حماية المحولات والتغذية الكهربائية في نظم القوى

مقدمة في حماية المحولات

تعتبر المحولات الكهربائية مكوناً حيوياً في نظم نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية، حيث تقوم بتحويل مستويات الجهد لتتناسب مع متطلبات النظام. نظراً لأهميتها وتكلفتها العالية، فإن حمايتها من الأعطال المختلفة أمر بالغ الأهمية لضمان استمرارية الخدمة ومنع الأضرار المكلفة.

أنواع الأعطال في المحولات

1. الأعطال الداخلية

• أعطال اللفات: قصر بين اللفات أو بين اللفات والأرض
• أعطال القلب المغناطيسي: تسرب في الدارات المغناطيسية أو ارتفاع درجة الحرارة
• أعطال نظام التبريد: انخفاض مستوى الزيت أو توقف مضخات التبريد

2. الأعطال الخارجية

• زيادة الحمل: تجاوز القدرة المقننة للمحول
• أعطال التغذية: قصر أو أرضي في جانبي الجهد العالي أو المنخفض
• الاضطرابات الخارجية: صواعق أو جهد عابر

أنظمة الحماية الأساسية للمحولات

1. الحماية التفاضلية (Differential Protection)

المبدأ الأساسي:

تعمل هذه الحماية على مقارنة تيار الدخول والخروج للمحول. في الظروف الطبيعية، يجب أن يكون مجموع التيارات صفراً وفقاً لقانون كيرشوف. عند حدوث عطل داخلي، يظهر تيار تفاضلي يتسبب في فصل المحول.

2. حماية Buchholz (للمحولات المغمورة في الزيت)

• المرحلة الأولى: تنشط عند تكون فقاعات غاز صغيرة (تحذير)
• المرحلة الثانية: تنشط عند تدفق سريع للزيت (فصل فوري)

3. حماية الجهد الزائد (Overvoltage Protection)

• تقوم بقص الجهد العابر الناتج عن الصواعق أو عمليات التحويل
• تستخدم مقاومات عدم التزامن (Surge Arresters) ومكثفات الحماية

4. الحماية الحرارية (Thermal Protection)

• تراقب درجة حرارة الزيت واللفات
• تعمل على:
• تنبيه عند ارتفاع درجة الحرارة
• فصل المحول عند الوصول إلى درجات حرارة خطيرة

حماية مغذيات المحولات (Transformer Feeder Protection)

1. حماية المسافة (Distance Protection)

تقيس مقاومة الخط (Impedance) وتقارنها بقيمة ضبط محددة. عند حدوث عطل، تنخفض المقاومة المقاسة مما يؤدي إلى فصل الخط.

2. الحماية الاتجاهية (Directional Protection)

• تحدد اتجاه تيار العطل (باتجاه المحول أو بعيداً عنه)
• تستخدم مع الحماية التفاضلية لزيادة الانتقائية

3. حماية الأرضي (Earth Fault Protection)

• خاصة بأعطال الأرضي ذات المقاومة العالية
• تستخدم مراقبة التيار التسلسلي الصفري (Zero Sequence Current)

ضبط وتنسيق الحماية

معايير الضبط الأساسية:

1. الحساسية: القدرة على كشف الأعطال الصغيرة
2. السرعة: زمن استجابة مناسب لمنع اتساع العطل
3. الانتقائية: فصل الجزء المعطوب فقط دون التأثير على باقي النظام
4. الاعتمادية: عمل الحماية عند الحاجة فقط

تنسيق الحماية الزمني:

تقنيات الحماية الحديثة

1. الحماية الرقمية: استخدام معالجات دقيقة لتحليل الموجات وتحسين دقة الحماية
2. أنظمة PAC (Protection and Control): دمج الحماية مع أنظمة التحكم والمراقبة
3. الذكاء الاصطناعي: استخدام خوارزميات التعلم الآلي للتنبؤ بالأعطال وتحليل الأنماط

اختبار وصيانة أنظمة الحماية

إجراءات الصيانة الدورية:

• معايرة أجهزة الحماية كل 2-3 سنوات
• اختبار محولات التيار والجهد
• فحص توصيلات الأرضي
• اختبار زيت المحولات للكشف عن أي تحلل

الخاتمة

تتطلب حماية المحولات ومغذياتها فهماً عميقاً لخصائص النظام الكهربائي وسلوك الأعطال المختلفة. التصميم الأمثل لنظام الحماية يجب أن يوازن بين متطلبات السرعة والانتقائية والاعتمادية، مع الأخذ بالاعتبار التطورات التكنولوجية في مجال أنظمة الحماية الذكية.