وقاية خطوط النقل الكهربي

تم التعريف سابقا بأنواع الأخطاء التي يمكن ظهورها علي خطوط النقل الكهربي وكيفية تأثر الجهد و التيار الكهربي بهذه الأخطاء. و في المحاضرتين 17 و 18 سيتم عرض بعض الطرق المستخدمة في وقاية الخطوط الكهربية و كذلك دراسة لمكونات أجهزة الوقاية و الطرق الحسابية المستخدمة لضبط قيم و ثوابت هذه الأجهزة.

وقاية خطوط النقل بنظام زيادة التيار Overcurrent Protection
لقد تطورت نظم الوقاية الأولية على أساس قيم التيارات الزائدة والتى تنتج من حدوث أعطال وهذا الأساس في نظم الوقاية باستخدام زيادة التيار . وعند وقاية خطوط النقل في نظم القوي المتشبعة فيلزم ضمان القدرة الانتقائية بمعني أن يعمل المرحل محدثًا أقل قطع في الخدمة عند عزل العطل وهو ما يطلق عليه تنسيق المرحلات وهناك عدد من الطرق المختلفة والمكنة لتحقيق القدرة الانتقائية المطلوبة وتظهر طرق التدرج والتنسيق (الزمن – التيار ) في ثلاث طرق أساسية والتى سيتم مناقشتها الدوائر الإشعاعية والحلقية والتى ظهر فيها خطوط ذات مقاطع متعددة على التوالي .

ثلاث طرق لتنسيق المرحلات :

أ) التنسيق بالزمن   Time grading :
في هذه الطريقة تستغل حقيقة أن تيارات الأعطال تكون أعلي كلما قرب العطل من المصدر ولذا تضبط المرحلات حتى تعمل عند تيارات متدرجة مناسبة والتى تقل كلما زادت المسافة من المصدر . ويوضح شكل (1) مثالا لطريقة التنسيق بالتيار مطبقة على نظام خط كهرباء قوي إشعاعي. في كل من النقاط 2-3-4-5 توجد وحدة وقاية مزودة بمرحل زيادة تيار و زمن تأخير محدد definite time-delay overcurrent relay . و يساهم التأخير الزمني في عملية الأنتقاء selectivity . و يتم ضبط المرحل عند القاطع رقم 2 علي أقل تأخير زمني ( 0،25 ثانية) . و يلي ذلك المرحل عند القاطع 3 علي تأخير زمني 0،5 ثانية و المرحل عند القاطع 4 علي ثانية واحدة. و في حالة حدوث قصر كهربي عند النقطة F سيعمل المرحل عند القاطع 2 و يقوم بعزل مجال العطل و قبل أن تعمل المرحلات 3-4-5 . و عيب هذه الطريقة أن أطول فترة تأخير زمني تكون بجانب المصدر حيث يكون يتار القصر أعلي قيمة.

ب) التنسيق بالتيار Current grading :
في هذه الطريقة يتم الاستفادة من حقيقة أن تيار القصر يكون أكبر ما يمكن بجوار المصدر وبالتالي يتم ضبط المرحلات علي قيم للتيار تتناقص كلما بعدت المسافة عن المصدر. و يوضح الشكل (2) مثالا لتنسيق قيم التيار علي طول خط كهربي. و سيتم عرض عيوب ومميزات التنسيق بالتيار عن طريقة الأمثلة القادمة .

مثال (1) : باعتبار النظام الإشعاعي الموضح في شكل (3) ، احسب تيارات العطل للأعطال F_E , F_D , F_C , F_D, F_A واقتراح ضبط للمرحلات على أساس طريقة التنسيق بالزمن بافتراض 30% مجال للخطأ.

الحــــــــل : جهد النظام هو 11 كيلو فولت ولهذا يحسب تيار العطل كالآتي :

I = V/X_F = 11000/ Ö3 / X_F

حيث X_F هي المفاعلة من المصدر إلى نقطة العطل. و في حالة العطل عند F_A تكون :

X_FA = 0.5 + 0.25   + 0.05 + 2.1 = 2.9 ohm

ومن ثم يكون تيار العطل هو :

I_FA = 11000/ (Ö3 x 2.91) = 2189.95 A

و العطل عند F_B تكون :

X_FB = 0.5 + 0.25   + 0.05 = 0.8 ohm

ومن ثم يكون تيار العطل :

I_FB = 11000/ (Ö3 x 0.8) = 7938.57 A

والعطل عند C تكون :

X_FC = 0.5 + 0.25   = 0.75 ohm

ومن ثم يكون تيار العطل :

I_FC = 11000/ (Ö3 x 0.75) = 8476.8 A

ولأن F_D قريبة جدًا من F_C نستنتج أن :

I_FD = I_FC = 8476.8 A

والعطل عند E يكون :

X_FE = 0.5 ohm

ولهذا :

I_FE = 11000/ (Ö3 x 0. 5) = 12701.71 A

و سيستجب المرحل رقم (1) للأعطال عند F_B و F_C ويتم ضبطه عند 130% من تيار العطل F_A ولهذا :

I_S1 = 1.3 I_FA = 2846.93 A

وسيستجيب المرحل رقم (2) للأعطال F_D , F_E وسيضبط عند :

I_S2 = 1.3 I_FC 11008.14 A

مع ملاحظة أن المرحل رقم (2) لن يستجيب للأعطال F_C, F_B, F_A

وعمليًا يكون هناك تغييرات في مستوي تيار العطل والذي يؤدي إلى تقليل قدرة المصدر الظاهرية X_S بــ 50% و يعتبر ذلك مصدر زيادة في معاوقة المصدر (مضاعفة X_S) وكنتيجة لذلك تقل قيم تيارات العطل ونتائج ذلك موضحة في المثال القادم .

مثال (2) : بافتراض نفس نظام القوي الموجود في المثال السابق مع تغيير مستوي المصدر يؤدي إلى تغيير X_S من 5, 0 أوم إلي واحد أوم ، أوجد تيارات العطل وأدرس تأثيرها على عمل المرحلات .

الحــــــــــــل : التيارات القادمة هي قيم التيارات المعدلة :

I_FA = 11000/ (Ö3 x 2.95) = 2152.83 A

I_FB = 11000/ (Ö3 x1.3)   = 4885.27 A

I_FC = 11000/ (Ö3 x1.25) = 5080.68 A

I_FE = 11000/ (Ö3 x1.0)   = 6350.85 A

ومازال المرحل رقم (1) يستجيب للأعطال F_C,F_B                والمرحل رقم (2) لن يستجيب لأي عطل بما فيهم F_E مع ملاحظة أن وجود المحول ذو المفاعلة (X=2.1) هو السبب الأساسي لعدم عمل المرحل (1) بطريقة سليمة ولهذا فاستخدام طريقة التنسيق بالتيار ليس عمليًا لحماية الدائرة بين القواطع 1،2 ومع ذلك إذا كانت هناك معاوقة لها قيمة معقولة بين القواطع ستجعل هذه الطريقة عملية .