المولد الكهربائي...الاعطال الكهربائية

 

حماية المولد الكهربائي

يعتبر المولد الكهربائي قلب محطات توليد الطاقة الكهربائية.ولتحويل الطاقة الاساسية الى طاقة كهربائية لا بد من توفر مصدر دوران(prime mover) والذي بدوره يعتمد على مصدر الطاقة لكي ينتج الطاقة الدورانية للمولد الكهربائي. ويعتمد المولد الكهربائي على التوربينات الغازية اوالبخارية اوالرياحية او المائية. والسعة الكهرائية للمولدات تتراوح بين مئات الKVA الى ان تصل في بعض المحطات البخارية الى قيم تتجاوز 1200 MVA .

تربط المولدات الصغيرة والمتوسطة الحجم الى شبكات التوزيع مباشرة اما المولدات الكبيرة فتحتاج الى محولة رافعة كوسط بين اموللد ونظام التوزيع.قد يوجد بين المولد والمحولة الرافعة لوحة مفاتيح SWITCH GEAR وذلك لتوفير قواطع دورة واعطاء خيارات حماية للمولد والمحولة.ومن الواضح ان المولد الكهربائي يتالف من الجزء الدوار الذي يرتبط بالتوربين والجزء الثابت الذي يرتبط بالمحولة الرافعةلذلك تنقسم الاحداث غير الطبيعية(Faults) الى قسمين :-

أ‌- Electrical Faults وهي على قسمين:-

1- Stator faults

2- Rotor Faults

ب‌- Mechanical Faults

ويجب توفر الحماية المناسبة لكلا النوعين وفيما يلي توضيح مختصر الى هذه الاعطال والاسباب المودية اليها وطرق الحماية منها

الاعطال الكهربائية 

تشمل الاعطال الكهربائية التي تتعرض لها المولدات الكهرائية(faults) ما يلي:-

1- stator electrical fsults

2- over load

3- over voltage

4- under voltage

5- unbalance loading

6- abnormal frequency

7- motoring

8- dead machine energizing

9- rotor faults  including :-

9-a- over excitation

9-b- loss of excitation

9-c- rotor earth fault

1-1 stator faults:-

وهي الاحداث الغير طبيعية التي تتعرض لها ملفات الجزء الثابت للمولد الكهربائي وسببها انهيارعوازل الملفات(insulations) اما بين طور والطور الاخر(phase to phase) او بين طور والارض(phase to ground) وقد تسبب هذه الاحداث تلف الملفات والقلب(core) للمولد حسب نوع ومدة الحدث وتشمل الاعطال(faults) الحاصلة في ملفات الجزء الثابت ما يلي :-

1-1-أ- Earth Fault

1-1-ب- Phase to phase faults

1-1-ج- interturn fault

1-1-أ-  Earth Fault:-

قبل التحدث الى هذا النوع من ال(faults) لابد من التطرق الى موضوع تاريض المولد الكهربائي .

Generator Earthing :-

يجب تاريض نقطة التعادل في المولد الكهربائي وذلك لاغراض الحماية الخاصة بملفات الجزء الثابت.فعند حدوث (E.F) يمر تيار عالي جدا عبر نقطة التعادل الى الارض وقد يسبب تلف الملفات والمعدة ولتقليل ضرر هذا التيار توضع ممانعة بين نقطة التعادل والارض في المولدات ذات الجهد العالي(H.V) اما في المولدات ذات الجهد الواطي(L.V) فتأرض نقطة التعادل مباشرة(Solidly earthed) .

استخدام المحولة في التاريض هو كممانعة وسعة المحولة يجب ان تكون بحدود(5-250 KVA) وتربط مقاومة على ملفاتها الثانوية وذلك لحمايتها من الفولتية العالية المفاجئة عند حدوث (E.F) نعود للحديث عن :-

Earth Faults 

يؤدي حدوث ال(E.F) الى انهيار عوازل الملفات (INSULATION FAILURE) عندما  يتصل احد الاطوار بالارض وباستخدام ممانعة التاريض يتم الحد من تاثيرات التيار العالي الناتج عن (E.F) وبالتالي تقليل الضرر على ملفات الجزء الثابت 

Stator E.F protection 

تعتمد الطريقة المستخدمة في حماية المولد الكهربائي لهذا النوع من الاعطال على حجم المولد وطريقة ربطها بالشبكة الكهربائية فيما لو كانت مربوطة مباشرة او عن طريق محولة رافعة وعلى طريقة تاريض نقطة التعادل وسنتطرق الى الطرق المستخدمة لحماية مولد كبيرة تغذي الشبكة عن طريق محولة رافعة 

أ‌- High resistance earthing-neutral overcurrent protection :-

توضع محولة خافضة للتيار(C.T) على نقطة تاريض المولد والتي بدورها تجهز مناول فوق التيار(اللحظي او المتاخر بزمن). 

ومن غير الممكن حماية الجزء الثابت بنسبة 100% والرسم يوضح ايضا المعادلة لحساب النسبة المئوية للمنطقة المحمية.ومناول الحماية اللحظي(Instantaneos)يمكن ان يحمي 90% من الملفات عند حدوث(E.F) اما مناول الحماية المتاخر بزمن (time-delayed) فهو اكثر حماية اذ يحمي 95% من الملفات لذلك يجب ان يؤخذ بنظر الاعتبار انه عند استخدام مناولات الحماية اعلاه في المولدات الكبيرة تنظم على 10%-5% من اعلى قيمة تيار عند حدوث E.F

ب‌- Distribution transformer earthing using current element :-

وتعني هذه الطريقة تاريض المولد عن طريق الملف الابتدائي لمحولة توزيع اما الملف الثانوي فتربط مقاومة كحمل لتقليل التيار في حال حدوث E.F وتربط محولة تيار تغذي مناول فوق التيار كما في السم ادناه :-

يجب ان ينظم المناول على قيمة ظبط(set-point) تساوي 5% من اعلى قيمة للتيار عند حدوث E.F  وبذلك فهو يحمي 95% من ملفات الجزء الثابت.

وعند استخدام مناولات عالية الحساسية يجب تاخيرها بزمن معين عند الظبط وذلك لتلافي الحالات اللحظية(transient) والزمن القياسي يكون ضمن حدود( 0.5-3) ثانية .

ج- Distribution transformer earthing using voltage element :-

وهي نفس الطريقة السابقة باستثناء استخدام محولة فولتية بدلا من محولة,والفائدة من استخدام محولة الفولتية ومحولة التيار في هذه الطريقة والتي قبلها انه في حالة حصول دائرة قصر على المقاومة نتيجة لحدوث E.F او Flash over في الملف الابتدائي لمحولة التوزيع ستبقى محولة التيار بالعمل وتتحسس مرور التيار وفي حالة حصول فتح لمقاوة الحمل فان ال V.T ستبقى بالعمل

د- Neutral voltage displacement protection :-

من الجدير بالذكر انه عند حدوث حالة E.F فان ممانعة التتابع الصفري للملفات(Zero sequence impedance) تكون اقل من ممانعة التتابع الموجبة والسالبة لذلك يكون تيار التتابع الصفري(Zero sequence current) اعلى من بقية مركبات التيار وفي هذه الطريقة يتم تحسس فولتية التتابع الصفري(Zero sequence voltage) عند حدوث E.F والشكل  يوضح مخطط الدائرة .

تكون قيمة فولتية التتابع الصفري قليلة جدا في حالة توازن الدائرة وتكون فولتيات الاطوار متماثلة فعند حدوث E.F تبدا الفولتبة الصفرية بالتنامي ويحدث فرق في فولتيات الاطوار الثلاث يتحسسهما المناول معطيا اشارة Tripوبذلك يحمي 95% من ملفات الجزء الثابت .

ب-phase to phase faults

حصول دائرة قصر  short-circuit في ملفات الجزء الثابت او بين اطراف المولد يودي الى تلف الملفات وقلب المولد وكذلك يؤدي الى حدوث التواءات ميكانيكية(torsional) للجزء الدوار.ولا بد من فصل المولد حالا عند حدوث p-p-f من الشبكة الكهربائية واعطاء اشارة اطفاء وذلك لتقليل الضرر.

Phase to phase fault protection 

للاستجابة لهذا النوع من الاحداث بسرعة وحساسية عالية تستخدم طريقة الحماية التفاضلية للمولدات التي تتجاوز (1MVA).اما في المولدات الصغيرة فيستخدم مناول فوق التيار اللحظي او مناول IDMT (INVERS DEFINITE MINIMUM TIME) للحماية من P-P-F وفيما يلي توضيح الحماية التفاضلية :-

Defferential protection 

تربط محولات تيار(C.T) على جهة (line side) بطريقة النجمة star وتربط محولات تيار بطريقة النجمة ايضا على جهة نقطة التعادل ثم تربط جميع هذه المحولات الى مناول الحماية الذي يتكون من ثلاث ملفات مربوطة star وتجمع نقطة التعادل للمحولات والمناول سوية.ويجب ان تكون نسبة التحويل متماثلة لجميع محولات التيار.

فعند حدوث fault في طور معين فان الملف الثانوي لمحولة التيار المربوطة على هذا الطور سوف يتشبع بالتيار بصورة اعلى من المحولتين الاخرى وبذلك ينقل التيار الى المناول ليصل الى الحد الذي يعمل معه ملفه ويرسل اشارة trip الى قاطع الدورة...

هناك طيقتان للحماية التفاضلية

Bais defferential protection

ينظم حد العتبة لتيار الفرق(Is1)بنسبة اقل من 5%وذلك لحماية اعلى نسبة من ملفات الجزء الثابت وينظم حد العتبة لتيار الانهيار(Is2)بنسبة اعلى من تيار المولدة المقنن(rated current) بنسبة 120% وذلك لتلافي الحالات اللحظية(transient)...

High impedance defferential protection

في هذا النوع من الحماية التفاضلية تضاف مقاومة خارجية الى دائرة المناول وذلك لتعطي الممانعة الضرورية العالية ومبدا عمل هذه الحماية موضح بالرسم ادناه مع ملخص المعادلات الرياضية الحسابية.

The maximum voltageacross the relay will be:

Umax = Is " ( RCT + RL ) where

Is " = secondary subtransient short-circuit current, symmetrical (ac) component

RL = resistance of pilot wire between current transformer (CT ) and relay

RCT = resistance of the secondary winding of the saturated current transformer

The relay operate voltage is set higher than Umax

واقل قيمة للتار تعمل معها الدائرة تعتمد على فولتية المناول ونسبة التحويل لمحولة التيار....

وتصل فولتية المناول الى قيمة اعلى من فولتية الاشباع لمحولة التيار خلال (10-15ms) ومعها يرسل المناول اشارة trip .

ج- Interturn faults 

يحدث هذا ال(fault) في لفات الطور الواحد للمولد الكهربائي.تستخدم لفة واحدة لكل اخدود(slot) للطور الواحد في المولدات الحديثة لذلك لا حاجة للحماية من هذا النوع من الاحداث لانه من النادر حدوث (interturn؟)للفة واحدة للطور.اما في المولدات الكبيرة التي تتجاوز(50MVA) فتستخدم لفات متعددة للطور الواحد(Multi-turn) ومن الصعب اعطاء وثوقية للحماية من هذا النوع من الاعطال لذلك يستخدم مناول E.F بزمن لايتجاوز (0.3-0.5) ثانية على فرض ان هذا الحدث يسبق بقية الاحداث اما اذا استخمدت حماية مستقلة فتربط ملفات الجزء الثابت على شكل مجموعتين متوازيتين بينهما محولة تيار تغذي مناول فوق التيار(OVER CURRENT) .

Over load(over current) protection

من الطبيعي ان تجهز المولد قدرة اعلى بقليل من القدرة المقننة لها لوقت قصير عندما تخرج بعض محطات التوليد عن الشبكة بصورة مفاجئة ولكن بشرط ان لا يؤدي هذا الارتفاع في الحمل الى فقدان الفولتية الطرفية للمولد وزيادة عالية في التيار والا كان حدثا(fault) غير طبيعيا.وللحماية من هذه الاحداث هناك ثلاث طرق:-

1-voltage controlled overcurrent protection

يتم ضبط مناول الحماية في هذه الطريقة وفق قيمة الفولتية الطرفية للمولد فيحدد مقدار التيار والزمن الذي يعمل معهما مناول الحماية وهناك حالتين

أ‌- حالة حصول ظاهرة فوق الحمل(O.L)مع بقاء الفولتية الطرفية للمولد قريبة من الحد الطبيعي عندها يظبط التيار على قيمة اعلى من تيار الذروة للمولد(F.L current) وبزمن مناسب يحمي المولد

ب‌- حصول (O.L) مع انخفاض الفولتية الطرفية للمولد وعندها يجب ان يظبط المناول على قيمة العتبة القريبة من ال(FAULT) وبزمن مناسب .

2-Voltage restrained overcurrent protection

يستخدم هنا مناول فوق التيار مسيطر الفولتية نوع(I.D.M.T) ويعمل هذا المناول كعمل بوابة (AND) بحيث يجب توفر شرط فوق التيار تحت الفولتية معا حتى بعمل المناول ويرسل اشارة trip الى قاطع الدورة... 

3-thermal overload protection

وتعني هذة الطريقة استخدام متحسسات حرارية(thermal) عند حصول ظاهرة(O.L) وذلك لان ارتفاع الحمل يؤدي الى ارتفاع درجة حرارة ملفات الجزء الثابت وهذه المتحسسات عبارة عن مقاومات(Resistance element) تتحسس الارتفاع غير الطبيعي في الملفات فترسل اشارة تحذير او اطفاء الى منظومة الحماية.

وفي نهاية الموضوع أود أن اقول لك شكرا على حسن متابعتي وقراءتك لهذه الموضوع أنا واثق بأن إذا عملت في مدونة الجديد في الكهرباء لكي انفع الناس بمما اعرفه في ها المجال ولكي استمر و  ا وطور مهاراتي ارجو التعليق علي ها الموضوع بكل صراحه تامه وشكرا لكم و بالتوفيق للجميع .