تمثل المحولات القلب النابط لأي نظام قدرة كهربائية، حيث تلعب دوراً حيوياً في رفع الجهد لنقل الطاقة لمسافات طويلة بتكاليف أقل، ثم خفضه لتوزيعه على المستهلكين بأمان. نظراً لأهميتها البالغة وتكلفتها العالية، فإن حمايتها من الأعطال تعتبر أولوية قصوى لضمان استمرارية وموثوقية الخدمة الكهربائية. المقالة المنشورة على الرابط المذكور (Electrical Engineering Portal) تقدم شرحاً شاملاً لهذا الموضوع، وسنقوم في هذه المقالة بشرح وتلخيص المفاهيم الأساسية التي تناولها ذلك الدليل القيم.
لماذا نحتاج إلى حماية متطورة للمحولات؟
المحولات معرضة لأنواع مختلفة من الأعطال، بعضها داخلي (كأعطال في الملفات أو القلب الحديدي) وبعضها خارجي (كالقصر الكهربائي في خط التغذية أو الأحمال الزائدة). عواقب هذه الأعطال يمكن أن تكون وخيمة، وتشمل:
- تلف باهظ التكلفة: قد يؤدي العطل إلى احتراق اللفات أو انفجار الخزان الرئيسي للمحول.
- انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع: توقف محول رئيسي يمكن أن يعطل شبكة كهرباء كاملة.
- خطر على السلامة: يمكن أن تؤدي الأعطال إلى حرائق أو انفجارات تشكل خطراً على الأرواح والممتلكات.
لذلك، يتم استخدام نظام حماية متكامل ومتداخل، حيث كل عنصر يحمي ضد نوع محدد من الأعطال، مع وجود احتياطي (Backup) في حال فشل أحد عناصر الحماية.
أنواع الأعطال التي يتم الحماية منها
- أعطال داخلية (Within the Transformer):
- أعطال أرضية (Earth Faults): تلامس أحد اللفات مع جسم المحول المُؤَرَّض.
- أعطال بين اللفات (Winding Faults): قصر بين لفات في نفس الملف (قصر بين الطور) أو بين ملفات مختلفة (قصر بين أطوار).
- أعطال القلب الحديدي (Core Faults): تلف في صفائح الحديد المعزولة أو دارة القصر في القلب، مما يسبب ارتفاعاً في الحرارة.
- انخفاض مستوى الزيت (Oil Level Reduction): في المحولات المغمورة في الزيت، يشير هذا إلى تسرب محتمل أو عطل داخلي يسبب تحلل الزيت.
- أعطال خارجية (External to the Transformer):
- تغذية زائدة (Overloading): تجاوز التيار للقيمة المقننة لفترة طويلة، مما يؤدي إلى ارتفاع حرارة اللفات وتدهور العزل.
- أعطال في نظام التبريد (Cooling System Failures): عطل في المراوح أو المضخات يقلل من قدرة المحول على تحمل الحمل.
- أعطال على جانبي المحول (Through Faults): قصر كهربائي على خط التغذية (الخارج من المحول) أو على جانب الجهد المنخفض. هذه الأعطال تسبب تيارات عالية جداً تمر عبر المحول ويمكن أن تتسبب في إجهاداته ميكانيكياً وحرارياً.
أنظمة ووسائل الحماية الأساسية
وظيفة كل من هذه الأنظمة:
- قواطع الدورة (Buchholz Relay): جهاز حماية غازي يستخدم حصرياً في المحولات المغمورة في الزيت. يتم تركيبه في الأنبوب المائل بين الخزان الرئيسي وخزان التمدد (Conservator).
- للأعطال البطيئة/الصغيرة (Minor Faults): مثل انخفاض مستوى الزيت أو تحلله بسبب حرارة موضعية، يتجمع غاز يدفع طفواً داخلياً لإغلاق contacts تعطي إنذاراً (Alarm).
- للأعطال الكبيرة/الخطيرة (Major Faults): مثل قصر بين لفات، يحدث اندفاع سريع للزيت نحو الخزان العلوي، مما يدفع مروحة (vane) لتشغيل contacts تفصل قاطع الدورة الرئيسي (Trip) مباشرة.
- حماية Differencial (التفاضلية): هي الحماية الرئيسية والأساسية للمحولات الكبيرة. مبدأ عملها يقوم بمقارنة التيار الداخل إلى المحول مع التيار الخارج منه.
- في الحالة الطبيعية أو أثناء عطل خارجي، التيار الداخل = التيار الخارج (نظرياً).
- في حال حدوث عطل داخلي داخل منطقة الحماية (بين محولات التيار CTs)، يظهر فرق بين التيارين (Differential Current)، مما يؤدي إلى إعطاء إشارة فصل فورية.
- يجب ضبط هذه الحماية بعناية لمراعاة نسبة التحويل المختلفة للمحول، والتيار المغذى (Magnetizing Inrush Current) العالي عند تشغيل المحول لأول مرة (والذي قد يسبب عمل خاطئ للحماية إذا لم يتم تعويضه).
- حماية التيار الزائد مع تأخير زمني (Overcurrent with IDMT): تستخدم كحماية احتياطية (Backup Protection) للحماية التفاضلية وأيضاً كحماية أساسية للمحولات الصغيرة. تستجيب للتيارات الأعلى من القيمة المقننة، مع تأخير زمني يتناقص مع زيادة التيار (Inverse Definite Minimum Time). يمكن استخدامها للحماية من الأحمال الزائدة (Overload) والأعطال الخارجية.
- حماية الأرضي المُقيدة (Restricted Earth Fault – REF): هي حماية تفاضلية عالية الحساسية تُطبق على كل ملف من ملفات المحول (جهة الجهد العالي وجهة الجهد المنخفض) للكشف عن أعطال الأرضي الداخلية فقط. وهي أكثر حساسية من الحماية التفاضلية العامة للكشف عن هذه النوعية من الأعطال، خاصة في الأنظمة ذات نقطة التعادل المُؤَرَّضة عبر مقاومة ( impedence).
- حماية أخرى مساعدة:
- ترمومتر (Temperature Indicators): أجهزة لمراقبة درجة حرارة اللفات والزيت، تعطي إنذاراً أو أمر فصل في حال تجاوز الحدود المسموح بها.
- حماية ضغطية (Pressure Relief Device): في المحولات الكبيرة، تفتح صماماً لتخفيف الضغط الداخلي المرتفع بسبب الغازات الناتجة عن عطل داخلي شديد، ويمكن أن تعطي إنذاراً أو أمر فصل.
- حماية من أعطال نظام التبريد.
- حماية المُغَذي (Transformer Feeder Protection)
- غالباً ما يتم التعامل مع المحول وخط التغذية المتصل به (Feeder) كوحدة واحدة في المحطات الفرعية البسيطة. هنا، يتم دمج حماية المحول مع حماية الخط.
- يتم استخدام حماية تفاضلية للمغذي (Feeder Differential Protection) تمتد منطقة حمايتها لتشمل المحول و قاطع الدورة الخاص بالخط. هذا يوفر حماية سريعة ومتميزة لكل من المحول والخط.
- بديلاً لذلك، يمكن استخدام تركيبة من حماية المسافة (Distance Protection) للخط مع حماية التيار الزائد (Overcurrent Protection) للمحول، مع تنسيق زمني بينهما.
خاتمة
يوفر المقال نظرة معمقة على فلسفة وأنظمة حماية المحولات، مؤكداً على أن نظام الحماية ليس مجرد قاطع كهرباء، بل هو نظام متكامل من الأجهزة الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية التي تعمل بتناسق لمراقبة حالة المحول، والكشف عن أي انحراف عن الظروف الطبيعية، والاستجابة بأسرع ما يمكن لتقليل حجم الضرر والحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية ككل. فهم مبادئ هذه الأنظمة هو أمر أساسي لمهندسي التشغيل والحماية في قطاع الطاقة.
