تطبيق الوحدات الرئيسية الحلقة المحيطة المعزولة بشكل ذكي (SIRMUs) في شبكة توزيع قينزو

1 مقدمة​

تواجه المناطق الساحلية تحديات بيئية تشمل الأمطار الغزيرة والرعد والعواصف الرعدية والحرارة العالية والرطوبة العالية وتآكل الملح. لضمان سلامة شبكات التوزيع الحضرية في مثل هذه البيئات، وتقليل انقطاع الكهرباء الناجم عن صيانة المعدات، ومنع الحوادث بسبب نهاية حياة المعدات والعوامل الأخرى المؤثرة على أمن الشبكة، قمنا بدراسة استخدام نوع جديد من وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب (SIRMU). توفر هذه الوحدات SIRMU عمرًا طويلًا وتشغيلًا خاليًا من الصيانة ومطابقة البيئة والذكاء وتحسين موثوقية التغذية الكهربائية.

حالياً، يعتمد أكثر من 90% من وحدات الحلقة الرئيسية ذات الجهد المتوسط (RMUs) على غاز SF₆ كوسيلة عزل. يعتبر غاز SF₆ كيميائياً مستقرًا للغاية ويتميز بخصائص عزل وقاطع للقوس ممتازة، وهو يستخدم بشكل واسع في معدات الطاقة. تعتبر معدات القواطع المعزولة بغاز SF₆ مدمجة. ومع ذلك، يتجمد غاز SF₆ عند درجات الحرارة المنخفضة مما يقلل من قدرته على العزل وإطفاء القوس. وفي درجات الحرارة العالية، يتحلل إلى منتجات سامة للغاية، مما يشكل خطراً كبيراً على البشر. بالإضافة إلى ذلك، فإن تسرب الغاز وإطلاقه أمر لا مفر منه أثناء الملء والتشغيل والاسترجاع، مما يجعل غاز SF₆ ملوثاً بيئياً رئيسيًا. يعتبر غاز SF₆ دولياً أحد الستة غازات الدفيئة الرئيسية؛ ومن منظور بيئي، يجب تقليل استخدامه أو إزالته. تهدف مبدأ تصميم وحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب إلى إزالة الحاجة إلى غاز SF₆ بشكل أساسي، مما يوفر ضماناً أساسياً لتقليل الانبعاثات وحماية البيئة في قطاع شبكة التوزيع، مما يتماشى بشكل قوي مع المتطلبات البيئية.

تقدم وحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب الذكية (SIRMU) للتوسع في شبكة التوزيع ليس فقط صداقة للبيئة وقدرة عالية على مقاومة البيئات القاسية، ولكن أيضاً درجة عالية من الذكاء. تشمل وظائفها جميع الميزات التي تقدمها معدات النظام الأولية والثانوية في جهاز واحد. تستخدم المنتج نهج تصميم متكامل ومتعدد الأجزاء لكل من المكونات ذات الجهد العالي والجهد المنخفض، مما يوفر مرونة وقابلية للتوسع كبيرة، مما يجعلها جهازاً كهربائيًا ذكيًا حقيقيًا.

​2 التطبيقات التقنية لوحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب الذكية (SIRMUs)​​

​2.1 تطبيق تقنية العزل الصلب​

تتضمن تقنية العزل الصلب بشكل أساسي تغليف وعزل الأجزاء الحية للقواطع ذات الجهد المتوسط للمدار الرئيسي باستخدام مواد صلبة، أو نقل شدة المجال الكهربائي العالي إلى داخل المادة العازلة الصلبة. هذا يسمح للمادة الصلبة بأن تتحمل فرق جهد أعلى، مما يقلل من شدة المجال في الهواء. المواد العازلة الصلبة الأكثر شيوعاً هي راتنج الإبوكسي والمطاط السيليكوني.

تستخدم وحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب (SIRMU) المادة العازلة الصلبة كوسيلة عزل رئيسية. يتم تغليف مكونات الدائرة الموصلة الرئيسية مثل قواطع الفراغ واتصالاتها وأجهزة القطع والتوصيل بالأرض والحافلات الرئيسية والفروع بشكل فردي أو جماعي في العزل الصلب، مما يشكل وحدة أو عدة وحدات. هذه الوحدات مغلقة تماماً ومختومة تماماً ومحددة الوظيفة ومصممة للجمع والتوسع. يتم طلاء الأسطح القابلة للوصول باليد بطبقات درع موصلة أو شبه موصلة وترابط مباشرة وموثوقة بالأرض. الخصائص الرئيسية تشمل العزل الكامل والختم الكامل والتصميم متعدد الأجزاء والحجم الصغير والذكاء. تظهر الوحدات SIRMU أداءً متفوقاً بشكل كبير مقارنة بوحدات RMU بغاز SF₆ في مقاومة البيئات القاسية مثل البرودة الشديدة والارتفاعات العالية والرطوبة والرياح القوية والرمال. يتميز التصميم المغلق والمائي بدون موصلات عالية الجهد ظاهرة بكونه مناسبًا بشكل خاص للمناطق الرطبة والعرضة للغرق، قادرًا على توفير تغذية كهربائية موثوقة في ظروف الرطوبة أو الغمر.

​2.2 تطبيق تقنية الحماية الذكية​

يمنح دمج تقنية الميكروبروسيسور وتقنية الكمبيوتر في المعدات الكهربائية وظائف ذكية مع تمكين التواصل الثنائي الاتجاه مع مراكز التحكم. هذا يشكل نظام مراقبة وحماية وإدارة شبكة ذكي. من خلال تكوين بسيط للبارامترات، يمكن لأجهزة ذكية واحدة أن تقوم بوظائف تتطلب عدة أجهزة بشكل تقليدي.

يتوافق تصميم الهيكل للوحدة SIRMU مع متطلبات الشبكات الذكية الحديثة. يستخدم خوارزميات سريعة لإعطاء قواطع الدائرة قدرات فصل سريعة، مما يتيح عزل الخطوط المعيبة بسرعة ويعمل على منع التفجير المتسلسل. مزود بنظام حماية للأرضية أحادية الطور، يمكنه اكتشاف مثل هذه الأعطال عبر الإنترنت في الأنظمة غير الأرضية (أو الأرضية ذات المقاومة العالية/PET/PEN) دون الحاجة إلى تكوين إضافي، ويوفر إنذارات أو أوامر فصل حسب القيم المحددة. يستخدم المدار الرئيسي تصميماً أحادي الطور، مما يتجنب تمامًا قصر الدائرة بين الطورين أثناء التشغيل ويزيد بكثير من كفاءة الصيانة ويخفض التكاليف. نظام التشغيل المدمج ذو البنية الأساسية CPU، بما في ذلك معالج ARM (ARMP) للمعالجة العامة وتحكم النظام، إلى جانب DSP قوي للقيام بالمهام المتعددة بكفاءة، مما يمكّن من معالجة البيانات بسرعة عالية والتحكم والتواصل. تكون الوحدات مضغوطة وصغيرة الحجم وخفيفة الوزن وسهلة التركيب. يتم التحقق بصرياً من الفجوات العازلة للعمل بأمان. يمكن للتعرف التلقائي على وضع التغذية تحقيق التحويل التلقائي المرن لمصادر الطاقة الثنائية، مما يحسن موثوقية التغذية. يقدم دعمًا مرناً للتواصل (رسائل SMS عبر GSM، خدمات GPRS، CDMA اللاسلكية العالمية، الألياف الضوئية، الزوج الملتوي، اللاسلكي، الناقل)، ويدعم بروتوكولات التواصل المتعددة، مما يسهل تنفيذ أتمتة التوزيع.

​2.3 خالية من الصيانة وصديقة للبيئة​

يستخدم المفتاح الرئيسي قاطع دائرة فراغ خالي من الصيانة معروف بثباته وموثوقيته ولا يحتاج إلى صيانة دورية. يتم تصميم مفتاح القطع والتوصيل بالأرض بشكل متكامل مع قاطع الدائرة مما يوفر هيكلًا مضغوطًا مع قفل ميكانيكي وكهربائي موثوق، مما يمنع التشغيل الخاطئ بفعالية.

​2.4 العمليات التصنيعية الرئيسية وضمان الجودة للوحدات SIRMU​

لضمان استقرار الإنتاج والاتساق وجودة المنتج وبالتالي ضمان تحمل الجهد العازل طويل الأمد للمنتجات SIRMU، يتم استخدام عملية التجلط تحت الضغط الآلي (APG) عند تصنيع القضبان العازلة الصلبة من راتنج الإبوكسي. تتخطى متطلبات العملية التصنيعية للوحدات SIRMU تلك الخاصة بوحدات RMU المعزولة بغاز SF₆. السيطرة غير الكافية على عملية الإنتاج تزيد بشكل كبير من احتمالية وشدة العيوب والخلل العازل الخفي مقارنة بوحدات SF₆. ضروري جداً التحكم الصارم في جودة المواد الخام والقدرة المتقدمة على العملية.

يتم تحقيق العزل الخارجي لقاطع الفراغ من خلال وسائط متعددة، بما في ذلك الإبوكسي والمطاط السيليكوني والهواء. لذلك، فإن قوة العزل للمواد الفردية ومعالجة الواجهة بين وسائط العزل المختلفة مهمة للغاية. يوفر كل من الإبوكسي والمطاط السيليكون قوة عازلة ممتازة تصل إلى 5-6 مرات قوة الهواء. يتطلب تحقيق هذه القوة السيطرة الصارمة على عملية الصب - درجة الحرارة والضغط الأمثل - مع ضمان تفريغ الغازات والتهوية أثناء الصب لتجنب تكوين الفقاعات الدقيقة. إذا لم يتم ذلك، فإنه ليس فقط يقلل من قوة العزل ولكنه أيضًا يسبب توزيعًا غير متساوٍ للمجال الكهربائي، مما يزيد من نشاط التفريغ الجزئي (PD) ويعرض للخطر أثناء التشغيل. تضمن معالجة الواجهة قوة عزل كافية تحت الضغط والتبريد الدوري وغيرها، مما يمنع فشل العزل. طرق الكشف الموثوقة عن جودة الواجهة ضرورية. حالياً، يمكن لقياس PD والفحص بالإشعاع السيني واختبارات الصدمة الكهربائية أن تقيم بدقة قوة العزل بين الواجهات.

يمنع استخدام الفحص بالإشعاع السيني كاختبار مصنع تكوين فقاعات أو مسام أو تشققات في التجميعات العازلة الصلبة ويضمن أن قواطع الفراغ واتصالاتها/طرفاتها والحافلات العازلة الصلبة لا تظهر تشوهات غير طبيعية واضحة في صور الأشعة السينية بالنسبة لمواقعها. يؤدي قياس PD إلى منع بداية ونهاية التفريغ الجزئي في نقاط الضعف أو العيوب داخل العزل SIRMU بسبب المجالات الكهربائية العالية، مما يتجنب التدهور التراكمي الذي يؤدي إلى انهيار العزل بمرور الوقت.

​3 مخطط التصميم الفني للوحدة SIRMU الذكية​

بناءً على الخبرة الواسعة في تشغيل شبكات التوزيع وتحليل المعدات المحلية والأجنبية المتقدمة، مع الأخذ في الاعتبار ظروف التشغيل العملية لشبكة التوزيع ومتطلبات البيئة، قررنا من خلال المقارنة الشاملة تطوير وتطبيق مشروع "بحث التطبيق لوحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب الذكية ذات الجهد 10 كيلوفولت".

​3.1 المحتوى الفني الرئيسي​

تم تركيب وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب الجديدة من نوع AVR-12 في الموقع الأصلي. يتم استخدام تكوين التغذية بمصدرين، مستفيداً من الوظائف الذكية للوحدة SIRMU لعزل الخطوط المعيبة بسرعة وكشف الأعطال الأرضية أحادية الطور بسرعة وإرسال جميع معلومات المفاتيح عبر الألياف الضوئية إلى محطة التحكم الرئيسية للتصنيع التلقائي (DMS) أو عبر الرسائل القصيرة إلى هواتف فريق الصيانة. يمكن استخدام منصة المراقبة الرئيسية لإجراء إحصاءات البيانات وتحليل الأعطال.

يتم تنفيذ هذا المشروع في الجوانب التالية:

• بناءً على خطة RMU الأصلية واعتبار أهمية المستخدم، يتم تزويد الطاقة عبر خطين وارد. خلال التشغيل الطبيعي، يقوم مصدر الطاقة #1 بتزويد الطاقة بينما يكون مصدر الطاقة #2 في حالة الاستعداد الساخن.
• المعدات الرئيسية هي وحدة الحلقة الرئيسية من نوع AVR-12، تتكون من 7 خانات: 6 خانات قاطع دائرة (CB) وخانة واحدة لمحول الجهد (PT).
• تستخدم الخانات الـ 6 CB هيكل CB + Disconnector (DS) + Grounding Switch (ES)، مجهزة بأجهزة حماية متكاملة.
• تستخدم خانة PT هيكل DS + PT أحادي الطور، لتوفير طاقة الاتصال. يمكن تبديل PT في الداخل والخارج باستخدام DS في خانة PT، مما يسمح بصيانة PT أو الخط دون الحاجة إلى تعطيل كامل SIRMU.
• يسمح استخدام وحدات SIRMU من نوع CB بقطع تيار الأعطال القصيرة عدة مرات. مقارنة بحماية المصهر، بالإضافة إلى إزالة عدم الراحة والنفايات الناتجة عن استبدال المصهر، توفر تغطية شاملة لحماية الأعطال القصيرة من خلال ضبط الإعدادات.

​التشغيل العادي:​​
يقوم المتحكم الذكي بجمع المعلمات (حالة القاطع، حالة المفتاح، التيار/الجهد الأساسي، التيار/الجهد الصفر، حالة DMS الرئيسية) لكل خانة واردة/صادرة. يتم تحميل البيانات في الوقت الحقيقي عبر الألياف الضوئية إلى محطة التحكم الرئيسية للتبديل الذكي، مما يسمح بالتشغيل عن بعد.

​عطلة القص:​​
تكتشف ميزة الحماية السريعة للمتحكم الذكي تيار العطل وتدفق الطاقة في غضون 15 مللي ثانية وتصفية العطل في غضون 25 مللي ثانية، مما يضمن تزويد الخط العادي، ومنع التفجير المتسلسل، وتقليل نطاق الانقطاع. تسمح الخصائص اللحظية (الجهد، التيار، حالة المفتاح) بالتحكم في خصائص عمل المحرك المغناطيسي الدائم، مما يقلل من وقت تصفية العطل لعزل الخط المعيب بسرعة. في نفس الوقت، يقوم المتحكم بإرسال معلومات العمل SIRMU عبر الألياف الضوئية إلى مركز المراقبة، مما يسمح بتقييم حالة المنتج في الوقت المناسب ويسهل تحديد موقع العطل واستعادة الطاقة.

​عطلة الأرض أحادية الطور:​​
يستخدم المتحكم في قيمة وطور التيار الصفر وقيمة وطور الجهد الصفر لتحديد ما إذا كان هناك عطل يحدث على الجانب المرفق للوحدة SIRMU. فقط في حالة الأعطال الأرضية على الجانب المرفق، يقوم المتحكم بإصدار أمر حماية أو إنذار وتحميل معلومات العطل عبر الألياف الضوئية. الأعطال على الجانب المصدر لا تؤدي إلى أي أفعال من قبل متحكم هذه الوحدة SIRMU.

​3.2 التحديات الفنية الرئيسية​

(1) تطبيق تقنية العزل الصلب وعملية التصنيع APG لضمان موثوقية وعمر طويل وخالية من الصيانة للوحدة SIRMU في البيئات ذات الحرارة العالية والرذاذ المالح العالي.
(2) استخدام مفهوم التصميم المتكامل والمرن الذي يجمع بين القسم الرئيسي ذو الجهد العالي لقاطع الدائرة والقسم الثانوي للتحكم الذكي. تمكن المستشعرات المدمجة للتيار والجهد من الحصول على إشارات الجهد والتيار الأساسي والحالة المفتاحية في الوقت الحقيقي للتحكم المرن في فاعلية قاطع الدائرة، مما يحسن أداء قاطع الفراغ.
(3) الكشف السريع عن تيار العطل وتنفيذ أفعال الحماية.

​تنفيذ المشروع:​​
يستخدم هذا المشروع وحدات RMU المعزولة بالصلب مزودة بأجهزة تحكم ذكية متكاملة. يستخدم المفتاح الرئيسي جهازًا مركبًا يتألف من قاطع دائرة فراغ متحرك بواسطة مغناطيس دائم (VCB) مع مفتاح قاطع (DS) ومفتاح توصيل بالأرض (ES). مزود بنظام تحكم ذكي، يقوم بأداء وظائف التحكم التلقائي حتى بدون التنسيق مع DMS. يقدم الفاعل المغناطيسي الدائم موثوقية عالية وخالية من الصيانة. يمكّن التواصل عبر الألياف الضوئية من جمع جميع معلمات تشغيل RMU في الوقت الحقيقي، مما يبسط إعادة الطاقة عن بعد وتحليل أعطال الطاقة، ويجمع الخبرة لأجهزة طرف الشبكة الذكية. خزانة خارجية من الفولاذ المقاوم للصدأ تقلل من الحاجة إلى الصيانة المستقبلية.

​4 خلاصة​

تعتبر وحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب الذكية (SIRMU) وحدة RMU آمنة وصديقة للبيئة ومستقرة وموثوقة وذكية من الجيل التالي. وهي مناسبة بشكل خاص للنشر في مواقع قاسية تتميز بالارتفاعات العالية والتغيرات الحرارية الشديدة والتلوث والرطوبة.