ما الدور الذي يؤديه ريليه تسلسل الطور في أنظمة الطاقة؟

كيف يكشف مرحل تسلسل الطور ويمنع عكس ترتيب الأطوار

المبدأ التشغيلي الأساسي: تحليل دوران المتجهات الجهدية

تتابعات الطور (Relays) تراقب اتجاه دوران متجهات الجهد في أنظمة التيار المتناوب ثلاثي الأطوار من خلال تحليل العلاقات الزاوية بين الأطوار. وبشكل أساسي، تقوم هذه التتابعات بالتمييز بين الترتيب الصحيح للأطوار (مثل: A-B-C) وبين الترتيب المعكوس (مثل: C-B-A). وعندما يدور النظام في الاتجاه عقارب الساعة، فهذا يعني أن التشغيل طبيعي. أما إذا بدأ الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة، فهذه إشارة خطرٍ جسيمة، لأنها تعني أن ترتيب الأطوار قد انقلب، ويجب إيقاف النظام فورًا. ولماذا يكتسب هذا الأمر أهميةً بالغة؟ حسب ما ورد في مجلة السلامة الكهربائية الصادرة العام الماضي، فإن نحو ٨ من أصل ١٠ أعطال تصيب المحركات الصناعية تعود في الواقع إلى مشكلات مرتبطة بتتابع الأطوار. وتستخدم هذه التتابعات إما تقنيات المغناطيسات الكهربائية التقليدية أو الإلكترونيات الحالة الصلبة الحديثة لأخذ عينات من أنماط الجهد ما لا يقل عن ٢٠٠ مرة في كل دورة كهربائية، مما يمكنها من اكتشاف الأعطال بسرعة فائقة قبل أن تتسبب في أضرار جوهرية.

المنطق الداخلي: توقيت العبور عند الصفر، ومقارنة زوايا الطور، ومخرجات الإقفال

يُنفِّذ المنطق الداخلي للريلاي ثلاث مراحل منسَّقة:

1. كشف العبور عند الصفر : يُحدِّد بدقة اللحظة الزمنية التي تنتقل فيها كل طورٍ من الجهد السالب إلى الموجب.
2. مقارنة زاوية الطور : يحسب فترات التأخير بين الأطوار المتتالية لتحديد اتجاه الدوران. على سبيل المثال:

   زوج الطور	تأخير التسلسل الطبيعي	تأخير التسلسل العكسي
   من A إلى B	5.5 مللي ثانية	١٠٫٥ مللي ثانية
   من B إلى C	5.5 مللي ثانية	−١٠٫٥ مللي ثانية

3. مخرجات مقفلة : يُصدر إشارة انقطاع خلال ١٥ مللي ثانية إذا تجاوزت التأخيرات المقاسة الانحراف عن القيم المتوقعة بمقدار ±٢ مللي ثانية. ويظل المخرج مقفلاً حتى يتم إعادة ضبطه يدويًّا — ما يمنع إعادة التغذية التلقائية في ظروف غير آمنة، ويحمي المعدات من الإجهادات الميكانيكية على المحامل، أو تآكل المضخات الناتج عن التموج (Cavitation)، أو نقص زيت التشحيم في الضواغط.

حماية حرجة ضد تلف المحرك وانقطاع العمليات

مخاطر الدوران العكسي في المحركات الحثية والمضخات والضواغط

عندما تخرج مراحل التيار الكهربائي عن ترتيبها الصحيح، تبدأ محركات التحريض والمضخات والضواغط في الدوران عكس اتجاه الدوران الطبيعي، وهي ظاهرة تحدث بشكل متكرر نسبيًّا أثناء أعمال الصيانة الروتينية، أو عند قيام شركات توزيع الكهرباء بالتبديل بين مصادر التغذية، أو عند حدوث مشكلات في الشبكة الكهربائية. ونتيجةً لذلك تحدث أضرار جسيمة من الناحية الميكانيكية. فغالبًا ما تُقفل المحامل لأنها لم تُصمَّم لتحمل هذا النوع من الإجهادات. كما تتآكل المراوح الداخلية للمضخات بشكل أسرع بسبب ما يُعرف بظواهر التآكل التفجّري (Cavitation)، بينما تفشل الحشوات تمامًا نظرًا لعدم اتزان فروق الضغط التي صُمِّمت لأجلها. وبالنسبة للمضخات تحديدًا، فإن هذا التدفق العكسي يعني أنها تعمل دون سائل (جافّة)، وتتعرّض لصدمات هيدروليكية مفاجئة. أما الضواغط فتواجه أيضًا مشكلاتها الخاصة: فهي تفقد زيت التزييت، ويختل توقيت عمل صماماتها بالكامل. أما المحركات التي تستمر في الدوران عكس الاتجاه، فإنها تسخن أكثر بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٢٠٪ تقريبًا، لأن مراوح التبريد لم تعد تعمل بكفاءة، مما يُسرّع من معدل تدهور العزل الكهربائي. وتشير التقارير الصناعية إلى أن مشكلات ترتيب المراحل هذه مسؤولة عن نحو ربع حالات فشل المحركات في الأنظمة التي تتعامل مع السوائل. وهناك أمرٌ مثيرٌ للاهتمام: حتى اختلال بسيط في الجهد بنسبة ٢٪ فقط يمكن أن يؤدي إلى إجهادات ميكانيكية جسيمة خلال ساعات إذا لم يُلاحَظ حدوثه.

الأثر في العالم الحقيقي: دراسة حالة حول توقف خط تجميع المركبات

فقدت إحدى مصانع السيارات الكبيرة حوالي ٧٤٠ ألف دولار أمريكي العام الماضي وفقًا لتقارير قطاع الصناعة، وذلك بسبب عدم اكتشافها مشكلة عكس الترتيب الطوري أثناء أعمالها في المحطة الفرعية. فبدأت سيور النقل بالتحرك عكس الاتجاه المطلوب، ما تسبب في مجموعة من المشكلات مع آلات اللحام الروبوتية، بل وانقطعت عدة سلاسل دفع فعليًّا. وأدى هذا الفوضى إلى توقف تشغيلي استمر ١١ ساعة، ما حال دون إنتاج نحو ٢٣٠٠ سيارة. وعند مراجعة ما حدث، يرى الخبراء أنه لو كانت الشركة قد ثبَّتت ريلاي لتحديد ترتيب الأطوار (Phase Sequence Relay)، لكان بإمكانه قطع التيار الكهربائي خلال ٠٫١ ثانية فقط قبل تفاقم المشكلة. ويمكن ربط هذه الريلايات بأنظمة وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بحيث تبقى الآلات معطَّلة حتى يتم التأكد من صحة جميع المعايير التشغيلية. وهذه الحلول البسيطة كانت ستوفِّر عليها مبالغ طائلة، إذ تُقدَّر تكلفة توقُّف خطوط الإنتاج بحوالي ٢٤ ألف دولار أمريكي في كل ساعة داخل قطاع صناعة السيارات. كما أنها تمنع أيضًا مشكلات أخرى مثل احتراق لفات المحرك نتيجة تشغيلها عكس الاتجاه لفترة طويلة، والمواقف الخطرة التي قد تؤدي فيها مضخات الزيت الهيدروليكية إلى انفجار.

إن دمج التحقق من ترتيب الطور مع الحماية المعتمدة على التيار يقلل تكاليف استبدال المحرك بنسبة ٣٧٪ في العمليات الحرجة للبعثة.

دمج ريلاي ترتيب الطور في أنظمة الحماية والتحكم الحديثة

التنسق مع قواطع الدوائر، وأنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLCs)، ونظم إعادة الإغلاق الآلي

عندما تكشف ريليهات تسلسل الطور عن ترتيب غير صحيح للأطوار، فإنها تعمل بالتنسيق مع قواطع الدائرة لقطع التيار الكهربائي بشكل شبه فوري، مما يمنع حدوث أضرار للمعدات قبل وقوعها. وتتصل هذه الأجهزة بأنظمة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) باستخدام وحدات المدخلات/المخرجات الرقمية، ما يسمح بتنفيذ إجراءات تلقائية مثل إيقاف المحركات على مراحل، أو غلق الصمامات المرتبطة ببعضها ترابطًا، أو تصعيد الإنذارات عبر خطوط الإنتاج. وفي حالات إعادة الإغلاق التلقائي (Auto-reclosing)، فإن الريليهات تؤدي في الأساس دور بوابات السلامة التي تحول دون أي محاولة لإعادة تزويد الدائرة بالطاقة حتى يتم التأكُّد من صحة ترتيب الأطوار. ويحقِّق هذا النوع من التنسيق تشغيل العمليات بسلاسة في المصانع، ويمنع تلك الدورات العكسية الضارة التي قد تتسبب في تلف المضخات الصناعية، ويحافظ على استعداد الضواغط للعمل عند الحاجة، وذلك كله بفضل إجراءات إعادة التشغيل المُخطَّط لها بدقة والتي تمنع حدوث أعطال مفاجئة أثناء العمليات الحرجة.

التكامل مع أنظمة التحكم والإشراف الموزَّعة (SCADA) والمحطات الفرعية الرقمية لمراقبة بعيدة وإنذار

تعتمد المحطات الفرعية الرقمية على ريليهات تسلسل الطور لإرسال معلومات المتجهات الجهدية في الزمن الحقيقي باستخدام رسائل IEC 61850 GOOSE وSV مباشرةً إلى أنظمة التحكم والإشراف (SCADA). وعند حدوث أي عطل، يتلقى المشغلون تنبيهات فورية إلى جانب عروض مرئية واضحة تُظهر زوايا الأطوار، مما يمكنهم من التدخل السريع قبل أن تتضخَّم المشكلات لتصبح قضايا أكبر. كما يساعد النظام أيضًا في أعمال الصيانة التنبؤية: فإذا ظهرت اتجاهات تشير إلى اختلالات في الجهد أو إذا اقتربت المعدات مرارًا من حالة الانقطاع، فإن ذلك يُفعِّل إجراء فحوصات دورية مُجدولة مسبقًا. وفي المنشآت الحيوية مثل محطات معالجة المياه والمستشفيات — حيث يكتسب استقرار التغذية الكهربائية أهمية قصوى — تقلل المراقبة عن بُعد من الحاجة المتكررة لفحص المعدات يدويًّا من قِبل الطاقم. وفي الوقت نفسه، تحافظ هذه العملية على الامتثال لمعايير NFPA 70E المتعلقة بالسلامة من انفجارات القوس الكهربائي، لأن جميع هذه الأنشطة تُسجَّل في سجل تدقيق يمكن مراجعته في أي وقت.

الامتثال والمعايير والتطبيق في البنية التحتية الحرجة

تتطلب معايير السلامة الدولية مثل معيار IEC 60204-1 الخاص بالمعدات الكهربائية للآلات ومعيار NEC المادة 430.83(أ)(2) المتعلق بدارات المحركات فعليًّا تركيب هذه المرحلات لمراقبة ترتيب الطور، وذلك لمنع الدوران العكسي الخطر في المواقع الحرجة. فكِّر على سبيل المثال في المستشفيات التي تحتاج إلى هذه المرحلات لضمان دوران أجهزة التنفس الصناعي الحيوية ومراوح تبريد المولدات بالاتجاه الصحيح. كما تُركَّب هذه المرحلات في مراكز البيانات أيضًا للحفاظ على تشغيل أنظمة المياه المبرَّدة بشكلٍ سليم. وبالمثل، تُثبَّت في محطات توليد الطاقة على معدات مثل مضخات التغذية المساعدة والمولدات الديزل الطارئة. وعندما لا تلتزم المنشآت بهذه المتطلبات، فإن الكوارث تحدث بسرعةٍ فائقة. تخيل ما قد يحدث لو بدأت مضخات مكافحة الحرائق بالدوران عكسيًّا، أو لو تعطَّلت وحدات التبريد في مزارع الخوادم فجأةً. فقد تتوقف العمليات بأكملها خلال دقائق معدودة. ولذلك تشدد اللوائح التنظيمية على ضرورة فحص هذه المرحلات مرةً واحدةً سنويًّا وفقًا لإرشادات NFPA 70E. وتتناول الاختبارات دقة هذه المرحلات، وسرعة استجابتها الزمنية، وقدرتها على التثبيت (القفل) بشكلٍ صحيح. ويُسهم ذلك في الحفاظ على بنية تحتية مرنة وقادرة على التحمُّل، مع الالتزام الكامل بجميع تلك المعايير المهمة.