شرح محولات المحطات الفرعية المتنقلة: التصنيفات وحدود النقل والاستجابة للعواصف

شرح محولات المحطات الفرعية المتنقلة: التصنيفات وحدود النقل والاستجابة للعواصف

 

موجة عاصفة تجتاح ساحة جهد ١٣٨ كيلوفولت. محول نقل تم اقتباس سعره خلال أربعة عشر شهرًا. بلدة تعمل بالكامل على مولدات ديزل. وعندما تحدث هذه الأمور الثلاثة في نفس الأسبوع، يتوقف مخططو شركات المرافق عن التفكير في شراء محول أكبر، ويبدأون بطرح سؤالٍ أصعب: ما المعدات التي يمكننا إدخالها إلى الموقع وتشغيلها فورًا؟ وتُعتبر هذه المهمة من مسؤولية محوّل المحطة الفرعية المتنقّلة ، والقيود التي تحدد إمكانية عمله لا علاقة لها تقريبًا بالرقم المذكور على لوحة الاسم.

معظم هذه القيود تقع في مكانٍ لا ينظر إليه المهندسون الكهربائيون عادةً: الطريق السريع.

 

 

 

ما هو المحول الفرعي المتنقّل فعليًّا؟

 

يصف عرض تقني صادر عن جمعية الطاقة والطاقة الكهربائية التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) هذا المعدات بالطريقة التي يصفها بها الطواقم الميدانية: أي محطة فرعية مركّبة على عجلات. ويحمل مقطورة واحدة المحول مع معدات التبريد الخاصة به، ووسائل حماية الدوائر عند الجهدين العالي والمنخفض، وأجهزة القياس، وأنظمة الحماية بالريلاي، والمصادر المساعدة للتيار المتناوب والتيار المستمر، وحماية الاندفاعات الكهربائية، وكل هذه المكونات تكون موصولة ومفحوصة وجاهزة للتوصيل.

توجد تكوينان، ويخلط المشترون بينهما باستمرار. وتحتوي الحزمة الكاملة على مفتاح الجهد العالي في نفس المقطورة. محوّل المحطة الفرعية المتنقّلة أما المحول المتنقّل وحده فيحمل المحول فقط، بينما توضع معدات الجهد العالي في مقطورة ثانية — وهذه هي الطريقة التي تتبعها معظم المشاريع عندما يجب أن يبقى تصنيف الميجا فولت أمبير مرتفعًا، لكن الحيز المتاح على الطريق لا يسمح بإضافة المعدات الإضافية. وتتيح هذه الخيار الثاني زيادة السعة، لكنه يتطلب سحب مقطورة إضافية ووقت تركيب أطول.

وبغض النظر عن التكوين، تظهر نفس المجموعات الخمس دائمًا: قسم الجهد العالي، والمحول مع نظام تبريدِه، وقسم الجهد المنخفض، وخزينة التحكم والحماية مع مصدر التغذية المساعد، ومقطورة مصممة خصيصًا لاستيعاب هذه المكونات الأربعة الأولى.

 

المواصفة التي تحدد حدود الوحدة المتنقّلة هي الوزن، وليس تصنيف الميجا فولت أمبير

 

هذا هو الجزء الذي يغفله معظم المشترين. وتُصنَّف المحطات الفرعية المتنقِّلة عمومًا بسعة ٦٠ ميغا فولت أمبير أو أقل — ليس بسبب حدود العزل، بل بسبب القيود المفروضة على الطرق. ويوضح مادة معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE PES) السبب مباشرةً: إن تركيبات السعة بالميغا فولت أمبير والجهد تقتصر على وزن وحجم وحدة النقل.

في الولايات المتحدة، تحدد القوانين الاتحادية الحد الأقصى لوزن المحور الواحد بـ٢٠٠٠٠ رطل، وللمحور المزدوج بـ٣٤٠٠٠ رطل، ولوزن المركبة الإجمالي بـ٨٠٠٠٠ رطل على شبكة الطرق السريعة بين الولايات، كما قد تخفض صيغة الجسور هذه الأرقام أكثر اعتمادًا على المسافة بين المحاور. وتنشر هذه القواعد في صفحة أوزان صيغة الجسور التابعة لإدارة الطرق الفيدرالية (FHWA) . والآن جرّب وضع محول طاقة بجهد ١٣٨ كيلوفولت على مقطورة والبقاء ضمن هذه الحدود. ويُعد المحول أكبر عنصر وأثقله وأكثره تكلفةً في الوحدة، ولذلك فإن تصميم محول مركَّب على مقطورة من هذه الفئة يبدأ من ميزانية وزن محددة بدلًا من رسم ملفات اللف.

كما أن الارتفاع والعرض يُشكّلان قيدًا أيضًا. فوحدة النقل المتنقّلة القياسية تُصنع بعرضٍ يبلغ نحو ٨ أقدام و٦ بوصات وارتفاعٍ يبلغ ١٣ قدمًا و٦ بوصات. وإذا تجاوزت هذه الأبعاد، تدخل الوحدة في نطاق التصاريح الخاصة بالحمولات الزائدة عن الحجم والوزن — ما يستلزم إجراء مسوحات للطرق، وتوفير مرافقة أثناء النقل، وتحديد فترات زمنية مقيدة للسفر. وهذه بالضبط الإجراءات الإدارية التي تحاول شركة المرافق تجنّبها خلال استعادة الطاقة في حالات الطوارئ .

 

المعلَّمة	محوّل المحطة الفرعية التقليدي	محوّل المحطة الفرعية المتنقّلة
نطاق التصنيف	٨٣٣ كيلوفولت أمبير أحادي الطور فأكثر	عادةً ٦٠ ميغافولت أمبير أو أقل، ومقيّدٌ بالنقل
القيد الحاسم	العزل، والتحمل الحراري، والقدرة على تحمل الدوائر القصيرة	الحمولة على المحور، والوزن الإجمالي للمركبة، وأبعاد المركبة بالنسبة للطريق
النسبة المئوية للمقاومة	قيم المعيار الأمريكي الوطني (ANSI) والمعهد الأمريكي لمهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)	عادةً ما تكون حوالي ضعف القيم القياسية
التبريد	تبريد بالهواء الطبيعي أو بالهواء المُجبر، ثابت	تبريد بالزيت المُجبر مع المضخّات والمراوح المشغَّلة أثناء التشغيل
ارتفاع درجة حرارة اللف	٥٥ درجة مئوية أو ٦٥ درجة مئوية عادةً	٩٥ درجة مئوية مع عزل هجين من مادة نومكس لتقليل الوزن
الدعامات	الارتفاع القياسي، إما تبريد بالهواء أو بالزيت	مُركَّب في القاعدة؛ بوليمر حيث يهم الوزن
الفقد والضوضاء	تم تقييمها وتحسينها	الخسائر التي لا تُقيَّم عادةً؛ الصوت القياسي وفقًا لمعايير رابطة مهندسي الكهرباء الوطنية (NEMA)
التبديل عالي الجهد	هيكل المرآب الثابت	نفس المقطورة، أو مقطورة ثانية عند قدرة كهربائية عالية جدًّا (MVA)

 

 

خمسة خيارات فنية تحدد ما إذا كانت الوحدة ستعمل أم لا

 

المعيار القياسي الذي يشير إليه معظم المشترين للمحولات الكهربائية المغمورة بالسوائل، أي معيار معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) C57.12.10، يستثني صراحةً المحولات المتنقلة من نطاق تطبيقه، لأن صفحة معايير معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) توضح ذلك. وبالتالي، لا يمكن لم specification متنقِّلة أن تتبنَّى افتراضات التصميم الخاصة بوحدة محطة فرعية ثابتة. وتشكِّل خمسة قرارات الجزء الأكبر من المخاطر.

• المقاومة التحتية (الإعاقة). عادةً ما تعمل الوحدات المتنقلة بنسبة مقاومة تحتية (impedance) تساوي ضعف النسبة القياسية وفق معايير المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) لنفس القدرة الاسمية، مما يؤثر على تنظيم الجهد وتوزيع الحمل في حال تشغيل الوحدة بالتوازي مع محولٍ موجودٍ مسبقًا.
• التبريد. نظام التبريد بالهواء المفتوح (ODAF)، مع تشغيل المضخات والمراوح كلما كان المحول مشغّلاً. وبغياب تشغيل وحدات التبريد، لا يمكن للمحول حمل أي حمل على الإطلاق. وقد صُمّمت فيه ميزة التكرار: فعند خروج إحدى المضخات عن الخدمة، تظل مجموعة المبردات المصممة بشكل سليم قادرة على حمل ما يقارب ٧٠٪ من الحمل المقنن إلى أجل غير مسمى.
• ارتفاع درجة الحرارة. ارتفاع درجة حرارة لفائف المحول إلى ٩٥ درجة مئوية باستخدام نظام عزل هجين مُحسَّن من مادة نومكس يقلل الوزن والحجم دون التنازل عن العمر الافتراضي المتوقع.
• مستوى العزل. تخفيض مستوى العزل عند الجهد العالي (BIL) يُعدُّ أحد أكبر عوامل توفير الوزن. أما مستوى العزل عند الجهد المنخفض (BIL) فيُحافظ عليه عادةً عند أقصى قيمة له — حتى ٢٥ كيلوفولت و١٥٠ كيلوفولت على التوالي.
• تنظيم الجهد. تغيير التوصيلات تحت الحمل من جهة الجهد المنخفض (LV-side LTC)، وعادةً ما يكون المدى ±١٠٪ على ٣٢ خطوة (±١٦ خطوة). وتبدو إمكانية توفير عدة مستويات جهد منخفض مرنةً على الورق، لكنها تتطلب عند التطبيق عملياً تركيب محول تسلسلي لتغطية جميع المستويات — وهذا المحول التسلسلي يعيد إضافة الوزن والحجم مباشرةً إلى المقطورة.

يتكرر النمط. فكل خيار يضيف مرونة كهربائيةً يُكلّف كيلوغراماتٍ إضافية، والكيلوغرامات هي البند الوحيد الذي يخضع لسقف قانوني صارم. أما التصاميم التي تتجاهل هذه الحقيقة فهي تنتهي بمشاريع تتطلب شاحنتين جرّاً، سواء أكان المشتري قد خطط لذلك أم لا. وثَّقت نفس القوانين الفيزيائية في عرض معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE PES) المحطة الفرعية المتنقلة الذي يستعرض وحدتين حقيقيتين سعة كل منهما ٤٠ ميغا فولت أمبير و٤٥ ميغا فولت أمبير، مع تحليل المقايضات المتعلقة بالوزن وراء كل منهما.

 

المجالات التي تبرر جدوى الوحدة المتنقلة

 

الاستجابة للعواصف والفيضانات — استعادة الطاقة في حالات الطوارئ وبعبارة تتوافق مع وثائق الشراء الصادرة عن شركات التوزيع عادةً — هي الاستخدام الذي يقنع الإدارة الداخلية باعتماد الفكرة. أما الأعمال المخططة فهي تُحقِّق عائدًا هادئًا لكنه مؤكَّد: إذ تسمح وحدةٌ ما بتجاوز محولٍ أثناء برنامج صيانةٍ ما، مما يحافظ على تغذية العملاء خلال تنفيذ تلك الأعمال، وبالتالي يلغي التكلفة السياسية الناجمة عن انقطاع مجدول.

• تجاوز المحول أثناء برامج الصيانة أو الفحص أو الاختبارات المخططة
• الاستبدال الطارئ بعد فشل محولٍ أو لوحة توزيع
• توفير طاقة مؤقتة أثناء تصميم وبناء محطة فرعية دائمة
• خدمة ذات قدرة فائضة خلال الذروة الموسمية أو عند تشغيل المصنع
• تزويد رئيسي للمناطق المعزولة ومواقع البناء النائية
• احتياطي في المناطق المعرَّضة لخطر الزلازل أو الفيضانات أو النزاعات التي تهدِّد البنية التحتية الثابتة
• إزالة الجليد عن خطوط النقل الكهربائي عالي الجهد في المناطق شديدة البرودة

المنطق التجاري ليس معقَّدًا. أ محوّل المحطة الفرعية المتنقّلة الوحدة التي تبقى واقفة دون استخدام لمدة أحد عشر شهرًا ثم تُعاد إلى الخدمة خلال يومٍ واحدٍ تكون قد غطَّت تكاليفها بالكامل، لأن البديل هو إعادة بناء محطة فرعية يستغرق تنفيذها سنوات.

 

التفاصيل الميدانية التي يكتشف معظم المشترين أهميتها متأخِّرًا جدًّا

 

طلبت شركة خدمات كهربائية في منطقة ساحل الخليج منَّا تقديم عرض سعر لوحدة جهد ١٣٨ كيلوفولت محمولة على مقطورة واحدة. بلغ طول المواصفات ثلاثين صفحةً وورد ذكر الطريق السريع فيها مرةً واحدةً فقط. وأول ما قام به فريق التصميم لدينا لم يكن اختيار القلب المغناطيسي — بل كان حساب حمولة النقل. فتوزيع الوزن يقرِّر مكان وضع المحول على سطح المقطورة، وهذا القرار يُقيِّد كل الرسومات الهندسية اللاحقة.

أعادت المحادثة ترتيب المشروع. ووُضعت أعداد المحاور والمسافات بينها على الرسم البياني قبل لفّ الملفوف. وانتهى تصميم المقطورة إلى احتوائها على محاور قابلة للتوجيه، ونظام تعليق هوائي، ومستوى هيدروليكي، بالإضافة إلى كتل تثبيت (تشوك بلوكس) لضمان ثبات الوحدة بعد فصل الجرار عنها. ودخل جرار العميل ضمن نطاق عملنا أيضًا، لأن المقطورة والجرار معًا يجب أن يلتزما بأنظمة الطرق السريعة في الولايات والمقاطعات التي ستُستخدم فيها الوحدة.

يبدأ كل عرض أسعار متنقّل نُعدّه الآن بثلاثة أسئلة: ما الجهد الابتدائي والقدرة بالـMVA اللذان يجب أن تحمِلهما الوحدة؟ وأي الولايات والطرق ستسير فيها؟ ومن يملك الجرار؟ وكَم عدد جهود الجانب المنخفض المطلوبة فعليًّا في الموقع؟ لأن كل جهد إضافي قد يستدعي تركيب محول تسلسلي على سطح الوحدة.

 

 

 

كيف تتبع شركة ريان إلكترك نهجها في المشاريع المتنقّلة

 

أَسَّسَتْ شَرِكَةُ رَايَان إِلِكْتْرِكْ المُحَوِّلاتِ ابْتِدَاءً مِنْ عَامِ ٢٠٠٧، وَعَمِلَتْ كَشَرِيكٍ رَسْمِيٍّ فِي شَرِكَةٍ مُشْتَرَكَةٍ مَعَ إِيتُونْ ابْتِدَاءً مِنْ عَامِ ٢٠٢٣. وَتَشْغِلُ المَصْنَعَ الَّذِي تَبْلُغُ مَسَاحَتُهُ ١٢٠٠٠٠ مِتْرًا مُرَبَّعًا، وَيَحْتَوِي عَلَى أَكْثَرَ مِنْ ١٨٠ جِهَازَ تَصْنِيعٍ وَفَحْصٍ، وَ٣٧ بَرَاءَةَ اخْتِرَاعٍ، وَنُنْتِجُ وَحَدَاتٍ مَغْمُورَةٍ بِالسَّائِلِ وَوَحَدَاتٍ جَافَّةَ النَّوْعِ. وَيَظْهَرُ نَفْسُ مَنْطِقِ الوَزْنِ فِي سَلْسِلَةِ إِنْتَاجِنَا لِشَمَالِ أَمْرِيكَا، محول مثبت على الوسادة حَيْثُ يُحَدِّدُ بَضْعَةُ مِئَاتٍ مِنَ الكِيلُوجْرَامَاتِ مَا إِنْ كَانَ التَّصْمِيمُ يُشَحَنُ بِالطَّرِيقَةِ القِيَاسِيَّةِ أَمْ يَحْتَاجُ إِلَى رَافِعَةٍ فِي مَكَانِ التَّسْلِيمِ. وَتَشْمَلُ الشَّهَادَاتُ المُرَخَّصَةُ: يو إل (UL)، وَسِ إس إيه (CSA)، وَآي إي إي إي (IEEE)، وَدِيكْرَا (DEKRA)، وَسِ إن إيه إس (CNAS)، وَسِ إي (CE)، وَيَصْدُرُ كُلُّ وَحْدَةٍ مَعَ بَيَانَاتِ الفَحْصِ الدَّوْرِيِّ — كَمَا يَشْمَلُ ذَلِكَ النِّسْبَةَ، وَمُقَاوَمَةَ اللَّفَاتِ، وَالمُقَاوَمَةَ الكَهْرُبَائِيَّةَ، وَالفَقْدَ فِي الحَالَةِ الخَالِيَةِ، وَالفَقْدَ فِي الحَالَةِ المُحَمَّلَةِ، وَفَحْصَ العَازِلِ.

وَفِي المَشَارِيعِ المُتَحَرِّكَةِ، يَبْدَأُ مُهَنْدِسُونَا مِنْ حَجْمِ المَرْكَبَةِ المُتَوَافِقِ مَعَ شُرُوطِ النَّقْلِ وَيَتَقَدَّمُونَ دَاخِلِيًّا: وَزْنُ المَرْكَبَةِ، وَالبُعْدُ بَيْنَ المَحُورَيْنِ، وَالقُيُودُ المَفْرُوضَةُ عَلَى الطُّرُقِ، ثُمَّ المَقَادِيرُ الكَهْرُبَائِيَّةُ. فَإِنْ كَانَتْ طَرِيقُكَ تَمْنَعُ نَقْلَ وَحْدَةٍ فِي مَرْكَبَةٍ وَاحِدَةٍ، فَنُفَضِّلُ أَنْ نُعْلِمَكَ قَبْلَ أَنْ نُقَدِّمَ لَكَ مَقْدَارًا لا يُمْكِنُ نَقْلُهُ قَانُونِيًّا. محول مركَّب على مقطورة ليست وحدة قياسية تُركَب على مقطورة مسطحة؛ بل تم تصميم المقطورة والمحوِّل معًا منذ أول رسم تخطيطي. وهذه هي نفس المنهجية التي نطبّقها على محول مثبت على الوسادة وحدة مُصنَّعة وفق غلافٍ معيَّن، ومسافات تهوية محددة، ومعايير حجرة التوزيع.

 

التخطيط قبل موسم العواصف القادم

 

تطلب شركات التوزيع الوحدات المتنقِّلة بعد أن تكون قد عاشت بالفعل أسبوعًا صعبًا، ولذلك فإن فترة التوريد لا تسمح لأحدٍ بالانتظار حتى وصول العاصفة. فإذا كنت تقيِّم وحدةً ما، فأرسل إلينا جهدي التغذية والجهد الثانوي، والقدرة الظاهرة (MVA) التي يجب أن تحمِلها، وتوصيلات الجانب المنخفض، والولايات التي ستتنقَّل فيها الوحدة. وسنردُّ عليك بميزانية الوزن، وترتيب المقطورة، ووثائق الاختبار التي يمكنك تسليمها مباشرةً لمخططي شبكات النقل لديك. أما فريقنا المختص بمحوِّلات الطاقة فريق محوِّلات الطاقة فيمكنك التواصل معه عبر صفحتنا الخاصة بالتواصل .

عن المؤلف: كَتَبَ هذِهِ المقالَةَ فَريقُ الهَندَسَةِ في رايان إلكتريك، وَهِيَ شَريكٌ فِي مَشْرُوعٍ مَشْتَرَكٍ مَعَ إيتُنْ وَمُصَنِّعٌ مُؤَهَّلٌ لِلتَّحَوُّلِاتِ حَسَبَ معاييرْ يو إلْ وَسي إس إيهْ في جِيانغسو، الصين، وَيَخْدِمُ عُمَّالَ الشَّبَكَةِ الكهربائيةِ وَمَرَاكِزِ البَيَانَاتِ وَالقِطَاعِ الصِّنَاعِيِّ فِي أَمْرِيكَا الشَّمَالِيَّةِ وَالشَّرْقِ الأَوْسَطِ وَجَنُوبِ شَرْقِ آسِيَا وَأَفْرِيقِيَا.