 |
| ظاهرة الرنين الكهربي |
من أشهر امثلتها تحطم الكأس الزجاجي حين تسلط عليه موجة صوتية لها تردد مساوي لتردده الطبيعي ، ومن أمثلته أيضا انهيار جسر تكوما هو جسر معلق، بني في واشنطن الأمريكية فوق نهر تكوما بطول 853 متر ولكن بعد أربعة أشهر من بنائه تحطم نتيجة ما يعرف بالرنين الميكانيكي، ففي يوم 7 نوفمبر 1940 قطع أحد الحبال الفولاذية نتيجة رياح شديدة، ثم بدأ الجسر بالاهتزاز بفعل الرياح متناغماً مع تردده الطبيعى وبدأت سعة الاهتزاز تزداد شيئا فشيئا حتى انهار. ومن بعدها بدأ تطبيق علم ديناميكية الهواء aerodynamics في تصميم الجسور.
ومن أشهر تطبيقات هذا النوع من الرنين في الشبكة الكهربية جهاز Power Line Carrier, PLC المستخدم لتمرير ترددات معينة لأجهزة الاتصالات بين طرفى خط نقل القوى الكهربية حيث تكون معاوقة الدائرة عالية جدا للتردد الأصلى (50 هيرتز) وتكون المعاوقة صغيرة جدا لتردد إشارة الاتصالات المنقولة. وهذا كله يمثل الحد الأدنى الذى يجب أن يعرفه كل مهندس كهرباء عن ظاهرة الرنين الذى يسمى في هذه الحالة series resonance .
وأحب أن أضيف هنا أن هناك نوع آخر من الرنين في الشبكات الكهربية يسمى parallel resonance ، حيث يكون الملف والمكثف متصلين على التوازى وليس على التوالي ، وهذا لا يسبب ارتفاعا في التيار، بل يسبب ارتفاعا في الجهد!! وأحد أبرز أمثلة الــ parallel resonance تجده في محطات توليد الطاقة بالرياح التي تعانى أكثر من أي نوع آخر من المحطات من ظاهرة الــ Over Voltage .
وقد قمت بدراسة هذه الظاهرة في هذه المحطات من خلال رسالتى ماجستير أشرفت عليهما منذ سنوات. ووجدت أن الارتفاع في الجهد داخل هذه المحطات له أسباب عديدة من أهمها كثرة حدوث switching داخل هذه المحطات بسبب كثرة تغير سرعة الهواء ،
ومن أسبابه أيضا كثرة استخدام الكابلات بأطوال كبيرة ، فالتربينات تقع على مسافات متباعدة عن بعضها ، وبعيدة أيضا عن محطة المحولات الرئيسية ، فيتم تمديد كابل من المحولات داخل التربينة ( جهد 22/0.69 kV ) إلى محطة المحولات الرئيسية جهد 22/220 kV ولك أن تتخيل عدد وأطوال الكابلات المستخدمة في هذه المحطات!! والكابلات عموما يمكن أن تتسبب في ارتفاع الجهد كما هو معلوم.
لكن إضافة إلى ما سبق فهناك سبب أخر يمكن أن يؤدى لحدوث overvoltage بمحطات الرياح وهو كثرة عمليات ال energization للمحولات وسحبها لتيارات الاندفاع inrush currents الذى يتميز بأنه غنى بترددات عديدة ، وفى وجود الــ ind للمحولات على التوازى مع الــ cap للكابلات ، ومع وجود ترددات معينة في تيار الاندفاع يمكن أن تتسبب في حدوث رنين من النوع الثانى الذى يسمى Harmonic resonance overvoltage, HRO فتصبح الدائرة مع ارتفاع قيمة المعاوقة كأنها open circuit وليس short circuit كما في النوع الأول من أنواع الرنين ، وهنا يظهر الجهد العالى على الدائرة المفتوحة.
ولأن تيار الــ inrush ملئ بالقيم المختلفة للترددات فإن احتمالية حدوث الــ HRO أثناء بدء تشغيل المحولات energization تكون مرتفعة جدا وهو ما يفسر تأثر مكونات عديدة بالمحطة بظاهرة ارتقاع الجهد أثناء بدء تشغيل المحولات تحديدا.
وقد تحدث ظاهرة الــ HRO أثناء عمليات الــ Restoration بعد حدوث blackout في الشبكة ، بسبب غياب الأحمال أثناء عمليات الــ restoration ويجب أن يتوقع مهندسو التحكم ذلك.
أود أن أضيف أن محطات الرياح معرضة أيضا للنوع الأول من الرنين series resonance وذلك أثناء عمليات الــ energization للكابلات . وعلاج هذه المشاكل في محطات الرياح يكون بطرق كثيرة لا يتسع المجال هنا لشرحها.
 |
| جسر تكوما المعلق |
والرنين معروف أيضا في الأنظمة الصوتية (ونحتاج أن نتكلم عنه بالتفصيل لاحقا لأنه مؤثر جدا في حياتنا اليومية )،
وهناك نوع ثالث هو الرنين الكهربي وهو موضوعنا اليوم ، فمن حيث التعريف فمعظمنا يعرف أن ظاهرة الرنين تحدث في الدوائر الكهربية إذا احتوت الدائرة على ملف coil متصل على التوالى مع مكثف ، فعندما تتساوى معاوقة الملف inductive reactance (jwL) مع معاوقة المكثف capacitive reactance (-j1/wc) ، (وهذا يحدث فقط عندما يكون تردد المصدر له قيمة محددة تسمى تردد الرنين وليس اى تردد آخر) فعندها فقط سيكون مجموع المعاوقتين يساوى صفرا بسبب إشارة السالب (وتصبح الدائرة كأنها short Circuit ) ، حيث لا يتبقى في الدائرة إلا المقاومة الأومية resistance ، وبالتالي يصبح التيار مرتفعا جدا أثناء حدوث الرنين مالم تكن المقاومة كافية لإخماد تيار الرنين.
وهناك نوع ثالث هو الرنين الكهربي وهو موضوعنا اليوم ، فمن حيث التعريف فمعظمنا يعرف أن ظاهرة الرنين تحدث في الدوائر الكهربية إذا احتوت الدائرة على ملف coil متصل على التوالى مع مكثف ، فعندما تتساوى معاوقة الملف inductive reactance (jwL) مع معاوقة المكثف capacitive reactance (-j1/wc) ، (وهذا يحدث فقط عندما يكون تردد المصدر له قيمة محددة تسمى تردد الرنين وليس اى تردد آخر) فعندها فقط سيكون مجموع المعاوقتين يساوى صفرا بسبب إشارة السالب (وتصبح الدائرة كأنها short Circuit ) ، حيث لا يتبقى في الدائرة إلا المقاومة الأومية resistance ، وبالتالي يصبح التيار مرتفعا جدا أثناء حدوث الرنين مالم تكن المقاومة كافية لإخماد تيار الرنين.
ومن أشهر تطبيقات هذا النوع من الرنين في الشبكة الكهربية جهاز Power Line Carrier, PLC المستخدم لتمرير ترددات معينة لأجهزة الاتصالات بين طرفى خط نقل القوى الكهربية حيث تكون معاوقة الدائرة عالية جدا للتردد الأصلى (50 هيرتز) وتكون المعاوقة صغيرة جدا لتردد إشارة الاتصالات المنقولة. وهذا كله يمثل الحد الأدنى الذى يجب أن يعرفه كل مهندس كهرباء عن ظاهرة الرنين الذى يسمى في هذه الحالة series resonance .
وأحب أن أضيف هنا أن هناك نوع آخر من الرنين في الشبكات الكهربية يسمى parallel resonance ، حيث يكون الملف والمكثف متصلين على التوازى وليس على التوالي ، وهذا لا يسبب ارتفاعا في التيار، بل يسبب ارتفاعا في الجهد!! وأحد أبرز أمثلة الــ parallel resonance تجده في محطات توليد الطاقة بالرياح التي تعانى أكثر من أي نوع آخر من المحطات من ظاهرة الــ Over Voltage .
وقد قمت بدراسة هذه الظاهرة في هذه المحطات من خلال رسالتى ماجستير أشرفت عليهما منذ سنوات. ووجدت أن الارتفاع في الجهد داخل هذه المحطات له أسباب عديدة من أهمها كثرة حدوث switching داخل هذه المحطات بسبب كثرة تغير سرعة الهواء ،
ومن أسبابه أيضا كثرة استخدام الكابلات بأطوال كبيرة ، فالتربينات تقع على مسافات متباعدة عن بعضها ، وبعيدة أيضا عن محطة المحولات الرئيسية ، فيتم تمديد كابل من المحولات داخل التربينة ( جهد 22/0.69 kV ) إلى محطة المحولات الرئيسية جهد 22/220 kV ولك أن تتخيل عدد وأطوال الكابلات المستخدمة في هذه المحطات!! والكابلات عموما يمكن أن تتسبب في ارتفاع الجهد كما هو معلوم.
لكن إضافة إلى ما سبق فهناك سبب أخر يمكن أن يؤدى لحدوث overvoltage بمحطات الرياح وهو كثرة عمليات ال energization للمحولات وسحبها لتيارات الاندفاع inrush currents الذى يتميز بأنه غنى بترددات عديدة ، وفى وجود الــ ind للمحولات على التوازى مع الــ cap للكابلات ، ومع وجود ترددات معينة في تيار الاندفاع يمكن أن تتسبب في حدوث رنين من النوع الثانى الذى يسمى Harmonic resonance overvoltage, HRO فتصبح الدائرة مع ارتفاع قيمة المعاوقة كأنها open circuit وليس short circuit كما في النوع الأول من أنواع الرنين ، وهنا يظهر الجهد العالى على الدائرة المفتوحة.
ولأن تيار الــ inrush ملئ بالقيم المختلفة للترددات فإن احتمالية حدوث الــ HRO أثناء بدء تشغيل المحولات energization تكون مرتفعة جدا وهو ما يفسر تأثر مكونات عديدة بالمحطة بظاهرة ارتقاع الجهد أثناء بدء تشغيل المحولات تحديدا.
وقد تحدث ظاهرة الــ HRO أثناء عمليات الــ Restoration بعد حدوث blackout في الشبكة ، بسبب غياب الأحمال أثناء عمليات الــ restoration ويجب أن يتوقع مهندسو التحكم ذلك.
أود أن أضيف أن محطات الرياح معرضة أيضا للنوع الأول من الرنين series resonance وذلك أثناء عمليات الــ energization للكابلات . وعلاج هذه المشاكل في محطات الرياح يكون بطرق كثيرة لا يتسع المجال هنا لشرحها.
دكتور جيلاني