كيف تعمل المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​في أنظمة توزيع الطاقة

العمود الفقري بين الجيل والاستهلاك

إذا تجولت في أي مدينة حديثة فسوف تمر بالعشرات من المنشآت التي تعتمد عليهامفاتيح الجهد المتوسطدون رؤية واحدة على الإطلاق. وهم يجلسون داخل مبانٍ غير مميزة، خلف أسوار المحطات الفرعية، وفي أقبية الأبراج التجارية، وعلى أطراف المناطق الصناعية. إنها العقد الكهربائية حيث تنتقل الطاقة من جهد مستوى النقل إلى الجهد الذي تستخدمه المصانع ومراكز البيانات والمستشفيات والمباني السكنية فعليًا.

تحتل المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​مكانًا محددًا في سلسلة توزيع الطاقة. تقع بين شبكة نقل الجهد العالي - خطوط 110 كيلو فولت أو 220 كيلو فولت أو 400 كيلو فولت التي تحمل الطاقة عبر مسافات طويلة - وشبكة توزيع الجهد المنخفض عند 400 فولت أو 230 فولت التي تتصل بمعدات المستخدم النهائي. نطاق الجهد المتوسط، الذي يتم تعريفه عادةً على أنه جهد أعلى من 1 كيلو فولت ويصل إلى 40.5 كيلو فولت أو 52 كيلو فولت اعتمادًا على المعيار المطبق، هو المكان الذي يتم فيه تقسيم الطاقة المجمعة وتوجيهها إلى أحمال مختلفة عبر منشأة أو منطقة جغرافية.

تشرح هذه المقالة كيفية عمل المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​على مستوى النظام، وما هي الوظائف التي تؤديها، ولماذا تؤثر الاختيارات التي يتم إجراؤها في مواصفات المفاتيح الكهربائية على السلامة والموثوقية وتكلفة التشغيل لشبكة التوزيع بأكملها في اتجاه مجرى النهر.

مكان وجود المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​في النظام

لفهم ما تفعله المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط، من المفيد تتبع مسار الطاقة من الشبكة إلى الحمل.

تتلقى منشأة صناعية أو تجارية نموذجية الطاقة من المرافق المحلية بجهد متوسط ​​- 10 كيلو فولت، أو 11 كيلو فولت، أو 20 كيلو فولت، أو 33 كيلو فولت شائعة حسب البلد. تصل هذه الطاقة عبر كابلات تحت الأرض أو خطوط هوائية وتدخل إلى لوحة المفاتيح الرئيسية للمنشأة، وهي عبارة عن مجموعة مفاتيح كهربائية ذات جهد متوسط. ومن هناك، يتدفق عبر قواطع الدائرة الكهربائية وقضبان التوصيل إلى عدة وجهات. تذهب بعض المغذيات إلى المحولات التي تخفض الجهد إلى 400 فولت للتوزيع العام داخل المنشأة. قد تخدم وحدات التغذية الأخرى المحركات الكبيرة أو المبردات أو الضواغط مباشرة عند الجهد المتوسط ​​لأن الحمل كبير جدًا بحيث لا يمكن تقديمه اقتصاديًا عند الجهد المنخفض. لا تزال مغذيات أخرى قد تتصل بالتوليد في الموقع، مثل توربينات الغاز أو مولدات الديزل الاحتياطية، أو بمصادر الطاقة المتجددة مثل محولات الطاقة الشمسية الموجودة على الأسطح.

تعتبر مجموعة المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​بمثابة نقطة التحكم لجميع تدفقات الطاقة هذه. يمكنه توصيل أو عزل كل وحدة تغذية على حدة. يمكنه حماية كل وحدة تغذية من الأخطاء. يمكنه تقسيم الحافلة إلى أقسام منفصلة لتحسين الموثوقية. ويوفر نقاط القياس والمراقبة التي يستخدمها مشغلو المنشأة لفهم ما يفعله نظامهم الكهربائي في أي لحظة.

الوظائف الأساسية لمفاتيح الجهد المتوسط

تؤدي المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​أربع وظائف أساسية في نظام توزيع الطاقة. إن فهم كل واحدة منها يفسر سبب تصميم المعدات بهذه الطريقة.

الوظيفة الأولى: التبديل في ظل الظروف العادية

إن الوظيفة الأساسية لأي مجموعة مفاتيح هي توصيل وفصل الدوائر تحت الحمل العادي. تحتاج وحدة التغذية لخط الإنتاج إلى تنشيطها عند تشغيل الخط وإلغاء تنشيطها للصيانة. يحتاج قاطع دائرة المولد إلى الإغلاق عند توصيل المولد بالإنترنت وفتحه عند فصله عن الاتصال بالإنترنت. تحتاج قارنة التوصيل الناقلة إلى توصيل قسمين من شريط التوصيل عندما يتم إخراج المحول من الخدمة ويجب أن يقوم المحول المتبقي بتزويد كلا القسمين.

تعتبر عمليات التبديل هذه روتينية، ولكنها ليست تافهة. يجب أن يكون جهاز التبديل قادرًا على مقاطعة تيار الحمل الكامل دون حدوث انحناء مفرط أو تآكل التلامس. ويجب أن يكون قادرًا على إجراء هذه العملية آلاف المرات طوال فترة خدمته. ويجب أن يتم ذلك بطريقة لا تؤثر على سلامة المشغل الذي يقف أمام اللوحة.

تتعامل قواطع الدائرة الفراغية مع هذا الواجب لمعظم تطبيقات الجهد المتوسط ​​اليوم. يقوم قاطع الفراغ بإطفاء القوس الموجود داخل زجاجة سيراميكية محكمة الغلق حيث لا يوجد غاز للتأين، ولا يوجد زيت يتحلل، ولا يوجد شيء يمكن صيانته. بالنسبة للتطبيقات ذات تردد التبديل المنخفض، يمكن استخدام مفاتيح فصل الحمل - والتي تكون أبسط وأقل تكلفة من قواطع الدائرة الكاملة - لوحدات التغذية التي ليس من المتوقع أن تقطع تيار العطل.

الوظيفة الثانية: الحماية من الأخطاء

إذا كان التبديل في الظروف العادية هو العمل الروتيني لمجموعة المفاتيح الكهربائية، فإن الحماية من الأخطاء هي مهمتها الحاسمة. يمكن للخطأ - دائرة قصيرة بين الأطوار، أو بين الطور والأرض - أن يطلق طاقة على نطاق يصعب تصوره. يمكن أن يرتفع التيار عند نقطة الصدع إلى عشرات الآلاف من الأمبيرات بالمللي ثانية. يمكن للقوى الحرارية والميكانيكية الناتجة عن هذا التيار تدمير المعدات وإشعال الحرائق وإصابة الأفراد.

يجب أن تكتشف مجموعة المفاتيح الكهربائية العطل، وتقطع التيار، وتعزل الجزء المعطل قبل حدوث أي من هذه العواقب. وهذا يتطلب ثلاثة أشياء تعمل معًا: مرحل حماية يستشعر التيار غير الطبيعي، وقاطع دائرة يمكنه مقاطعته، وتصميم نظام يحد من الأضرار الجانبية للأجزاء السليمة من الشبكة.

أصبحت مرحلات حماية الجهد المتوسط ​​متطورة بشكل متزايد. يمكن للمرحلات الرقمية الحديثة التمييز بين أنواع مختلفة من الأخطاء، والتمييز بين الأخطاء الموجودة على وحدة التغذية المحمية والأخطاء في اتجاه مجرى النهر، وتسجيل بيانات الشكل الموجي التي تساعد المهندسين على فهم ما حدث بعد الحدث. لكن التتابع يمكنه فقط إرسال إشارة الرحلة. يجب أن يقوم قاطع الدائرة بعد ذلك بفصل جهات الاتصال الخاصة به فعليًا مقابل القوى الكهرومغناطيسية الكاملة لتيار الخلل، وإطفاء القوس الذي يتشكل بينهما، واستعادة قوته العازلة بسرعة كافية لمنع إعادة الاشتعال. هذا هو ما تم تصميمه واختباره لقاطع دائرة مفرغة بتيار كسر دائرة قصر يبلغ 25 كيلو أمبير أو 31.5 كيلو أمبير.

الوظيفة الثالثة: العزل للسلامة

تقوم الحماية من الأخطاء بمسح الظروف الخطرة تلقائيًا. العزل هو إجراء متعمد يتم اتخاذه لجعل المعدات آمنة للعمل عليها.

عندما يحتاج فريق الصيانة إلى الوصول إلى محول، أو طرف كابل، أو قاطع الدائرة نفسها، فإنهم يحتاجون إلى انقطاع مرئي يمكن التحقق منه في الدائرة. إنهم بحاجة إلى معرفة أنه لا يمكن إعادة تنشيط الدائرة عن طريق الخطأ. ويحتاجون إلى توصيل المعدات بالأرض حتى لا يشكل أي جهد متبقي أو مستحث أي خطر.

توفر المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​ذلك من خلال مجموعة من قواطع الدائرة، وفواصل الفصل، ومفاتيح التأريض، وجميعها متشابكة بحيث يجب أن يتبع التشغيل تسلسلًا آمنًا. يجب على المشغل فتح قاطع الدائرة أولاً، ثم فتح أداة الفصل لإنشاء فجوة عزل مرئية، ثم إغلاق مفتاح التأريض لتأريض القسم المعزول. تمنع الأقفال الميكانيكية تنفيذ أي من هذه الخطوات خارج الترتيب. هذا هو نظام التشابك "الوقائي الخماسي" والذي يعتبر قياسيًا في جميع الأجهزة الحديثةمفاتيح الجهد المتوسط.

الوظيفة الرابعة: القياس والرصد

لا يمكن إدارة أي نظام توزيع بدون بيانات. تخبر القياسات الحالية مرحلات الحماية بما يفعله النظام. تتيح قياسات الجهد مراقبة جودة الطاقة وفحص المزامنة. قياسات الطاقة هي الأساس لإعداد الفواتير وتخصيص التكاليف. وبشكل متزايد، يتم استخدام بيانات مراقبة الحالة من مجموعة المفاتيح الكهربائية نفسها - درجة الحرارة، والتفريغ الجزئي، ووقت انتقال الآلية - للتنبؤ بالوقت الذي تكون فيه هناك حاجة للصيانة قبل حدوث الفشل.

تدمج المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​جميع وظائف القياس هذه. يتم تركيب محولات التيار ومحولات الجهد في حجرة الكابلات أو على قضبان التوصيل. يتم توصيل مخرجاتها الثانوية بمرحلات الحماية والعدادات ومحولات الطاقة في حجرة الجهد المنخفض. في التركيبات الحديثة، تتواصل هذه الأجهزة عبر البروتوكولات الرقمية مثل IEC 61850 أو Modbus أو Profibus إلى نظام SCADA المركزي في المنشأة أو نظام إدارة الطاقة. تعد لوحة المفاتيح الكهربائية بمثابة جهاز طاقة ومصدر للبيانات.

تكوينات المفاتيح الكهربائية في أنظمة التوزيع

الترتيب المادي للوحات المفاتيح الكهربائية في نظام التوزيع ليس تعسفيًا. إنه يعكس الفلسفة التشغيلية للمنشأة ومتطلبات الموثوقية للأحمال التي يتم تقديمها.

بسبار واحد

أبسط تكوين هو شريط توصيل واحد مع توصيل جميع وحدات التغذية الواردة والصادرة به. محول واحد يزود الحافلة. إذا فشل المحول أو تم إخراجه من الخدمة للصيانة، فإن جميع الأحمال الموجودة على هذا الناقل تفقد الطاقة. هذا التكوين منخفض التكلفة وسهل التشغيل، ولكنه لا يوفر أي تكرار. يتم استخدامه عندما تكون نتيجة انقطاع العرض مقبولة - مبنى تجاري صغير، أو عملية صناعية غير حرجة، أو إمدادات بناء مؤقتة.

بسبار واحد مقسم

تؤدي إضافة قاطع دائرة قسم الناقل إلى إنشاء قسمين من قضبان التوصيل يمكن أن يعملا بشكل مستقل أو يقترنان معًا. يتم توفير كل قسم بواسطة المحول الخاص به. في حالة فشل أحد المحولات، يتم إغلاق قارنة التوصيل الناقلة ويقوم المحول الصحي بتزويد كلا القسمين. تتعرض الأحمال لانقطاع قصير أثناء النقل، ولكن تتم استعادة الخدمة بسرعة. هذا هو التكوين الأكثر شيوعًا للمنشآت الصناعية متوسطة الحجم والمرافق التجارية حيث يكون بعض التوقف عن العمل مقبولاً للصيانة ولكن الخسارة الكاملة للإمدادات ليست مقبولة.

الرئيسي التعادل الرئيسي

يضع التكوين الرئيسي للربط الرئيسي قارنة توصيل الحافلة بين قسمين منفصلين للحافلة، ولكل منهما قاطع ومحول رئيسي وارد خاص به. المقرنة مفتوحة عادة. في حالة فقدان أي محول، يتم إغلاق القارنة تلقائيًا أو من خلال إجراء المشغل. يوفر هذا التكوين موثوقية أعلى من الناقل المقطعي البسيط لأنه يمكن تشغيل قارنة التوصيل تلقائيًا ويمكن أن يحدث النقل دون أي تدخل من المشغل. يتم استخدامه في المرافق الحيوية مثل المستشفيات ومراكز البيانات والمنشآت الصناعية ذات العملية المستمرة.

تكوين الوحدة الرئيسية الحلقية (RMU).

بالنسبة لشبكات التوزيع التي تخدم أحمالًا متعددة متفرقة جغرافيًا - الحرم الجامعي، وشبكة التوزيع الحضرية، ونظام تجميع مزرعة الرياح - فإن تكوين الوحدة الرئيسية الحلقية هو الحل القياسي. يتم توصيل العديد من لوحات RMU في حلقة، حيث تحتوي كل لوحة عادةً على مفتاحين لكسر الحمل لوحدات التغذية الحلقية وقاطع دائرة واحد أو مفتاح منصهر للمحول المحلي. يمكن أن تتدفق الطاقة في أي اتجاه حول الحلقة. في حالة حدوث خطأ في الكابل في أي مكان على الحلقة، يمكن للوحتين RMU المجاورتين للخطأ عزل القسم التالف، وتستمر جميع الأحمال الأخرى في تلقي الطاقة من الجانب الصحي من الحلقة. توفر هذه البنية مستوى من موثوقية الإمداد لا يمكن للنظام الشعاعي أن يضاهيه، بتكلفة أقل بكثير من تكرار البنية التحتية للإمداد بالكامل.

توفر شركة COTENELE وحدات RMU خالية من SF₆ بقدرة 24 كيلو فولت للتطبيقات الحلقية الرئيسية، وذلك باستخدام الهواء الجاف كوسيط عازل في خزان من الفولاذ المقاوم للصدأ محكم الغلق مدى الحياة. تم إنشاء وحدات RMU - حماية المحولات الواردة والصادرة ومقرنة الناقل والقياس المباشر - من مجموعات فرعية موحدة تم اختبارها من النوع والتي يمكن تهيئتها لتتناسب مع مخطط المشروع ذو الخط الواحد.

الانتقال إلى خالية من SF₆ في مجموعة المفاتيح الكهربائية للتوزيع

كان التطور المهم في المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط ​​خلال العقد الماضي هو التحول بعيدًا عن غاز SF₆ كوسيلة عازلة ومخمدة للقوس الكهربائي. ويرتبط هذا بشكل خاص بالمفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز والوحدات الرئيسية الحلقية، حيث يتم استخدام SF₆ تقليديًا لملء الخزان المغلق الذي يحيط بجميع الأجزاء الحية.

الدافع وراء هذا التحول هو التنظيم البيئي، وأبرزها لائحة الاتحاد الأوروبي للغاز المفلور التي تحظر الآن مجموعة مفاتيح SF₆ جديدة تصل إلى 24 كيلو فولت في السوق الأوروبية. لكن هذا التحول مدعوم أيضًا بالمنطق الهندسي السليم. إن الهواء الجاف والنيتروجين ليس لديهما أي احتمالية لظاهرة الاحتباس الحراري العالمي، ولا يتطلبان معالجة خاصة في نهاية العمر، ويزيلان العبء الإداري لحفظ سجلات الغاز المفلور والإبلاغ عن التسرب. يوفر انقطاع الفراغ، والذي كان المعيار لتطبيقات قواطع الدائرة لعقود من الزمن، وظيفة التبريد القوسي دون أي غاز على الإطلاق.

بالنسبة لمشغل المنشأة، يكون الفرق العملي بين وحدة SF₆RMU ووحدة RMU للهواء الجاف ضئيلًا من حيث الأداء الكهربائي - وكلاهما تم اختبارهما وفقًا لنفس معيار IEC 62271-200. ويظهر الفرق في الإجراءات التشغيلية. لا تحتوي وحدة RMU للهواء الجاف المزودة بخزان محكم الغلق مدى الحياة على ضغط غاز يمكن مراقبته، ولا يوجد جدول لإعادة التعبئة للمحافظة عليه، ولا يوجد ترتيب لاستعادة الغاز في نهاية العمر. بالنسبة لمشغل مرافق أو صناعي يدير مئات المحطات الفرعية، فإن هذا التبسيط له قيمة حقيقية.

تصميم نظام التوزيع: مواصفات المفاتيح الكهربائية

بالنسبة للمهندسين الذين يحددون المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط، تحدد عدة قرارات التكوين النهائي للنظام.

مستوى الجهد والخطأ. يحدد جهد النظام التصميم العازل لمجموعة المفاتيح الكهربائية. يحدد تيار العطل المتوفر قدرة كسر الدائرة القصيرة المطلوبة. يتم إنشاء كلاهما من خلال اتصال الشبكة الأولية ومقاومة المحولات. إن التقليل من تصنيف الخطأ أمر خطير. المبالغة في التحديد تضيف تكلفة غير ضرورية. الرقم الصحيح يأتي من دراسة ماس كهربائى.

تكوين بسبار. يعتمد الاختيار بين شريط التوصيل الفردي وشريط التوصيل المقطعي والتكوينات الرئيسية على متطلبات الموثوقية والميزانية. تضيف تكوينات الموثوقية الأعلى عدد اللوحات والتكلفة والتعقيد، ولكنها تحمي من السبب الوحيد الأكثر شيوعًا لانقطاعات التيار الممتدة: فشل المحول.

قاطع الدائرة مقابل الموصل المنصهر. بالنسبة للمغذيات التي تزود المحولات، يوفر قاطع الدائرة حماية من الحمل الزائد والدائرة القصيرة. بالنسبة لوحدات التغذية التي تزود المحركات، قد يكون الموصل المنصهر أكثر اقتصادا ويوفر حماية أفضل ضد حالات الأعطال الخاصة بالمحرك. ويعتمد القرار على نوع الحمولة ومستوى تنسيق الحماية المطلوب.

ثابت مقابل قابل للسحب. تعتبر المفاتيح الكهربائية الثابتة أبسط وأقل تكلفة، ولكن أي صيانة لقاطع الدائرة الكهربائية تتطلب إلغاء تنشيط قسم الناقل بأكمله. تسمح مجموعة المفاتيح الكهربائية القابلة للسحب برفع الكسارة للصيانة بينما تظل الحافلة نشطة. بالنسبة للمنشآت الحيوية التي يكون فيها وقت التوقف عن العمل مكلفًا للغاية، عادةً ما يكون التكوين القابل للسحب مبررًا.

التكامل والتواصل. يجب أن تتفاعل مجموعة المفاتيح الكهربائية مع نظام الحماية والتحكم الخاص بالمنشأة. يجب تحديد بروتوكول الاتصال ونوع وكمية محولات التيار والجهد وإمدادات الطاقة المساعدة لمرحلات الحماية ودوائر التحكم في المواصفات.