تحليل حماية المحولات في حماية المرحلات

1. الأعطال الشائعة والعيوب في المحولات

يمكن تقسيم أعطال المحولات إلى أعطال داخلية وأعطال خارجية.

تشير الأعطال الداخلية إلى الأعطال التي تحدث داخل الغلاف، بما في ذلك أعطال قصر الدائرة بين أطوار اللفات، وأعطال قصر الدائرة بين لفات اللفات أحادية الطور، وأعطال قصر الدائرة بين اللفات والقلوب الحديدية، وأعطال فصل اللفات.

تشير الأعطال الخارجية إلى أعطال قصر الدائرة بين الأطوار المختلفة بين أسلاك التوصيل الخارجية للمحول، وأعطال التأريض أحادية الطور التي تحدث عندما يمر العازل الموجود على أسلاك التوصيل عبر غلاف الصندوق.

يُعدّ تعطل المحول الكهربائي خطيرًا للغاية. فعند حدوث عطل داخلي، يتسبب القوس الكهربائي ذو درجة الحرارة العالية الناتج عن تيار القصر في احتراق العازل والقلب الحديدي لملفات المحول، كما يؤدي إلى تحلل زيت المحول وانبعاث كمية كبيرة من الغازات، مما قد يتسبب في تشوه غلاف المحول أو حتى انفجاره. لذا، يجب فصل التيار الكهربائي فور تعطل المحول.

تشمل الحالات غير الطبيعية للمحول بشكل رئيسي: زيادة الحمل، وانخفاض مستوى الزيت، وزيادة التيار الناتج عن قصر الدائرة الخارجية، وارتفاع درجة حرارة زيت المحول أثناء التشغيل، وارتفاع درجة حرارة الملفات، وارتفاع ضغط المحول، وتعطل نظام التبريد. عند وجود المحول في حالة تشغيل غير طبيعية، يجب إطلاق إشارة إنذار.

2. تكوين حماية المحول

الحماية الرئيسية من أعطال الدائرة القصيرة: الحماية التفاضلية الطولية بشكل أساسي، والحماية من الغازات الثقيلة، وما إلى ذلك.

الحماية الاحتياطية لأعطال الدائرة القصيرة: بشكل رئيسي الحماية من التيار الزائد عن طريق حجب الجهد المركب، والحماية من التيار الزائد عن طريق التسلسل الصفري (الاتجاه)، والحماية من المعاوقة المنخفضة، وما إلى ذلك.

حماية التشغيل غير الطبيعي: تشمل بشكل أساسي الحماية من الحمل الزائد، والحماية من الإثارة الزائدة، والحماية من الغاز الخفيف، والحماية من فجوة النقطة المحايدة، والحماية من درجة حرارة الزيت ومستوى الزيت والحماية من فشل نظام التبريد، وما إلى ذلك.

3. الحماية من الكهرباء

تُعرف حماية المحولات باستخدام مؤشرات غير كهربائية، مثل الزيت والغاز ودرجة حرارة المحول، بالحماية غير الكهربائية. وتشمل هذه الحماية بشكل أساسي حماية الغاز، وحماية الضغط، وحماية درجة الحرارة، وحماية مستوى الزيت، وحماية إيقاف التبريد. وتعمل الحماية غير الكهربائية عن طريق الفصل أو إرسال إشارة كهربائية حسب متطلبات الموقع.

(1) الحماية من الغاز

عند حدوث عطل داخل المحول، وبسبب تأثير تيار القصر والقوس الكهربائي عند نقطة القصر، يتولد قدر كبير من الغاز داخل المحول، مما يؤدي إلى تسارع تدفق الزيت فيه. وتُسمى الحماية التي تُحقق باستخدام الغاز وتدفق الزيت بالحماية الغازية.

الحماية من الغاز الخفيف: عند حدوث عطل أو خلل طفيف داخل المحول، ترتفع درجة حرارة نقطة العطل جزئيًا، مما يتسبب في تمدد جزء من الزيت، ويشكل الغاز الموجود في الزيت فقاعات ويدخل إلى مرحل الغاز، وتعمل الحماية من الغاز الخفيف على إرسال إشارة غاز خفيف.

حماية الغازات الثقيلة: عند حدوث عطل خطير في خزان زيت المحول، يكون تيار العطل عاليًا، ويتسبب القوس الكهربائي في تحلل كمية كبيرة من زيت المحول، مما يؤدي إلى تدفق كمية كبيرة من الغاز والزيت. يقوم حاجز الصدمات بتفعيل مرحل حماية الغازات الثقيلة، ويرسل إشارة تحذيرية، ويفصل التيار الكهربائي. قم بإزالة المحول.

يُعد نظام الحماية بالغاز الثقيل الوسيلة الرئيسية للحماية من الأعطال الداخلية لخزان الزيت، وهو قادر على رصد مختلف الأعطال داخل المحول. عند حدوث عدد قليل من حالات قصر الدائرة بين لفات المحول، ورغم ارتفاع تيار العطل، قد لا يكون فرق التيار المتولد في نظام الحماية التفاضلية كبيرًا، ما قد يؤدي إلى تعطل هذا النظام. لذا، في حالة الأعطال الداخلية للمحول، يُعتمد على نظام الحماية بالغاز الثقيل لإزالة العطل.

(2) الحماية من الضغط

يُعد نظام الحماية من الضغط الحماية الرئيسية ضد الأعطال الداخلية في خزان المحول. ويحتوي على صمام لتخفيف الضغط ونظام حماية من التغيرات المفاجئة في الضغط، ويُستخدم للاستجابة لضغط زيت المحول.

(3) الحماية من درجة الحرارة ومستوى الزيت

عندما ترتفع درجة حرارة المحول إلى قيمة التحذير، سيرسل نظام الحماية من الحرارة إشارة إنذار، وسيبدأ تشغيل المبرد الاحتياطي.

عندما يتسرب زيت المحول أو ينخفض ​​مستوى الزيت لأسباب أخرى، سيعمل نظام حماية مستوى الزيت ويرسل إشارة إنذار.

(4) حماية كاملة للمبرد

عند توقف مُبرّد المحوّل الكهربائي أثناء التشغيل، ترتفع درجة حرارة المحوّل. وإذا لم يُعالَج الأمر في الوقت المناسب، فقد يُلحق الضرر بعزل ملفات المحوّل. لذا، عند توقف المُبرّد تمامًا أثناء تشغيل المحوّل، يُرسل نظام الحماية إشارة إنذار ويفصل المحوّل بعد فترة تأخير طويلة.

4. الحماية التفاضلية

تُعدّ الحماية التفاضلية للمحولات الحماية الرئيسية للتيار الكهربائي للمحول، ويشمل نطاق حمايتها المنطقة المحيطة بمحولات التيار من كل جانب. عند حدوث أعطال، مثل قصر الدائرة بين الأطوار أو قصر الدائرة بين لفات الملف، ضمن هذا النطاق، يجب أن تعمل الحماية التفاضلية.

فيما يتعلق بمبدأ الحماية التفاضلية للمحولات، فقد ناقشناه بالتفصيل من قبل، ويمكن للأصدقاء الذين يحتاجون إليه مراجعة المحتوى ذي الصلة في السجلات التاريخية 6 و7 و8. لن أتطرق إلى التفاصيل حول هذا الموضوع، وسأضيف هنا ببساطة بعض المفاهيم حول تيار بدء التشغيل.

(1) تيار بدء التشغيل للمحول

يُطلق على تيار الإثارة المتولد عند سقوط المحول من الهواء اسم تيار بدء الإثارة. وتعتمد قيمة هذا التيار على بنية المحول، وزاوية الإغلاق، وسعته، والمغناطيسية المتبقية قبل الإغلاق، وعوامل أخرى. تُظهر القياسات أنه عند سقوط المحول من الهواء، يكون تيار بدء الإثارة الناتج عن تشبع القلب الحديدي كبيرًا جدًا، ويتراوح عادةً بين ضعفين إلى ستة أضعاف التيار المقنن، وقد يصل في أقصى حالاته إلى أكثر من ثمانية أضعاف. ولأن تيار بدء الإثارة يتدفق إلى المحول من جانب الشحن فقط، فإنه يتولد تيار تفاضلي كبير في الدائرة التفاضلية، مما يؤدي إلى خلل في الحماية التفاضلية.

يتميز تيار بدء التشغيل للإثارة بالخصائص التالية: أ. قيمة تيار بدء التشغيل كبيرة جدًا وتحتوي على مكونات غير دورية واضحة؛ ب. شكل الموجة حاد ومتقطع؛ ج. يحتوي على مكونات توافقية عالية الرتبة واضحة، وخاصة المكون التوافقي الثاني؛ د. يتم تخفيف تيار بدء التشغيل للإثارة.

وفقًا للخصائص المذكورة أعلاه لتيار البدء، من أجل منع سوء تشغيل الحماية التفاضلية للمحول بسبب تيار البدء، يتم استخدام ثلاثة مبادئ في المشروع: محتوى توافقي ثانٍ عالي، وشكل موجة غير متماثل، وزاوية انقطاع كبيرة في شكل الموجة لتحقيق حجب الحماية التفاضلية.

(2) مبدأ الكبح التوافقي الثاني

تعتمد آلية كبح التوافقي الثاني على استخدام مُركّبة التوافقي الثاني في التيار التفاضلي لتحديد ما إذا كان هذا التيار ناتجًا عن عطل أم عن تيار بدء تشغيل مُثير. عندما تتجاوز نسبة مُركّبة التوافقي الثاني إلى مُركّبة الموجة الأساسية قيمة مُعينة (عادةً 20%)، يُستنتج أن التيار التفاضلي ناتج عن تيار بدء التشغيل المُثير، ويتم تعطيل الحماية التفاضلية.

لذلك، كلما زادت نسبة الكبح التوافقي الثاني، زاد السماح لتيار التوافقي الثاني الموجود في الموجة الأساسية، وسيكون تأثير الكبح أسوأ.

(3) نظام الحماية من الكبح السريع التفاضلي

عند حدوث عطل خطير داخل المحول وتشبع محول التيار نتيجة لتيار عطل كبير، يحتوي التيار الثانوي لمحول التيار على عدد كبير من المكونات التوافقية. وبناءً على ما سبق، من المرجح أن يتسبب ذلك في حدوث خلل في الحماية التفاضلية نتيجة لكبح التوافقي الثاني، مما يؤدي إلى قطع أو تأخير عمل الحماية. وهذا بدوره سيؤدي إلى تلف شديد في المحول. ولحل هذه المشكلة، يتم عادةً تركيب نظام حماية تفاضلية سريعة الفصل.

عنصر الفصل السريع التفاضلي هو في الواقع عنصر تفاضلي عالي القيمة لحماية التفاضل الطولي. يختلف هذا العنصر عن عناصر التفاضل العامة، إذ يعكس القيمة الفعالة للتيار التفاضلي. وبغض النظر عن شكل موجة التيار التفاضلي ومقدار المكون التوافقي، فما دامت القيمة الفعالة للتيار التفاضلي تتجاوز قيمة ضبط الفصل السريع التفاضلي (والتي عادةً ما تكون أعلى من قيمة ضبط الحماية التفاضلية)، فإنه سيفصل المحول فورًا دون أي تداخل. كما أنه يحجب التيار عند تجاوز معايير مثل تيار البدء.

فيما يلي شرحٌ لآلية الحماية الاحتياطية للمحول

توجد أنواع عديدة من أنظمة الحماية الاحتياطية للمحولات. تتناول هذه المسألة بشكل أساسي نوعين من أنظمة الحماية الاحتياطية: الحماية المعقدة من التيار الزائد عن طريق حجب الجهد، والحماية من التأريض للمحولات.

1. حماية من التيار الزائد لإغلاق الضغط المعقد

يُعد نظام الحماية من التيار الزائد ذو الجهد المركب حماية احتياطية لأعطال قصر الدائرة بين أطوار المحولات الكبيرة والمتوسطة الحجم. وهو مناسب للمحولات الرافعة للجهد، ومحولات التلامس النظامية، والمحولات الخافضة للجهد التي لا تفي فيها حماية التيار الزائد بمتطلبات الحساسية. يستطيع الجهد المركب، المكون من جهد التسلسل السالب والجهد المنخفض، رصد مختلف الأعطال ضمن نطاق الحماية، مما يقلل من قيمة ضبط حماية التيار الزائد ويحسن حساسيتها.

تتكون حماية التيار الزائد ذات الجهد المركب من عنصر الجهد المركب، وعنصر التيار الزائد، وعنصر الزمن. تيار الإدخال للحماية هو تيار الطور الثلاثي الثانوي لمحول التيار على جانب المحول نفسه، وجهد الإدخال هو جهد الطور الثلاثي الثانوي لمحول الجهد على جانب المحول نفسه أو على جوانب أخرى. في حالة الحماية بواسطة الحاسوب الصغير، يمكن توفير جهد هذا الجانب للجوانب الأخرى عبر البرمجيات، لضمان استمرار عمل حماية التيار الزائد لأي جانب حتى عند إجراء صيانة شاملة لمحول الجهد على أي جانب. يوضح الشكل أدناه منطق عمل الحماية.

2. حماية التأريض للمحول

تشمل الحماية الاحتياطية لأعطال قصر الدائرة الأرضية للمحولات الكبيرة والمتوسطة الحجم عادةً ما يلي: الحماية من التيار الزائد للتسلسل الصفري، والحماية من الجهد الزائد للتسلسل الصفري، والحماية من الفجوة، وما إلى ذلك. فيما يلي مقدمة موجزة تستند إلى ثلاث طرق مختلفة لتأريض النقطة المحايدة.

(1) يتم تأريض النقطة المحايدة مباشرة

بالنسبة للمحولات ذات الجهد 110 كيلوفولت فأكثر، والتي يتم تأريض نقطة التعادل فيها مباشرةً، يجب تركيب حماية تيار التسلسل الصفري، التي تستجيب لأعطال التأريض، على جانب نظام التأريض ذي التيار العالي. أما بالنسبة للمحولات المؤرضة مباشرةً من كلا جانبي الجهد العالي والمتوسط، فيجب أن يكون لحماية تيار التسلسل الصفري اتجاه محدد، ويجب أن يشير هذا الاتجاه إلى قضبان التوصيل على كل جانب.

مبدأ حماية التيار ذي التسلسل الصفري مشابه لمبدأ حماية التيار ذي التسلسل الصفري للخط، يُرجى الرجوع إلى العدد 30. يمكن الحصول على تيار التسلسل الصفري من التيار الثانوي لمحول التيار عند نقطة التعادل، أو يمكن توليده ذاتيًا من التيار الثانوي ثلاثي الأطوار لمحول التيار على الجانب المحلي. يمكن الحصول على جهد التسلسل الصفري المتصل بالعنصر الاتجاهي من جهد المثلث المفتوح لمحول الجهد على الجانب المحلي، أو يمكن توليده ذاتيًا من الجهد الثانوي ثلاثي الأطوار على الجانب المحلي. في جهاز الحماية المُحوسب، تُعتمد طريقة التوليد الذاتي بشكل أساسي.

بالنسبة للمحولات الكبيرة ذات الملفات الثلاثة، يمكن استخدام حماية التيار ذي التسلسل الصفري ثلاثية المراحل. يحتوي القسمان الأول والثاني على توجيهات، بينما لا يحتوي القسم الثالث على توجيهات. يوجد عادةً مستويان من التأخير في كل قسم، حيث يتم تضييق نطاق العطل بتأخير قصير (عن طريق تجاوز موصل ناقل التيار أو المفتاح الموجود على الجانب الرئيسي للقضيب)، ويتم فصل المحول بتأخير طويل (عن طريق تجاوز المفتاح ثلاثي الجوانب). يتم تحديد تكوين الحماية المحدد وفقًا للظروف الفعلية.

كما هو موضح في الشكل، بعد تشغيل القسم الأول أو الثاني من حماية التيار الاتجاهي ذي التسلسل الصفري، يتم أولاً توصيل موصل ناقل التيار أو المفتاح الموجود على هذا الجانب بعد تأخير قصير t1 أو t3 لتقليل نطاق العطل. إذا استمر العطل، يتم بعد فترة تأخير أطول t2 أو t4 توصيل المفتاح ثلاثي الجوانب لفصل المحول. القسم الثالث ليس له اتجاه، ويتم فصل المحول مباشرةً بعد التأخير.

(2) النقطة المحايدة غير مؤرضة

يمر تيار التسلسل الصفري عبر نقطة التعادل للمحول لتشكيل دائرة تسلسل صفري. مع ذلك، إذا تم تأريض نقاط التعادل لجميع المحولات، فإن تيار قصر الدائرة عند نقطة التأريض سينتقل إلى كل محول، مما يقلل من حساسية حماية التيار الزائد للتسلسل الصفري. لذا، وللحد من تيار التسلسل الصفري ضمن نطاق معين، توجد لوائح تنظم عدد المحولات التي تعمل بنقطة تعادل مؤرضة.

بالنسبة للمحولات التي تعمل بدون تأريض، يجب تكوين حماية جهد التسلسل الصفري لمنع تلف الجهد الزائد للمحول الناتج عن أقواس الفجوة عند نقاط العطل أثناء أعطال التأريض.

نظراً لمستوى العزل العالي للنقطة المحايدة للمحول المعزول بالكامل، فعند حدوث عطل أرضي في النظام، ستقوم حماية التيار ذي التسلسل الصفري أولاً بفصل المحول مع تأريض النقطة المحايدة، وإذا استمر العطل، فستكون هناك حماية الجهد ذي التسلسل الصفري لفصل النقطة المحايدة دون تأريض المحول.

(3) يتم تأريض النقطة المحايدة من خلال فجوة التفريغ

جميع محولات الجهد العالي جدًا هي محولات شبه معزولة، وعزل ملف نقطة التعادل بالأرض أضعف من عزل الأجزاء الأخرى. عزل نقطة التعادل عرضة للانهيار، لذا يلزم تركيب نظام حماية من الفجوة.

تتمثل وظيفة حماية الفجوة في حماية سلامة العزل للنقطة المحايدة للمحول غير المؤرض.

قم بتركيب فجوة عازلة بين نقطة التعادل للمحول والأرض كما هو موضح في الشكل. عند إغلاق مفتاح عزل التأريض، يتم تأريض المحول مباشرةً ويتم تفعيل حماية التيار الزائد للتسلسل الصفري. عند فصل مفتاح عزل التأريض، يتم تأريض المحول عبر الفجوة ويتم تفعيل حماية الفجوة.

يتم تحقيق حماية الفجوة باستخدام تيار الفجوة 3I0 الذي يمر عبر النقطة المحايدة للمحول وجهد المثلث لفتح ناقل PT 3U0 كمعايير.

في حال ارتفاع نقطة التعادل نتيجة عطل، ينقطع التيار الكهربائي ويتولد تيار فجوة كبير (3I0). عندئذٍ، تعمل حماية الفجوة ويتم فصل المحول بعد فترة تأخير. بالإضافة إلى ذلك، عند حدوث عطل تأريض في النظام، تعمل حماية التسلسل الصفري لمحول تأريض نقطة التعادل، ويتم فصل محول تأريض نقطة التعادل أولاً. بعد فقدان النظام لنقطة التأريض، إذا استمر العطل، سيرتفع جهد المثلث المفتوح (3U0) لحافلة ناقل الجهد (PT) بشكل كبير، وستعمل حماية الفجوة أيضًا في هذه الحالة.