18. وقاية خطوط النقل الكهربي Transmission Line Protection ( نظام الوقاية المسافية Distance protection - وقاية المغذيات بالأسلاك الدليلية Pilot-wire feeder protection)

1- وقاية المغذيات بالأسلاك الدليليةPilot-wire feeder protection :

إن تطبيق نظام الوقاية باستخدام التدرج في مرحلات زيادة التيار لوقاية المغذيات له عيبان :  الأول أن استخدام التدرج في ضبط المرحلات ربما يؤدي إلى زيادة كبيرة في زمن تشغيل المرحلات مما يزيد من إمكانية حدوث تدمير للنظام وقطع للخدمة , و الثاني هو أن الحصول على نظام تدرج مرضي في الشبكات المعقدة يعتبر هدفا صعب تحقيقه مما يؤدي إلى ظهور مبدأ " حماية الوحدة " والذي يتضمن قياس تيارات العطل عند كل نهاية منطقة محددة في فرع المغذي نفسه ثم  يتم نقل وتبادل هذه القياسات والمعلومات بين المعدة عند حدود المنطقة المطلوب حمايتها , والمبدأ المستخدم هنا هو مبدأ الحماية التفاضلية. وبالنسبة للمغذيات القصيرة يتم استخدام نظم الأسلاك الدليلية لنقل المعلومات ويتم تصنيف نظم الوقاية التفاضلية باستخدام الأسلاك الدليلية لحماية المغذيات إلى ثلاث أنواع :

  1. نظم استخدام التياري الساري Circulating current system
  2. نظم الجهد المتزن Balanced voltage system
  3. نظم مقارنة الطور (Carson -  Last) 

وكل هذه الأنواع تعتمد على حقيقة إهمال التيار السعوي وعلى قياس القيمة اللحظية للتيار الذي يدخل أو يخرج من الموصل عند النهاية الأخرى . ولذلك تكون القيمة اللحظية الكلية للتيار الذي يدخل أو يخرج الموصل مساوية للصفر , وذلك ما إذا كان الموصل سليم . وعلى الناحية الأخرى إذا كان الموصل متصل بقصر إلى الأرض  أ و  إلي  أي موصل آخر عند أي نقطة سيكون التيار الكلي الذي يدخل أو يخرج من الموصل مساوي للقيمة اللحظية للتيار الذي يدخل أو يخرج من الموصل عند نقطة العطل .




2-1  نظم استخدام التيار الساري :

يظهر المبدأ الأساسي لعمل نظم استخدام التيار الساري في شكل (1) والذي يوضح تطبيقه على مغذي ذو طور واحد , و يستخدم في هذا النظام اثنين من محولات التيار لهما نفس نسبة التحويل ، محول تيار عند كل نهاية من الدائرة المطلوب حمايتها وتوصل الملفات الثانوية للمحولين على التوالي مما يجعل الجهود الثانوية المتولدة في حالة الحمل أو في حالة الأعطال الخارجية في نفس الإتجاه مما يتسبب في جمعها محدثة تيار يسري في دائرة الأسلاك الدليلية.


ويحمل المرحل الموضح فى الشكل الرمز (R) والذي يتم توصيله عند نقطة منتصف دائرة الأسلاك الدليلية والتى يمر بها الفرق بين التيارات الثانوية لمحولي التيار ويكون تيار الفرق مساويا للصفر إذا ما كان التياران الثانويان لمحولي التيار متساويان. وتحت ظروف أعطال التماس الداخلية لا يتحقق التساوي في التيارات الثانوية ومن ثم يسري التيار المحصل في المرحل للعمل على عزل المغذي المصاب بالعطل من نظام القوي. ولكن النظام البسيط الموضح ليس عمليًا وذلك لأن إشارة عزل الجزء المصاب من الدائرة تصدر من المرحل الموضوع عند النقطة المتوسطة من الدائرة المحمية .


نظم التيار السارى

شكل  (1):   نظم التيار السارى


ولتحقيق أخذ إشارة عزل الجزء المصاب من الدائرة من المرحلات الموجودة عند الأطراف فقد تم تطوير نظام الحماية باستخدام الأسلاك الدليلية عن طريق نظام التيار الساري بإضافة جزء للتعديل الذاتي . وفى هذا النظام يتم توصيل المرحلان (مرحل عند كل نهاية من المنطقة المطلوب حمايتها ) على التوالي من خلال السلك الدليلي الثالث كما هو موضح في شكل (2) حيث يحمل السلك الدليلي والمرحلان تيار الفرق بين الناتج من كل محول جمع ويتم استخدام مجزءات التيار (r) في دائرة التحكم وفى محولات تعويض الجهد مع الاحتفاظ بالسلك الدليلي الثالث عند نقطة الجهد المتوسط للسلكين الدليلين الأخريان تحت كل ظروف التيار الممكنة ويتم حفظ تيارات الأسلاك الدليلية السعوية عند قيم ذات حدود تفاوت مسموح بها .


تعديل النظام الموجود في شكل (1) باستخدام التعويض الذاتي

شكل (2) : تعديل النظام الموجود في شكل (1) باستخدام التعويض الذاتي


2-2 نظم الجهد المتزن : 

يتم توضيح مبدأ عمل نظم حماية المغذيات التفاضلية باستخدام الجهد المتزن على دائرة أحادية الطور في شكل (3) وفى هذا النظام يتم توصيل الملفات الثانوية لمحولي التيار الموجودين عند  نهاية الدائرة المطلوب حمايتها على التوالي بطريقة معكوسة حول حلقة الأسلاك الدليلية ولهذا لا يمر تيار خلال المرحل المتصل على التوالي مع الأسلاك الدليلية تحت ظروف الحمل أو ظروف الأعطال الخارجية. وتحت ظروف الأعطال الداخلية لا تتساوى الجهود الثانوية لمحولات التيار وفى نفس الوقت لا تزال معكوسة مما يؤدي إلى ظهور جهد محصلة للجهدين محدثًا تيار يسري في الأسلاك الدليلية وفى المرحل . ومن ثم فتشغيل المرحل يعزل جزء الدائرة المصاب بالعطل من النظام. 

مبدأ عمل نظام الجهد المتزن

شكل (3) : مبدأ عمل نظام الجهد المتزن 


2- نظام الوقاية المسافية Distance protection

إن وقاية وحماية الخطوط والمغذيات والتى تعتمد أساسا على مقارنات قيم التيار عند كل من نهاية الحظ تعتبر طريقة غير اقتصادية لضرورة مد أسلاك على طول الخط مما قد يعرضها للعطل. أما نظم الوقاية باستخدام مبدأ المقارنة والذي يحدد أساسًا مكان العطل وقياس الممانعة يتم باستخدام مرحلات مقارنة. والمرحل البسيط من النوع الذي يستخدم الممانعة موضح  بالشكل رقم (4) والذي يغذي فيه ملف بالتيار المتناسب مع تيار العطل والملف الآخر سيتم تغذيته بتيار متناسب مع الجهد الحلقي للعطل. وتحت ظروف التشغيل الطبيعية يتعدي عزم الشد (الجذب ) المتولد بملف مغناطيس الجهد القيمة المتولدة بملف مغناطيس التيار مما يعمل على فتح الأقطاب . أما في حالة أعطال التماس التى تقع داخل نطاق عمل المرحل فيزداد التيار الذي يسري خلال ملف التيار بينما يقل التيار الذي يسري خلال ملف الجهد ومن ثم يعمل المرحل على تشغيل قاطع الدائرة .


مرحل الرافعة المتزنة

شكل (4) : مرحل الرافعة المتزنة


والمرحل السابق وصفه هو مرحل المعاوقة العادي والذي تظهر خصائصه في شكل (5) والذي يستجيب للأعطال التى تحدث بعده ( الربع الثالث ) على الرسم (X-R)  بالإضافة إلى الأعطال التى تحدث قبل. ولمنع ذلك يتم إضافة مرحل اتجاهي منفصل يعمل على منع التشغيل للأعطال التى تحدث خلف المنطقة المطلوب حمايتها ومرحلات المفاعلة ومرحل Mho بخصائصها الموضحة في شكل (6) تربط قدرة المرحل على قياس المعاوقة مع قدرته الاتجاهية أيضًا و تشغيل مرحل Mho يعطي للمرحل عندما يمر محيط الدائرة خلال نقطة الأصل وينبع هذا التشغيل من الحقيقة التى تجعل خاصية مرحل Mho خط مستقيم في مستوي السماحية (admittance ).

شكل (5) : خصائص مرحل الممانعة

شكل (5) : خصائص مرحل الممانعة

شكل (6) : خصائص مرحل التوصيلية

شكل (6) : خصائص مرحل التوصيلية


والتطبيقات الأولية للوقاية باستخدام المعاوقة تجعل أزمنة تشغيل المرحل دالة في المعاوقة إلى نقطة العطل بمعني أنه كلما قرب العطل يقل زمن التشغيل وهذا ما يتم توضيحه في شكل (7).


ولهذا النظام نفس عيوب نظام الوقاية بزيادة التيار المذكور سابقًا ومن الناحية العملية يتم ضبط المرحل حتى يعمل لحظيًا للأعطال التى تحدث خلال 80% من طول المغذي ( وهو ما يعرف بالمنطقة الأولي ) أما الأعطال التى تحدث خلف هذه النقطة والتى تمتد إلى نقطة منتصف المغذي التالي يتم اكتشافها بمد المنطقة التى يضبط عندها المرحل من المنطقة الأولي إلى ضبطه إلى المنطقة الثانية بعد تأخر زمني يساوى تقريبًا من 0,5 إلى 1 ثانية ) . والمنطقة الثانية للمرحل الأول لن تكون أقل من 20 % من طول المغذي الأول والامتداد في الضبط يحدث بزيادة المعاوقة الموجودة على التوالي مع تيار ملف الجهد للمرحل. ويتم الحصول على المنطقة الثانية ( باستخدام مرحل مبدئي ) والتى تمتد من نقطة منتصف المغذي الثاني إلى المغذي الثالث بنسبة 25% من طوله مع تأخر آخر من (1إلى 2 ثانية ) مما يحقق أيضًا فكرة الحماية الإضافية. و الشكل (8) يوضح منحنيات المسافة مع الزمن للنظام ذو الثلاث مغذيات.

  time

مبادئ نظم الحماية : مسافة - الزمن

شكل (7) : مبادئ نظم الحماية : مسافة - الزمن 

منحني الزمني مع المسافة لنظام الوقاية باستخدام المعاوقة


شكل (8) : منحني الزمني مع المسافة لنظام الوقاية باستخدام المعاوقة 


نظم الوقاية باستخدام مرحلات المعاوقة تستخدم وحدات متعددة من المرحلات يتم تنظيمها حتى تعطي الخواص المطلوبة مثل الموضحة في شكل (9) ويشتمل النظام التقليدي على :

  1. اثنان من وحدات Mho المعدلة ( لكل منهما ثلاث عناصر ) تعمل الوحدة الأولي لبدء الأعطال الأرضية ومرحل لقياس المنطقة الثالثة أما الوحدة الثانية فتعمل لبدء أعطال الطور وتعمل كمرحل لقياس المنطقة الثالثة .
  2. اثنان من وحدات Mho المستقطبة ( لكل منهما ثلاث عناصر ) وتعمل الوحدة الأولي كمرحل للأعطال الأرضية لقياس المنطقة الأولي والثانية أما الوحدة الثانية فتعمل كمرحل لأعطال الطور لقياس المنطقة الأولي والثانية .
  3. اثنان من مرحلات التأخر الزمني لقياس الزمني للمنطقتين الثانية والثالثة 

والفرق الأساسي يبين مرحلات الأعطال الأرضية وأعطال الطور هي توصيلات محولات الجهد (P.T) ومحولات التيار (C.T) والتى تصمم حتى تجعل المرحل يستجيب لنوع العطل المخصص له .

خصائص نظام الوقاية Mho المعدل ذو الثلاث مناطق

شكل (9) : خصائص نظام الوقاية Mho المعدل ذو الثلاث مناطق