حماية من التيار المفاجئ لأنظمة طاقة الرياح: اختيار أجهزة الحماية من التيار المفاجئ لدوائر التيار المتردد والتيار المستمر

لماذا تحتاج أنظمة طاقة الرياح إلى خطة مخصصة للحماية من التقلبات الكهربائية؟

تختلف حماية التوربينات الريحية من ارتفاعات الجهد عن الحماية العامة للمباني بعدة جوانب هيكلية. إذ يبلغ برج التوربين ارتفاعًا كبيرًا، وتقوم وحدة المولد بالدوران، كما تضم الآلة الواحدة أنظمة تجميع الجهد المتوسط، والجهد المنخفض المتناوب، وطاقة التحكم بالتيار المستمر، بالإضافة إلى أسلاك الإشارات الحساسة، وكل ذلك ضمن هيكل واحد.

يمكن لضربة برق مباشرة أو قريبة أن تُحَوِّل الطاقة إلى عدة مسارات من هذه المسارات في آنٍ واحد. ونادراً ما يكون جهاز واحد عند المغذي الوارد كافياً لمعالجة كل مسار.

تُعدّ الخطة المنسَّقة عمومًا أكثر فعالية. إذ يمتلك كل دائرة كهربائية جهدًا وشكل موجة ومتطلبات مقاومة للأعطال مختلفة، لذا   SPD لطاقة الرياح   يُعالج الاختيار عادةً على مستوى كل دائرة، ثم يُنسَّق على مستوى المنظومة.

حيث تدخل التدفقات المفاجئة إلى توربين الرياح

تصل طاقة التدفق إلى معدات التوربين عبر عدد محدود من المسارات. ويُعدّ تحديد كل منها الخطوة الأولى في أي…   حماية من التيار المفاجئ لتوربينات الرياح  design.

البرق المباشر والقريب

يُؤدّي ضربة البرق التي تُصيب الشفرة أو البرج أو الغرفة الدوّارة إلى إدخال تيار كهربائي إلى الهيكل وإلى الموصلات المتصلة به. وقد صُمِّم مُستقبِل الصواعق الخاص بالشفرة لاعتراض هذا التيار، إلا أن جزءًا منه قد يواصل الوصول إلى الدوائر الكهربائية عبر الاقتران الحثي.

الاندفاعات العابرة عند التبديل على جانب الشبكة

يؤدي تشغيل مغذي التجميع والمحوّل والمحوّل إلى توليد نبضات عابرة سريعة على وصلة الشبكة المترية. وتكون هذه الارتفاعات الناتجة عن التبديل أقل في الطاقة عادةً من البرق، لكنها تحدث بوتيرة أعلى.

المولد والارتفاعات على جانب التيار المستمر

يمكن لدائرة المولد، ومحركات التحكم في الميل والدوران، وكذلك الأجهزة المساعدة التي تعمل بالتيار المستمر، أن تتحمل الارتفاعات المفاجئة الناتجة عن الحث أو التوصيل. وتُعدّ التوربينات ذات السرعة المتغيرة والمزودة بمحولات كاملة حساسة بشكل خاص لارتفاعات الجهد الزائدة في دائرة التيار المستمر.

خطوط الاتصالات وأجهزة الاستشعار

تُمرَّر كابلات الألياف الضوئية، وكابلات الحافلات الميدانية، وكابلات الإشارات التناظرية لمسافات طويلة عبر البرج. وتتعرّض الخطوط القائمة على النحاس إلى جهد زائد مترابط على طول كامل مسارها.

ارتفاع جهد الأرض

يمكن أن يؤدي تيار البرق المتشتت عبر قطب التأريض في الأساس إلى رفع جهد المرجع المحلي مقارنةً بالنقاط البعيدة. ويؤثر ذلك على أسلاك التوصيل بين الخزانات وروابط الاتصالات عن بُعد.

تضع خطة عملية جهازًا في كل منطقة من هذه المناطق، بدلًا من الاعتماد على موقع واحد لتغطية جميع المسارات.

اختيار مُقاومة التفريغ لدوائر التيار المتردد (جانب شبكة المحول)

يُعدّ اتصال جانب الشبكة للمحوّل أكثر نقطة تيار متناوب تعرضًا في التوربينة. وتشيع في التوربينات الحديثة استخدام جمع التيار المتناوب منخفض الجهد بجهد 690 فولت أو 1140 فولت.

يُختار قاطع التيار الكهربائي المحمول هنا وفقًا لنفس المعايير الكهربائية المطبقة على أجهزة لوحات التوزيع الصناعية، مع مراعاة الجهد المحدد للتوربين ومستوى الأعطال.

الجهد وتكوين الأقطاب

الجهد التشغيلي المستمر (U _ج ) يتم اختياره مع هامش يفوق أقصى جهد مستمر بين الطور والمحايد، بما في ذلك التسامح والجهد الزائد المؤقت (TOV).

تُحدَّد وحدات حماية التفاضلية للطاقة الريحية ثلاثية المراحل عادةً بتكوينات 3P+N أو 4P، مما يضمن تغطية جميع أوضاع الأطوار والحيادي.

التيار النوعي والتفريغي

بالنسبة للموصل الوارد إلى قاعدة البرج حيث قد تصل تيارات الصاعق المباشرة، يُستخدم جهاز من النوع الأول أو النوع الأول+الثاني المصنف وفقًا لتيار النبضة (I _إمپ ، 10/350 ميكروثانية) يكون مناسبًا بشكل عام.

تُعدّ المرحلة الواقعة على جانب المحول عادةً جهازًا من النوع الثاني، مصنّفًا بتيار تفريغ اسمي (I _ن ) وحدّ أقصى لتيار التفريغ (I _ماكس ، 8/20 ميكروثانية). يعتمد التنسيق بين المرحلتين على نفس مبادئ الفصل المستخدمة في الحماية المتسلسلة التقليدية.

مقاومة القصر الكهربائي

يُعدّ تحمل التوصيلات القصيرة مصدر قلق خاص في التوربينات، نظرًا لأن مستوى عطل مغذي التجميع قد يكون مرتفعًا. ينبغي التحقق من صلاحية جهاز حماية التفاضلية (SPD) وجهاز الحماية الاحتياطي ضد التيار الزائد لتحمل تيار القصر المتوقع عند تلك النقطة.

ال   مُقسّم التفريغ الكهربائي من النوع 1+2 المدمج   يمكن للخيار أن يبسّط هذا التنسيق في الحالات التي يكون فيها المساحة أو طول الأسلاك محدودين.

اختيار فئة الجهد: 690 فولت مقابل 1140 فولت

يُحدد الاختيار بين وحدة من الفئة 690 فولت ووحدة من الفئة 1140 فولت وفقًا لجهد التجميع الخاص بالتوربين. عادةً ما يستخدم نظام بجهد 1140 فولت جهدًا أعلى U _ج   وحدة لتجنب الإجهاد أثناء التشغيل العادي أو خلال حدث TOV.

إن اختيار التيار من المخطط الكهربائي أحادي الخط، بدلاً من الاعتماد على افتراض عام، يقي من كلٍّ من التقدير الناقص والتقدير الزائد.

تنسيق المسرح

يعتمد التنسيق بين مرحلتي القاعدة والمحوّل أيضًا على طول الموصل الفاصل بينهما. إذ إن وجود فاصل أدنى—غالبًا ما يقع في حدود عدة أمتار—يتيح للجهاز المسبق أن يتفاعل أولًا، مما يقلل من الطاقة التي تمتصها المرحلة اللاحقة.

عندما لا يتوفر ذلك الطول، يُعدّ محث الفصل أو جهاز مدمج بديلاً شائعاً.

اختيار SPD لدوائر التيار المستمر

يعمل المولد والعديد من الدوائر المساعدة في التوربينة بالتيار المستمر.   حماية من زيادة الجهد في التيار المتردد   تختلف المتطلبات عن جانب التيار المتردد بثلاثة جوانب رئيسية: القطبية، فئة الجهد، وسلوك الفصل.

مولد ودوائر التيار المستمر للانحراف والالتفاف

تقوم التوربينات ذات السرعة المتغيرة بتوجيه طاقة المولد عبر المحول، ويمكن لرابط التيار المستمر أو الدائرة الموجودة على جانب المولد أن تتحمل الارتفاعات المفاجئة الناتجة عن الحث. أما أنظمة ضبط زاوية الشفرات ودوران المنصة فتعمل على تحديد موضع الشفرات والمنصة باستخدام محركات تعمل بالتيار المستمر، مع كابلات خاصة بها تمتد عبر الهيكل الدوار.

جهاز حماية من التفريغ الكهربائي (DC SPD) ذو طرفين موجب وسالب محددين، مع قيمة U مناسبة _ج   فوق الجهد التشغيلي المستمر الأقصى، ومستوى حماية منخفض بما يكفي (U _ص ) عادةً ما يتم تحديد ذلك للقرص المتصل.

فصل التيار المتردد وسلوك القوس الكهربائي

لا تتميز أقواس التيار المستمر بوجود نقطة صفر طبيعية للتيار. لذا يجب اختيار الفاصل الداخلي في جهاز حماية التفاضل ونظام الحماية المسبق لتوليد الطاقة بطريقة تؤدي إلى إزالة العطل دون استمرار حدوث القوس الكهربائي.

هذا سبب رئيسي يفسر عدم ملاءمة استبدال وحدة التيار المتردد العامة بوحدة في دائرة التيار المستمر.

مطابقة الجهد وهامش التحمل في المناخات الباردة

الـ U _ج   يُحدَّد الجهد على جانب التيار المستمر أعلى من جهد الدائرة المفتوحة وجهد التشغيل للدائرة المعينة، مع احتياطي يراعي ارتفاع الجهد الناتج عن تغير درجة الحرارة في المناخات الباردة.

تميل جهود الدائرة المفتوحة للمولد والمحرك إلى الارتفاع مع انخفاض درجة الحرارة. وقد ينتج عن توربين موجود في موقع مرتفع أو في المناطق الشمالية جهدًا مستمرًا أعلى مقارنةً بالنموذج نفسه عند موقع معتدل المناخ.

الـ U _ج   لذلك، يُراجع الهامش بالمقارنة مع الحد الأدنى لدرجة حرارة الموقع بدلاً من قيمة اسمية واحدة. التأكد من معامل U الخاص بالوحدة _ج   بالتالي، فإن تجنّب التعرّض لجهد الحافلة DC الفعلي يقي عناصر الفارستور من الشيخوخة المبكرة.

حماية خطوط التحكم والاتصالات

يقوم نظام التحكم بتنسيق عمل التوربين ويُبلغ مركز التحكم الإشرافي. وتُعدّ خطوط الإشارات أكثر حساسية من خطوط الطاقة، لذا يُطابَق مستوى الحماية عادةً مع قدرة المعدات على تحمل الأحمال.

واجهات الاتصال

تُعدّ الروابط الليفية الضوئية شبه محصنة ضد التقلبات الكهربائية المُوصلة. غير أن أسلاك الناقل الحقلية النحاسية، والأسلاك التناظرية، وأسلاك التحكم بالمرحلات تظل معرضة للخطر.

جهاز حماية من التفريغ الكهربائي من الفئة الإشارة مع جهد محدد منخفض _ص   وعادةً ما يُضمن توافق ملائم لمعدلات البيانات عند مدخل الخزانة حيث تنتهي هذه الكابلات.

أسلاك المستشعرات ووحدات الإدخال/الإخراج

تعمل مستشعرات الاهتزاز ودرجة الحرارة وسرعة الدوار على مسافات طويلة داخل البرج. تُستخدم كابلات محمية مع توصيل مناسب للدرع، إلى جانب مقاومة منخفضة للـ U _ص   يُرسل إشارة SPD عند الواجهة، مما يقلل من الجهد الزائد المترابط الذي يصل إلى وحدة التحكم.

انضباط توجيه الكابلات

يُعد توجيه الكابلات ذا أهمية لا تقل عن أهمية الجهاز نفسه. ففصل كابلات الإشارة عن دوائر التغذية ودوائر الفرملة يحد من التداخل الحثي.

يؤدي إدخال الكابل إلى الغرفة من خلال لوحة مانعة للتسرب إلى تقليل الترابط بشكل أكبر. وعندما يشترك كابل المستشعر في صينية مع كابل المحرك، فإن الفصل الإضافي ينعكس عادةً في زيادة قيمة U _ص   الميزانية الخاصة بذلك البند.

إن وضع وحدة التوصيل المزدوج (SPD) عند مدخل اللوحة الكهربائية، بدلاً من إدراجها في عمق اللوحة، يُقلّص أيضاً طول الموصل غير المحمي الذي يسهم في توليد الجهد المتبقي.

ال   تصميم عالي الارتفاع ومقاوم للاهتزاز   تتناول المناقشة الموثوقية الميكانيكية للمحطات نفسها، وهي مسألة ذات أهمية بالنسبة للأجهزة المركّبة في غرفة المحرك والبرج حيث تستمر الاهتزازات بشكل مستمر.

بيئة التأريض والربط الكهربائي

تعتمد أداء حماية التيار المفاجئ على نظام التأريض بقدر ما يعتمد على تصنيف جهاز الحماية من التيار المفاجئ. في التوربين، تشكّل وحدة استقبال الصواعق، وهيكل الغرفة المحركية، والبرج، والقطب التأريضي في الأساس مسارًا واحدًا للتوصيل السفلي والتوصيل إلى الأرض.

الترابط المتساوي الجهد

تُربط جميع الهياكل المعدنية ودرع الكابلات بمسار التأريض الخاص بالتوربينة، بحيث يتوفر لتيار الصاعقة مسار ذو مقاومة منخفضة. كما أن ربط طرف الأرضيات الوقائية في جهاز الحماية من التفريغ الكهربائي (SPD) بهذا المسار أمر ضروري لتمكين الجهاز من تحويل التيار بشكل فعّال.

ارتفاع جهد الأرض بين الأغلفة

خلال فترة حدوث عطل، قد يرتفع جهد القطب الأساسي نسبيًا مقارنةً بأرضية نظام التجميع. إن تحقيق توازن في جهد مرجع جهاز حماية التفريغ الكهربائي (SPD) بين الخزانات المنفصلة باستخدام دروع موصلة يساعد على الحد من الأضرار بين هذه الغرف.

عندما تتصل التوربينة بمحطة موصولة بالأرض عن بُعد، فإن جهاز تخفيف التأثيرات الكهربائية (SPD) عند نقطة الواجهة يحد من فرق الجهد على الوصلة النحاسية.

التنسيق مع نظام الحماية من الصواعق الهيكلي

يُصمَّم مخطط جهاز الحماية من التفريغ الكهربائي (SPD) ونظام توصيل الهواء الهيكلي معًا. تعكس تصنيفات الطاقة لجهاز الحماية من التفريغ الكهربائي الجزء من تيار البرق الذي لا يُعترض بواسطة مستقبل البرق على السطح وموصل التصريف.

تقييم المخاطر لكل آي إي سي 62305 يُعد مدخلًا مفيدًا لتحديد هذه التصنيفات.

ظروف التربة في الموقع

يُتحقق عادةً من استمرارية التأريض أثناء عمليات التشغيل التجريبي وفي فترات الصيانة الدورية. كما أن قياس مقاومة التأريض التي تظل منخفضة على امتداد غرفة المحرك، والبرج، والأساس يضمن إمكانية التنبؤ بمسار تيار التفريغ الناتج عن الارتفاع المفاجئ في الجهد.

حيث تُركّب التوربينة على تربة صخرية أو جافة ذات مساحة كهربية محدودة، قد تكون مقاومة الأرض للأساس أعلى. ولذلك يُعاد النظر في تنسيق أجهزة الحماية من التفريغ الكهربائي (SPD) وفقًا لذلك، بدلًا من افتراض قيمة عامة.

إعداد خطة SPD الشاملة لمشروع طاقة الرياح

تُعدّ قائمة المراجعة التالية مرجعًا عمليًا لتحديد المتطلبات   حماية من التيار المفاجئ لتوربينات الرياح   عبر المشروع. يُقصد به أن يكون نقطة انطلاق تُعتمد بعد مراجعتها في ضوء نموذج التوربين المحدد وتقييم مخاطر الموقع.

لماذا يجب تحديد مانعات التفريغ المثبتة لطاقة الرياح؟

يستمر مشروع طاقة الرياح عادةً لمدة عقدين مع إمكانية محدودة للوصول إلى معدات الغلاف والبرج. تحديد   SPD لطاقة الرياح   من مورد يمتلك مؤهلات موثقة، مما يدعم الموثوقية على المدى الطويل.

المعايير والاختبارات النوعية

توفر الأجهزة المطوّرة والمختبرة وفقًا للمعيار IEC 61643-11 أساسًا محددًا لتحديد تصنيفات النبضات والتفريغ. كما تشمل تقارير اختبار النوع والجهد المعلن U _ص ، أنا _ن ، وأنا _إمپ   تتيح القيم للمهندس التحقق من التنسيق بدلاً من تقديره.

الصلابة الحرارية والميكانيكية

تُقيَّم الوحدات المخصصة لخدمة التوربينات عمومًا وفقًا لنطاق درجات الحرارة، والاهتزازات، والارتفاعات السائدة في التركيبات النموذجية. وتزوّد أجهزة الفصل الحراري ومؤشرات الحالة المرئية فرق الصيانة بإشارة واضحة عن انتهاء العمر الافتراضي دون الحاجة إلى فتح الغلاف.

المراقبة والدعم عن بُعد

تتكامل وحدات حماية التفاضلية ذات محطات الإشارة عن بُعد مع نظام المراقبة الخاص بالتوربين. ويمكن جدولة استبدال الوحدة المعطوبة خلال زيارة مخططة بدلاً من الاستدعاء الطارئ.

بالاقتران مع حزمة موثّقة من قطع الغيار وصحائف البيانات، يُسهم ذلك في تقليل وقت التوقف غير المخطط له عبر الأسطول بأكمله.

لوجستيات عائلة منتجات متسقة

تُسهِّل عائلة منتجات متناسقة عبر وحدات التيار المتردد والتيار المستمر ووحدات الإشارة عمليات اللوجستيات. فعند استخدام نفس البصمة الوظيفية للوحدة ونفس ترتيب الأطراف في عدة نقاط ضمن التوربين، تظل مخزونات قطع الغيار وإجراءات الصيانة موحّدة.

هذا ميزة عملية خلال حملة تشمل الأسطول بأكمله.

ال   دليل اختيار SPD الصناعي   تغطي نقاط المواصفات ذات الصلة، مثل مقاومة القصر الكهربائي والإنذار عن بُعد، والتي تنطبق أيضًا على خزانات التوربينات.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن لجهاز حماية واحد من نوع SPD أن يحمي كلاً من الجانب المتردد والجانب المستمر للتوربين؟

بشكل عام، لا. تختلف دارات التيار المتردد والتيار المستمر من حيث فئة الجهد والقطبية وسلوك القوس الكهربائي؛ لذلك يُحدَّد عادةً استخدام وحدات منفصلة مُصنَّفة لكل نوع من الدارات. وقد يضمّ غلاف مشترك للتيار المتردد والمستمر كليهما، إلا أن عناصر الحماية الداخلية تبقى مخصصة لكل دائرة على حدة.

هل يُعدّ مانع التأثيرات الضوئية من النوع الأول ضروريًا عادةً عند قاعدة البرج؟

حيثما يمكن لتيار الصاعقة المباشر أن يصل إلى المغذي الوارد، يُعدّ جهاز من النوع الأول أو النوع الأول+النوع الثاني الخيار المناسب عمومًا. ويعتمد المتطلب الفعلي على نظام الحماية من الصواعق في المنشأة وعلى تقييم المخاطر الخاص بالموقع.

ما القيمة المطلوبة لمقاومة التيار المستمر في حساس التفاضل؟

الـ U _ج   يُختار الجهد المحدد أعلى من الجهد التشغيلي المستمر الأقصى للدائرة المعنية، مع احتياطي يكفل التعامل مع ارتفاع الجهد عند درجات الحرارة المنخفضة وتأثيرات التوتر العابر. ومن المعتاد التأكد من صحة هذا القيمة بالمقارنة مع بيانات المواصفات الخاصة بالمولد أو المحرك.

لماذا يُعتبر التأريض ذا أهمية تضاهي تصنيف SPD؟

يقوم جهاز حماية التيار الزائد (SPD) بتحويل تيار الطفرة إلى الأرض. وإذا كان مسار الربط بالأرض ومسار التأريض ذا مقاومة عالية، فإن التيار المحول يرفع الجهد المحلي وقد يؤدي إلى إجهاد الهياكل الخارجية والأسلاك بين الخزانات. ولذلك، يُعدّ الربط المتساوي الجهد الفعّال جزءًا من التصميم نفسه.

هل تحتاج خطوط الاتصالات بالألياف الضوئية إلى أجهزة حماية من التفريغ الكهربائي؟

تُعدّ وصلات الألياف الضوئية شبه محصنة ضد التقلبات الكهربائية الموصولة، ولذلك لا تحتاج عادةً إلى مانع تفريغ الشحنات. أما أسلاك الاتصالات والنواقل النحاسية التي تمر عبر البرج فغالبًا ما تستفيد من مانع تفريغ الشحنات منخفض القيمة. _ص   إشارة SPD عند مدخل الخزانة.

كيف يتم مراقبة حالة نظام التوصيل بالأرض في مزرعة الرياح؟

تقوم الوحدات المزوّدة بمحطات إشارة عن بُعد بإبلاغ وحدة التحكم في التوربين بحالة التشغيل. ثم يُحدَّد موعد الصيانة استنادًا إلى الحالة المُشار إليها، مما يدعم نهج الصيانة القائم على حالة المعدات بدلاً من الاعتماد فقط على الجدول الزمني.

شارك نموذج التوربين، وفئات الجهد، وملاحظات مخاطر الموقع، وسيقوم فريق الهندسة لدينا بإعداد تخطيط منسق لحماية الأجهزة ضد التفريغ الكهربائي الناتج عن الرياح.

طلب خطة SPD لمشروع الرياح