محوّل تهوية الأنفاق: تحديد الوحدات لأنفاق الطرق والنقل تحت الأرضي

إن فشل المعدات في نفق طريق لا يبدأ تقريبًا أبدًا في دائرة الإضاءة، بل يبدأ في المراوح. ووصف لنا مهندس التشغيل التسلسل بكلمات بسيطة: تبدأ مجموعة المراوح النفاثة الأولى بسلاسة، وتكون المجموعة الثانية سليمة أيضًا، أما عند تشغيل المجموعة الثالثة فينخفض جهد حافلة ٤٨٠ فولت، فيُفعَّل جهاز الحماية في المحرك بسبب انخفاض الجهد، وتنخفض كفاءة التهوية إلى وضع العطل حتى قبل أن يبدأ اختبار الدخان. إن محوّل تهوية الأنفاق تم تحديد سعة المحوّل استنادًا إلى قائمة الأحمال. ولم يقم أحدٌ بنمذجة عملية التشغيل الأولي.

هذه هي النقطة المحرجة في طاقة الأنفاق. ففي معظم الأوقات، يكون الحمل معتدلاً — بضعة مئات من الكيلوواط للإضاءة، وعدد قليل من المراوح، وبعض المضخات. أما لبضع ثوانٍ، عدة مرات في اليوم، فلا يكون هذا الحمل معتدلاً على الإطلاق. والوحدة نفسها التي تمرّ بتشغيل محرك يجب أن تتحمل أيضاً توافقيات محولات التردد المتغير المحركات الخاصة بالتهوية وأن تستمر في العمل بينما تشتعل النار على بعد أمتار قليلة.

 

ما الذي يحمّل محطة التحويل الخاصة بالنفق فعلياً؟

النفق هو مصنع صناعي صغير ممتد على امتداد كيلومتر من الخرسانة. ويُهيمن التهوية على الحمل الكهربائي، لكنها ليست الوحيدة، كما أن سلوك الأحمال المختلفة لا يتشابه إطلاقاً. وهنا بالضبط، عند الموافقة على رقم واحد فقط بوحدة الكيلوفولت أمبير دون فصل هذه الأحمال عن بعضها، تنشأ غالبية الأخطاء في المواصفات.

تحميل	النطاق النموذجي	الواجب	كيف يؤثر ذلك على تحديد الأبعاد
مروحة النفاثة (محورية، مغذّاة بالمحرك)	٢٢–٢٥٠ كيلوواط	بدء/إيقاف متدرج، بمئات الدورات سنوياً	تيار الحصر وانخفاض الجهد على حافلة الجهد المنخفض
مروحة تهوية النفق	٢٠٠–١٠٠٠ كيلوواط	مستمر، قابل للانعكاس لاستخراج الدخان	أكبر محرك وحيد؛ ويُحدِّد عادةً الحد الأدنى للاختيار
مشغِّلات وضوابط سدادات الدخان	أقل من ١٠ كيلوواط	للطوارئ فقط، ويجب أن يحتفظ بالموضع	حمل صغير، لكنه يشترك في نفس لوحة التوزيع ودائرة الـ UPS
إضاءة الأنفاق والطوارئ بالليد	٣٠–٣٥٠ كيلوواط	مستمر، بقدرة تشغيل ١٠٠٪	غني بالتوافقيات؛ يرفع تيار المحايد
مضخات بئر الصرف	15-110 kW	تشغيل متقطع، بيئة رطبة	البدء ضد عمود مائي؛ خطر تسرب الرطوبة
تهوية المحطة الفرعية ومجففات الهواء	10-60 kW	مستمر	يرفع درجة الحرارة المحيطة للمحولة
SCADA، CCTV، اللافتات	أقل من 20 kW	مستمر	متطلبات القدرة على الاستمرار في التشغيل أثناء حدوث حريق

تُعامل الإرشادات التصميمية هذه بالفعل كمجالات تخصصية منفصلة. إن إرشادات إدارة الطرق السريعة الفيدرالية لتصميم الأنفاق (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfmتخصّص أقسامًا منفصلةً للتهوية والإضاءة وتدابير مكافحة الحرائق والتصميم المقاوم للزلازل — لكن جميعها تُحمَّل على جدول حمل واحد، وعادةً ما يتعيّن على محول كهربائي واحد أن يحمل النتيجة الإجمالية.

 

بدء تشغيل المحركات يُحدّد الحد الأدنى للقدرة المطلوبة، وليس الحمل أثناء التشغيل العادي

الحمل أثناء التشغيل العادي هو الرقم الأسهل. اجمع قدرات المراوح والإضاءة والمضخات، وطبّق عامل التنوّع، فستبدو وحدة سعة ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير وافرةً مقارنةً بأنفاق سعتها ٩٠٠ كيلوفولت أمبير. ثم انظر إلى متطلبات بدء التشغيل.

يستهلك محرك حثي قياسي من تصميم نِيما (NEMA) من النوع باء (Design B) تيارًا يبلغ نحو ستة أضعاف التيار عند الحمل الكامل أثناء التشغيل المباشر على الشبكة. فعلى سبيل المثال، محرك مروحة جت بقدرة ٢٥٠ كيلوواط وفولتية ٤٨٠ فولت: يبلغ تيار الحمل الكامل حوالي ٣٠٠ أمبير، وبالتالي يكون تيار الحركة المقفلة (Locked-Rotor Current) نحو ١٨٠٠ أمبير، ويستمر هذا التيار لمدة ثانيتين إلى أربع ثوانٍ يحتاجها المروحة للوصول إلى السرعة المطلوبة. أما إذا شُغِّلت مجموعة ثانية من المحركات بعد نصف ثانية، فإن المحول يحمل حينها حملًا لن يواجهه مطلقًا في ظروف التشغيل العادية. وهذا الرقم هو الذي يحدد القيمة المدونة على اللوحة التعريفية.

يتحكّم عاملان في تحديد ما إذا كان التشغيل مقبولًا أم لا: نسبة المقاومة الداخلية للمحول (Impedance Percentage) والمقاومة الداخلية لمجرى التغذية (Feeder Impedance). فمحولٌ نسبته ٥,٧٥٪ يحدّ من تيار القصر بشكل مريح، لكنه يتسبب في انخفاض أعمق في الجهد عند طرفي المحرك. أما محول نسبته ٤٪ فيقلل من هذا الانخفاض، لكنه يرفع في المقابل قيمة تيار القصر المتوقَّع، مما يستدعي أن تتحمله قدرة قاطع التيار المنخفض (LV Breaker) ومتانة الحافلة الكهربائية (Bus Bracing). وفي حالة مجرى تغذية طوله ٧٠٠ متر يمتد إلى غرفة مراوح وسط النفق، قد تؤدي مقاومة الكابل إلى هبوط جهد أكبر من ذلك الناتج عن المحول نفسه.

الخبرة العملية: نُجرِي حساب البدء قبل أن تخرج عرض سعر النفق من المصنع، وعندما يرسل العميل قائمة الأحمال فقط، نوجِّه إليه سؤالاً واحداً: ما أكبر محركٍ موجودٍ؟ وكيف يتم تشغيله؟ وما طول الكابل المؤدي إليه؟ إن الإجابة الوحيدة عن هذا السؤال غيَّرت التصنيف المحدَّد للمحولات في مشاريع الأنفاق أكثر من أي بندٍ آخر في الجدول الزمني.

 

التشويشات الناتجة عن المحولات المتغيرة التردد تغيِّر طبيعة الحمل الواقع على المحول المستخدم في تهوية الأنفاق

يتم تشغيل ما يكاد يكون كل مروحة نفاثة جديدة بواسطة محول متغير التردد، لأن المروحة التي تعمل بنسبة ٣٠٪ من سرعتها خلال ساعات الذروة المنخفضة تُغطّي تكلفة المحول بالكامل من وفورات الطاقة وحدها. كما أن هذا المحول يغيِّر طبيعة الحمل الذي تراه المحولة عند طرفيها الثانويين.

يَستهلك محرك ذو ست نبضات تيارًا غير جيبي الشكل، وتشير نسبة التشويه التوافقي الكلي عادةً إلى ما بين ٢٥٪ و٤٥٪ عند المدخل. ويحدد معيار آي-تري-إي ٥١٩ حد التشويه الجهد بـ ٥٪ على الحافلة التي تكون جهدها أقل من ٦٩ كيلوفولت، كما يشدد من حد التشويه التياري كلما انخفض التيار القصيري المتاح. وتقع الأنفاق في الطرف الأقل ملاءمة من تلك المنحنى: فهي تتميز بمسارات تغذية طويلة ومصادر كهربائية نسبيًّا ضعيفة، مع وجود عدة محركات تتغذى من حافلة ثانوية واحدة.

والنتيجة هي أن المحول الذي يغذي محركات تهوية الأنفاق لا يمكن تحديد مواصفاته استنادًا إلى القدرة الظاهرية (كيلوفولت أمبير) وحدها. فالتيار التوافقي يُسبِّب خسائر إضافية ناتجة عن التيارات الدوامية والتسريب، مما يرفع درجة حرارة نقطة السخونة القصوى في اللفائف فوق ما تنتجه حمولة جيبية عند نفس القدرة الظاهرية. ولذلك فإن متحول راتيني مسبك المحول المستخدم في مشروع نفق ما غالبًا ما يُطلب بتصنيف عامل كي (K-factor)، أو بقطر محايد مكبر، أو بلَفائف على شكل دلتا لحبس التوافقيات الثلاثية، إضافةً إلى تصنيف حراري لللفائف يتيح هامشًا حراريًّا فوق الحمل المصمم.

قواعدننا التقريبية للمحطات الكهربائية الخاصة بالأنفاق والتي تُغذَّى بالمحركات حيث توافقيات محولات التردد المتغير الهيمنة: خذ سعة القيادة المتصلة، وأضف هامشًا لخسارة التوافقيات، وحدد فئة ارتفاع درجة حرارة اللفّة بخطوة واحدة فوق المتطلبات الأساسية. ويُدرج التكلفة الإضافية في العرض السعري. أما تكلفة ارتكاب الخطأ فتظهر في السنة السابعة.

 

 

سلامة الحريق تُقرّر التكنولوجيا، وليس السعر

اسأل لماذا تعمل محطات التحويل الفرعية داخل الأنفاق تقريبًا جميعها بمعدات جافة، والإجابة ليست الكفاءة. بل هي سلامة الحريق. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502يحدّد هذا المعيار متطلبات حماية الحريق والسلامة من الحريق لأنفاق الطرق والجسور وغيرها من الطرق السريعة ذات الوصول المحدود، ويعتبر التهوية وظيفةً بالغة الأهمية للسلامة الشخصية يجب أن تستمر في العمل أثناء اشتعال الحريق.

ويترتب على هذا الشرط تأثير مباشر على المحول. فالوحدة المملوءة بالزيت والمُركَّبة داخل محيط النفق تحمل معها سائلًا قابلًا للاشتعال، وحاجزًا احترازيًّا (بندنغ)، وغرفةً محكمةً، وفصلًا إضافيًّا مقاومًا للحريق، ولذلك يتجنّب معظم المصمّمين هذه المسألة ويشترطون استخدام متحول راتيني مسبك داخل الفتحة أو في غرفة مجاورة. وتكون مواصفات المنتج واضحةً تمامًا بشأن ما يجب أن يستوفيه هذا النوع من الوحدات: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) تغطي المتطلبات العامة للمحولات الجافة التوزيعية والمحولات الجافة للطاقة، بينما تغطي المواصفة القياسية الدولية آي إي سي ٦٠٠٧٦-١١ المحولات الجافة للطاقة حتى جهد ٣٦ كيلوفولت.

وهناك تفصيلٌ واحدٌ يُهمَل غالبًا أكثر من أي تفصيلٍ آخر: فكفاءة المحول لا تتجاوز كفاءة الدائرة المغذية له. وعندما يُشترط أن تحافظ دائرة التهوية الطارئة على سلامة التوصيل أثناء حدوث حريق، يجب أن تتحمل الكابلات ووصلاتها نفس الظروف. ومن الشائع — بل والمكلف — استخدام وحدة محول جاف من نوع الراتنج المصهور القابل لإخماد اللهب ذاتيًّا مع كابلات قياسية.

 

بيئة الأنفاق تؤثِّر على المعدات بهدوء

الهواء في النفق رطبٌ، مغبرٌ، وذو تآكل خفيف. وتتجاوز الرطوبة النسبية ٨٥٪ بشكل روتيني داخل عمود التهوية، وتترسب أتربة المكابح والإطارات على كل سطح أفقي، كما أن النفق الساحلي يضيف أملاح الكلوريد إلى هذه المزيج. وقد تتراوح درجة حرارة الهواء المحيط في العمود بين ٤٠ و٤٥ درجة مئوية خلال فصل الصيف، ويُقاس ذلك عند موقع المحول الفعلي وليس عند مدخل النفق.

لفائف الريزن المغلفة تتعامل مع هذه الظروف أفضل من لفائف النوع الجاف الملفوفة، لأن متحول راتيني مسبك عملية الصب تُغلق اللفائف محكمًا ضد دخول الرطوبة. ومع ذلك، لا بد أن تتوافق المواصفات مع طبيعة البيئة: استخدام سخانات فراغية لمكافحة التكثّف، وصندوق طرف ذي تصنيف IP، وتصميم درجة الحرارة المحيطة استنادًا إلى ظروف العمود لا إلى متوسط الطقس الإقليمي.

والأهمية تكمن أيضًا في الارتفاع عن سطح البحر. فعند ارتفاع ١٥٠٠ متر، يفقد المحول ما يقارب ٩٪ من كثافة الهواء المتاحة للتبريد بالحمل الحراري، وبالتالي فإن وحدة تمرّ اختبار ارتفاع درجة الحرارة عند مستوى سطح البحر ليست مقبولة تلقائيًّا في موقع جبلي. اطلب من المورد أن يُحدِّد التخفيض المطبَّق في التصنيف وفقًا لدرجة الحرارة المحيطة وموقعك والارتفاع عن سطح البحر، وأن يقدِّم الحساب الفعلي بدلًا من منحنى عام — وهذا هو الإجراء نفسه الذي نطبِّقه على كل محوّل تهوية الأنفاق نقوم بتقديم عرض سعر.

 

ما نطلبه قبل أن نقدِّم عرض السعر

خمسة عناصر تُقرِّر التصنيف والسعر وتاريخ التسليم لمحول نفق. فإذا وردت هذه العناصر بوضوح في الاستفسار، فإن عرض السعر غالبًا ما يعود دقيقًا من أول مرة:

• جدول الأحمال، مع تمييز أكبر محرك فيه. أعطنا طريقة بدء تشغيله وطول الكابل من المحطة الفرعية. وكل ما عدا ذلك يُستنتج من هذه المعلومة وحدها.
• نوع المحرك وعدده. سداسي النبض أو اثني عشر نبضًا أو طرف أمامي نشط، بالإضافة إلى تيار القصر المتاح عند حافلة الجهد المنخفض — وهذا ما يُحدِّد هامش التشويه التوافقي.
• ظروف الموقع التصميم المحيط، والارتفاع، والرطوبة، والفئة الزلزالية التي تنطبق على المحاذاة.
• استراتيجية مكافحة الحرائق. المعدات الموجودة داخل غلاف النفق، أو في محطة فرعية مخصصة، أو عن بُعد — ويحدد الجواب ما إذا كانت الترانسформاتورات جافة أم مملوءة بالسائل.
• الشهادات وهدف الكفاءة. تقارير الاختبار وفق معايير UL أو CSA أو IEC، ومستوى الكفاءة المطلوب في البلد الوجهة.

تُصنِّع شركة ريان إلكترك محولات جافة ومحولات مغمورة بالزيت لمشاريع البنية التحتية والصناعية في أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا. وتغطي مصنعنا في جيانغسو مساحةً تبلغ ١٢٠٠٠٠ مترًا مربعًا، ويضم أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار، كما تشمل شهادات الجودة لدينا شهادات الـUL والـCSA والـIEEE والـDEKRA والـCNAS. ومنذ عام ٢٠٢٣، نعمل كشريك اتحادي مع شركة إيتن، ما أخضع وثائق الاختبار والجودة لدينا لعملية تدقيق خارجية بدلًا من الإعلان الذاتي. ويُعامَل طلب المحولات الخاص بالأنفاق بنفس الطريقة المتبعة في طلبات مراكز البيانات: فبيانات الاختبار الروتيني وسجلات ارتفاع درجة الحرارة وملفات الشهادات تُرسل مع الوحدة.

 

أرسِل جدول الأحمال، وليس فقط القيمة بوحدة الكيلوفولت أمبير

الرقم الذي يُقرِّر محوّل تهوية الأنفاق نادرًا ما يكون الرقم الأول في قائمة التحميل. أرسل إلى مهندسينا جدول التحميل، وأكبر محرك، ونوع المحرك، وظروف الموقع، وستتلقى بدورك تصنيفًا وهامشًا ترددات تشويهية وحسابًا لتخفيض التصنيف يمكنك الاعتماد عليه في مراجعة التصميم بدلًا من اختيار اسم لوحي استنادًا إلى قاعدة تقريبية.

عن المؤلف: كتبت هذه المقالة فرقة الهندسة في شركة ريان إلكترك، وهي شركة مصنعة للمحولات في مقاطعة جيانغسو بالصين، وشريك اتحاد مشترك مع إيتن منذ عام ٢٠٢٣، وتزود مشاريع الأنفاق والمترو ومراكز البيانات والمرافق العامة في أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا بمحولات جافة ومحولات غامرة بالزيت معتمدة وفق معايير UL وCSA وIEC.