المقدمة
تُعد الحماية التفاضلية (Differential Protection) من أكثر أنظمة الحماية الكهربائية موثوقيةً، حيث تعتمد على مبدأ المقارنة بين التيارات الداخلة والخارجة من منطقة الحماية. يتم استخدامها لحماية المعدات الحيوية مثل المحولات، المولدات، القضبان الكهربائية، وخطوط النقل نظرًا لدقتها في كشف الأعطال الداخلية وسرعتها في عزل المنطقة المعطوبة.
1. المبدأ الأساسي للحماية التفاضلية
تعتمد الحماية التفاضلية على قانون كيرشوف للتيار (KCL)، الذي ينص على أن:
Iin = ∑Iout∑
حيث:
- في الحالة الطبيعية (بدون عطل): يكون مجموع التيارات الداخلة مساويًا للتيارات الخارجة، وبالتالي يكون تيار التفاضل (Differential Current) صفرًا.
- في حالة وجود عطل داخل منطقة الحماية (Internal Fault): يظهر تيار تفاضل غير صفري، مما يؤدي إلى فصل الدائرة.
تُعرف هذه الحماية أيضًا باسم “حماية الوحدة (Unit Protection)” لأنها تحمي منطقة محددة دون التأثر بالأعطال الخارجية.
2. لماذا يُفضل استخدام محولات التيار من الفئة X (Class X)؟
طبقًا للمواصفة القياسية IEC 60044-1، تتميز محولات التيار من الفئة X بعدة خصائص تجعلها مناسبةً جدًا للحماية التفاضلية، أهمها:
- جهد نقطة الركبة العالي (High Knee Point Voltage):
- يقلل من احتمالية تشبع المحول (CT Saturation) أثناء الأعطال الخارجية، مما يحافظ على دقة القياس.
- يضمن استقرار الحماية ويمنع الفصل الخاطئ (False Tripping).
- خطية الخصائص المغناطيسية (Linear Magnetization Curve):
- توفر استجابةً دقيقةً في نطاق تيارات الأعطال العالية.
- التناسق بين المحولات (Matching CTs):
- في بعض أنظمة الحماية التفاضلية (مثل High Impedance Differential)، يُشترط أن تكون محولات التيار متطابقة في النسبة (Ratio) ومنحنى المغنطة (Magnetization Curve) لضمان توازن التيارات.
ومع ذلك، فإن اختيار محولات التيار يعتمد في النهاية على حسابات CT Calculation لتحديد مدى ملاءمتها لنظام الحماية.
3. أنواع الحماية التفاضلية الرئيسية
(1) الحماية التفاضلية ذات المعاوقة العالية (High Impedance Differential Protection)
التطبيقات:
- حماية القضبان الكهربائية (Busbars) والمولدات (Generators).
- تُستخدم أيضًا في حماية ملف الاستار (Restricted Earth Fault Protection) للمحولات.
المميزات:
- يتم توصيل مقاومة تثبيت (Stabilizing Resistor – Rst) على التوالي مع الريلاي (Relay) لمنع الفصل الخاطئ أثناء الأعطال الخارجية (External Faults).
- تكون قيمة Rst عادةً أعلى من 1000 أوم.
- يشترط أن تكون محولات التيار متطابقة (نفس النسبة ونفس منحنى المغنطة).
(2) الحماية التفاضلية للخطوط والكابلات مع أسلاك الطيار (Line/Cable Differential Protection with Pilot Wire)
التطبيقات:
- حماية خطوط النقل (Transmission Lines) والكابلات الطويلة.
المميزات:
- يتم إرسال وإستقبال إشارات التيار بين المحطات عبر قنوات اتصال (Communication Channels).
- لا يشترط تطابق محولات التيار، حيث تعتمد على معالجة الإشارات رقميًا.
(3) الحماية التفاضلية ذات الانحياز النسبي (Percentage Biased Differential Protection)
التطبيقات:
- حماية المحولات الكهربائية (Power Transformers).
المميزات:
- تقوم بتصحيح نسبة التيار وزاوية الطور تلقائيًا بين جانبي المحول لضمان توازن التيار في الحالة الطبيعية.
- يمكنها تمييز تيار الاندفاع (Inrush Current) أثناء تشغيل المحول ومنع الفصل الخاطئ.
- لا يشترط تطابق محولات التيار.
(4) الحماية التفاضلية ذات المعاوقة المنخفضة (Low Impedance Differential Protection)
التطبيقات:
- حماية القضبان الكهربائية (Busbars) في الأنظمة المعقدة.
المميزات:
- تتطلب ريلاي منفصل لكل قسم (Bay Unit Relay)، ثم يتم دمج الإشارات في وحدة مركزية (Central Unit).
- تكلفتها مرتفعة بسبب تعقيد النظام.
- لا يشترط تطابق محولات التيار.
4. الخلاصة
| النوع | التطبيق | متطلبات محولات التيار | المميزات |
|---|---|---|---|
| High Impedance Differential | القضبان، المولدات، ملف الاستار | متطابقة (Class X) | مقاومة تثبيت عالية، دقة عالية |
| Line/Cable Differential | خطوط النقل والكابلات | غير مشترطة | اتصال عبر قنوات اتصال |
| Percentage Biased Differential | المحولات | غير مشترطة | تصحيح تلقائي للتيار والزاوية، مقاومة لتيار الاندفاع |
| Low Impedance Differential | القضبان المعقدة | غير مشترطة | نظام مركزي مكلف |
الخاتمة
تُعد الحماية التفاضلية من أكثر أنظمة الحماية دقةً وسرعةً في كشف الأعطال الداخلية. يعتمد اختيار النوع المناسب على طبيعة المعدة المراد حمايتها، التكلفة، ومتطلبات الدقة. كما أن استخدام محولات التيار من الفئة X يلعب دورًا حيويًا في تحسين موثوقية النظام، خاصةً في تطبيقات High Impedance Differential بسبب مقاومتها للتشبع واستجابتها الخطية.
يجب على المهندسين مراعاة حسابات محولات التيار (CT Calculations) واختيار نوع الحماية الأمثل لضمان كفاءة النظام ومنع الفصل الخاطئ.
