تصميم محطة كهرباء فرعية: مقدمة
تعتبر المحطات الكهربائية جزءًا أساسيًا من شبكة توزيع الطاقة، حيث تعمل كمراكز لنقل وتوزيع الكهرباء. تتطلب هذه المرافق المعقدة التخطيط والتصميم والتنفيذ بدقة لضمان إمداد مستمر وفعال للطاقة.
في هذا المقال، سننظر في أساسيات تصميم محطات التحويل الكهربائية، بما في ذلك المكونات المختلفة والاعتبارات المتعلقة بالتخطيط والعوامل البيئية.
معايير تخطيط محطات التحويل
لا يمكن أن يكون مستوى العطل الأقصى على حافلة محطة تحويل جديدة أكثر من 80% من قدرة الفصل المحددة للقاطع الكهربائي.
يهدف الـ 20% من الهامش إلى التعويض عن زيادة مستويات الدائرة القصيرة مع تطور النظام.
يمكن حساب معدل تدفق التيار وكفاءة زمنية إزالة العطل للمعدات الكهربائية عند مستويات الجهد المختلفة كما يلي:
| وقت إزالة العطلة | مستوى الجهد | وقت التشغيل | تيار القطع | تيار الاعتراف |
| 150 مللي ثانية | 33 كيلو فولت | 60-80 مللي ثانية | 25 كا | 62.5 كا |
| 120 مللي ثانية | 132 كيلو فولت | 50 مللي ثانية | 25/31.5 كا | 70 كا |
| 100 مللي ثانية | 220 كيلو فولت | 50 مللي ثانية | 31.5/40 كا | 100 كا |
| 100 مللي ثانية | 400 كيلو فولت | 40 مللي ثانية | 40 كا | 100 كا |
يجب ألا تتجاوز القدرة لأي محطة تحويل واحدة على مستويات الجهد المختلفة بشكل عام.
| المحطة الفرعية | مستوى الجهد |
| 765 كيلو فولت | 2500 ميغا فولت أمبير |
| 400 كيلو فولت | 1000 ميغا فولت أمبير |
| 220 كيلو فولت | 320 ميغا فولت أمبير |
| 110 كيلو فولت | 150 ميغا فولت أمبير |
يجب تخطيط حجم وعدد المحولات المتصلة (ICTs) بطريقة لا تؤدي فيها فشل أي وحدة واحدة إلى زيادة الحمل على الوحدات المتبقية أو النظام الأساسي.
لا يمكن للمفتاح العالق أن يقطع أكثر من 4 خطوط تغذية لنظام 220 كيلو فولت، وخطين لنظام 400 كيلو فولت، وخط واحد لنظام 765 كيلو فولت.
متطلبات نظام محطة التحويل الفرعية
| S.No | Technical Parameter Description | Units | System | |||||
| 1 | System Nominal Voltage | kVrms | 400 kV | 220 kV | 132 kV | 33 kV | ||
| 2 | System Maximum Voltage | kVrms | 420 kV | 245 kV | 145 kV | 36 kV | ||
| 3 | Power frequency withstand voltage | kVrms | 630 kV | 460 kV | 275 kV | 70 kV | ||
| 520 kV | ||||||||
| 4 | Switching surge withstand voltage | kVp | ||||||
| (for 250/2500ms) | ||||||||
| 1). Line-to-Earth | 1050 kVp | Not | Not | Not | ||||
| 2). Across Isolating Gap | 900kVp+345kVrms | applicable | applicable | applicable | ||||
| 5 | Lightning Impulse Withstand Voltage | kVp for 1.2/50(ms) | ||||||
| 1). Line-to-Earth | 1425 kVp | 1050 kVp | 650 kVp | 170 kVp | ||||
| 2). Across isolating gap | 1425 kVp+ 240kVrms | 1200 kVp | 750 kVp | 195 kVp | ||||
| 6 | One minute power frequency withstand value | |||||||
| Dry | ||||||||
| Wet | kVrms | 520 | 460 | 275 | 70 | |||
| kVrms | 610 | 530 | 315 | 80 | ||||
| 7 | System frequency | Hz | 50 | |||||
| 8 | Variation in frequency | % | 2.5 | |||||
| 9 | Corona extinction voltage | 320 kV | 156 kV | 84 kV | ||||
| 10 | Radio interference voltage | 1000 mV at | 1000 mV | 1000 mV at | ||||
| 266 kV | at 167 kV | 93 kV | ||||||
| 11 | System Neutral rating | Solidly earthed | ||||||
| 12 | Continuous Current Rating | 1600 A (or) 2000 A | 1600 A | 800 A | 600 A | |||
| 13 | Symmetrical fault current (ISC) | kA | 40 | 40 | 31.5 | 25 | ||
| 14 | Short circuit fault current duration | Second | 1 | 1 | 1 | 3 | ||
| 15 | Dynamic short circuit (ISC) current rating | kAp | 100 kA | 100 kA | 79 kA | 62.5kA | ||
| 16 | Conductor spacing for AIS layouts (Phase-to-Ground) | meter | ||||||
| Phase-to-Phase | meter | 6.5 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||
| 7 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||||
| 17 | Design ambient temperatures | oC | 50 | |||||
| 18 | Pollution level as per IEC-815 & 71 | III | ||||||
| 19 | Creepage -Distance | mm | 10500 mm | 6125 mm | 3625 mm | 900 mm | ||
| 20 | Maximum fault clearing time | ms | <100 | <100ms | <150ms | |||
| 21 | Bay Width | meter | 27 | 16.4-18 | 10.4.12.0 | 5.5 | ||
| 22 | Bus equipment interconnection height from ground | meter | 8 | 5.5 | 5 | 4 | ||
| 23 | Strung busbar height | meter | >15 | 10 | 8 | 5.5 | ||
الترميز
الموثوقية: تعتبر موثوقية نظام الطاقة هي توفير الطاقة بشكل مستمر عند الجهد والتواتر المطلوبين. تأثر موثوقية المحطة الفرعية بالأعمدة الكهربائية، وقواطع الدائرة، والمتحولات، والعوازل، وأجهزة التنظيم.
معدل الفشل: هو معدل الفشل السنوي.
مدة الانقطاع: تشير مدة الانقطاع إلى الوقت اللازم لإصلاح المكون الذي فشل أو التحويل إلى مصدر إمداد مختلف.
وقت التحويل: هو الوقت من بداية الانقطاع حتى استعادة الخدمة عبر عملية التحويل.
خطة التحويل: يتم وضع الأعمدة الكهربائية والتجهيزات مع مراعاة التكلفة والمرونة ومعيار موثوقية النظام.
مسافة الفصل بين المرحلة والأرض: مسافة الفصل بين المرحلة والأرض في المحطة الفرعية هي
المسافة بين الموصل والهيكل.
المسافة بين المعدات الحية والهياكل &
المسافة بين الموصل الحي والأرض.
مسافة الفصل بين المراحل: مسافات الفصل بين المراحل في المحطة الفرعية هي
المسافة بين الموصلات الحية.
المسافة بين الموصلات الحية والأجهزة و
المسافة بين الأطراف الحية في قواطع الدائرة والعوازل وغيرها.
مسافة الفصل بالأرض: هي المسافة الدنيا من أي موقع قد يحتاج الإنسان الوقوف فيه إلى أقرب جزء غير محتمل للأرض من العازل الذي يدعم الموصل الحي.
مسافة الفصل القسمية: هي المسافة الدنيا من أي موقع للوقوف إلى أقرب موصل حي غير مغطى. يمكن حساب مسافة الفصل القسمية باستخدام ارتفاع شخص بذراعيه ممدودتين ومسافة الفصل بين المرحلة والأرض.
المسافة الأمنية: تشمل المسافة الأرضية والجزئية.
حقل الكهرباء الساكنة في محطة التحويل: يُنشئ الموصلات المشحونة أو الأجزاء المعدنية حقولًا كهربائية ساكنة. تمتلك محطات التحويل ذات الجهد العالي جدًا (EHV) فوق 400 كيلو فولت حقولًا كهربائية ساكنة تتغير اعتمادًا على الهندسة الخاصة بالموصل المشحون/الجزء المعدني والجسم المجاور المؤرض أو الأرض.
عام
خطوط النقل،
خطوط التغذية الفرعية للنقل،
مدارج التوليد، و
محولات الرفع والخفض
تتصل بمحطات التحويل أو محطات التبديل.
تعتبر محطات التحويل من 66 إلى 40 كيلو فولت EHV. فوق 500 كيلو فولت، تعتبر UHV.
تشابه مخاوف التصميم والطرق لمحطات التحويل ذات الجهد العالي (EHV)، ولكن بعض العناصر تهيمن عند مستويات الجهد المختلفة. حتى 220 كيلو فولت، يمكن تجاهل الزيادات أثناء التبديل، ولكن فوق 345 كيلو فولت، فهي ضرورية.
معايير تصميم محطة التحويل ودراساتها
ستتحدد متطلبات تصميم محطة التحويل بواسطة الدراسات التالية.
دراسات تدفق الحمل
دراسات الدائرة القصيرة
دراسات الاستقرار العابر
دراسات الجهد الزائد العابر
دراسات تدفق الحمل
ضمان محطة التحويل لنقل الطاقة بشكل موثوق إلى أحمال النظام.
تحدد دراسات تدفق الحمل الاحتياجات الخاصة بنقل التيار لمحطة التحويل الجديدة (أو) محطة التبديل بينما تكون جميع الخطوط في الخدمة وخلال الصيانة لبعض الخطوط المختارة.
بعد تقييم عدة حالات لتدفق الحمل، يمكن حساب التقييمات المستمرة والطارئة للمعدات.
دراسات الدائرة القصيرة
بالإضافة إلى التقييمات المستمرة للتيار، يجب أن يكون للمعدات في المحطة الكهربائية تقييمات قصيرة الأمد.
يجب أن تكون هذه التقييمات كافية لتمكين المعدات من تحمل حرارة وضغط التيار القصير دون حدوث أي ضرر.
لتوفير قدرة فصل كافية في المقاطع الكهربائية، وقوة في العوازل العمودية، والإعداد المناسب لأجهزة الحماية التي تكتشف العطل.
يجب تحديد أقصى وأدنى تيار قصير للعديد من أنواع وأماكن العلل والتكوينات النظامية.
دراسات الاستقرار العابر
الدخل الميكانيكي الطبيعي للمولد يساوي الإخراج الكهربائي بالإضافة إلى خسائر المولد.
تدور مولدات النظام بتردد 50 هرتز طالما استمر هذا. أي اضطراب في التدفق الميكانيكي أو الكهربائي يجعل سرعة المولد تبتعد عن 50 هرتز وتتأرجح حول نقطة توازن جديدة.
من الأضرار الشائعة جداً هو القصر الكهربائي. القصر الكهربائي بالقرب من المولد يقلل من الجهد الطرفي للمولد ويسرع الجهاز.
بعد إصلاح الخطأ، سيقوم الجهاز بتغذية الطاقة الزائدة إلى النظام الكهربائي لاستعادة حالته الأصلية.
عندما تكون الروابط الكهربائية قوية، يتباطأ الجهاز بسرعة ويستقر. الروابط الضعيفة تسبب عدم استقرار الجهاز.
تشمل العوامل المؤثرة على الاستقرار:
شدة العطلة،
سرعة إزالة العطلة،
الروابط بين الجهاز والنظام بعد حل العطلة.
يعتمد الاستقرار العابر للمحطة على
نوع وسرعة أجهزة حماية الخطوط والحافلات،
وقت الفصل في المقاطع الكهربائية، و
تكوين الحافلة بعد إزالة العطلة.
يشكل النقطة الأخيرة تأثيراً على ترتيب الحافلة.
سيتأثر خط واحد فقط إذا تم حل العطلة خلال الحماية الأولية.
قد يؤدي المقاطع الكهربائية المعطلة إلى فقدان عدة خطوط أثناء حماية فشل المقاطع، مما يضعف رابطة النظام.
دراسات الجهد الزائد العابر
يمكن أن يحدث الجهد الزائد العابر نتيجة للبرق أو التبديل في الدائرة.
تعتبر دراسات محلل الشبكة العابر (TNA) هي الطريقة الأكثر دقة لتحديد جهد التبديل الزائد.
تخطيط ترتيب المحطة الكهربائية
يتحدد ترتيب المحطة الكهربائية بناءً على الاعتبارات الفيزيائية والكهربائية بما في ذلك ما يلي:
أمان الأنظمة
مرونة التشغيل
سهولة الترتيبات الوقائية
حدّ مستوى التيار القصير
مرافق الصيانة
سهولة التوسعة
عوامل الموقع
اقتصادية
أمن الأنظمة
تشمل المحطات الكهربائية المثالية مقاطعًا كهربائية منفصلة لكل دائرة وتسمح باستبدال الحافلات أو المقاطع الكهربائية أثناء الصيانة أو الأعطال.
يمكن تحديد أمان النظام عن طريق السماح بنسبة 100% من الاعتماد على سلامة المحطة أو السماح بنسبة معينة من وقت التوقف بسبب الأعطال الدورية (أو) الصيانة.
على الرغم من أن نظام الحافلة المزدوج مع تصميم المقاطع الكهربائية المزدوجة هو الأمثل، إلا أنه محطة كهربائية باهظة الثمن.
مرونة العمليات
يعد التحكم في تحميل MVA و MVAR تحت جميع شروط اتصال الدائرة ضروريًا لكفاءة تحميل المولد.
يجب تجميع دوائر الحمل لتوفير السيطرة المثلى في الظروف العادية والطارئة.
ترتيبات حماية سهلة
إذا كان مفتاح الدائرة يتحكم في العديد من الدوائر أو إذا تم كسر المزيد من مفاتيح الدائرة، يمكن تخفيف ذلك بواسطة تقسيم الحافلة.
حتى لو كانت الوصلات الحامية بسيطة، فإن نظام الحافلة الواحد صارم للحماية المعقدة.
تحديد مستويات قصر الدائرة
يمكن تقسيم محطة التحويل إلى جزأين، إما بالكامل أو عبر اتصال المفاعل، لتقليل مستويات قصر الدائرة.
يمكن أن توفر استخدام مفاتيح الدائرة المناسبة في الأنظمة الحلقة ميزة مماثلة.
مرافق الصيانة
تتطلب الصيانة خلال تشغيل المحطة، سواء كانت مخططة (أو) طارئة.
يعتمد أداء المحطة أثناء الصيانة على الترتيبات الوقائية.
التوسع السهل
يجب أن يسمح تصميم محطة التحويل بتوسيع خانات جديدة للمغذيات.
مع تحسين النظام، قد يكون من الضروري التحويل من نظام الحافلة الواحدة إلى نظام الحافلة المزدوجة أو توسيع محطة الشبكة إلى محطة الحافلة المزدوجة.
ستكون المساحة ومرافق التوسع متاحة.
عوامل الموقع
تعتبر توافر الموقع ضرورية للتخطيط لمحطة التحويل. قد يكون من الضروري بناء محطة أقل مرونة في الأماكن المحدودة.
تحتل محطة التحويل ذات عدد أقل من مفاتيح الدائرة والرسم البياني البسيط مساحة أقل.
الاقتصادية
إذا كانت الاقتصاديات ممكنة، يمكن إنشاء ترتيب تبديل محسن لمتطلبات التكنولوجيا.
تخطيط محطة التحويل وتخطيط التبديل
يجب تصميم تخطيط محطة التحويل وتخطيط التبديل بدقة استنادًا إلى IEEE 141 لضمان كفاءة وسلامة نظام التوزيع الكهربائي.
المحولات،
مفاتيح الدائرة، و
المفاتيح
يجب اختياره بناءً على متطلبات الجهد والحمل.
للاستفادة القصوى من المساحة وتيسير الصيانة والسماح بالتوسع، يجب التخطيط بعناية للتصميم. يجب أن تربط الحافلات الكهربائية المعدات بكفاءة وأن تحسن الدوائر تدفق الطاقة وموثوقيتها.
من أجل اكتشاف العيوب والعزل السريع، هناك حاجة لأنظمة حماية ومراقبة قوية. تحدد المعايير التنظيمية والاهتمامات البيئية تصميم المحطة لتضمن السلامة والاعتمادية والامتثال البيئي.
يجب النظر في عدة جوانب أثناء تصميم مخطط وأوضاع التحويل ذات الجهد العالي جداً (EHV):
يجب أن يكون موثوقاً وآمناً ويضمن استمرارية الخدمة الممتازة.
تُشرح المخططات النموذجية لحافلات المحطات والحماية بشكل مفصل في:
ما هي الحافلة الكهربائية؟ الأنواع، المزايا، العيوب&
خطط حماية الحافلات الكهربائية
توفر تكوينات الحافلات المختلفة مزايا مختلفة من حيث الازدواجية والمرونة التشغيلية وسهولة الوصول للصيانة.
يضمن التخطيط الفعال للحافلة الكهربائية تدفق طاقة فعال ويسهل التوسع المستقبلي.
بنى الهياكل في ساحة التحويل
يحتاج إلى هياكل لدعم وتثبيت المعدات الكهربائية والحافلات وإنهاء كابلات خطوط النقل.
يمكن أن تكون الهياكل مصنوعة من الصلب أو الخشب أو الرك أو البسك. بناءً على نوع التربة، تحتاج إلى أساسات.
تستخدم المحطات الهياكل المصنعة من الصلب لمزاياها.
الـ
مسافة الطور،
مسافة الأرض،
الموازيات العازلة،
طول الحافلة، و
وزن المعدات
تؤثر على تصميم الهيكل.
الانحناء،
انهيار الفلنج،
قص الرأسي والأفقي، و
إضعاف الويب
يجب منع فشل عوارض الحديد والعتبات.
يجب أن تكون العتبات الصندوقية الشبكية من 1/10 إلى 1/15 من طول القوس والمربع. عادةً، لا يمكن أن يتجاوز انحناء العارضة 1/250 من طول القوس.
يجب أن يكون قطر البراغي والمكسرات في الهيكل 16 ملم، باستثناء الأقسام الخفيفة الحمل حيث يمكن أن يكون 12 ملم.
يجب أن يتكون الحمل التصميمي للأعمدة والعوارض من
توتر الموصل،
توتر سلك الأرض،
وزن الموازيات والمعدات، و
حمل الكسر (حوالي 350 كجم)،
وزن العامل والأدوات (200 كجم)
أحمال الرياح والتعرض
خلال تشغيل المعدات.
يجب أن يتم إنهاء نطاق تحميل الخط الجوي بواسطة هياكل برج المحطة الفرعية. يمكن أن يصل إلى +15 درجة رأسياً و+30 درجة أفقياً.
يمكن طلاء هياكل الساحة أو غمرها بالزنك.
تحتاج الهياكل المصنوعة من الصلب المجلفن إلى صيانة محدودة.
ومع ذلك، توفر الهياكل المطلية مقاومة أفضل للتآكل في بعض المناطق الملوثة بشكل شديد.
عادة ما يتم استخدام المسافات بين الطور كالتالي:
| 11 كيلوفولت | 1.3 متر |
| 33 كيلوفولت | 1.5 متر |
| 66 كيلوفولت | 2.0 إلى 2.2 متر |
| 110 كيلوفولت | 2.4 إلى 3 متر |
| 220 كيلوفولت | 4.5 متر |
| 400 كيلوفولت | 7.0 متر |
تصميم الحافلة الكهربائية
لتسهيل الاتصال بين المكونات المختلفة التي تشكل محطة التحويل، يتم استخدام الحافلات الكهربائية كقضبان موصلة لنقل الطاقة الكهربائية داخل المحطة.
تقل الخسائر الكهربائية وتزداد توزيع الطاقة اتساقاً ويتحسن أداء المحطة عندما يتم تصميم وتحديد حجم الحافلات الكهربائية بشكل صحيح.
محطة التحويل – أنظمة التحكم
تعمل أوتوماتيزية محطة التحويل على تحسين التشغيل والكفاءة من خلال الجمع بين أنظمة التحكم والأجهزة الذكية وشبكات الاتصال.
يحسن الرصد في الوقت الحقيقي والتحكم عن بعد وتحليل البيانات والصيانة التنبؤية من موثوقية النظام ويخفض وقت التوقف مع الأتمتة.
تحسين أوتوماتيزية محطة التحويل وجمع البيانات والتحكم عن بعد بواسطة أنظمة التحكم المتقدمة مثل SCADA.
تستخدم أوتوماتيزية محطة التحويل أنظمة SCADA للتحكم والرصد المركزي.
تقوم أنظمة SCADA بجمع بيانات محطة التحويل لتحسين تدفق الطاقة واتخاذ القرارات وحل الأعطال بسرعة.
تصميم محطة التحويل – بروتوكولات الاتصال
يتطلب تصميم معمارية المحطة الكهربائية بروتوكولات اتصال موثوقة مثل IEC 61850، DNP3، أو Modbus للتوافق والنزاهة البيانات والأمان السيبراني.
بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة مستحقة للتبادل، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل للحذف.
