كيفية حماية المحولات الكهربائية. إن الطريقة الصحيحة لحماية المحولات الكهربائية يمكن أن تدوم طوال فترة استخدامها.

المحولات الكهربائية معدات ثابتة تعمل باستمرار، مما يجعلها أكثر موثوقية وأقل عرضة للأعطال. ولكن نظرًا لأن الغالبية العظمى من المحولات تُركّب في الهواء الطلق، وتتأثر بالحمل أثناء التشغيل، فضلًا عن تأثير أعطال قصر الدائرة في نظام الطاقة، فإن حدوث أعطال وحالات غير طبيعية أمر لا مفر منه أثناء التشغيل.

1. الأعطال الشائعة والشذوذات في المحولات

يمكن تقسيم أعطال المحولات إلى أعطال داخلية وأعطال خارجية.

تشير الأعطال الداخلية إلى الأعطال التي تحدث داخل الغلاف، مثل أعطال قصر الدائرة بين أطوار اللفات، وأعطال قصر الدائرة بين لفات اللفات أحادية الطور، وأعطال قصر الدائرة بين اللفات والقلب الحديدي، وأعطال فصل اللفات، وما إلى ذلك.

تشير الأعطال الخارجية إلى أعطال قصر الدائرة المختلفة بين خطوط التوصيل الخارجية للمحولات وأعطال التأريض أحادية الطور التي تحدث عندما يحدث وميض كهربائي في جلبة عزل خط التوصيل عبر الغلاف.

يُسبب تعطل المحول أضرارًا جسيمة. فعند حدوث عطل داخلي، لا يقتصر تأثير القوس الكهربائي ذي درجة الحرارة العالية الناتج عن تيار القصر على احتراق العازل والقلب الحديدي لملفات المحول فحسب، بل يتسبب أيضًا في تحلل زيت المحول وانبعاث كميات كبيرة من الغازات، مما يؤدي إلى تشوه غلاف المحول وربما انفجاره. لذا، يجب استبدال المحول فور تعطلّه.

تتمثل أعطال المحولات بشكل رئيسي في زيادة الحمل، وانخفاض مستوى الزيت، وقصر الدائرة الخارجية الناتج عن زيادة التيار، وارتفاع درجة حرارة زيت التشغيل، وارتفاع درجة حرارة الملفات، وارتفاع ضغط المحول، وتعطل نظام التبريد. عند حدوث أي خلل في المحول، يجب إطلاق إشارة إنذار.

ثانيًا، تكوين حماية المحول

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

حماية احتياطية من أعطال الدائرة القصيرة: بشكل رئيسي حماية من التيار الزائد عن طريق قفل الجهد المركب، وحماية من التيار الزائد عن طريق التسلسل الصفري (الاتجاه)، وحماية من المعاوقة المنخفضة، وما إلى ذلك.

حماية التشغيل غير الطبيعي: بشكل رئيسي الحماية من الحمل الزائد، والحماية من الإثارة الزائدة، والحماية من الغاز الخفيف، والحماية من فجوة الحياد، والحماية من درجة حرارة الزيت ومستوى الزيت، والحماية من فشل نظام التبريد.

ثالثًا، الحماية غير الكهربائية

تُسمى حماية المحولات التي تشمل الزيت والغاز ودرجة الحرارة وغيرها من العوامل غير الكهربائية بالحماية غير الكهربائية. وتشمل هذه الحماية بشكل أساسي حماية الغاز، وحماية الضغط، وحماية درجة الحرارة، وحماية مستوى الزيت، وحماية إيقاف المبرد. وتعمل الحماية غير الكهربائية وفقًا لمتطلبات الموقع، فتقوم بفصل الدائرة أو إرسال إشارات.

1. الحماية من الغاز

عندما يحدث عطل داخلي في المحول، وبسبب دور تيار قصر الدائرة وقوس نقطة قصر الدائرة، فإن الجزء الداخلي من المحول سينتج الكثير من الغاز، وفي نفس الوقت سرعة تدفق زيت المحول، ويطلق على استخدام تدفق الغاز والزيت لتحقيق الحماية اسم الحماية بالغاز.

(1) الحماية من تسرب الغاز الخفيف: عند حدوث عطل أو خلل طفيف داخل المحول، يؤدي ارتفاع درجة حرارة نقطة العطل إلى تمدد جزئي للزيت، مما يتسبب في تكوّن فقاعات من الغاز الموجود في الزيت ودخوله إلى مرحل الغاز. تقوم آلية الحماية من تسرب الغاز الخفيف بإرسال إشارة تحذيرية.

(2) الحماية من الغازات الثقيلة: عند حدوث عطل خطير في خزان المحول، يكون تيار العطل عاليًا، ويتسبب القوس الكهربائي في تحلل زيت المحول بكميات كبيرة، مما يؤدي إلى تدفق كمية كبيرة من الغاز والزيت. يقوم الحاجز الواقي بتوجيه الغازات الثقيلة وفقًا لإجراءات الحماية، ويرسل إشارة تحذير من الغازات الثقيلة، ثم يفصل التيار الكهربائي عن المحول.

(3) يُعد نظام الحماية بالغاز الثقيل وسيلة الحماية الرئيسية ضد الأعطال الداخلية لخزان الوقود، حيث يُمكنه رصد مختلف الأعطال الداخلية للمحول. فعندما يحدث قصر في دائرة عدد قليل من لفات المحول، ورغم أن تيار العطل يكون كبيرًا جدًا، إلا أن التيار التفاضلي الناتج عن الحماية التفاضلية قد لا يكون كبيرًا، ما قد يؤدي إلى توقف عمل هذه الحماية. لذلك، في حالة حدوث أعطال داخلية في المحول، من الضروري الاعتماد على نظام الحماية بالغاز الثقيل لإزالة هذه الأعطال.

الصورة

2- الحماية من الضغط

يُعدّ نظام الحماية من الضغط وسيلة الحماية الرئيسية ضد الأعطال الداخلية لخزان المحوّل. ويُستخدم نظام تخفيف الضغط ونظام الحماية من تغير الضغط لعكس ضغط زيت المحوّل.

3- الحماية من درجة الحرارة ومستوى الزيت

عندما ترتفع درجة حرارة المحول إلى قيمة التحذير، يقوم نظام الحماية من الحرارة بإرسال إشارة إنذار ويبدأ تشغيل المبرد الاحتياطي.

عندما يتسرب الزيت من المحول أو ينخفض ​​مستوى الزيت لأسباب أخرى، يتم حماية مستوى الزيت وإرسال إشارة إنذار.

4- نظام الحماية من التوقف التام للمبرد

عند توقف جميع مبردات المحول عن العمل، ترتفع درجة حرارة المحول. وإذا لم يتم التعامل مع الأمر في الوقت المناسب، فقد يتلف عزل ملفات المحول. لذلك، عند توقف جميع المبردات عن العمل، يُرسل نظام الحماية إشارة إنذار ويفصل المحول بعد فترة تأخير طويلة.

رابعاً، الحماية التفاضلية

تُعدّ الحماية التفاضلية للمحولات الحماية الرئيسية لحجم الطاقة الكهربائية للمحولات، ويشمل نطاق حمايتها الجزء المحيط بكل جانب من جوانب محول التيار. في هذا النطاق، عند حدوث قصر في الدائرة بين الملفات، أو قصر في الدائرة بين اللفات، أو أعطال أخرى، تعمل الحماية التفاضلية على التدخل.

1- تيار بدء تشغيل المحول

يُطلق على تيار المجال الناتج عند فصل المحول اسم تيار بدء التشغيل. يرتبط مقدار تيار بدء التشغيل ببنية المحول، وزاوية الإغلاق، وسعته، والمغناطيسية المتبقية قبل الإغلاق، وعوامل أخرى. تُظهر القياسات أن تيار بدء التشغيل يتراوح عادةً بين ضعفين إلى ستة أضعاف التيار المقنن، وقد يصل إلى أكثر من ثمانية أضعاف. ولأن تيار بدء التشغيل يتدفق إلى المحول من جانب الشحن فقط، فإنه يُنتج تيارًا تفاضليًا كبيرًا في دائرة الحماية التفاضلية، مما يؤدي إلى خلل في عمل الحماية التفاضلية.

يتميز تيار البدء بالخصائص التالية: أ. قيمة تيار البدء كبيرة جدًا وتحتوي على مكون غير دوري واضح؛ ب. شكل الموجة حاد وغير متصل؛ ج. يحتوي على مكون توافقي عالي الرتبة واضح، وخاصة المكون التوافقي الثاني؛ د. يتم تخفيف تيار البدء الناتج عن الإثارة.

وفقًا للخصائص المذكورة أعلاه لتيار البدء، من أجل منع تيار البدء من التسبب في سوء تشغيل الحماية التفاضلية للمحول، يستخدم المشروع ثلاثة مبادئ: المحتوى التوافقي الثاني العالي، وعدم تناسق شكل الموجة، وزاوية انقطاع شكل الموجة لتحقيق قفل الحماية التفاضلية.

2. مبدأ الكبح التوافقي الثاني

تعتمد آلية كبح التوافقي الثاني على استخدام مُركّبة التوافقي الثاني للتيار التفاضلي لتحديد ما إذا كان هذا التيار تيار عطل أم تيار بدء تشغيل. عندما تتجاوز نسبة مُركّبة التوافقي الثاني إلى مُركّبة التوافقي الأساسي قيمة مُعينة (عادةً 20%)، يُعتبر التيار التفاضلي ناتجًا عن تيار بدء التشغيل، ويتم إغلاق دائرة الحماية التفاضلية.

لذلك، كلما زادت نسبة الكبح التوافقي الثاني، زاد تيار التوافقي الثاني الموجود في الموجة الأساسية المسموح بها، وزاد تأثير الكبح سوءًا.

3- نظام الحماية من الكبح السريع التفاضلي

عند حدوث عطل خطير داخل المحول، ويكون تيار العطل كبيرًا بما يكفي لتشبع محول التيار، فإن تيار الملف الثانوي لمحول التيار يحتوي أيضًا على عدد كبير من المكونات التوافقية. وبناءً على ما سبق، فمن المرجح أن يتم تعطيل الحماية التفاضلية أو تأخيرها نتيجةً لكبح التوافقي الثاني، مما قد يُلحق ضررًا بالغًا بالمحول. ولحل هذه المشكلة، يتم عادةً تركيب نظام حماية تفاضلية سريع الفصل.

عنصر الفصل السريع التفاضلي هو في الواقع عنصر تفاضلي عالي الثبات للحماية التفاضلية الطولية. يختلف عن العنصر التفاضلي العام، فهو يعكس القيمة الفعالة للتدفق التفاضلي. بغض النظر عن شكل موجة التدفق التفاضلي، أو حجم المكون التوافقي، طالما أن القيمة الفعالة للتدفق التفاضلي تتجاوز قيمة ضبط الفصل السريع التفاضلي (والتي عادةً ما تكون أعلى من قيمة ضبط الحماية التفاضلية)، فإنه سيفصل المحول فورًا، دون حدوث تيار بدء الإثارة أو أي قيود أخرى.

خامساً، حماية المحول الاحتياطية

يُقدَّم هنا شرحٌ موجزٌ لآلية الحماية الأساسية للمحول، ثم يُستكمل شرح آلية الحماية الاحتياطية. تتعدد أنواع أنظمة الحماية الاحتياطية للمحولات، وسنتناول هنا بإيجاز نوعين منها: الحماية من التيار الزائد بتقنية قفل الجهد المزدوج، والحماية من التأريض.

1- قفل مزدوج للضغط لحماية التيار الزائد

يُعد نظام الحماية من التيار الزائد ذو الجهد المركب بمثابة حماية احتياطية في حالة حدوث قصر في الدائرة بين المحولات الكبيرة والمتوسطة. وهو مناسب للمحولات الرافعة للجهد، ومحولات توصيل الأنظمة، والمحولات الخافضة للجهد التي لا تفي فيها الحماية من التيار الزائد بمتطلبات الحساسية. يُتيح الجهد المركب، المُكوّن من جهد التسلسل السالب والجهد المنخفض، رصد مختلف الأعطال ضمن نطاق الحماية، وتقليل قيمة ضبط الحماية من التيار الزائد، وتحسين الحساسية.

تتكون حماية التيار الزائد للجهد المركب من عنصر الجهد المركب، وعنصر التيار الزائد، وعنصر الزمن. تيار الوصول للحماية هو تيار محول التيار ثلاثي الأطوار الثانوي في الجانب المحلي للمحول، وجهد الوصول هو جهد محول الجهد ثلاثي الأطوار الثانوي في الجانب المحلي أو أي جانب آخر من المحول. في حالة الحماية بواسطة الحاسوب الصغير، يمكن توفير جهد هذا الجانب للجوانب الأخرى عبر البرمجيات، لضمان استمرار استخدام حماية التيار الزائد للجهد المركب حتى في حال صيانة أي جانب من جوانب محول الجهد. يوضح الشكل أدناه منطق عمل الحماية.

2- حماية تأريض المحول

تتضمن الحماية الاحتياطية من قصر الدائرة الأرضية في المحولات الكبيرة والمتوسطة الحجم عادةً: الحماية من التيار الزائد ذي التسلسل الصفري، والحماية من الجهد الزائد ذي التسلسل الصفري، والحماية من الفجوة، وما إلى ذلك. فيما يلي شرح موجز لثلاثة أنماط تأريض مختلفة تعتمد على نقطة التعادل.

(1) يتم تأريض النقطة المحايدة مباشرة

بالنسبة للمحولات التي يزيد جهدها عن 110 كيلوفولت والمؤرضة نقطة التعادل فيها مباشرة، يجب تركيب حماية تيار التسلسل الصفري على جانب نظام التأريض عالي التيار لرصد أعطال التأريض. أما بالنسبة للمحولات المؤرضة مباشرة من كلا الجانبين (عالي ومنتصف)، فيجب تركيب حماية تيار التسلسل الصفري في اتجاه كل قضيب جانبي.

مبدأ حماية التيار ذي التسلسل الصفري مشابه لمبدأ حماية التيار ذي التسلسل الصفري للخط، راجع العدد 30. يمكن اشتقاق التيار ذي التسلسل الصفري من تيار محول التيار الثانوي عند نقطة التعادل، أو من تيار محول التيار ثلاثي الأطوار الثانوي للجانب المحلي. يمكن الحصول على جهد التسلسل الصفري المتصل بالعنصر الاتجاهي من جهد المثلث المفتوح لمحول الجهد للجانب المحلي أو من الجهد ثلاثي الأطوار الثانوي للجانب المحلي. في جهاز الحماية المُحوسب، يُعتمد بشكل أساسي على طريقة التصنيع الذاتي.

بالنسبة للمحولات الكبيرة ذات الثلاثة ملفات، يمكن أن تكون حماية التيار ذي التسلسل الصفري ثلاثية المراحل. يوجد اتجاه في القسمين الأول والثاني، ولا يوجد اتجاه في القسم الثالث. يحتوي كل قسم عمومًا على تأخير ثنائي المراحل، مع تأخير أقصر لتقليل نطاق العطل (حافلة توصيل أو مفتاح محلي)، وتأخير أطول لفصل المحول (مفتاح توصيل ثلاثي الجوانب). يعتمد تكوين الحماية المحدد على الحالة الفعلية.

كما هو موضح في الشكل، بعد تفعيل حماية التيار الاتجاهي ذي التسلسل الصفري في القسم الأول أو الثاني، يجب أولاً توصيل ناقل t1 أو T3 أو المفتاح المحلي بتأخير قصير لتقليل نطاق تأثير العطل. إذا استمر وجود العطل، يجب فصل المحول باستخدام مفتاح ثلاثي الاتجاهات t2 أو T4 بتأخير طويل. في القسم الثالث (بدون اتجاه)، يتم فصل المحول مباشرةً بتأخير.

(2) النقطة المحايدة غير مؤرضة

يمر تيار التسلسل الصفري عبر نقطة التعادل للمحول لتشكيل حلقة التسلسل الصفري. مع ذلك، إذا تم تأريض جميع نقاط التعادل للمحول، فسيتوزع تيار قصر الدائرة عند نقطة التأريض على كل محول، مما يقلل من حساسية حماية التيار الزائد للتسلسل الصفري. لذا، وللحد من تيار التسلسل الصفري ضمن نطاق معين، يتم تنظيم عدد المحولات المؤرضة بنقطة التعادل.

بالنسبة للمحولات غير المؤرضة، يجب ضبط حماية الجهد ذي التسلسل الصفري لمنع تلف الجهد الزائد للمحول الناتج عن قوس الفجوة عند نقطة العطل عند حدوث عطل في التأريض.

المحول المعزول بالكامل بسبب مستوى العزل العالي لنقطة التعادل، فعندما يحدث عطل في التأريض في النظام، يتم أولاً تطبيق حماية التيار ذي التسلسل الصفري لإزالة محول تأريض نقطة التعادل، وإذا استمر العطل، يتم تطبيق حماية الجهد ذي التسلسل الصفري لإزالة محول نقطة التعادل غير المؤرض.

(3) يتم تأريض النقطة المحايدة من خلال فجوة التفريغ

جميع محولات الجهد العالي شبه معزولة، وعزل ملف التعادل بالأرض أضعف من باقي الأجزاء. عزل التعادل عرضة للتلف. لذلك، يجب تركيب حماية للمسافة الفاصلة.

يتمثل دور حماية الفجوة في حماية النقطة المحايدة لسلامة عزل المحول غير المؤرض.

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

يتم تحقيق الحماية من الفجوة باستخدام تيار الفجوة 3I0 الذي يمر عبر النقطة المحايدة للمحول وجهد المثلث المفتوح 3U0 لحافلة PT كمعيار.

إذا ارتفع الجهد بين نقطة التعادل وموقع العطل، يحدث انهيار في الفجوة، مما يؤدي إلى تيار فجوة كبير (3I0). في هذه الحالة، يتم تفعيل حماية الفجوة، وبعد تأخير، يتم فصل المحول. بالإضافة إلى ذلك، عند حدوث عطل في التأريض، يتم تفعيل حماية التأريض الصفري للمحول، حيث يتم فصل محول التأريض أولاً. بعد فقدان نقطة التأريض، إذا استمر العطل، سيرتفع جهد المثلث المفتوح للحافلة PT (3U0)، وسيتم تفعيل حماية الفجوة أيضًا.

المصدر: باور بولبيت