محولات محطات معالجة المياه: تحديد السعة لتشغيل المضخات، والتوافقيات الناتجة عن المحولات المتغيرة التردد، والهواء المسبب للتآكل

لماذا تُعتبر محطة معالجة المياه عبئًا شديدًا على المحول الكهربائي؟

كانت المراوح الهوائية المستخدمة في التهوية بمحطة واحدة قمنا بتقديم عرض أسعار لها العام الماضي تعمل بشكل طبيعي لمدة تسعة أشهر، ثم بدأت منذ ذلك الحين في تشغيل القاطع نفسه يوميًّا بعد الظهر. ولم تكن المراوح هي السبب في المشكلة، ولا كان المحرك المتغير التردد كذلك. بل إن محول محطة معالجة المياه كان قد طُلب بناءً على الحمل التشغيلي الفعلي للمحطة — أي ١٢٥٠ كيلوفولت أمبير من المضخات والمراوح — دون أخذ التيارات التوافقيّة التي يُرجِعها المحركات المتغيرة التردد إلى المحول في الاعتبار، كما لم يُؤخذ في الاعتبار أيضًا احتمال إعادة التشغيل المفاجئة لثلاثة محركات قدرة كلٍّ منها ٢٥٠ حصانًا كهربائيًّا متصلة بنفس الخط الكهربائي.

تُعد محطات معالجة المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي من أكثر الأماكن غير التسامحية في العالم لتركيب المحولات الكهربائية. فحمل هذه المحطات يتغير باستمرار، ويعمل بالمحركات الحثية، ونصف هذا الحمل يكون خلف محركات متغيرة التردد، كما أن الهواء فيها رطب أو يحتوي على الكلور أو غاز كبريتيد الهيدروجين. وإذا أُهمِلت إحدى هذه العوامل الثلاثة، فإن ذلك يؤدي إلى أعطال تظهر على هيئة انقطاعات كهربائية غير مبرَّرة، أو ارتفاع درجة حرارة ملفات المحول، أو تآكل غلاف المحول بسبب الصدأ مما يؤدي إلى فشله في الاختبار الدوري بعد سنتين.

 

خصائص الحمل التي تحدد التصنيف الكيلوفولت أمبيري للمحول

تُحدِّد ثلاث خصائصٍ للواجب مواصفات التحويلة، وهي تؤثِّر في اتجاهاتٍ مختلفة.

• يتميَّز منحنى الحمل بطابع ثنائي القمة. محطَّة المعالجة ليست مصنعاً يعمل بحملٍ عمليٍّ ثابت. فهي تعمل بحملٍ أساسيٍّ طوال الليل، ثم تصل إلى ذروة التشغيل نهاراً، ثم تُعيد تشغيل المضخَّات بعد حدوث ظرف جوي رطب يؤدي إلى مضاعفة كمية التدفُّق الداخل. وبالتالي، فإن المحولات التي تُصمَّم وفق متوسِّط الاستهلاك السنوي ستكون محملةً فوق هذا المتوسِّط لجزءٍ كبيرٍ من السنة.
• تقريباً كل شيء هو محرك. المضخَّات، والمنفخات، والمُحرِّكات المُحرِّكة للمزيج، وآلات كشط الحمأة، وشبكات الحواجز. وتستهلك المحركات تيار الانغلاق عند التشغيل الأولي، ما يتسبَّب في انخفاض جهد التحويلة المُرافق لذلك — وهو ما تشعر به المحطَّة على شكل بدء تشغيل لطيف، أو اهتزاز في القواطع الكهربائية، أو إعادة تشغيل لوحدة التحكُّم المنطقي القابلة للبرمجة.
• نصف الحمل غير خطي. مروّحات التهوية، والمضخّات الأولية، ونظام إضافات المواد الكيميائية تعمل جميعها عبر محركات كهربائية متغيرة السرعة. وعندما تُحوَّل محطةٌ صُمِّمت للعمل بسرعة ثابتة إلى نظام تحكّم باستخدام محركات كهربائية متغيرة التردد — وهي الغالبية العظمى من أعمال الترقية التي نقدّم اقتباسات أسعار لها — يبقى حجم المحول كما هو، بينما تزداد تيارات التوافقيات.

أضف الكلور والرطوبة وكبريتيد الهيدروجين إلى غرفة المعدات، وسيصبح المحول العام غير مناسبٍ كحلٍّ واضح. وما يليه هو ما نتحقق منه قبل أن نحدّد قيمة الكيلوفولت أمبير لمشروع مياه أو مياه صرف صحي، وينطبق هذا سواء كان الوحدة محول مثبت على الوسادة في الهواء الطلق أو وحدة جافة داخل غرفة لوحات التحكم الكهربائية.

 

تحديد سعة المحول لتشغيل المضخات: قاعدة الستة إلى السبعة أضعاف

إن تشغيل المحرك هو العامل الحاسم في تحديد سعة المحول (بالكيلوفولت أمبير) أكثر من الحمل المستمر. فمحرك التحريض ذي القفص السنجابي يستهلك تيارًا يعادل تقريبًا ستة إلى سبعة أضعاف تيار التشغيل الكامل له أثناء حالة انغلاق الدوار. والمكوّن الوحيد بين تلك التيار والجهد في المحطة هو مقاومة المحول والشبكة العلوية. وتتعرّض المحطة مباشرةً للنتيجة: انخفاض إضاءة المصابيح، وانقطاع المحركات بسبب انخفاض الجهد، وتعطيل تسلسل إعادة التشغيل.

القاعدة العملية المتبعة في الممارسة الشمال أمريكيّة هي تحديد الحجم بحيث لا يتجاوز انخفاض الجهد أثناء بدء تشغيل أكبر محرك ١٠ إلى ١٥ في المئة عند طرفي المحرك. وهذه النسبة عبارة عن اتفاقية تصميم ترد بشكل متكرر في إرشادات الاستشاريين وشركات التوزيع الكهربائي، وليست شرطاً قياسياً واحداً ملزماً، وهي النسبة التي نطلبها في طلب الاقتباس. أرسلوا لنا جدول المحركات — بالحصان القوّي، وحرف الرمز، وحرف التصميم حسب معهد المحركات الكهربائية الأمريكي (NEMA)، وطريقة التشغيل — فتُستنتج مقاومة المحول من حدّ الانخفاض المسموح به، وليس من صفحة كتالوج.

نقطتان عمليتان تقرّران ما إذا كانت دراسة الظواهر العابرة تتطابق مع المحطة التي تبنونها فعلاً.

• وتغيير طريقة التشغيل يؤثّر في النتيجة. يُمكن أن يؤدي التشغيل المباشر لمروحة بقدرة ٣٠٠ حصان إلى استبعاد وحدة ذات مقاومة اندفاعية قياسية نسبتها ٥,٧٥٪ في محطة صغيرة؛ بينما يسمح استخدام جهاز تشغيل لطيف أو محرك كهربائي ذي حدٍّ محدد للتيار في كثير من الأحيان باستخدام نفس المحول. ويجب تضمين طريقة التشغيل في ورقة مواصفات المحول، وليس فقط في جدول المحركات.
• يدخل المولد الكهربائي ضمن الحساب. عندما يتحمل المولد الاحتياطي تشغيل المحطة أثناء انقطاع التغذية من الشبكة العامة، ترتفع مقاومة المصدر الفعالة ارتفاعًا حادًّا، وقد يتسبب ذلك في توقف مروحة كانت تبدأ التشغيل بسلاسة عند التغذية من الشبكة العامة. أما المحطات التي يُشترط أن تعمل بكامل طاقتها في معالجة المياه أثناء الانقطاع، فيجب تحديد سعة كلٍّ من المولد والمحول وفقًا لحالة التشغيل الابتدائية نفسها.

إذا كانت محطتك لا تزال في مرحلة التصميم، وجداول المحركات ما زالت قيد المراجعة، فرجاءً أرسل إلينا قائمة القدرات الحصانية الحالية وأسوأ تركيبة ممكنة لبدء التشغيل المتزامن. وسيقوم مهندسونا بإعداد تحليل لانخفاض الجهد بالنسبة للخطوات المقابلة لقيمتين أو ثلاث قيم من الكيلوفولت-أمبير التي تنطبق على حالتك، وذلك لكي يُطلب المحول وفقًا لنفس الافتراضات المستخدمة في دراسة الظواهر العابرة لديك.

 

أحمال محركات التردد المتغير والتوافقيات الناتجة عنها: المكان الذي ينشأ منه الحرارة الزائدة

يستهلك محرك التردد المتغير ذي الستة نبضات التيار على شكل نبضات قصيرة بدلًا من موجة جيبية، ويحتوي هذا التيار على مكونات توافقية لم تُصمَّم المحولة لتحملها أصلًا. والخسائر الناتجة عنها لا تتناسب طرديًّا مع التيار الأساسي الذي تحلّ محلّه. وتسخّن التدفقات المتناثرة الناتجة عن المحتوى التوافقي لفات المحولة وأغطية القلب وجدران الخزان والقطب المحايد، وفي حالة محولة مشغَّلة بالفعل بنسبة ٨٠٪ من قدرتها الاسمية، تظهر النتيجة أولًا على هيئة ارتفاع في درجة حرارة زيت القمة ثم انقطاع حراري.

توجد ثلاث طرق لتحديد الحل المناسب لهذه المسألة، وهي ليست متكافئة من حيث الجودة.

• تخفيض تصنيف وحدة قياسية. الأداة الخشنة: زيادة الحجم بنسبة ١٥ إلى ٢٥٪ بالنسبة إلى حمل المحرك وقبول الخسارة الإضافية عند حالة عدم التحميل طوال عمر المنشأة. وهذه الطريقة فعّالة، وغالبًا ما تكون الأقل تكلفة من حيث التكلفة الأولية.
• تحديد وحدة مُصنَّفة لتحمل التوافقيات. يستخدم التصميم المُصنَّف بدرجة K أو المصمم للاستخدام في ظروف القيادة لبِنَاةً ولفّاتٍ مُصمَّمة لتحمل الفقد الإضافي الناتج عن التيارات الدوامية والتشتُّت، مع نقطة متعادلة مُصمَّمة لاستيعاب التوافقيات الثلاثية عند وجود أحمال أحادية الطور. اطلب أساس التحميل كتابيًّا، لأن تصنيف K المذكور دون تحديد عامل K وملف الحمل يُعدُّ مجرد تسمية وليس تصميمًا فعليًّا.
• عالج التوافقيات في الجهة العليا من الدائرة. المفاعلات الخطية، والمرشحات السلبية، أو المرشحات النشطة تقلل من كمية التوافقيات التي تصل إلى المحول تمامًا، وهي الحل الأمثل عندما يتعيَّن على المنشأة الإبلاغ عن التشويه عند نقطة الاتصال المشتركة. ويُعتبر معيار IEEE Std 519-2022 المرجع الذي ستطبِّقه شركة التوزيع، أما الهدف العملي الذي تفرضه معظم شركات التوزيع في أمريكا الشمالية فهو حد تشويه الجهد الكلي البالغ ٥٪، والذي حددته هذه المواصفة للأنظمة ذات الجهد حتى ٦٩ كيلوفولت.

أياً كانت الطريقة التي تتبعها، يجب أن يرد رقم التشويه في المواصفات الفنية. أ توافقيات محولات التردد المتغير البند الذي ينص على «الامتثال لمعيار IEEE 519» فقط، دون أي توضيح إضافي، يترك مورِّد المحولات في حيرةٍ بشأن ما إذا كان سيشتري نحاسًا إضافيًّا أم أنك ستقوم بشراء مرشِّح.

 

الهواء المسبب للتآكل: غاز كبريتيد الهيدروجين والكلور وقرار غلاف المعدات

غرفة المعدات في محطة معالجة مياه الصرف الصحي بيئة عدائية، وبطريقة يسهل التقليل من شأنها. فمباني رؤوس الأنابيب، والآبار الرطبة ومناطق المُهَضِّمات تحتوي على غاز كبريتيد الهيدروجين، الذي يهاجم النحاس والفضة ولحوم الأسلاك التحكمية حتى عند تركيزات لا يستطيع أحد تميُّز رائحتها. أما غرف الكلورة ومحاليل الهيبوكلوريت فتضيف مسار تآكل ثانٍ. وإذا أضفنا إليها الرطوبة شبه المشبَّعة، فإن آلية الفشل ليست فشل الطلاء، بل فشل في التوصيلات بعد سنتين أو ثلاث سنوات.

ثلاثة قرارات تتعلق بالمواصفات تحمل معظم المخاطر.

• درجة حماية الغلاف. بالنسبة لمناطق العمليات في بيئة مياه الصرف الصحي، فإن الحد الأدنى المطلوب في إرشادات التصميم الكهربائي البلدي هو غلاف وفق معيار نِيما ٤إكس — مقاوم للتآكل، وليس مجرد مقاوم للماء فقط — بدلًا من غلاف نِيما ٣آر الذي تستخدمه المحولات العادية لتوزيع الطاقة في الهواء الطلق. وهذا يعني استخدام غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ أو غلاف مغلف بشكل مناسب، مع أبواب مزودة بأختام مطاطية ومكونات معدنية مقاومة للتآكل، وليس صندوقًا مصنوعًا من صفائح معدنية مطلية بالدهان.
• نظام الطلاء. عادةً ما يُحدَّد التعرُّض للبيئات الساحلية والكيميائية وفق فئة تآكل معيار الآيزو ١٢٩٤٤ بدلًا من تحديده بلون الطلاء، حيث تُعتبر الفئة جيم-٥-ميم المرجعية للخدمات عالية التآكل ذات الطابع البحري. وعند تصنيعنا للأجهزة وفق هذه الفئة، يتم توثيق نظام الطلاء عبر اختبار رش الملح على طبقة الطلاء المتراكمة، كما يُدرج جدول التشطيب ضمن أمر الشراء بدلًا من اعتباره افتراضيًّا مسبقًا في المصنع.
• الحفاظ على السوائل وإمكانية الوصول. في الوحدات المغمورة بالزيت، يحدد نظام حفظ الزيت وختم الخزان ما إذا كانت الرطوبة ستتسرب إلى الداخل خلال خمس سنوات، كما يحدد موقع صمام أخذ العينات ما إذا كان فريق الصيانة قادرًا على أخذ عينة دون فتح الغلاف. اسأل عن مكان الصمام؛ فإذا كانت الإجابة «داخل الغلاف، خلف الباب»، فتوقع أن العينة لن تُؤخذ أبدًا.

التثبيت في الهواء الطلق لـ محول مثبت على الوسادة يحل مشكلة المساحة لكنه لا يحل مشكلة التآكل. فالوحدة المثبتة على قاعدة في محطة الرفع تتعرض لنفس الهواء الرطب المحتوي على الكلور الذي تتعرض له المضخات التي تغذيها، وبالتالي فإن جودة تشطيب الغلاف وجودة الحشوات أهم من الموقع نفسه.

 

الازدواجية والطاقة الاحتياطية: سؤال التكوين

عادةً ما يُطلب من محطات المعالجة مواصلة عمليات المعالجة أثناء انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة، وهذه المتطلبات تقع على ترتيب المحولات بنفس القدر الذي تقع به على المولد.

الترتيب الشائع هو ترتيب مزدوج الطرف مع وصلتين رئيسيتين ووصلة وسطى عادةً ما تكون مفتوحة: محولان، لوحتا توزيع، ومفتاح وصل وسطي واحد. ويحمِل كل محول نصف الأحمال الكلية للمحطة، بينما تسمح الوصلة الوسطى لأيٍّ من المحولين بتحمل الأحمال الأساسية في حال خروج الآخر عن الخدمة. أما المقابلة فهي مقاومة التيار الكهربائي (الإمبيدانس). فتشغيل المحولين بالتوازي أو إغلاق الوصلة الوسطى يتطلب توافقًا في قيمة المقاومة الكهربائية (الإمبيدانس) ومواقع التوصيلات (التَّابات)، وإلا فإن المحولين لن يوزِّعا الأحمال كما هو مفترض في الرسم البياني أحادي الخط. ولذلك نطلب نطاق المقاومة الكهربائية (الإمبيدانس) قبل إعداد العرض السعري لزوج المحولات، وليس بعده.

عندما يغذّي محول وحيد المصنع، فإن حالة الطوارئ تكون عادةً على النحو التالي: مولّد عند مدخل الخدمة، ومفتاح انتقال، وقرارٌ بشأن الأحمال التي يُسمح لها بإعادة التشغيل تلقائيًّا. والمراوح والمحرّكات هي المشكلة. فالمحرّكات الكبيرة ذات زمن التسارع الطويل تكون أقل إجهادًا على المولّد مقارنةً بإعادة التشغيل المباشر على الخط، وقد يؤدي تحديد محولٍ بمقاومة داخلية منخفضة لحالة التغذية من الشبكة إلى تفاقم الوضع في حالة المولّد. ويجب التحقق من كلا الحالتين باستخدام جدول المحركات نفسه.

 

ما الذي يجب تضمينه في المواصفات

بنود المواصفات التي تقرّر ما إذا كانت الوحدة المسلَّمة تتوافق مع الغرض التصميمي:

عنصر المواصفات	ما يجب ذكره	ما الذي ينبغي أن تسأله
جدول المحركات	الكيلوفولت أمبير عند القفل، وحرف الرمز، وحرف التصميم حسب مواصفات NEMA، وطريقة التشغيل الأولي	اطلب تحديد حد انخفاض الجهد: فالنسبة من ١٠٪ إلى ١٥٪ تُعتبر المعيار العملي المتّبع في الممارسة الشمال أمريكيّة
عمليات التشغيل المتزامنة	أسوأ تركيبة ستُشغلها المنشأة فعليًّا	إعادة التشغيل بعد هطول الأمطار — تشغيل ثلاث مراوح بالإضافة إلى مضخة طمي يختلف عن تشغيل مضخّة واحدة في كل مرة
حمل المحرّكات	إجمالي قدرة المحركات المتغيرة التردد بالحصان وذكر ما إذا كان يتم توريد مرشح أو مقاوم	تحديد هدف التشويه عند نقطة الاتصال المشتركة؛ حيث يُعتبر معيار آي-إي-إي ٥١٩-٢٠٢٢ المرجع الذي ستستخدمه شركة التوزيع
نطاق الممانعة	نسبة الممانعة والتسامح المسموح بها، والمأخوذة من دراسة الظواهر العابرة	مطلوب لحالة التشغيل الأولي، ولتوزيع الأحمال في الترتيب ذي الطرفين
الغلاف والتشطيب	معيار نِيما ٤إكس للمناطق الصناعية؛ وفئة التآكل حسب معيار الآيزو ١٢٩٤٤	ذكر الفئة (مثل ج-٥-إم للدرجة البحرية عالية التآكل) بدلًا من وصف لون الطلاء
ترتيب التشغيل الاحتياطي	ترتيب رئيسي-رابط-رئيسي، أو مدعوم بمولد كهربائي، أو أحادي الطرف	يُحدِّد غلاف المولِّد متطلبات مقاومة مختلفة عن تلك الخاصة بالشبكة الكهربائية
اختبار النطاق	اختبارات روتينية على كل وحدة؛ واختبارات نوعية على التصميم؛ واختبار التفريغ الجزئي للوحدات الجافة	استفسر عن معيار الاختبار المستخدم، وما إذا كانت مراقبة جهة الاعتماد المعتمدة مشمولة أم لا

 

فيما يتعلَّق بالاختبارات، يستحق التمييز بين الأنواع ذكره صراحةً. وتُجرى الاختبارات الروتينية على كل وحدة وفقًا لرمز الاختبار الخاص بالتصنيع: IEEE C57.12.90 للوحدات المغمورة بالسوائل في أمريكا الشمالية، والمتطلبات العامة الواردة في IEC 60076-1 لمشاريع الآي إي سي (IEC)، مع اتباع التصاميم الجافة للمعيار IEC 60076-11 . أما اختبارات النوع — مثل ارتفاع درجة الحرارة، والجهد اللحظي، وتحمل القصر — فهي تخص التصميم ويجب أن تكون قابلة للتتبع إلى الوحدة المورَّدة. وفي حال تحويل المصنع لاستخدام المحركات المتغيرة السرعة، اطلب فحص الخسائر الناتجة عن التوافقيات كتابيًّا، لأن هذا الحساب هو الذي يقرِّر ما إذا كانت الوحدة تعمل ببرودة أم تسخن بشكل مفرط.

 

كيف نُصنِّع وحداتنا لمشاريع المياه والصرف الصحي

أنتجت شركة رايان إلكترك المحولات منذ عام ٢٠٠٧ في مصنعٍ تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ مترًا مربعًا في جيانغسو، مزودٍ بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار وحائزة على ٣٧ براءة اختراع. ومنذ عام ٢٠٢٣، نعمل كشريكٍ رسميٍّ في مشروعٍ مشتركٍ مع شركة إيتن. وتُصدَّر الوحدات مزوَّدةً بشهادات الامتثال لمعايير يو إل، وسي إس إيه، وإي إي إي، وديكارا، وسي إن إيه إس، وسي إي، حسبما تتطلبه السوق الوجهة، وهو أمرٌ بالغ الأهمية في المشاريع البلدية حيث يتفقَّد المفتش اللوحة التعريفية قبل تشغيل أي جزءٍ من النظام. وفي حالة وجود قائمة للمشروع لدى جهة اعتمادٍ معتمدة، فإن الاختبارات تُراقب مباشرةً من قِبل تلك الجهة بدلًا من إصدار شهادة داخلية — مثلًا عبر يو إل سولوشنز القوائم الخاصة بأمريكا الشمالية.

والفرق الهندسي في مشاريع المياه هو ما نستفسر عنه قبل إعداد العرض السعري. ويشمل ذلك جدول المحركات مع الحروف الرمزية، وأسلوب التشغيل الأولي، وحالة التشغيل المتزامن، وقوة الدفع بالحصان، وما إذا كانت مرشَّحة ستُوفَّر أم لا، وتصنيف الغلاف الخاص بالمنطقة العملية، والفئة التآكلية، وتكوين النظام الاحتياطي. محول مثبت على الوسادة أو وحدة جافة العودة مُصمَّمة وفقًا لحالة التشغيل الخاصة بالمصنع بدلًا من أن تكون مبنية على إجمالي قوة الحصان المتصلة.

أرسل إلينا جدول المحركات، وظروف التعرُّض في الموقع، ومتطلبات الغلاف الخاص بمصنعك أو محطة الرفع، وسيقوم مهندسونا بإعادة تقرير فحص الأبعاد بناءً على حالة التشغيل عند البدء والحمل التوافقي، مع سرد نظام الطلاء ونطاق الاختبارات سطرًا بسطر. الرد الفني خلال ٤٨ ساعة.

عن المؤلف: أعدَّ هذا الدليل فريق الهندسة والتصدير في شركة جيانغسو ريان إلكتريك المحدودة، وهي شركة مصنِّعة للمحولات أُسست عام ٢٠٠٧، وشريك رسمي في مشروع مشترك مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣، ومورِّد لوحدات المحولات الجافة والعائمة بالزيت والمُركَّبة على القواعد والمُدمجة للمحطات الفرعية، والمخصصة لمشاريع المرافق العامة والصناعية ومراكز البيانات والبنية التحتية. ويدعم الفريق مشاريع المياه البلدية والصناعية بدءًا من مراجعة المواصفات وحتى الاختبارات المصنعية.