المحولات المُصمَّمة للمناخات الاستوائية: المواصفات الخاصة بالرطوبة العالية ودرجة حرارة الجو المحيط ٣٥ °م والتكثُّف

قبل أسبوعين، أرسل إلينا مشترٍ من شركة مقاولات هندسية وشراء (EPC) في جوهر مواصفات لوحدة محول راتنجي مصبوب سعتها ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير لمجمَّع مركز بيانات جديد. وعلى الورق، بدت هذه الطلبة مثل أي طلب آخر في صندوق الوارد الخاص بنا. وقد وردت درجة حرارة التصميم المحيطة مذكورةً على أنها ٤٠ °م، منقولةً تقريبًا كلمةً بكلمة من قالبٍ استُخدم في تكساس. أما ما أغفله القالب فهو النصف الآخر من المناخ الذي يسبِّب الفشل فعليًّا في منطقتنا: متوسط يومي لدرجة الحرارة يبلغ ٣٢ °م، ونسبة رطوبة نسبية تفوق ٩٠٪، ونقطة ندى تتجاوز درجة حرارة المعادن العارية خلال معظم ليالي السنة. وتحديد مواصفات محوّل للمناخات الاستوائية ليست تمارين درجة الحرارة. بل هي تمارين الرطوبة مع بند حراري مُرفق.

 

لماذا محوّل للمناخات الاستوائية ليست وحدة صحراء ذات حرارة أقل

يُمكن وصف متطلبات العمل في البيئة الصحراوية بسهولة: ارتفاع أقصى درجة حرارة محيطة، والغبار، والإشعاع فوق البنفسجي، وتقلّب كبير بين ظهيرة حارقة وليلة باردة. أما متطلبات العمل في البيئة الاستوائية فتبدو أكثر اعتدالاً في ورقة المواصفات الفنية، لكنها أشد إجهاداً على العزل الكهربائي.

قد تصل درجة الحرارة القصوى في موقعٍ ما في جنوب شرق آسيا إلى ٣٤ °م، وهي أقل بكثير من الموقع في منطقة الخليج حيث تبلغ ٥٠ °م. لكن متوسط درجة الحرارة اليومي يبقى بين ٣٠ و٣٢ °م لعدة أشهر متواصلة، بينما لا تنخفض درجة الحرارة ليلاً سوى ٣ إلى ٥ كلفن. وبالتالي لا تحصل الوحدة أبداً على فترة تبريد طويلة تسمح لملفات التوصيل بالتخلّص من الحرارة، وتبطئ من عملية تقدم عمر العزل. ويتحكّم في العمر الحراري للمعدّة متوسط درجة الحرارة ودرجة حرارة النقطة الساخنة في الملفات، وليس القيمة القصوى المسجّلة في تقرير الموقع.

يوضّح جانب الطلب سبب أهمية هذا الأمر الآن بالذات. فقد تضاعفت إمدادات مراكز البيانات في جوهر تقريبًا في غضون اثني عشر شهرًا لتصل إلى ٥,٨ جيجاواط بحلول الربع الثاني من عام ٢٠٢٥، بينما انخفضت نسبة الشواغر إلى ١,١٪، وفي الوقت نفسه سجّلت منطقة آسيا والمحيط الهادئ ما يقارب ١٣ جيجاواط من الإعلانات الجديدة عن مشاريع في النصف الأول من ذلك العام، أي قفزة بنسبة ١٦٠٪ مقارنةً بالعام السابق. راجع نتائج شركة نايتشت فرانك التي أوردتها وكالة شينخوا . ويحتاج كل حرم جامعي من هذه الحرم الجامعية إلى محولات تعمل بكفاءة في تلك المناخات، وليس وفق نموذج قياسي.

وهنا بالضبط تبرز قيمة إطار المعايير. IEC 60076-2:2011 يحدد حدود ارتفاع درجة الحرارة للمحولات المغمورة بالسوائل وطرق الاختبار الحراري المستخدمة لإثباتها، كما أضاف إصدار عام ٢٠١١ حدّ ارتفاع درجة حرارة النقطة الساخنة في اللفائف إلى المتطلبات، وهي القيمة التي تُقرّر فعليًّا مدى سرعة فقدان عزل الورق لقوته الميكانيكية. ويُسرد النطاق الكامل في صفحة متجر الآي إي سي الإلكتروني الخاصة بمعيار IEC 60076-2 . أما الناحية الثانية من متطلبات التشغيل في المناطق الاستوائية، وهي الرطوبة، فلا تتضمّن أي بندٍ يتعلق بارتفاع درجة الحرارة على الإطلاق.

 

البيئة التصميمية: ما الذي تكلّفه درجة الحرارة ٣٥ °م فعليًّا

يجب أن تتضمّن كل مواصفات المناطق الاستوائية رقمين: أقصى درجة حرارة محيطة ومتوسّط درجة الحرارة الشهري. ومعظم الاستفسارات التي نتلقّاها تذكِر الرقم الأول فقط. ولذلك فإن الطلب المقدَّم لوحدة مُصنَّفة وفقًا لأقصى درجة حرارة محيطة تبلغ ٣٥ °م دون تحديد متوسّط درجة الحرارة يُعد طلبًا غير مكتمل، لأن الحساب الخاص بتشغيل المحول تحت تأثير الحرارة يجب أن يُحقَّق بناءً على متوسّط درجة الحرارة.

وهذا أيضًا المكان الذي أصبحت فيه المواصفة الخاصة بالمحولات الجافة أكثر فائدةً مما يدركه معظم المشترين. آي إي سي ٦٠٠٧٦-١١:٢٠١٨ تنطبق على المحولات الكهربائية الجافة ذات الجهد الأعلى للمعدات حتى ٧٢,٥ كيلوفولت شاملًا، وبشرط أن يكون أحد لفات المحول فوق ١,١ كيلوفولت، وقد قدّمت طبعتها الثانية فئات مناخية جديدة، ولأول مرة علاقة صريحة بين موقع التركيب والفئة البيئية التي يجب أن يُصمَّم المحول وفقها. ويوجز النطاق والتعديلات في صفحة متجر آي إي سي الإلكتروني الخاصة بمعيار آي إي سي ٦٠٠٧٦-١١ وبصيغة بسيطة: يطلب المعيار الآن معرفة المكان الذي ستُركَّب فيه الوحدة، بدلًا من السماح لمواصفات التصميم بأن تنسخ رقمًا من قارة أخرى.

هذه هي المقارنة التي نستخدمها داخليًّا عندما لا يمتلك المشتري بعدُ تقرير مسح الموقع. وهي نطاقات تصميم إرشادية، وليست بيانات موقع مُقاسة فعليًّا، لكنها توضح لماذا لا يمكن تحديد سعر طلبٍ من المنطقة الاستوائية انطلاقًا من قالبٍ مُعدٍ للمنطقة المعتدلة.

إدخال التصميم	معتدلة (أوروبا الوسطى)	صحراوية (الخليج)	استوائية (جنوب شرق آسيا)
أقصى درجة حرارة محيطة	35 °م	٤٨ إلى ٥٠ °م	٣٤ إلى ٣٦ °م
متوسط درجة الحرارة المحيطة الشهري	٢٠ إلى ٢٥ °م	٣٠ إلى ٣٥ °م	٣٠ إلى ٣٢ °م
انخفاض درجة الحرارة ليلاً	١٠ إلى ١٥ كلفن	١٢ إلى ١٨ كلفن	٣ إلى ٥ كلفن
الرطوبة النسبية	٦٠ إلى ٧٥٪	٢٠ إلى ٤٠٪	٨٠ إلى ٩٥٪
الإجهاد السائد	تغيرات الحمولة	حراري وغباري	التكاثف والحرارة
نمط الفشل النموذجي	تقدم عمر اللفائف	العزل والتبريد	الرطوبة، التآكل، التفريغ الجزئي

عندما نقدّم عرض سعر وحدة لمدن جوهر أو هو تشي منه أو جاكارتا، فإن حساب التشغيل الحراري يُجرى استنادًا إلى متوسط درجة الحرارة الشهري للموقع، ويتم تسعير الغلاف مع حزمة السخانات معًا. أما المشترون الذين يتجاهلون هذه الخطوة فيكتشفون الفجوة عادةً أثناء أول موسم أمطار، وليس في المصنع.

 

التكاثف: وضع الفشل الذي لا يظهر أبدًا في المواصفات

اقرأ تقرير فشل من المناطق الاستوائية، وستكون التسلسلات تقريبًا دائمًا متطابقة. فالهواء الدافئ المشبع يملأ الغلاف خلال النهار. وبعد غروب الشمس، تنخفض درجة حرارة أسطح الفولاذ واللفائف أسرع من الهواء المحيط بها، فيتكاثف بخار الرطوبة الموجود في ذلك الهواء على أبرد سطح متاح. وتترسب المياه على صناديق الطرفية، وتتسرب على طول مسارات التسرب، وفي الوحدات المغمورة بالزيت التي تستخدم مزيل رطوبة منتهي الصلاحية، تصل المياه في النهاية إلى الزيت.

تظهر الأعراض الكهربائية بعد أسابيع. وتنخفض مقاومة العزل، وتظهر نشاطات التفريغ الجزئي، وترتفع درجة حرارة الملفات دون سبب واضح متعلق بالحمل.

 

 

يُزوَّد كل جهاز كهربائي مصنوع للاستخدام في المناطق الاستوائية، والمنشأ من مصانعنا، بحزمة مقاومة التكثيف كتجهيز قياسي. ويُرسل كل جهاز مع سخانات مكانية وثرموستات متصلة بمصدر طاقة مساعد منفصل، بحيث يُحافظ على درجة حرارة الغلاف أعلى من درجة الحرارة المحيطة ببضعة درجات كلما كان المحول خارج الخدمة؛ وهذا بالضبط الوقت الذي قد تحدث فيه الأضرار عادةً في حالات التغذية الاحتياطية لمراكز البيانات أو الوحدات التوزيعية المشغَّلة موسمياً. كما تُزوَّد صناديق الطرفية بإغلاقات مطاطية ولها سخّان منع التكثّف خصائصها الخاصة. وتُسجَّل مقاومة العزل بعد دقيقة واحدة وبعد عشر دقائق أثناء الاختبار الروتيني، وبالتالي يُدوَّن مؤشر الاستقطاب في السجل قبل تغليف الوحدة.

في الوحدات المغمورة بالزيت، فإن القرار الأهم هو نظام حفظ الزيت. فالخزان المغلق بإحكام يمنع تمامًا وصول الزيت إلى الهواء الرطب؛ أما التصميم الذي يستخدم خزان توسعة (كونسيرفاتور) مع جهاز تنفس يحتوي على هلام السيليكا فيعتمد كليًّا على صيانة هذا الجهاز التنفسي. وفي المواقع الاستوائية التي تفتقر إلى طواقم صيانة كافية، نوجِّه المشترين نحو التصميم المغلق ما لم تكن كمية الزيت كبيرةً فعلاً لدرجة تتطلب استخدام خزان التوسعة.

 

الغلاف، والتصنيف وفق معيار الحماية (IP)، والمواد المستخدمة في الجو الرطب

يُحدث الرطوبـة تناقضًا تصميميًّا لا تظهره المواصفات المُستخدمة في المناخات المعتدلة أبدًا. فأنتم ترغبون في غلافٍ محكم الإغلاق ضد الهواء الرطب، لكن الغلاف المحكم للنوع الجاف يقيّد تدفق الهواء اللازم لتبديد الحرارة الناتجة عن الملفات، مما يُجبركم على تخفيض التصنيف للمحول لهذا السبب سخّان منع التكثّف نظام التهوية المُرشَّحة وعادةً ما يتعيَّن تصميمه معًا بدلًا من تحديدهما بشكل منفصل.

نحل هذا التناقض بإحدى طريقتين: ففي الوحدات الأصغر حجمًا، نستخدم غلافًا ذا تصنيف IP أعلى، ونظام تهوية مُرشَّح، وحزمة تسخين، مع قبول زيادة طفيفة في تخفيض التصنيف للمحول في التصنيف المستمر. تحصل الوحدات الأكبر حجمًا على تهوية مقاومة للعوامل الجوية مع شبكة لمكافحة الحشرات، ومسارات تصريف إيجابية للمياه، وشاشات داخلية تغطي الملفات، وسخانات مُصمَّمة حسب حجم الغلاف، لذا يبقى تدفق الهواء محفوظًا بينما تُمنع مياه التجمع والحشرات.

والتصبُّب هو الفشل البطيء الآخر. وتؤدي الإطارات المجلفنة بالغمر الساخن والبراغي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ونظام التشطيب المختار وفق فئة تآكل مُعرَّفة إلى تحسين عمر الخدمة في المناخ الموسمي أكثر من طبقة طلاء أسمك. ومن الجدير بالمعرفة: آي إي سي ٦٠٠٧٦-١١:٢٠١٨ قوائم ISO 12944-6 من بين مراجعها القياسية، وبالتالي فإن فئة حماية التآكل جزءٌ أصليٌّ من النقاش حول المحولات الجافة بدل أن تكون ميزة اختيارية إضافية.

يختلف اختيار المحولات الجافة مقابل المحولات المغمورة بالزيت في المناطق الاستوائية. فلفائف الراتنج المصبوب مقاومة للرطوبة بطريقة لا تتوفر في العزل الورقي المكشوف، ولذلك تهيمن المحولات المصنوعة من الراتنج المصبوب والمحولات المعالَجة بأسلوب التشرب الفراغي (VPI) على غرف التوزيع الداخلية في جنوب شرق آسيا. أما في الأماكن الخارجية، فتظل المحولات المغمورة بالزيت ذات الخزان المغلق ونظام التشطيب المُحدَّد بدقة الخيار الأكثر اقتصاديةً عند القيم التي تتجاوز نحو ٥ ميغا فولت أمبير.

 

الأدلة التجريبية والشهادات المطلوب طلبها

أ محوّل للمناخات الاستوائية لا ينبغي قبولها استنادًا إلى الشهادة وحدها. بل يجب طلب الوثائق الداعمة لها:

• سجل الاختبار الحراري، مع ذكر افتراض درجة حرارة الجو المحيط المطبوع عليه
• قراءات مقاومة العزل ومؤشر الاستقطاب المسجَّلة أثناء الاختبار الروتيني
• قياس التفريغ الجزئي في المحولات الجافة
• محتوى الرطوبة في الزيت بوحدة أجزاء في المليون (ppm) في المحولات المغمورة بالزيت، قبل الملء وبعدها مباشرةً بعد المعالجة
• فئة التآكل التي حُدِّد نظام التشطيب وفقها

عند التصديق، تُراجع قوائم الوحدات الجافة في أمريكا الشمالية وفقًا لمعايير UL 1561 أو UL 1562، ولكندا وفقًا لمتطلبات CSA المعمول بها. ومختبرنا الخاص معتمد من CNAS ويضم حوضَي اختبارٍ بجهدين: ٣٥ كيلوفولت و١١٠ كيلوفولت، وبالتالي تُجرى الاختبارات الروتينية وتشغيل الوحدات تحت الحمل الحراري وتُسجَّل داخليًّا، كما يُرحب بحضور مراقبين من أطراف ثالثة.

 

كيف نصنع الوحدات الجاهزة للمناخ الاستوائي في شركة ريان إلكترك

تُنتج شركة ريان إلكترك المحولات منذ عام ٢٠٠٧ من منطقة إنتاج تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، وهي اليوم تصدِّر إلى أكثر من ٨٠ دولة في جنوب شرق آسيا والشرق الأوسط وأفريقيا والأمريكتين. ويعود وجود «الحزمة الاستوائية» كتكوين قياسي — وليس كخيار خاص — إلى طبيعة العمل في مشاريع مراكز البيانات والمرافق العامة في الأسواق ذات الرطوبة العالية: فهي تشمل لفات من راتنج مصبوب أو معالجة بتقنية VPI، وعلب طرفية مزودة بأختام وتسخين، وسخانات فراغية، ودارة كهربائية متصلة بمصدر طاقة مساعد منفصل. سخّان منع التكثّف ومراوح تهوية مشبكة ضد الحشرات مع نظام تصريف إيجابي، ونظام تشطيب محدد وفق فئة التآكل السائدة في الموقع.

منذ عام ٢٠٢٣، نعمل كشريك في مشروع مشترك مع شركة إيتن، التي جلبت خط إنتاج رقميًّا ومجموعة ثانية من أنظمة التحكم في العمليات إلى المصنع. أما الفائدة العملية بالنسبة للمشتري في المناخ الرطب فهي تقليل المدة الزمنية بين تحديد المواصفات واستعراض التصميم، لأن فريقًا واحدًا هو الذي يُقرّ قرارات الغلاف الخارجي والسخان والتشطيب، وهو نفسه الفريق المسؤول عن تصنيع اللفائف.

إذا كان مشروعك يقع في أي مكانٍ تبقى فيه الرطوبة النسبية أعلى من ٨٠٪ خلال معظم أشهر السنة، فأرسل إلينا ملف الطقس المحيط بالموقع وسنقوم بإجراء الحسابات الحرارية وحسابات الرطوبة قبل اقتباس القدرة بالكيلوفولت أمبير. أخبرنا بمتوسط درجة الرطوبة الشهري، وأقصى قيمة مسجلة، وما إذا كانت الوحدة ستكون مشغَّلة طوال العام أم فقط في فترة معينة من السنة. إن هذه الإجابات الثلاث تؤثِّر في التصميم أكثر من قيمة الكيلوفولت أمبير نفسها.

سواء كنت تشتري محوّل للمناخات الاستوائية للمجمعات المخصصة لمراكز البيانات أو المحطات الفرعية التابعة لشركات التوزيع الكهربائي أو المصانع الصناعية، سيُقدِّم مهندسو التطبيقات لدينا فحصًا للتشغيل الحراري ومقترحًا يشمل الغلاف الخارجي والجهاز المسخّن، بالإضافة إلى قائمة الأدلة التجريبية التي تتطلبها مشاريعكم. ويمكنكم التواصل مع الفريق عبر صفحة الاتصال الخاصة بشركة ريان إلكتريك مع تزويدهم ببيانات موقع المشروع.

 

نبذة عن الكاتب. أعدَّ هذه المقالة فريق هندسة التطبيقات في شركة ريان إلكتريك (ريان إلكتريك جيانغسو المحدودة)، الذي يدعم مقاولي المشاريع الهندسية-الإشرافية-التنفيذية (EPC) وشركات التوزيع الكهربائي ومطوري مراكز البيانات في تحديد مواصفات المحولات الخاصة بالمشاريع التي تشهد رطوبةً عاليةً وحرارةً محيطةً مرتفعةً في جنوب شرق آسيا والشرق الأوسط وأفريقيا. ويغطي الفريق أنظمة العزل وتصميم الأغلفة الخارجية والاختبارات المصنعية الخاصة بالاستخدام في المناطق الاستوائية والصحراوية.