إطار عمل مبتكر لتحقيق التحسين المشترك بين التنسيق الانتقائي والتخفيف من مخاطر القوس الكهربائي في أنظمة القدرة الصناعية ذات الجهد المنخفض باستخدام المرحلات الرقمية المتقدمة
الكلمات المفتاحية:
منحنى الزمن-التيار (TCC)، التنسيق الانتقائي، مخاطر القوس الكهربائي، المرحلات الرقمية للحماية، التداخل الانتقائي للمناطق (ZSI)،، حماية أنظمة القدرةالملخص
يمثل تصميم أنظمة الحماية من زيادة التيار في الشبكات الكهربائية الصناعية تحديًا معقدًا في مجال التحسين، حيث كان يوازن تقليديًا بين حماية المعدات والتنسيق الانتقائي. وقد أدت الحاجة المتزايدة لتعزيز سلامة الأفراد، مدفوعةً بمعيار NFPA 70E، إلى إدخال هدف ثالث غالبًا ما يتعارض مع الأهداف الأخرى، وهو تقليل طاقة حادث القوس الكهربائي (Arc Flash).
تقترح هذه الدراسة إطارًا جديدًا وتقوم بالتحقق من صحته من أجل التحسين المشترك لهذه الأهداف، من خلال التطبيق الاستراتيجي للمرحلات الرقمية الحديثة المعتمدة على المعالجات الدقيقة. وتُظهر النتائج أن الميزات المتقدمة لهذه المرحلات — بما في ذلك منحنيات الزمن-التيار (TCCs) القابلة للتخصيص من قبل المستخدم، وإعدادات الالتقاط المعتمدة على الضوء والزمن، وتقنية التداخل الانتقائي للمناطق (ZSI) — تُمكّن من إحداث تحول جذري في استراتيجيات الحماية.
تم نمذجة ومحاكاة نظام طاقة صناعي واقعي باستخدام برنامج ETAP، مع استخدام نماذج مرحلات مماثلة لسلسلة SEL-735 وSiemens SIPROTEC 5. كما تم تمثيل اتصال ZSI باستخدام إشارات رقمية نظير إلى نظير بزمن تأخير لا يتجاوز 8 مللي ثانية، بما يتوافق مع مواصفات الشركات المصنعة النموذجية.
تؤكد النتائج أن الإطار المقترح يحافظ على التنسيق ضمن الحالات المدروسة، مع تحقيق انخفاض متوسط في أقصى طاقة لحوادث القوس الكهربائي عند الحافلات الحرجة بنسبة تصل إلى 66% مقارنةً بالنهج التقليدي. كما تُظهر دراسة تحليل الحساسية الشاملة متانة النظام في مواجهة أعطال الاتصال.
تقدم هذه الدراسة منهجية عملية ومُثبتة تمكّن المهندسين من تصميم أنظمة كهربائية صناعية تحقق في آنٍ واحد موثوقية عالية وسلامة مُعززة للأفراد
المراجع
Blackburn, J. L., & Domin, T. J. (2014). Protective relaying: Principles and applications (4th ed.). CRC Press.
Basso, R., De Caro, S., & Vaccaro, A. (2022). A review of communication technologies for adaptive protection of active distribution networks. Energies, 15(3), 1026.
Das, J. C. (2020). Arc flash hazard analysis and mitigation. IEEE Press.
Doan, D. R. (2019). Arc energy reduction: System solutions. IEEE Transactions on Industry Applications, 55(1), 79–85.
Dunkl-Jacobs, J. R. (1972). The effects of arcing ground faults on low-voltage system design. IEEE Transactions on Industry Applications, IA-8(3), 223–230.
GE Digital Energy. (2021). Multilin 850 feeder management relay technical guide.
Horak, J. (2006). A review of time-current curves and their application. IEEE Transactions on Industry Applications, 42(1), 175–182.
IEEE. (1993). IEEE recommended practice for electric power distribution for industrial plants (IEEE Std 141-1993).
IEEE. (2001). IEEE recommended practice for protection and coordination of industrial and commercial power systems (IEEE Std 242-2001).
IEEE. (2018a). IEEE guide for performing arc-flash hazard calculations (IEEE Std 1584-2018).
IEEE. (2018b). IEEE standard for inverse-time characteristic equations for overcurrent relays (IEEE Std C37.112-2018).
Lee, R. H. (1982). The other electrical hazard: Electric arc blasts. IEEE Transactions on Industry Applications, IA-18(3), 246–251.
Leng, M. W. L. C. L. (2020). A comparative study of arc flash incident energy calculation methods. IEEE Transactions on Industry Applications, 56(2), 1123–1131.
Maverick Technologies. (2019). Understanding time current curves (White paper).
NFPA. (2020). National electrical code (NFPA 70). National Fire Protection Association.
NFPA. (2021). Standard for electrical safety in the workplace (NFPA 70E). National Fire Protection Association.
Pabla, A. S. (2021). Digital protective relays: The future of power system protection. International Journal of Electrical Engineering & Technology, 12(2), 1–10.
Rockwell, G. (2017). Zone selective interlocking: What it is and how it works. In IEEE IAS Electrical Safety Workshop.
SEL (Schweitzer Engineering Laboratories). (2021). SEL-701 instruction manual.
Short, T. A. (2014). Electric power distribution handbook (2nd ed.). CRC Press.
Siemens. (2022). SIPROTEC 5 application manual.
Stokes, A. D., & Oppenlander, W. T. (1991). Electric arcs in open air. Journal of Physics D: Applied Physics, 24(1), 26.
Valdes, M., et al. (2019). Practical implementation of ZSI in critical power distribution systems. In Proceedings of the IEEE PCIC Conference (pp. 1–8).
Zocholl, S. E. (2021). Optimizing power system protection with digital relays. IEEE Power and Energy Magazine, 19(3), 52–61.
Alstom Grid. (2015). Network protection & automation guide.
