شرح مفصل لجهاز الوقاية الحديث Numerical Protection Relay

مقدمة عن عمل جهاز الوقاية الحديث Numerical Relay

أجهزة الوقاية الرقمية (Numerical Relays) تُستخدم لحماية الأنظمة الكهربائية من الأعطال. تعتمد هذه الأجهزة على تحويل الإشارات التناظرية (Analog) إلى إشارات رقمية (Digital) لتتم معالجتها باستخدام الدوائر المنطقية والبرمجيات. تتميز الأجهزة الرقمية بالدقة العالية وسهولة التكيف مع متطلبات النظام.

---

1. تحويل الإشارات من Analog إلى Digital

الإشارة التناظرية (Analog Signal):

• التيار والجهد يتم تمثيلهما على هيئة موجة جيبية (Sine Wave)، وهي إشارات تناظرية (Analog).

التحويل إلى إشارات رقمية (Digital Signal):

• يتم تحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية عبر وحدة A/D Converter (Analog to Digital Converter).
• تشمل وحدة A/D المكونات التالية:
  1. S/H (Sample and Hold):
     • لأخذ عينات من الإشارة التناظرية عند لحظات زمنية معينة وتثبيتها لمعالجتها.
  2. Mux (Multiplexer):
     • لدمج عدة إشارات تناظرية وإرسالها لوحدة التحويل.
  3. LPF (Low Pass Filter):
     • لتصفية الإشارات من الترددات العالية غير المرغوبة.

---

2. معالجة الإشارات الرقمية:

• بعد تحويل الإشارات التناظرية إلى رقمية:
  • تُدخل الإشارات إلى وحدات Logic Gate (دوائر منطقية) لمعالجتها.
  • يتم تحليل الإشارات الرقمية ومقارنتها بالقيم المخزنة في الجهاز.

---

3. مقارنة الإشارات (Comparator):

• يتم إدخال إشارات الجهد والتيار إلى وحدة المقارنة:
  • تقارن الإشارات المقاسة بالقيم المضبوطة مسبقًا (Setting Values) والمخزنة في الذاكرة الداخلية للجهاز (Memory).
• بناءً على نتيجة المقارنة، يتم اتخاذ أحد القرارات التالية:
  • إنذار (Alarm): إذا كانت القيم قريبة من الحد المحدد.
  • فصل (Trip): إذا تجاوزت القيم الحد الأقصى المضبوط.
  • وضع التشغيل العادي: إذا كانت القيم ضمن الحدود الطبيعية.

---

4. عملية الفصل (Trip Operation):

Binary Output (BO):

• عند حدوث عطل يتطلب فصل النظام:
  • يقوم BO (Binary Output) بإرسال إشارة موجبة (Positive Signal) إلى قاطع الدائرة (Circuit Breaker – C.B).
  • يتم تشغيل ملف الفصل (Trip Coil) باستخدام تيار مستمر D.C لفصل القاطع.

Binary Input (BI):

• تُستخدم إشارات الإدخال الرقمية (BI – Binary Input) لاستقبال أوامر من الخارج:
  • مثال: إذا حدث عطل في مفتاح MCB الخاص بمحول الجهد، يتم إرسال إشارة إلى جهاز الوقاية لإيقاف تشغيله مؤقتًا (Block Operation).

---

5. مكونات جهاز الوقاية الرقمية:

• يتكون جهاز الوقاية الرقمي من عدة وحدات (كروت إلكترونية) مرقمة لتشخيص الأعطال بسهولة:
  1. الوحدة 4:
     • مسؤولة عن إصدار أوامر الفصل (Trip).
     • إذا لم يعمل الفصل رغم حدوث العطل، قد يكون الخلل في هذه الوحدة.
  2. الوحدة 5:
     • مسؤولة عن الاتصال بين جهاز الوقاية والكمبيوتر.
     • إذا تعذر الاتصال، فالخلل يكون هنا.
  3. الوحدة 7:
     • مسؤولة عن تشغيل لمبات الإشارة (LEDs) وشاشة الجهاز (LCD).
     • إذا لم تعمل الإضاءة أو الشاشة رغم وجود تيار مستمر، فالخلل في هذه الوحدة.

---

6. الإشارات المرئية (LEDs) والشاشة (LCD):

• لمبات LEDs تُظهر حالات الجهاز:
  • Trip LED: تشير إلى حدوث عطل أدى إلى الفصل.
  • Alarm LED: تشير إلى عطل لحظي أو حالة إنذار.
• الشاشة LCD: تُستخدم لعرض معلومات الإعدادات والحالة التشغيلية للجهاز.

---

أهمية أجهزة الوقاية الرقمية:

1. دقة عالية:
   • الأجهزة الرقمية توفر استجابة دقيقة وسريعة مقارنة بالأجهزة التقليدية.
2. سهولة التشخيص:
   • تصميم الجهاز بوحدات مستقلة يُسهل تحديد الأعطال وإصلاحها.
3. مرونة في الإعداد:
   • سهولة ضبط القيم وتخصيص الإعدادات حسب متطلبات النظام.
4. التكامل مع الأنظمة الأخرى:
   • إمكانية الاتصال بأجهزة الكمبيوتر لتسجيل البيانات وتحليل الأعطال.

---

ملخص خطوات العمل:

1. تحويل الإشارة التناظرية إلى رقمية: عبر وحدة A/D.
2. مقارنة الإشارات بالقيم المضبوطة: باستخدام وحدات Logic Gate وComparator.
3. اتخاذ القرار: إنذار أو فصل أو استمرار التشغيل العادي.
4. إصدار إشارة الفصل: عبر Binary Output لتفعيل ملف الفصل Trip Coil.
5. تشخيص الأعطال بسهولة: باستخدام الكروت الإلكترونية والوحدات.

---

جهاز الوقاية الرقمي هو عنصر أساسي في أنظمة الحماية الكهربائية، حيث يجمع بين التقنية الرقمية والدقة العالية لضمان استمرارية وسلامة الشبكة.