وفي نظم الطاقة الحديثة، تتوقف موثوقية الشبكات الكهربائية اعتمادا كبيرا على القدرة على الكشف عن الأخطاء وتصنيفها وعزلها بسرعة، ويعتمد مهندسو الحماية على أداة رياضية قوية تسمى عناصر متماثلة لتصميم خطط حماية قوية تحافظ على الاستقرار، وتخفض إلى أدنى حد ممكن الوقت، وتحافظ على المعدات الباهظة التكلفة، وذلك بإبطال التوازن بين ثلاث مراحل والمقاييس إلى ثلاث مجموعات متوازنة، وتدير عناصر عملية قياسية تحول دون إجراء تحليلات.

فهم العناصر المتماثلة

وقد استحدثت عناصر غير متماثلة في عام 1918 من قبل شارل ليغ فورتيسكو، كطريقة لتحليل نظم البولي فيداسي غير متوازنة، والفكرة الأساسية هي أن أي مجموعة من العجلات غير المتوازنة من ثلاث مراحل يمكن أن تمثل كمجموع ثلاث مجموعات متوازنة: التعاقب الإيجابي، والتعاقب السلبي، ووضع نظام الصفر.

وفي تصميم الحماية، تعتبر العناصر المتباينة ذات قيمة كبيرة لأنها تحافظ على البساطة في تحليل المرحلة الواحدة بينما تستوعب سلوك نظام المراحل الثلاث بأكملها، وبدلا من التعامل مع تسعة متغيرات (ثلاثة فولتات وثلاث تيارات لكل مرحلة)، يمكن للمهندس أن يعمل بثلاثة كميات متتالية، كل منها بشبكة الارتحال الخاصة به، وهذا الانخفاض في التعقيد هو الأساس للعديد من عمليات إعادة الحماية الحديثة، ودراسات التلاعب، ودراسات الافتراضية.

For a deep historical and theoretical background, see the original Fortescue paper and subsequent IEEE tutorials on symmetrical components (e.g., IEE Guide for Symmetrical componentss).

مؤسسة الرياضيات لشبكات التكافؤ

الرمز[FL] [FLT:]A[FLT:] [FLT:] [FLT:]، الذي يتعلق بالكميات المرحلة (A, B, C) إلى الكميات المتعاقبة (0, 1,2).

[FLT:][FLT:]V[FLT:]

وبالمثل، فإن التيارات تتحول من مرحلة إلى متتالية، ثم يتم بناء شبكات التسلسل لكل عنصر باستخدام التجاوزات التي يلحقها النظام من كل مرحلة، وتعديلها من أجل معايير تعتمد على التسلسل، مثل التقارب المتبادل، ومسارات العودة الأرضية، ووصلات المحولات، فعلى سبيل المثال، كثيرا ما يكون التخلف عن النتائج أكثر من ثلاثة إلى عشرة أضعاف التأثير الإيجابي في الخطوط الأمامية بسبب وجود حدود قصوى.

The beauty of the symmetrical component framework lies in the decoupling of fault analysis into three independent single-phase circuits. each sequence network can be solved separately, then the results are transformed back to phase quantities to determine actual fault currents and voltages. This approach is used extensively in software tools like ETAP and [FLT: protection:2]

العناصر الإيجابية والسلبية واللامساواة: التعاريف والعلامات

العناصر الإيجابية - العائدة

وتتألف مجموعة النتائج الإيجابية من ثلاثة مراحل بنفس الحجم، وتحول تدريجي قدره 120 درجة بين بعضها البعض، ونفس التناوب على المرحلة التي كان النظام الأصلي (A-B-C). وفي شكل عبء متوازن أو أثناء التشغيل العادي، لا توجد سوى عناصر تعاقب إيجابي، وتنتج التواتر الإيجابي حالياً تمزقاً إيجابياً في الآلات الدوارة، وهي مسؤولة عن إيصال الطاقة الحقيقية.

العناصر السلبية - التعاقبية

كما أن التعاقب السلبي له نفس الحجم ونسبة المباعدة بين 20 و20 درجة، ولكن تناوبه على المرحلة العكسية (A-C-B). وتنشأ تيارات التعاقب السلبي أثناء حدوث أخطاء تدريجية أو تحميل غير متوازن أو عدم توازن في الحجم، وفي أجهزة التناوب، تؤدي عوامل التقلب والضغط الميكانيكي إلى حدوث توترات.

العناصر صفر - صفر

إن مجموعة عدم التعاقب تتضمن ثلاث مراحل متطابقة في الحجم والمرحلة - وهي في مراحلها الواحدة، ولا تتدفق أي تيار من التعاقب إلا عندما يكون هناك طريق إلى الأرض، إما من خلال وجود خطوبة أرضية محايدة أو خطأ، وهذه التسلسلات حاسمة في كشف الأخطاء الأرضية، وكثيرا ما تستخدم فترات التأخير في الاتجاه الأرضي أدنى معدل للتكرار وتستمر في تحديد الاتجاه

إن تفاعل هذه المكونات خلال أنواع مختلفة من الأخطاء موثق جيدا، ولخطأ من خط إلى أرضي، ترتبط شبكات التسلسل الثلاث جميعها في سلسلة، ولخطأ خطي، لا يرتبط سوى بالتسلسلات الإيجابية والسلبية، مع عدم وجود أي تعاقب، ولا يظهر إلا في حالة وجود أخطاء متوازنة من ثلاث مراحل، مما يتيح للمهندسين تصميم منطق حماية عرفي يستجيب فورا لأخطاء محددة دون أن يضاعفوا ثلاثة أضعافا بالنسبة للظواهر النظامية العادية.

استحقاقات المكونات المتماثلة في تصميم خطة الحماية

تحليل الافتراضي المبسّط والنمذجة

وقبل أن تكون العناصر غير المتماثلة، يتطلب تحليل الأخطاء غير المتوازنة حل المعادلات المتزامنة مع تسعة غير معروفين، ومع وجود شبكات متوالية، يقل كل نوع من أنواع الخطأ إلى سلسلة بسيطة أو مزيج مواز من ثلاث شبكات مستقلة، وهذا التبسيط يتيح للمهندسين حساب التوابع الاصطدامية في أماكن إعادة الشحن يدويا دون الاعتماد على البرامجيات فقط، وعلاوة على ذلك، يمكن إعادة استخدام نفس التسلسل المستخدم في الدراسات المتعلقة بالاستقرار.

تحسين التمييز على أساس الافتراض

ويمكن أن تصنف حالات التأخير في الحماية الأخطاء بقياس نسبة التيار السلبي واللاصف إلى التعاقب الإيجابي، مثلاً، يؤدي خطأ واحد من خط إلى أرض إلى حدوث تيارين سلبيين وخاليين من آثاره، في حين أن الخطأ من خط إلى خط لا ينتج إلا آثاراً سلبية، ومن خلال استغلال هذه الأنماط، يمكن أن تبدأ عمليات حماية مختلفة: تُحدث خطاً كاملاً للتعقيم في مرحلة واحدة، ولكن.

تعزيز تنسيق عمليات إعادة التوطين

وكثيرا ما تعتمد دراسات التنسيق المتعلقة بالتأخيرات المفرطة على بيانات الشبكة المتعاقبة لتحديد منحنىات الوقت الحالية للعناصر المرحلة والعناصر الأرضية، وتتيح العناصر المتميزة لمهندسي الحماية تحديد خطوط الهاتف الزمني وأجهزة التقاط التي يتم تنسيقها ليس فقط بالنسبة للخطاء القصوى (ثلاث مراحل) بل أيضا لأدنى الأخطاء (الخطأات الأرضية) مما يكفل أن تكون العناصر الحديثة في إعادة التتابع واضحة للخطأ قبل أن تُحدَّد المسافات.

استقرار النظام وأمنه

وفي ظل ظروف غير متوازنة مثل التعثر في الأخطاء أو التعثر في القطب الواحد، تساعد عناصر التماثل على الحفاظ على الاستقرار العابر، فعلى سبيل المثال، تستخدم خطط الإغلاق الآلي عناصر متعاقبة لتحديد ما إذا كان الخطأ مؤقتا أو دائما، وإذا استمرت تيارات التعاقب السلبي واللاذي بعد الانقطاع، فإن الخطأ دائم، ويمنع التكرار في المراحل، مما يحول دون تكرار الضغط على النظام.

تخفيض الأضرار الناجمة عن المعدات

ويحد الكشف عن الأخطاء بسرعة ودقيقة باستخدام عناصر متماثلة من مدة ارتفاع التدفقات الحالية من خلال المحولات والمولدات الكهربائية والخطوط، وبالنسبة للمولدات الكبيرة، يمكن أن تُحدث تيارات التعاقب السلبي حرارة في الرياح العائمة في ثواني، كما أن مخططات الحماية التي تكشف عن وجود تيار سلبي فوق جهاز إنذار أو رحلة حد حراري، مما ينقذ المولد من الفشل الكارثي.

Learn more about birth protection standards at ] NREL’s birth protection review].

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

خط الحماية

فالتأخيرات الرقمية الحديثة تستخدم عناصر متتالية لتنفيذ مناطق الحماية عن بعد (Mho, quadrilateral, etc.) ومن خلال تحليل التخلف الإيجابي واللاذي، يمكن أن تحدد الدول بدقة الأخطاء حتى في ظروف شديدة المقاومة، وفي خطوط متداخلة، تساعد عناصر غير متماثلة على التمييز بين الأخطاء والأرجحية التي تصيب النظام، مما يحول دون حدوث انحرافات طفيفة في الاتجاه الغربي.

شبكة التوزيع

وفي نظم التوزيع، تشكل عمليات التتابع التي تتم على أساس الصفر (51N) العمود الفقري لحماية الأخطاء الأرضية، وتعتمد المرافق مثل دوك الطاقة وكاليفورنيا الجنوبية على تحليل العناصر المتوازية لوضع هذه المصاريف بحيث تنسق مع الصمامات المتدفقة وأجهزة التفكيك الفرعية في أعلى المجرى، وقدرة المهندسين على حساب معدل التردد الصفري كنسبة من القيم الحالية التي تبدأ في التقاط السيارات.

حماية المولدات

ويحتاج المولدات المتزامنة الكبيرة إلى حماية متطورة من التحميل غير المتوازن، وظروف الفتح، والأخطاء الخارجية، وتعادل التعاقب السلبي (ANSI 46) باستخدام القدرة المستمرة للمولدات على الصمود، ويُستدل من ذلك بالنهج الثابت في K2] [المعروف في كثير من الأحيان باسم I[2]:

For a detailed case study, see the ABB technical paper on negative-sequence protection].

تنسيق النباتات الصناعية

وفي المرافق الصناعية، تبسط العناصر المتوازية تنسيق الحماية للمحركات المتعددة والمحولات والكابلات، وتنظر في إنشاء مصنع للوقود مع بدء تشغيل كبير، ويحتوي التدفق الحالي على عناصر سلبية هامة في مجال الآثار نتيجة للإمدادات غير المتوازنة أو التنافر في حجم الرياح، ويمكن أن يميز التتابع الذي يُنشأ بمنطق متسلسل بين بدء تشغيل السيارات وخطأ إيجابي في المرحلة الراهنة.

التحديات والحدود التي ينطوي عليها نهج المكوِّنات المتناظرة

وعلى الرغم من مزاياه الكثيرة، فإن تحليل العناصر المتباينة له حدود، إذ أن الطريقة تفترض وجود نظم خطية وقائمة على الزمن تنطوي على اختلالات مستمرة، وفي نظم الطاقة الحقيقية، وتشبع المحولات، وتهدئة المحولات الحالية، وتطبق مقاومة العقوس على عدم وجود أوجه خلل تشوه المكونات، ويجب أن تتضمن القياسات المتبادلة في كثير من الأحيان نماذج التصفية والمواءمة بين المقاييس وبين نماذج المعارف المميزة، بالإضافة إلى ذلك.

وثمة تحد آخر يتمثل في إدماج موارد الطاقة الموزعة مثل المحافير الشمسية والاضطرابات الريحية التي تحقن تيارات غير متوازنة بشكل مختلف عن أجهزة التناوب، وقد لا توفر الموارد القائمة على اللافقاريات عيوبا كبيرة في جميع التسلسلات، مما يجعل الأطر التقليدية القائمة على التسلسل أقل فعالية، ويقوم مهندسو الحماية بتطوير مخططات للحماية من الانبعاثات المعتمدة

وأخيرا، فإن تحليل العناصر المتوازية يعتمد في جوهره على الترددات، ففي أثناء فترات التوقيف دون المتزامنة أو التذبذبات العابرة، قد لا يستوعب التحول المحدد في تسلسل 60 هرتز الديناميات بدقة، كما أن أجهزة الحماية المتخصصة تستخدم أساليب أساسية لتكملة عمليات النقل القائمة على التسلسل، ومع ذلك، فإن العناصر المتعاقبة، بالنسبة للغالبية العظمى من أخطاء نظام الطاقة، تظل الأداة الأكثر عملية واتساع نطاقها.

خاتمة

وتشكل المكونات المتماثلة حجر الزاوية في هندسة الحماية الحديثة، إذ إن تحويل الظواهر المعقدة غير المتوازنة الثلاثية المراحل إلى ثلاث شبكات مستقلة متوالية متوازنة، مما يبسط تحليل الأخطاء ويمكِّن من التمييز الدقيق على أساس نوع الخطأ، ويدعم تنسيقا قويا، ويعزز استقرار النظام عموما، ومن الانتقال إلى الحماية من بعد المولدات، فإن الإطار مهيأ في كل شكل من أشكال الحماية الرقمية التي يمكن الاعتماد عليها في الخدمة اليوم.