مناطق الحماية (Protective Zones) في الشبكات الكهربائية: مفهومها، تقسيمها، وآليات التنسيق بينها
المقدمة
في أنظمة القوى الكهربائية، تُعد مناطق الحماية (Protective Zones) عنصرًا أساسيًا في ضمان موثوقية الشبكة وسلامتها. يتم تقسيم الشبكة إلى مناطق محددة، لكل منها نظام وقاية خاص يُصمم لاكتشاف الأعطال وعزلها بسرعة لمنع انتشار الأعطال إلى أجزاء أخرى من النظام. تعتمد هذه المناطق على مبدأ التغطية الشاملة دون ثغرات مع وجود تداخل (Overlap) بينها لضمان عدم وجود مناطق غير محمية.
يهدف هذا البحث إلى شرح مفهوم مناطق الحماية، تقسيمها النموذجي في الشبكات الكهربائية، وآلية التنسيق بين أنظمة الوقاية الأساسية والاحتياطية.
1. مفهوم مناطق الحماية (Protective Zones)
تُعرف منطقة الحماية بأنها جزء محدد من الشبكة الكهربائية يخضع لمراقبة جهاز أو مجموعة أجهزة وقاية، بحيث يتم كشف الأعطال داخلها وعزلها بشكل انتقائي. تتميز المناطق بالخصائص التالية:
أ. التقسيم الهرمي للشبكة
يتم تقسيم الشبكة الكهربائية إلى مناطق متداخلة تشمل:
- منطقة المولدات (Generator Protection Zone)
- منطقة المحولات (Transformer Protection Zone)
- منطقة القضبان الجامعة (Busbar Protection Zone)
- منطقة خطوط النقل (Transmission Line Protection Zone)
كل منطقة تُدار بواسطة نظام وقاية رئيسي (Main Protection) مصمم للاستجابة السريعة للأعطال داخلها، مع وجود أنظمة احتياطية (Backup Protection) لتغطية حالات فشل النظام الأساسي.
ب. مبدأ التداخل بين المناطق (Overlap Principle)
لضمان شمولية الحماية، يجب أن تتداخل مناطق الحماية عند حدودها لمنع وجود مناطق غير محمية (Dead Zones). على سبيل المثال، نهاية خط النقل يجب أن تكون مغطاة بواسطة وقاية الخط وكذلك وقاية المحطة التالية.
2. تقسيم مناطق الحماية في الشبكة الكهربائية
لتوضيح ذلك، نستعرض المثال في الشكل 1-23، حيث:
| المنطقة | جهاز الوقاية المسؤول | نطاق الحماية الأساسي |
|---|---|---|
| المنطقة 1 (P-1) | وقاية المولد | الأعطال داخل المولد |
| المنطقة 2 (P-2) | وقاية المحول | الأعطال داخل المحول |
| المنطقة 3 (P-3) | وقاية القضبان (Busbar) | الأعطال على القضبان الجامعة |
| المنطقة 4 (P-4) | وقاية خط النقل | الأعطال على خطوط النقل |
ملاحظات هامة:
- كل منطقة قد تستخدم عدة أجهزة وقاية (مثل: OCRs، Differential Relays، Distance Relays) لضمان اكتشاف جميع أنواع الأعطال (مثل: القصر، التسريب، عدم الاتزان).
- يجب أن تعمل الأجهزة بتنسيق دقيق لتجنب الفصل غير الضروري (False Tripping) أو التأخير في عزل العطل.
3. الحماية الأساسية والاحتياطية (Main & Backup Protection)
أ. الحماية الأساسية (Main Protection)
هي الخط الدفاعي الأول، وتتميز بـ:
- سرعة الاستجابة (عادةً ضمن أجزاء من الثانية).
- انتقائية عالية (تقتصر على منطقة محددة).
ب. الحماية الاحتياطية (Backup Protection)
تعمل عند فشل الحماية الأساسية أو عدم قدرتها على عزل العطل، وتنقسم إلى نوعين:
- الاحتياطية المحلية (Local Backup): مثل حماية فشل القاطع (CBF – Circuit Breaker Failure) التي تُفعَّل بعد زمن محدد إذا لم يفصل القاطع.
- الاحتياطية البعيدة (Remote Backup): مثل استخدام وقاية المسافة (Distance Relay) في المحطة المجاورة كاحتياطي لخط معطّل.
ج. آلية التنسيق (Coordination)
يجب أن يكون هناك تأخير زمني (Time Grading) بين الحماية الأساسية والاحتياطية لضمان:
- عدم تداخل عملها مع النظام الأساسي.
- إتاحة الفرصة للحماية الأساسية للاستجابة أولاً.
4. أمثلة تطبيقية على الحماية الاحتياطية
أ. حماية فشل القاطع (CBF)
- عند حدوث عطل، يفترض أن يفصل القاطع خلال زمن محدد (مثل 100 مللي ثانية).
- إذا لم يفتح القاطع، تُفعَّل حماية CBF بعد تأخير (مثل 200 مللي ثانية) لعزل القضبان المتصلة.
ب. الوقاية الاحتياطية للمولدات والمحولات
قد تستخدم:
- الوقاية التفاضلية (Differential Protection) كحماية أساسية.
- الوقاية الزائدة (Overcurrent Protection) كاحتياطية.
5. الخاتمة
يُعد تقسيم الشبكة الكهربائية إلى مناطق حماية مع وجود أنظمة وقاية أساسية و احتياطية أمرًا حيويًا لضمان:
✔ موثوقية الشبكة.
✔ سرعة عزل الأعطال.
✔ منع انتشار الأعطال.
✔ تقليل زمن انقطاع الخدمة.
يجب أن يتم تنسيق أنظمة الوقاية بدقة لتحقيق التوازن بين السرعة، الانتشارية، والانتقائية، مع ضمان عدم وجود ثغرات في التغطية.
