مستشعرات تحديد الخطأ في خطوط النقل الكهربائية

يعني الطلب المتزايد على سلامة نظام الطاقة المحسّن أن هناك اهتماماً متزايداً بتقنيات الكشف عن أعطال الكابلات وموقعها، كذلك هي طريقة تحديد موقع الخطأ المزدوج، والتي تستشعر خطأ التيار الكهربائي باستخدام محول التيار (CT) وهي الطريقة الأكثر فعالية والأكثر تطبيقاً في الممارسة الصناعية، ومع ذلك قد تعاني مستشعرات التصوير المقطعي المحوسب من التشبع المغناطيسي عند تعرضها لتيار عطل كبير.

أهمية مستشعرات تحديد الخطأ في خطوط النقل الكهربائية

أدى تطور الاقتصاد العالمي إلى زيادة استهلاك الكهرباء، مما أدى إلى تزايد الطلب على كابلات الطاقة الموثوقة للغاية، كذلك كابلات الطاقة المعيبة لها آثار سلبية عميقة على الأداء المجتمعي، وبالتالي يجب تقليل وقت انقطاع التيار الكهربائي، وفي السنوات الأخيرة عالج مسؤولو الطاقة الكهربائية في الصين هذه الحاجة من خلال اشتراط تثبيت الوحدات المساعدة لمراقبة الأعطال على كابلات الطاقة.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يجب تطوير طرق فعالة لاكتشاف أخطاء كابلات الطاقة وتحديد موقعها. عادةً ما يتم تصنيف هذه الأساليب على أنها طرق غير متصلة بالشبكة الكهربائية، وهي الطرق الشائعة غير المتصلة بالشبكة هي طرق التتبع وطرق مقياس انعكاس المجال الزمني وطريقة الجسر، وعلى الرغم من أن هذه الطرق دقيقة وموثوقة؛ إلا أنها تتطلب عمالة ووقتًا مكثفاً.

أيضاً يتم تصنيف الطرق عبر الشبكة على أنها طرق قائمة على الممانعة أو طرق موجة متنقلة، كما أنه من الثابت أن الطرق القائمة على المعاوقة فعالة، لكنها تتأثر بسهولة بالمصدر النهائي، بحيث تُصنف طرق السفر على أنها طرق أحادية أو مزدوجة لتحديد موقع الخطأ، كما وقد أدى تطوير اتصالات غير مكلفة وخدمات دقيقة للوقت عبر الأقمار الصناعية إلى أن تصبح طرق تحديد موقع الخطأ المزدوجة الطرفية شائعة.

أيضاً تُستخدم طرق التعلم الآلي، مثل الشبكات العصبية الالتفافية وفي تحديد موقع الخطأ، وهي فعالة بشكل كبير في بعض المواقف، ومع ذلك وعلى الرغم من البحث في نظرية العديد من طرق تحديد موقع الخطأ ، فقد تم اختبار القليل منها في الممارسة العملية.

كما أن طريقة المحطة المزدوجة هي وسيلة فعالة لاكتشاف أعطال الكابلات، وبالتالي فهي مستخدمة على نطاق واسع، وهو يقوم على مزامنة الوقت واكتساب الإشارات وتحديد وقت وصول موجة الخطأ، مما أدى تطوير نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظام الملاحة بيدو (BDS) إلى حل مشكلة تزامن الوقت إلى حد كبير، ولكن لا يزال اكتساب الإشارات وطرق تحديد وقت وصول موجة الأعطال من مجالات الدراسة المكثفة.

كذلك تلعب المستشعرات دوراً رئيسياً في اكتساب الإشارات، كما وتعد مستشعرات المحولات عالية التردد (HFCT) الأكثر استخداماً نظراً لقابليتها للعزل الكهربائي، ومع ذلك؛ فإن القيود الوظيفية للنوى والملفات المغناطيسية الحديدية تعني أن حساسية مجسات (HFCT) لا يمكن تعديلها، وأن النوى تصبح مشبعة بسهولة.

تصنيف طرق تحليل مستشعرات تحديد الخطأ في خطوط النقل الكهربائية

كما تُصنَّف طرق تحليل وقت الوصول على أنها طرائق المجال الزمني أو طرائق مجال التردد الكهربائي، بحيث تتضمن طرق النطاق الزمني تلك التي تستند إلى اكتشاف الذروة أو معيار الطاقة أو معيار معلومات (Akaike) أو النقطة الوسطى لإشارة (Gabor)، وهي بسيطة ولكنها عرضة للضوضاء وتأثيرات النبض، بحيث تتضمن طرق مجال التردد تلك القائمة على تحويل فورييه المنفصل المنزلق (SDFT) وتحويلات الموجة المنفصلة (DWTs) وتحلل الوضع التجريبي (EMD).

أيضاً لا تستطيع طرق (SDFT) اكتشاف وقت الوصول بدقة زمنية مناسبة، مما يؤدي إلى زيادة الأخطاء في موقع الخطأ، بحيث تستخدم طرق (DWT) موجات أم مختلفة للكشف عن وقت الوصول ولكنها تكون دقيقة فقط إذا كان شكل الموجة الأم المختارة مشابهاً لشكل موجة الصدع، وبالتالي تمت دراسة طرق أخرى لمجال التردد، مثل طرق (EMD)، ومع ذلك؛ فهذه تستند إلى تحويل هيلبرت، والذي ليس له دليل رياضي صارم.

طرق التصميم ومعايرة محطة التحكم بالشبكة الكهربائية

تتكون أنظمة مراقبة خطأ الكابلات المزدوجة الطرفية وتحديد موقعها من أجهزة استشعار ووحدات مزامنة الوقت ووحدات الحصول على البيانات ووحدات معالجة البيانات، ومع كون المستشعرات مكونات أساسية، ونظراً للعيوب المذكورة أعلاه لأجهزة استشعار (HFCT)، فقد تم تطوير (NCS) في هذه الدراسة، بحيث يتكون هذا (NCS) من قطب كهربائي ذو لوحة كروية ودائرة إشارة ومسامير توصيل وغطاء، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما إن (NCS) عبارة عن مكثف ذو لوحة كروية، وبالتالي فإن الجهد الكهربائي بين القطب الكروي وقطب اللوحة يختلف باختلاف المجال الكهربائي حول نهايات الكابل، لذلك يمكن الحصول على بيانات موجات السفر عن طريق قياس جهد محطة التحكم بالشبكة، وأثناء التشغيل؛ فإنه يتم تثبيت محطة التحكم بالشبكة حول نهايات الكابلات ولكنها غير متصلة بنهايات الكبل أو الأسلاك الأرضية للكابل.

أيضاً يوضح الشكل التالي (2) نظاماً مزدوجاً لاكتشاف الأعطال وتحديد الموقع يراقب خط كبل يحتوي على مجموعة مفاتيح معزولة بالغاز (GIS) وطرف خارجي.

كذلك يوضح الشكل التالي (3) مخططاً لنظام مكثف وظيفي يحتوي على (NCS)، حيث يتم تعريف معلمات هذا النظام على النحو التالي:

(C1g): السعة بين القطب الكروي والأرض.

(C2g): السعة بين قطب اللوحة والأرض.

(Ctg): السعة بين طرف الكابل والأرض.

(C12): سعة مكثف اللوح الكروي.

(Ct1): السعة بين القطب الكروي ونهاية الكابل.

(Ct2): السعة بين قطب اللوحة وطرف الكابل.

بسبب اقتران المكثف؛ فإنه يمكن اشتقاق جهد خرج (NCS V12) من جهد خطأ الكابل (Vt)، كما ويتم التعبير عن الصيغة على النحو التالي:

كما أن المكثفات المتبادلة المذكورة أعلاه هي نماذج هندسية غير منتظمة ومحدودة، وبالتالي لا يمكن استخدام الطرق التحليلية، مثل طرق المرآة وطرق المحور، ولحساب السعات المتبادلة بينهما، وبينما يمكن استخدام الطرق العددية، مثل طرق تحليل العناصر المحدودة، وبالتالي تم إنشاء نموذج يتكون من (NCS) ونهاية الكبل في برنامج (COMSOL) لحساب السعات المتبادلة، بحيث يتم سرد المواد والتصاريح النسبية الخاصة بهم في الجدول التالي.

كما يتم محاكاة وتحليل العلاقات بين (dsp ،rsp) والسعة المتبادلة، على سبيل المثال المسافة من محطة التحكم بالشبكة إلى طرف الكابل هي (1000) مم و (dsp) حوالي (10) مم و (rsp 35) مم والجهد الكهربائي لطرف الكابل (63.5) كيلو فولت، كما يوضح الشكل التالي (4) نماذج المحاكاة ونتائج محاكاة المجال الكهربائي.

أيضاً يمكن الحصول على السعات المتبادلة في الشكل السابق (3) عن طريق المحاكاة، وهي موضحة في الجدول التالي (2).

وفي نهاية هذه الدراسة، تم تطوير (NCS)، كما ويتم تحليل جهد الخرج لهذا المستشعر الجديد نظرياً، بحيث تم وصف منحنيات تعديل الحساسية لمحطة التحكم بالشبكة بواسطة الحسابات والمحاكاة النظرية، وبعد ذلك تم تطوير طريقة جديدة لتحديد وقت وصول موجة الخطأ، وهي طريقة (FVMD + WVM).

كما ويتم التحقق من فائدتها ودقتها عن طريق المحاكاة، وأخيراً يتم إجراء سلسلة من التجارب في الموقع، والتي تكشف أن (NCS) يكتشف بشكل فعال ودقيق أخطاء الكابلات وأن منحنيات تعديل الحساسية الخاصة به تسمح بتعديل حساسيته بشكل مناسب.