عطل كهربائي

في نظام الطاقة الكهربائية ، يُعرَّف العطل بأنه خلل يؤدي إلى اضطراب في التيار الكهربائي . ويُطلق مصطلح تيار العطل على أي تيار كهربائي غير طبيعي. على سبيل المثال، يُعدّ قصر الدائرة الكهربائية ، حيث يلامس سلك كهربائي حيّ سلكًا محايدًا أو سلكًا أرضيًا، عطلًا. أما عطل الدائرة المفتوحة فيحدث عند انقطاع الدائرة الكهربائية نتيجة عطل في سلك يحمل التيار (سلك الطور أو السلك المحايد) أو بسبب احتراق المصهر أو قاطع الدائرة . وفي حالة عطل التأريض ، يتدفق التيار إلى الأرض.

في نظام متعدد الأطوار ، قد يؤثر العطل على جميع الأطوار بالتساوي، وهو ما يُعرف بـ"العطل المتناظر". أما إذا تأثرت بعض الأطوار فقط، يصبح تحليل "العطل غير المتناظر" أكثر تعقيدًا. غالبًا ما يُبسط تحليل هذا النوع من الأعطال باستخدام طرق مثل المكونات المتناظرة . في أنظمة ثلاثية الأطوار ، قد يشمل العطل طورًا واحدًا أو أكثر والأرض، أو قد يحدث فقط بين الأطوار.

يمكن حساب تيار قصر الدائرة المتوقع لعطل يمكن التنبؤ به في معظم الحالات. في أنظمة الطاقة، تستطيع أجهزة الحماية اكتشاف حالات الأعطال وتشغيل قواطع الدائرة وغيرها من الأجهزة للحد من انقطاع الخدمة الناتج عن العطل. ويُعد تصميم أنظمة اكتشاف أعطال أنظمة الطاقة وقطعها الهدف الرئيسي لحماية أنظمة الطاقة .

تُصنّف الصدوع، بحسب مدة استمرارها، إلى صدوع عابرة، وشبه مستمرة، ومستمرة. ^{[ 1 ]} وبحسب تناظرها، تُصنّف إلى صدوع غير متناظرة وصدوع متناظرة. وبحسب مصدرها، تُصنّف إلى صدوع داخلية وصدوع خارجية.

عمليًا، قد تتراوح المقاومة في حالة العطل من قريبة من الصفر إلى قيمة عالية نسبيًا مقارنةً بمقاومة الحمل. وقد يُستهلك قدر كبير من الطاقة في حالة العطل، مقارنةً بحالة انعدام المعاوقة حيث تكون الطاقة معدومة. كما أن الأقواس الكهربائية غير خطية للغاية، لذا فإن نموذج المقاومة البسيط لا يُعدّ نموذجًا دقيقًا. يجب مراعاة جميع الحالات الممكنة لإجراء تحليل جيد. ^{[ 6 ]}

يمكن تحليل الأعطال المتناظرة باستخدام نفس أساليب تحليل أي ظاهرة أخرى في أنظمة الطاقة، وفي الواقع، توجد العديد من البرامج الحاسوبية التي تُجري هذا النوع من التحليل تلقائيًا (انظر دراسة تدفق الطاقة ). ومع ذلك، توجد طريقة أخرى لا تقل دقة، بل هي عادةً أكثر فائدة.

في البداية، تُوضع بعض الافتراضات التبسيطية. يُفترض أن جميع المولدات الكهربائية في النظام متوافقة في الطور، وتعمل عند الجهد الاسمي للنظام. ويمكن اعتبار المحركات الكهربائية مولدات أيضًا، لأنها عادةً ما تُزوّد ​​الطاقة بدلًا من سحبها عند حدوث عطل. ثم تُحسب الجهود والتيارات لهذه الحالة الأساسية .

بعد ذلك، يُفترض أن موقع العطل مزود بمصدر جهد سالب ، يساوي الجهد عند ذلك الموقع في الحالة الأساسية، بينما تُضبط جميع المصادر الأخرى على الصفر. وتعتمد هذه الطريقة على مبدأ التراكب .

للحصول على نتيجة أكثر دقة، ينبغي إجراء هذه الحسابات بشكل منفصل لثلاث فترات زمنية منفصلة:

• يأتي التيار شبه العابر أولاً، ويرتبط بأكبر التيارات
• يقع العابر بين شبه العابر والحالة المستقرة
• يحدث الاستقرار بعد أن تتاح لجميع الحالات العابرة فرصة الاستقرار.

يُخلّ العطل غير المتماثل بالافتراضات الأساسية المستخدمة في تحليل الطاقة ثلاثية الأطوار، وهي أن الحمل متوازن على جميع الأطوار الثلاثة. ونتيجةً لذلك، يستحيل استخدام أدوات مثل مخطط الخط الواحد مباشرةً ، حيث يُؤخذ طور واحد فقط في الاعتبار. مع ذلك، ونظرًا لخطية أنظمة الطاقة، فمن المعتاد اعتبار الفولتيات والتيارات الناتجة بمثابة تراكب لمكونات متماثلة ، والتي يمكن تطبيق تحليل ثلاثي الأطوار عليها.

في طريقة المكونات المتناظرة، يُنظر إلى نظام الطاقة على أنه تراكب لثلاثة مكونات:

• مكون التسلسل الموجب ، حيث تكون الأطوار بنفس ترتيب النظام الأصلي، أي abc
• مكون التسلسل السلبي ، حيث تكون الأطوار بترتيب معاكس للنظام الأصلي، أي acb
• مكون التسلسل الصفري ، وهو ليس نظامًا ثلاثي الأطوار حقًا، ولكن بدلاً من ذلك تكون جميع الأطوار الثلاثة متوافقة في الطور مع بعضها البعض.

لتحديد التيارات الناتجة عن عطل غير متماثل، يجب أولاً معرفة معاوقات التتابع الصفري والموجب والسالب لوحدات خطوط النقل والمولدات والمحولات المعنية. ثم تُنشأ ثلاث دوائر منفصلة باستخدام هذه المعاوقات. بعد ذلك، تُوصل الدوائر الفردية معًا بترتيب معين يعتمد على نوع العطل قيد الدراسة (يمكن إيجاد ذلك في معظم كتب أنظمة الطاقة). بمجرد توصيل دوائر التتابع بشكل صحيح، يمكن تحليل الشبكة باستخدام تقنيات تحليل الدوائر الكلاسيكية. ينتج عن الحل جهود وتيارات موجودة كمكونات متماثلة؛ يجب تحويلها مرة أخرى إلى قيم طورية باستخدام مصفوفة A.

يُعد تحليل تيار القصر المتوقع ضروريًا لاختيار أجهزة الحماية مثل المصهرات وقواطع الدائرة . ولضمان حماية الدائرة بشكل صحيح، يجب أن يكون تيار العطل مرتفعًا بما يكفي لتشغيل جهاز الحماية في أقصر وقت ممكن؛ كما يجب أن يكون جهاز الحماية قادرًا على تحمل تيار العطل وإخماد أي أقواس كهربائية ناتجة دون أن يتلف أو أن يستمر القوس الكهربائي لفترة طويلة.

تختلف شدة تيارات الأعطال اختلافًا كبيرًا تبعًا لنوع نظام التأريض المستخدم، ونوع مصدر الطاقة ونظام التأريض الخاص بالمنشأة، وقربها من مصدر الطاقة. على سبيل المثال، بالنسبة لمصدر طاقة منزلي في المملكة المتحدة بجهد 230 فولت وتيار 60 أمبير من نوع TN-S، أو في الولايات المتحدة بجهد 120 فولت/240 فولت، قد تصل تيارات الأعطال إلى بضعة آلاف من الأمبيرات. أما في الشبكات الكبيرة ذات الجهد المنخفض والمتعددة المصادر، فقد تصل مستويات تيار الأعطال إلى 300,000 أمبير. وقد يحد نظام التأريض ذو المقاومة العالية من تيار العطل بين الخط والأرض إلى 5 أمبيرات فقط. قبل اختيار أجهزة الحماية، يجب قياس تيار العطل المتوقع بدقة عند نقطة بداية التركيب وعند أبعد نقطة في كل دائرة، وتطبيق هذه المعلومات بشكل صحيح على استخدام الدوائر.

تُعد خطوط الكهرباء العلوية الأسهل في التشخيص لأن المشكلة عادة ما تكون واضحة، على سبيل المثال، سقوط شجرة على الخط، أو كسر عمود المرافق وسقوط الموصلات على الأرض.

يمكن تحديد الأعطال في نظام الكابلات إما بفصل التيار الكهربائي عن الدائرة، أو في بعض الحالات، بوصول التيار الكهربائي إليها. ويمكن تقسيم تقنيات تحديد الأعطال بشكل عام إلى طريقتين: طريقة الأطراف، التي تستخدم قياسات الجهد والتيار عند طرفي الكابل، وطريقة التتبع، التي تتطلب فحصًا على طول الكابل. ويمكن استخدام طريقة الأطراف لتحديد المنطقة العامة للعطل، لتسريع عملية التتبع في الكابلات الطويلة أو المدفونة. ^{[ 7 ]}

في أنظمة الأسلاك البسيطة للغاية، غالبًا ما يُكتشف موقع العطل من خلال فحص الأسلاك. أما في أنظمة الأسلاك المعقدة (مثل أسلاك الطائرات) حيث قد تكون الأسلاك مخفية، فيتم تحديد أعطال الأسلاك باستخدام مقياس انعكاس المجال الزمني . ^{[ 8 ]} يرسل مقياس انعكاس المجال الزمني نبضة عبر السلك، ثم يحلل النبضة المنعكسة العائدة لتحديد الأعطال داخل السلك الكهربائي.

في كابلات التلغراف البحرية التاريخية، استُخدمت مقاييس غلفانية حساسة لقياس تيارات الأعطال؛ فمن خلال الاختبار عند طرفي الكابل المعطل، أمكن تحديد موقع العطل بدقة تصل إلى بضعة أميال، مما سمح برفع الكابل وإصلاحه. وكانت حلقة موراي وحلقة فارلي نوعين من الوصلات المستخدمة لتحديد مواقع الأعطال في الكابلات.

أحيانًا، لا يظهر عطل العزل في كابل الطاقة عند الفولتيات المنخفضة. يستخدم جهاز اختبار "الصدمة" نبضة عالية الطاقة والجهد على الكابل. ويتم تحديد موقع العطل بالاستماع إلى صوت التفريغ الكهربائي عند موضع العطل. ورغم أن هذا الاختبار قد يُسبب تلفًا في موضع الكابل، إلا أنه عملي لأنه في جميع الأحوال، سيتعين إعادة عزل موضع العطل عند اكتشافه. ^{[ 9 ]}

في نظام توزيع مؤرض ذي مقاومة عالية، قد يحدث عطل أرضي في أحد خطوط التغذية، لكن النظام يستمر في العمل. يمكن تحديد خط التغذية المعطل، ولكنه لا يزال موصولاً بالتيار، باستخدام محول تيار حلقي يجمع جميع أسلاك الطور في الدائرة؛ فقط الدائرة التي تحتوي على العطل الأرضي هي التي ستُظهر تيارًا صافيًا غير متوازن. لتسهيل اكتشاف تيار العطل الأرضي، يمكن تبديل مقاومة التأريض في النظام بين قيمتين بحيث ينبض تيار العطل.

غالباً ما يقدم المصنع قيمة تيار العطل المتوقع للبطاريات الأكبر حجماً، مثل بطاريات الدورة العميقة المستخدمة في أنظمة الطاقة المستقلة .

في أستراليا، عندما لا يتم تقديم هذه المعلومات، يجب اعتبار تيار العطل المحتمل بالأمبير "بمعدل 6 أضعاف سعة البطارية الاسمية عند معدل C ₁₂₀ أمبير ساعة"، وفقًا للجزء 2 من AS 4086 (الملحق H).

• السلامة الكهربائية
• عطل (تكنولوجي)

عام