4. الأعطال في نظم القوي الكهربية وانواعها وخصائصها Faults in electrical power systems

1- الاعطال في  نظم القوى الكهربية :

تبنى نظم القوى الحديثة على مستوى عالى من العول يمتاز بمرونة كافية لخروج واحدة او أكثر من العناصر خارج الخدمة محدثا اقل خلل فى النظام.  بالإضافة الي أن  انهيار العزل الكهربي يحدث الاعطال و يمكن ان يكون العطل  نتيجة انهيار كهربائي او ميكانيكي او حرارى او اى مجموعة من بين هذه الانواع . و الجدول (1) يلخص الأنواع والأسباب الرئيسية  للانهيارات في النظم الكهربية.


جدول (1) :  الأنواع والأسباب العامة للانهيار

النوع

السبب
العزل

عيوب التصميم - اخطاء التصنيع -  أخطاء عند التركيب - تقادم العزل – التلوث

كهربى

الصواعق – الموجات العابرة  لعمليات الفتح و الغلق للدوائر   - ارتفاع الجهد المفاجئ

حرارى

انهيار وسط التبريد –زيادة التيار – زيادة الجهد - درجة حرارة الوسط المحيط

ميكانيكى

قوى التيارات العالية-  الزلازل- تصادم مع اجسام غريبة - جليد او ثلج


ونتائج حدوث الأعطال تختلف وتتشعب وتشمل :

  1. حدوث تيارات كبيرة وغير طبيعية وسريانها فى أجزاء نظام القوي وارتباط هذه التيارات بالتسخين العالي لأجزاء النظام .
  2. جهود النظام تختلف عن مستويات الجهد الطبيعية والمقبولة مما يؤدي لاحتمالية حدوث تلف بالمعدات .
  3. بعض أجزاء النظام تتصرف كما لو كانت نظم ثلاثية الأطوار غير متزنة وهذا يعني تشغيل المعدات بطريقة غير سليمة .

2-   انواع الاعطال 

تقسم الأعطال الي نوعين أساسيين :

  1. أعطال نتيجة فتح أحد الخطوط أو أكثر Open faults
  2. اعطال نتيجة قصر  كهربي يحدث بين وجه أو أكثر بالأرض أو بين وجهين أو أكثر بدون الأرض Short circuit 


و الأعطال من النوع الأول لا تسبب تيارات عالية القيمة تمر في الدائرة لذلك يمكن لبعض الأحمال،  علي سبيل المثال الأحمال أحادية الوجه، أن تستمر ولكن الأحمال الثلاثية تقطع عنها التغذية لذلك لابد للمرحلات أن تشعر بوجود العطل.


أما الأعطال من النوع الثاني فينتج عنها في الغا لب تيارات عالية القيمة ويكون لها التأثير   الحراري و الميكانيكي علي مكونات الشبكة. كذلك قد ينتج عن تيارات القصر  تداخل مع شبكات الاتصالات و التحكم. و لضمان قدر من الحماية الكافية لابد من تفهم ظروف النظام خلال الاعطال وتفهم  الظروف الغير طبيعية التى تحدث. 


و يمكن تلخيص الأنواع العديدة من الاعطال في الآتي:

  • قصر ثلاثى ، و   قصر ثلاثى مع الارض 
  • قصر وجه بوجه 
  • قصر وجهين  بالارض 
  • قصر وجه  بالارض 


والاعطال المتزامنة فى جزئين من أجزاء النظام الكهربى غالبا ما يكون اكتشافها بدقة صعب. ولحسن الحظ فإن الاعطال المتزامنة لاتظهر كثيرا و لاتعتبر سبب هام لتشغيل غير سليم. 

3- خصائص الاعطال Characteristics of faults


3-1 زوايا العطل

معامل القدرة أو زاوية تيار العطل يتم تحديدها من خلال معرفة طبيعة  المصدر الكهربى والدوائر المتصلة به حتى مكان العطل. اما الاعطال الارضية  فيتم تحديد معامل القدرة  بمعرفة طريقة تأريض النظام الكهربى .  وبصورة عامة يكون التيار متأخر بـزاوية 80 5 الى 85 5 لأعطال الأوجه عند أو بالقرب من المولدات  الكهربية وستكون الزاوية أقل فى الانظمة التى تتضمن خطوط النقل  وتكون هي السائدة كما يلي :

7.2 23 كيلو فولت : الزاوية من 520 الى 545  متأخر

23 69 كيلو فولت : الزاوية من 545 الى 575  متأخر

69 230 كيلو فولت : الزاوية من 60 الى 580  متأخر

230 فيما فوق     : الزاوية من 75 الى 585  متأخر.

ولو كانت ممانعات المحول والمولدات هي  السائدة فستكون زوايا العطل اكبر من المعطي سابقا,  والانظمة التى تستخدم فيها الكابلات  تكون الزوايا أقل لو كانت ممانعة الكابل تمثل جزءا كبيرا من الممانعة الكلية للدائرة .


3-2 تأريض النظام الكهربي 

تأريض النظام الكهربى يؤثر  على كل من قيمة و زوايا الأعطال الارضية وهناك ثلاثة طرق للتأريض:

1- غير مؤرض (النقطة المتعادلة معزولة)

2- يتم التأريض خلال ممانعة (مقاومة او مفاعلة )

 3- نظام التأريض الفعال (النقطة المتعادلة توصل مباشرة بالارض)


والنظام غير المؤرض يمكن أن تعتبر نقطة التعادل مؤرضة من خلال المكثفات الأرضية المتساوية (شكل رقم 1) , وفى النظم الكهربية المتماثلة و التى تكون فيها الثلاثة مكثفات الى الارض متساوية (N-E) وعند حدوث  تأريض لوجه(A) سيظهر مثلث الازاحة كما فى شكل (1) . وبالتبعية Vbg و Vcg سيكون  تقربيا =  3 من القيمة الاصلية الطبيعية لهما .


مخطط الجهد لقصر وجه يالارض  فى نظام كهربى غير مؤرض


شكل (1) : مخطط الجهد لقصر وجه يالارض  فى نظام كهربى غير مؤرض


وعلى العكس فى حالة قصر أحد أوجه النظام الإشعاعى ذو تأريض مباشر سيؤدى ذلك الى تيار قصر كبير فى حالة الاعطال الارضية مع زيادة قليلة جدا فى جهد الاوجه الغير مصابة بالقصر  شكل (2).

متجه الجهد لقصر وجه a بالأرض


شكل(2) :  متجه الجهد لقصر وجه a بالأرض

3-3 مقاومة العطل Fault resistance  

القصر الكهربي غالبا يصاحبة قوس كهربى ومقاومة القوس تتغير بتغير طول القوس و لذلك تتغير قيمة تيار العطل وغالبا ما يمر القوس الكهربى فى الهواء- وهذا بالطبع لايحدث فى الاعطال المصمتة Solid short circuits.

ومقاومة القوس نادرا ما تمثل عاملا مهما فى قيمة تيارات القصر للأعطال بين الأ وجة فيما عدا نظم الجهد المنخفض. بالاضافة الي أن مقاومة القوس تكون على زوايا متعامدة للمفاعلة للنظام  ومن ثم لاتزيد كثيرا من الممانعة الكلية التى تحد تيار القصر.

و بالنسبة للاعطال الارضية تمثل مقاومة القوس عاملا مهما وذلك لانه غالبا تحدث اقواس طويلة وتدخل مقاومة البرج في حساب المقاومة الكلية للدائرة  وبذلك  تحد   من قيمة تيار القصر . 


3-4 تشوه جهود الأوجه خلال الأعطال :

الرسم الاتجاهى فى شكل (3) يوضح تأثير الاعطال على جهود وتيارات النظام. والرسم المبين لنظام مؤرض مباشرة باللأرض. وفى كل الحالات مثلث الجهد المنقط عند المصدر والمتصل  عند نقطة متوسطة بين المصدر و مكان القصر  , واكثر هبوط للجهد يحدث عند مكان القصر بينما الجهود تتغير بين هاتين القيمتين بناء على نقطة قياس الجهد.



three phase fault


خصائص الاعطال Characteristics of faults balanced condition


phase to fault to ground fault


phase to phase fault




At all faults assume:


Z1 = Z2 = Z0



شكل (3)


phase to groundfault