حل شامل لتعزيز الأداء للمحولات الكهربائية: تحسين التبريد وتقليل خسائر الدائرة المغناطيسية

1. الخلفية والتحديات

مع النمو المستمر للأحمال الكهربائية ومتطلبات التشغيل المستقر للشبكة التي تصبح أكثر صرامة، يواجه المحولات الناقلة تحديات كبيرة فيما يتعلق بكفاءة التشغيل وتحكم في الارتفاع الحراري والموثوقية على المدى الطويل. تسرع درجات الحرارة العالية في التشغيل من تقادم مواد العزل وتقلل من عمر المعدات وتزيد من مخاطر الفشل. خسائر الدائرة المغناطيسية العالية (خاصة خسارة الحديد وخسارة النحاس) تقلل من كفاءة استخدام الطاقة مما يؤدي إلى تكاليف تشغيل غير ضرورية. لمعالجة المشكلتين الرئيسيتين الشائعتين في المحولات الناقلة - ارتفاع درجة الحرارة الزائد و خسارة الدائرة المغناطيسية الكبيرة - تم إعداد هذه الحل الشامل.

2. أهداف الحل

• تخفيض كبير في درجات الحرارة أثناء التشغيل: السيطرة على درجة حرارة زيت المحول وأعلى نقطة ساخنة في اللفائف ضمن الهوامش الآمنة للتشغيل.
• تخفيض فعال لخسائر الدائرة المغناطيسية: التركيز على تقليل الخسائر تحت الحمل (خسارة الحديد) وخسائر الحمل (خسارة النحاس)، وتعزيز الكفاءة الكلية للتشغيل.
• تعزيز موثوقية التشغيل: تقليل معدلات الفشل بسبب الاحترار الزائد وخسائر الدائرة المغناطيسية العالية، وتمديد عمر الخدمة للمحول.
• تحسين تكلفة دورة الحياة الإجمالية: تحسين الكفاءة الاقتصادية للمحول من خلال توفير الطاقة وتقليل تواتر الصيانة.

3. التدابير الأساسية للتخفيف

يعتمد هذا الحل على استراتيجية متكاملة "التحكم في مصدر الخسائر + تعزيز قدرة التبريد + إدارة الحالة بدقة":

3.1 تحسين وترقية نظام التبريد، وتحسين كفاءة التبريد (معالجة الارتفاع الحراري)

• استخدام طرق تبريد عالية الكفاءة:
• التبريد بالهواء القسري (OFAF/ODAF): إعادة تجهيز المحولات الموجودة التي يتم تبريدها بالهواء بشكل طبيعي (ONAN) أو المحولات التي يتم تبريدها بالهواء القسري (ONAF)، أو تجهيز الوحدات الجديدة بمراوح محورية عالية الأداء. اختيار المراوح الفعالة والصامتة والمقاومة للظروف الجوية مع التحكم الذكي في تدفق الهواء (مثل بدء/وقف التلقائي بناءً على درجة الحرارة أو تعديل السرعة المتغيرة) لتعزيز كفاءة التدفق الهوائي على سطوح المبردات وإزالة الحرارة بسرعة.
• التبريد القسري بالماء (OFWF): أولوية للمحولات ذات السعة الفائقة، الوحدات ذات عامل الحمل العالي، أو تلك التي تعمل في درجات حرارة محيطة عالية. مجهزة بمضخات زيت عالية الكفاءة ومعادلات حرارية لتستفيد من السعة الحرارية العالية للماء لتبادل الحرارة بكفاءة. يتطلب أنظمة معالجة المياه الداعمة (لمنع تكون الرواسب والتآكل) وآليات ضمان الموثوقية (مثل دوائر مياه مزدوجة، مضخات احتياطية).
• التبريد المعزز بأنبوب الحرارة: تركيب وحدات أنبوب الحرارة في النقاط الحرجة على المبردات لنقل وتبدد الحرارة المحلية الساخنة عبر مبدأ التحويل الطوري.
• تحسين هيكل وموضع المبردات:
• استخدام مبردات ذات مساحة سطح أكبر (مثل المبردات ذات الأجنحة، المبردات اللوحية) وتصميمات مسار تدفق محسنة.
• ضمان مسارات تدفق سلسة لمادة التبريد (الهواء أو الماء)، وإزالة القيود المحلية على التدفق، وتحسين توزيع التبريد بالتساوي.
• (للتهوية) تحسين وضع المراوح وتصميم الأنابيب لضمان تغطية تدفق الهواء بالتساوي على سطوح المبردات، وتقليل المناطق الميتة.
• التحكم الذكي بالتبريد:
• ضبط تلقائي لإنتاج نظام التبريد (سرعة/عدد المراوح، معدل تدفق المضخة) بناءً على مراقبة درجة حرارة الزيت ودرجة حرارة اللفائف ودرجة الحرارة المحيطة في الوقت الحقيقي. يحقق التبريد حسب الحاجة، ويضمن فعالية التبريد مع تقليل استهلاك الطاقة للمعدات المساعدة.

3.2 تحسين المواد الأساسية والهيكل، وتقليل خسارة الحديد (التحكم في خسارة الدائرة المغناطيسية الأساسية)

• اختيار مواد أساسية عالية الأداء:
• الأولوية لصفائح السيليكون الباردة المنخفضة الخسارة ذات النفاذية العالية (مثل الصلب HiB) أو مواد السبائك اللا 결정ية الأكثر تقدماً (تقدم مزايا كبيرة لتقليل الخسارة تحت الحمل).
• التحكم الصارم في سمك صفائح السيليكون ومستوى السطح وجودة طلاء العزل لتقليل خسائر الهيستيريزيس وخسائر التدفق الدوامي.
• تحسين تصميم وعمليات تصنيع النواة:
• تطبيق تقنيات التراكب المتدرج لتقليل المقاومة المغناطيسية في المفاصل، وتقليل الخسائر الحديدية الإضافية.
• التحكم الدقيق في عامل التراكب وقوة الضغط لضمان توزيع موحد للمسار المغناطيسي وتجنب التشبع المحلي الزائد.
• (تطبيق التقنيات المتقدمة) استكشاف تقنيات مثل الكتابة بالليزر (Laser Scribbling) لتحسين بنية المجال المغناطيسي للمواد.
• تحسين طرق تأريض النواة والحجب لتقليل الخسائر الجانبية في المكونات الهيكلية.

3.3 تحسين تصميم اللفائف وتحسين العمليات، وتقليل خسارة النحاس (التحكم الرئيسي في خسارة الدائرة المغناطيسية)

• تحسين هيكل اللفائف والتصميم الكهرومغناطيسي:
• حساب دقيق لتوزيع الأمبير-الدوران، وتحسين شكل المقاطع العرضية للпровод (مثل استخدام الكابلات المستمرة المتداخلة - CTC أو الكابلات المتداخلة ذاتية الترابط - TTC) لتقليل تيار الدوران وخسائر التدفق الدوامي.
• اختيار مادة الموصل المناسبة (النحاس الخالي من الأكسجين عالي التوصيل) وكثافة التيار بشكل معقول، لتقليل خسائر المقاومة المباشرة مع مراعاة قيود الارتفاع الحراري.
• تحسين ارتفاع اللفائف وقطرها والأبعاد الشعاعية للتحكم في تسرب المجال المغناطيسي وتقليل الخسائر الجانبية.
• عمليات تصنيع متقدمة:
• ضمان كثافة اللفائف الثابتة باستخدام معدات اللف بتوتر ثابت.
• تطبيق عمليات التغليف تحت الضغط في الفراغ (VPI) أو عملية صب الراتنج لضمان ملء الفجوات بشكل كامل بمواد العزل، وتحسين التوصيل الحراري والقوة الميكانيكية، مما يساعد على تبريد الحرارة وتقليل التفريغ الجزئي.

3.4 مراقبة حالة الدائرة المغناطيسية والصيانة الوقائية (إدارة حلقة مغلقة، ضمان الأداء طويل الأمد)

• تنفيذ مراقبة دقيقة لحالة الدائرة المغناطيسية:
• تقييم شامل لصحة الدائرة المغناطيسية من خلال دمج المراقبة عبر الإنترنت (مثل تحليل الغازات المنحلة - DGA، مراقبة التفريغ الجزئي عالي التردد، مراقبة الاهتزاز/الضوضاء الصوتية، التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء) و الفحص دون اتصال (فحوصات دورية لتشوه اللفائف، اختبارات الخسارة تحت الحمل والخسارة بدون حمل، اختبار تيار الأرضي للنواة).
• مراقبة مركزية: علامات أخطاء التأريض متعددة النقاط للنواة، التقلبات غير الطبيعية في الخسائر، ارتفاع درجة حرارة المصدات المغناطيسية والإنشاءات الضاغطة.
• إنشاء آلية صيانة وقائية:
• تطوير خطط صيانة موجهة للدائرة المغناطيسية بناءً على بيانات مراقبة الحالة والسجل التشغيلي.
• فحص دوري لتأريض النواة والإنشاءات الضاغطة: ضمان التأريض بنقطة واحدة موثوقة، واكتشاف وإصلاح أخطاء التأريض متعددة النقاط (التي تزيد بشكل كبير من خسائر الحديد وتسبب الاحترار).
• فحص المصدات المغناطيسية، الإنشاءات الضاغطة والمكونات الهيكلية الأخرى: التحقق من الاتساع، الاحترار، أو آثار التفريغ؛ وإزالة الشذوذ بسرعة.
• خلال فحوصات رفع النواة/الغطاء، إجراء فحوصات ومaintenance مركزية على مفاصل تراكب النواة وحالة الضغط.
• إجراء تحليل تشخيصي عميق للاتجاهات الصاعدة في الخسائر غير الطبيعية لتحديد الأسباب الجذرية وتنفيذ الإجراءات التصحيحية.

4. الفوائد المتوقعة

• تخفيض كبير في الارتفاع الحراري: من المتوقع أن يتم السيطرة على درجات الحرارة أثناء التشغيل (خاصة درجات الحرارة المرتفعة) بشكل فعال، مع تخفيضات تصل إلى الأهداف المتوقعة (مثل 15-25٪)، مما يخفف بشكل كبير من الضغوط الحرارية على العزل.
• تخفيض فعال في خسائر الدائرة المغناطيسية:
• خسارة الحديد (خسارة بدون حمل): من المتوقع أن يتم تخفيضها بنسبة 20-40٪ من خلال المواد والعمليات الجديدة (خاصة عند استخدام السبائك اللا 결정ية).
• خسارة النحاس (خسارة تحت الحمل): من المتوقع أن يتم تخفيضها بنسبة 10-25٪ من خلال تصميم اللفائف المحسن.
• تحسين الكفاءة الكلية بنسبة 1-3 نقاط مئوية، مما يوفر فوائد اقتصادية كبيرة وتقليل الانبعاثات الكربونية.
• تحسين كبير في الموثوقية: تقليل المخاطر الناجمة عن الاحترار الزائد وأخطاء الدائرة المغناطيسية بشكل كبير، مما يعزز توفر المعدات ويمد عمر الخدمة.
• تحسين تكلفة دورة الحياة الإجمالية: رغم أن الاستثمار الأولي قد يكون أعلى (مثل المواد عالية الأداء، وأنظمة التبريد المتقدمة)، فإن الفوائد المستمدة من توفير الطاقة على المدى الطويل وتقليل تكاليف الصيانة وتمديد العمر التشغيلي تكون أكبر بكثير، مما يحقق عائدًا جيدًا على الاستثمار (ROI).

5. نطاق التطبيق

ينطبق هذا الحل على المحولات الناقلة (الطاقة) الغامرة بالزيت الجديدة والقائمة بمستوى فولتية 35 كيلوفولت وما فوق. يمكن تخصيص وتنفيذ التدابير الخاصة بناءً على السعة والمستوى الفولتي والبيئة التشغيلية والأهمية والحالة الحالية للمحول.