تطوير وتطبيق محطة تحويل مصغرة ذكية مُعدة مسبقًا
مع تطور متسارع للمدن الذكية، يتم تحديث وتجديد شبكة التوزيع الحضرية باستمرار، وتتقدم أعمال إنشاء مشاريع دفن الخطوط الجوية بشكل مستقر. يتم استبدال عدد كبير من خطوط التوتر المتوسط الجوية بأسلاك تحت الأرض. نظرًا للظروف الحالية مثل محدودية المساحة على بعض الطرق الحضرية ونقص مواقع تركيب المعدات، يتم وضع متطلبات أعلى حجمًا وهيكليًا وأداءً لمحطات التحويل المصنعة التقليدية.
بناءً على تطبيق محطات التحويل المصنعة التقليدية، يجري هذا المقال بحثًا وتحليلًا ويصمم محطة تحويل مصغرة ذكية ومناظر طبيعية. تتميز هذه المحطة المصنعة بهيكل مدمج وأداء مستقر وقوة عملية وموثوقية عالية في التزويد بالطاقة. يمكنها الاستفادة الكثيفة من المساحة الحضرية المركزية، والتوافق والانسجام مع البيئة المحيطة، ويمكن تطبيقها على نطاق واسع في مشاريع تحديث وتجديد شبكات التوزيع الحضرية.
1 تصميم المظهر الخارجي لمحطة التحويل المصغرة الذكية
بأخذ متطلبات مثل الموقع الجغرافي ومعدل استخدام المساحة والقيود البيئية بعين الاعتبار، تستخدم محطة التحويل المصغرة الذكية تخطيطًا طويلًا وضيقًا. حجمها هو ثلثي حجم محطة التحويل المصنعة الأصلية فقط. القشرة (بما في ذلك الأعلى والأبواب والقاع والمكونات المعدنية الداخلية) وملحقاتها جميعها مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304، بينما يستخدم الجزء الداخلي صفائح فولاذ رقيقة ذات غمس ساخن من SGCC، ويتم إضافة مواد عازلة للحرارة وممانعة للحريق إلى الجدران المحيطة. يتم طلاء السطح الخارجي باللون الأخضر الداكن، وهو جذاب وبديع وصديق للبيئة.
للقشرة قوة ميكانيكية كافية وأداء زلزالي لضمان أنها لا تتأثر أو تشوه بسهولة أثناء النقل والتثبيت والرفع. يعتمد الجزء العلوي من القشرة على بنية "الشكل الهerringbone" بميل 5°. إنه بنية ثنائية الطبقة لها تأثير عزل الإشعاع الشمسي. يتم تجهيزه بأجنحة مضادة للتدفق العكسي وقناة تهوية، ويمكن فصل الجزء العلوي من القشرة. الأبواب للقشرة هي بنية مسمار أمان مزدوجة وتفتح خارجًا. الجزء السفلي من القشرة مغموس بالزنك ساخنًا ومتصل بشكل غير مفصلي مع الجسم الرئيسي للقشرة. يوجد فتحة صيانة في الأسفل، ويتم تثبيت شريط ختم حول فتحة الصيانة. يتم توفير أجهزة ختم أسلاك مقاومة للحريق على الجانبين، ولها ختم جيد وإجراءات مكافحة الرطوبة كاملة.
جميع الأجزاء الملحومة والوصلات الخارجية لمحطة التحويل المصغرة الذكية مختومة بشكل جيد، ولها خصائص مثل مقاومة الماء والغبار والصدأ والإشعاع فوق البنفسجي. فهي جميلة وصديقة للبيئة. دون الحاجة للصيانة، يمكن أن يصل عمر الخدمة الطبيعي لها إلى 40 عامًا.
2 وظائف التصميم الهيكلي والتخطيطي لمحطة التحويل المصغرة الذكية
2.1 تصميم التخطيط الهيكلي
هيكل محطة التحويل المصغرة الذكية بسيط. يتم تقسيم الداخل إلى ستة غرف وظيفية رئيسية: غرفة المحول، غرفة الضغط العالي، غرفة الضغط المنخفض، غرفة الأتمتة، غرفة الاتصالات، وغرفة جمع الطاقة. هذه الغرف الوظيفية منفصلة تمامًا عن بعضها البعض وتُرتَّب بشكل "عين".
يمكن لهذه المحطة أن يكون لها أبواب على الأربعة جوانب، مما يلبي متطلبات الصيانة لفتح الأبواب على ثلاث جوانب. تجهز أبواب غرفتي الضغط العالي والضغط المنخفض بإغلاق ميكانيكي لتضمن أن يمكن فتح باب غرفة الضغط العالي فقط عندما يكون باب غرفة الضغط المنخفض مفتوحًا. كل غرفة وظيفية تستخدم طريقة تهوية طبيعية مستقلة لتلبية متطلبات جميع المعدات الكهربائية للحرارة والرطوبة. عند الحاجة، يمكن إضافة أجهزة تسخين وجفاف وغيرها من المعدات لضمان التشغيل الآمن والموثوق به في الخارج.
المكونات الرئيسية لهذه المحطة تشمل: محولات مغمورة بالزيت، وحدات حلقة التوزيع ذات التوتر 10 كيلو فولت باستخدام مفاتيح الهواء البلاستيكية المغلقة بالغاز SF6 (على الجانب ذو الضغط المنخفض)، وواجهات الطوارئ القياسية السريعة (على الجانب الأمامي للأمبيريات)، بالإضافة إلى وحدات المحطة النهائية، العدادات العامة، المجمعات، أجهزة التكوين الذكي، أطراف الاتصال الضوئية، وما إلى ذلك.
2.2 تصميم الغرف الوظيفية
(1) غرفة المحول. تتضمن غرفة المحول المحولات، المبردات، أسلاك الحافلة، وشبكات الحماية، وغيرها. يتم استخدام محول توزيع مغلق بالكامل من الصفائح السيليكونية أو السبائك غير البلورية. يتم تجهيز الجانب ذو التوتر العالي برؤوس كابلات مثبتة مسبقًا، ويتم تجهيز الشواهد ذات التوتر المنخفض بغلاف عازل. يمكن اختيار السعة كـ 500 كيلوفولت أمبير أو 630 كيلوفولت أمبير.
(2) غرفة الضغط العالي. تتكون غرفة الضغط العالي من وحدات حلقة التوزيع ذات التوتر 10 كيلو فولت، والتي تنقسم إلى خزانات الوحدات القادمة والخارجة، وكلاهما مغلق بشكل مستقل. وحدة الحلقة هي بنية مغلقة بالكامل وشائكة مشتركة، وتستخدم الغاز SF6 لإطفاء القوس والعزل. يتم تجهيز صندوق الغاز بجهاز عرض ضغط الغاز مع نقطة مساعد إنذار مفتوحة دائمًا. صندوق الغاز وجسم الخزان مصنوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 وصفائح الزنك المغلفة بالألمنيوم ذات الجودة العالية على التوالي، ويتم استخدام عملية الرش الكهروستاتيكي للأيبوكسي على سطح جسم الخزان.
يتم تقسيم خزان الوحدة إلى غرفة ثانوية، غرفة مفتاح الحمل، وغرفة الكابل من الأعلى إلى الأسفل. تقع الغرفة الثانوية في الجزء العلوي من خزان الوحدة. يتم تجهيز لوحة الغرفة بالمفاتيح المتقطعة، مؤشرات التشغيل، مفاتيح التحويل المحلية/عن بعد، بالإضافة إلى المؤشرات المعيبة والمؤيدة للحياة، وغيرها. عادة ما يتم اختيار وحدة مفتاح الحمل من مجموعة الأجهزة الكهربائية لمفتاح الحمل والصمام المحدود للتيار. حيث يمكن لمفتاح الحمل قطع التيار المحدد للحمل والتحويل عندما يحدث عطل على الجانب ذو التوتر المنخفض للمحول؛ يمكن للصمام المحدود للتيار قطع مختلف التيارات القصيرة بين الأطوار والتوصيل بالأرض والتيارات الزائدة.
يمكن لمفتاح الحمل تحقيق الفتح والإغلاق والتوصيل بالأرض عبر التشغيل الكهربائي واليدوي، والعمل بسيط وسهل. تتمتع وحدة مفتاح الحمل ووحدة التوصيل بالأرض بوظيفة تداخل "خمسة-منع" موثوقة. تستخدم غرفة الكابلات في خزان الوحدة أساسًا قناة الكابلات ذات التوتر العالي للدخول والخروج من تحت الأرض. تكون مواقع نهايات الكابلات القادمة والخارجة مريحة للتثبيت، ويتم تثبيت محول تيار عالي فتح.
(3) غرفة الضغط المنخفض. تتكون غرفة الضغط المنخفض بشكل أساسي من معدات التوزيع ذات الضغط المنخفض، وغرف الطوارئ، وفتحات الصيانة، وغيرها. لون جسم الخزان ذو الضغط المنخفض هو نفسه لون جسم الخزان ذو الضغط العالي، باستخدام RAL7035. يتم تثبيت عداد رقمي متعدد الوظائف قابل للإدخال على لوحة الخزان ذو الضغط المنخفض، والذي يمكنه عرض الجهد والتيار ويدعم الاتصال RS-485. يتم استخدام أربع مفاتيح هواء بلاستيكية ذات أربعة مسارات وخالية من الشرار في الخطوط الخرجية ذات الضغط المنخفض. يتم توفير خطوط المحايد والأرضية على الجانب ذو الضغط المنخفض، وكلاهما موضع في قاع الخزان ذو الضغط المنخفض.
تتم مقدمة الحافلة ذات الضغط المنخفض للمحول إلى معدات التوزيع ذات الضغط المنخفض من غرفة الطوارئ، ويتم تصميمها بحيث تكون قابلة للفك. بعد تحويل التوصيل، تصبح خطًا خارجيًا ذو ضغط منخفض إلى الكابل الخارجي في قاع الخزان ذو الضغط المنخفض. يمكن تصميم عدد الدوائر الخارجة بطريقة مرنة حسب الاحتياجات. يجب أن تأتي غرفة الطوارئ مع تعليمات التشغيل، وفتحة الصيانة مريحة للصيانة اليدوية.
(4) غرفة الأتمتة. تم تجهيز المحطة المصنعة بأوتوماتيكية مستقلة، والتي تقوم فيها وحدة أتمتة التوزيع (DTU) براقبة وتحكم في ظروف التشغيل لدوائر التوتر العالي الداخلة والخارجة، لتحقيق وظائف مثل القياس البعيد، الإشارة البعيدة، التحكم البعيد، والتعديل البعيد. يتم استخدام DTU كهرباء الشبكة الرئيسية للطاقة أولًا. عندما لا تتوفر شروط للكهرباء الشبكة الرئيسية، يتم استخدام محول الجهد لتوفير الطاقة واستخدام البطارية المصاحبة كمصدر طاقة احتياطي.
يحتوي على وحدة إدارة الطاقة داخلية، والتي يمكنها تلبية إخراج AC220V وDC24V وتوفير مصدر طاقة تيار متردد AC220V للآلية الكهربائية للوحدة الحلقة. يدعم DTU العديد من طرق الاتصال والبروتوكولات الاتصالية، ويحتوي على 2 واجهة سلسلة RS-485 و2 واجهة شبكة (RJ45)، المتوافقة مع بروتوكولات مثل IEC101، IEC104، وCDT؛ يتم تثبيت DTU كوحدة كاملة في خزان مثبت على الجدار، باستخدام مقبس الطيران، مما يجعله سهل الفك والتثبيت والصيانة في الموقع، ويمكنه تلبية متطلبات تخطيط المساحة لمجموعة من الأجهزة النهائية ومصدر الطاقة الاحتياطي.
(5) غرفة الاتصالات. تم تجهيز المحطة المصنعة بغرفة اتصالات مستقلة، والتي يتم تجهيزها داخليًا بلوحة توزيع الضوء، وتبديل الشبكة الصناعية، ووحدة الشبكة الضوئية، وتجهيز فتحات التوصيل والحفر للأسلاك الضوئية، والأطراف، والسحب الكهربائية. يمكن لهذه الغرفة نقل بيانات الرصد داخل المحطة المصنعة إلى منصة الرصد الذكية، وبالتالي مراقبة حالتها وبياناتها في الوقت الحقيقي.
(6) غرفة جمع الطاقة. تقع غرفة جمع الطاقة فوق غرفة الاتصالات. يتم تجهيزها بمواقع تثبيت لأجهزة الطرف النهائي الذكية للمحولات، والمجمعات، والعدادات العامة للمنطقة المحولة، بالإضافة إلى مساحات تثبيت لكتل المحطات وصناديق الاختبار المركبة، وتجهيز فتحات التوصيل والحفر للإشارة والأسلاك الاتصالية.
تتولى هذه الغرفة قياس مختلف معلمات التشغيل للمحطة المصنعة وهي مركز الاتصالات لبيانات الطاقة الكهربائية. من جهة، تقوم بجمع وتخزين بيانات الطاقة الكهربائية التي يتم إخراجها على شكل اتصال سلسلة بواسطة العدادات الرقمية للطاقة الكهربائية. ومن جهة أخرى، تقوم بإرسال بيانات الطاقة الكهربائية التي تم جمعها إلى الكمبيوتر الرئيسي لنظام التحصيل الآلي للطاقة الكهربائية عبر القناة الصاعدة.
2.3 تصميم جهاز التأريض
يستخدم جهاز التأريض للمحطة المصنعة المصغرة الذكية أنبوب الحديد المجلفن. يتم تجهيز حافلة التأريض للقاعدة من الصلب المصبوب بمرتين من نقاط التأريض النحاسية المتصلة بجهاز التأريض، مع مساحة ملامسة كهربائية تبلغ 160 ملم² وعلامات واضحة. يتم توصيل الخط المحايد ذو الضغط المنخفض للمحول مباشرة بالجسم المتأرض. فيما يتعلق بذلك، يتم توصيل غرفة المحول وغرفة الضغط العالي وغرفة الضغط المنخفض باستخدام نقاط التأريض.
يتم إضافة أغطية حماية شفافة للأسلاك الأرضية الثانوية للأجهزة الكهربائية، ولهذه الأسلاك النحاسية مساحة مقطعية تبلغ 4 ملم²؛ يتم توصيل جميع الأبواب المعدنية والأجزاء المعدنية والأطر المعدنية بشكل مستمر وموثوق به بالأرض. يتم إدخال الشبكة الأرضية الخارجية للأساس من الجانب الداخلي للأساس إلى قاع المحطة المصنعة وتوصيلها بنقاط التأريض في المحطة، باستخدام طريقة الدفن المباشر. مقاومة التأريض للمحطة المصنعة لا تتجاوز 1 أوم.
3 المتطلبات الفنية لمحطة التحويل المصغرة الذكية المصنعة
3.1 المبدأ الكهربائي
تناسب محطة التحويل المصغرة الذكية المصنعة شبكة التوزيع لنظام التيار الثلاثي الأفاز ذو التوتر 10/0.4 كيلو فولت. يتم دمج معدات التوزيع ذات الضغط العالي، والمحولات التوزيعية، ومعدات التوزيع ذات الضغط المنخفض وفقًا لمخطط التوصيل المحدد. يتم استخدام توصيل حافلة واحدة على الجانب ذو الضغط العالي، مع خطين داخليين وخط خارجي واحد. يتم تعيين حماية بالصمام على الجانب المحول. بعد التحويل بواسطة محول التوزيع، يمكن تصميم الحافلة ذات الضغط المنخفض بـ 4 خطوط خارجية ذات ضغط منخفض حسب الحاجة، ولا يتم تعيين مفتاح رئيسي ذو ضغط منخفض.
3.2 الأماكن المناسبة
تنطبق هذه المحطة المصنعة الذكية المصغرة على نطاق واسع على الأماكن الخارجية مثل تجديد شبكة التوزيع الحضرية، المجتمعات السكنية، المصانع والشركات، المباني التجارية والمكاتب، المناطق التجارية، المناطق الخضراء العامة، المناطق الثقافية المحمية، والحدائق.
3.3 الظروف البيئية للاستخدام
الارتفاع: لا يتجاوز 1,000 م.
درجة الحرارة المحيطة: أقل درجة حرارة هي -25 °C، أعلى درجة حرارة هي 45 °C؛ أعلى درجة حرارة سنوية متوسطة لا تتجاوز 20 °C، وأعلى درجة حرارة شهرية متوسطة لا تتجاوز 35 °C.
الرطوبة النسبية: عند 20 °C، أعلى متوسط شهري لا يتجاوز 90٪، وأعلى متوسط يومي لا يتجاوز 95٪.
مقاومة الزلازل: تسارع أفقي للأرض لا يتجاوز 0.2 g (g يمثل تسارع الجاذبية)، وتسارع عمودي للأرض هو 0.1 g.
شد الشمس: عندما يكون سرعة الرياح 0.5 م·s⁻¹، شدة الإشعاع الشمسي لا تتجاوز 0.1 W·cm⁻².
أقصى سمك لتغليف الجليد: 10 مم.
مستوى التلوث: لا يتجاوز المستوى الثالث
ميل الأرض: لا يزيد عن 3°.
موقع التثبيت: خارجي، بدون مخاطر الانفجار، الحريق، التآكل الكيميائي، أو الاهتزاز الشديد.
إذا لم تتوافق مع الظروف البيئية العادية المذكورة أعلاه، يجب التفاوض والحل بين المستخدم والشركة المصنعة.
4 قبول النموذج الأولي لمحطة التحويل المصغرة الذكية المصنعة
تم تصنيع النموذج الأولي لمحطة التحويل المصغرة الذكية المصنعة بواسطة شركة جيانغسو قيهو للمعدات الكهربائية الذكية. قام مركز اختبار المعدات الكهربائية ذات التوتر العالي في الصناعة بإجراء اختبارات على المكونات الرئيسية وفقًا للمعايير الوطنية والمعايير الصناعية ذات الصلة، وكانت نتائج الاختبارات مقبولة. قامت شركة الكهرباء الوطنية في شنغهاي بتقبل شامل لحجم وشكل وأداء هذا النموذج الأولي، وكانت نتائج القبول مقبولة.
5 الخاتمة
تحتوي محطة التحويل المصغرة الذكية المصنعة التي تم تطويرها في هذا المقال على مزايا محطات التحويل المصنعة الموجودة محليًا وعالميًا. لديها مزايا الهيكل البسيط، والمساحة الصغيرة، والأمان والموثوقية، والجمال والحماية البيئية، والحرية من الفحص والصيانة، ومطالب الصيانة المنخفضة. لها قيمة ترويجية وتطبيقية مهمة في بناء وتجديد شبكات التوزيع الحضرية.
