حماية نظام الطاقة: أهمية هذه الأنظمة ومتطلباتها وأهم عناصرها

حماية نظام الطاقة من المتطلبات الأساسية في أي نظام كهربائي نظرًا لأنّه منطقة استثمار عالية التكاليف، لذا كلما أردنا زيادة موثوقية الكهرباء كلما كنا بحاجة أكبر لحمايتها.

تابع معنا في السطور التالية لتتعرف على الأهداف الأساسية من أنظمة حماية الطاقة ولِم لا ينبغي تجاهلها، إضافةً إلى الاطلاع على أهم متطلبات نظام حماية الطاقة والعناصر المستخدمة فيه.

ما هو الهدف من حماية نظام الطاقة؟

حماية نظام الطاقة (power system protection) هو فرع من فروع الهندسة الكهربائية، الذي يهتم بمراقبة والتحكم في عمل النظم الكهربائية، بأشكالها المختلفة البسيط منها والمعقد، والدارات الكهربائية، من أجل المحافظة على استقرار نظام الطاقة وإبقاء شبكات التوزيع والنقل ثابتة.

بيدَ أنَّ الهدف الرئيسي من حماية نظام الطاقة هو منع وقوع المزيد من الأعطال والمشاكل لنظام ما عند حدوث عطل أو قِصر أو ماس في أحد أجزاء النظام.

وذلك يتم من خلال عزل القسم المعيب من النظام الكهربائي عن باقي أجزاء النظام المرتبطة السليمة لمنع تلف وحماية المعدات والمكونات، بحيث يضمن استمرار عمل النظام السليم بشكلٍ صحيح من دون أن يلحق به أي ضرر كبير نتيجةً لتيار العطل الكبير نسبيًا الناتج عن الجزء المعيب.

من الأهداف الأخرى لحماية النظام، أن يستمر بعمله دون أي تعثر في ظروف العمل الطبيعية.

ما هي أهم المتطلبات التي يجب توافرها لحماية نظام الطاقة؟

حقيقةً لا يمكن لحماية نظام الطاقة منع تدفق تيار العطل أو القِصر بشكل فعلي عن النظام، لكن كل ما يقوم به هو قطع الطريق أمامه بسرعة كبيرة لإيقافه، ولتحقيق هذا الأمر بالسرعة المطلوبة يجب على مرحلات الحماية أن تتمتع بالمتطلبات الرئيسية التالية:

- الموثوقية

أهم المتطلبات التي يجب أن يتمتع بها مُرحل الحماية، والتي تعني بقاء المرحل معطلًا طالما لا يوجد أي خطأ في النظام، لكن بمجرد حدوث خطأ أو عطل ما يجب على المرحلات أن تستجيب على الفور وبآلية صحيحة.

- الانتقائية

تصف هذه الصفة الحالة التي يجب أن يعمل فيها المرحل في الوقت المناسب نتيجةً لعمل جميع مرحلات نظام الطاقة عند حدوث العطل، حيث من الممكن في بعض الظروف النموذجية عند حدوث الخطأ عدم تشغيل أو تشغيل بعض المرحلات بتأخير زمني محدد، وبالتالي يجب على المرحل أن يكون قادرًا على كشف الحالة التي ينبغي عمله بها.

- الحساسية

يجب على المرحلات أن تكون ذات درجة عالية من الحساسية بحيث تعمل بشكل موثوق عند تجاوز مستوى الخطأ، سواء تيار أو جهد أو زاوية طور، مستوى معين محدد.

- السرعة

هنا تكمن جودة الحماية، سرعة الفصل قبل حدوث الأسوأ، يجب على المرحلات أن تعمل بسرعة كافية بحيث لا يؤثر حدوث الخطأ في أحد الأجزاء على بقية الأجزاء السليمة.

قد يعبر قسم من تيار العطل إلى الجزء السليم نظرًا لأنّ جميع الأجزاء مرتبطة كهربائيًا، لكن لا يجب أن تعمل مرحلات هذا الجزء بسرعة أكبر من مرحلات الجزء المعيب وإلا من الممكن أن يحدث فصل في النظام السليم غير مرحب به.

لكن في حالة لم يعمل مرحل الجزء المعيب في الوقت المناسب بسبب أي مشكلة أو خلل فيه، هنا يجب أن يعمل المرحل التالي له في الجزء السليم من النظام لوحده فقط لعزل الخطأ.

من خلال اتباع دورة حماية أنظمة الطاقة الكهربائية ستتعرف أكثر على الأهداف والمتطلبات في هذا القطاع.

ما هي أهم العناصر المستخدمة في حماية نظام الطاقة؟

تستخدم مجموعة كبيرة من العناصر الكهربائية في حماية نظام الطاقة، سواء للتيار المتردد (AC) أو المستمر (DC)، من أهمها:

- المنصهر أو الفيوز (Fuse):

أحد مكونات نظم الحماية للطاقة، عبارة عن عنصر صغير يحتوي على سلك صغير بداخله، يذوب السلك وينصهر في الظروف غير العادية عندما يتجاوز التيار المار عبره قيمة التيار المصمم عندها.

تتميز الفيوزات بأنّها عناصر مستقلة في نظام القدرة الكهربائية فهي ليست بحاجة إلى مصدر طاقة خارجي لتعمل مثل بقية العناصر التي تتطلب ذلك.

- محولات الأدوات أو الصك (Instrument Transformer):

يعتمد تحقيق حماية دقيقة للٱنظمة على قياس جميع الظروف الطبيعية وغير الطبيعية لتلك الأنظمة بشكل صحيح، من خلال قياس معاملات الجهد والتيار يتم تحديد إن كان النظام سليمًا أم يوجد مشكلة فيه.

تعمل محولات الصك كمحول فعلي ضمن النظام، حيث تقوم بتخفيض التيار أو الجهد، حسب وظيفتها محول جهد أو محول تيار، إلى مستويات يكون المرحل قادر على التعامل معها، إضافةً إلى ذلك تُعزل دارة الترحيل عن دارة الجهد العالي للنظام ككل لحمايتها من العطب.

في حال استخدام محول جهد فإنّه يربط بالتوازي مع الخط المطلوب حمايته، أمّا باستخدام محول تيار فإنّه يربط على التسلسل مع الخط الذي سيتم قياس التيار فيه.

- المُرحل أو الريلاي (Relay):

تعد الريلاي ﻣﻦ الحساسات نظرًا لقدرتها على اتخاذ القرارات عند اكتشاف الأخطاء، حيث تعتبر بمثابة العقل المفكر لأنظمة الطاقة.

تقيس المرحلات الجهود والتيارات المارة في الدارة بشكل مستمر وتحولها إلى إشارات رقمية أو تشابهية تقارنها مع قيم مضبوطة لديها، لتتخذ القرار حينها باستمرار وصل الدارة أو فصلها.

للمرحلات وظيفتين أساسيتين هما التنبيه من حدوث الخطأ والقيام بالرحلة بمجرد اكتشافه.

خلال السنين الماضية كانت المرحلات بحجم كبير وذات وظائف محدودة لكن مع التطور التكنولوجي والصناعي أصبحت المرحلات الحديثة بأحجام مختلفة تصل إلى النانوية وقادرة على مراقبة معاملات مختلفة وإعطاء تقارير كاملة عن تاريخ النظام.

- القواطع الكهربائية (Circuit Breaker)

القواطع الكهربائية هي عبارة عن مفاتيح فصل/ وصل تعمل بالكهرباء، تستطيع هذه المفاتيح فتح وإغلاق الدوائر الكهربائية بأمان ووثوقية.

في الحالة الطبيعية عند عدم وجود أي خلل في النظام تكون تلامسات قاطع الحماية مغلقة، وبمجرد حدوث الخلل يتنشط ملف الرحلة ويطلق مزلاجًا يتسبب في ارتخاء نابض الإغلاق ليفتح بسرعة ويعزل الدارة.

تُصنف القواطع وفقًا لمجموعة من الاعتبارات كالتصميم مثل قواطع القوس الكهربائي، وآلية الاستخدام ومستويات الجهد مثل قواطع الجهد المنخفض والعالي، وغيرها الكثير.

- البطارية (Battery):

البطاريات مهمة جداً في أنظمة حماية نظام الطاقة، فهي تستخدم لضمان عدم انقطاع التغذية عن الاجهزة ومكونات النظام، إذ لا بد لعمل بعض العناصر مثل المرحلات والقواطع التزود بالطاقة من مصادر خارجية لا تتأثر بالأعطال.

- جهاز الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):

لا تقوم هذه الأجهزة بحماية النظام وحسب بل تحمي أيضًا العمال، تعمل على تجميع الشحنات الزائدة التي من شأنها أن تلحق ضررًا في دائرة الحماية وأن تتسبب في حدوث خلل من خلال تفريغها في الأرض.

- واقي التدفق (Surge Protection):

واقي التدفق أو جهاز الحماية من الطفرات، هو جهاز يحمي المعدات الكهربائية من زيادات التيار المفاجئة عن طريق كبت طفرات الجهد، حيث يعمل الجهاز على تقييد الجهد الزائد ضمن جهاز كهربائي وإبقائه تحت عتبة الأمان.

ختامًا

تُستخدم جميع العناصر السابقة على نطاق واسع في معظم أنظمة الحماية وهي بحاجة لدراسة واختيار دقيق ومناسب للحالة عند تركيب النظام لضمان التشغيل السليم لها.

يقدم مركز لندن بريمير للتدريب برنامج تكامل الطاقة المتجددة يمكنك الآن تسجيل فيه للاطلاع أكثر حول هذا المجال.