تأثيرات الفصل و التوصيل المتكرر علي الشبكة الكهربائية
في هذا البحث تم تحليل تأثير عمليات الفصل والتوصيل المتكررة لقواطع الجهد المتوسط (11 ك.ف) على مكونات الشبكة وأحمالها، حيث وُجد أن هذه العمليات تولّد إجهادات حرارية-ميكانيكية تؤدي إلى تدهور عزل الكابلات وتقصير عمرها التشغيلي ، كما تُحدث فولتيات عابرة وضغوطًا حرارية على المحولات قد تتسبب في تلف العزل الداخلي . أما القواطع نفسها فتتعرض لإهتراء ميكانيكي وكهربي كلما زاد عدد دورات التشغيل، مما يستدعي صيانة متكررة أو استبدال مبكر . إضافةً إلى ذلك، قد تؤدي عمليات إعادة التوصيل في حالات الأعطال إلى تفاقم الأضرار وانتشارها عبر الشبكة بنسبة كبيرة من الأخطاء العارضة . وعلى الصعيد الاقتصادي، تخسر الشركات مليارات الدولارات سنويًا جراء تلف المعدات وخسائر الإنتاج الناجم عن الانقطاع المتكرر . كما تتأثر الأحمال السكنية بتقلبات الجهد المفاجئة، بينما تعاني الأحمال الصناعية من مشاكل جودة الطاقة وتوقف الإنتاج . بناء على هذه النتائج، يقدم البحث توصيات فنية لتقليل دورات التشغيل وضبط نظم الحماية وصيانة القواطع دورياً.
⚡ المقدمة
تُعدّ شبكات الجهد المتوسط 11 ك.ف العمود الفقري لتوزيع الكهرباء بين محطات التحويل الرئيسية والثانوية، مُغذيةً الأحمال السكنية والتجارية والصناعية . وتعتمد موثوقيتها بشكل أساسي على أداء القواطع التي تحمي الشبكة من تيارات القصر والتحميل الزائد . نظراً لأن عمليات الفصل والتوصيل متكررة في ظروف التشغيل الطبيعية وحالات الأعطال، فإن لها أثراً ملموساً على العمر الخدمي للمعدات وتكاليف الصيانة والتشغيل.
🔌 تأثير الفصل والتوصيل على الكابلات
1. الإجهاد الحراري
كل عملية توصيل تولد تياراً عابراً يسبب ارتفاعاً حرارياً في موصلات الكابلات، يزداد بزيادة عدد الدورات، مما يؤدي إلى ضعف خصائص العزل وتقشر الطبقات العازلة مع الزمن .
2. تدهور العزل
تُسرّع الفولتيات العابرة الناتجة عن الفصل والتوصيل من تشقق المواد البوليمرية في عزل XLPE، فتقل المنشطات المضادة للأكسدة وتزداد فرص نشوء شحنات موضعية تؤدي إلى تفريغ جزئي ونهاية المطاف إلى فشل العزل بالكامل .
🔄 تأثير الفصل والتوصيل على المحولات
1. الفولتيات العابرة (Switching Overvoltages)
عند إعادة توصيل المحول بعد فصله، يتولد جهد عابر ذو ترددات عالية وأمواج رنين قد تزيد عن 100 % من الجهد الاسمي، مما يضغط على العزل الداخلي ويبكّر بضعفه .
2. الإجهادات الحرارية
الإخماد المفاجئ للتيار خلال فصل القاطع يولّد ذبذبات حرارية في لفات المحول، ويحدث تراكم حراري موضعي يسرّع تدهور صفائح الحديد والعزل الورقي بين اللفات .
🛑 تأثير الفصل والتوصيل على القواطع
كل دورة فصل وتوصيل تسبب إحتكاكاً ميكانيكياً في الزنبركات وأجزاء التعطيل Arc Chutes، ويستهلك القاطع جزءاً من عمره التشغيلي المقدر بما بين 2000 إلى 5000 دورة حسب التصميم والمواد المستخدمة .
كما تولّد عملية القتل الكهربائي للقوس Arc Quenching إجهاداً كهربائياً يساهم في تأكل الأقطاب والتآكل السطحي للمعادن، مما يستوجب صيانة دورية وتنظيفاً للممرات الحارقة .
⛔ احتمالية التوصيل في حالة الأعطال
يقوم جهاز الإعادة التلقائية للمغذيات (Recloser) بمحاولات إعادة توصيل تلقائية تصل إلى 4 دورات غالباً، حيث إن نحو 80 % من الأعطال عارضة وتنحسر بعد المحاولة الأولى .
إلا أن حالات أعطال خطيرة (مستمرة) قد تؤدي إلى فشل إعادة التوصيل وانتشار خطأ أكبر في الشبكة إن لم تُقطع بشكل نهائي، مما يستدعي ضبط منطق الحماية Timing Coordination بدقة .
💰 الأضرار المادية
تتضمن الأضرار المادية استبدال الكابلات المتدهورة والمحولات المتضررة واستبدال أو إعادة صيانة القواطع، بالإضافة إلى خسائر توقف الأحمال الصناعية والتجارية التي قد تبلغ ملايين الدولارات يومياً في المنشآت الكبرى .
كما تتضمن التكاليف تكلفة العمالة والإمدادات واللوجستيات لاستبدال الأجزاء وتعديل إعدادات الحماية، فضلًا عن تكاليف إعادة تأهيل موقع الشبكة وتكاليف التعويض للعملاء المتضررين.
📊 تأثير على الأحمال
1. الأحمال السكنية
تتعرض المنازل لانخفاضات وارتفاعات جهد مفاجئة خلال عمليات الفصل والتوصيل، مما يؤثر على الأجهزة الحساسة مثل الحواسيب وأجهزة التكييف ويختصر عمرها التشغيلي .
2. الأحمال الصناعية
تتسبب التذبذبات المتكررة في توقف خطوط الإنتاج، وتعطل المحركات والمضخات، مما يؤدي إلى خسائر إنتاجية كبيرة وتأخير تسليم المنتجات .
3. الأحمال التجارية
تتأثر المنشآت التجارية مثل المولات والمستشفيات بانقطاع التيار المؤقت، مما يؤثر على الإضاءة وأنظمة السلامة والطاقة الاحتياطية UPS .
🛠️ عناصر إضافية تتأثر
- أنظمة الحماية والأتمتة الذكية: تتطلب إعادة برمجة دورية لضبط إعدادات الحماية والتنسيق الزمني بين القواطع والروافع الذكية .
- مركز التحكم والرصد: يعتمد على سجلات الكسر (Operation Logs) لتقييم الحالة الصحية للمعدات وإصدار أوامر الصيانة الوقائية.
- محطات التحويل الثانوية: تتأثر بأمواج التوافقيات والحمل غير الخطّي الناتج عن معدات الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة.
💡 التوصيات
- تقليل عدد دورات الفصل والتوصيل إلا للضرورة القصوى.
- استخدام قواطع ذات قدرة تحمل ميكانيكي وكهربائي مرتفع (≥ 5000 دورة).
- اعتماد جدولة صيانة دورية استناداً إلى سجلات التشغيل وتحليل الحالة Condition Assessment.
- تحسين تنسيق الحماية باستخدام منطق تسلسل زمني Adaptive Protection.
- تثبيت مقاومات إخماد Closing Resistors للحد من الجهد العابر.
📚 المراجع
- IEEE Std C37.010-2014, IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers.
- Hanif, “Transformer Testing: Overvoltages Arising in the Power System Operations,” LinkedIn, 2023.
- “Recloser,” Wikipedia, 2004.
- “Design of transformers for very fast transient overvoltages,” CIGRE, 2025.
- Scientific Article on PD in MV Cables, ScienceDirect, 2023.
- EPRI Study on DC Testing of MV Cables, EC&M, 2010.
- “Mechanical endurance of a vacuum circuit breaker,” YGVCB, 2024.
- “Electrical wear in high-voltage circuit breakers,” NETA World Journal, 2021.
- “Transient Overvoltages on the Electricity Supply Network,” S3 Energy, 2004.
- “Impact of future residential loads on medium voltage networks,” ResearchGate, 2013.
- “Impact of modelling of MV network and remote loads,” ScienceDirect, 2022.
- “The Hidden Threat: Transient Voltage,” Hitachi Energy, 2023.
- “Issue of Aging Equipment,” IEEE PES, 2024.
- C. Greenwood, “Electrical Transients in Power Systems,” John Wiley & Sons, 1991.
- R. Watson, “High Voltage Switchgear and Control Systems,” Academic Press, 1987.
تعليقات
إرسال تعليق