ممانعة محول قدرة بجهد 132 kV: مستويات تيار العطل والتشغيل على التوازي

يحتاج محول قدرة بجهد 132 kV إلى مواصفة ممانعة تتوافق مع حدود تيار الأعطال ومتطلبات الجهد وترتيبات التشغيل في الشبكة. تؤدي الممانعة الأقل إلى زيادة التيار الذي يمر عبر المحول أثناء عطل في جهة المصب. أما الممانعة الأعلى فتحد من هذا التيار، لكنها تزيد عادةً هبوط الجهد عند وجود أحمال تفاعلية. وإذا كان من المقرر تشغيل المحولات على التوازي، فإن الممانعة تؤثر أيضًا في مقدار الحمل الذي تتحمله كل وحدة.

لا توجد نسبة ممانعة صحيحة عالميًا تناسب كل منشأة بجهد 132 kV. والمواصفة المفيدة هي قيمة ذات سماحية متفق عليها، وتفي بمتطلبات تشكيلات الشبكة المقصودة. ولا تمثل مطابقة نسبتي لوحتي بيانات المحولين سوى جزء من ضمان التوافق للتشغيل على التوازي؛ إذ تهم أيضًا نسبة الجهد، وإزاحة الطور، وزاوية الممانعة، والتحكم في مغير النقرات.

ما الذي تخبرك به نسبة الممانعة فعليًا؟

تصف ممانعة القصر للمحول مقاومة مرور التيار بين زوج محدد من الملفات. وأثناء قياسها، يُقصَر أحد الملفات ويُطبَّق جهد مخفَّض على الملف الآخر إلى أن يمر التيار المقنن. ويعطي الجهد اللازم، معبَّرًا عنه كنسبة مئوية من الجهد المقنن ذي الصلة، نسبة الممانعة المئوية.

ينتج ذلك أساسًا عن مقاومة الملفات ومفاعلتها التسريبية. وهو ليس ممانعة إثارة المحول في حالة اللاحمل، ولا يعني أن النسبة المذكورة من قدرة الدخل تُفقد. فالمقاومة تسبب فواقد الحمل؛ أما المفاعلة فتؤثر في هبوط الجهد وتيار العطل من دون أن تستهلك قدرة فعلية بحد ذاتها.

لا تكون قيمة الممانعة ذات دلالة إلا إذا كانت شروطها المرجعية واضحة. وتشمل هذه الشروط أساس MVA، وزوج الملفات، وموضع مغير النقرات، والتردد، ودرجة الحرارة المرجعية. وإذا كان للمحول تصنيفات تبريد متعددة، فينبغي تحديد التصنيف الذي يُعتمد أساسًا للممانعة. وقد تؤدي مقارنة نسب مئوية محسوبة على أسس مختلفة إلى تقييم مضلل.

في المحول ذي الملفات الثلاثة، لا يمكن لنسبة واحدة وصف جميع مسارات تيار العطل. وتحتاج الدراسة إلى الممانعات ذات الصلة بين كل زوج من الملفات والأسس المحددة لها. وقد يؤثر الملف الثالث أيضًا في سلوك التسلسل الصفري، حتى إن كان حمله الاعتيادي صغيرًا.

تقدير تيار العطل من دون الخلط بين جانبي الجهد

لإجراء تقدير أولي لعطل متوازن ثلاثي الطور عند أطراف الملف الثانوي مباشرةً، يُفترض مصدر علوي مثالي، وجهد اسمي، وممانعة توصيل مهملة. وبناءً على هذه الافتراضات:

التيار المقنن: I_rated = S / (√3 × V)
تيار العطل المحدود بالمحول: I_sc ≈ I_rated / z_pu
الممانعة بوحدة الجزء من الواحد: z_pu = Z% / 100

هنا، تمثل S تصنيف القدرة الظاهرية ثلاثية الطور للمحول، وتمثل V جهد الخط إلى الخط على الجانب الذي يُحسب عليه التيار. استخدم وحدات متسقة. وتساوي قدرة العطل الظاهرية التقريبية المقابلة S / z_pu.

التمييز بين جانبي الجهد مهم. فقد يغذي محول متصل بشبكة 132 kV قضيبًا بجهد أقل، حيث يكون التيار بالأمبير أكبر بكثير للقدرة الظاهرية نفسها. ويؤدي استخدام التيار المقنن عند 132 kV لتقييم واجب معدات الفصل في الجانب الثانوي إلى نتيجة خاطئة.

توفر العلاقة العكسية قاعدة مفيدة للتقييم الأولي: فخفض الممانعة يزيد مساهمة المحول في تيار العطل. لكن هذا الحساب يقدّر التيار المار عبر ذلك المحول فقط، وفق الافتراضات المذكورة، ولا يمثل تنبؤًا كاملًا بإجمالي تيار العطل على القضبان.

لإجراء حسابات الشبكة، تُحوَّل ممانعات المصدر والمحول والتوصيلات إلى أساس مشترك للجهد والقدرة. ثم تُجمع مركبتا المقاومة والمفاعلة بوصفهما كميتين مركبتين. وقد يؤدي جمع مقادير الممانعة حسابيًا إلى تشويه النتيجة عندما تختلف زوايا ممانعاتها.

عند التحويل بين أسس القدرة على أساس الجهد نفسه:

z_new = z_old × S_new / S_old

إذا تغير أساس الجهد أيضًا، فيجب أن يتضمن التحويل العلاقة بين أساسي الجهد.

ظروف الشبكة التي تغيّر واجب معدات الفصل

تشمل دراسة الأعطال العملية قوة المصدر العلوي، وخطوط النقل، والكابلات، والمحولات الأخرى، ومصادر التوليد المتصلة. وقد تسهم المحركات في الفترة الأولية للعطل. أما التوليد المعتمد على العاكس فيتطلب نموذجًا مناسبًا للعطل، لأن استجابته للتيار تعتمد على أنظمة التحكم وحدود التيار.

عادةً ما تكون حالة أقوى مصدر يُحتمل تشغيله هي الأهم عند تحديد أقصى واجب لتيار العطل. أما ظروف الحد الأدنى للمصدر فتهم حساسية الحماية: إذ يجب أن يظل المرحل قادرًا على اكتشاف العطل المعني وفصله عندما يكون التيار المتاح أقل. ولذلك فإن تقييم أقصى تيار فقط قد يترك مشكلة في الحماية من دون حل.

قد يكون ترتيب القضبان بأهمية ممانعة المحول نفسها. فإغلاق قاطع ربط القضبان قد يوصل مسارًا آخر للمصدر، ويرفع إجمالي تيار العطل. وعندما تتشارك المحولات المتوازية ممانعة مصدر علوية، يجب تمثيل تلك الممانعة المشتركة صراحةً. وقد يؤدي مجرد مضاعفة نتيجة محول واحد إلى المبالغة في تقدير المساهمة المجمعة أو تمثيلها على نحو غير صحيح.

ينبغي أن يميز تقييم معدات الفصل بين تيار RMS المتماثل، وواجب تيار الإغلاق عند القمة، والتيار المرتبط بزمن الفصل المطلوب. وتؤثر نسبة X/R في الشبكة في المركبة غير المتماثلة وتيار القمة. وقد يفرض ترتيبان لهما تيار عطل متماثل متقارب واجبين ميكانيكيين مختلفين.

تتطلب الأعطال الأرضية تقييمًا منفصلًا. فممانعة التسلسل الموجب وحدها لا تكفي لوصفها. وتحدد توصيلات الملفات، وتأريض نقطة التعادل، وممانعة التسلسل الصفري، وأي مقاومة أو مفاعل تأريض، مسارات العودة المتاحة. ويغيّر ملف دلتا مسارات تيار التسلسل الصفري، من دون أن يمنع كل مساهمة في الأعطال الأرضية في مواضع أخرى من المنشأة.

للممانعة الأعلى تكلفة على أداء الجهد

قد تساعد زيادة ممانعة المحول في إبقاء واجب تيار العطل في جهة المصب ضمن حدود المعدات، لكنها تؤثر في أداء تدفق الحمل. وبالنسبة إلى حمل مبسط ذي معامل قدرة متأخر، يكون هبوط الجهد التقريبي بوحدة الجزء من الواحد كما يلي:

ΔV ≈ I_pu × (r_pu cos φ + x_pu sin φ)

يوضح ذلك أهمية نسبة المقاومة إلى المفاعلة. إذ تجعل الأحمال التفاعلية المفاعلة التسريبية مؤثرة على نحو خاص. وعند معامل قدرة متقدم، تتغير إشارة الحد التفاعلي، ولذلك قد تؤدي ظروف التشغيل إلى ارتفاع الجهد بدلًا من هبوطه.

يمكن لمغير النقرات تحت الحمل تعويض تغيرات جهد التشغيل المستقرة ضمن نطاقه المتاح. لكنه لا يستطيع إزالة الممانعة أو ضمان جهد مقبول أثناء الاضطرابات. وقد لا يكون التصميم الذي يحد من تيار العطل لكنه يستنفد نطاق النقرات أثناء التشغيل العادي مناسبًا للشبكة المقصودة.

عند ربط مصدر للطاقة المتجددة، ينبغي تقييم ظروف الاستيراد والتصدير، ومتطلبات القدرة التفاعلية، وحدود الجهد في نظام التجميع معًا. ويجب أن يخدم قرار الممانعة كلاً من دراسة القصر ودراسة تدفق الحمل.

التشغيل على التوازي: تساوي النسب لا يضمن تساوي التحميل

يجب أن تنتج المحولات العاملة على التوازي جهودًا متوافقة عند القضبان المشتركة. وتشمل الشروط ذات الصلة نسبة الجهد، والقطبية، وتسلسل الأطوار، وإزاحة الطور، وإعدادات مغير النقرات. وقد تؤدي علاقات الأطوار غير المتوافقة إلى تيار شديد عند إغلاق التوصيل.

تُعد مطابقة مجموعات التوصيل المتجهية نقطة بداية مباشرة، لكن علاقات الأطوار الفعلية عند الأطراف هي التي تحدد التوافق. وينبغي تقييم توصيلات المحولات ضمن ترتيب القضبان الكامل.

بعد التحقق من توافق الجهد، يعتمد تقاسم الحمل على ممانعة كل فرع بالكامل. ويشمل ذلك ممانعة المحول وممانعة الكابلات أو توصيلات القضبان بين كل محول والقضبان المشتركة.

عندما تكون جهود الملفات الثانوية في حالة اللاحمل متساوية، يتوزع تيار الفروع عكسيًا مع ممانعاتها المركبة. وإذا كانت زوايا الممانعة متقاربة بما يكفي، تكون العلاقة التقريبية لتقاسم القدرة الظاهرية كما يلي:

S_load,1 / S_load,2 ≈ (S_rated,1 / z_pu,1) / (S_rated,2 / z_pu,2)

في هذه العلاقة، تُعطى ممانعة كل محول على أساس قدرته المقننة. ولذلك تدعم الممانعات المئوية المتساوية تقاسم الحمل تقريبًا بما يتناسب مع تصنيفي MVA لكل منهما، مع مراعاة الافتراضات الأخرى.

إذا كانت النسبة المئوية لممانعة أحد المحولين أقل، فإنه يتحمل حصة أكبر من الحمل نسبةً إلى قدرته المقننة. وقد يبلغ حده الحراري بينما تبقى سعة احتياطية في الوحدة الأخرى. ولا يؤدي جمع التصنيفين على لوحتي البيانات تلقائيًا إلى تحديد السعة القابلة للاستخدام لمجموعة المحولات المتوازية.

تزيد اختلافات نسب X/R من تعقيد تقاسم الحمل. فقد تتقاسم الوحدات ذات مقادير الممانعة المتقاربة القدرة الفعلية والتفاعلية على نحو مختلف. وعند تقييم التوافق، ينبغي مقارنة المقاومة والمفاعلة، أو مقدار الممانعة وزاويتها.

يُنشئ عدم تطابق النقرات تيارًا قبل توفير حمل مفيد

يؤدي اختلاف متجهات جهود المحولات الثانوية إلى توليد تيار دائري عبر الحلقة التي تشكلها ممانعاتها. وبصيغة مبسطة:

I_circulating ≈ ΔE / (Z₁ + Z₂)

يجب إحالة فرق الجهد والممانعات إلى الجانب نفسه. ويستهلك التيار الدائري سعة التيار ويزيد الفواقد حتى عندما يكون الحمل الخارجي صغيرًا. كما يضاف إلى تيار الحمل لكل وحدة، ما قد يقلل السعة المتاحة.

لا تعني أرقام مواضع النقرات المتطابقة بالضرورة تطابق النسب. فقد تختلف المحولات في خطوات النقرات أو نطاقاتها أو ترتيب ملفاتها. لذا ينبغي مقارنة نسب الجهد الفعلية عند أوضاع التشغيل المقصودة.

وقد تؤدي وحدات التحكم المستقلة في الجهد أيضًا إلى حركات غير مرغوب فيها لمغيرات النقرات أثناء التشغيل على التوازي. ويتطلب نظام التحكم سلوكًا منسقًا، مثل ترتيب مناسب للتحكم الرئيسي والتابع أو للتحكم بالتيار الدائري. وينبغي أن يراعي تصميمه حالة قاطع ربط القضبان، وتوافر المحولات، والانتقال بين التشغيل المنفصل والتشغيل على التوازي.

موضع محولات الطاقة الكهروضوئية في ربط 132 kV

قد تضم محطة الطاقة الكهروضوئية عدة مراحل للمحولات: يُرفع جهد العاكس إلى جهد التجميع، ثم يربط محول رئيسي منفصل نظام التجميع بشبكة 132 kV. وينبغي إدراج ممانعاتها في نموذج الشبكة نفسه، لكن هذه الوحدات تؤدي مهام مختلفة.

يُحدَّد محول الرفع لمحطات الطاقة الكهروضوئية من Jinshida Electric بقدرة 500–5000 kVA، مع خيارات جهد عالٍ تبلغ 10 أو 20 أو 35 kV. وتضعه هذه التصنيفات في مرحلة الربط بين العاكس ونظام التجميع؛ ولا تثبت ملاءمته بوصفه المحول الرئيسي بجهد 132 kV.

في هذا الترتيب، ينبغي تقييم الأعطال عند كل قضيب ذي صلة. إذ تؤثر ممانعات محولات التجميع في مسارات الأعطال المحلية وأداء الجهد، بينما يؤثر المحول الرئيسي في تبادل القدرة مع شبكة النقل. وتنطبق متطلبات التشغيل على التوازي أينما كانت دوائر المحولات الثانوية موصولة فعليًا ببعضها. أما الاشتراك في شبكة تجميع واحدة فلا يعني أن كل محول عاكس يشكل مجموعة تقليدية من المحولات المتوازية.

تحويل دراسة الشبكة إلى مواصفة شراء

ينبغي أن تقدم مواصفة الشراء للمصنّع معلومات كافية للتصميم وفق واجب التشغيل المقصود. فطلب نسبة ممانعة مفضلة من دون تحديد أساسها أو سماحيتها أو قيود الشبكة يترك قرارات مهمة من دون حسم.

يوفر IEC 60076 الإطار المرجعي ذي الصلة بالمحولات، لكن الإشارة العامة إلى السلسلة لا تحدد جميع متطلبات المشروع. وينبغي أن يحدد العقد المتطلبات المنطبقة والاختبارات ومعايير القبول والوثائق. ويختلف قياس الممانعة عن تقييم تحمل القصر من حيث الغرض؛ فاجتياز قياس الممانعة لا يثبت بحد ذاته تحمل القصر