توضيح مقاومة المحول: كيف تُحدِّد النسبة المئوية للمقاومة تيار القصر والانخفاض في الجهد وتشغيل المحولات على التوازي

وَصَلَتْ وحدتان بسعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير إلى نفس المحطة الفرعية في ربيع العام الماضي. وكانت نسبة الجهد متماثلة في كلا الوحدتين، وكذلك الجهد الثانوي المُقدَّر بـ ٢٠٨Y/١٢٠ فولت، وحملت كلتا الوحدتين شهادة «UL» على لوحة البيانات. وعند قيام فريق التشغيل بإغلاق القاطع الواصل لتشغيل الوحدتين بالتوازي، انطلقت إنذارات ارتفاع درجة حرارة لفائف إحدى الوحدتين خلال ساعتين. ولم تكن هناك أية عيوب فنية. فقد كانت إحدى المحولات مُشتراةً بمقاومة داخلية نسبية قدرها ٥,٧٥٪، بينما كانت الأخرى بمقاومة داخلية نسبية قدرها ٤,٠٪. وعند تشغيل وحدتين على نفس الحافلة الكهربائية، فإن التحميل يتوزَّع بينهما عكسياً بالنسبة للمقاومة الداخلية. وهكذا كانت الوحدة ذات المقاومة ٤,٠٪ تتولى نحو ٥٩٪ من إجمالي التحميل، بينما كانت نظيرتها تعمل عند ٤١٪ فقط. وبذلك كانت هذه الوحدة تؤدي عمل محول أكبر حجماً، وتسخن كما لو كانت كذلك.

وهذا النقطة المئوية الواحدة هي السبب معاوقة المحول يستحق اهتمامًا أكبر من السطر الواحد الذي يُذكر عادةً في أمر الشراء. فنسبة الممانعة تحدد ثلاث أمور في آنٍ واحد: مقدار تيار القصر الذي يجب أن تقطعه وحدة التوزيع الكهربائي، ومقدار انخفاض الجهد بين حالة عدم التحميل والتحميل الكامل، وما إذا كان بالإمكان تشغيل وحدتين بالتوازي دون أن تحمل إحداهما حصة الأخرى. وإذا أُخطِئ في حسابها على الورق، فإن الخطأ سيظهر لاحقًا في الموقع الفعلي، أو في دراسة الانفجار القوسي (Arc-Flash)، أو أثناء اجتماع التشغيل الأولي.

 

ما الذي تقاس به نسبة ممانعة المحول فعليًّا؟

تقاس نسبة الممانعة بقصّ أحد اللفّات وتوصيل جهد متغير باللفّة الأخرى. ثم يُرفع هذا الجهد تدريجيًّا حتى يمر فيه التيار المُصنَّف، وبعد ذلك يُعبَّر عن الجهد المطبَّق كنسبة مئوية من الجهد المُصنَّف. فمحول بنسبة ممانعة ٥٫٧٥٪ يحتاج إلى ٥٫٧٥٪ من جهده المُصنَّف ليُمرِّر التيار المُصنَّف عبر قصٍّ مباشر (Bolted Short). وتأتي معظم هذه الممانعة من تدفق التسريب الذي لا يربط اللفتين معًا، بالإضافة إلى مقاومة النحاس نفسه.

الإجراء موحَّد. وتقاس المقاومة والعُرض الكهربائي في IEEE C57.12.90 للوحدات المغمورة بالسوائل، المنشورة على صفحة رابطة معايير آي-تريبل-اي لشفرة الاختبار ؛ أما المتطلبات العامة لمحوِّلات الطاقة، بما في ذلك كيفية الإعلان عن المقاومة القصيرة الدائرة، فهي موضَّحة في IEC 60076-1 . وكلاهما يشترطان أن تُشارَك القيمة بالنسبة إلى تيارٍ محدَّدٍ ودرجة حرارة مرجعية، لأنَّ مكوِّن المقاومة — وبالتالي المجموع الكلي — يتغيَّر مع ارتفاع درجة حرارة اللفات.

وتبدو النطاقات النموذجية كالتالي:

فئة المحولات	المقاومة النموذجية (%Z)	ما الذي يحدِّد هذه القيمة
النوع الجاف، حتى ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير	٤٪ - ٦٪	الحد من تيار العطل مقابل انخفاض الجهد
التوزيع المغمور بالسائل، من ٥٠٠ إلى ٢٥٠٠ كيلوفولت أمبير	٤٪ - ٦٪	تناسق تيار العطل مع شركة التوزيع
القدرة المتوسطة، من ٥ إلى ٢٠ ميغافولت أمبير	من ٦٪ إلى ١٠٪	تصنيف أجهزة التحكم الثانوية، وصلابة النظام
القدرة الكبيرة، أكثر من ٢٠ ميغافولت أمبير	من ٨٪ إلى ١٦٪	تيار العطل، التكلفة الوحدية، تنظيم الجهد

 

اعْتَبِر ذلك نطاقاً وليس قاعدةً صارمةً. ويمكن لمُورِّدين اثنين أن يقدما عرضاً لقيمة كيلوفولت أمبير واحدة عند طرفي هذا النطاق، وكلا العرضين صحيحان. والرقم الذي تتلقّاه هو حلٌّ وسطٌ في التصميم تم الاتفاق عليه أثناء مرحلة المواصفات، وليس شيئاً يُكتشَف أثناء اختبار القبول بالمصنع.

 

لماذا تحدد النسبة المئوية للمقاومة التداخلية تيار القصر المتاح

هذه هي العملية الحسابية التي لا يراها معظم المشترين أبدًا. فعلى أساس كل وحدة، يُعرِّف مقاومة المحول التيار المتاح عند الطرف الثانوي: حيث إن التيار القصيري (Isc) يساوي التيار الثانوي المُصنَّف مقسومًا على المقاومة بوحدات النسبة. خذ محولًا ثلاثي الطور سعته ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير، وفرق جهد طرفيه ٤٨٠ فولت. والترجيح للتيار الثانوي هو ٢٤٠٦ أمبير. وبـ 5.75%مقاومة معينة، يمكن أن يصل التيار القصيري المُثبَّت ثلاثي الطور عند الطرف الثانوي إلى نحو ٤١٨٠٠ أمبير . في 4.0%أما نفس المحول فيصل عند ٦٠١٥٠ أمبير .

وهذا الفرق البالغ ١٫٧٥ نقطة يُحرِّك التيار القصيري المتاح بمقدار تقريبي قدره ١٨ كيلوأمبير. وهو الفرق بين فئتين من معدات التوزيع المنخفضة الجهد، وفئتين من متطلبات تثبيت الحافلات، وفئتين من نتائج الطاقة الحادثية في دراسة الانفجار القوسي. ويطلب منا المقاولون في ولاية تكساس ومقاطعة ألبرتا مرارًا وتكرارًا توضيح هذه النقطة، وغالبًا ما يكون ذلك بعد انتهاء دراسة التنسيق بنتائج تشير إلى معدات لا يمكنهم شراؤها بالسعر الذي افترضوه سابقًا.

المقاومة الكهربائية تمتلك أيضًا شكلًا. والنسبة المئوية هي المجموع المتجهي لمكوّن المقاومة، الذي يُسبِّب خسارة الحمولة، ومكوّن التفاعل، الذي يخزن الطاقة المسربة. وتحدد النسبة بين هذين المكوّنين مدى عدم تماثل أولى الدورات من تيار العطل، ويجب أن يكون القاطع الذي تختاره قادرًا على الإغلاق في ظل هذا الوضع غير المتماثل. ولا يمكن استبدال محولين كهربائيين لهما نفس قيمة المقاومة الكهربائية لكن بنسَبين مختلفين في دراسة العطل.

 

 

تنظيم الجهد: النصف الآخر من نفس المقايضة

توفر المقاومة الكهربائية حدًّا لتيار العطل، لكنها تُكلِّفك في تنظيم الجهد. فتحت الحمولة، ينخفض جهد الطرف بمقدار يتناسب مع المقاومة الكهربائية والتيار المحمّل، ويبلغ الانخفاض تقريبًا حاصل ضرب مكوّن المقاومة في جيب تمام زاوية الحمولة زائد حاصل ضرب المكوّن التفاعلي في جيب زاوية الحمولة. أما المحول الأشد صلابة — أي ذي مقاومة كهربائية أقل — فيحافظ على جهد طرفه الثانوي بشكل أفضل، وهذا بالضبط ما تريده منشأة تعتمد بشكل كبير على المحركات أو قاعة بيانات ذات نطاق ضيق لجهد التشغيل.

إذا خفضت المقاومة الداخلية، يبقى الجهد الثانوي مستقرًّا، لكن التيار القصيري المتاح يزداد وكذلك تكلفة كل جهاز لاحق. أما إذا رفعت المقاومة الداخلية لكبح التيار القصيري، فإن نفس الأحمال تتعرَّض الآن لانخفاض جهد أكبر وفقدان تفاعلي أكبر. ولا توجد هندسة واحدة لللفة تحقِّق كلا الأمرين معًا، ولذلك ينتمي هذا الرسم البياني إلى مناقشة المواصفات بدلًا من أن يكون جزءًا من قالب افتراضي.

وتقبل المعايير أيضًا أن القيمة المُعلَّنة ليست دقيقة تمامًا. IEC 60076-1 يحدِّد هذا البند كيفية تحديد مقاومة القصر وما هو المدى المسموح به للانحراف عن القيمة المُعلَّنة، وهذه المدى واسعةٌ بما يكفي ليكون من المشروع أن تظهر نتائج الاختبار لوحدة ما انحرافًا قدره أعشار النسبة المئوية عن الرقم الوارد في العقد. وإذا كنت تنوي تشغيل المحولات على التوازي في المستقبل، فاكتب نطاق الانحراف المسموح به صراحةً بدلًا من افتراض أن القيمة المكتوبة على اللوحة التعريفية دقيقة تمامًا.

 

التوصيل على التوازي: حيث يصبح نقطة مئوية واحدة ذات قيمة مالية فعلية

لتشغيل الوحدات على التوازي أربعة شروط، والمقاومة الكهربائية ليست سوى أحدها: تطابق نسبة الجهد وموضع المفتاح، وتطابق مجموعة المتجهات والانزياح الطوري، وتطابق تسلسل الأطوار، والمقاومة الكهربائية التي يجب أن تتطابق في مقدارها وفي نسبة المركبة التفاعلية إلى المقاومة.

عندما لا تتطابق مقاومتا الوحدتين الكهربائيتين، فإن توزيع الحِمل يكون عكسياً بالنسبة لهما. والمثال السابق من عمليات التشغيل الابتدائي هو حالة نموذجية كتبية. فعند تشغيل وحدة مقاومتها ٤,٠٪ وأخرى مقاومتها ٥,٧٥٪ حتى ٩٠٪ من سعتهما الإجمالية، تكون الوحدة ذات المقاومة الأقل قد تجاوزت بالفعل قدرتها الذاتية، بينما ما زالت الوحدة الأخرى تمتلك هامشاً إضافياً. أما الوحدة ذات المقاومة الأعلى فلا تصل أبداً إلى حدها الأقصى؛ بل تحمل شريكتها العبء المشترك.

تُحدِّد معظم مواصفات المرافق والصناعية الفرق الأقصى المسموح به في الممانعة بين الوحدات المصمَّمة للعمل بالتوازي بنسبة ١٠٪، وهذه التحذيرات مبرَّرة لأن عدم التوازن يزداد بسرعة كلما اتسعت الفجوة. فإذا كان من الممكن ربط محولين معًا في المستقبل، فعليك تضمين نطاق الممانعة في أمرَي الشراء كليهما في الوقت نفسه. أما الحصول على وحدة مطابقة بعد خمس سنوات، فهو ما يجعل هذه المشاريع باهظة التكلفة.

 

كيف تُحدِّد الممانعة دون أن تقيِّد نفسك

رقم ممانعة المحول هو مدخلٌ في المواصفات، وليس نتيجة اختبار تُكتشف لاحقًا. ويجب أن تتضمَّن قسم الممانعة في طلب الاقتباس سبعة عناصر، ومعظمها لا يترتَّب عليه أي تكلفة عند ذكره:

• قيمة الممانعة والتسامح المسموح به. اذكر القيمة الاسمية والمدى المقبول لكليهما عند التيار المُصنَّف.
• اللقطة المرجعية. تتغيَّر الممانعة عبر مدى اللقطات، لذا حدد اللقطة التي تنطبق عليها القيمة، واطلب أيضًا قيم الممانعة عند أقصى لقطتين.
• درجة الحرارة المرجعية. المقاومة تعتمد على درجة الحرارة، وكذلك الرقم الذي تحدِّده.
• تصنيف العطل في الاتجاه التنازلي. قدِّم إلى المورد تصنيف أجهزة التبديل واطلب منه اقتراح نافذة المقاومة التي تتوافق مع هذا التصنيف.
• متطلبات تنظيم الجهد عند معامل قدرة الحمل المصمم.
• نية التشغيل المتوازي. إذا كان من الممكن إضافة وحدة ثانية لاحقًا، فاذكر ذلك الآن وحدد نطاق التطابق المطلوب.
• متطلبات التقرير. اطلب قياس قيمة المقاومة والخسارة تحت الحمل في تقرير الاختبار الروتيني، وليس فقط في الحسابات التصميمية.

هذه النقطة الأخيرة أهم مما تبدو عليه. ففي أكثر من مشروعٍ واحد، شاهدنا زوجًا من الوحدات المشغلة بشكل متوازٍ يرفض تقاسم الحمل بسبب عدم مقارنة تقريري الاختبار الروتيني للوحدتين جنبًا إلى جنب قبل التشغيل الفعلي.

 

كيف تقوم شركة ريان إلكترك بقياس وتقرير قيمة المقاومة.

تقاس مقاومة كل وحدة وخسارة الحمل فيها عند التيار المُعلن عنه، وتُبلَّغ هذه القيم مقابل القيمة المُعلنة، وذلك عند مواضع التوصيل الفعلية المورَّدة — وليس فقط عند وضع التوصيل الرئيسي — لدى خروج الوحدة من مختبر الاختبار الخاص بنا. وفي الحالات التي حدد فيها العميل نطاق تطابقٍ مسبقٍ لأغراض التشغيل المتوازي في المستقبل على محوّل ثلاثي الطور مخصّص ويتضمن التقرير نفسه أرقام الطرف المتطرّف، لتمكين مهندس التشغيل من التحقّق من الزوج قبل تغذية النظام.

نُنتج في منشأة تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، ومزودة بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار و٣٧ براءة اختراع، ونمتلك شهادات اعتماد من UL وCSA وIEEE وDEKRA وCNAS وCE. ومنذ عام ٢٠٢٣، تعمل شركة ريان إلكتريك كشريك رسمي في مشروع مشترك مع إيتن، وقد عزّز هذا الشراكة معايير الوثائق المُرافقة لكل تقرير اختبار نُصدره. ورقم الممانعة المذكور على لوحة البيانات الخاصة بنا هو قيمة مقاسة مدعومة بسجل قابل للتتبّع، وهي النسخة الوحيدة من هذا الرقم التي تصلح للاستخدام في دراسات التنسيق.

 

أرسل إلينا الرسم البياني أحادي الخط قبل إصدار أمر الشراء

أرسل إلينا المخطط ذا السطر الواحد، وتصنيف المحول، وتصنيف أجهزة التحكم الثانوية، وملف الأحمال. وسيقوم فريق هندستنا بالردّ عليك بقيمة مقاومة محورية للمحول تحقّق في الوقت نفسه حدود التيار القصيري وانخفاض الجهد، وفي حال التخطيط لتوصيل محولين على التوازي، فسيُحدَّد نطاق مطابق لكليهما لضمان تقاسم الحمل بينهما منذ اليوم الأول. وتثبيت قيمة المقاومة المحورية ورقيًّا لا يكلّف شيئًا. أما تعديلها بعد رحلة التشغيل الفعلي فيتطلّب انقطاعًا في التغذية.

 

عن المؤلف: كتبت هذه المقالة فرقة الهندسة في شركة ريان إلكترك (ريان ترانسفورمرز جيانغسو)، وهي شركة مصنعة لمحولات الراتنج المصبوب والمحولات الغاطسة في الزيت والمحولات المركبة على القواعد، وتخدم العملاء في قطاع المرافق العامة ومراكز البيانات وتوليد الطاقة المتجددة والصناعات منذ عام ٢٠٠٧. ويعمل الفريق يوميًّا وفق متطلبات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE C57) واللجنة الدولية للتقييس (IEC 60076)، ويدعم المطورين ومتعهدي التصميم والبناء (EPC) خلال مراحل تحديد المواصفات واختبارات المصنع وتشغيل المنشآت في الموقع.