حماية نظام الطاقة

حماية نظام الطاقة هي مجموعة من التقنيات ومعدات شبكة الطاقة المستخدمة للحد من الأضرار الناجمة عن الأعطال الكهربائية وحماية مكونات الشبكة الأخرى، مثل المولدات وخطوط النقل . ^{[ 1 ]} يُستخدم المصطلح أيضًا للإشارة إلى فرع من هندسة الطاقة الكهربائية يُعنى بالحماية. ^{[ 2 ]} ثمة تداخل بين حماية نظام الطاقة وعمليات تشغيله ، إذ يمكن استخدام معدات الحماية، كغيرها من معدات التبديل ، في عمليات التشغيل. ^{[ 3 ]}

تُستخدم أجهزة الحماية لحماية أنظمة الطاقة من الأعطال عن طريق اكتشافها واتخاذ الإجراءات اللازمة ( فصل الدائرة ). يميز بي إم أندرسون بين أجهزة الاستجابة ، مثل المرحلات الوقائية ، التي "تزيل" العطل بعزله عن باقي النظام، وأجهزة الحماية التي تعالج مصدر الخطر (على سبيل المثال، نظام تبريد قلب المفاعل النووي في حالات الطوارئ). ويركز علم حماية أنظمة الطاقة بشكل أساسي على أجهزة الاستجابة. ^{[ 4 ]}

تعتمد حماية نظام الطاقة على عدد قليل من العناصر الأساسية: ^{[ 5 ]}

• يقوم المستشعر بإجراء قياس (اختبار) لقيمة (على سبيل المثال، التيار الكهربائي في خط نقل)؛
• يقوم جهاز المقارنة بفحص نتيجة الاختبار مقابل عتبة لا يُفترض أن تتجاوزها النتيجة أثناء التشغيل العادي (على سبيل المثال، القيمة القصوى المقبولة للتيار عند اختبار حالة التيار الزائد ). تُسمى القدرة على تحديد حالة غير طبيعية بالحساسية ؛ ^{[ 6 ]}
• عنصر توقيت ( تأخير ) يتحقق من استمرار الحالة (على سبيل المثال، إذا تم مسح عطل بواسطة جهاز حماية آخر بإعداد تأخير أصغر، فلا ينبغي لهذا الجهاز اتخاذ أي إجراء)؛
• عنصر الفعل (عادةً ما يكون فتح الدائرة ).

تشمل أجهزة الحماية، ^{[ 7 ]} تحت مسمى شائع هو " مفاتيح التبديل ": ^{[ 8 ]}

• تعتبر الصمامات أبسط أجهزة الحماية التي تجمع بين استشعار التيار الزائد والتأخير والتشغيل في جزء واحد قابل للانصهار لفتح الدائرة؛ ^{[ 9 ]}
• تقوم المرحلات الوقائية باستشعار العطل وبدء أمر الفصل أو الإيقاف؛
• تستخدم قواطع الدائرة الكهربائية أوامر من المرحلات وأجهزة إعادة التوصيل التلقائي لفتح/إغلاق الدائرة الكهربائية . وتكون قواطع نظام الحماية آمنة للفتح في حالة وجود تيار عطل .
• أجهزة إعادة التوصيل وأجهزة الفصل .

يتطلب توصيل أجهزة الحماية بالشبكة عادةً أجهزة إضافية:

• تُستخدم محولات القياس ، سواء التيار أو الجهد ، لعزل الأجهزة (ذات الجهد المنخفض في الغالب) عن مستويات الإرسال؛ ^{[ 10 ]}
• تضمن البطاريات الكهربائية (مع الشواحن) استمرار التشغيل في حالة انقطاع التيار الكهربائي ؛ ^{[ 11 ]}
• تُستخدم اتصالات البيانات للحصول على التيار والجهد عند الأطراف البعيدة للخط وللسماح بفصل المعدات عن بُعد. ^{[ 12 ]}

باستثناء قاطع الدائرة، يتم نشر مكونات جهاز الحماية بشكل متكرر بطريقة زائدة عن الحاجة . ^{[ 13 ]}

يهدف نظام الحماية إلى الحفاظ على استقرار شبكة الطاقة الكهربائية عن طريق عزل المكونات المعطلة فقط، مع إبقاء أكبر قدر ممكن من الشبكة قيد التشغيل، مما يقلل من فقدان الأحمال . ^{[ 14 ]} تُسمى هذه الخاصية لنظام الحماية بالانتقائية . ^{[ 6 ]} ولتحقيق الانتقائية، تُقسّم شبكة الطاقة إلى مناطق حماية ، تحتوي كل منها على أحد مكونات الشبكة ( مولد ، ناقل، محول ، خط نقل أو توزيع ، محرك ) التي يجب حمايتها. لكل منطقة جهاز حماية خاص بها، وتوفر حساسية للأعطال ضمن حدودها. في حال حدوث عطل في منطقة معينة، تُتخذ الإجراءات اللازمة لعزل تلك المنطقة عن الشبكة بأكملها (تُفتح جميع قواطع الدائرة في المنطقة المعطلة لعزل العطل). تتداخل حدود المناطق بحيث لا يبقى أي جزء من الشبكة دون حماية، وعادةً ما تُحيط المناطق المتداخلة بقواطع الدائرة بمجموعتين من محولات القياس والمرحلات لكل قاطع دائرة. تُعاني مناطق الحساسية المتداخلة من عيب يتمثل في احتمال تعطل عدة مرحلات عند وقوع العطل في منطقة التداخل. ^{[ 15 ]} على سبيل المثال، ما لم تُتخذ ترتيبات خاصة، قد يتسبب قصر الدائرة فوق المرحل A، ولكن ضمن المنطقة الزرقاء في الرسم التخطيطي، في حدوث تيار زائد في المرحلات A وC وD، مما يؤدي إلى تعطلها، مع كون التعطلين الأخيرين زائدين عن الحاجة. يمكن تجنب ذلك باستخدام مرحلات متخصصة ( مرحلات المسافة أو الاتجاه ) أو بتنسيق عمل المرحلات عبر قناة اتصال ("مرحل تجريبي"). على أي حال، تُصمم مناطق التداخل لتكون بأصغر حجم ممكن، بحيث عند حدوث عطل في منطقة تداخل وعزل المنطقتين اللتين تشملان العطل، يتم عزل قطاع نظام الطاقة. ^{[ 16 ]}

يمكن تصنيف الأعطال حسب مستوى ديمومتها الذي يؤثر على إمكانية إعادة الإغلاق التلقائي : ^{[ 19 ]}

• يزول العطل العابر بسرعة بمجرد فتح الخط (على سبيل المثال، حدوث وميض كهربائي فوق عازل على برج نقل الطاقة بسبب البرق). ولن يؤدي إعادة إغلاق الخط بسرعة إلى ظهور العطل مرة أخرى. وتمثل الأعطال العابرة الغالبية العظمى من الأعطال على خطوط نقل الطاقة الهوائية .
• الأعطال شبه الدائمة ، مثل تلامس الأشجار ، هي أعطال قد تختفي من تلقاء نفسها إذا تُركت تحترق لفترة قصيرة (قد يحترق غصن شجرة). تحدث الأعطال شبه الدائمة بشكل متكرر في خطوط النقل الفرعية وتوزيع الكهرباء ؛
• يجب إصلاح العطل الدائم . معظم الأعطال في كابلات الطاقة الأرضية دائمة.

قد تتعرض العديد من معدات الشبكة الكهربائية لأعطال داخلية. ويمكن تصنيف هذه الأعطال إلى أعطال داخلية وخارجية . فعلى سبيل المثال، قد يتعرض محول كهربائي لزيادة في الضغط داخل وعاء الاحتواء الخاص به ، دون أن يؤدي السبب الجذري (كارتفاع درجة الحرارة الموضعي مثلاً) إلى إطلاق أي إنذارات أخرى. أما بالنسبة للمحول نفسه، فتمثل حالة التحميل الزائد عطلاً خارجياً. ^{[ 20 ]}

يمكن تصنيف المرحلات حسب حساسيتها لموقع العطل:

• لا يوفر المرحل غير الاتجاهي معلومات حول موقع العطل، وهذا هو أبسط أشكال مرحل التيار الزائد . على سبيل المثال، في نظام توزيع الطاقة الكهربائية الشعاعي ، يتدفق التيار دائمًا إلى أطراف الحمل، لذا لا حاجة لاستشعار اتجاهه، لأن حالة التيار الزائد تشير دائمًا إلى وجود دارة قصر على جانب الحمل؛ ^{[ 21 ]}
• يقوم المرحل الاتجاهي بمقارنة الطور الحالي مع الطور المرجعي، ولا يقوم بتنفيذ الإجراء إلا إذا كان اتجاه العطل يتطابق مع الاتجاه المحدد؛ ^{[ 22 ]}
• يقارن المرحل التفاضلي قيم القياسات الكهربائية على مدخل ومخرج الجهاز المحمي. على سبيل المثال، في المحول الكهربائي ، ترتبط قيم الجهد والتيار عند المدخل والمخرج بنسبة التحويل ، وتشير الانحرافات الكبيرة عن هذه النسبة الثابتة إلى وجود عطل؛ ^{[ 23 ]}
• يُحدد مرحل المسافة بُعد العطل بحساب المعاوقة الكهربائية للخط كما يراها المرحل، وذلك بناءً على التيار والجهد وفرق الطور بينهما. ويمكن استخدام معرفة المسافة لمنع الفصل عندما يكون العطل في منطقة خاطئة؛ ^{[ 22 ]}
• يستشعر مرحل الحماية التجريبي الظروف على الطرف الآخر من الخط من خلال قناة اتصال (مرحل تجريبي سلكي، مرحل تجريبي ناقل، مرحل تجريبي ميكروويف، ومرحل تجريبي ألياف ضوئية). ^{[ 24 ]}

في القرن الحادي والعشرين، تُجرى العديد من اختبارات الكشف عن الحالات غير الطبيعية بواسطة مرحلات رقمية متعددة الوظائف تستخدم الحواسيب لإجراء الحسابات. وتستخدم القياسات الفردية مُعرّفات مُبهمة من قائمة أرقام أجهزة ANSI ، مثل "50" لـ "مرحل التيار الزائد الفوري" أو "87L" لـ "مرحل التيار التفاضلي المنفصل للخط".

تاريخياً، مرّت صناعة الطاقة بأجيال متعددة من أجهزة الاستشعار والمقارنات، مع الاحتفاظ بالمصطلحات وبعض الأجهزة:

• تُعدّ المرحلات الكهروميكانيكية أبسط الأجهزة المستخدمة للحماية منذ بدايات صناعة الطاقة الكهربائية. على سبيل المثال، مرحل التيار الزائد ذو القرص الحثي هو مرحل تيار زائد يستخدم قرصًا حثيًا كعنصر استشعار وتوقيت؛ ^{[ 25 ]}
• تم إدخال المرحلات الإلكترونية ، المزودة بمقارنات وكاشفات مستوى، ببطء على مدى فترة طويلة من الزمن بدءًا من ثلاثينيات القرن العشرين. وتسارعت هذه العملية مع ظهور الترانزستور في خمسينيات القرن العشرين. ^{[ 26 ]}
• تم اقتراح المرحلات الرقمية في عام 1969، لكنها لم تنتشر على نطاق واسع إلا مع إدخال المعالج الدقيق في أوائل السبعينيات. ^{[ 26 ]}

تقوم معدات مراقبة الأعطال (DME) بمراقبة وتسجيل بيانات النظام المتعلقة بالعطل . وتؤدي معدات مراقبة الأعطال ثلاثة أغراض رئيسية:

• التحقق من صحة النموذج،
• التحقيق في الاضطرابات، و
• تقييم أداء حماية النظام. ^{[ 36 ]}

تشمل أجهزة DME ما يلي: ^{[ 37 ]}

• سلسلة مسجلات الأحداث، التي تسجل استجابة المعدات للحدث
• مسجلات الأعطال، التي تسجل بيانات شكل الموجة الفعلية للجهود والتيارات الأولية للنظام
• مسجلات الاضطرابات الديناميكية (DDRs)، التي تسجل الحوادث التي تصور سلوك نظام الطاقة أثناء الأحداث الديناميكية مثل التذبذبات منخفضة التردد (0.1  هرتز - 3  هرتز) والانحرافات غير الطبيعية في التردد أو الجهد.

يُعرّف مهندسو الحماية الموثوقية بأنها ميل نظام الحماية للعمل بشكل صحيح عند حدوث أعطال داخل نطاق الحماية. أما الأمان، فيُعرّفونه بأنه عدم عمل النظام عند حدوث أعطال خارج نطاق الحماية. وتُعدّ كل من الموثوقية والأمان من مسائل الموثوقية. ويُعدّ تحليل شجرة الأعطال إحدى الأدوات التي يُمكن لمهندس الحماية من خلالها مقارنة الموثوقية النسبية لأنظمة الحماية المقترحة. ويُعدّ قياس موثوقية الحماية أمرًا بالغ الأهمية لاتخاذ أفضل القرارات بشأن تحسين نظام الحماية، وإدارة المفاضلات بين الموثوقية والأمان، وتحقيق أفضل النتائج بأقل تكلفة. ويُعدّ الفهم الكمّي ضروريًا في قطاع المرافق التنافسي. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

• الموثوقية: يجب أن تعمل الأجهزة باستمرار عند حدوث أعطال، بغض النظر عن احتمال بقائها في وضع الخمول لأشهر أو سنوات. وبدون هذه الموثوقية، قد تتسبب الأنظمة في أضرار مكلفة.
• الانتقائية: يجب أن تتجنب الأجهزة الرحلات غير المبررة والخاطئة.
• السرعة: يجب أن تعمل الأجهزة بسرعة لتقليل تلف المعدات ومدة الأعطال، مع وجود تأخيرات زمنية دقيقة للغاية ومتعمدة فقط.
• الحساسية: يجب على الأجهزة اكتشاف حتى أصغر قيمة للأعطال والاستجابة لها.
• الاقتصاد: يجب أن توفر الأجهزة أقصى قدر من الحماية بأقل تكلفة.
• البساطة: يجب أن تقلل الأجهزة من دوائر الحماية والمعدات.

الموثوقية: الاعتمادية مقابل الأمان

هناك جانبان أساسيان لتشغيل أنظمة الحماية بكفاءة: الموثوقية والأمان. ^{[ 40 ]} الموثوقية هي قدرة نظام الحماية على العمل عند الحاجة لإزالة عنصر معطل من شبكة الطاقة. أما الأمان فهو قدرة نظام الحماية على الامتناع عن العمل أثناء حدوث عطل خارجي. ويتطلب اختيار التوازن الأمثل بين الأمان والموثوقية عند تصميم نظام الحماية خبرة هندسية، ويختلف ذلك باختلاف كل حالة.

• محدد تيار العطل
• محلل الشبكة (طاقة التيار المتردد)
• تيار قصر الدائرة المتوقع
• أرقام أجهزة ANSI

• أندرسون، بول م. (998-12-09). حماية أنظمة الطاقة (ملف PDF) . نيويورك: مطبعة وايلي-IEEE. ISBN 0-7803-3427-2.
• بانسال، راميش (2019). حماية أنظمة الطاقة في بيئات الشبكات الذكية . بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-429-40175-6.
• دينهولم، بول؛ كروبوسكي، بن (2022). "فهم حماية أنظمة الطاقة في مستقبل الطاقة النظيفة" (ملف PDF) . المختبر الوطني للطاقة المتجددة . غولدن، كولورادو: NREL . تاريخ الاسترجاع: 8 يوليو 2025 .
• خان ، شهريار (2013-05-01). حماية نظام الطاقة . شهريار خان. رقم ISBN 978-984-33-7320-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-06-2025 .
• ماسون، سي. راسل (15 يناير 1956). فن وعلم الترحيل الوقائي . نيويورك: وايلي [ua] ISBN 978-0-471-57552-8.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )