عطل كهربائي

في نظام الطاقة الكهربائية ، يُعرَّف العطل بأنه خلل يؤدي إلى اضطراب في التيار الكهربائي . ويُطلق مصطلح تيار العطل على أي تيار كهربائي غير طبيعي. على سبيل المثال، يُعدّ قصر الدائرة الكهربائية ، حيث يلامس سلك كهربائي حيّ سلكًا محايدًا أو سلكًا أرضيًا، عطلًا. أما عطل الدائرة المفتوحة فيحدث عند انقطاع الدائرة الكهربائية نتيجة عطل في سلك يحمل التيار (سلك الطور أو السلك المحايد) أو بسبب احتراق المصهر أو قاطع الدائرة . وفي حالة عطل التأريض ، يتدفق التيار إلى الأرض.

في نظام متعدد الأطوار ، قد يؤثر العطل على جميع الأطوار بالتساوي، وهو ما يُعرف بـ"العطل المتناظر". أما إذا تأثرت بعض الأطوار فقط، يصبح تحليل "العطل غير المتناظر" أكثر تعقيدًا. غالبًا ما يُبسط تحليل هذا النوع من الأعطال باستخدام طرق مثل المكونات المتناظرة . في أنظمة ثلاثية الأطوار ، قد يشمل العطل طورًا واحدًا أو أكثر والأرض، أو قد يحدث فقط بين الأطوار.

يمكن حساب تيار قصر الدائرة المتوقع لعطل يمكن التنبؤ به في معظم الحالات. في أنظمة الطاقة، تستطيع أجهزة الحماية اكتشاف حالات الأعطال وتشغيل قواطع الدائرة وغيرها من الأجهزة للحد من انقطاع الخدمة الناتج عن العطل. ويُعد تصميم أنظمة اكتشاف أعطال أنظمة الطاقة وقطعها الهدف الرئيسي لحماية أنظمة الطاقة .

تُصنّف الصدوع، بحسب مدة استمرارها، إلى صدوع عابرة، وشبه مستمرة، ومستمرة. ^{[ 1 ]} وبحسب تناظرها، تُصنّف إلى صدوع غير متناظرة وصدوع متناظرة. وبحسب مصدرها، تُصنّف إلى صدوع داخلية وصدوع خارجية.

عمليًا، قد تتراوح المقاومة في حالة العطل من قريبة من الصفر إلى قيمة عالية نسبيًا مقارنةً بمقاومة الحمل. وقد يُستهلك قدر كبير من الطاقة في حالة العطل، مقارنةً بحالة انعدام المعاوقة حيث تكون الطاقة معدومة. كما أن الأقواس الكهربائية غير خطية للغاية، لذا فإن نموذج المقاومة البسيط لا يُعدّ نموذجًا دقيقًا. يجب مراعاة جميع الحالات الممكنة لإجراء تحليل جيد. ^{[ 6 ]}

يمكن تحليل الأعطال المتناظرة باستخدام نفس أساليب تحليل أي ظاهرة أخرى في أنظمة الطاقة، وفي الواقع، توجد العديد من البرامج الحاسوبية التي تُجري هذا النوع من التحليل تلقائيًا (انظر دراسة تدفق الطاقة ). ومع ذلك، توجد طريقة أخرى لا تقل دقة، بل هي عادةً أكثر فائدة.

في البداية، تُوضع بعض الافتراضات التبسيطية. يُفترض أن جميع المولدات الكهربائية في النظام متوافقة في الطور، وتعمل عند الجهد الاسمي للنظام. ويمكن اعتبار المحركات الكهربائية مولدات أيضًا، لأنها عادةً ما تُزوّد ​​الطاقة بدلًا من سحبها عند حدوث عطل. ثم تُحسب الجهود والتيارات لهذه الحالة الأساسية .

بعد ذلك، يُفترض أن موقع العطل مزود بمصدر جهد سالب ، يساوي الجهد عند ذلك الموقع في الحالة الأساسية، بينما تُضبط جميع المصادر الأخرى على الصفر. وتعتمد هذه الطريقة على مبدأ التراكب .

للحصول على نتيجة أكثر دقة، ينبغي إجراء هذه الحسابات بشكل منفصل لثلاث فترات زمنية منفصلة:

• يأتي التيار شبه العابر أولاً، ويرتبط بأكبر التيارات
• يقع العابر بين شبه العابر والحالة المستقرة
• يحدث الاستقرار بعد أن تتاح لجميع الحالات العابرة فرصة الاستقرار.

يُخلّ العطل غير المتماثل بالافتراضات الأساسية المستخدمة في تحليل الطاقة ثلاثية الأطوار، وهي أن الحمل متوازن على جميع الأطوار الثلاثة. ونتيجةً لذلك، يستحيل استخدام أدوات مثل مخطط الخط الواحد مباشرةً ، حيث يُؤخذ طور واحد فقط في الاعتبار. مع ذلك، ونظرًا لخطية أنظمة الطاقة، فمن المعتاد اعتبار الفولتيات والتيارات الناتجة بمثابة تراكب لمكونات متماثلة ، والتي يمكن تطبيق تحليل ثلاثي الأطوار عليها.

في طريقة المكونات المتناظرة، يُنظر إلى نظام الطاقة على أنه تراكب لثلاثة مكونات:

• مكون التسلسل الموجب ، حيث تكون الأطوار بنفس ترتيب النظام الأصلي، أي abc
• مكون التسلسل السلبي ، حيث تكون الأطوار بترتيب معاكس للنظام الأصلي، أي acb
• مكون التسلسل الصفري ، وهو ليس نظامًا ثلاثي الأطوار حقًا، ولكن بدلاً من ذلك تكون جميع الأطوار الثلاثة متوافقة في الطور مع بعضها البعض.

لتحديد التيارات الناتجة عن عطل غير متماثل، يجب أولاً معرفة معاوقات التتابع الصفري والموجب والسالب لوحدات خطوط النقل والمولدات والمحولات المعنية. ثم تُنشأ ثلاث دوائر منفصلة باستخدام هذه المعاوقات. بعد ذلك، تُوصل الدوائر الفردية معًا بترتيب معين يعتمد على نوع العطل قيد الدراسة (يمكن إيجاد ذلك في معظم كتب أنظمة الطاقة). بمجرد توصيل دوائر التتابع بشكل صحيح، يمكن تحليل الشبكة باستخدام تقنيات تحليل الدوائر الكلاسيكية. ينتج عن الحل جهود وتيارات موجودة كمكونات متماثلة؛ يجب تحويلها مرة أخرى إلى قيم طورية باستخدام مصفوفة A.

يُعد تحليل تيار القصر المتوقع ضروريًا لاختيار أجهزة الحماية مثل المصهرات وقواطع الدائرة . ولضمان حماية الدائرة بشكل صحيح، يجب أن يكون تيار العطل مرتفعًا بما يكفي لتشغيل جهاز الحماية في أقصر وقت ممكن؛ كما يجب أن يكون جهاز الحماية قادرًا على تحمل تيار العطل وإخماد أي أقواس كهربائية ناتجة دون أن يتلف أو أن يستمر القوس الكهربائي لفترة طويلة.

The magnitude of fault currents differ widely depending on the type of earthing system used, the installation's supply type and earthing system, and its proximity to the supply. For example, for a domestic UK 230 V, 60 A TN-S or USA 120 V/240 V supply, fault currents may be a few thousand amperes. Large low-voltage networks with multiple sources may have fault levels of 300,000 amperes. A high-resistance-grounded system may restrict line to ground fault current to only 5 amperes. Prior to selecting protective devices, prospective fault current must be measured reliably at the origin of the installation and at the furthest point of each circuit, and this information applied properly to the application of the circuits.

Overhead power lines are easiest to diagnose since the problem is usually obvious, e.g., a tree has fallen across the line, or a utility pole is broken and the conductors are lying on the ground.

Locating faults in a cable system can be done either with the circuit de-energized, or in some cases, with the circuit under power. Fault location techniques can be broadly divided into terminal methods, which use voltages and currents measured at the ends of the cable, and tracer methods, which require inspection along the length of the cable. Terminal methods can be used to locate the general area of the fault, to expedite tracing on a long or buried cable.^[7]

In very simple wiring systems, the fault location is often found through inspection of the wires. In complex wiring systems (for example, aircraft wiring) where the wires may be hidden, wiring faults are located with a Time-domain reflectometer.^[8] The time domain reflectometer sends a pulse down the wire and then analyzes the returning reflected pulse to identify faults within the electrical wire.

In historic submarine telegraph cables, sensitive galvanometers were used to measure fault currents; by testing at both ends of a faulted cable, the fault location could be isolated to within a few miles, which allowed the cable to be grappled up and repaired. The Murray loop and the Varley loop were two types of connections for locating faults in cables

Sometimes an insulation fault in a power cable will not show up at lower voltages. A "thumper" test set applies a high-energy, high-voltage pulse to the cable. Fault location is done by listening for the sound of the discharge at the fault. While this test contributes to damage at the cable site, it is practical because the faulted location would have to be re-insulated when found in any case.^[9]

في نظام توزيع مؤرض ذي مقاومة عالية، قد يحدث عطل أرضي في أحد خطوط التغذية، لكن النظام يستمر في العمل. يمكن تحديد خط التغذية المعطل، ولكنه لا يزال موصولاً بالتيار، باستخدام محول تيار حلقي يجمع جميع أسلاك الطور في الدائرة؛ فقط الدائرة التي تحتوي على العطل الأرضي هي التي ستُظهر تيارًا صافيًا غير متوازن. لتسهيل اكتشاف تيار العطل الأرضي، يمكن تبديل مقاومة التأريض في النظام بين قيمتين بحيث ينبض تيار العطل.

غالباً ما يقدم المصنع قيمة تيار العطل المتوقع للبطاريات الأكبر حجماً، مثل بطاريات الدورة العميقة المستخدمة في أنظمة الطاقة المستقلة .

في أستراليا، عندما لا يتم تقديم هذه المعلومات، يجب اعتبار تيار العطل المحتمل بالأمبير "بمعدل 6 أضعاف سعة البطارية الاسمية عند معدل C ₁₂₀ أمبير ساعة"، وفقًا للجزء 2 من AS 4086 (الملحق H).

• السلامة الكهربائية
• عطل (تكنولوجي)

عام