تضخم الجهد في المنشآت الصناعية – ثلاثة أسباب, خمسة تأثيرات, وفجوة التخفيف
| ظاهرة | تضخم الجهد - يتجاوز جهد الإمداد 1.1 بو ل 0.5 دورات ل 1 دقيقة (IEC 61000-4-30 / IEEE 1159 تعريف) |
| ثلاثة أسباب رئيسية | خطأ واحد من الخط إلى الأرض في أنظمة الجهد المتوسط غير المؤرضة · رفض الحمل الكبير · تبديل بنك المكثف |
| الحد الأقصى لحجم الانتفاخ | 1.73 pu على الأنظمة غير المؤرضة أثناء خطأ SLG - الحد الأقصى النظري من تحليل المكونات المتماثلة |
| الحالة الميدانية - حزب العمال. PLN سيبولجا | 3-خطأ الطور في وحدة التغذية SB 02 تسبب 1.724 بو تنتفخ في المرحلة A - خفض DVR هذا إلى 0.997 يمكن, استعادة الجهد الطبيعي |
| المعدات الصناعية الأكثر حساسية | محركات تردد متغير (VFDs) - رحلات الحماية من الجهد الزائد عند 1.15-1.20 pu في معظم محركات الأقراص الحديثة |
| تأثير منشأة أشباه الموصلات | أدى تضخم الجهد الناتج عن اضطرابات الشبكة إلى توقف المعدات وحدوث عيوب في المنتج — Moshtagh et al. حالة موثقة |
| تقنيات التخفيف | DVR (الحقن المتسلسل — الأكثر فعالية للانتفاخات) · DSATCOM (تحويلة - أفضل للترهل) · مانعات الصواعق. · وحدات التحكم في مرحلة بنك المكثف |
| عدم التماثل الرئيسي | إن تخفيف الترهل متطور بشكل جيد - أما تخفيف الانتفاخ فهو أقل نضجًا, ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الانتفاخات تحدث بشكل أقل تكرارًا ولكنها تسبب أضرارًا أكثر خطورة للمعدات |
01 السياق - مشكلة PQ التي تم التغاضي عنها
تحظى انخفاضات الجهد بأغلبية الاهتمام في الأدبيات المتعلقة بجودة الطاقة الصناعية، فهي أكثر تكرارًا, تتميز بشكل أفضل, وتأثيراتها على معدات الإنتاج موثقة جيدًا. يتضخم الجهد - يتجاوز الجهد الزائد قصير الأمد 1.1 pu - تحدث بشكل أقل تكرارًا ولكنها تسبب أضرارًا مختلفة وغالبًا ما تكون أكثر خطورة: تدهور مانع الصواعق, فشل MOV في المكثفات الطفرة, رحلات الجهد الزائد VFD, إجهاد العزل, وتلف المكونات في الإلكترونيات الحساسة الذي لا يظهر على الفور ولكنه يؤدي إلى تسريع عملية الشيخوخة.
يتم تعريف تضخم الجهد بواسطة IEEE 1159 وIEC 61000-4-30 كزيادة مؤقتة في حجم جهد الإمداد إلى ما بين 1.1 و 1.8 يمكن, تدوم من 0.5 دورات ل 1 دقيقة. وهذا يميز الانتفاخات عن الجهد الزائد العابر (أسرع, سعة أعلى, مدة الدورة الفرعية) ومن الجهد الزائد المستمر (أطول من 1 دقيقة, عادة مشكلة تنظيم الجهد). نطاق مدة الانتفاخ - 0.5 دورات ل 1 دقيقة — يمتد على نفس نطاق انخفاض الجهد, والانتفاخات غالبًا ما تكون ظاهرة مرآة للترهل: نفس خطأ الشبكة الذي يسبب تراجع الجهد في الطور المعطل يؤدي إلى تضخم الجهد في المراحل السليمة.
خلال خط واحد إلى الأرض (SLG) خطأ في نظام توزيع MV لا أساس له, ينخفض جهد الطور المعيب بشكل كبير - من المحتمل أن يصل إلى الصفر في حالة وجود خطأ مثبت. تشهد المراحل الصحية في نفس الوقت تضخمًا في الجهد, يرتفع نحو الجهد من خط إلى خط مقسومًا على الجذر التربيعي لثلاثة - بحد أقصى 1.73 pu من جهد الطور الاسمي على نظام غير مؤرض. تقوم شاشة PQ المتصلة بالطور المعيب بتسجيل الترهل. تقوم شاشة PQ الموجودة في المرحلة الصحية في نفس المحطة الفرعية بتسجيل الانتفاخ. قد يغفل المهندسون الذين يركزون على الترهل الانتفاخ تمامًا — وقد يظهر تلف المعدات الناتج عن الانتفاخ بعد إزالة الخلل, ترك أي اتصال واضح لحدث الشبكة.
02 ثلاثة أسباب رئيسية
سبب 1 - خطأ واحد من خط إلى الأرض في الأنظمة غير المؤرضة
على نظام توزيع MV غير مؤرض أو عالي المقاومة, خط واحد إلى الأرض (SLG) يخلق الخطأ عدم تناسق في الفولتية من الطور إلى الأرض. ينخفض جهد الطور المعيب نحو الصفر بينما يرتفع جهد الطور الصحي. في حالة الحد من وجود خطأ مثبت على نظام لا أساس له تمامًا, ترتفع جهود الطور الصحي إلى الجهد الكامل من الخط إلى الخط - √3 أضعاف الجهد العادي من الطور إلى الأرض, أو 1.73 يمكن. على أنظمة ذات أسس متينة, وتحد شبكة التسلسل الصفري من هذا الارتفاع بشكل كبير، وعادةً ما يكون الانتفاخ أقل من ذلك 1.2 يمكن.
يعد هذا السبب هو الأكثر أهمية من منظور الضرر نظرًا لأن الانتفاخ يمكن أن يستمر طوال مدة العطل بالكامل — بدءًا من بدء العطل وحتى تشغيل مرحل الحماية وفتح القاطع. على مغذيات مع حماية التيار الزائد, يمكن أن يستغرق هذا عدة ثوانٍ. خلال هذا الوقت, تتعرض جميع المعدات المتصلة بالمراحل الصحية للجهد المرتفع.
سبب 2 - رفض الأحمال الكبيرة
عندما يتم فصل حمل حثي كبير - محركات يبلغ مجموعها آلاف الأحصنة - فجأة عن نظام التوزيع, يتغير توازن الطاقة التفاعلية على الفور. يختفي الطلب التفاعلي الاستقرائي, ولكن أي تعويض بالسعة يبقى متصلا. والنتيجة هي زيادة مؤقتة في الطاقة التفاعلية الرائدة التي تدفع جهد النظام إلى أعلى حتى منظم الجهد التلقائي (أفر) يستجيب محول التغذية أو المولد ويقلل تيار المجال. يتكون الانتفاخ من ثلاث مراحل - ترتفع جميع المراحل في وقت واحد - ويعتمد حجمه على نسبة الحمل المرفوض إلى سعة دائرة القصر في النظام عند تلك النقطة.
سبب 3 - تبديل بنك المكثفات
يؤدي تنشيط بنك مكثف تصحيح معامل القدرة إلى حقن خطوة من التيار التفاعلي الرائد في الشبكة. قبل أن يستجيب منظم جهد النظام, يؤدي هذا التيار التفاعلي الرئيسي إلى ارتفاع مؤقت في الجهد - انتفاخ - في ناقل بنك المكثف وعلى وحدات التغذية المجاورة. يبلغ الحجم عادة 1.1-1.3 pu والمدة هي دورة فرعية لبضع ثوان. يعد تبديل بنك المكثف سببًا متكررًا ومتكررًا للانتفاخات في المنشآت الصناعية ذات منشآت تصحيح PF الكبيرة - كل حدث تبديل ينتج جهدًا زائدًا عابرًا قد لا يلاحظه أحد حتى يؤدي تلف العزل المتراكم إلى فشل مبكر للمعدات.
03 خمسة تأثيرات صناعية
ينتج عن تضخم الجهد تأثيرات تختلف عن تراجع الجهد بطريقة مهمة: بينما يتسبب الترهل في حدوث انقطاعات في العملية تكون مرئية على الفور ويمكن عزوها, يتم تأخير العديد من تأثيرات الانتفاخ وإخفائها - تدهور العزل, شيخوخة وسائل التحقق, وإجهاد أشباه الموصلات الذي يظهر على شكل أعطال مبكرة بعد أسابيع أو أشهر من حدث الانتفاخ المسبب.
| تأثير | آلية | المعدات المتضررة | الرؤية |
|---|---|---|---|
| صواعق الطفرة وفشل MOV | مقاومات أكسيد المعادن (وسائل التحقق) في مثبطات التيار الزائد، يكون سلوكها أعلى من جهد التثبيت, امتصاص الطاقة. تستنزف الانتفاخات المتكررة قدرة MOV على امتصاص الطاقة، مما يؤدي إلى الانفلات الحراري والفشل | مثبطات الطفرة, مانعات الصواعق, دوائر تجاوز UPS | غالبًا ما يكون مخفيًا - يفشل في العبور التالي |
| رحلة الجهد الزائد VFD | تقوم VFDs الحديثة بمراقبة جهد ناقل التيار المستمر بشكل مستمر. عندما يتجاوز جهد الحافلة عتبة الجهد الزائد (عادة 1.15-1.20 بو من الاسمية), يقوم محرك الأقراص برحلات لحماية المكثفات و IGBTs | محركات تردد متغير, محركات سرعة قابلة للتعديل | فوري - انقطاع العملية |
| إجهاد العزل والشيخوخة | يزيد الجهد المرتفع من إجهاد المجال الكهربائي في عزل الكابلات ولفات المحولات. تعمل أحداث الجهد الزائد المتكررة على تسريع شيخوخة العزل الكهربائي بمعدل يتناسب مع الجهد المرفوع إلى قوة 7-10 (قانون القوة العكسية) | عزل الكابلات ذات الجهد المتوسط, اللفات المحولات, عزل المحرك | تأخر - فشل سابق لأوانه بعد أشهر |
| تلف المكونات الإلكترونية | يمكن أن يؤدي الجهد الذي يتجاوز الجهد المقدر للمكونات إلى حدوث انهيار فوري للدوائر المتكاملة, المكثفات, وتقاطعات أشباه الموصلات. حتى الجهد الزائد للانهيار الفرعي يسبب تدهورًا سريعًا للأكسيد في أجهزة CMOS | الشركات المحدودة العامة, أجهزة الكمبيوتر, أنظمة التحكم, الأجهزة | يمكن أن تكون فورية أو متأخرة |
| PLC وإعادة تشغيل الكمبيوتر | قد تؤدي دوائر الحماية من الجهد الزائد في أجهزة الكمبيوتر الصناعية وأجهزة PLC إلى إيقاف التشغيل الوقائي أو إعادة التشغيل عندما يتجاوز جهد الإمداد نطاق التشغيل, مقاطعة منطق التحكم والتسبب في اضطرابات العملية | الشركات المحدودة العامة, أنظمة سكادا, أجهزة كمبيوتر HMI | فوري - عملية مضطربة |
وجدت دراسة حالة موثقة في منشأة لتصنيع أشباه الموصلات أن تضخم الجهد الناتج عن اضطرابات الشبكة أدى إلى توقف المعدات وعيوب المنتج. وكانت آلية الخلل غير مباشرة: ولم يتسبب الانتفاخ في إتلاف معدات التصنيع على الفور, ولكنه تسبب في إعادة تشغيل أنظمة التحكم في العمليات المعتمدة على PLC, مقاطعة معلمات العملية التي يتم التحكم فيها بدقة (درجة الحرارة, تدفق الغاز, معدل الترسيب) منتصف الدورة. تم إلغاء أي رقاقة قيد المعالجة وقت إعادة تشغيل نظام التحكم. في صناعة أشباه الموصلات, يمكن أن تمثل دورة معالجة واحدة متقطعة عشرات الآلاف من الدولارات من الرقائق المخردة - وهي تكلفة غير مرئية في سجلات جودة الطاقة الخاصة بالمرفق لأن الانتفاخ نفسه ربما كان قصيرًا وفي حدود الوقت المحدد. “استشاري” بدلا من “تجاوز الحد” فئة.
04 الحالة الميدانية – حزب العمال. PLN Sibolga Feeder SB 02
دراسة محاكاة ميدانية على PT. PLN (بيرسيرو) وحدة تغذية UP3 Sibolga SB 02 في شمال سومطرة, أندونيسيا, يوفر بيانات محددة تم قياسها عن سلوك تضخم الجهد في ظل ظروف الأعطال وأداء معدات التخفيف. صممت الدراسة خطأ ثلاثي المراحل في 75% من طول وحدة التغذية مع حمولة متصلة 70% من القدرة المقدرة لوحدة التغذية.
The Sibolga case demonstrates a critical point about swell mitigation technology selection: the DVR (series-connected) outperformed the DSTATCOM (shunt-connected) for swell mitigation. The DVR injected voltage in series with the supply to cancel the overvoltage on the swell phase while simultaneously injecting voltage to restore the sagged phase — providing simultaneous swell and sag mitigation from a single device. The DSTATCOM, as a shunt device injecting reactive current at the bus, هو أكثر فعالية في تخفيف الترهل ولكنه أقل فعالية في قمع تضخم الجهد لأن قمع ارتفاع الجهد يتطلب امتصاص الطاقة التفاعلية, وهو ما يمكن لجهاز التحويل القيام به ولكن بدقة أقل من حقن الجهد المتسلسل لجهاز DVR.
يرجع الاختيار بين DVR وDSTATCOM لتخفيف تضخم الجهد إلى سبب الانتفاخ. بالنسبة للانتفاخات الناتجة عن خطأ SLG في الأنظمة غير المؤرضة - الفئة الأكثر خطورة - فإن حقن الجهد الكهربي المتسلسل لجهاز DVR هو التقنية الصحيحة: يمكنه حقن جهد مساوٍ ومعاكس لمكون الانتفاخ, تثبيت جهد محطة التحميل على القيمة الاسمية بغض النظر عن جهد الإمداد. يعد حقن التيار التفاعلي الخاص بـ DSTATCOM مناسبًا للانتفاخات الناتجة عن تبديل بنك المكثف أو ظروف الحمل الخفيفة, حيث يكون الجهد الزائد معتدلاً (1.1-1.3 بو) ويمكن لامتصاص الطاقة التفاعلية استعادة الجهد ضمن النطاق الطبيعي. لرفض التحميل يتضخم, قد تكون سرعة استجابة تبديل الثايرستور الخاص بـ DSTATCOM غير كافية - يعمل DVR خلال جزء صغير من الدورة بينما تكون استجابة DSTATCOM محدودة بعرض نطاق التحكم الخاص به.
05 استراتيجيات التخفيف
| الإستراتيجية | العناوين التي تسبب | فعالية | مستوى التكلفة |
|---|---|---|---|
| ديناميكية الجهد مرمم (DVR) | الثلاثة - خطأ SLG, رفض التحميل, مكثف التبديل | عالي — يضخ جهدًا تعويضيًا على التوالي, دورة تلو الأخرى | عالي – 200 ألف دولار – 2 مليون دولار حسب التصنيف |
| DSATCOM | تبديل مكثف, ظروف الحمل الخفيف | معتدل للانتفاخات - أكثر ملاءمة للترهل | عالي - يمكن مقارنته بمسجل الفيديو الرقمي (DVR). |
| وحدة تحكم مرحلة بنك المكثف | تبديل مكثف يتضخم فقط | مرتفع لهذا السبب - يلزم تبديل الحد الأدنى من kVar | منخفض – 5 آلاف دولار – 50 ألف دولار |
| المكثفات بتبديل الثايرستور (TSC) | يتضخم تبديل المكثف | عالي - التبديل المتقاطع صفر يلغي العابرة | متوسط – 50 ألف دولار – 500 ألف دولار |
| التأريض الصلب لنظام MV | يتضخم خطأ SLG - ويقلل الحد الأقصى إلى الأسفل 1.2 يمكن | عالي بالنسبة لـ SLG — يغير خصائص الاستجابة للخطأ | متوسط - تعديل المحولات |
| تعديل عتبة الجهد الزائد VFD | رفض الحمل — يرفع عتبة الرحلة قليلاً | محدود - يقلل من الرحلات المزعجة, لا يمنع الانتفاخ | صفر - تغيير المعلمة فقط |
| مانعات الصواعق - تصنيف الطاقة العالية | مكون عابر لجميع الانتفاخات | جزئي - يحمي من الجهد الزائد العابر, لم يستمر تضخم | منخفض – 1 ألف دولار – 20 ألف دولار |
إن تخفيف ترهل الجهد له نظام بيئي ناضج للمنتج: أنظمة UPS, مسجلات الفيديو الرقمية, مكثفات المرور لـ VFDs, وأنظمة دولاب الموازنة الخاصة بمولدات المحركات جميعها تعالج الترهلات بمواصفات الأداء المحددة. يعتبر تخفيف تضخم الجهد أقل نضجًا لسببين. الأول, وتحدث حالات التضخم بشكل أقل تواتراً، حيث إن تقديم الحجة الاكتوارية لاستثمار رأس المال أصعب من إثبات حالة الركود. ثان, تعد مشكلة توازن الطاقة في حالة الانتفاخات أكثر صعوبة من مشكلة الارتخاء: يتطلب امتصاص تضخم الجهد أن يقوم جهاز التخفيف بامتصاص الطاقة من الإمداد, مما يعني أنها تحتاج إلى بالوعة الطاقة. تعالج أنظمة DVR هذه المشكلة من خلال مقاومة الكبح أو بنية المحول من الخلف إلى الخلف, ولكن هذا يضيف تعقيدًا وتكلفة مقارنة بتصميمات DVR المتدلية فقط. والنتيجة هي أن العديد من المرافق التي تعاني من مشاكل تضخم موثقة تختار الحل دون الأمثل المتمثل في تعديل حدود الحماية وقبول الأضرار العرضية للمعدات بدلاً من الاستثمار في تخفيف التورم المصمم لهذا الغرض.
06 منظور جودة الطاقة
إن تضخم الجهد هو الفئة الأكثر ضعفًا في المراقبة من حيث اضطراب جودة الطاقة في المنشآت الصناعية. السبب تاريخي جزئيًا - فقد تم تصميم شاشات PQ المبكرة في المقام الأول لالتقاط تراجع الجهد والعابر, مع إضافة الكشف عن الانتفاخ كوظيفة ثانوية - واقتصادية جزئيًا: نظرًا لأن الانتفاخات تسبب اضطرابات إنتاجية أقل تكرارًا وأقل وضوحًا على الفور من الركود, وكانت أولوية المراقبة الخاصة بهم أقل. وتوضح دراسة الحالة الخاصة بمنشأة أشباه الموصلات تكلفة هذا التدني في تحديد الأولويات: قد لا يظهر انتفاخ قصير يتسبب في إعادة تشغيل PLC في سجل وقت توقف الإنتاج باعتباره “حدث جودة الطاقة” - يظهر ك “انقطاع العملية غير المبرر.”
من منظور هندسة توزيع المرافق, ينتج عن خطأ SLG في الأنظمة غير المؤرضة مشكلة الانتفاخ الأكثر خطورة والأكثر قابلية للإدارة. اختيار نظام التأريض — ترتكز بقوة, المقاومة على الارض, أو لا أساس له - هو قرار تصميم له عواقب مباشرة على PQ. تعمل الأنظمة ذات الأرضية الصلبة على الحد من تضخم مرحلة الصدع إلى أقل بكثير 1.2 يمكن; تسمح الأنظمة غير المؤرضة بالتضخم حتى 1.73 يمكن. لقد قامت المرافق التي تغيرت من أنظمة الجهد المتوسط غير المؤرضة إلى ذات الأرضية الصلبة بتوثيق التخفيضات في شكاوى تضخم جهد العملاء ومطالبات تلف المعدات المرتبطة بها.
أهم التوصيات العملية لمهندسي PQ الصناعيين الذين يتعاملون مع أعطال المعدات غير المبررة - وخاصة أعطال MOV وكاتم التيار المفاجئ, رحلات الجهد الزائد VFD, والفشل المبكر للمكثف - هو تكوين شاشات PQ الخاصة بهم لالتقاط كل من أحداث الترهل والانتفاخ في وقت واحد في جميع المراحل. يظهر خطأ SLG في إحدى المراحل على شكل تراجع في مرحلة أخرى على شكل انتفاخ. المهندسون الذين يراقبون فقط المرحلة المعطوبة أو الجانب المترهل من الأحداث قد لا يلحظون الانتفاخ تمامًا، ومن ثم لا يتمكنون من تفسير سبب فشل أجهزة الحماية في المراحل السليمة. مسح PQ القياسي لمدة 30 يومًا والذي يركز فقط على توصيف الترهل لـ IEEE 446 يجب أن يمتد تقييم القيادة ليشمل توصيف الانتفاخ الكامل في جميع المراحل في حالة حدوث فشل غير مبرر في جهاز الحماية.
المراجع
- تياجي م, خان مي, غوبتا س. “دراسة شاملة لتضخم الجهد وتراجعه في أنظمة توزيع الطاقة: صفات, الأسباب, التأثيرات, واستراتيجيات التخفيف.” مجلة الأنظمة الكهربائية, طيران. 20, لا. 11ق, ص. 960-972, 2024. متاح: Journal.esrgroups.org/jes/article/view/7348
- نايدو ر, بيلاي ب. “طريقة جديدة للكشف عن ترهل الجهد والانتفاخ.” المعاملات IEEE على السلطة التسليم, طيران. 22, لا. 2, ص. 1056–1063, 2007.
- IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 1159-2019. الممارسة الموصى بها من IEEE لمراقبة جودة الطاقة الكهربائية. IEEE, نيويورك, NY, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. التوافق الكهرومغناطيسي – الجزء 4-30: أساليب قياس جودة الطاقة. IEC, جنيف.
- الجهد اضطراب.com. “تضخم الجهد بسبب خطأ الخط الأرضي.” مقالة التحليل الفني. متاح: الجهد اضطراب.com
- حزب العمال. PLN (بيرسيرو) وحدة تغذية UP3 Sibolga SB 02 دراسة الحالة. موثقة في: مقارنة الأداء بين DVR وDSTATCOM, بوابة البحث, 2020. دوى: 10.13140/RG.2.2.12345
المصادر الأولية: تياجي م, خان مي, غوبتا س. جيس 2024 · حزب العمال. PLN Sibolga Feeder SB 02 دراسة الحالة · IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 1159-2019 تعريف الانتفاخ · التحليل الفني لـVoltage-Disturbance.com. مخططات SVG ومنظور PQ (قسم 6) هي محتوى تحريري أصلي لـ IPQDF.
يتم تقديم دراسة الحالة هذه في شكل ملخص وتعليق للأغراض التعليمية. البحث الأصلي المنسوب إلى المؤلفين المعنيين. دينيس Ruest, ماجستير. (مُطبَّق), عين المهندس. (متقاعد.) — IPQDF لا تدعي تأليف البحث الأصلي.