مقدمة عن معدات التبديل

تشير لوحات التوزيع الكهربائية إلى مجموعة كاملة من أجهزة توزيع الطاقة، مُجمّعة من معدات أساسية ومعدات ثانوية وفقًا لتصميم مُحدد، وتُستخدم بشكل رئيسي للتحكم في الدوائر والمعدات وحمايتها. ويمكن تقسيم لوحات التوزيع الكهربائية إلى لوحات توزيع عالية الجهد (ثابتة ومتحركة) ولوحات توزيع منخفضة الجهد (ثابتة ومتحركة) وفقًا لمستويات الجهد الداخلة والخارجة من الخطوط.
تتشابه بنية لوحات التوزيع الكهربائية ذات الجهد العالي تقريبًا، وتنقسم أساسًا إلى غرفة قضبان التوزيع، وغرفة قواطع الدائرة، وغرفة التحكم الثانوية (غرفة الأجهزة)، وغرفة التغذية. ويوجد عادةً عازل من صفائح الفولاذ بين كل غرفة وأخرى. أما لوحات التوزيع الكهربائية ذات الجهد المنخفض، فتُصنف أساسًا وفقًا لطريقة تركيب مكوناتها.

مفتاح كهربائي عالي الجهد مدرع مثبت في المنتصف من طراز KYN28A-12

خزانة مفاتيح ثابتة منخفضة الجهد من GGD

خزانة مفاتيح قابلة للسحب ذات جهد منخفض من MNS

مفاتيح كهربائية معدنية مغلفة قابلة للإزالة ومدرعة طراز KYN61-40.5

خزانة مفاتيح سحب الجهد المنخفض GCK

تشمل المكونات الداخلية: قضيب التوصيل (القضيب الموصل)، قاطع الدائرة، المرحل التقليدي، جهاز حماية المرحل المتكامل، أداة القياس، سكين العزل، ضوء المؤشر، سكين التأريض، إلخ.

1. تُسمى خزانة خط الإدخال أيضًا خزانة استقبال الطاقة. وهي جهاز يُستخدم لاستقبال الطاقة الكهربائية من شبكة الكهرباء (من خط الإدخال إلى قضيب التوزيع). وهي مُجهزة عادةً بقواطع الدائرة، ومحولات التيار، ومحولات الجهد، وقواطع العزل، ومكونات أخرى.

2. تُسمى الخزائن الخارجية أيضًا بخزائن التغذية أو خزائن توزيع الطاقة. وهي عبارة عن معدات تُستخدم لتوزيع الطاقة الكهربائية (من ناقل الطاقة إلى كل خط خارجي)، وعادةً ما تكون مجهزة بقواطع دوائر، ومحولات تيار، ومحولات جهد، وسكاكين عزل، ومكونات أخرى.

3. وصلة الحافلة
يُطلق عليه أيضًا اسم خزانة قواطع التيار الكهربائي. وهو جهاز يُستخدم لتوصيل قسمين من خطوط التوزيع الكهربائي (من خط توزيع إلى آخر). يُستخدم توصيل خطوط التوزيع الكهربائي غالبًا في أنظمة خطوط التوزيع أحادية وثنائية القسم لتلبية متطلبات المستخدمين أو ضماناتهم لاختيار أوضاع تشغيل مختلفة. كما يُتيح إمكانية فصل الأحمال بشكل انتقائي في حالة حدوث عطل.

4. يتم تركيب خزانة محول الجهد الكهربائي (PT) عادةً مباشرةً على قضيب التوزيع الكهربائي لكشف جهد قضيب التوزيع وتحقيق وظيفة الحماية. وتحتوي الخزانة بشكل أساسي على محول الجهد الكهربائي (PT)، وقاطع العزل، والصمامات، ومانعات الصواعق، وغيرها.

٥. تُستخدم خزانة العزل لعزل قضبان التوصيل من كلا الطرفين، أو لعزل معدات استقبال الطاقة عن معدات التغذية. كما توفر نقطة نهاية مرئية للمشغل لتسهيل عمليات الصيانة والإصلاح. ولأن خزانة العزل لا تملك القدرة على فصل أو إعادة توصيل تيار الحمل، فلا يمكن دفع أو سحب عربة العزل اليدوية عند إغلاق قاطع الدائرة الكهربائية المتصل بها. في التطبيقات العامة، من الضروري ضبط آلية التعشيق بين الملامس المساعد لقاطع الدائرة الكهربائية وعربة العزل اليدوية لمنع التشغيل الخاطئ من قِبل المشغل.

٦. تُسمى خزانة المكثفات أيضًا بخزانة التعويض، وتُستخدم لتحسين معامل القدرة لشبكة الكهرباء، أو لتعويض القدرة التفاعلية. تتكون مكوناتها الرئيسية من مجموعات من بنوك المكثفات، وحلقات تحكم في التبديل، وصمامات موصولة على التوازي. تحمي هذه الخزانة الأجهزة الكهربائية. تُركّب عادةً بالتوازي مع خزانة التغذية، ويمكن تشغيل خزانة مكثفات واحدة أو أكثر بالتوازي. بعد فصل خزانة المكثفات عن شبكة الكهرباء، ونظرًا لأن بنك المكثفات يستغرق بعض الوقت لإكمال عملية التفريغ، لا يُنصح بلمس مكونات الخزانة مباشرةً، وخاصةً بنك المكثفات. خلال فترة زمنية محددة بعد انقطاع التيار الكهربائي (تختلف حسب سعة بنك المكثفات، مثل دقيقة واحدة)، يُمنع إعادة توصيلها لتجنب تلف المكثفات بسبب الجهد الزائد. عند تنفيذ وظائف التحكم الآلي، يجب مراعاة التوزيع الأمثل لأوقات تبديل كل مجموعة من بنوك المكثفات لتجنب تلف مجموعة واحدة من المكثفات بينما تعمل المجموعات الأخرى بشكل متقطع.

7. خزانة القياس

تُستخدم بشكل أساسي لقياس الطاقة الكهربائية (كيلوواط ساعة)، وتنقسم إلى جهد عالي وجهد منخفض، وعادة ما يتم تركيبها مع مفتاح عزل، وصمام، ومحول تيار، ومحول جهد، وعداد واط ساعة نشط (عداد تقليدي أو عداد رقمي)، وعدادات واط ساعة تفاعلية، ومرحلات، وبعض المعدات الثانوية المساعدة الأخرى (مثل أجهزة مراقبة الحمل، وما إلى ذلك).
8. تسمى خزانة GIS أيضًا بالخزانة الكهربائية المدمجة المغلقة، وهي عبارة عن مجموعة مغلقة من قواطع الدائرة، ومفاتيح العزل، ومفاتيح التأريض، ومحولات التيار، ومحولات الجهد، ومانعات الصواعق، وقضبان التوصيل، وما إلى ذلك في غلاف معدني، ثم يتم استخدام غاز ذي عزل جيد وأداء إخماد القوس (يستخدم عادةً سادس فلوريد الكبريت SF6) كإجراء عزل بين الأطوار والأرض، وهي مناسبة لشبكات الطاقة ذات الجهد العالي والسعة العالية، وتستخدم لتوزيع الطاقة والتحكم فيها.
٩. عندما يعمل قاطع الدائرة بشكل طبيعي، يكون في حالة الإغلاق (باستثناء التطبيقات الخاصة)، وتكون الدائرة موصولة. عند تنفيذ عمليات التحكم الآلي أو عمليات الحماية، يمكن تشغيل قاطع الدائرة تحت سيطرة جهاز الحماية الشامل لفصل الدائرة أو توصيلها. لا يقتصر دور قاطع الدائرة على تشغيل وإيقاف تيار الحمل العادي، بل يمكنه أيضًا تحمل تيار قصر الدائرة لفترة زمنية محددة (عدة أضعاف أو حتى عشرات أضعاف تيار التشغيل العادي)، وفصل تيار قصر الدائرة، وقطع الدوائر والمعدات المعيبة. لذلك، فإن الوظيفة الرئيسية لقاطع الدائرة هي فصل الدائرة وتوصيلها (بما في ذلك فصل وتوصيل التيار العادي، وفصل تيار قصر الدائرة). نظرًا لأنه في عملية فصل الدائرة وإغلاقها، يتولد قوس كهربائي حتمًا بين الملامس المتحرك والملامس الثابت لقاطع الدائرة. ولحماية الملامسات، وتقليل فقدان مواد التلامس، وفصل الدائرة بشكل موثوق، يجب اتخاذ تدابير لإخماد القوس الكهربائي في أسرع وقت ممكن. إحدى هذه الطرق هي استخدام وسائط إطفاء قوس كهربائي مختلفة لملء نقاط التلامس المتحركة والثابتة لقاطع الدائرة. وبناءً على نوع وسيط الإطفاء، يمكن تقسيم قواطع الدائرة إلى: قواطع زيتية (بكمية زيت أكبر أو أقل)، وقواطع سداسي فلوريد الكبريت (SF6)، وقواطع فراغية، وقواطع هوائية، وغيرها. يُعد قاطع الدائرة من أهم المعدات الأساسية في لوحات التوزيع الكهربائية ذات الجهد العالي والمنخفض التي نتعامل معها بشكل متكرر في المشاريع. ولأن نقاط التلامس المتحركة والثابتة لقاطع الدائرة تكون عادةً مغلفة بسائل إطفاء القوس الكهربائي، فلا يمكن تحديد حالة فتح وإغلاق القاطع مباشرةً، بل يتم ذلك عادةً من خلال أجهزة مساعدة (مثل مؤشرات موضع الفتح والإغلاق).

10. سكين العزل

يمكن لسكين العزل (أو مفتاح العزل) تحديد حالة التوصيل أو الفصل من خلال وجود كسر واضح. يُستخدم بشكل أساسي لعزل مصادر الطاقة ذات الجهد العالي لضمان الصيانة الآمنة للخطوط والمعدات. يكون التيار الذي يمكن فصله ضئيلاً للغاية (عادةً بضعة أمبيرات فقط). ولعدم وجود جهاز خاص لإطفاء القوس الكهربائي، لا يمكن استخدامه لقطع تيار العطل أو تيار التشغيل العادي، كما يُمنع إجراء عملية الفصل تحت الحمل.

11. فيوز

الفيوز هو جهاز كهربائي بسيط لحماية الدوائر. مبدأ عمله هو أنه عندما يصل التيار المار فيه إلى قيمة معينة أو يتجاوزها لفترة زمنية محددة، ينصهر المعدن المنصهر بداخله ويقطع الدائرة. يتميز الفيوز بسهولة تركيبه، وعادةً لا يُستخدم بمفرده، بل يُستخدم بالتزامن مع أجهزة كهربائية أخرى. من أهم خصائص عمله: أولاً، يجب أن يصل التيار إلى قيمة معينة، وهي قيمة محددة مسبقًا قبل خروج الفيوز من المصنع ولا يمكن تغييرها؛ ثانيًا، يجب أن تمر فترة زمنية محددة بعد وصول التيار إلى تلك القيمة، وهي أيضًا محددة من قبل الشركة المصنعة ولا يمكن تغييرها. توجد أنواع عديدة من الفيوزات، منها الفيوزات ذات التشغيل المتأخر، والفيوزات ذات التشغيل السريع، والفيوزات فائقة السرعة، وغيرها؛ ثالثًا، إذا تضرر جسم الفيوز بعد التشغيل، فلا يمكن إعادة استخدامه ويجب استبداله؛ ويمكن معرفة ما إذا كان الفيوز قد احترق من خلال مؤشر الفيوز أو من خلال مظهر المعدن المنصهر. تُصنف الفيوزات الشائعة الاستخدام وأنابيب الحماية ضمن هذه الفئة من الأجهزة الكهربائية.

12. مفتاح الحمل
يحتوي مفتاح الحمل على جهاز بسيط لإخماد القوس الكهربائي. عادةً ما يكون الهواء هو وسيط الإخماد، وهو قادر على توصيل وقطع بعض التيارات والتيارات الزائدة، ولكنه لا يستطيع قطع تيارات القصر ولا يُستخدم لقطع أعطال القصر. لذلك، يُمنع منعًا باتًا استخدام مفتاح الحمل كبديل لقاطع الدائرة؛ وفي حال استخدامه، يجب استخدامه مع مصهر الجهد العالي المذكور سابقًا (في الواقع، غالبًا ما يُستخدم المصهر ومفتاح الحمل على التوالي لتوفير حماية بسيطة من الحمل الزائد، وذلك لتقليل تكلفة المشروع). يشبه مفتاح الحمل سكين العزل، حيث توجد فجوة فصل واضحة، مما يُسهل تحديد ما إذا كانت الدائرة في حالة تشغيل أم إيقاف.

13. المحول

ببساطة، المحول هو جهاز يستخدم المجالات الكهرومغناطيسية المتناوبة لتحويل مستويات الجهد المختلفة (أي تحويل الطاقة الكهربائية)، ولا يتغير الجهد قبل التحويل وبعده بتغير التردد. ويمكن تصنيفه حسب استخدامه إلى أنواع عديدة، مثل محولات الطاقة، ومحولات التقويم، ومنظمات الجهد، ومحولات العزل، ومحولات التيار والجهد، وغيرها. وأكثر ما نصادفه في مواقع المشاريع هو محولات الطاقة.
تتضمن بعض المعايير الفنية الرئيسية المتعلقة بالمحول ما يلي: ① السعة المقدرة: تشير إلى سعة الخرج المقدرة للمحول في ظل ظروف التشغيل المقدرة (تساوي U×I، بالكيلوفولت أمبير)؛ ② الجهد المقدر: جهد اللاحمل، جهد التفرع المقدر، جهد الطرف؛ ③ فقد اللاحمل: في حالة اللاحمل، هو فقد المحول (ويسمى أيضًا فقد الحديد)؛ ④ تيار اللاحمل: في حالة اللاحمل، هو قيمة التيار المتدفق عبر ملف الجانب الابتدائي؛ ⑤ فقد قصر الدائرة: هو الفقد الناتج عن التيار المقدر على الجانب الابتدائي وقصر الدائرة الثانوي (ينتج بشكل أساسي عن مقاومة الملف)؛ ⑥ مفهوم التفرع: لتلبية احتياجات تشغيل شبكة الطاقة، يحتوي جانب الجهد العالي للمحول على تفرعات، ويتم التعبير عن قيم جهد هذه التفرعات كنسبة مئوية من الجهد المقدر، وهو ما يسمى جهد التفرع. على سبيل المثال، يحتوي محول الجهد العالي 10 كيلوفولت على نقطة تحويل ±5%، مما يعني أن المحول يمكنه العمل بثلاثة مستويات جهد: 10.5 كيلوفولت (+5%)، و10 كيلوفولت (الجهد المقنن)، و9.5 كيلوفولت (-5%). عمومًا، يكون عدد نقاط التحويل في محولات التحويل أثناء التشغيل أكبر، مثل 7 نقاط (±3×2.5%) و9 نقاط (±4×2%). ونظرًا لعدم إمكانية ضمان التبديل المتزامن الكامل لمغير نقطة التحويل، لا يمكن تشغيل محولات التحويل أثناء التشغيل بالتوازي. ⑦ الحمل الفعال: هو الحمل الذي يُولّد طاقة الآلات أو الطاقة الحرارية في نظام الطاقة. أما الحمل المقاوم البحت، فيستهلك الطاقة الفعالة فقط، مثل التدفئة الكهربائية، والفرن الكهربائي، والإضاءة، وغيرها من الأحمال الكهربائية. بينما تستهلك أحمال المحركات غير المتزامنة والمتزامنة كلاً من الطاقة الفعالة والطاقة غير الفعالة. من بينها، الجزء الذي يُولّد طاقة الآلة عن طريق العمل هو الحمل الفعال. ويجب تزويد الحمل الفعال بالطاقة الفعالة للمولد. ٢- حمل القدرة غير الفعالة: هو جزء الحمل الكهربائي الذي لا يقوم بعمل. تُستهلك القدرة غير الفعالة فقط في الأحمال الحثية، مثل: المحولات، والمحركات، ومكيفات الهواء، والثلاجات، وما إلى ذلك. لذلك، بينما يُخرج المولد طاقة فعالة، فإنه يحتاج أيضًا إلى توفير قدرة غير فعالة. عندما لا تستطيع القدرة غير الفعالة تلبية احتياجات الشبكة، سينخفض ​​جهد النظام. ولتلبية احتياجات المستخدمين، يجب تركيب مُعوض القدرة غير الفعالة في المحطة الفرعية للحفاظ على توازن القدرة غير الفعالة، وبالتالي الحفاظ على مستوى الجهد. ٣- احتياطي الطوارئ: هو أحد مكونات سعة الاحتياطي في نظام الطاقة. نظرًا لاحتمالية تعرض معدات توليد الطاقة لأعطال مؤقتة أو دائمة تؤثر على إمدادات الطاقة، يجب أن يكون النظام مُجهزًا بعدد معين من مصادر الطاقة الاحتياطية الطارئة لضمان سلامة مرافق الطاقة. ⑩ تفكيك النظام: لمنع فقدان النظام لتزامنه وتوسع نطاق الحوادث، سيتم تفكيك نظام الطاقة بالكامل إلى عدة أنظمة مستقلة لا تعمل بشكل متزامن. قد تعاني بعض الأنظمة المحلية من نقص في الطاقة بعد تخفيف الحمل، وانخفاض في التردد والجهد، لذا يلزم إزالة جزء من الحمل لمنع تضرر استقرار النظام بأكمله.