ما هو نظام الإثارة في محطة الطاقة الكهرومائية

جميع الأنهار في الطبيعة لها منحدر معين. يتدفق الماء على طول مجرى النهر تحت تأثير الجاذبية. يحتوي الماء على ارتفاعات عالية على طاقة كامنة وفيرة. بمساعدة الهياكل الهيدروليكية والمعدات الكهروميكانيكية، يمكن تحويل طاقة الماء إلى طاقة كهربائية، أي توليد الطاقة الكهرومائية. مبدأ توليد الطاقة الكهرومائية هو الحث الكهرومغناطيسي، أي عندما يقطع موصل خطوط التدفق المغناطيسي في مجال مغناطيسي، فإنه سيولد تيارًا. من بينها، تتحقق "حركة" الموصل في المجال المغناطيسي عن طريق تدفق الماء الذي يؤثر على التوربين لتحويل طاقة الماء إلى طاقة ميكانيكية دورانية؛ ويتشكل المجال المغناطيسي دائمًا تقريبًا بواسطة تيار الإثارة الناتج عن نظام الإثارة المتدفق عبر لفات دوار المولد، أي أن المغناطيسية تولد بواسطة الكهرباء.
١. ما هو نظام الإثارة؟ لتحقيق تحويل الطاقة، يحتاج المولد المتزامن إلى مجال مغناطيسي مستمر، ويُسمى التيار المستمر الذي يُولّد هذا المجال المغناطيسي بتيار إثارة المولد. عمومًا، تُسمى عملية تكوين مجال مغناطيسي في دوار المولد وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي بالإثارة. يشير نظام الإثارة إلى الجهاز الذي يُوفر تيار الإثارة للمولد المتزامن. وهو جزء مهم من المولد المتزامن. يتكون عمومًا من جزأين رئيسيين: وحدة طاقة الإثارة ومنظم الإثارة. تُوفر وحدة طاقة الإثارة تيار الإثارة لدوار المولد المتزامن، بينما يتحكم منظم الإثارة في خرج وحدة طاقة الإثارة وفقًا لإشارة الدخل ومعايير التنظيم المحددة.

٢. وظيفة نظام الإثارة. يؤدي نظام الإثارة الوظائف الرئيسية التالية: (١) في ظروف التشغيل العادية، يُغذي تيار إثارة المولد، ويضبطه وفقًا للقانون المذكور، بما يتوافق مع جهد طرف المولد وظروف الحمل، للحفاظ على استقرار الجهد. لماذا يُمكن الحفاظ على استقرار الجهد بضبط تيار الإثارة؟ توجد علاقة تقريبية بين الجهد المُستحث (أي جهد عدم الحمل) Ed لملف الجزء الثابت للمولد، والجهد الطرفي Ug، وتيار الحمل التفاعلي Ir للمولد، والمفاعلة المتزامنة الطولية Xd:
الجهد المُستحث Ed يتناسب طرديًا مع التدفق المغناطيسي، ويعتمد التدفق المغناطيسي على مقدار تيار الإثارة. عندما يظل تيار الإثارة ثابتًا، يظل التدفق المغناطيسي والجهد المُستحث Ed ثابتين. من الصيغة أعلاه، يمكن ملاحظة أن الجهد الطرفي للمولد سينخفض ​​مع زيادة التيار التفاعلي. ومع ذلك، من أجل تلبية متطلبات المستخدم لجودة الطاقة، يجب أن يظل الجهد الطرفي للمولد ثابتًا بشكل أساسي. من الواضح أن طريقة تحقيق هذا المطلب هي ضبط تيار إثارة المولد مع تغير التيار التفاعلي Ir (أي تغير الحمل). (2) وفقًا لظروف الحمل، يتم ضبط تيار الإثارة وفقًا لقاعدة معينة لضبط القدرة التفاعلية. لماذا من الضروري ضبط القدرة التفاعلية؟ تعمل العديد من المعدات الكهربائية بناءً على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، مثل المحولات والمحركات وآلات اللحام، إلخ. تعتمد جميعها على إنشاء مجال مغناطيسي متناوب لتحويل ونقل الطاقة. تُسمى الطاقة الكهربائية اللازمة لإنشاء مجال مغناطيسي متناوب وتدفق مغناطيسي مستحث بالطاقات التفاعلية. تستهلك جميع المعدات الكهربائية ذات الملفات الكهرومغناطيسية طاقة تفاعلية لإنشاء مجال مغناطيسي. بدون هذه الطاقة، لن يدور المحرك، ولن يتمكن المحول من تحويل الجهد، ولن تعمل العديد من المعدات الكهربائية. لذلك، فإن الطاقة التفاعلية ليست طاقة عديمة الفائدة بأي حال من الأحوال. في الظروف العادية، لا تحصل المعدات الكهربائية على الطاقة الفعالة من المولد فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى الحصول على الطاقة التفاعلية منه. إذا كانت الطاقة التفاعلية في شبكة الكهرباء قليلة، فلن يكون لدى المعدات الكهربائية طاقة تفاعلية كافية لإنشاء مجال كهرومغناطيسي طبيعي. عندها، لا تستطيع هذه المعدات الكهربائية الحفاظ على التشغيل المقنن، وينخفض ​​جهدها الطرفي، مما يؤثر على تشغيلها الطبيعي. لذلك، من الضروري ضبط الطاقة التفاعلية وفقًا للحمل الفعلي، وترتبط الطاقة التفاعلية الناتجة من المولد بقيمة تيار الإثارة. لن يتم شرح المبدأ المحدد هنا. (3) عندما يحدث حادث ماس كهربائي في نظام الطاقة أو لأسباب أخرى تتسبب في انخفاض جهد طرف المولد بشكل خطير، يمكن إثارة المولد قسراً لتحسين حد الاستقرار الديناميكي لنظام الطاقة ودقة عمل حماية التتابع. (4) عندما يحدث الجهد الزائد للمولد بسبب انقطاع الحمل المفاجئ وأسباب أخرى، يمكن إزالة المغناطيسية عن المولد قسراً للحد من الزيادة المفرطة في جهد طرف المولد. (5) تحسين الاستقرار الساكن لنظام الطاقة. (6) عندما يحدث ماس كهربائي من طور إلى طور داخل المولد وعلى أسلاك توصيله أو يكون جهد طرف المولد مرتفعًا جدًا، يتم إجراء إزالة المغناطيسية بسرعة للحد من توسع الحادث. (7) يمكن توزيع القدرة التفاعلية للمولدات المتوازية بشكل معقول.

٣. تصنيف أنظمة الإثارة: وفقًا لطريقة حصول المولد على تيار الإثارة (أي طريقة إمداد مصدر طاقة الإثارة)، يمكن تقسيم نظام الإثارة إلى إثارة خارجية وإثارة ذاتية: يُسمى تيار الإثارة الناتج من مصادر طاقة أخرى إثارة خارجية؛ ويُسمى تيار الإثارة الناتج من المولد نفسه إثارة ذاتية. وفقًا لطريقة التصحيح، يمكن تقسيمه إلى إثارة دوارة وإثارة ساكنة. لا يحتوي نظام الإثارة الساكنة على جهاز إثارة خاص. إذا حصل على طاقة الإثارة من المولد نفسه، يُسمى إثارة ساكنة ذاتية الإثارة. يمكن تقسيم الإثارة الساكنة ذاتية الإثارة إلى إثارة ذاتية التوازي وإثارة ذاتية التركيب.
طريقة الإثارة الأكثر شيوعًا هي الإثارة الساكنة بالتوازي الذاتي، كما هو موضح في الشكل أدناه. يتم الحصول على طاقة الإثارة من خلال محول مقوم متصل بمخرج المولد، ويغذي تيار إثارة المولد بعد التصحيح.
مخطط توصيل لنظام إثارة مقوم ثابت ذاتي التوازي

يتكون نظام الإثارة الساكنة ذات التوازي الذاتي بشكل رئيسي من الأجزاء التالية: محول الإثارة، والمقوم، وجهاز إزالة المغناطيسية، ووحدة التحكم في التنظيم، وجهاز الحماية من الجهد الزائد. تؤدي هذه الأجزاء الخمسة الوظائف التالية على التوالي:
(1) محول الإثارة: قم بخفض الجهد عند نهاية الماكينة إلى جهد يطابق المقوم.
(2) المُقوِّم: هو المُكوِّن الأساسي للنظام بأكمله. غالبًا ما تُستخدم دائرة جسر ثلاثية الطور مُتحكَّم بها بالكامل لإتمام عملية التحويل من التيار المتردد إلى التيار المستمر.
(3) جهاز إزالة المغناطيسية: يتكون جهاز إزالة المغناطيسية من جزأين: مفتاح إزالة المغناطيسية ومقاوم إزالة المغناطيسية. هذا الجهاز مسؤول عن إزالة مغناطيسية الجهاز بسرعة في حالة وقوع حادث.
(4) وحدة التحكم في التنظيم: يقوم جهاز التحكم في نظام الإثارة بتغيير تيار الإثارة عن طريق التحكم في زاوية توصيل الثايرستور لجهاز المقوم لتحقيق تأثير تنظيم القدرة التفاعلية والجهد للمولد.
(5) حماية من الجهد الزائد: عندما يكون هناك جهد زائد في دائرة دوار المولد، يتم تشغيل الدائرة لاستهلاك طاقة الجهد الزائد، والحد من قيمة الجهد الزائد، وحماية لفائف دوار المولد والمعدات المتصلة بها.
مزايا نظام الإثارة الساكنة ذات الإثارة المتوازية الذاتية هي: هيكل بسيط، معدات أقل، استثمار منخفض وصيانة أقل. العيب هو أنه عندما يكون المولد أو النظام قصير الدائرة، فإن تيار الإثارة سيختفي أو ينخفض ​​​​بشكل كبير، بينما يجب زيادة تيار الإثارة بشكل كبير (أي الإثارة القسرية) في هذا الوقت. ومع ذلك، بالنظر إلى أن الوحدات الكبيرة الحديثة تستخدم في الغالب قضبان التوصيل المغلقة، وأن شبكات الطاقة عالية الجهد مجهزة عمومًا بحماية سريعة وموثوقية عالية، فإن عدد الوحدات التي تستخدم طريقة الإثارة هذه آخذ في الازدياد، وهذه أيضًا طريقة الإثارة الموصى بها بموجب اللوائح والمواصفات. 4. الكبح الكهربائي للوحدة عند تفريغ الوحدة وإيقاف تشغيلها، يتم تخزين جزء من الطاقة الميكانيكية بسبب القصور الذاتي الدوراني الهائل للدوار. لا يمكن إيقاف هذا الجزء من الطاقة تمامًا إلا بعد تحويله إلى طاقة حرارية احتكاكية لمحمل الدفع ومحمل التوجيه والهواء. نظرًا لأن فقدان الاحتكاك للهواء يتناسب مع مربع السرعة الخطية للمحيط، تنخفض سرعة الدوار بسرعة كبيرة في البداية، ثم ستتوقف لفترة طويلة بسرعة منخفضة. عندما تعمل الوحدة لفترة طويلة بسرعة منخفضة، قد تحترق جلبة الدفع لأن الفيلم الزيتي بين لوحة المرآة أسفل رأس الدفع وجلبة المحمل لا يمكن تثبيته. لهذا السبب، أثناء عملية إيقاف التشغيل، عندما تنخفض سرعة الوحدة إلى قيمة معينة محددة، يجب تشغيل نظام فرملة الوحدة. ينقسم فرملة الوحدة إلى فرملة كهربائية وفرملة ميكانيكية وفرملة مركبة. الفرملة الكهربائية هي قصر دائرة الجزء الثابت للمولد ثلاثي الطور عند مخرج نهاية الآلة بعد فصل المولد وإزالة مغناطيسيته، والانتظار حتى تنخفض سرعة الوحدة إلى حوالي 50٪ إلى 60٪ من السرعة المقدرة. من خلال سلسلة من العمليات المنطقية، يتم توفير طاقة الكبح، وينتقل منظم الإثارة إلى وضع الكبح الكهربائي لإضافة تيار إثارة إلى لفائف دوار المولد. ولأن المولد يدور، يُحدث الجزء الثابت تيار قصر في الدائرة تحت تأثير المجال المغناطيسي للدوار. ويكون عزم الدوران الكهرومغناطيسي المتولد معاكسًا تمامًا لاتجاه القصور الذاتي للدوار، مما يؤدي إلى دور الكبح. في عملية تحقيق الكبح الكهربائي، يجب توفير مصدر طاقة الكبح خارجيًا، وهو أمر وثيق الصلة بهيكل الدائرة الرئيسية لنظام الإثارة. يوضح الشكل أدناه طرقًا مختلفة للحصول على مصدر طاقة إثارة الكبح الكهربائي.
طرق مختلفة للحصول على مصدر طاقة إثارة الفرامل الكهربائية
الطريقة الأولى هي توصيل جهاز الإثارة بالتوازي الذاتي. عند حدوث قصر في الدائرة الكهربائية في طرف الآلة، ينقطع مصدر الطاقة عن محول الإثارة. يأتي مصدر طاقة الكبح من محول كبح مخصص، وهو متصل بمصدر طاقة المحطة. كما ذكرنا سابقًا، تستخدم معظم مشاريع الطاقة الكهرومائية نظام إثارة ذاتي التوازي مع مقوم ثابت، ويكون استخدام جسر مقوم لنظام الإثارة ونظام الكبح الكهربائي أكثر توفيرًا. لذلك، تُعد هذه الطريقة للحصول على مصدر طاقة إثارة الكبح الكهربائي أكثر شيوعًا. يكون سير عمل الكبح الكهربائي لهذه الطريقة كما يلي:
(1) يتم فتح قاطع الدائرة الخاص بمخرج الوحدة وفصل النظام.
(2) يتم إزالة المغناطيسية من لفائف الدوار.
(3) يتم فتح مفتاح الطاقة الموجود على الجانب الثانوي لمحول الإثارة.
(4) تم إغلاق مفتاح الدائرة القصيرة لفرامل الوحدة الكهربائية.
(5) تم إغلاق مفتاح الطاقة الموجود على الجانب الثانوي لمحول الفرامل الكهربائية.
(6) يتم تشغيل الثايرستور الخاص بجسر المعدل للتوصيل، وتدخل الوحدة في حالة الفرامل الكهربائية.
(7) عندما تكون سرعة الوحدة صفرًا، يتم تحرير الفرامل الكهربائية (إذا تم استخدام الكبح المشترك، عندما تصل السرعة إلى 5٪ إلى 10٪ من السرعة المقدرة، يتم تطبيق الكبح الميكانيكي). 5. نظام الإثارة الذكي تشير محطة الطاقة الكهرومائية الذكية إلى محطة طاقة كهرومائية أو مجموعة محطات طاقة كهرومائية مع رقمنة المعلومات وشبكات الاتصالات والمعايير المتكاملة والتفاعل التجاري وتحسين التشغيل واتخاذ القرارات الذكية. تنقسم محطات الطاقة الكهرومائية الذكية عموديًا إلى طبقة العملية وطبقة الوحدة وطبقة التحكم في المحطة، باستخدام هيكل شبكي مكون من 3 طبقات و2 طبقة لشبكة طبقة العملية (شبكة GOOSE وشبكة SV) وشبكة طبقة التحكم في المحطة (شبكة MMS). تحتاج محطات الطاقة الكهرومائية الذكية إلى دعم من المعدات الذكية. بصفته نظام التحكم الأساسي لمجموعة مولد التوربينات المائية، يلعب التطور التكنولوجي لنظام الإثارة دورًا داعمًا مهمًا في بناء محطات الطاقة الكهرومائية الذكية.
في محطات الطاقة الكهرومائية الذكية، بالإضافة إلى إنجاز المهام الأساسية مثل تشغيل وإيقاف مجموعة مولدات التوربينات، وزيادة وخفض الطاقة التفاعلية، والإغلاق في حالات الطوارئ، يجب أن يتوافق نظام الإثارة مع معايير IEC61850 لنمذجة البيانات ووظائف الاتصال، ويدعم الاتصال بشبكة طبقة التحكم في المحطة (شبكة MMS) وشبكة طبقة العمليات (شبكة GOOSE وشبكة SV). يقع جهاز نظام الإثارة في طبقة الوحدة بهيكل نظام محطة الطاقة الكهرومائية الذكية، بينما تقع وحدة الدمج، والطرف الذكي، ووحدة التحكم المساعدة، والأجهزة أو المعدات الذكية الأخرى في طبقة العمليات. يوضح الشكل أدناه هيكل النظام.
نظام الإثارة الذكي
يفي الحاسوب المضيف لطبقة التحكم في محطة الطاقة الكهرومائية الذكية بمتطلبات معيار الاتصالات IEC61850، ويرسل إشارة نظام الإثارة إلى الحاسوب المضيف لنظام المراقبة عبر شبكة MMS. يجب أن يكون نظام الإثارة الذكي قادرًا على الاتصال بشبكة GOOSE ومفاتيح شبكة SV لجمع البيانات في طبقة العملية. تتطلب طبقة العملية أن تكون جميع البيانات الصادرة عن CT وPT والمكونات المحلية رقمية. يتم توصيل CT وPT بوحدة الدمج (المحولات الإلكترونية متصلة بكابلات ضوئية، والمحولات الكهرومغناطيسية متصلة بكابلات). بعد رقمنة بيانات التيار والجهد، يتم توصيلها بمفتاح شبكة SV عبر الكابلات الضوئية. يجب توصيل المكونات المحلية بالطرف الذكي عبر الكابلات، ويتم تحويل إشارات المفتاح أو التناظرية إلى إشارات رقمية وإرسالها إلى مفتاح شبكة GOOSE عبر الكابلات الضوئية. حاليًا، يقوم نظام الإثارة بشكل أساسي بوظيفة الاتصال مع شبكة MMS لطبقة التحكم في المحطة وشبكة GOOSE/SV لطبقة العملية. بالإضافة إلى استيفاء نظام الإثارة الذكي لتفاعل معلومات الشبكة وفقًا لمعيار الاتصالات IEC61850، يجب أن يتمتع أيضًا بمراقبة شاملة عبر الإنترنت، وتشخيص ذكي للأعطال، وسهولة في تشغيل وصيانة الاختبارات. يجب اختبار أداء وتأثير تطبيق جهاز الإثارة الذكي كامل الوظائف في التطبيقات الهندسية الفعلية المستقبلية.