى نظام توزيع طاقة التيار المستمر الأسلاك المتماثلة أحادية القطب، كذلك المحول يعتمد طوبولوجيا (MMC) لوحدة فرعية نصف جسر، أيضاً تعتمد محطة المحول (MMC1) تحكماً نشطاً وثابتاً في الطاقة وتحكماً ثابتاً في الطاقة التفاعلية، بينما تتبنى محطة المحول (MMC2) تحكماً ثابتاً في جهد التيار المستمر وتحكم ثابت في الطاقة التفاعلية.

كذلك يعتبر مفاعل الحد الحالي بجوار مخرج ناقل التيار المستمر اختيارياً بناءً على الوضع الفعلي، وذلك مع الأخذ في الاعتبار شرط التشغيل ومتطلبات الموثوقية لشبكات توزيع التيار المستمر في المدن أو المجمعات الصناعية، كما أنه يتم استخدام كابلات التيار المستمر كخطوط نقل.

نقطة التأريض المحايدة ومعطيات الكابلات

في نظام توزيع الطاقة (DC) باستخدام محولات (MMC)، ومن أجل الحفاظ على تناظر الفولتية الموجبة والسالبة لحافلة التيار المستمر، تكون نقطة التأريض الكهربائي عموماً هي النقطة المرجعية للجهد الصفري في النظام، وفي الوقت الحاضر تشتمل طرق التأريض النموذجية المستخدمة في المشاريع الفعلية بشكل أساسي.

التأريض الجانبي (DC): يتم توصيل مقاومين متطابقين في سلسلة بين الحافلات الموجبة والسالبة، كما ويتم تأريض النظام من خلال نقطة اتصال اثنين من مقاومات التثبيت.

التأريض الجانبي (AC): الأرض من خلال مقاومة كبيرة عند النقطة المحايدة لملف المحول على شكل نجمة أو من خلال المقاومة عند التفاعل المتوازي على شكل نجمة على الجانب الثانوي من المحولات الكهربائية المتصلة.

كما تنتمي جميع طرق التأريض المذكورة أعلاه إلى التأريض الحالي المنخفض والتيار الخاطئ لخطأ القطب إلى الأرض صغير، وفي هذا الطرح يتم تحليل خصائص خطأ القطب إلى الأرض في ظل الحالة التي يتم فيها تأريض النقطة المحايدة من خلال مقاومة المحول، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1)، كما أن نتائج التحليل قابلة للتطبيق على طرق التأريض الأخرى.

كما تُعد سعة الكابل أكبر بكثير من سعة الخط العلوي، وذلك بناءً على المعلمات الهندسية والخصائص الفيزيائية للكابل والخط العلوي في المشاريع الفعلية، أيضاً تم بناء نموذج خاص بخط التيار المستمر في (PSCAD / EMTDC)، كذلك تم إجراء المحاكاة باستخدام النموذج المعتمد على التردد عند (0.001) هرتز، بحيث يتم حساب معلمات السعة لكابل التيار المستمر والخط العلوي، وذلك كما هو موضح في الجدول التالي.

وبمقارنة معطيات السعة لخط الكابل والخط العلوي؛ فإنه يمكن العثور على أن السعة إلى الأرض لكل وحدة طول للكابل أعلى بعشرات المرات من الخط العلوي، لذلك يجب أن تكون تيارات الشحن والتفريغ في خط الكابل في المرحلة العابرة بعد حدوث خطأ من القطب إلى الأرض أكبر بكثير من تلك الموجودة في الخط العلوي.

تحليل الخصائص الحالية للخطأ من القطب إلى الأرض

عندما يحدث خطأ من القطب الكهربائي إلى الأرض على الخط الناقل، يتم نقل النقطة المرجعية للاحتمال الصفري في شبكة توزيع التيار المباشر من النقطة المحايدة للمحولات إلى “نقطة تأريض الخطأ”، لذلك ينخفض جهد عمود الخطأ، كما ويزداد جهد القطب غير الخاطئ، بينما يبقى الجهد بين القطبين ثابتاً بشكل أساسي، ومع عدم وجود نقطة تأريض مباشرة في “نظام التيار المستمر”؛ فإنه لن يكون تيار العطل من القطب إلى الأرض كبيراً.

ومع ذلك؛ فإن التغيير في الفولتية للخطوط الموجبة والسالبة سيؤدي إلى شحن وتفريغ سعة الكابل الأرضي، بحيث يتم تحليل العملية العابرة لخطأ القطب إلى الأرض أدناه، كذلك يتم تحديد اتجاه تيار التدفق إلى العقدة أو العقدة المعممة على أنه الاتجاه الموجب، وهو كما موضح في الشكل الثالث (3)، كما يمكن اعتبار نقطة التفرع أو نقطة الخطأ بمثابة عقدة ويمكن اعتبار الخط بمثابة عقدة معممة.