تحديد الأعطال الكهربائية الأرضية أحادية الطور والتأريض المرن

هناك بعض المشاكل الموجودة في وضع التأريض التقليدي لشبكة التوزيع، ولحلها تقترح هذه الدارسة طريقة تأريض مرنة للنقطة المحايدة، كما أنه تحلل مزايا وعيوب الأعطال الكهربائية الأرضية أحادية الطور، والتي تحدث في نقاط تأريض محايدة مختلفة وتلخص خصائص العديد من تقنيات إزالة قوس التأريض الكهربائي.

الهدف من تحديد الأعطال الكهربائية الأرضية أحادية الطور

تعتبر شبكة التوزيع الكهربائية بمثابة المحطة الطرفية لنظام الطاقة، والذي يحتوي على هيكل معقد وأخطاء تأريض متكررة ونطاق تباين واسع لمعلمات الأرض ومعطيات الأعطال، إلى جانب ذلك؛ فإنه من الصعب التنبؤ بحالة التشغيل وحالة الخطأ، وعلى مر السنين لا يوجد حتى الآن حل شامل للمعالجة السريعة والجهد الزائد في شبكة التوزيع، كما لا يوجد قمع فعال لخطأ التأريض.

وللتشغيل والعمل بشكل طبيعي ؛ فإنه من الضروري عادةً توصيل النقطة المحايدة لنظام الطاقة بالأرض، بحيث يظهر التحقيق أن حوالي (85٪) من الأعطال في شبكة التوزيع هي أعطال تأريض “أحادية الطور”، لذلك يتم تمييز وضع اتصال النقطة المحايدة في نظام الطاقة عموماً عن طريق الخطأ الحالي عندما يحدث خطأ ماس كهربائي أحادي الطور في النظام الكهربائي.

لذلك هناك نوعان من أوضاع التأريض، وهما نظام التأريض الحالي الكبير ونظام التأريض غير الفعال، وفي الوقت الحاضر وفي الصين على سبيل المثال، تحتوي شبكات التوزيع ذات مستويات الجهد الكهربائي أقل من (35) كيلو فولت أنظمة تأريض غير فعالة في الغالب.

نطاق التأريض الكهربائي الخاص بأنظمة التيار المنخفض

في البحث عن وضع التأريض المحايد في نظام التأريض ذو التيار المنخفض، يعتقد بعض العلماء أنه يمكن تبني وضع التأريض المحايد، كما أن هذا الوضع الذي يسهل تشغيله له جهد إزاحة صغير للنقطة المحايدة، ومع ذلك عند حدوث خطأ تأريض أحادي الطور؛ فإنه لا يمكنه إطفاء القوس الكهربائي بنفسه، مما سيؤدي إلى حوادث أكثر خطورة ولا يمكن أن يضمن موثوقية وسلامة مصدر الطاقة.

كما يعتقد بعض العلماء أيضاً أن التيار المتدفق عبر نقطة التأريض يزداد بشكل كبير عند حدوث خطأ تأريض أحادي الطور ناجم عن ارتفاع حساسية الكابلات في شبكة التوزيع الحضرية، أيضاً؛ فإن أعطال الكابلات هي في الغالب أعطال دائمة.

لذلك يُقترح استخدام أسلوب تأريض المقاومة الصغيرة في شبكة التوزيع، وعلى الرغم من أن هذه الطريقة لها تأثير تقييد جيد على الجهد الزائد لتأريض القوس مع دقة محسنة لاختيار خط الصدع؛ فإن موثوقية نظام إمداد الطاقة تقل بشكل كبير بسبب طريقة إزالة خط الصدع والتيار العالي عند قد تؤدي نقطة الخطأ أيضاً إلى توسيع نطاق الحادث وتسبب مشاكل أمان جديدة.

نموذج التأريض المرن في شبكة التوزيع الكهربائية

تعتمد تقنية التأريض المرنة للنقطة المحايدة على وضع التأريض التقليدي، ومع الأخذ في الاعتبار أن بعض المقاومة متصلة في سلسلة أو بالتوازي على ملف قمع القوس، كما وسيتم تشغيلها بعد تأخير معين في حالة حدوث عطل، وفي الوقت نفسه يتم الحصول على مزايا تأريض ملف إطفاء القوس وتأريض المقاومة، كما ويتم تعويض العيوب ببعضها البعض.

وبالمقارنة مع الوضع التقليدي للتأريض عن طريق المقاومة الكهربائية المتوازية لملف قمع القوس عند نقطة محايدة؛ فإن المعدات المطلوبة لتكلفة هذا الوضع أعلى وتحتاج إلى استراتيجية تحكم معينة، ومع ذلك؛ فإن استجابتها الجيدة للأخطاء تجعلها مناسبة لشبكة التوزيع المهمة ذات الموثوقية العالية ومتطلبات السلامة العامة، كما ويرد التخطيط الهيكلي لها في الشكل التالي (1).

وفقاً للمخطط التخطيطي، (k0 ~ k3) هو مفتاح التحكم الإلكتروني في الطاقة، كما ويتم التحكم في الوضع الأرضي المحايد عن طريق اكتشاف خطأ النظام ومعطيات النظام الكهربائي، (R1) هي مقاومة كهربائية صغيرة من (0 – 20)، مما يثبط الجهد الزائد العابر وتجنب تيار نقطة الخطأ كبير جدا، كذلك (R0) هي مقاومة كبيرة تبلغ (1500)، والتي يمكن أن تمنع الأرض الافتراضية لجهد النقطة المحايدة (R2) هي مقاومة اختيار قابلة للتعديل (5∼500).

في التشغيل العادي، يتم إغلاق (k0 ، k1 ، k2) ويتم فصل (k3 ، k4)، كما ويكون النظام في حالة تأريض مقاومة متوائم يمكن التحكم فيه، وعند حدوث خطأ تأريض أحادي الطور، يتأخر فصل (k2) ويتم إغلاق (k4) في الوقت المناسب وبعدها يتم تشغيل “ملف قمع القوس”، كما يجب تحويل النظام إلى مقاومة كبيرة واتصال متوازي لملف قمع القوس للتعامل مع حالة العمل.

لذلك عندما يتم تحديد خطأ أرضي دائم؛ فإنه يتم فصل (k1) لفترة معينة ويتم توصيل المقاوم للحد من الجهد الزائد العابر عند نقطة الخطأ، وبعد فترة من الوقت يتم إغلاق المفتاح (k3) وتشغيل مقاومة الخط المحددة (R2) عند الضرورة، كذلك فصل (k0) لإدخال النقطة المحايدة في حالة غير مؤرضة وتنفيذ إجراءات حماية الترحيل أو استكشاف الأخطاء وإصلاحه.

وعندما يحدث تأريض القوس المتقطع؛ فإنه يتم قطع (k1) وبعدها وضع (k2) و (k3) في الوقت المناسب، ويتم إغلاق المفتاح (k4) لتحديد خطوط الأعطال، بحيث تظهر الدائرة المكافئة في الشكل التالي (2).

أما عندما يعمل النظام بشكل طبيعي، يكون جهد إزاحة النقطة المحايدة:

حيث أن:

(d): هو معدل التخميد للنظام الكهربائي.

(v): هو لفائف قمع القوس.

(U00): هو نتيجة لجهد غير متوازن من الطور إلى الأرض.

أما في نظام التأريض الكهربائي المقترح:

حيث أن:

(d0): هي نسبة التخميد الأساسية.

(dR = 1 / $ omega CR_0 $): هو التردد الدوراني.

(R0): هي المقاومة بالتوازي مع ملف قمع القوس.

(dL): هو عامل التخميد للملف،

أثناء التشغيل العادي وعندما تكون المقاومة بالتوازي مع ملف قمع القوس (20) درجة؛ فإن كيفية ضبط مقاومة (R1) تعتمد على ظروف النظام، وهذا يمكن أن يجعل النظام لديه معدل تخميد أعلى وتجنب التأريض الخفي، وعندما يحدث خطأ أرضي أحادي الطور؛ فإنه يتم تأريض النقطة المحايدة بواسطة ملف صغير للحد من المقاومة بالتوازي مع ملف قمع القوس، والذي يمكنه إطلاق الطاقة بالكامل في وقت التأريض وتقليل الجهد الزائد العابر.

وبعد أن يؤخر النظام الوصول إلى المقاومات الكبيرة (R0 = R1 + R2 = 1520Ω)، مما يجعل (d) أصغر، أما السرعة الأولية لاستعادة الجهد الكهربائي للخطأ هي:

حيث أن: 

(Upmh): هي سعة جهد الطور الكهربائي.

(τ): تعني وقت استعادة جهد استرداد طور الخطأ، كما ويتم حسابه من خلال:

كما يمكن أن يقلل معدل التخميد الأصغر من السرعة الأولية لاستعادة جهد طور الخطأ وإطالة وقت استرداد الجهد، وبالتالي؛ فإن تقليل احتمالية حدوث تأريض متقطع للقوس والتعديل المعقول لنسبة التخميد لن يؤدي إلى محايدة عالية جداً نقطة الإزاحة الجهد.

استناداً إلى تحليل مزايا وعيوب وضع التأريض الكهربائي التقليدي لخطأ الأرض أحادي الطور، وهو مزيج من ملف قمع القوس والمقاومة الصغيرة لوضع التأريض المرن الذي تم بناؤه بواسطة محاكاة (ATP-EMTP) الناعمة في نموذج خطأ القوس نظرية التحكم في طول القوس.