القيمة الأساسية والتطبيقات المبتكرة لمعدات التوزيع الكهربائية ذات الجهد المتوسط 12 كيلوفولت في محطات التوزيع الذكية

مع التطور السريع للشبكات الذكية وتوفيق الطاقة المتجددة، يعتبر معدات التحويل المتوسطة الجهد (MV) كالمعدات الأساسية لتوزيع الكهرباء في المحطات الفرعية، حيث يحدد مباشرة استقرار نظام الطاقة من خلال موثوقيته وذكائه وكفاءة المساحة. هذا المقال يتناول التقنيات الرئيسية والحلول الخاصة بالسيناريوهات والمزايا العملية لمعدات التحويل المتوسطة الجهد في المحطات الفرعية.

المتطلبات الأساسية لسيناريوهات المحطات الفرعية

1. متطلبات عالية للموثوقية

تلعب المحطات الفرعية دورًا حاسمًا في توزيع الطاقة وحماية النظام. النقاط الرئيسية المتعلقة بـ معدات التحويل المتوسطة الجهد:

• عمل معدات التحويل المتوسطة الجهد: يجب ضمان أداء مستقر على المدى الطويل تحت الأحمال العالية والتوصيل المتكرر.
• مقارنة معدلات الفشل:

• معدات التحويل المتوسطة الجهد التقليدية: ~1.2 فشل/وحدة/سنة
• معدات التحويل المتوسطة الجهد الذكية: ~0.3 فشل/وحدة/سنة
  • التحمل الميكانيكي: يزداد من 10,000 إلى أكثر من 20,000 عملية.
  • متطلبات قطع الدائرة القصيرة:
• أنظمة 12kV: عادةً 31.5kA-40kA
• مشاريع الطاقة المتجددة: قد تتطلب ≥63kA

2. التكيف مع البيئات المعقدة

تفرض المحطات الفرعية في المدن والمناطق الصناعية أو المناطق النائية تحديات فريدة على معدات التحويل المتوسطة الجهد:

• ارتفاعات كبيرة: تصحيحات المسافة الكهربائية (مثل أنظمة 12kV عند ارتفاع 5000م تتطلب زيادة المسافة من 125mm إلى 161mm).
• المناطق الملوثة: يجب زيادة المسافة الزحف (مثل ≥25mm/kV للتصنيف الثالث من التلوث).
• المناطق الساحلية: يجب أن تمر اختبارات الرذاذ المالح (مثل اختبار CASS لمدة 1000 ساعة).
• درجات الحرارة العالية والرطوبة: أنظمة التجفيف الذكية ضرورية.

3. متطلبات التحديث الذكي

يزيد التحول الرقمي من الطلب على الوظائف الذكية في معدات التحويل المتوسطة الجهد:

• يدعم بروتوكول التواصل IEC 61850 لمشاركة البيانات والتحكم عن بعد.
• مراقبة الحالة (درجة الحرارة، التيار، الحالة الميكانيكية)، التنبؤ بالأعطال، والتشخيص عن بعد يقللان تكلفة الصيانة.

• تشير الدراسات إلى أن أنظمة المراقبة الذكية يمكنها:
  • خفض تردد الفحص اليدوي بنسبة 70%.
  • تمديد عمر المعدات حتى ثلاث مرات.
  • خفض تكاليف الصيانة السنوية بنسبة 35%.

4. متطلبات الحماية والأمان والمتانة ضد الزلازل

معايير سلامة صارمة لمعدات التحويل المتوسطة الجهد:

• نظام التأمين "خمسة-منع": يمنع الأخطاء الحرجة (مثل تحريك قاطع الدائرة تحت الحمل).
• حماية القوس الداخلي: قنوات تخفيف الضغط تحد من الضغط الأقصى إلى ≤48kPa.
• تصميم مقاوم للزلازل: يجب أن يتحمل الزلازل ذات الشدة العالية (مثل التشوه ≤1.2mm تحت شدة زلزال درجة 9).

5. قيود المساحة وأمثلة التخطيط

     تصميمات معيارية للاستفادة الكفوءة من المساحة:

• معدات التحويل المتوسطة الجهد الحديثة باستخدام أعمدة العزل الصلبة تقلل المساحة بنسبة 37.5% وتقلل مقاومة الدائرة الرئيسية بأكثر من 40%.

الحلول التقنية الرئيسية

1. معدات التحويل المتوسطة الجهد المغلقة بالمعدن (مثل KYN28)

• الميزة الهيكلية: غرف مدرعة منفصلة (قاطع الدائرة، الخط الأمامي، الكابل) تمنع انتشار الأعطال.
• التكيف البيئي: تصنيف حماية IP4X أو أعلى، مناسب للمناطق الملوثة والرطبة.
• حصة السوق: يهيمن على السوق (>60%)، الخيار الرئيسي للمحطات الفرعية.

2. أنظمة التحكم الذكية لمعدات التحويل المتوسطة الجهد

• الوظائف الأساسية:

• وحدات الحماية المعتمدة على الميكروبروسيسور متوافقة مع IEC 61850.
• المراقبة الفعلية باستخدام خوارزميات الذكاء الصناعي للتنبؤ بعمر المكونات (مثل تحمل القاطع الميكانيكي يصل إلى 100,000 عملية).
  • تأثير الحالة: مشروع شبكة الدولة خفض معدلات الفشل بنسبة 30% وتقليل تكاليف الصيانة بنسبة 20%.

3. حماية السلامة في معدات التحويل المتوسطة الجهد

• آلية التأمين "خمسة-منع": تنفيذ تسلسلات تشغيل آمنة.
• حماية القوس الكهربائي: قنوات تخفيف الضغط وأنظمة إخماد القوس.

سيناريوهات التطبيق النموذجية ودراسات الحالة

1. حالة 1: تحديث محطة توزيع المدينة
   • التحدي: توسيع المحطات القديمة مع نمو الأحمال العالية.
   • الحل:

• تمployment Gas-Insulated Switchgear (GIS) بتيار مسموح به 4000A، مما توفير 30% من المساحة.
• تنفيذ منصة سحابية لإدارة عن بعد.
  • النتائج: زادت موثوقية تزويد الكهرباء بنسبة 15%؛ تم تخفيض مدة انقطاع التيار بنسبة 40%.

2. حالة 2: ربط محطة الطاقة المتجددة بشبكة الكهرباء (مزرعة رياح)

• التحدي: بيئة قاسية (رذاذ مالح عالي، تغيرات درجات الحرارة) تسبب الأعطال.
• الحل:

• تعزيز معدات التحويل المتوسطة الجهد المغلقة بالمعدن بحماية IP54 ومعززات حرارية.
• وحدات تبديل الأحمال السعة لطاقة الرياح المستقرة.
  • النتائج: تحسين نسبة نجاح الربط بشبكة الكهرباء بنسبة 15%؛ تقليل التكاليف التشغيلية بنسبة 10%.

الاتجاهات المستقبلية: الحلول الخضراء والنظير الرقمي

1. معدات التحويل المتوسطة الجهد الصديقة للبيئة
   • التخلي عن SF₆ واستخدام الهواء الجاف أو التكنولوجيا الهجينة المعزولة بالنيتروجين.
   • مواد عازلة جديدة تحسن كفاءة الطاقة بنسبة 20%.

2. دمج النظير الرقمي لمعدات التحويل المتوسطة الجهد

• استخدام نمذجة معلومات البناء (BIM) لاختبار ما قبل التركيب.
• مرايا البيانات الفعلية تحسن توزيع الأحمال وتمتد عمر المعدات.