تحليل التشغيل لمراكز التحويل المسبقة الصنع في تطبيقات المناخ البارد الشديد
تحت التنوع المناخي العالمي، تواجه أعمال بناء الطاقة في المناطق الجبلية تحديات تقنية وبيئية. المناخات القاسية والجيولوجيا المعقدة والبرودة الشديدة في فصل الشتاء لفترات طويلة، بالإضافة إلى الثلج والعواصف، تضغط على استقرار المعدات الكهربائية وبناء مرافق الطاقة (الجدول الزمني، التكلفة، الصيانة). المحطات الفرعية التقليدية على الأرض، مع فترة البناء الطويلة وقدرتها المنخفضة على التكيف، لا يمكنها تلبية احتياجات الطاقة السريعة والاستقرارية في المناطق الجبلية.
تعتبر محطات الفروع ذات الكابينة المصنعة مسبقاً، وهي وحدات مصنعة في المصنع تتضمن المعدات الأساسية (المفاتيح ذات الجهد العالي، المحولات، أنظمة التحكم)، قادرة على التجميع السريع على الموقع بعد النقل. تقلل هذه الوحدات من الاعتماد على البيئة وتظهر قيمة فريدة في المناطق الجبلية القاسية ذات الجداول الزمنية الضيقة. يهدف هذا البحث إلى تعزيز تحديثات نظام الطاقة في المناطق الجبلية وتطوير الطاقة في البيئات المماثلة عالمياً.
نظرة عامة على المشروع
يقع المشروع في منطقة جبلية في جنوب غرب الصين: متوسط درجة الحرارة السنوية - 8°C، أدنى درجات الحرارة الشتوية - 30°C، أكثر من 5 أشهر من الثلج والجليد، وجمود التربة لأكثر من متر. وعلى ارتفاع 3600 متر، يغطي المشروع مساحة بناء 6000م2(1200م2)، بإجمالي استثمار ¥55 مليون (¥33 مليون للمعدات، ¥22 مليون للبناء).
يحتوي على 2×120MVA محولات رئيسية (لتلبية الحمل العالي في الشتاء)، 8×10kV خزانات توزيع (لتوزيع الطاقة)، و3 كم من الكابلات ذات الدخان المنخفض ومكافحة التجمد (مناسبة للبرودة). بدورة تصميم وبناء مدتها 8 أشهر، يهدف المشروع إلى ضمان الطاقة المستقرة والموثوقة في ظروف قاسية.
وضع طبقة التربة مقاومة للتجمد
تعرض البرودة الجبلية ودورة التجمد والذوبان لتجمد التربة، مما يشكل خطراً على أساسات المحطة الفرعية والأكواخ. لمعالجة هذا، يتم استخدام GCL (موصلية حرارية < 0.5W(m·K)، عازل جيد). الطبقة سميكة 0.8 متر تمنع تورم الجليد.
بالنسبة للبرودة القصوى: أولاً، يقوم حفار CAT 336E بإزالة التربة السطحية المتجمدة والملوثة. ثم يتم استبدالها بالحصى بحجم 5–20 ملم (سمك 300 ملم) لتعزيز القدرة على التحمل والتصريف. يلي ذلك طبقة ثنائية من GCL سميكة 400 ملم (≥200 ملم متداخلة، مفحوصة للتأكد من عدم وجود فجوات). تعلوها طبقة حماية من الحصى بحجم 5–15 ملم سميكة 100 ملم لتوفير الحماية لـ GCL أثناء الاستخدام. خلال البناء، يتم تدحرج الطبقة في أقسام سميكة 200 ملم، بمعدل ≥6 دورات. معايير الجودة موجودة في الجدول 1
نقاط رئيسية في بناء طبقة التربة مقاومة للتجمد
خلال بناء طبقة التربة مقاومة للتجمد للأكواخ المصنعة مسبقاً في المناطق الجبلية، يجب التحكم بدقة في الجوانب الرئيسية التالية:
تصميم العزل الحراري لهيكل الكابينة
تحت المناخ القارس في المناطق الجبلية، قد تنخفض درجة الحرارة داخل الكابينة إلى أقل من -30°C، مما يشكل تحدياً شديدًا لتشغيل المعدات في المحطة الفرعية بشكل مستقر. لذلك، يتطلب الأمر تصميم عزل حراري منهجي للحفاظ على بيئة داخلية مستقرة للكابينة:
نقاط رئيسية في بناء طبقة التربة مقاومة للتجمد
خلال بناء طبقة التربة مقاومة للتجمد للأكواخ المصنعة مسبقاً في المناطق الجبلية، يجب التحكم بدقة في الجوانب الرئيسية التالية:
تصميم العزل الحراري لهيكل الكابينة
تحت المناخ القارس في المناطق الجبلية، قد تنخفض درجة الحرارة داخل الكابينة إلى أقل من -30°C، مما يشكل تحدياً شديدًا لتشغيل المعدات في المحطة الفرعية بشكل مستقر. لذلك، يتطلب الأمر تصميم عزل حراري منهجي للحفاظ على بيئة داخلية مستقرة للكابينة:
(1) اختيار وبنية مواد العزل الحراري
(2) تحسين عملية التركيب
تُستخدم تقنية التعليق الجاف بدون حزم لربط لوحة الجدار الخارجي FC، ولوحة الصوف الصخري، وأطار الحديد المربع. يتم استخدام مثبتات خاصة ومشابك لتوصيل طبقة العزل الحراري بالإطار الهيكلي. تحقق هذه الإجراءات استمرارية طبقة العزل الحراري دون انقطاع، وتجنب تأثير الجسر الحراري (فقدان الحرارة عبر الأجزاء الموصلة للحرارة مثل إطار الحديد)، وتحسين كفاءة العزل الحراري بشكل عام.
(3) معالجة التفاصيل الخاصة بالختم
للجزء المفصل من لوحة الصوف الصخري، يتم استخدام رغوة البولي يوريثين ب_density_ ≥30kg/m³ لملء وختم الفجوات. بفضل خصائصها المرنة، ومقاومتها للهواء، وقوتها العالية، وعدم امتصاصها للماء، فإن هذا المادة تشكل بيئة ختم فعالة للغاية عند كلا طرفي اللوحة (بموصلية حرارية ≤0.024W/(m·K) )، مما يقلل بشكل كبير من فقدان الحرارة في المفاصل، ويضمن أداء العزل الحراري للكابينة في البيئة الجبلية، ويضع أساساً متيناً لتشغيل المحطة الفرعية المصنعة مسبقاً بكفاءة في الظروف القصوى.
تركيب سلك التدفئة
عند مرور تيار كهربائي عبر سلك التدفئة، يتم تحويل مقاومته الكهربائية إلى حرارة، مما يسخن البيئة المحيطة. بالنسبة للأكواخ المحطات الفرعية المصنعة مسبقاً في المناطق الجبلية، يتم اختيار أسلاك تدفئة بقوة 20–30W/m. هذا المستوى من القوة يضمن إنتاج حرارة كافٍ للحفاظ على درجة الحرارة الداخلية ضمن نطاق التشغيل الآمن للمعدات الكهربائية.
قبل التركيب، يتم إجراء تقييم حراري مفصل باستخدام قانون فورييه لنقل الحرارة لحساب متطلبات التدفئة للأجزاء الرئيسية والأنابيب. الصيغة الرياضية هي كالتالي:
في حسابات نقل الحرارة:
لتركيب سلك التدفئة:
التثبيت: استخدام مشابك عالية القوة (مثل مشابك الفولاذ المقاوم للصدأ، الأشرطة البلاستيكية) لتثبيت الأسلاك على سطوح المعدات/الأنابيب، مع مسافة بين المشابك ≤ 30 سم لمنع التحريك وضمان نقل الحرارة بشكل مستقر.
كثافة التوزيع: ترتيب الأسلاك بفاصل 10 سم في الخنادق وعلى المعدات الرئيسية لتوفير الحرارة الكافية ومنع التجمد.
تحكم في درجة الحرارة: استخدام أزواج حرارية نوع K لمراقبة تشغيل الأسلاك في الوقت الحقيقي. زوج مع خوارزميات PID (تناسبية - تكاميلية - تفاضلية) لضبط القوة الناتجة تلقائياً، للحفاظ على درجة الحرارة ضمن النطاقات المطلوبة. الصيغة PID موضحة في المعادلة (2).
تخطيط أجهزة التهوية
في المناطق الجبلية، يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المنخفضة جداً في الشتاء على معدات المحطة الفرعية (مثل المحولات، الأجهزة الكهربائية) والاستقرار العام. لذلك، يتم تركيب 4 مراوح محورية (1.5 كيلوواط، (2000 م3/س) بشكل متناظر على الجدران الجانبية لضمان تدفق الهواء المنتظم ومنع تكون الرواسب.
بالنسبة للأكواخ المحطات الفرعية المصنعة مسبقاً، يتم استخدام تصميم تهوية "مدخل أعلى، مخرج أسفل". نسبة مساحة المدخل إلى المخرج هي 1:1.5 لضمان تغيير هواء كافٍ. يتم استخدام أنابيب عازلة (صوف صخري بسمك 50 ملم، 0.035 W/(m·K) موصلية حرارية) ملفوفة بألمنيوم بسمك 0.5 ملم لتقليل فقدان الحرارة والحفاظ على درجة حرارة داخلية مستقرة.
مزودي الطاقة المزدوج
لتكيف مع المناخ الجبلي، يتم استخدام محولين S13 - M - 100/10 مغمورين بالنفط (100 MVA، 10/0.4 kV) كمحولات رئيسية. يتم توصيلهما بمصادر طاقة مستقلة، ويقومان بالعمل بالتوازي (معدل تحميل 50٪ تحت الظروف القياسية) لتقليل الخسائر وتمديد العمر الافتراضي. يتم مراقبة وتوازن الأحمال بواسطة نظام SCADA في الوقت الحقيقي.
في حالات الطوارئ (مثل فشل أحد المحولات)، يقوم مفتاح ATS بتحويل الطاقة خلال 0.1 ثانية، مما يضمن استلام الأحمال بشكل مستمر وتقديم طاقة مستقرة. وفقاً لـ GB 50052 - 2009، يتم استخدام مفاعلين DKSC - 100/10 (100 A، 6% رد فعل) لتقييد تيار القصر إلى ≤ 20 kA، مما يمنع تلف الفائض في الجهد.
الخاتمة
تفرض الظروف القصوى في المناطق الجبلية (درجات حرارة منخفضة، رياح، ثلوج) معايير أعلى لتشغيل وصيانة الأكواخ المحطات الفرعية المصنعة مسبقاً. يجب أن تتضمن التصميم والبناء عزلًا مناسبًا، وتدفئة، وتدابير مضادة للرطوبة، ومعدات مقاومة للرياح والثلوج.
ستساهم التطورات المستقبلية في التكنولوجيا والممارسات في تحسين هذه المحطات الفرعية. سيزيد الأنظمة الذكية للمراقبة والتوزيع من الإدارة عن بعد والتكيّف مع الظروف القصوى، مما يضمن توفير طاقة مستقرة وآمنة.
