تعتبر حماية المولدات من الأعطال الناتجة عن التيارات الزائدة أمراً بالغ الأهمية في أنظمة الطاقة الكهربائية. أحد الأساليب الأساسية للحماية هو استخدام مرحلات التيار الزائد (Overcurrent Relays) لحماية ملفات الجزء الثابت (Stator Windings) من أضرار القصر الكهربائي.
مبدأ العمل:
تعمل مرحلات التيار الزائد على كشف التيارات الأعلى من القيمة المسموحة في ملفات الجزء الثابت للمولد. عند حدوث قصر كهربائي، يرتفع التيار بشكل مفاجئ وكبير، مما يؤدي إلى تنشيط المرحل وإرسال إشارة لفصل المولد عن النظام خلال فترة زمنية محددة.
أنواع الحماية:
- حماية التيار الزائد ذو التأخير الزمني (Time-Overcurrent Protection):
- تستخدم للمولدات المتصلة مباشرة بشبكة التوزيع
- تتميز بمنحنى زمني-تياري (Time-Current Curve) يتناسب مع خصائص المولد
- حماية التيار الزائد اللحظية (Instantaneous Overcurrent Protection):
- تستخدم كحماية احتياطية سريعة
- تستجيب للتيارات الأعلى من عتبة محددة بدون تأخير زمني
ضبط إعدادات المرحل:
يجب ضبط إعدادات مرحلات الحماية بحيث:
- تكون حساسة بما يكفي لاكتشاف أعطال القصر
- لا تعمل بشكل خاطئ بسبب التيارات العابرة أو أحمال الذروة
- تأخذ في الاعتبار تيارات البدء للمولد
التفسير الأكاديمي المفصل:
1. الأساس النظري لحماية المولدات:
تتعرض ملفات الجزء الثابت في المولدات لمخاطر حرارية وميكانيكية عند حدوث أعطال القصر. التيارات الزائدة الناتجة تسبب:
- إجهادات حرارية قد تؤدي إلى تلف العزل
- قوى كهرومغناطيسية شديدة قد تشوه الملفات
- تأثيرات على استقرار النظام الكهربائي ككل
2. تحليل أداء مرحلات التيار الزائد:
تعتمد كفاءة الحماية على ثلاثة عوامل رئيسية:
أ) حساسية المرحل (Relay Sensitivity):
- يتم تحديد عتبة التشغيل بناءً على:
- التيار المقنن للمولد (Iₙ)
- تيار القصر الأدنى المتوقع (I_{sc.min})
- عادةً تضبط بين 125-150% من التيار المقنن
ب) الانتقائية الزمنية (Time Selectivity):
- تحليل التسلسل الزمني للتشغيل باستخدام منحنيات Time-Current Characteristics (TCC)
- معادلة التأخير الزمني: t = k/(I/Iₙ – 1) + c
حيث: - t: زمن التشغيل
- I: التيار المقاس
- Iₙ: التيار المقنن
- k, c: ثوابت تعتمد على نوع المرحل
ج) التنسيق مع عناصر الحماية الأخرى:
- يجب تنسيق عمل مرحلات التيار الزائد مع:
- حماية дифференциаль (Differential Protection)
- حماية الأرضي (Ground Fault Protection)
- قواطع الدورة (Circuit Breakers)
3. الاعتبارات التصميمية المتقدمة:
أ) تأثير التيارات العابرة:
- التيارات اللحظية أثناء بدء التشغيل أو التزامن قد تصل إلى 5-7 مرات التيار المقنن
- حلول التغلب على هذا:
- استخدام كتلة التيار العكسي (Directional Element)
- إدخال تأخير زمني مقصود (Intentional Time Delay)
ب) حماية المناطق المتداخلة (Zones of Protection):
- تطبيق مبدأ التغطية المتداخلة لمنع مناطق ميتة
- تقسيم الحماية إلى:
- منطقة المولد الرئيسية (Main Generator Zone)
- منطقة النظام (System Zone)
- منطقة الاحتياطي (Backup Zone)
ج) محاكاة أداء الحماية:
- استخدام برامج مثل ETAP أو PSCAD لمحاكاة سيناريوهات الأعطال
- تحليل معلمات مثل:
- زمن مسح العطل (Fault Clearing Time)
- الطاقة المارّة خلال العطل (Let-through Energy)
4. التطورات الحديثة في تقنيات الحماية:
أ) المرحلات الرقمية المتطورة:
- استخدام خوارزميات معالجة الإشارات الرقمية (DSP)
- تطبيق تحويل فورييه السريع (FFT) لتحليل التوافقيات
ب) أنظمة الحماية الذكية:
- دمج تقنيات التعلم الآلي للتنبؤ بالأعطال
- استخدام الشبكات العصبية في تحليل أنماط التيار
ج) حماية المولدات في أنظمة الطاقة المتجددة:
- تحديات خاصة بمولدات الرياح والطاقة الشمسية
- تكييف إعدادات المرحلات مع التغيرات الديناميكية السريعة
5. دراسات حالة عملية:
أ) سيناريو عطل ثلاثي الطور:
- تحليل استجابة المرحل للعطل المتماثل
- حساب الطاقة الحرارية I²t الممتصة
ب) عطل أرضي:
- تأثير مقاومة العطل على أداء المرحل
- استخدام مركبة التسلسل الصفري (Zero Sequence Component)
الخاتمة:
تظل مرحلات التيار الزائد عنصراً أساسياً في حماية المولدات، رغم تطور تقنيات الحماية الحديثة. يتطلب التصميم الأمثل فهماً عميقاً لخصائص المولد، سلوك الأعطال، وتفاعل أنظمة الحماية المختلفة. تعتبر الدراسات الديناميكية والمحاكاة الحاسوبية أدوات لا غنى عنها لتحقيق حماية موثوقة وفعّالة.
