Techno-economic Assessment and Scenario-based Optimization of Lightning Protection Schemes in High-voltage Substations Using ATP- EMTP

تُعد محطات التحويل الكهربائية ذات الجهد العالي مراكز حيوية حيث يتم تحويل الكهرباء وتوجيهها لتغذية المدن والصناعات. وتتعرض هذه المنشآت باستمرار لقوة الطبيعة الخام، ولا سيما البرق. فعندما تضرب صاعقة خط نقل أو برجاً قريباً، فإنها ترسل دفقة هائلة من الطاقة تتسابق نحو محطة التحويل. وإذا لم يتم إيقاف هذه الدفقة أو ترويضها، فقد تؤدي إلى تحطيم العزل الدقيق داخل المحولات والمعدات الأخرى، مما يتسبب في انقطاع التيار الكهربائي وأضرار باهظة التكلفة. وقد أدرك المهندسون منذ زمن طويل أن الأرض الواقعة تحت هذه الأبراج تلعب دوراً حيوياً؛ فإذا كانت التربة جافة أو صخرية، فإنها تقاوم تدفق الكهرباء، مما يجعل هذه الدفقة أكثر خطورة. ولمواجهة ذلك، تقوم شركات المرافق بتركيب مانعات الصواعق، التي تعمل مثل صمامات الأمان، حيث تقوم بتحويل الطاقة الزائدة بأمان إلى الأرض. ومع ذلك، فإن تحديد العدد الدقيق لهذه الأجهزة وأماكن وضعها كان غالباً يعتمد على التخمين أو قواعد بسيطة، مما يترك فجوات في الحماية أو يهدر الأموال في شراء معدات غير ضرورية.

وقد سعى باحث في جامعة "تاي نغوين" للتكنولوجيا لحل هذا اللغز عبر نهج أكثر دقة. حيث قام ببناء "توأم رقمي" مفصل لمحطة تحويل حقيقية بجهد 220 كيلوفولت، وهي منشأة عالية الجهد تتعامل مع كميات هائلة من الطاقة. وباستخدام برامج محاكاة حاسوبية متقدمة، أعاد محاكاة السلوك الفوضوي لضربات البرق، بما في ذلك كيفية انتقال الكهرباء عبر الأسلاك، وارتدادها عن المعدات، وتفاعلها مع التربة. وبخلاف الدراسات السابقة التي نظرت إلى هذه العوامل بشكل منفصل، قام الباحث بمحاكاة آلاف السيناريوهات المختلفة، مع تغيير قوة البرق، وموقع الضربة، ومقاومة الأرض. وقد راعى بشكل خاص ظاهرة تغير سلوك التربة نفسها تحت تأثير الحرارة الشديدة لتيار البرق، حيث تصبح أكثر توصيلاً بطريقة تغفل عنها النماذج القياسية غالسباً. ومن خلال تشغيل عمليات المحاكاة هذه، تمكن من مراقبة كيفية انتقال قمم الجهد عبر المحطة ورؤية المعدات الأكثر عرضة للفشل.

وكشفت عمليات المحاكاة عن واقع صارخ: فبدون دفاع قوي، يمكن لضربة برق شديدة أن تولد قمم جهد تصل إلى 5.5 مليون فولت عند مدخل محطة التحويل، وهو ما يتجاوز بكثير ما صُممت المعدات لتحمله. واختبر الباحث ثلاث استراتيجيات حماية مختلفة لمعرفة أيهما يعمل بشكل أفضل. تضمن الخيار الأول تركيب مانع صواعق واحد فقط، وهو إعداد أدنى أثبت أنه غير كافٍ بشكل خطير؛ ففي هذا السيناريو، ارتفع الجهد في نقاط مختلفة من المحطة إلى مستويات عالية جداً لدرجة أن هامش الأمان انخفض إلى مستوى خطر، مما ترك المعدات عرضة للفشل الفوري. أما الخيار الثاني، الذي استخدم ثلاثة مانعات صواعق، فقد حسن الوضع ولكنه ظل يترك بعض المكونات الحرجة معرضة لمستويات جهد محفوفة بالمخاطر. أما الاستراتيجية الثالثة والأكثر شمولاً، فقد تضمنت تركيب خمسة مانعات صواعق، وُضعت بشكل استراتيجي عند نقاط الدخول وبالقرب من المحولات الرئيسية. وقد نجح هذا التكوين في خفض الجهد إلى مستويات آمنة عبر المنشأة بأكملها، مما ضمن وجود هامش أمان صحي لكل قطعة من المعدات.

وإلى جانب الحفاظ على سلامة المعدات، نظر الباحث أيضاً في التأثير المالي طويل المدى لهذه الخيارات. فقد حسب التكلفة الإجمالية لكل خيار على مدى ثلاثين عاماً، موازناً بين السعر الأولي لشراء وتركيب الأجهزة وبين التكلفة المحتملة للفشل الكارثي. إن فشل محول واحد في هذا النوع من المحطات يمثل ضربة مالية هائلة، تكلف ملايين الدولارات في الإصلاحات وفقدان الطاقة. وأظهر التحليل أنه بينما تطلب نظام الخمس مانعات صواعق استثماراً أولياً أعلى، إلا أنه قلل من خطر الفشل بشكل كبير إلى أقل من نصف بالمائة سنوياً. وعلى مدار ثلاثة عقود، وفر هذا التقليل في المخاطر للمرفق أكثر من 894,000 دولار مقارنة بخطة مانع الصواعق الواحد الأقل فعالية والأرخص ثمناً. كما أكدت الدراسة أن إعداد الخمس مانعات صواعق شارك حمل الطاقة بفعالية كبيرة بحيث لم يتم دفع أي جهاز بمفرده إلى حدوده الحرارية، مما يضمن عدم احتراقها أثناء العاصفة.

وتشير النتائج إلى أنه بالنسبة لمحطات التحويل ذات الجهد العالي، وخاصة تلك الموجودة في مناطق ذات ظروف تربة صعبة، فإن الدفاع الشامل متعدد النقاط ليس مجرد رفاهية بل هو ضرورة. ويظهر البحث أن مجرد محاولة تحسين الاتصال بالأرض ليس كافياً لضمان السلامة؛ إذ إن وضع وعدد مانعات الصواعق لا يقل أهمية عن ذلك. ومن خلال استخدام طريقة تجمع بين محاكاة البرق الواقعية والنظر بعناً في التكاليف طويلة الأجل، توفر الدراسة خارطة طريق واضحة للمهندسين. فهي تظهر أن الاستثمار في نظام حماية أكثر تعقيداً بقليل اليوم يمكن أن يمنع خسائر مالية هائلة غداً، مما يضمن بقاء الأضواء مشتعلة حتى عندما تنفتح السماء بالبرق.