العيش في جزيرة

العزل هو التقسيم المتعمد أو غير المتعمد لشبكة طاقة متزامنة مترابطة إلى مناطق منفصلة فردية ذات توليد طاقة خاص بها وتردد مميز.

يُلجأ غالبًا إلى العزل المتعمد كإجراء دفاعي متعدد الطبقات للتخفيف من آثار انقطاع التيار الكهربائي المتتالي . فإذا انهار أحد هذه العزلات، فلن يؤثر ذلك على العزلات المجاورة. على سبيل المثال، تحتوي محطات الطاقة النووية على أنظمة تبريد بالغة الأهمية للسلامة، والتي تُغذى عادةً من الشبكة العامة. وتقع حلقات التبريد عادةً على دائرة منفصلة يمكنها أيضًا العمل باستخدام طاقة المفاعل أو مولدات الديزل الاحتياطية في حال انهيار الشبكة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُعرف تصميمات الشبكات التي تسمح بالعزل بالقرب من مستوى المستهلك باسم الشبكات المصغرة . في حالة انقطاع التيار الكهربائي ، يقوم متحكم الشبكة المصغرة بفصل الدائرة المحلية عن الشبكة الرئيسية عبر مفتاح مخصص، ويجبر أي مولدات موزعة متصلة بالشبكة على تزويد الحمل المحلي بالطاقة. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يُعدّ الانفصال غير المقصود عن الشبكة حالةً خطيرةً قد تُسبّب ضغطًا شديدًا على المولد، إذ يجب عليه مُوازنة أي تغييرات في الحمل الكهربائي بمفرده. وإذا لم يتم إبلاغ عمال خطوط الكهرباء بذلك بشكلٍ صحيح ، فقد يُشكّل الانفصال غير المقصود خطرًا للصعق الكهربائي . وعلى عكس الأسلاك غير المُزوّدة بالطاقة، تتطلّب حالات الانفصال تقنياتٍ خاصة لإعادة الاتصال بالشبكة الرئيسية، لأنّ التيار المتردد الذي تحمله يكون غير متوافق في الطور . ولهذه الأسباب، يُشترط عادةً أن تحتوي مُحوّلات الطاقة الشمسية المُصمّمة لتزويد الشبكة بالطاقة على نوعٍ من الدوائر الآلية المُضادة للانفصال، والتي تقوم بفصل الألواح بدلًا من الاستمرار في تزويد حالة الانفصال غير المقصود بالطاقة.

تُعدّ الطرق التي تكشف عن حالات انقطاع التيار الكهربائي دون عدد كبير من الإنذارات الكاذبة موضوعًا للعديد من الأبحاث. ولكل طريقة عتبة معينة يجب تجاوزها قبل اعتبار الحالة إشارةً لانقطاع في الشبكة، مما يؤدي إلى " منطقة عدم الكشف " (NDZ)، وهي نطاق الظروف التي يتم فيها استبعاد حدوث عطل حقيقي في الشبكة. ^{[ 5 ]} لهذا السبب، قبل النشر الميداني، تُختبر محولات التيار التفاعلية مع الشبكة عادةً عن طريق محاكاة ظروف شبكة محددة عند أطراف الإخراج الخاصة بها، وتقييم فعالية طرق منع انقطاع التيار الكهربائي في الكشف عن هذه الحالات. ^{[ 4 ] [ 6 ]}

يقسم العزل المتعمد الشبكة الكهربائية إلى أجزاء، مع توفير توليد طاقة كافٍ في كل جزء لتلبية احتياجاته من الطاقة. ^{[ 7 ] [ 8 ]} عمليًا، يصعب تحقيق التوازن بين التوليد والحمل في كل جزء، وغالبًا ما يتطلب تكوين الجزر فصل الأحمال مؤقتًا . ^{[ 9 ] [ 10 ]} قد لا توفر المولدات التزامنية طاقة تفاعلية كافية لمنع حدوث تغيرات حادة أثناء تكوين الجزر الناتج عن الأعطال، ^{[ 11 ]} ويجب على أي عاكسات التحويل من التحكم في التيار الثابت إلى التحكم في الجهد الثابت . ^{[ 12 ]} يمكن استخدام العزل المتعمد بعد انقطاع التيار الكهربائي وأثناء عملية بدء التشغيل لاستعادة الطاقة إلى الأجزاء المعزولة من الشبكة. ^{[ 13 ]}

بافتراض أن P≠NP ، لا يوجد معيار جيد لمجموعة القطع لتنفيذ عملية العزل. توجد تقريبات زمنية متعددة الحدود ، لكن إيجاد التقسيمات المثلى تمامًا قد يكون غير ممكن حسابيًا . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

مع ذلك، فإن العزل يحد من أي أعطال في الشبكة المحيطة بها، مما يمنع انتشارها. ^{[ 14 ]} وبشكل عام، تتبع إحصائيات انقطاع التيار الكهربائي قانون القوة ، بحيث يؤدي تجزئة الشبكة إلى زيادة احتمالية انقطاع التيار، ولكنه يقلل من إجمالي الطلب غير المُلبّى على الكهرباء. ^{[ 15 ]}

يُقلل العزل من الكفاءة الاقتصادية لسوق الطاقة بالجملة ، ^{[ 10 ]} وعادةً ما يُلجأ إليه كحل أخير عندما يكون من المعروف أن الشبكة غير مستقرة ولكنها لم تنهار بعد. ^{[ 8 ]} وعلى وجه الخصوص، يُحسّن العزل من القدرة على مواجهة التهديدات ذات التوقيت المعروف ولكن ليس الموقع، مثل الهجمات الإرهابية ، أو الضربات العسكرية على البنية التحتية الكهربائية، أو الظواهر الجوية المتطرفة . ^{[ 16 ]}

يُعدّ الكشف التلقائي عن الجزر موضوعًا للعديد من الأبحاث. ويمكن تنفيذ ذلك بطريقة سلبية، من خلال البحث عن أحداث عابرة على الشبكة؛ أو بطريقة فعّالة، عن طريق إنشاء نسخ صغيرة من تلك الأحداث العابرة التي ستكون ضئيلة على شبكة كبيرة ولكن يمكن رصدها على شبكة صغيرة. ويمكن تنفيذ الطرق الفعّالة بواسطة مولدات محلية أو "في المنبع" على مستوى شركة الكهرباء. ^{[ 17 ]}

تعتمد العديد من الطرق السلبية على الإجهاد الكامن في تشغيل نظام معزول. يُمثل كل جهاز في هذا النظام المعزول نسبة أكبر بكثير من الحمل الكلي، بحيث تكون تغيرات الجهد والتردد عند إضافة الأجهزة أو إزالتها أكبر بكثير مما هي عليه في ظروف الشبكة العادية. ومع ذلك، فإن هذا الفرق ليس كبيرًا لدرجة تمنع أخطاء التحديد ، وعادةً ما تُستخدم تغيرات الجهد والتردد جنبًا إلى جنب مع إشارات أخرى. ^{[ 18 ]}

تحاول الطريقة التناظرية النشطة لكشف انزياح الجهد والتردد قياس المعاوقة الكلية التي يغذيها العاكس. عند توصيل الدائرة بالشبكة، يكاد ينعدم استجابة الجهد للتغيرات الطفيفة في تيار العاكس؛ بينما يلاحظ أي مصدر طاقة مستقل تغيرًا في الجهد. من حيث المبدأ، تتميز هذه التقنية بمنطقة عدم حساسية ضئيلة للغاية، ولكن عمليًا، لا تُعد الشبكة دائمًا مصدر جهد ثابتًا تمامًا ، خاصةً إذا حاولت عدة عواكس قياس المعاوقة في آنٍ واحد. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

على عكس التحولات، من غير المرجح أن تمتلك الدائرة العشوائية ترددًا مميزًا يطابق تردد شبكة الطاقة القياسية. ومع ذلك، فإن العديد من الأجهزة، مثل أجهزة التلفاز، تتزامن عمدًا مع تردد الشبكة. وقد تتمكن المحركات، على وجه الخصوص، من تثبيت تردد الدائرة بالقرب من معيار الشبكة أثناء "تباطؤها". ^{[ 21 ]}

على مستوى شركات الكهرباء، يمكن لأجهزة الحماية المصممة لعزل جزء من الشبكة أن تشغل مكونات ذات مقاومة عالية ، مما يؤدي بالضرورة إلى زيادة الحمل على مولد موزع معزول وإيقافه. إلا أن هذه الممارسة تعتمد على توفير أجهزة المقاومة العالية على نطاق واسع وبتكلفة باهظة. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

بدلاً من ذلك، يمكن لدوائر منع العزل أن تعتمد على إشارات خارج النطاق . على سبيل المثال، يمكن لشركات المرافق إرسال إشارة إيقاف التشغيل عبر اتصالات خطوط نقل الطاقة أو وصلة الهاتف . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

رفضت شركات المرافق السماح بتركيب أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية أو غيرها من أنظمة التوليد الموزع، بحجة أنها قد تُنشئ جزرًا غير مُدارة في الشبكة. ^{[ 30 ] [ 31 ]} في أونتاريو، شجع تعديلٌ أُدخل عام 2009 على تعريفة التغذية العديد من المستهلكين في المناطق الريفية على إنشاء أنظمة صغيرة (10  كيلوواط) بموجب تعريفة التغذية المصغرة "المعفاة من السعة". ومع ذلك، رفضت شركة هايدرو ون ربط هذه الأنظمة بالشبكة بعد اكتمال بنائها. ^{[ 32 ]}

قد تكون هذه المسألة ذات طابع سياسي حاد، ويعود ذلك جزئيًا إلى اعتقاد مؤيدي توليد الطاقة الموزعة بأن مخاوف العزلة الكهربائية ما هي إلا ذريعة واهية . فقد فشل اختبار ^{أُجري عام ١٩٩٩ في هولندا في رصد أي جزر لتوليد الطاقة الموزعة بعد ٦٠ ثانية من انهيار الشبكة. علاوة} على ذلك، ^فإن اللحظات التي تطابق فيها توليد الطاقة الموزعة مع الأحمال الموزعة فقط حدثت بمعدل يقارب ١٠⁻⁶ سنة⁻¹ ، وأن احتمال انقطاع الشبكة في تلك اللحظة كان أقل من ذلك بكثير، بحيث أن "احتمالية حدوث عزلة كهربائية تكاد تكون معدومة". ^{[ ٣٣ ]} 

يُعدّ خطر العزل غير المقصود أحد أبرز مخاطر المولدات المتزامنة ، كما هو الحال في محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة . وقد خلص تقرير كندي صدر عام 2004 إلى أن "تقنية منع العزل لأنظمة التوليد الموزع القائمة على العاكسات متطورة بشكل أفضل، وتشير تقييمات المخاطر المنشورة إلى أن التقنية والمعايير الحالية توفر حماية كافية". ^{[ 34 ]}

تجادل شركات المرافق عمومًا بأن المولدات الموزعة قد تؤثر على المشاكل التالية: ^{[ 35 ] [ 36 ]}

مخاوف تتعلق بالسلامة

في حال تشكلت جزيرة، قد تواجه فرق الإصلاح أسلاكاً كهربائية حية غير متوقعة.

تلف المستخدم النهائي

قد لا تتمكن المولدات الموزعة من الحفاظ على ترددات أو فولتيات الشبكة قريبة من المعايير، وقد تتسبب التيارات غير القياسية في تلف معدات المستهلك. وبحسب تصميم الدائرة الكهربائية، قد تتحمل شركة الكهرباء مسؤولية هذا التلف.

إعادة ربط الشبكة الكهربائية بشكل مُتحكم به

قد يؤدي إعادة توصيل دوائر التوزيع بجزيرة كهربائية نشطة إلى تلف المعدات أو قد تعيقها مرحلات الحماية من الطور المعاكس . وقد تؤدي الإجراءات المتخذة لمنع هذه النتائج إلى تأخير إعادة خدمة الكهرباء للمشتركين الذين انقطعت عنهم الخدمة.

الادعاءان الأولان محل خلاف في قطاع الطاقة . فعلى سبيل المثال، تنطوي أعمال صيانة خطوط الكهرباء العادية على مخاطر التعرض المستمر للأسلاك الكهربائية الحية ، وتتطلب الإجراءات القياسية إجراء فحوصات دقيقة للتأكد من انقطاع التيار الكهربائي عن السلك قبل ملامسته من قبل العمال. ويمكن ضبط أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) لإصدار إنذار في حال وجود جهد كهربائي غير متوقع على خط يُفترض أنه معزول. وخلصت دراسة أجريت في المملكة المتحدة إلى أن "خطر الصدمة الكهربائية المرتبط بعزل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في أسوأ سيناريوهات انتشارها، بالنسبة لمشغلي الشبكات والمستهلكين على حد سواء، عادةً ما يكون أقل من 10⁻⁹ ^سنويًا ". ^{[ 37 ] [ 38 ]} وبالمثل، فإن أنظمة الكشف الحديثة عن العزل تحدّ بشكل كبير من تلف أجهزة المستخدم النهائي.

عمومًا، تُعدّ هذه المشكلة الأخيرة التي تُقلق شركات الكهرباء. تُستخدم قواطع إعادة التوصيل عادةً لتقسيم الشبكة إلى أقسام أصغر، حيث تُعيد هذه القواطع تنشيط الفرع تلقائيًا وبسرعة بمجرد زوال حالة العطل (مثل وجود فرع شجرة على الخطوط). يُثار بعض القلق من احتمال عدم إعادة تنشيط قواطع إعادة التوصيل في حالة وجود جزيرة كهربائية، أو من أن فقدان التزامن قد يُلحق الضرر بالمولدات الموزعة في الجزيرة. مع ذلك، ليس من الواضح ما إذا كانت قواطع إعادة التوصيل لا تزال مفيدة في ممارسات شركات الكهرباء الحديثة، ولا ما إذا كان يجب أن تعمل قواطع إعادة التوصيل على جميع الأطوار . ^{[ 39 ]}

• موارد الطاقة الموزعة
• مختبرات سانديا الوطنية