حافلات الكهرباء والموصلات في التثبيتات ذات الجهد العالي وفائق الجهد العالي

ما هو حافلة كهربائية؟

تعتبر الحافلة الكهربائية موصلًا أو مجموعة من الموصلات مصممة لجمع الطاقة الكهربائية من الوصلات الواردة وتوزيعها على الوصلات الصادرة. وظيفيًا، تعمل كتقاطع حيث تتلاقى التيار الداخل والخارجة، وتعمل كمركز رئيسي لتجميع وتوزيع الطاقة.

تركيبات الحافلات الخارجية

في الأنظمة ذات الجهد العالي (HV) والجهد خارج العادة (EHV) وأنظمة الجهد المتوسط الخارجية (MV)، يتم استخدام الحافلات العارية والوصلات عادةً، مع وجود الموصلات في تكوينات أنابيبية أو سلكية متعددة:

• حافلات أنابيبية: مدعومة بمثبتات عمودية (عادة ما تكون خزفية)، وهي توفر قوة ميكانيكية عالية وممانعة للشرارة الفائقة.

• حافلات سلكية متعددة: مثبتة بمشابك نهاية ميتة، مثالية للتثبيتات التي تتطلب مرونة امتداد كبيرة.

(تم توضيح أمثلة لهذه التكوينات في الشكل 1 والشكل 2.)

حافلات لأجهزة التبديل

تُصنع حافلات أجهزة التبديل عادةً من النحاس أو الألمنيوم أو سبائك الألمنيوم (مثل سلسلة Al-Mg-Si)، مع خصائص رئيسية للحافلات العارية تشمل:

• المعلمات الهندسية

• الموصلات الأنبوبية: القطر الخارجي والسمك الجداري

• الأسلاك المتعددة: المساحة المقطعية الاسمية

• الخصائص الميكانيكية

• قوة الشد/الضغط/الانحناء

• مقاومة الانحناء

• معامل القسم والممانعة اللحظية

• قدرة الحمل الكهربائي

• التيار المقنن: يحدد بواسطة مقاومة المادة وشروط التشتت الحراري. بما أن الموصلات العارية تعتمد على العزل الهوائي، فإن الجهد المقنن ليس معيار اختيار أساسي.

تكنولوجيا الاتصال بالحافلات

من الضروري استخدام وصلات متخصصة لإنهاء الحافلات إلى المعدات، كما هو موضح في الشكل 3. التكوينات النموذجية تشمل:

• الاتصالات المثبتة بالمسامير: مفاصل صلبة مثبتة بمسامير مراقبة العزم، تتطلب إدارة مقاومة الاتصال لمنع التسخين الزائد

• المفاصل التوسعية: تعويض التوسع الحراري، مما يقلل من تركيزات الإجهاد الهيكلي

• الطرفيات الانتقالية: معالجة التآكل الكهروكيميائي بين المواد المختلفة (مثل واجهات النحاس-الألمنيوم)

يجب أن يتم تصميم الاتصال وفقًا ل:

• معايير منطقة الاتصال لارتفاع درجة الحرارة (مثل IEC 61439)

• علاجات توافق المواد (مثل التغطية بالقصدير للانتقالات النحاس-الألمنيوم)

• الاستقرار الميكانيكي تحت قوى الديناميكيات الكهربائية للدائرة القصيرة

اعتبارات هندسية

تحتاج أنظمة الحافلات لأجهزة التبديل ذات الجهد المتوسط/العالي إلى تصميم متكامل ل:

• إدارة الحرارة: تحسين التدفق الهوائي أو التبريد القسري للتحكم في ارتفاع درجة الحرارة

• الاستقرار الديناميكي: الاستقرار الهيكلي تحت قوى الديناميكيات الكهربائية للدائرة القصيرة

• حماية البيئة: حماية IP3X أو أعلى تتناسب مع بيئات التشغيل

هذه الإجراءات مجتمعة تضمن نقل الطاقة بشكل موثوق به وتوسيع عمر الخدمة للمعدات.

تستخدم هذه الأنظمة على نطاق واسع في مراكز البيانات والمنشآت الصناعية لتوزيع الطاقة ذات التيار العالي، مما يتيح تخطيطًا مرناً وتوسيعًا سهلًا عبر التصميم النمطي.
بالنسبة للاتصالات النحاس-النحاس، تستخدم وصلات البرونز؛ وبالنسبة للاتصالات الألمنيوم-ألمنيوم، يجب استخدام وصلات سبائك الألمنيوم؛ وبالنسبة للاتصالات النحاس-ألمنيوم، يجب استخدام وصلات ثنائية المعادن لمنع التآكل الناتج عن التأثيرات الكهروكيميائية.
حافلات معزولة وأنظمة الأنابيب
في التثبيتات الداخلية ذات الجهد المتوسط (MV) والجهد المنخفض (LV) - خاصة حيث توجد تيارات عالية ومساحة محدودة - غالبًا ما يتم وضع الحافلات في أغلفة معدنية للحماية الميكانيكية والعزل.هذا التصميم يقلل من فقدان الحرارة للحافلات بسبب تقييد تدفق الهواء وفقدان الإشعاع، مما يؤدي إلى تصنيفات تيار أقل بكثير من تلك الخاصة بالتثبيتات في الهواء الطلق. يمكن استخدام الأغلفة المبردة لتقليل تخفيض التيار.

تحليل التفاصيل التقنية

• الحماية الكهروكيميائية لاتصالات المواد المختلفة

• المفاصل النحاس-النحاس: وصلات البرونز (البرونز القصدير أو الألمنيوم) تعزز موثوقية الاتصال من خلال تقوية الحل المتجانس، مما يمنع استرخاء الزحف النحاس النقى.

• المفاصل الألمنيوم-ألمنيوم: وصلات سبيكة الألمنيوم 6061-T6 تخضع لمعالجة الشيخوخة لضمان استقرار طبقة الأكسيد.

• الانتقالات النحاس-ألمنيوم: تستخدم وصلات ثنائية المعادن اللحام الانفجاري أو اللحام بالبراز (مثل القضبان المركبة النحاس-ألمنيوم) لحظر مسارات التآكل الكهروكيميائي.

• تحديات إدارة الحرارة في الحافلات المغلقة
  تحليل المقاومة الحرارية: تقليل التوصيل الحراري بنسبة 30٪-50٪ بسبب الفجوات الهوائية التي تشكلها الأغلفة.
  حلول التعويض:
  

• التبريد القسري بالهواء: زيادة قدرة الحمل الكهربائي بنسبة 20٪-30٪ بواسطة المراوح الداخلية.

• أجنحة التبريد للأغلفة: زيادة المساحة السطحية للتبريد الطبيعي.

• عزل ذو موصلي حراري عالي: طلاءات مطاط السيليكون لتقليل المقاومة الحرارية.

• مواصفات التطبيق الهندسي
  

• درجة الحماية: عادة ما تكون IP54 للبيئات الداخلية، مع ترقية إلى IP65 في البيئات الرطبة.

• تحمل الدائرة القصيرة: متوافق مع متطلبات الاستقرار الديناميكي والحراري لـ IEC 61439.

• تعويض التوسع: مفاصل التوسع كل 30-50 مترًا لاستيعاب التشوه الحراري.

تستخدم هذه الأنظمة على نطاق واسع في مراكز البيانات والمنشآت الصناعية لتوزيع الطاقة ذات التيار العالي، مما يتيح تخطيطًا مرناً وتوسيعًا سهلًا عبر التصميم النمطي.

حافلات معزولة

تتكون الحافلات المعزولة عادة من قضبان نحاسية أو ألمنيومية مسطحة (واحدة أو أكثر لكل مرحلة، بحجم يتناسب مع متطلبات التيار)، مع كل مرحلة محاطة بغلاف مُرضَح له بشكل منفصل. تربط نهايات الغلاف بقضبان مصنفة للدائرة القصيرة قادرة على حمل التيارات الكاملة للعطل. الغلاف يمنع أساسًا التصاق المراحل. بالإضافة إلى ذلك، يلغي المجالات المغناطيسية الناتجة عن تيارات الموصل: تيارات مساوية ومعاكسة تنشأ في الغلاف تحييد المجال المغناطيسي تقريبًا. وتشمل الوسائط العازلة الشائعة الهواء وSF₆.

أنظمة الأنابيب الحافلة ذات الجهد المنخفض

في التثبيتات ذات الجهد المنخفض، توفر أنظمة الأنابيب الحافلة حلًا فعالًا من حيث التكلفة لتوزيع الطاقة، لتزويد العديد من الأجهزة وربط لوحة التحكم أو المحولات، كما هو موضح في الشكل 5.

أنظمة الأنابيب الحافلة

تعتبر نظام الأنابيب الحافلة تكوينًا مسبق التجميع يحتوي على موصلات قضيبية مسطحة (للمرحل