إنتاج محولات التوتر الفائق: بطيء، دقيق، ضروري

1. نظرة عامة

• تعتبر محولات الجهد الفائق العالي (UHV) معدات أساسية في الأنظمة الكهربائية الحديثة. ففهم تصنيفات الجهد الخاصة بها والهيكل المعقد وعمليات التصنيع الدقيقة والتقنيات الإنتاجية الحرجة يكشف عن سبب اعتبارها قمة قدرة تصنيع المعدات الكهربائية للدولة.

• تعريف مستوى الجهد
  يعني مصطلح "محول الجهد الفائق العالي" عادة المحولات المستخدمة في خطوط نقل التيار المتردد ذات تصنيف 1000 كيلوفولت أو أعلى، أو في خطوط نقل التيار المستمر ذات تصنيف ±800 كيلوفولت أو أعلى.

1.1 الخلفية التقنية
إن تطوير مثل هذه المحولات ذات الجهد العالي يُحفز بواسطة النمو الاقتصادي الوطني والنامي في قطاع الطاقة، مع هدف تمكين نقل الطاقة على مسافات طويلة وبسعة عالية وخسائر منخفضة. على سبيل المثال، منذ عام 2010، طورت الصين بشكل مستقل محولاً جهد فائق عالي بقدرة 1000 كيلوفولت / 1000 ميغا فولت أمبير.

1.2 الجهد الفائق العالي في نقل التيار المستمر
تعتبر تقنية الجهد الفائق العالي بالغة الأهمية أيضًا في نقل التيار المستمر ذو الجهد العالي (HVDC). على سبيل المثال، يعتبر محول تحويل التيار المستمر ذو الجهد الفائق العالي ±1100 كيلوفولت أحد المنتجات الرئيسية ضمن استراتيجيات "صنع في الصين 2025" و"الحزام والطريق" في الصين، وقد أصبحت تقنيته الآن معترف بها كرائدة عالمياً.

2. المكونات الرئيسية
تتميز محولات الجهد الفائق العالي بهياكل معقدة ودقيقة للغاية. على سبيل المثال، فإن محول الجهد الفائق العالي المنغم بالزيت يتكون أساساً من المكونات التالية:

3. عمليات التصنيع والتكنولوجيات الرئيسية

تصنيع محولات الجهد الفائق عبارة عن عملية هندسية منظمة تمتد من المواد الخام إلى المنتج النهائي. فيما يلي تفصيل لأهم مراحل الإنتاج:

العمليات الرئيسية التالية حاسمة لأداء وعمر الخدمة المحولات ذات الجهد الفائق العالي (UHV) وتتطلب اهتمامًا خاصًا:

3.1 تصميم الكهرومغناطيسي وتحكم في المجال المغناطيسي الضائع

3.1.1 الأهمية

لدى المحولات ذات الجهد الفائق العالي قدرات عالية جدًا (مثل، حتى 500 ميغا فولت أمبير لكل فرع)، مما يجعل المجال المغناطيسي الضائع مشكلة أكثر وضوحًا. يمكن أن يؤدي المجال المغناطيسي الضائع الزائد إلى تسخين محلي وإضافات خسائر، مما يعرض التشغيل الآمن للخطر.
3.1.2 الاعتبارات الرئيسية
يجب استخدام تقنيات محاكاة كهرومغناطيسية متقدمة. تستخدم إجراءات مثل الدروع المغناطيسية المبتكرة للأذرعة والدروع النحاسية على شكل "L" عند مفاصل الخزان لتقليل خسائر التيار الدوامي في المكونات الهيكلية - بحوالي 25%.

3.2 تصميم وتصنيع هيكل العزل
3.2.1 الأهمية
يعتبر نظام العزل هو الشريان الحيوي لتشغيل المحولات ذات الجهد الفائق العالي بشكل موثوق، حيث يجب أن يتحمل جهود تشغيل عالية جدًا وأجهزة فائقة الجهد المحتملة.
3.2.2 الاعتبارات الرئيسية
يتم تبني تصاميم مثل هياكل العزل المتعددة الطبقات المصبوبة بزوايا حلقة لضمان توزيع موحد للمجال الكهربائي وهامش عزل كافٍ في نهايات الملفات ومخارج الرصاص. يجب السيطرة الصارمة على عمليات التغلغل بالفراغ والتجفيف - على سبيل المثال، باستخدام معدات التجفيف بالمرحلة البخارية عالية السعة على الموقع لضمان تجفيف كامل للمواد العازلة، لتحقيق محتوى رطوبة ≤ 0.4%. هذا أمر حاسم لمنع التفريغ الجزئي وانهيار العزل.

3.3 عملية التجميع على الموقع
3.3.1 الأهمية
في المناطق التي تواجه تحديات في النقل - مثل المناطق المرتفعة أو الجبلية - يجب تجميع المحولات ذات الجهد الفائق العالي على الموقع. يتضمن ذلك تفكيك ونقل وحماية وإعادة تجميع آلاف المكونات، مما يجعل تعقيد تصميمها وعملية التجميع يتجاوز بكثير تلك الخاصة بالمحولات التقليدية.
3.3.2 الاعتبارات الرئيسية
من الضروري تصاميم هيكلية محددة - على سبيل المثال، أطر القلب المجزأة وأنظمة الاتصال القابلة للاستبدال. يجب أن تصل دقة التسامح في التجميع على الموقع إلى مستوى الملليمترات (مثل، انحراف محاذاة مركز الملفات إلى القلب < 3 ملم). يتطلب الأمر عملية صارمة للتحكم في التسامح ومنع الرطوبة والحماية من الغبار لضمان الأداء بعد التجميع.

3.4 تصنيع الملفات ومراقبة الجودة
3.4.1 الأهمية
تحدد جودة الملفات مباشرة الأداء الكهربائي والقوة الميكانيكية وقدرة تحمل القصر للمحول.
3.4.2 الاعتبارات الرئيسية
يجب استخدام معدات ملفات آلية لتحقيق السيطرة الدقيقة على التوتر ومحاذاة الطبقات. بعد التصنيع، يتم إجراء اختبارات تحمل الجهد الكهربائي وتقيس مقاومة التيار المستمر للتخلص من المخاطر مثل القصر بين الأجزاء.

3.5 اختبارات القبول في المصنع وقياس التفريغ الجزئي
3.5.1 الأهمية
تعتبر هذه الاختبارات نقطة التحقق الأخيرة من الجودة قبل التسليم، حيث تحدد العيوب المحتملة في التصميم أو التصنيع.
3.5.2 الاعتبارات الرئيسية
بالإضافة إلى الاختبارات القياسية، يعتبر قياس التفريغ الجزئي (PD) خاصة حاسمًا. يعتبر اختبار PD حساسًا للغاية لأوجه القصور الدقيقة في العزل ويعد مؤشرًا رئيسيًا لحالة العزل الداخلي.

3.6 ملفات الملفات للمحولات ذات الجهد الفائق العالي
3.6.1

3.6.2 أسباب عدم إمكانية تطبيق التصنيع الآلي الكامل للف ملفات الملفوفة
هناك ثلاثة أسباب رئيسية تجعل الحرف اليدوية لا تزال غير قابلة للتعويض في لف ملفات محولات الجهد الفائق:

3.6.2.1 متطلبات الدقة الشديدة
عادة ما يتم لف ملفات محولات الجهد الفائق من آلاف الأمتار من الموصل، مما يشكل عدة آلاف من اللفات، مع وزن نهائي يصل إلى 20-30 طناً مترية. خلال عملية اللف، يجب تنفيذ كل ضربة للمطرقة، وضع كل عازل فاصل، ولف كل طبقة من الورق العازل بدقة مطلقة—أي انحراف غير مقبول. هذا المستوى من الحكم الفوري والتكييف الدقيق يتجاوز القدرات الحالية للآلات، حيث لا يمكن لـ "الأيدي" و "الأعين" الآلية أن توازي المهارة والحدس لأصحاب الحرفة الماهرة.

3.6.2.2 التعقيد الهيكلي والمرونة
تأتي محولات الجهد الفائق بتصميمات متنوعة ذات هياكل معقدة ومتغيرة للغاية. على سبيل المثال، في محولات التحويل ±1,100 كيلو فولت، قد يكون هناك حاجة لمئات أو حتى آلاف نقاط اللحام لربط أنواع مختلفة من الموصلات. يجب على المشغلين تعديل التقنيات على الفور بناءً على الاختلافات الدقيقة في مواد الأسلاك—مثل "ربط الأوعية الدموية الدقيقة." هذه القرارات التنفيذية غير المعيارية والمرنة هي بالضبط ما تتفوق فيه المهارة اليدوية.

3.6.2.3 السعي غير القابل للتصرف نحو الجودة
يشمل ملف واحد عشرات الآلاف من التفاصيل الحرجة. أصغر تجاهل—مثل نسيان طبقة واحدة من الورق العازل—يمكن أن يؤدي إلى انهيار العزل، مما يؤدي إلى تكاليف إعادة العمل بمئات الآلاف أو حتى ملايين الريالات الصينية، وقد يعرض سلامة شبكة الطاقة بأكملها للخطر. نظرًا لهذا الخطر الشديد على الجودة، فإن الاعتماد على حرفيين مسؤولين ومهرة للغاية يظل النهج الأكثر موثوقية.

4. القدرة الإنتاجية

في صناعة محولات الجهد الفائق، يتم قياس الإنتاج السنوي عادةً من خلال الطاقة الإجمالية (بالكيلو فولت أمبير)، وليس بعدد الوحدات، لأن تصنيفات المحولات الفردية تختلف بشكل كبير—من بضع مئات من الميجا فولت أمبير إلى أكثر من 1,000 ميجا فولت أمبير لكل وحدة.

4.1 القدرة العملية والتوازن الاستراتيجي
نظرًا للطبيعة الزمنية الكثيفة لللف اليدوي، كيف تلبي الصناعة الطلب؟

4.1.1 الموثوقية على السرعة
غالبًا ما تُسمى محولات الجهد الفائق "قلب" شبكة الطاقة، حيث تعتبر الموثوقية أهم شيء. على سبيل المثال، شارك الحرفي الماهر تشانغ غويون في لف أكثر من 10,000 ملف على مدى 25 عامًا، بإجمالي طول موصل يتجاوز 40,000 كيلومتر. تحقق ملفاته اليدوية باستمرار دقة بين طبقات الموصل ضمن 1 مم—نصف المعيار الصناعي البالغ 2 مم. هذه الدقة الاستثنائية، التي لا يمكن للآلات بعد أن تكررها بشكل مستقر، تحدد مباشرة أداء المحول وعمر خدمته.

4.1.2 كيفية قياس القدرة
تنتج هذه الأصول عالية القيمة على أساس "قيادة الطلب" الصارم، وليس للمخزون—مثل بناء حاملات الطائرات أو آلات الليثوغرافيا EUV. وبالتالي، يتم تعريف القدرة على عدد الوحدات المؤهلة التي يمكن لمصنع تسليمها بنجاح في السنة.

4.1.3 استراتيجيات لتحسين الكفاءة العامة
لتحسين الكفاءة دون المساس بالجودة، تستثمر الشركات المصنعة بكثافة في تربية فرق كبيرة من الفنيين المهرة. على سبيل المثال، تم تدريب أكثر من 2,000 موظف على تقنيات اللف المتقدمة في "استوديوهات ابتكار الحرفيين الماهرين." بالإضافة إلى ذلك، يتم تحسين التخطيط والإدارة العمليات لضمان التنسيق السلس بين عمليات لف الأساسية والعمليات الداعمة قبل وبعد.

4.2 سبب تقييد الإنتاج السنوي
لا يمكن قياس حجم الإنتاج السنوي لمحولات الجهد الفائق (UHV) بالمئات من الآلاف كما هو الحال مع البضائع العادية، وهذا يعود بشكل أساسي إلى تعقيد عمليات التصنيع وطول دورة الإنتاج.

4.2.1 تقنية معقدة ومتطلبات زمنية طويلة
غالباً ما يتم اعتبار محولات الجهد الفائق "قلب" الشبكة الكهربائية، وهي تخضع لمعايير تصميم وإنتاج واختبار شديدة الصرامة. يتطلب العملية برمتها - بدءاً من شراء المواد الأولية وتصنيع المكونات الرئيسية بدقة (مثل ملفات السلف والمغناطيسات) وحتى التجميع النهائي والاختبارات الشديدة التي تستغرق أشهرًا - وقتًا طويلًا لإكمالها.

4.2.2 تخصيص الطاقة لعدد قليل من المشاريع الكبرى
عالمياً، يوجد فقط عدد محدود من الشركات القادرة على تصنيع محولات الجهد الفائق بقوة ±800 كيلوفولت أو أعلى (مثل TBEA، XD Group، Siemens، ABB). يتم الموافقة على مشاريع الجهد الفائق الوطنية وتشييدها في مراحل، مع التخطيط الدقيق لكميات المحولات لكل مشروع رئيسي. على سبيل المثال، قد يحتاج مشروع نقل تيار مستمر فائق الجهد الواحد إلى عشرات محولات التحويل. وبالتالي، يتم تخصيص الطاقة الإنتاجية الضخمة للمصنعين الرائدين - مثل طاقة TBEA التي تبلغ حوالي 500 مليون كيلو فولت أمبير - لتلبية الطلبات الخاصة بالمشاريع الكبيرة بدلاً من إنتاج المخزون للبيع المتوقع.

4.3 السياق الصناعي والطلب العالمي

4.3.1 نمو قوي محلي
يمر بناء شبكة الجهد الفائق في الصين حالياً بفترة من التوسع السريع. وفقاً للتخطيط الوطني، خلال فترة الخطة الخمسية الرابعة عشرة (2021-2025)، خططت شركة الدولة للشبكة لبناء 38 خط جهد فائق جديد - بما في ذلك 24 مشروعاً للتيار المتردد و14 مشروعاً للتيار المستمر - مما يزيد بشكل كبير عن نطاق الخطة الخمسية الثالثة عشرة. هذا يوفر سوقاً محلية مستقرة ومتنامية لمحولات الجهد الفائق.

4.3.2 زيادة الطلب العالمي مع الصين كمورد رئيسي
عالمياً، يواجه قطاع الكهرباء نقصاً شديداً في المحولات. امتدت أوقات التسليم للمحولات القياسية لأكثر من عامين، وأصبحت لأجهزة المحولات الكهربائية الكبيرة تصل إلى ثلاثة إلى أربعة أعوام. في هذا السياق، ظهرت الصين كمورد عالمي رئيسي، بفضل سلسلتها الصناعية الكاملة وكفاءتها الإنتاجية العالية (على سبيل المثال، بينما يستغرق الأمر حوالي 18 شهراً للشركات الأجنبية لبناء محول جهد فائق واحد، يمكن للمؤسسات الصينية الرائدة إكماله في حوالي ثلاثة أشهر) والقدرة التنافسية من حيث التكلفة. زادت صادرات المحولات من الصين - وصلت إلى 29.711 مليار يوان في الأشهر الثمانية الأولى من عام 2025 وحدها، بزيادة تجاوزت 50% على أساس سنوي - مما يظهر أن قدرة الصين الإنتاجية تلبي الطلب الدولي المتزايد بنشاط.

4. الخاتمة
كـ "قلب القوة" الذي ينقل الكهرباء عبر الجبال والوديان، تمثل محولات الجهد الفائق أعلى مستويات الهندسة - من التصميم والمواد إلى كل خطوة من خطوات التصنيع. إن هذه العمليات الصارمة والثورة في التقنيات الحرجة هي التي تدعم الشبكة الكهربائية الحديثة والفعالة والموثوقة للغاية اليوم.