الرنين الحديدي في المحولات المركبة على القواعد: ما يريده مصنعو المحولات المركبة على القواعد من المحددين معرفته

 

بصفتنا شركة مصنِّعة للمحولات المركّبة على القواعد ، نستمر في مواجهة نفس العطل بنفس الترتيب. يتم استبدال الوحدة المُركَّبة على القاعدة لأغراض الصيانة. ويفشل جهاز الحماية من الصواعق المُثبَّت على عمود الارتفاع عند نهاية الكابل. ويستبدل الفريق جهاز الحماية من الصواعق، ثم يُفعِّل الوحدة، لكن الجهاز البديل يفشل مجددًا خلال بضعة أشهر — وأحيانًا خلال بضعة أسابيع فقط. أما المحول نفسه فيظهر نتائج سليمة في كل فحص روتيني. ولا توجد أي مشكلة في البيانات المكتوبة على اللوحة التعريفية. والسبب الحقيقي في تلف جهاز الحماية من الصواعق هو ظاهرة الرنين الحديدي، وهي نادرًا ما تكون ناتجة عن عيب في جهاز الحماية من الصواعق نفسه.

ما هي ظاهرة الرنين الحديدي فعليًّا

 

قلب المحول ليس مُحثًّا خطيًّا. فتحت حالة التشبع، تكون المقاومة التخزينية المغناطيسية له عالية. وعندما يقترب القلب من حالة التشبع، تنخفض تلك المقاومة تدريجيًّا. وإذا وضعتَ مكوِّنًا يتصرَّف بهذه الطريقة في دائرةٍ تحتوي أيضًا على سعة — مثل السعة الغِشائية لكابلٍ مدفونٍ تحت الأرض، أو السعة التصنيفية لمفتاح كهربائي، أو سعة العازل أو مجموعة المكثفات — فقد يؤدي اضطراب التبديل إلى جعل الدائرة تدخل في حالة اهتزاز لا يمكن لأيٍّ من العنصرين إحداثها منفردين.

هذه هي التعريف الكامل، وهي تفسِّر أيضًا السبب في ذلك الرنين الحديدي في المحولات ليس رنينًا منظمًا يمكن حسابه من المعادلة XL = XC. ففي حالة المُحث الخطي، هناك تردد رنين واحد فقط وحالة مستقرة واحدة. أما في حالة القلب القابل للتشبع، فتوجد عدة ترددات رنين، ويمكن للدائرة أن تقفز بينها. ملاحة تقنيات IEEE — الرنين الحديدي (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) يصف أربعة أنماط اهتزاز رئيسية: الرنين الحديدي عند التردد الأساسي، أي تردد التغذية؛ والرنين الحديدي دون التوافقي، عند جزء من تردد التغذية، وأكثر ما يكون ذلك عند ثلث التردد؛ والرنين الحديدي شبه الدوري، الذي يظهر على هيئة موجات غير منتظمة؛ والرنين الحديدي الفوضوي، الذي لا يتكرر نمطه إطلاقاً. ويمكن أن تصل فُتوق الجهد المستمرة في هذه الأنماط إلى خمسة أو ستة أضعاف جهد الخط الاسمي، وهي قيمة تفوق بكثير ما تفترضه تنسيقات العزل في لفات التوزيع بالنسبة للإجهاد المتواصل عند تردد الطاقة.

يمكن لوحدتين متطابقتين تماماً من حيث اللوحات التعريفية أن تتصرفا تصرفاً مختلفاً تماماً. ويعتمد النمط الذي يستقر فيه الدائرة على محاثة الدائرة، وسعتها، ومقدار الجهد، والظروف الابتدائية — أي عملياً يعتمد على اللحظة الدقيقة التي يُغلق فيها المفتاح. ولذلك فإن الدراسة التي تعتمد فقط على القيم الاسمية ستفشل في كشف هذه الظاهرة، كما أن نفس عملية التشغيل قد تمرّ بسلاسة مئة مرة ثم تفشل في المرة المئة والواحدة.

إذا كنت تعمل حاليًّا من خلال مواصفات مُركَّبة على قاعدة، فسيقوم فريق هندستنا بمراجعة الدائرة الأولية معك قبل تثبيت التصنيف. أرسل إلينا المخطط الأحادي الخط وسنشرح لك الشروط الأربعة معًا.

الشروط الأربعة التي يجب أن تتزامن

 

الرنين الحديدي شرطٌ دقيق. فهو يحتاج إلى أربع ظروف تحدث في الوقت نفسه: ثانوية غير محملة، وسعة أولية عالية، وغير متناظرة التبديل أحادي الطور ، وقلب يدخل حالة التشبع عند زيادة طفيفة في الجهد — وهذا بالضبط سبب عدم ظهوره أبدًا في دراسة تدفق الحمل ولماذا يصعب جدًّا إعادة إنتاجه في غرفة الاختبار.

الحالة	لماذا هذا الأمر مهم	المواقع التي يظهر فيها عمليًّا
ثانوية غير محملة أو محملة بشكل خفيف	مقاومة الحمل تُخفِّض الاهتزاز؛ أما الثانوية الفارغة فلا توفر أي تخفيف على الإطلاق	تطوير منطقة سكنية جديدة قبل السكن، وإيقاف تشغيل المصنع موسميًّا، ووحدة محفوظة كاحتياطي
سعة أولية عالية	سعة الغلاف العازل للكابل لكل وحدة طول أعلى بكثير من سعة خط التغذية العلوي	كابل تغذية تحت أرضي طويل، وكابل صاعد، وغرفة شبكة كهربائية، وخدمة صناعية مزودة بالطاقة عبر الكابلات
التشغيل غير المتماثل	يترك طورًا واحدًا أو طورين معزولين، لكنهما ما زالا مترابطين عَرَضيًّا مع المصدر عبر السعة	قواطع أحادية الطور، و퓨زة واحدة محترقة، ومُعادو تشغيل أحادي القطب، وتشغيل موصلات نوع الإلبو (Elbow)
قلب يشبع عند زيادة جهد طفيفة نسبيًّا	تنخفض الحثية المغناطيسية للقلب فجأة، مما يسمح للدارة بالقفز بين نقاط التشغيل المختلفة	قلوب حديثة منخفضة الفقد وتصاميم تعمل عند كثافة تدفق مغناطيسي أعلى

 

إذا أُزيل أيٌّ من هذه العناصر الأربعة، فإن الظاهرة لا تبدأ عادةً. وهذه ميزة مفيدة، لأنها تعني أن هناك أربعة مواضع منفصلة يمكن تصميمها بحيث تختفي الظاهرة — وأبسطها من حيث التكلفة هو في الغالب ترتيب التشغيل. كما أنه النقطة التي يجب أن ينتقل عندها الحوار من مرحلة تقديم عرض أسعار إلى مرحلة الاختيار، وهو أول ما شركة مصنِّعة للمحولات المركّبة على القواعد يجب أن يثيره معك.

ما الذي يفعله بالوحدة قبل أن يلاحظه أي شخص

 

أول عطل تلاحظه الطاقم يكون عادةً في مانع الارتفاع المفاجئ ، وليس داخل الخزّان. مانع الصواعق المعدني-الكسيدي هو مقاوم لا يصبح موصلًا إلا عند جهدٍ أعلى من الجهد المُصنَّف له. ويؤدي ارتفاع الجهد الاستقراري الناتج عن ظاهرة التآثر الحديدي إلى بقائه في حالة التوصيل، وتحويل التذبذب إلى حرارة داخل كتلة سيراميك صُمِّمت لتحمل نبضاتٍ مدتها ميكروثانية ضمن دورة تشغيل محددة. وتوضح بيانات إيتن المرجعية حول حماية المحولات المركبة على القواعد من ارتفاع الجهد الحد الأقصى بصراحة: إن مانعات الصواعق تقلل من ارتفاع الجهد لكنها لا تقضي عليه تمامًا، وكلما زادت دورة التشغيل لمانع الصواعق، زادت كمية المادة الموصلة الموجودة فيه، وازدادت المدة التي يصمد فيها أمام ارتفاع الجهد قبل أن يفشل. فمانع الصواعق ذي القدرة المنخفضة والمخصص لتوزيع الطاقة، والذي يكون مناسبًا تمامًا للبرق، لا يُصمَّم لتحمل طاقة تردد الشبكة الكهربائية لمدة دقائق. بيانات إيتن المرجعية TC202005EN — حماية المحولات المركبة على القواعد من ارتفاع الجهد (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

وراء المانع، يكون التلف أهدأ وأصعب اكتشافه في الاختبار الروتيني. وتظهر سطوح العوازل آثار تآكل حيث وقع القوس الكهربائي. وتنفذ العزلة اللفية عند النقطة التي تبلغ فيها التذبذبات ذروتها، وقد يكون هذا التنفذ صغيرًا جدًّا لدرجة أن اختبار نسبة اللفات لا يزال يُعطي نتيجة طبيعية. ويصبح القلب ساخنًا لأن الانحراف المغناطيسي يفوق التصميم بكثير، والحرارة هي ما يقصر عمر العزلة.

وهناك أيضًا عَرَضٌ غير كهربائي على الإطلاق. فوحدةٌ تمرّ بظاهرة الرنين الحديدي غالبًا ما تُصدر همهمةً أو رنّةً منخفضة التردد تختلف في صوتها عن الهَمْهَمَة الطبيعية الناتجة عن الانكماش المغناطيسي — فهي غير منتظمة، وغير متسقة، وقويةٌ بما يكفي ليلاحظها الطاقم قبل أن تعمل أي حماية تلقائية. فاعتبرها إشارةً تحذيريةً، لا مجرد إزعاج.

 

التبديل أحادي الطور هو المُحفِّز الذي يمكن التحكم فيه

 

من بين الشروط الأربعة، يُعد التبديل غير المتماثل الشرط الوحيد الذي يمكن للمُحدِّد إزالته عبر بندٍ واحدٍ فقط في المواصفات. التبديل أحادي الطور لبنك محولات ثلاثي الطور — سواءً عبر قواطع انفصال أو صهرة واحدة محترقة أو نظام إعادة إغلاق أحادي القطب — يؤدي إلى بقاء جزء من البنك مشحونًا جزئيًّا ومُقترنًا سعويًّا بالمصدر، وهو ما يشكِّل المُحفِّز الكلاسيكي في أنظمة التوزيع المغذَّاة بالكابلات.

معيار آي-تريبل-إي رقم C57.105-2019، وهو الدليل الخاص بتطبيق توصيلات المحولات في الأنظمة الكهربائية ثلاثية الطور، يعامل هذه التفاعلات بين التوصيلات والتبديلات كعاملٍ تصميميٍّ بدلًا من كونها حادثة عرضية: معيار آي-تريبل-إي رقم C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . ويوجد هذا المعيار تحديدًا لأن التفاعل بين توصيلة المحول والدائرة المحيطة بها هو ما يقرِّر ما إذا كان النظام يعمل كما هو مطلوب أم لا.

ما ينجح في الميدان لا يكون جذّابًا. شغّل الأطوار الثلاثة معًا باستخدام جهاز يعمل بذراع مشتركة بدلًا من قواطع أحادية الطور في كل مكان تسمح فيه التكوينة. وعندما تكون الأجهزة أحادية الطور ضرورية لا مفر منها، اترك حملًا مقاوميًّا دائمًا صغيرًا على الطرف الثانوي أثناء التشغيل، كي يُمكِن للاهتزاز أن يتبَدَّد فيه. ويأتي بعد ذلك طبقة إضافية تتمثل في مقاومة تخفيف الاهتزاز أو دائرة قمع الرنين الحديدي الموضوعة عبر اللفّة، و مانع الارتفاع المفاجئ اختيار مانع الصواعق لتحمل فرط الجهد المؤقت بدلًا من الصواعق فقط هو الإجراء الأخير.

لا يتطلّب أيٌّ من هذا أجهزةً متخصصة نادرة. بل يتطلّب تحديد خطة التشغيل ودورة عمل مانعات الصواعق في الوقت نفسه الذي يُقرَّر فيه تصنيف المحول، وليس بعد سحب الكابل بالفعل.

خمسة عناصر يجب تضمينها في طلب العروض الفنية (RFQ)

 

اتصال اللفّات وتأريضها. اذكر ما إذا كان القبول ممكنًا لطرف أولي على شكل نجمة مؤرضة. أما الترتيب ذي الطرف الأولي على شكل دلتا غير مؤرضة على تمديد كابل طويل فهو أكثر الترتيبات خطورةً على الإطلاق، ويغيّر الجوابُ كاملَ صورة فرط الجهد.

نوع الجهاز الرئيسي للتبديل. مفتاح تحميل ثلاثي الطور يعمل بالتناسق، أو مفتاح إغلاق تلقائي ثلاثي الطور، أو قواطع أحادية الطور. وإذا كانت الأجهزة أحادية الطور لا مفر منها، فيجب توضيح ذلك، لأن ذلك يؤثر على مانع الارتفاع المفاجئ اختيار.

فئة المانعات، ودورة التشغيل، والجهد التشغيلي الأقصى المستمر (MCOV)، وقدرة التحمل أمام فرط الجهد المؤقت. عبارة «المانعات مشمولة» ليست مواصفةً تقنيةً كافية. اطلب من المورد أن يُحدِّد حجم المانعات وفقاً لقدرتها على تحمل فرط الجهد المؤقت، وليس فقط الصواعق.

جدول الكابلات. مقاس الموصل، وطوله، ونوع عزله لكل قطاعة أولية. والسعة التوصيلية للغلاف تشكّل النصف الآخر من الدائرة الرنينية، وهي غير ظاهرة في جدول البيانات القياسي المطبوع على اللوحة التعريفية.

التخميد الثانوي. ما إذا كان سيتم ترك حمل دائم صغير أو مقاومة تخميد على الجانب الثانوي أثناء التشغيل، وما النسبة المئوية من التصنيف التي تمثّلها هذه المقاومة.

أسئلة يطرحها مصنع محولات التوزيع المُركَّبة في قواعد خرسانية قبل طلبك

 

في أي مشروع تتسم فيه الكابلات الأولية بطول كبير، فإن أول وثيقة نطلبها ليست جدول البيانات الفنية. بل هي الرسم البياني أحادي الخط مع أطوال الكابلات وترتيب التشغيل، لأن هذين العنصرين يقرران ما إذا كانت مخاطر الجهد الزائد ضئيلة أم حقيقية. شركة مصنِّعة للمحولات المركّبة على القواعد من يقدّم عرض سعر استنادًا فقط إلى قائمة المحولات، فهو يقدم سعر وحدة وليس حلًّا.

تخضع كل وحدة لسلسلة اختبارات روتينية، ويتم تسجيل فقدان الطاقة عند حالة عدم التحميل والتيار المغنطيسي أثناء هذه الاختبارات. وهذان الرقمان يُستخدمان كمدخلات تحوّل سؤال الرنين الحديدي من رأيٍ إلى حساب دقيق، وسنزوّد مهندس الاستشارات الخاص بك بهما قبل الشحن عند الطلب.

أنتجت شركة ريان إلكترك محولات التوزيع والطاقة منذ عام ٢٠٠٧، من قاعدة تصنيع تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، وتضم أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار و٣٧ براءة اختراع. ومنذ عام ٢٠٢٣، تعمل الشركة كشريك رسمي في مشروع مشترك مع شركة إيتن، وهذه إحدى الأسباب التي تدفعنا إلى اعتبار تنسيق المانعات والقواطع جزءًا من نطاق عمل المحول بدلًا من اعتباره مشكلة تخص طرفًا آخر.

إن النمط الذي نلاحظه مرارًا وتكرارًا في مشاريع التقسيمات السكنية في أمريكا الشمالية هو وحدة ثلاثية الطور صغيرة — تتراوح سعتها بين ٧٥ كيلوفولت أمبير و٥٠٠ كيلوفولت أمبير — تُركَّب في نهاية خط فرعي تحت أرضي طويل، وتُغذَّى عبر قواطع أحادية الطور، وتخدم حملًا لن يظهر فعليًّا قبل مرور سنة. وجميع الظروف المذكورة في القائمة تحدث معًا في الموقع نفسه، بينما يظل الموقع غير محملٍ لأشهر عديدة. وعندما ينتقل مُحدِّد المواصفات إلى استخدام قاطع يعمل بشكل جماعي ويترك حملًا مقاوميًّا صغيرًا على الجانب الثانوي أثناء مرحلة التشغيل الأولي، تتوقف حالات فشل المانعات.

إذا كنت تحدد وحدات مُركَّبة على قواعد في نظام يُغذَّى بالكابلات، فرجاءً أرسل إلينا المخطط الأحادي الخط والمخطَّط الزمني للكابلات قبل تقديم الطلب. وسنقوم بمراجعة ترتيب التشغيل، ومواصفات مانع الصواعق، والتخميد الثانوي بالنسبة إلى دائرتك الفعلية، وسنبين لك أيَّ الشرطين الأربعة تنطبق عليك — وأيها قد صمَّمته مسبقًا بحيث لا ينطبق عليك. وهذه هي المحادثة التي يجب أن تجريها معك شركة «ريان إلكتريك» قبل تقديم الطلب، وليس بعد فشل أول مانع صواعق. شركة مصنِّعة للمحولات المركّبة على القواعد يجب أن تجريها شركة «ريان إلكتريك» معك قبل تقديم الطلب، وليس بعد فشل أول مانع صواعق.

حول المؤلف

أعدَّ هذه المقالة فريق هندسة المحولات في شركة ريان إلكتريك. وتُصمِّم شركة ريان إلكتريك (ريان إلكتريك جيانغسو المحدودة) وتصنع محولات جافة من نوع الراتنج المصبوب ومحولات جافة من نوع التشرب بالورنيش الفراغي (VPI)، ومحولات غامقة في الزيت، ووحدات مُركَّبة على قواعد، في قاعدتها التصنيعية التي تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، لخدمة مشاريع مراكز البيانات والصناعات والمرافق العامة والبنية التحتية في أمريكا الشمالية وجنوب شرق آسيا والشرق الأوسط وأفريقيا.