مقدمة عن الحماية الكهربائية:

تُعتبر الحماية الكهربائية من أهم الجوانب في تصميم وتشغيل أنظمة الطاقة، حيث تهدف إلى تأمين المعدات وتقليل الأضرار الناتجة عن الأعطال الكهربائية مثل القصر الكهربائي (Short Circuit) أو التحميل الزائد (Overloading). تعتمد أنظمة الحماية على أجهزة مثل المرحلات (Relays) وقواطع الدائرة (Circuit Breakers) لضمان استمرارية التشغيل بأمان، ومنع انتشار الأعطال إلى أجزاء أخرى من الشبكة الكهربائية.

أنواع الحماية في الأنظمة الكهربائية:

تختلف استراتيجيات الحماية حسب طبيعة النظام الكهربائي، حيث تشمل:

• الحماية من تيارات القصر: تهدف إلى اكتشاف الأعطال الكهربائية مثل القصر بين الأطوار أو بين الطور والأرض، وفصلها بسرعة لمنع الأضرار.
• الحماية ضد التحميل الزائد: تراقب تيارات الأحمال وتفصل التغذية إذا تجاوزت القيم المسموح بها لفترة طويلة.
• الحماية من زيادة الجهد أو نقصانه: تستخدم للحفاظ على استقرار الجهد وتجنب الأضرار التي قد تصيب المعدات خصوصًا فيما يتعلق بالمحركات.
• الحماية الاتجاهية: تُستخدم في الشبكات المعقدة لتحديد اتجاه التيار الخاطئ وفصل القاطع المناسب بحيث لا يتم فصل الخدمة تمامًا.

أعطال القصر الكهربائي:

يحدث القصر الكهربائي عندما يتم إنشاء مسار منخفض المقاومة بين نقطتين في الدائرة الكهربائية، مما يؤدي إلى تدفق تيارات عالية جدًا قد تتسبب في إتلاف المعدات ورفع درجات الحرارة بشكل خطير.

أنواع القصر الكهربائي

• أعطال متماثلة (Symmetrical Faults): وهي الأعطال التي يكون فيها توزيع التيار متساويًا في جميع الأطوار، مثل القصر ثلاثي الطور (Three-phase fault). هذا النوع من الأعطال نادر ولكنه أخطر أنواع القصر بسبب التيارات العالية التي يولدها مثل D و E.
• أعطال غير متماثلة (Asymmetrical Faults): تشمل الأعطال الطورية مثل القصر بين طورين أو القصر بين الطور والأرض، وهي أكثر شيوعًا في الأنظمة الكهربائية ولكن أقل خطورةً مثل A و B و C.

حساب تيارات القصر في نظام شعاعي بمحول وأحمال متعددة Simple Radial System:

لنأخذ مثالًا عمليًا على نظام شعاعي يحتوي على محول كهربائي متصل بالقضبان (Busbar) ويغذي ثلاثة أحمال مختلفة، وهي:

• الحمل الأول: 3 ميجاواط عند جهد 11 كيلو فولت وبمعامل قدرة 0.9
• الحمل الثاني: 2.5 ميجاواط عند جهد 11 كيلو فولت وبمعامل قدرة 0.85
• الحمل الثالث: 2 ميجاواط عند جهد 11 كيلو فولت وبمعامل قدرة 0.95
  المحول المستخدم هو بقدرة 10 ميجافولت أمبير، ونسبة تحويله 110/11 كيلو فولت، وممانعته النسبية 8%.

حساب تيار القصر عند 11 كيلو فولت

أي أن تيار القصر المتوقع عند 11 كيلو فولت هو 6.561 كيلو أمبير. بناءً على ذلك، يتم ضبط إعدادات المرحلات بحيث تكتشف هذا التيار وتفصل القاطع عند تجاوزه مع مراعاة سماحية محددة لمنع الفصل غير الضروري بسبب الارتفاعات العابرة في التيار. بالإضافة إلى ذلك، يجب اختيار قاطع دائرة ذو قدرة فصل (Breaking Capacity) تتجاوز هذا التيار المتوقع، مع إضافة هامش أمان لضمان تحمل أي زيادات غير متوقعة في تيار القصر أثناء التشغيل الفعلي.

الخاتمة

تمثل تيارات القصر تحديًا كبيرًا في الأنظمة الكهربائية، حيث تتطلب تجهيزات وقائية دقيقة لتفادي الأضرار المحتملة. يعتمد نجاح أنظمة الحماية على معرفة أنواع القصر وحساب التيارات الناتجة عنها لضبط أجهزة الوقاية مثل المرحلات وقواطع الدائرة. ولضمان الدقة والكفاءة، يجب الاعتماد على معايير عالمية مثل IEC وIEEE في تصميم وتنفيذ أنظمة الحماية الكهربائية.

المراجع

• IEC 60909: Short-circuit currents in three-phase AC systems
• IEEE Std 551-2006: IEEE Recommended Practice for Calculating Short-Circuit Currents in Industrial and Commercial Power Systems
• IEEE Std C37.13-2015: IEEE Standard for Low-Voltage AC Power Circuit Breakers
• Elmore, W. A., “Protective Relaying Theory and Applications,” 2003, CRC Press.
• Blackburn, J. Lewis, “Protective Relaying: Principles and Applications,” 2015, CRC Press.