قم بتنزيل كتالوج منتجاتنا لعام 2025 للحصول على رسومات تفصيلية ومعايير تقنية لجميع مكونات المفاتيح الكهربائية.
احصل على الكتالوج قم بتنزيل كتالوج منتجاتنا لعام 2025 للحصول على رسومات تفصيلية ومعايير تقنية لجميع مكونات المفاتيح الكهربائية.
احصل على الكتالوج
في أنظمة التوزيع الكهربائية ذات الجهد المتوسط (MV)، تعمل المرحلات الوقائية كخط الدفاع الأول الحاسم ضد الأعطال الكهربائية وتلف المعدات ومخاطر الأفراد. يعد فهم كيفية تشابك هذه المرحلات وتواصلها من خلال خرائط منطق الرحلات أمرًا أساسيًا لتصميم أنظمة الطاقة الموثوقة وتشغيلها وصيانتها.
على مدى 18 عامًا من خبرتي في تشغيل مجموعة المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط في مصانع البتروكيماويات ومراكز البيانات والمحطات الفرعية للمرافق، شهدت عن كثب كيف يمكن أن تتسبب مخططات الترحيل سيئة التنسيق في أعطال كارثية. وعلى العكس من ذلك، وفرت خرائط منطق الرحلات المصممة بشكل صحيح ملايين الدولارات من المعدات، والأهم من ذلك أنها حالت دون وقوع إصابات.
تقدم هذه المقالة فحصًا متعمقًا لوظائف مرحلات الحماية الأكثر شيوعًا - أرقام أجهزة ANSI 50 و51 و50N و51N و51N و27 و59 و86 - وتشرح كيفية تشابكها داخل هياكل لوحات الجهد المتوسط. سواء كنت مهندس حماية تقوم بتصميم أنظمة جديدة أو فني ميداني يقوم باستكشاف أخطاء التركيبات الحالية وإصلاحها، فإن هذا الدليل سيكون بمثابة مرجع عملي لفهم التنسيق المنطقي لرحلة المرحل.
قبل الغوص في مخططات التعشيق، يجب أن نحدد فهمًا واضحًا لكل وظيفة من وظائف المرحلات. يحدد معيار ANSI/معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات الأمريكي (ANSI/IEEE C37.2) أرقام الأجهزة التي أصبحت اللغة العالمية لهندسة الحماية.
الجهاز 50 (التيار الزائد اللحظي) يعمل بدون تأخير زمني متعمد عندما يتجاوز التيار عتبة محددة مسبقًا. وتتراوح إعدادات الالتقاط النموذجية من 6 إلى 10 أضعاف تيار الحمل الكامل لحماية المحولات و1.5 إلى 2 ضعف لتطبيقات المحركات. يوفر العنصر اللحظي إزالة الأعطال عالية السرعة للأعطال القريبة حيث تكون احتمالية التلف أكبر.
الجهاز 51 (وقت التيار الزائد) يقدم خاصية التيار الزمني المعكوس، مما يسمح لأجهزة المصب بإزالة الأعطال قبل تشغيل مرحلات المنبع. يتم تحقيق هذا التنسيق من خلال منحنيات معيارية (IEC معكوس للغاية، معكوس للغاية، معكوس للغاية، معكوس قياسي، أو معكوس معتدل، معكوس للغاية، معكوس للغاية، معكوس للغاية).
الجهاز 50N (التيار الزائد الأرضي اللحظي) يكتشف الأعطال الأرضية من خلال قياس التيار المتبقي. في الأنظمة المؤرضة تأريضًا صلبًا، تتراوح إعدادات الالتقاط عادةً من 10-20% من تصنيف التصوير المقطعي المحوسب للطور. بالنسبة للأنظمة المؤرضة بالمقاومة، يجب تنسيق الإعدادات مع الحد الأقصى لتيار السماح بالتأريض لمقاوم التأريض المحايد.
الجهاز 51N (زمن التيار الزائد الأرضي) يوفر الحماية من الأعطال الأرضية المنسقة زمنياً، وهو أمر ضروري في الأنظمة التي تتطلب تنسيقاً انتقائياً بين أجهزة الأعطال الأرضية المتعددة.
الجهاز 27 (الجهد المنخفض) يحمي من تباطؤ الجهد وفقدان الإمداد، وعادةً ما يتم ضبطه بين 80-90% من الجهد الاسمي مع تأخيرات زمنية تتراوح من 1-10 ثوانٍ حسب التطبيق. هذه الوظيفة ضرورية لحماية المحرك ومنع إعادة التشغيل التلقائي في ظل الظروف المتدهورة.
الجهاز 59 (الجهد الزائد) يحمي من ظروف الجهد الزائد المستمر الذي يمكن أن يتلف العزل والمعدات المتصلة. تتراوح الإعدادات عادةً من 110-120% من الجهد الاسمي.
الجهاز 86 (مرحل الإغلاق) هو جهاز يتم تشغيله كهربائيًا وإعادة ضبطه يدويًا يحافظ على قواطع الدارة الكهربائية في وضع التعثر حتى يقوم المشغل بالإقرار يدويًا بحالة العطل. هذه الوظيفة أساسية لضمان التحقق من الأعطال قبل إعادة التنشيط.
تحدد خريطة منطق الرحلة كيفية توصيل مخرجات مرحل الحماية بملفات رحلة قاطع الدائرة، ومرحلات القفل، والأنظمة المساعدة. تستخدم لوحات MV الحديثة ثلاث بنى أساسية للرحلات:
في التطبيقات البسيطة، يتم توصيل ملامسات رحلات المرحل الفردية مباشرةً بملف رحلة قاطع الدارة. وعلى الرغم من أن هذا النهج اقتصادي، إلا أنه يفتقر إلى مزايا الإشارة الموحدة للأعطال ويتطلب ملامسات مساعدة منفصلة لكل مرحل لمنع إعادة الإغلاق التلقائي.
تقوم المخططات الأكثر تعقيدًا بتوجيه جميع مخرجات مرحل الحماية من خلال مرحل قفل 86. يوفر هذا التكوين العديد من المزايا:
تقوم المرحلات الرقمية الحديثة بتنفيذ منطق الرحلة داخلياً من خلال بوابات منطقية قابلة للبرمجة. يمكن تكوين جهات اتصال خرج المرحل لتمثيل عناصر الحماية الفردية أو وظائف الرحلة المجمعة.
[الشكل 1: [الشكل 1: مخطط كتلة منطق التعثر يوضح الوصلة البينية بين العناصر 50/51، 50N/51N، 27، 59 التي تغذي 86 مرحل قفل مع مسارات متوازية لملف رحلة القاطع، ومؤشر الحالة، وواجهات SCADA/DCS]
يتبع التفاعل بين وظائف الحماية مبادئ راسخة تضمن كلاً من الاعتمادية (التشغيل عند الحاجة) والأمان (عدم التشغيل الخاطئ).
يجب أن تتناسق الدالتان 50/51 و50N/51N في الزمن والمقدار. ضع في اعتبارك تكوينًا نموذجيًا:
بالنسبة لمغذي جهد 2000 أمبير MV مع 2000:5 CTs:
- 51 لاقط 1.2 × FLA = 2400 أمبير (6 أمبير ثانوي)
- 51 قرص زمني 0.5 على منحنى معكوس جداً
- 50 لاقط 8 × فل أمبير = 16,000 أمبير (40 أمبير ثانوي)
- لاقط 51N 0.5 أمبير ثانوي (200 أمبير ابتدائي، تصنيف 10% CT)
- قرص زمني 51N 0.3 على منحنى معكوس جداً
- بيك آب 50N: 2 أمبير ثانوي (800 أمبير ابتدائي)
يتم تعيين عناصر العطل الأرضي بشكل أكثر حساسية لأن الأعطال الأرضية عادةً ما تنطوي على مقادير أقل من أعطال الطور، ومع ذلك فهي على نفس القدر من الخطورة.
غالبًا ما تتشابك الحماية من الجهد المنخفض (27) والجهد الزائد (59) مع وظائف التيار الزائد لتعزيز أمان المخطط:
التيار الزائد لضبط الجهد (51 فولت) يقلل من عتبة الالتقاط مع انخفاض الجهد، مما يحسن الحساسية للأعطال البعيدة حيث يكون انخفاض الجهد كبيرًا ولكن زيادة التيار متواضعة.
التيار الزائد المتحكم فيه بالجهد يُمكّن عنصر التيار الزائد فقط عندما ينخفض الجهد عن العتبة، مما يوفر حماية احتياطية لتطبيقات المولدات.
يستقبل الجهاز 86 المدخلات من جميع وظائف الحماية ويوفر المخرجات إلى:
- ملف الرحلة الأساسي (مسار 52 أ)
- ملف الرحلة الاحتياطي (إذا كان مجهزاً)
- تلامس حجب الدائرة المغلقة (52Y)
- إنذار SCADA/DCS
- الإعلان المحلي
[الشكل 2: رسم تخطيطي تفصيلي لأسلاك مرحل الإغلاق 86 يوضح تلامس المدخلات المتعددة (50، 51، 50N، 51N، 51N، 27، 59)، وتلامس الخرج لملف التعثر، وحجب الإغلاق، ودوائر الإشارة، مع آلية العلم المستهدف]
يتطلب تحقيق التنسيق الانتقائي تحليلاً منهجياً لخصائص التيار الزمني عبر نظام الحماية.
يجب مراعاة الحد الأدنى للفاصل الزمني للتنسيق (CTI) بين أجهزة المنبع والمصب:
- وقت تصفية القواطع (عادةً 3-5 دورات لقواطع الجهد المتوسط)
- الترحيل الزائد (2-4 دورات بالنسبة للكهروميكانيكية، ولا يكاد يذكر بالنسبة للعددية)
- هامش الأمان (5-10 دورات)
تحدد الممارسة المتبعة في الصناعة معدل التباعد الزمني بين الأجهزة المتتالية من 0.2 إلى 0.4 ثانية. المعادلة هي:
CTI = زمن القاطع + التجاوز في الترحيل + هامش الأمان
لمجموعات المرحلات العددية الحديثة وقواطع التفريغ:
CTI = 0.08 ثانية + 0.00 ثانية + 0.12 ثانية = 0.20 ثانية كحد أدنى
تطرح الدالة 50 تحديات التنسيق لأنها تعمل دون تأخير زمني مقصود. هناك طريقتان تضمنان الانتقائية:
التشابك الانتقائي للمناطق (ZSI): ترسل مرحلات المصب إشارات حجب إلى أجهزة المنبع عندما تكتشف أعطالاً في منطقتها. يؤخر مرحل المنبع التشغيل لفاصل زمني قصير (عادةً 50-100 مللي ثانية) ما لم يتلق إشارة منع، مما يشير إلى وجود عطل في الناقل.
تنسيق الالتقاط اللحظي: قم بتعيين عنصر المنبع 50 فوق الحد الأقصى للتيار المسموح به لجهاز المصبّ، مما يضمن أن الأعطال في المصبّ هي فقط التي تتسبب في تشغيل 50 المنبع.
يغذي مغذي 13.8 كيلو فولت فولت أمبير في منشأة تصنيع محولاً بقوة 3000 كيلو فولت أمبير. يشمل مخطط الحماية ما يلي:
الحماية الأولية:
- 51: بيك أب 125 أ، معكوس جداً، TD 3.0
- 50: بيك آب 4000 أمبير (2× تدفق المحول 2× محول)
- 51 ن: لاقط 15 أ، معكوس جداً، TD 2.0
- 50N: بيك آب 200A
التشابك:
تقوم جميع العناصر برحلة من خلال 86T (قفل المحول)، والذي يقوم برحلة قاطع المغذي 13.8 كيلو فولت ويغلق القاطع الرئيسي الثانوي 480 فولت. يقوم العنصر 27 (مضبوط على 85%، تأخير 2.0 ثانية) بقطع القاطع الرئيسي الثانوي 480 فولت بشكل مستقل لمنع توقف المحرك أثناء تباطؤ الجهد.
يحمي قاطع ربط الناقل بجهد 34.5 كيلو فولت من أعطال الناقل ويوفر حماية احتياطية:
تنفيذ التعشيق الانتقائي للمنطقة:
- ترسل مرحلات المغذي إشارات حجب ZSI إلى مرحل ربط الناقل
- ربط الحافلة 51 بيك أب 2000 أ، معكوس جداً، TD 5.0
- ناقل الربط 50: الالتقاط 8000 أمبير، متأخر 100 مللي ثانية بدون كتلة ZSI
- ربطة الناقل 50N: التقاطة 400 أمبير، متأخرة 100 مللي ثانية بدون كتلة ZSI
عند حدوث عطل في وحدة التغذية، يرسل مرحل وحدة التغذية إشارة حجب أثناء التشغيل لإزالة العطل. في حالة عدم وجود إشارة حجب (عطل في الناقل)، ينطلق رابط الناقل على الفور.
[الشكل 3: مخطط التشابك الانتقائي للمناطق يوضح مسارات الاتصال بين مرحلات المغذي ومرحل ربط الناقلات، مع مخططات توقيت توضح التشغيل المنسق لكل من أعطال المغذي والناقلات]
يتحقق التشغيل السليم من أن خريطة منطق الرحلة تعمل كما تم تصميمها.
من الخبرة الميدانية، تشمل المشاكل الأكثر شيوعًا ما يلي:
[الشكل 4: [الشكل 4: إعداد اختبار منطق التعثر يوضح توصيلات معدات اختبار الحقن الثانوي بالتتابع، ومحاكاة مدخلات إشارة الحجب، وتوصيلات راسم الذبذبات للتحقق من التوقيت]
تستفيد أنظمة الحماية المعاصرة من إمكانيات الترحيل العددي لتعزيز الوظائف.
تسمح المرحلات الحديثة بإنشاء معادلات منطقية مخصصة:
رحلة = (50 أو 51 أو 51 أو 50 ن أو 51 ن أو 27 أو 59) وليس كتلة
حيث قد تكون BLOCK مدخلات وضع الصيانة أو مسموح بها خارجيًا.
تتيح مراسلة IEC 61850 GOOSE إمكانية التشابك عالي السرعة بدون توصيلات سلكية. تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:
تقوم المرحلات العددية بالتقاط سجلات الذبذبات والأحداث المهمة للتحليل اللاحق للأعطال. تتحقق هذه البيانات من صحة تشغيل منطق الرحلة وتحدد أي أعطال في التنسيق.
تتطلب أنظمة الترحيل صيانة مستمرة لضمان الموثوقية طوال فترة خدمتها.
استنادًا إلى NFPA 70B وممارسات الصناعة:
الاحتفاظ بسجلات دقيقة بما في ذلك:
- إعدادات الترحيل الأصلية ودراسة التنسيق
- مخططات الأسلاك كما هي مبنية
- نتائج الاختبار وبيانات الاتجاهات
- تاريخ مراجعة البرامج الثابتة للمرحلات العددية
- تحليل سجل الأحداث لأي عمليات
تؤدي الوظيفتان 50 (لحظية) و51 (التيار الزائد الزمني) أدوارًا تكميلية. يوفر العنصر 51 حماية منسقة مع تأخيرات زمنية تسمح للأجهزة النهائية بإزالة الأعطال أولاً، مع الحفاظ على الانتقائية. ويوفر العنصر 50 حماية عالية السرعة للأعطال الشديدة القريبة من موقع المرحل حيث تكون احتمالية التلف أكبر ويكون التنسيق مع أجهزة المصب غير ممكن أو ضروري. يوفران معًا تغطية كاملة: التشغيل الانتقائي للأعطال البعيدة والتشغيل السريع للأعطال القريبة.
استخدم مرحل قفل 86 عند انطباق أي من هذه الشروط: (1) أجهزة حماية متعددة تحمي نفس المعدات ومطلوب مؤشر خطأ موحد، أو (2) يجب منع إعادة الإغلاق التلقائي حتى يكتمل التحقيق في الخطأ، أو (3) يتطلب مخطط الحماية واجهة مشغل واضحة للإقرار بالخطأ، أو (4) تفرض المتطلبات التنظيمية وظيفة إعادة الضبط اليدوي. يعد التعثر المباشر مناسبًا للتطبيقات البسيطة غير الحرجة حيث تكون إعادة الإغلاق التلقائي مقبولة وتكون تكلفة التركيب مصدر قلق رئيسي.
يعتمد CTI المناسب على تقنيات المرحلات والقواطع المستخدمة. بالنسبة للمرحلات العددية الحديثة المزودة بقواطع تفريغ الهواء، عادةً ما يكون 0.20-0.25 ثانية مناسبًا. عندما يتعلق الأمر بالمرحلات الكهروميكانيكية، استخدم 0.30-0.40 ثانية لمراعاة تجاوز المرحلات. بالنسبة لدراسات التنسيق المتسلسل التي تتضمن كلتا التقنيتين، استخدم القيمة الأكبر. تحقق دائمًا من كفاية CTI عند مستويات تيار متعددة، خاصة عند الحد الأقصى لتيار العطل حيث قد تتقارب المنحنيات.
لا، تعزز ZSI التنسيق الزمني ولكنها لا تحل محله. يجب أن يحافظ المخطط على الانتقائية حتى في حالة فشل اتصال ZSI. اعتبر ZSI كتحسين للأداء يسمح بتشغيل مرحل المنبع بشكل أسرع لأعطال الناقل مع الحفاظ على قدرة الحماية الاحتياطية. صمم دائمًا مخطط التنسيق الأساسي ليعمل بشكل صحيح بدون ZSI، ثم أضف ZSI لتحسين الأداء لمواقع أعطال محددة.
في الأنظمة المؤرضة بالمقاومة، يكون الحد الأقصى لتيار العطل الأرضي محدودًا بمقاوم التأريض المحايد (NGR). قم بتعيين لاقط 51N عند 10-25% من تصنيف تيار NGR لضمان الحساسية للأعطال عالية المقاومة مع الحفاظ على الأمان ضد ظروف الحمل غير المتوازن. يجب ضبط لاقط 50N على 50-80% من الحد الأقصى لتيار العطل الأرضي. يعد التنسيق الزمني أقل أهمية مما هو عليه في الأنظمة المؤرضة الصلبة لأن جميع الأعطال الأرضية تنتج مقادير تيار متشابهة بغض النظر عن الموقع، ولكن لا يزال التنسيق الانتقائي 51N مطلوبًا إذا كانت هناك أجهزة متعددة في سلسلة.
تشمل الأسباب الشائعة ما يلي: (1) إعدادات التأخير الزمني القصيرة جدًا لتجاوز عابرات الجهد العادي أثناء بدء تشغيل المحرك أو تبديل الحمل، (2) إعدادات الالتقاط العالية جدًا بالنسبة لتغيرات الجهد العادي، (3) حسابات عبء الجهد المنخفض غير الملائمة التي تسبب أخطاء في قياس الجهد، (4) عدم التنسيق مع منظمات الجهد العلوي أو مغيرات الصنبور، (5) الأسلاك الثانوية غير المناسبة للجهد المنخفض التي تؤدي إلى انخفاض الجهد. تتضمن الحلول النموذجية تأخيرات زمنية تتراوح من 2-5 ثوانٍ وإعدادات التقاط بجهد اسمي 80-85%، على الرغم من أن تطبيقات محددة قد تتطلب قيمًا مختلفة.
يمكن للمرحلات العددية تنفيذ وظائف القفل المنطقي داخليًا، مع الحفاظ على حالة الرحلة المغلقة التي تتطلب إعادة ضبط يدوية من خلال واجهة HMI للترحيل أو واجهة الاتصال. ومع ذلك، تظل الأجهزة الخارجية 86 مفضلة للتطبيقات الحرجة لأنها توفر: (1) الحجب السلكي الآمن من التعطل لدائرة إغلاق القواطع، (2) علامات الهدف المرئية التي لا تتطلب استجواب المرحل، (3) إجراء إعادة تعيين يدوي نهائي يفرض إقرار المشغل، (4) الاستقلالية عن توافر مصدر طاقة المرحل. تستخدم العديد من المرافق كلا الأمرين: الإغلاق المنطقي الداخلي لحماية الخط الأول مع 86 جهازًا خارجيًا للنسخ الاحتياطي والامتثال التنظيمي.
يتطلب التصميم المنطقي الفعال لمنطق رحلات الترحيل في لوحات الجهد المتوسط تكاملًا منهجيًا لوظائف الحماية المتعددة في مخطط منسق. وتشمل المبادئ الأساسية ما يلي:
إن الاستثمار في منطق رحلات الترحيل المصمم والمُشغَّل بشكل صحيح يؤتي ثماره من خلال تحسين حماية المعدات وتقليل وقت التعطل وتعزيز سلامة الأفراد. ومع استمرار تطور تكنولوجيا الحماية مع استمرار تطور الاتصالات الرقمية والتحليلات المتقدمة، تظل هذه المبادئ الأساسية للتنسيق والتشابك ضرورية لتشغيل نظام الطاقة بشكل موثوق.
للحصول على موارد فنية إضافية حول الترحيل الوقائي، تحتفظ لجنة ترحيل أنظمة الطاقة والتحكم في أنظمة الطاقة (PSRCC) التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات بمعايير ودروس شاملة على IEEE PEEE PES PSRCC.
الروابط الداخلية المقترحة:
1. “اختيار التصوير المقطعي المقطعي المحوسب والترددات المنخفضة لتطبيقات الحماية من الجهد المتوسط”
2. “منهجية دراسة التنسيق لأنظمة التوزيع الصناعية”
3. “آليات تشغيل قواطع دوائر الجهد المتوسط وصيانتها”
4. “تحليل مخاطر وميض القوس الكهربائي وتنسيق الحماية”
5. “اتصال IEC 61850 في أنظمة الحماية الحديثة”
