نظم الوقاية للشبكات الكهربية

نظم الوقاية للشبكات الكهربية

تعتبـــــر نظم الوقاية من المكونــــــات الأساسية لأي شبكة كهربية فهى المسئولة عن حماية عناصر الشبكة الكهربية عند حدوث أى قصر أو إخطار نتيجة لانهيار العزل بين الأوجــــــه أو بين أحد الأوجـــــــــه والأرضى مما يؤدى لحــــدوث دائرة قصر ( Short circut ) وينتج عن ذلك بعض الظواهر الآتية :-
أ- زيادة كبيرة فى قيمة التيار
ب- انخفاض أزيادة فى قيمة الجهد
ج- تغيير فى زواية الوجهه للتيار phase angle
د- حدوث إنخفاض فى تردد الشبكة
ونظام الوقاية هو الذى يقوم باكتشاف هذه الظواهر وبمساعدة عناصر أخرى يقوم بعزل منطقة الخلل عن باقى الشبكة الكهربية ويحافظ على المهمات الباقية فى عمل وتأدية وظائفها .
أولا :- الشبكات الكهربية ( Net works )
ويقصد بها العاصر الأساسية فى نظم القدرة الكهربية ( power systems) وهى الإنتاج والنقل والتوزيع للطاقة الكهربية .
1- إنتاج الطاقة الكهربية Generation
ويتم ذلك فى محطات توليد الطاقة بأنواعها المختلفة وهى :-
أ- المحطات البخارية ( الحرارية ) :-
وفيها يستخدم الطاقة الحرارية فى الوقود ( مازوت – غاز طبيعى – سولار – فحم ) لتسخين الماء وتحويله إلى بخار محمص فى درجة حرارة وضغط عاليين ويمر البخار المحمص على ريش التوربينة البخارية ليحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركة ( دوران ) لإدارة المولدات الكهربية .
والمحطات البخارية تحتاج الى كميات كبيرة من المياه ولذلك تبنى قريبة من مصادر المياة.
ب- المحطات الغازية :-
وهى التى يستخدم فيها الوقود ( غاز طبيعى – سولار مخصوص ) لتسخين الغازات التى يتم دفعها إلى ريش التوربينات الغازية لإدارتها والتى تقوم بدورها بإدارة المولدات الكهربية .
ونظرا لإنخفاض كفاءة التوربينات الغازية لإنها تهدر كمية كبيرة من الطاقة الحرارية مع غازات العادم فقد تم إستغلال هذه الطاقة فى إنتاج بخار محمص لتشغيل وحدات بخارية ملحقة بها لرفع الكفاءة الإجمالية ويسمى بنظام الدورة المركبة Combined cycle
درجة حرارة خروج الغازات عند الحمل الإقتصادى ( ( Base= 908 ف = 486.8 م
درجة حرارة خروج الغازات عند حمل الذروة ( ( Base= 958 ف = 514.4 م
تعريفات هامة فى محطات التوليد
1- الحمل المتوسط = الطاقة المولدة خلال شهر ك.ف.س

عدد ساعات الشهر
2- معــــامل الحمل = الحمل المتوســـــط

أقصى حمل خلال الشهر
3- معامل سعة المحطة = الحمل المتوسط

القدرة الإسمة للمحطة
4- الجودة الشهرية للمحطة = الطاقة المولدة خلال الشهر ك.و.س
الوقود المستهلك (كجم مازوت معادل) × المعامل الحرارى للوقود )

أهم أجهزة الوقاية على المولد Generator
27 Under voltage relay 1-
32 Reverse power 2-
49G
135C Stator temp high protection
Alarm at 118 c & trip at 3-
40 Loss of excitation 4-
51 N Generator over current 5-
64F Generator field ground 6-
64G Generator ground 7-
87G Differential protection 8-
46 Negative phase sequance 9-
وأهم أجهزة الوقاية على التربينة :-
الوقاية عند إرتفاع الذبذبة على الكراسى Vibration excive 1-
110% electrical trip OVER Speeb 2-
110% mechanical trip
Alarm Loss of flame detector for 1flame detc. 3-
trip for 2flame detc فى هذه الحالة ينقطع الوقود فجأه
* يتم فصل مفتاح المولد *- تنخفص سرعة التربينة للصفر
ج- المحطات المائية :-
وفيها تستخدم طاقة الوضع فى مساقط المياه من السدود والشلالات ( فرق الإرتفاع ) tnإدارة توربينات مائية تقوم بدورها بإدارة المولدات الكهربية – وهى أرخص أنواع الطاقة الكهربية المولد حيث لاتحتاج لوقود ولكن كمية الطاقة المولدة تعتمد على كمية وفرق منسوب المياه المنصرفة .
د- المحطات النووية :-
وفيها تستخدم الطاقة المتولدة من الإنشطار النووى للمواد المشعة داخل المفاعلات النووية فى إنتاج البخار ( وكما فى المحطات البخارية ) الذى يستخدم فى إدارة التوربينات التى بدورها تدير المولدات الكهربية .
هـ- محطات الطاقة الجديدة والتجددة :
مثل إستخدام الطاقة الشمسية فى الألواح الإكتروفولتية وتحويلها لطاقة كهربية وهى مازالت ذات قدرات صغيرة وهناك دراسات لإستغلالها فى نطاق أكبر إقتصاديا.
وكذلك طاقة الرياح ولكنها مازالت فى المجال البحثى لإرتفاع تكليفها وصغر الطاقة المولدة منها . حتى الآن
إلا أن هذه المحطات تتميز بأنها لاتحتاج لوقود وتعطى طاقة نظيفة غير ملوثة للبيئة وعلى المدى القريب ربما تكون هناك منها وحدات إقتصادية

2- نقل الطاقة الكهربية ( Transmission)
ويتم ذلك عن طريق رفع الجهد بواسطة محولات رفع Step – up trasformers ) ) إلى الجهود الفائقة والعالية المستخدمة فى خطوط النقل وهى ( 500 – 220 - 132- 66 k . v )
وكلما إرتفع جهد النقل تقل قيمة التيار المنقول على خطوط النقل لنفس القدرة وبالتالى تقل مساحة مقطع الموصلات اللازمة وتنخفض التكاليف .
وكذلك تنخفض كمية الطاقة المفقودة فى عملية النقل حيث أن :-
(مقاومة الموصل R ) × ( مربع التيار2 I ) αPower losses ( الطاقـــة المفقودة )
( R مقاومة الموصل ) / ( مربع الجهد للنقل2 V)* ثابت K =
أى أن القدرة المفقودة فى النقل تتناسب عكسيا مع مربع جهد النقل .
وبعد رفع الجهد يتم نقل الطاقة الكهربية على خطوط هوائية أو كابلات أرضية إلى أماكن الإستهلاك
والخطوط الهوائية أقل تكلفة من الكابلات الأرضية وإصلاح الأعطال بها أيسر وأسرع
وفى أماكن الإستهلاك يتم تخفيض الجهد فى محطات محولات إلى القيم التى تتناسب شبكات التوزيع .
3- توزيع الطاقة الكهربية : ( Distribution )
ويتم توزيع الطاقة الكهرية ذات الجهد المتوسط من خلال خطوط هوائية أو كابلات أرضية إلى محولات التوزيع الموجودة بالشوارع وفى أماكن الإستهلاك حيث يتم تخفيض الجهد إلى القيم التى يحتاجها المستهلكين والجهود المستخدمة عادة ( 380 , 220 , 110 v ) .
ثانيا : المواصفات الواجب توافرها فى نظم الوقاية
لكى يؤدى نظام الوقاية الوظائف المطلوب لحماية جميع عناصر الشبكة الكهربية فإن يتعين أن يحقق الأمور الآتية :
1- الحساسية ( sensitivity )
وهى تعنى الإحساس بأى تغيير ولوكان صغيرا فى أداء أى من عناصر الشبكة والإستجابة لأقل تغييرات تحدث فى قيم عوامل الشبكة من جهد أو تيار أو تردد أو غير ذلك .
ويبدأ نظام الوقاية فى العمل لعذل الخلل ( العطل ) عند تخطى قيمته قيم الضبط ( setting )
2- الإختيارية (الإنتقائية ) (selecitivity )
وهى تعنى قدرة نظام الوقاية على عزل الجزء من الشبكة الذى به خلل فقط مع بقاء أجزاء الشبكة فى العمل دون أن تتأثر بالعطل وهذا يؤدى بدوره إلى تحسين أداء الشبكة وتقليل الإنقطاعات بها .
2- الســــرعة (speed )
وهى تعنى قدرة الوقاية على إكتشاف العطل وعزله فى أقل وقت ممكن . وكلما كان نظام الوقاية أسرع فى عزل العطل كان ذلك أفضل لسلامة باقى عناصر الشبكة . فمن المعروف أن حدوث قصر بأحد عناصر الشبكة يؤدى لمرورتيارات عالية التى لو إستمرت ولو عدة ثوانى فيها يؤدى لإنهيارها أو تلفها .
4- الإعتمادية ( Reliability )
وهى الإعتماد أن نظام الوقاية على درجة عالية من الكفاءه وحسن الأداء على عزل مكان العطل فقط فى نطاق عمله وأن يتوقف عن العمل عندما يكون العطل خارج نطاق عمله

ثالثا : محولات القياس Measuring Transformrs ) )

نظرا لأن أجهزه الوقاية تقوم بحماية الشبكة الكهربية ذات الجهود الفائقة والعالية وذات تيارات عالية أيضا فإن نظام الوقاية لايمكن توصيله مباشرة مع تلك الجهود والتيارات العالية مباشرة

لذلك كان من الضرورى أن يتم ربط نظام الوقاية وكذلك أجهزة القياس مع عناصر الشبكة الكهربية من خلال محولات الجهد ومحولات التيار

1-

محولات الجهد Potential Transformrs ) )

وهى تقوم بتخفيض قيم الجهد من عشرات أو فئات الكيلو فولت إلى القيم التى تناسب أجهزة الوقاية وأجهزة القياس والقيم الإسمية للجهد تكون عادة 100 أو 110 فولت

يتكون محول الجهد من الملف الإبتدائى primary windings وهـــــو الــــــذى يوصــــــــــل عـــلى جهد الشبكة ويكون عدد لفات كبيرة وعزل كهربيا مرتفعــــا ليتحمل الجهد العالى والملف الثانوى Secondary windings وهو عدد ملفات قليلة ويكون عزلها الكهربى فى حدود 2000 فولت

تحسب نسبة التحويل لمحول الجهد من المعادلة :

Np

=

Vp

Kn =

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image001$ Ns

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image002$ Vs

حيث : Ns عدد لفات الملف الإبتدائى

Ns عدد لفات الملف الثانوى

Vp قيم الجهد الإبتدائى

Vs قيم الجهد الثانوى

Kn نسبة التحويل الإسمية لمحول الجهد

والملفات الإبتدائى والثانوى مرتبطان مغناطيسيا خلال قلب من شرائح الصلب السليكون ومعزولان كهربيا عن بعضهما وعن القلب الحديدى وعن الأرض .

* غالبا مايتكون محول الجهد أكثر من قلب حديدى ( core )وكل قلب حديدى عليه ملفاته الإبتدائية والثانوية وكأنه محول جهد مستقل له نسبة تحويل ومستوى دقة .

تنقسم محولات الجهد إلى نوعين :-

أ-

محول جهد مغناطيسى

ب-

محول جهد سعوى

أ-

محول جهد مغناطيسى ( vt Magnetic )

وهو النوع المشهور ويتكون كما ذكر من ملف إبتدائى وآخر ثانوى يرتبطان مغناطيسيا بواسطة قلب من شرائح الصلب السليكونى

ونظرا لحدوث فقد فى التيار بسبب تيار المغنطة Exciting currenteie

وكذلك مرور التيار الثانوى Isنتيجة لتوصيل أجهزة الوقاية والقياس على الملف الثانوى فإن نسبة التحويل الحقيقية تختلف عن الإسمية بقيمة تسمى الخطأ فى نسبة التحويل Ratio error

ويتم إستنتاجها من المعادلة

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image003$ Kn – Vs - Vp

Ratio error

Vp

ب-

محولات الجهد السعوية : Capcitive type VT

وهى تستخدم فى الجهود العالية والفائقة غالبا وذلك لأنها أقل تكلفة عن محولات الجهد المغناطيسية وكذلك لأن المكثف الموجود بها يؤدى وظيفة أخرى كمكثف ربط فى نظام الإتصال Coupling capacitor على خطوط نقل الطاقة Power line carrier plc وذلك لربط أجهزة الوقاية فى المحطات بأجهزة الوقاية فى المحطات المقابلة

يتكون محول الجهد السعوى كما فى الشكل المقابل من مقسم الجهد السعوى الذى يتكون من مكثف إبتدائى C1 قيمة جهد كبيرة ومكثف ثانوى C2 قيمة جهد صغيرة حيث C2 = Vc1

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image004$ C1

=

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image005$ Vc2

Vc2 = VP+ Vc1

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image006$

أطراف المكثف الثانوى

=

S1 , S2

اطراف مكثف الربط للتردات العالية

=

X

اطراف مكثف طرف الأرضى لها

=

T

ملف التعويض

=

L

مستوى الدقة فى محولات الجهد : Accuracy class

هى قيمة الخطأ المسموح به فى فى محولات الجهد يتم تقسيمها كالآتى :

أ-

فى حالة أجهزة القياس : ( Class .0.1 , Class .0.2 , Class .0.5 and cl 1.0)

ب-

فى حالة أجهزة الوقاية : (3p &5p)

*

وقاية محولات الجهد protection of VT

محولات الجهد ذات الجهود أقل من 66 ك.ف يمكن عمل وقاية للملفات الإبتدائية لها بواسطة مصهرات جهد عالى أما عند جهد 66 ك.ف فأكثر فلايوجد وقاية خاصة بها وإنما تدخل نطاق عمل أجهزة الوقاية المختلفة .

أما الملفات الثانوية لمحولات الجهد فمن الضرورى تأمينها وخلال قواطع تيار صغيرة MCB

*

أهم الإختبارات التى تتم على محولات الجهد بالمحطات :

أ-

إختبار العزل الكهربى للملفات :-

ü

بين الملفات الثانوية والأرضى

ü

بين الملفات الثانوية وبعضها

ü

بين الملفات الثانوية والملف الإبتدائى

ü

بين الملفات الإبتدائى والأرضى

ب-

قياس نسبة التحويل لمحول الجهد

ج-

قياس المحمولة الموصلة على محول الجهد burden

2-

محولات التيار Current Transformrs ) )

وهى التى تقوم بتخفيض قيم التيار إلى قيم أسمية 1 أو 5 أمبير لتتناسب مع أجهزة الوقاية وأجهزة القياس

يتكون محول التيار من ملف إبتدائى وهو الذى يوصل على التوالى مع المهمات مباشرة ويكون لفة واحدة أو بضع لفات ويكون عزله الكهربى مرتفعا ليتحمل الجهد العالى وملف ثانوى عزله الكهربى 2000 فولت وعدد لفاته كبيرة ونسبتها إلى الإبتدائى تساوى نسبة التحويل الإسمية المحول التيار

Ns

=

Ip

Kn =

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image007$ Np

=

$نظم الوقاية للشبكات الكهربية C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\04\clip_image008$ Is

والملفان الإبتدائى والثانوى مرتبطان مغناطيسيا من خلال قلب من شرائح الصلب السليكون المعزولان كهربيا عن بعضهما البعض وعن القلب الحديدى والأرضى

تنقسم محولات التيار من حيث أنواع الملفات الإبتدائية إلى نوعين

أ -

محولات ذات الملف الإبتدائى الملفوف

وهو عباره عن موصل ذو مساحة مقطع كبيرة ويلف حول القلب الحديدى يستخدم فى محولات التيار ذات نسب التحويل المنخفضة .

ب-

محولات ذات الملف الإبتدائى القضيب Bar primary CT

وهو النوع الغالب من محولات التيار ويتكون الملف الإبتدائى فيه من موصل على شكل قضيب ذو مساحة مقطع كبيرة لتتحمل تيارات القصر العالية 31.5 OR 40 KA وعادة يكون لمحولات التيار أكثر من نسبة تحويل

مستوى الدقة لمحولات التيار : Accuracy class
مثلما ذكرنا فى محولات الجهد فإن محولات التيار يوجد أيضا لها خطأ فى نسبة التحويل وزاوية الوجه ويجب أن تكون تبعا للقيم المسموح بها كالآتى :
		أ-		فى حالة أجهزة القياس : ( Class .0.1 , Class .0.2 , Class .0.5 and cl 1.0)
		ب-		فى حالة أجهزة الوقاية : (3p &5p)
البيانات العامة الأساسية لمحولات التيار
تكتب على لوحة التعريف للمحول فمثلا يكتب						( 5p20 , 30VA ) للوقاية
						( CL0.5 , 15VA ) للقياس
وذلك معناه فى القلب الخاص بالوقاية : أن نسبة الخطأ المسموح بها لاتزيد عن 5%+ وحتى قيم تيار قصر 20 ضعف التيار المقنن لمحول التيار
وبالنسبة للقلب الخاص بالقياس : فأن أقصى نسبة الخطأ المسموح بها فى حمل محمل التيار هى 5%+ وأن قيمة أقصى تحميل لمحول التيار فى الوقاية هى 30VA وهى القياس هى 15VA
أهم الإختبارات التى تتم على محولات التيار
	أ-		الإختبارات الروتينية
			1-	التعرف على الأطراف والتأكد من صحة ترقيمها وصحة القطبية للملفات
			2-	إختبار عزل الملف الإبتدائى بواسطة الجهد العالى لها
			3-	إختبار نسبة التحويل لمحول التيار C.T.ratio
			4-	رسم منحنى التشبع لمحول التيار
			5-	قياس المقاومة الداخلية للملف الثانوى
			6-	قياس حمولة محول التيار burden
	ب-		الإختبارات النوعية
			1-	إختبار العزل للمحولδ tan ويكون :-
				*	بين الملف الثانوى والأرضى
				*	بين الملف الإبتدائى والملف الثاوى
				*	بين الملف الإبتدائى والأرضى
				*	بين الملف الثانوى وباقى الملفات الثانوية

» الاسس العملية فى التركيبات الكهربية بالعربى
» المرجع في التركيبات و التصميمات الكهربية (أ.د.محمود جيلاني)