محطات التحويل

مقدمة:
تعتبر محطات تحويل الطاقة الكهربائية حلقة الوصل الحيوية للنظام الكهربائي لشبكة النقل الكهربائي ,حيث تربط هذه المحطات الرئيسة بين محطات توليد الطاقة الكهربائية المختلفة في شمال المملكة وشرقها مرورا بمنطقة الوسط وحتى جنوب المملكة ومراكز الأحمال.

وبسبب وجود محطات توليد الطاقة (power plant)في مواقع بعيدة عن مراكز الأحمال حيث تتواجد هذه المحطات قرب مصادر الطاقة مثل البترول والغاز وكذلك مصادر المياه( لتوليد الطاقة والتبريد).ولبعد هذه المواقع عن الأحمال يتطلب إنشاء محطات تحويل لرفع الفولطية وخطوط نقل لنقل الطاقة المولدة للمستهلكين وهذا يتطلب أيضا إنشاء محطات تحويل لخفض الفولطية وتوزيعها في شبكات كهر بائية قريبة من فولطية الأحمال.

دور محطات التحويل في النظام الكهربائي:

  • رفع فولطية خطوط النقل المربوطة مع محطات التوليد.
  • ربط محطات التوليد مع النظام الكهربائي.
  • تخفيض فولطية النظام الكهربائي من اجل توزيعها في كبلات وخطوط نقل متعددة الفولطية.
  • تنظيم فولطية خطوط النقل بواسطة مبدل الفولطية على حمل(OLTC).
  • تحسين معامل القدرة بواسطة المواسعات(Capacitor Banks).
  • تحسين الفولطية بواسطة المحاثات(Reactors).
  • إغلاق وفتح خطوط النقل والكبلات.
  • تحتوي على الحمايات الخاصة للمولدات والمحولات والخطوط والمغذيات.
  • تنظيم وتحديد مقدار القدرة المنقولة بالنظام وكذلك إطفاء الأحمال حسب أهميتها في حالة حدوث نقص بتوليد الطاقة.

مكونات محطات التحويل:

أولاً: المحولات(Transformers)
المحولات الكهربائية هي أجهزة كهرومغناطيسية استاتيكية تقوم بتحويل الجهد والتيار الكهربائي من مستوى الى مستوى اخر
-تحوي المحولات ملفين على الأقل متشابك مغناطيسياً ومستقرين ميكانيكياً , نسمي الملف الموصول مع الشبكة بالملف الأولي والملف الموصول مع المستهلك نسميه بالملف الثانوي .

  • أنواع أجسام المحولات

هنالك نوعان:
• النوع الأول :
حيث يكون الجزء الفعال مربوط مع الغطاء العلوي كما هو موضح في الشكل رقم(1) وفي هذا النوع عند القيام بأعمال صيانة للمحول حيث نحتاج لفك الجسم الكامل على سبيل المثال نحتاج لرافعة عالية القدرة ولكن لا نحتاج لتفريغ الزيت بشكل كامل من جسم المحول.

  • النوع الثاني:

  وفي هذا النوع يتم ربط الجزء الفعال مع قاعدة المحول وفي حالة الصيانة مثلا لا نحتاج لرافعة عالية القدرة ولكن نحتاج إلي تفريغ الزيت بشكل كامل كما هو موضح في الشكل رقم (2).

أنظمة التبريد للمحولات (Cooling Systems)

 Oil Natural Air Natural:    – ONAN –

يكون التبريد بواسطة الزيت بشكل طبيعي حيث يصعد الزيت الحامي لأعلى المحول وبالتالي إلى المشعات  و الزيت البارد إلى اسفل المحول من المشعات وهذه خاصية طبيعية بالزيت .

والتبريد بواسطة الهواء أيضا بشكل طبيعي حيث يتم تبريد الزيت في المشعات بواسطة الهواء الطبيعي.

Oil Natural Air Forced -: ONAF –

 التبريد بالزيت يتم بشكل طبيعي والهواء بواسطة مراوح مركبة على المشعات. 

Oil Forced Air Forced-: OFAF –

التبريد بالزيت يتم بواسطة ضخ الزيت بمضخات مركبة على أنابيب التبريد الرئيسية, والهواء بواسطة مراوح.

أنواع قلب الملفات

النوع الأول ( Core Type )

حيث يتم لف الملفات بشكل أسطواني عامودي حول القلب الحديدي كما في الشكل رقم (3)

النوع الثاني ( Shell Type)

حيث تكون الملفات أسطوانية ولكن بشكل أفقي كما هو موضح في الشكل رقم(4) حيث يمثل مسقط علوي.

أنواع المحولات ( Type of Transformer )

 من حيث عدد الأطوار :

  • أحادى الأطوار (single phase ).
  • ثلاثي الأطوار (three phase ).

من حيث التوصيل :

  • Conventional transformer
  • Autotransformer

ثانياً:- القواطع الآلية ( CIRCUIT BREAKERS )

إن الهدف من القواطع الآلية المستخدمة في محطات التحويل هو إطفاء الشرارة التي تحدث عند عمل القاطع في الحالات العادية وفي حالة حدوث عطل،و يتكون القاطع من الأجزاء التالية:

  • حجرة الإطفاء (ExtinguishingChamber): حيث يتم إطفاء الشرارة، فعندما ينفصل الجزء المتحركMoving Contact)) عن الجزء الثابت(Fixed Contact) يحصل خلخلة للضغط في المنطقة ما بين الجزء الثابت و الجزء المتحرك تعمل على إجبار الوسط العازل(زيت أو غاز) لإطفاء للشرارة المتكونة مع العلم أن ضغط الغاز في الحجرة يصل إلى 7 بار.
  • الآلية (Mechanism): تعمل الآلية على تحريك الجزء المتحرك في القاطع لينفصل عن الجزء الثابت، و هنالك عدة أنواع :

هوائية: ويتكون هذا النظام من:

  • ضاغطة(Compressor).
  • اسطوانة تعمل على تخزين الهواء المضغوط.
  • صمامات(Valves).
  • أنابيب(Tubes).
  • مكبس (Piston)

حيث يتم ضغط الهواء داخل الاسطوانة حيث يصل هذا الضغط إلى 17 بار عن طريق الضاغطة (Compressor) و عند الفصل أو التوصيل يتم تحرير هذا الضغط و توجيهه إلى مكبس

(Piston)  ويقوم هذا المكبس بدوره بتحريك الجزء المتحرك إما وصل أو فصل حسب الأمر المعطى.

  • هيدروليكية: ويتكون هذا النظام من :
  • مضخة(Pump).
  • زيت هيدروليكي(Hydraulic).
  • خزان زيت احتياط(Conservator).
  • اسطوانة فيها غاز النيتروجين بالإضافة إلى الزيت ليكوّن ما يسمى Accumulator)) الذي يعمل على تخزين الطاقة مثل الزنبرك.
  • صمامات(Valves).
  • أنابيب(Tubes).
  • مكبس( Piston).

تعمل المضخة على ضغط الزيت الهيدروليكي الذي يقوم بدوره بضغط النيتروجين الموجود في الـ (Accumulator) ليتم تخزين هذه الطاقة لحين الحاجة إليها، فعند إعطاء إشارة للقاطع إما غلق أو فتح يتم توجيه الزيت المضغوط إلى المكبس  (Piston) و الذي يقوم بدوره بتحريك الجزء المتحرك داخل غرفة إطفاء الشرارة عن طريق ذراع توصيل (Connecting Rod).

  • زنبركيه: ويتكون هذا النظام من :
    • زنبرك(Spring).
    • محرك(Motor).

و في هذا النوع يتم شحن زنبرك بواسطة محرك عند الحاجة الى عملية فصل أو وصل يتم تحرير الزنبرك المشحون ليقوم بتحريك الجزء المتحرك، ويعتبر من أفضل الآليات المستخدمة و أكثرها موثوقية.

  • جسم القاطع:
    • ففي حالة المحطات الخارجية يكون الجسم هو عبارة عن عازل بورسلان ليتم عزل الأجزاء الفعالة عن الأجزاء الموصولة بالأرض.
    • و في حالة المحطات الداخلية يكون الجسم من معدن و داخل هذا الجسم غاز العزل الذي يعزل جميع الأجزاء المكهربة عن الأجزاء الموصولة بالأرض و لذلك نجد أن حجم المحطات الداخلية اقل بكثير من المحطات الخارجية.
  • الوسط العازل: هنالك نوعان من أنواع العزل المستعملة حاليا:
    • غاز الـ (SF6) و الذي يمتاز:
      • بقدرته العالية على العزل و حتى على ضغط يساوي الضغط الجوي.
      • قدرته على إعادة تشكيل نفسه بعد أن يتعرض للشرارة التي تعمل على تحلل الغاز.
      • العمر الطويل.
      • غير سام.
      • لا لون و لا رائحة.
      • غير قابل للاشتعال بل يطفي الشرارة.
  • الزيت:
    • القدرة على إطفاء الشرارة.
    • لا حاجة لوجود الضغط.

و لكن :

  • تكون الكربون بعد كل عملية إطفاء و بالتالي الحاجة إلى تبديل الزيت.
    • يستعمل للفولتيات المتوسطة و المنخفضة.

و بناءا على ما سبق من تفصيل فإن للقواطع عدة أنواع:-

1– من حيث مستوى  الفولتية:

فهي قواطع 400 ك.ف, 132 ك.ف, 33 ك.ف , 11 ك.ف,6.6ك.ف و0.4ك.ف.

2– من حيث العزل:-

  • زيتية:  حيث يستخدم في قواطع الـ 33ك.ف و قواطع الـ 11 ك.ف.
  • غازية(غاز SF6):حيث يستخدم في قواطع 132 ك.ف , 33 ك.ف و قواطع 400 ك.ف.

3- من حيث الآلية

  • هوائي (Pneumatic)
  • هيدروليكية
  • زنبركي

ثالثاً:- المستعزلات( (ISOLATORS.

إن الهدف من استخدام المستعزلات في محطات التحويل هو العزل المرئي للجزء الذي نريد القيام بالصيانة عليه, سواء أكانت الصيانة طارئة للعطل الذي حصل , أو صيانة مبرمجة من قبل المسؤولين عن المحطة.

وعادةً ما تكون المستعزلات على جنبي القاطع الآلي , ويكون بينها وبين القاطع الآلي نظام تقافل بحيث لا يمكن فتح المستعزلات إلا عندما يكون القاطع مفتوحاً.

وتقسم المستعزلات إلى قسمين, من حيث الآلية :-

  • يدوي(Manual): حيث يوجد في المحطات الخارجية (132 ك.ف).
  • آلي (Motorized): كما في محطة الـ 400 ك.ف الجديدة في القطرانة ومحطات (GIS).

رابعاً: – محولات التيار و الفولتية  (CT &VT)

محول التيار(Current Transformer):

  • يقوم هذا النوع من المحولات بتحويل التيارات العالية إلى تيارات قليلة جدا عادة 1 أمبير أو 5 أمبير لنتمكن من التعامل مع هذا التيار بشكل آمن و من اجل استخدام معدات صغيرة يمكن التعامل معها.
  • يتم تصنيف محولات التيار إلى (Classes) و ذلك حسب الاستخدام (للحماية أو للقياس).
  • من أهم الشروط التي لا بد منها هي أن تكون الجهة الثانوية للمحول دارة مكتملة و أن لا تفتح أثناء عمل المحول.
  • الجهة الابتدائية للمحول(Primary) هي عبارة عن الموصل أي لفّة واحدة بينما الجهة الثانوية فتتكون من آلاف اللفات.

محول الفولتية(Voltage Transformer):

  • يقوم هذا النوع من المحولات بتحويل الفولتيات العالية إلى فولتيات قليلة جدا عادة 110 فولت لنتمكن من التعامل مع هذه الفولتية بشكل آمن و من اجل استخدام معدات صغيرة يمكن التعامل معها.
  • من أهم الشروط التي لا بد منها هي أن لا تكون الجهة الثانوية للمحول دارة مقصورة أثناء عمل المحول.
  • أنواع هذه المحولات:

– محولات الفولتية السعوية (C.V.T).

– محولات الفولتية الحثية (I.V.T ).

خامساً:- حاذقات الصواعق  (SURGE ARRESTER).

تستخدم هذه الحاذفات في المحطات من أجل حماية المحولات والكبلات من الصواعق الكهربائية الحادة التي تعمل على تدمير المحطة كاملة بتدميرها للمحولات, لذلك توضع هذه الأجهزة قبل المحولات وقبل نهايات الكبلات.

سادساً: -النواقل.

  • الموصلات (Conductors):

إن الموصلات المستخدمة في المحطات هي من النحاس, و الموصلات المستخدمة في الخطوط من الألمنيوم.

  • الكبلات (Underground Cables):
  • من حيث شكل الموصل النحاسي:
  • دائري(Circular).
  • مقسّم(Segmental).
  • من حيث العزل(Insulating Material):
  • ورقي مغطس بالزيت.
  • Cross Linked Poly Ethylene (XLPE)  .
  • من حيث الحماية الخارجية (Sheath):
  • نحاسي.
  • ألمنيوم.
  • رصاصي.

4- أنواع محطات التحويل حسب طبيعة عملها:

تقسم محطات التحويل حسب طبيعة عملها إلى الأتي:

  • محطات رفع فولطية(Step up) وهذه المحطات المتواجدة في محطات التوليد.
  • محطات النقل حيث تقوم هذه المحطات بتحويل الفولطية العالية والفائقة إلى فولطيات اقل (Step down) من اجل توزيعها على الشبكات مثال على ذلك محطة تحويل القطرانة 400/132/33 ك.ف.

§        محطات تحويل لتوزيع الكهرباء الرئيسية ودورها يقوم على تحويل الفولطية العالية إلى فولطية متوسطة لتغذية الأحمال الكبرى وخطوط تغذية محطات توزيع الكهرباء (132/33/11, 33/ 11 ك.ف).

§        محطات فرعية حيث تقوم هذه المحطات بتحويل الفولطيات المتوسطة إلى فولطية  المستهلك   (33/0.4 ك.ف).

5- أنواع محطات التحويل من حيث التركيب:

تقسم محطات التحويل من حيث التركيب إلى الأنواع التالية:

محطات تحويل خارجية(Air insulated switchgear)

  حيث تكون جميع المعدات للمحطة من النوع الخارجي(outdoor type) وتشمل جميع المعدات الخاصة بالفولطيات (400,132,33 ك.ف) وتركب جميع هذه المعدات في الساحة الخارجية للمحطة ما عدا معدات التحكم والحماية(control&protection Equipment)تركب في مبنى التحكم للمحطة(Control Building).

         كذلك يوجد بعض محطات التحويل الخارجية تكون معدات الجهد المتوسط مركبة داخل مبنى التحكم الخاص بالمحطة(Indoor Switchgear)  .  

محطات تحويل داخلية((Indoor Substation

يحتوي هذا النوع من المحطات على معدات مركبة داخل مبنى المحطة حيث تكون القواطع الكهربائية للفولطيات الفائقة والعالية من النوع المغلف بالمعدن والمعزول (Gas Insulated Switchgear)بغاز سادس فلوريد الكبريت(SF6).

اما قواطع الضغط المتوسط(MV Switchgear) فتكون من النوع الداخلي أو من النوع المغلف بالمعدن والمعزول بغاز سادس فلوريد الكبريت(SF6 ).

6- أنواع محطات التحويل من حيث تركيب القضبان العمومية:

يتوفر عالميا أنواع كثيرة جدا من أنواع محطات التحويل حسب تركيبة القضبان العمومية(Busbar) ولكن سوف يكون الشرح حول المحطات المتوفرة في شركة الكهرباء الوطنية.

–       محطات تحويل بدون قضبان عمومية Substations Without Bus bars

من حيث التركيب تكون خطوط النقل موصولة مباشرة على محولات القدرة وهذه المحطات قليلة التكلفة ولكنها قليلة الاعتمادية

–       محطات تحويل أحادية القضبان Single Busbar Substations

من حيث الاعتمادية تعتبر اكثر اعتمادية من المحطات بغير قضبان حيث يمكن في حالة خروج خط تبقى المحولات عاملة وفي حالة خروج محول تبقى الخطوط عاملة.

أما في حالة حدوث عطل على القضبان العمومية يؤدي إلى إطفاء جميع المعدات الواصلة على هذه الجهة من القضبان من خطوط ومحولات .

–       محطات تحويل أحادية القضبان مع فاصل القضبان with B.S Single Busbar Substations

من حيث الاعتمادية تعتبر اكثر اعتمادية من المحطات احادية قضبان حيث يمكن في حالة خروج خط تبقى المحولات عاملة وفي حالة خروج محول تبقى الخطوط عاملة كما هو في الشكل رقم (5).

–       محطات تحويل ذات القضبان المزدوجة(مع توفر فاصل قضبان ودا مج قضبان)Double Busbar Substations with BS &BC

تعتبر هذه المحطات ذات اعتمادية عالية ولكن تكلفتها أعلى حيث تحتوي على هياكل فولاذية وعوازل ومعدات خارجية من قواطع يدوية وغيرها اكثر من المحطات ذات الأحادية القضبان كما هو في الشكل (6)

وتعتبر هذه المحطات اكثر اعتمادية للميزات التالية:

  • إمكانية ربط الخطوط والمحولات على أي جزء من أجزاء القضبان الأربعة.
  • يمكن نقل الأحمال بين أجزاء القضبان بدون أي اطفاءات وبسهولة برمجة أعمال الصيانة.
  • يمكن للمحطة العمل كنظام أحادى القضبان أو مزدوج القضبان.
  • محطات تحويل ذات القضبان المزدوجة ( مع توفر دامج قضبان( bus coupler)))

Double Busbar Substation with BC    

من حيث التركيب تشبه المحطات المزدوجة المذكورة أعلاه ولكن لا يتوفر فاصل القضبان وهذا ما يقلل اعتماديتها كما هو في الشكل (7)

  • محطات تحويل ذات مزيج من القضبانMixed busbar Substations هذه المحطات مزيج من المحطات السابقة ولكن اعتماديتها اقل مثال على هذا النوع محطة تحويل ماركا كما هو في الشكل (8).
  • محطات تحويل على نظام One and half CB Substations                                   

يستعمل هذا النظام في محطات تحويل الفولطية 400 ك.ف وتكون إعتماديتها عالية جدا” أعلى من ذات القضبان المزدوجة ولكن تكلفتها عالية جدا” حيث يكون مخصص لكل دائرة قاطع آلي ونصف, أي 3 قواطع آلية لكل دائرتين وتكون تكلفة أجهزة الحماية عالية جدا” لوجود حمايات إضافية غير المتوفرة في المحطات العادية، ويتضح من المذكور أعلاه أن اختيار نوع القضبان لأي محطة تحويل يعتمد على أهمية المحطة وموقعها وكيفية التوسع في المستقبل ومثال على ذلك محطة تحويل القطرانة 400/132/33ك.ف كما هو في الشكل رقم  (9).

– اختيار استطاعة محطات التحويل:

تحديد استطاعة محطة التحويل يعني تحديد استطاعة المحولات التي يجب تركيبها في المحطة ويجري تحديدها حسب الأتي:

–       تتقدم الشركات الطالبة للطاقة بمقدار الحمل المطلوب تزويده.

–       تحديد نوع الحمل وكيفية جدولة العمل به.

–       تقوم دائرة التخطيط بدراسة نمو الأحمال المستقبلية وتطبيق قاعدة (n-1 )

–       يتم جمع كل الأحمال الحالية والمستقبلية ويختار اقرب استطاعة محول حسب المواصفات العالمية(IEC).

متفرقات يجب أن  تأخذ بعين الاعتبار في قواعد المحطات الأساسية :-

§        الأمان وذلك بالمحافظة على الخلوصات  Clearances عن الموصلات الحية عالية الفولطية

وعلى سبيل المثال يكون الخلوص الأدنى بين نقطة حية  وبين أقصى نقطة يصلها أي جزء من جسم العامل أو معدات وذلك حسب قواعد وتعليمات السلامة للعمل على المنشات الكهربائية كما هو موضح في الجدول رقم (1).

§        حفظ الطاقة وتقليل الفقد Energy Saving and Losses .

§        عمليات التشغيل والصيانة .

  • أن تكون أجزاء المحطة من النوع الذي يمكن استبداله Interchangeability of the Part. 

8– مرافقات لمحطات التحويل

–  نظام التحكم (RTU / SCS) 

يجب تحديد عملية التحكم بالمعدات الكهربائية Relays  أثناء التشغيل (Local / Remote / Supervisory).

–  أجهزة الحماية    Protection Relays 

أجهزة الحماية المطلوبة لأجهزة المحطة وتحديد كل دائرة وما تحتاج له من حمايات أساسية وثانوية

(MAIN&BACKUP).

–       نظام التقافل والفتح Interlocking & Intertrip طرق التقافل لكل خلية ومعدة وكذلك التحكم بالفولطية من خلال OLTC وكذلك كيفية تشغيل ووقت التشغيلReactor & Capacitor Banks.

–  نظام التأريض والحماية من الصواعق

 كيفية تأريض المعدات وحماية المحطة من الصواعق وكذلك حماية العاملين من الضربات الكهربائية خلال العمل في المحطة.

–  الكبلات الكهربائية والتوصيلات

 تحديد مسار كبلات الطاقة HV,MV وكذلك تحديد مسارات كبلات التحكم  ودراسة تحديد أقطار الكبلات لتتناسب مع العمل وزيادة الأحمال.

-الأعمال الكهربائية المساعدة والكهروميكانيكية

 تشمل أعمال الإنارة الداخلية والخارجية وأجهزة إطفاء الحريق والتكييف والتلفونات والإنذار.

المصدر: مواقع إلكترونية

شاهد أيضاً

ترشيد استهلاك الكهرباء

الكهرباء أهم مصادر الطاقة المستخدمة في حياتنا اليومية، فمن الصعب جدًا تخيل العالم اليوم بدون …

arArabic
arArabic