نبذة تاريخية عن تصنيع وتطوير أجهزة الوقاية الكهربائية.
الدرس السابق:ما هي المتطلبات العامة لأجهزة الوقاية الكهربائية في محطات التحويل الكهربائية
مرت طرق تصنيع أجهزة الوقاية بعدة أجيال، بدءا من أجهزة Electromagnetic Relays، مرورا بأجهزة الوقاية الاستاتيكية Static Relays وانتهاء بأجهزة الوقاية الرقمية Digital Relays. وفى الجزء التالي نستعرض باختصار الأجيال المتعددة التى مرت بها طرق تصنيع أجهزة الوقاية، وسنأخذ جهاز الـ Overcurrent Relay كمثال عند الشرح.
1ـالجيل الأول Electromagnetic/Electromechanical Relays
فى الجيل الأول من طرق التصنيع، وكما هو واضح من الاسم، فإن فكرة عمل الجهاز كانت تعتمد على استغلال خاصية أن التيار الكهربائي الذى يمر فى ملف ينشأ دائما مجالا مغناطيسيا مصاحبا له، وتصاحبه أيضا قوة مغناطيســية يمكنها أن تجذب ذراع حـديدية وتحركها، كما فى حـالة الــ Hinged Armature Relay الذي يظهر في الشكل التالي:
وأحيانا تستغل هذه القوة المغناطيسية لتؤثر على قرص حديدى قابل للدوران فتجعله يدور بسرعة تتناسب مع شدة التيار، وقد استخدمت هذه الفكرة كما فى حالة الــ Induction Disc Relays الذى يظهر في الشكل التالي:
و هذه الأنواع سميت أيضا بــ Electromechanical Relays ،وسبب التسمية واضح. وفى الشكل أسفله نماذج لإحدى الأنواع السابقة.
ويستفاد من الحركة فى كال النوعين فى غلق دائرة كهربية أخرى (هى دائرة تشغيل القاطع). وبما أن القوة التى ستحرك الذراع، أو تدير القرص تتناسب طرديا مع شدة التيار المار فى الملف، وبالتالي ففى الظروف الطبيعية، حيث التيار قيمته صغيرة، فإن هذه القوة لن تكون كافية لتحريك الذراع أو إدارة القرص لغلق الدائرة، بينما فى حالة الأعطال، حيث ترتفع قيمة التيار بشدة، فستكون هذه القوة كافية لعمل الحركة المطلوبة، وغلق دائرة تشغيل الــ CB.
وتتميز هذه النوعية من الأجهزة بأنها مستقرة دائما Stable ،ولا تتأثر بالهزات التى قد تحدث فى الشبكة، كما أن المهندسين قد اكتسبوا خبرات عريضة فى التعامل مع هذه الأجهزة طوال سنوات طويلة، وهذا يفسر السبب فى بقائها فى الخدمة رغم ظهور أجيال كثيرة حديثة بعدها. لكن يعيبها البطء النسبى فى الاستجابة بسبب أن الأجزاء المتحركة لها Inertia فتحتاج لوقت لبدء الحركة، ومن عيوبها أيضا أنها تحتاج لصيانة منتظمة لألجزاء المتحركة، وتحتاج لمعايرة Calibration من فترة لأخرى لضمان دقة القياس.
2- الجيل الثانى Static Relays
ظهر الجيل الثانى من طرق تصنيع أجهزة الوقاية فى أوائل الستينات، ويعرف بجيل الــ Static Relays ،
وكان أهم ما يميزه هو استغناؤه عن الأجزاء المتحركة المستخدمة فى الجيل السابق، والتى كانت تمثل مصدرا
لألخطاء فى عمل الأجهزة، حيث اعتمد هذا الجيل على ما يعرف بــ Operational Amplifier ،التى
كانت تقوم بمقارنة قيمة التيار المار بالدائرة بحدود ضبط معينة، فإذا تعدى التيار المار بالدائرة قيم الضبط
المستخدمة فإن Op
Amp يرسل إشارة إلى CB لفصلها. وتظهر أحد أمثلة هذا الجيل فى الشكل التالي:
ومن أهم عيوب هذا الجيل أن أجهزة الــ Op Amp كانت تتأثر بتغير درجة الحرارة، وبالتالي فهى غير مستقرة Unstable ،ولذلك لم تستمر هذه النوعية طويلا، حيث ظهر فى أواخر الستينات وأوائل السبعينات الجيل الثالث من أجهزة الوقاية، وهو ما يعرف بأجهزة الوقـاية الرقمية Relays Digital.
3- الجيل الثالث Digital Relays
استطاع هذا الجيل الذى يسمى أيضا بجيل Digital Protection أو Numerical Relays أو أجهزة الوقاية الرقمية أن يتغلب على كافة المشاكل التى واجهت الأجيال السابقة، ولذا فهذه النوعية هي السائدة الآن فى سوق أجهزة الوقاية. والفكرة الأساسية لهذه التكنولوجيا الجديدة هى تحويل إشارات الجهد والتيار إلى أرقام Numbers Digital تخزن فى ذاكرة الكومبيوتر مع تحديثها بصفة مستمرة خلال فترات زمنية صغيرة جدا تصل إلى 1 مللى ثانية وأقل. والشكل التالي يمثل Block Diagram لأهم مكونات جهاز الوقاية الرقمية.
حيث تمر إشـارات الجهد والتيار للــ Phases-3 القادمة من الــ 3CTs ،و من الـــ 3VTs على Anti-alias low-Pass Filter فيمرر الترددات حتى cut-off frequency معينة وذلك لضمان أن يكون دائما الــ rate Sampling الذى سيستخدم لاحقا فى الـــ A/D أعلى من ضعف أعلى تردد موجود باإلشارة وذلك حسب Nyquist Theorem .
بعدها تبدأ مرحلة تحويل الــ Analog Signal إلى Digital Numbers بدءا بتقطيع الإشارة إلى Samples باستخدام الـــ Sample and Hold كما في الشكل أسفله ثم مرورهـا بعد ذلك على .Analog to Digital Converters
وقد يستخدم بينهما أو قبل الــ Sample and Hold H/S جهاز الــ Analog Multiplexer فتدخل عليه إشارات الجهد والتيار الستة وتخرج تباعا من مخرج واحد، وبالتالي يمكن أن نستخدم A/D واحدة بدلا من ستة كما في الشكل التالي :
وبما أنه يستحيل تخزين كل القيم التى يتم قراءتها، فإنه يتم تخزين Cycle أو اثنين من الجهد والتيار فقط في ذاكرة الجهاز (RAM) وكلما جاءت قيمة جديدة فإنها تحذف أقدم قيمة مخزنة، وهكذا. ثم يتم بواسطة برنامج الوقاية (الــ Algorithm) المخزن بالجهاز تتبع التغير فى قيم هذه الإشارات من خلال المعادلات مباشرة، و بناء على حجم التغير الذى يظهر من القيم الرقمية التى تدخل للجهاز يمكن تحديد ما إذا كان هناك عطل أم لا.
وأمكن استحداث إمكانات جديدة لجهاز الوقاية لم يكن ممكنا تنفيذها باستخدام التكنولوجيا القديمــة (Electromechanical or Static) فأمكن على سبيل المثال تغيير قيم الضبط أتوماتيكيا للجهاز، ثم حدث التطور الأكبر لهذه الأجهزة بعد تطور نظم الاتصلات الرقمـية digital Communications بحيث صار تبادل المعلومات بين أجهزة الوقاية الرقمية شيئا سهلا مما أحدث ثورة فى إمكانات هذه النوعية من الأجهزة وقدرتها على اكتشاف الأعطال وتصنيفها بدقة هائلة. وأحد الأمثلة تظهر فى الشكل التالي:
4- الجيل الرابع Adaptive Digital Relays
فى أواخر الثمانينيات بدأ التفكير يتجه إلى زيادة الاستفادة أولا من الخبرات التى جناها العاملون فى مجال الوقاية الرقمية خلال السنوات الماضية، وثانيا الاستفادة بدرجة أكبر من إمكانيات الـ Microprocessor Technology المستخدمة فى هذه الأجهزة، حيث كان حتى هذه الفترة لا تزال أجهزة الوقاية الرقمية تقلد مثيلتها القديمة مع بعض التحسينات.
وكان من أهم التطورات التى أدخلت فى هذا الجيل إدخال إمكانية تعديل قيم الضبط أتوماتيكيا، لاسيما وأن الــ Relay لديه كافة المعلومات عن الشبكة، وكان التحدى فى هذه الفترة هو كيفية التمييز مثلا بين الزيادة الطبيعية فى الحمل، وبين العطل الذى ينشأ تيارا قريبا من تيار الحمل، فيجب ألا يخدع الجهاز بأى زيادة. وهناك أبحاث عديدة فى هذا المجال.
5- الجيل الخامس Multifunction Digital Relays
فى التسعينيات ظهر تطور جديد على أجهزة الوقاية الرقمية، حيث بدأت الشركات المنتجة فى إدغام العديد
من أجهزة الوقاية فى جهاز واحد. وكانت فلسفة ذلك أن الــ Hardware لكل أجهزة الوقاية الرقمية يكاد
يكون متشابه، والاختلاف بينهم فقط يكون فى الــ Software المخزن داخله، ومع التطور فى تقنيات التخزين.
صار ممكنا تخزين العديد من البرامج الممثلة لأجهزة مختلفة داخل Relay واحد، ولذلك سمى بــ
Relay Multifunction بمعنى جهاز حماية متعدد الوظائف.
وبالطبع سيتوارد للذهن أن مشاكل هذه التقنية عديدة ومن أهمها أن توقف هذه الجهاز المتعدد الوظائف
يسبب كارثة بسبب غياب منظومة الوقاية بالكامل، بينما فى الماضى كان توقف جهاز يعوضه بقية الأجهزة
التى لا تزال تعمل. وبالطبع لم تغب هذه الملاحظة عن فكر المصنعين، فجعلوا له وقاية احتياطية – غالبا
تكون من شركة أخرى – كما استغل البعض الآخر وجود أجهزة الوقاية القديمة بالمحطة فجعلها تمثل الوقاية
الاحتياطية لهذا الجهاز الجديد وبالتالي يكسب مرتين: مرة حين استفاد من التكنولوجيا الجديدة والتى لها
العديد من الميزات، ومرة أخرى حين حافظ على الأجهزة القديمة التى لا تزال تؤدى بصورة جيدة.
6- أهم ميزات الوقاية الرقمية
فيما يلى أهم الميزات التي تتميز بها أجهزة الوقاية الرقمية:
- Additional monitoring functions.
- Functional flexibility.
- They can implement more complex and accurate function.
- Self-checking and self-adaptability.
- Able to communicate with other digital equipment (peer to peer).
- Less sensitive to temperature ،aging.
- More Accurate.
- Signal storage is possible.
- Low CT /PT burden.
- Metering.
- Fault report.
- Fault location.
- Event logging.
- Oscillography record/fault data information.
- Standard hardware.
- Flexibility in operation.
- Multifunction.
- Communication.
- Adaptive relaying.
- Connectivity with Scada.