17. وقاية خطوط النقل الكهربي Transmission Line Protection

1- مقدمة

في محاضرة رقم (4) تم التعريف 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.


2 - 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. 


مبدأ التنسيق بالزمن لخط اشعاعي

شكل (1) : مبدأ التنسيق بالزمن لخط اشعاعي


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 .


التنسيق بالتيار لنظام إشعاعي

شكل (2) : التنسيق بالتيار لنظام إشعاعي



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

النظام الإشعاعي للمثال (1)

شكل (3) : النظام الإشعاعي للمثال (1)


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

I = V/XF = 11000/ √3 / XF

حيث XF هي المفاعلة من المصدر إلى نقطة العطل. و في حالة العطل عند FA تكون :

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

ومن ثم يكون تيار العطل هو :

IFA = 11000/ (√3  x 2.91) = 2189.95 A

و العطل عند FB تكون :

XFB = 0.5 + 0.25   + 0.05 = 0.8 ohm

ومن ثم يكون تيار العطل :

IFB = 11000/ (√3  x 0.8) = 7938.57 A

والعطل عند C تكون :

XFC = 0.5 + 0.25   = 0.75 ohm

ومن ثم يكون تيار العطل :

IFC = 11000/ (√3  x 0.75) = 8476.8 A

ولأن FD قريبة  جدًا من FC نستنتج أن :

IFD = IFC = 8476.8 A

والعطل عند E يكون :

XFE = 0.5 ohm

ولهذا :

IFE = 11000/ (√3  x 0. 5) = 12701.71 A

و سيستجب المرحل رقم (1) للأعطال عند FB و FC ويتم ضبطه عند 130% من تيار العطل FA ولهذا : 

IS1 = 1.3 IFA = 2846.93 A

وسيستجيب المرحل رقم (2)  للأعطال FD , FE وسيضبط عند : 

IS2 = 1.3 IFC 11008.14 A

مع ملاحظة أن المرحل رقم (2) لن يستجيب للأعطال FC, FB, FA 

وعمليًا يكون هناك تغييرات في مستوي تيار العطل والذي يؤدي إلى تقليل قدرة المصدر الظاهرية  XS  بــ 50% و يعتبر ذلك مصدر زيادة في معاوقة المصدر (مضاعفة XS) 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 XS من  5, 0  أوم إلي واحد أوم ،  أوجد تيارات العطل وأدرس تأثيرها على عمل المرحلات .


الحــــــــــــل : التيارات القادمة هي قيم التيارات المعدلة :

IFA = 11000/ (√3  x 2.95) = 2152.83 A

IFB = 11000/ (√3  x1.3)    = 4885.27 A

IFC = 11000/ (√3  x1.25)  = 5080.68 A

IFE = 11000/ (√3  x1.0)    =  6350.85 A

ومازال المرحل رقم (1) يستجيب للأعطال FC,FB والمرحل رقم (2) لن يستجيب لأي عطل بما فيهم FE 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 .


3- الحماية بنظام زيادة التيار الزمني العكسيInverse-Time Overcurrent Relaying  :

كلتا  الطريقتان المستخدمتان للتنسيق سابقا لها عيوبهما ولذلك تم التطوير باستخدام طريقة المرحل الزمني العكسي لزيادة التيار للتغلب على القصور الحادث بسبب استخدام أيًا من التنسيق بالتيار أو الزمن وحدة وباستخدام هذه الطريقة الثالثة يتناسب زمن تشغيل المرحل عكسيًا مع مستوي تيار العطل , ويوضح   شكل رقم ( 4 ) هذه العلاقات . و الخواص للمرحل من نوع (CO -7) هى الأكثر شيوعًا في الاستخدام , ويوضح شكل (5)  نظام خط كهربي إشعاعي مع التنسيق بالوقت باستخدام مرحلات زمنية عكسية موجودة عند القواطع 2،1 ،3 .


و بالنسبة للأعطال القريبة من نقاط الوقاية فاستخدام طريقة زيادة التيار الزمني العكسي يحقق نقص واضح في الأزمنة المطلوبة للتخلص من العطل.

وبصفة عامة توجد طريقتان لضبط تشغيل مرحل التيار الزمني والذى يتناسب فيه زمن التشغيل مع قيمة التيار  وهما:

  1. يتم تحديد التيار الذي يعمل عنده المرحل (تيار اللقط   Pik up current ) بضبط    نقاط ملف التيار  (Tap ) أو استخدام وسيلة  ضبط التيار (C.T.S) مع تعريف تيار اللقط بأنه التيار الذي يتسبب في عمل المرحل وغلق أقطاب التلامس  لأجهزة القطع.
  2. آلية تعديل الزمن  الذى يعمل عنده المرحل و تشير إلى مكان الإعادة إلى الوضع الأصلي لقضيب التلامس المتحرك والذي يتغير مع زمن التشغيل عند أي وضع للضبط وأي قيمة للتيار. 

مقارنة لأشكال منحنيات المرحل  CO

شكل (4) : مقارنة لأشكال منحنيات المرحل  CO



تطبيق نظام وقاية زمني عكسي مع التنسيق بالزمن على نظام إشعاعي

شكل (5) : تطبيق نظام وقاية زمني عكسي مع التنسيق بالزمن على نظام إشعاعي


وترسم الخصائص الزمنية بدلالة  الزمن مقابل قيم متعددة من تيار التشغيل عند قيمة معينة للزمن (Time dial) وهناك خمسة أشكال مختلفة للمنحنيات :

عكس لاقصي درجة CO- 11 

عكس عال جدًا       CO - 9

عكس CO - 8

عكس معتدل CO - 7

عكس بقيمة محددة صغيرة CO - 6


وهذه الأشكال معطاة في شكل (4 ) وتوضح الأشكال (6 ,7 )   الخصائص والسمات التفصيلية لنوعين من المرحلات .


خواص مرحل زيادة التيار مع تأخر زمني من نوع CO-7

شكل (6) : خواص مرحل زيادة التيار مع تأخر زمني من نوع CO-7

منحنيات الزمن مع التيار للمرحل من نوع CO-8

شكل (7) : منحنيات الزمن مع التيار للمرحل من نوع CO-8

مثال (3) :  باعتبار النظام الإشعاعي (11 كيلو فولت ) الموضح في شكل (8) وبافتراض أن كل الأحمال لها نفس معامل القدرة  , حدد قيم ضبط المرحل اللازمة لوقاية النظام بافتراض استخدام مرحل من نوع CO-7 (خصائص هذا النوع موضحة في شكل   (6  ) ).

مثال لنظام اشعاعي

شكل (8) : مثال لنظام اشعاعي


الحـــــــــل :- تيارت الحمل تحسب كالآتي :-

I1 =   4    x 106  / (√3(11x103  ))    = 209.95  A

 I2 =  2.5     x 106  / (√3(11x103  ))    = 131.22  A

I3 =   6.75  x 106  / (√3(11x103  ))    = 354.28  A

وتحسب التيارات الطبيعية خلال المقاطع كالآتي :

    I21           =    I1   =  209.95

    I32           =    I21  +       I2       =   341.16   A

     Is           =    I32   +       I3       =  695.44    A

ومع نسب تحويل التيار المعطاة تكون تيارات المرحل كالآتي :

     i21             =    209.95   /   200/5    =   5.25  A

       i32             =    341.16    /    200/5   =  8.53  A                      

     i21             =     695.44   /  400/5    =  8.69  

ويمكننا الآن تحديد نقاط ضبط التيار (C.T.S) أو تيار التشغيل (pick up current ) بطريقة تجعل المرحل لا يعمل عند التيارات الطبيعية ولهذا النوع من المرحلات تكون نقاط ضبط التيار المتاحة هي 4-5-6-7-8-9-10-12 أمبير  وللوضع (1) تكون قيمة التيار الطبيعي في المرحل هي 5،25 أمبير (5.25 A) ولذلك تختار :

            (  C.T.S  )1   =   6   A

وللوضع (2) يكون قيمة التيار الطبيعي للمرحل هو 8.53 A ولذلك تختار :

            (  C.T.S  )2   =   10  A

وبالنسبة للوضع (3) 

            (  C.T.S  )3   =   10  A

مع ملاحظة أننا نختار اقرب قيمة للضبط أعلي من التيار الطبيعي، والخطوة التالية هى اختيار التأخر الزمني المتعمد  والذي يرمز له بآلة  ضبط الزمن (T.D.S) وفيها يتم استخدام قيم تيار القصر المحسوبة حتي يتم التنسيق بين المرحلات و  سيكون التيار في المرحل (1) لقصر عند النقطة  (1) هو:

isc1            =    2500  / ) 200/5(    =   62.5  A

وبالتعبير عنه بقيمة متعددة من تيار التشغيل أو قيمة (C.T.S) سنحصل على : 

isc1 /(C.T.S)1   =    62.5  / 6    =   10.42  

وسنختار أقل قيمة T.D.S للمرحل الأسرع في العمل ولهذا بالرجوع إلى خصائص المرحل سنحصل على زمن تشغيل المرحل (1) لعطل عند نقطة (1)  يساوي :

( T. D. S .) 1    =  1 / 2

وبالإ شارة الى خصائص المرحل , يكون وقت تشغيل المرحل 1 لقصر عند 1 هو 

T11      ≈   0.15  s

ولكى يعمل المرحل عند النقطة 2 لقصر عند النقطة 1 , وبسماح وقت قدره 1 , ثانية  لعمل جهاز القطع  وكذلك خطأ فى الوقت مقداره 3 ,   بالإضافة إلى الوقت   T11   و بالتالى يكون التيار الكلى يساوي:

T21      =  T11      +   0.1   +  0.3  = 0.55  s

ويكون  قيمة تيار القصر  كمضاعف من C.T.S.  عند نقطة 2 تساوى:

isc1   /   ( C.T. S.)2       =  62.5   / 10   =  6.25

ومن منحنيات المرحل  عند 55 , . ونسبة تضاعف 6,25 , نحصل علي :

( T. D. S .)2 ≈ 2.0        

والمرحلة الأخيرة للضبط عند المرحل 3 . و لقصر عند القضيب (2) قيمة تيار القصر  تبلغ 3000 أمبير و سوف يعمل مرحل 2 بعد وقت T22 

isc1 /(C.T.S)2            =    3000  /((200/5)x10 )   =   7.5  

T22 = 0.5 s

 و بفرض تساوي مرحل 3 لقصر عند الموضع 2 نحصل علي:

T32 = T22 + 0.1 + 0.3 = 0.9 s

 و يتم  التعبير عن التيار كمضاعفة من تيار التشغيل كالتالي :

isc2 /(C.T.S)3            =    3000  /((400/5)x10 )   =   3.75  

و في حالة T3 = 0.9 s و لنفس النسبة نحصل من علاقة المرحل علي :

( T. D. S .)3 ≈ 2.5