محولات التوزيع الكهربائية عالية الكفاءة

أهمية التعرف الى محولات التوزيع الكهربائية عالية الكفاءة:

بشكل عام تقوم المحولات بتحويل القدرة الكهربائية من مستوى إلى آخر بنفس التردد، وفي هذه العملية؛ فإنه من الممكن رفع أو خفض الجهد في إحدى الدوائر مع انخفاض أو زيادة في التيار، بحيث تحقق المحولات الحث المتبادل الشامل أعلاه بين الدائرتين المرتبطتين بتدفق مغناطيسي مشترك في قلبها.

كما تتفاوت المحولات في الحجم من محولات “التردد اللاسلكي” ضئيلة الوزن إلى المحولات الصناعية التي تربط شبكات الطاقة الكهربائية، والتي تبدو ضخمة وثقيلة الوزن، حيث توجد مجموعة واسعة من تصميمات المحولات في تطبيقات الطاقة الإلكترونية والكهربائية، وذلك منذ اختراع المحولات في عام 1886م، عندها أصبحت العمود الفقري لنقل وتوزيع واستخدام الطاقة الكهربائية.

ومما لا شك فيه، تلعب المحولات دوراً لا غنى عنه في شبكة توزيع الطاقة، وبعد خطوط النقل، تعد المحولات ثاني أكبر معدات خسارة في شبكات الكهرباء، بحيث يؤدي فشل المحول إلى انقطاع مفاجئ في إمدادات الطاقة، مما يؤدي إلى خسارة في الإنتاج الصناعي.

كما تخلق المحولات عالية الكفاءة فوائد اقتصادية من حيث انخفاض تكاليف التشغيل إلى جانب تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والموثوقية المحسّنة وعمر الخدمة الطويل المحتمل، وفي ضوء هذه الفوائد الهامة؛ اتخذت العديد من البلدان بما في ذلك الهند مبادرات سياسية لإنشاء برامج إلزامية وطوعية للحفاظ على الطاقة ومساعدة الأسواق المحلية على المنافسة من خلال اعتماد محولات عالية الكفاءة.

كفاءة عالية مقابل التشغيل الأمثل للمحول الكهربائي:

يتم حساب تكلفة دورة حياة المحول عن طريق إضافة تكلفة الشراء (تكلفة الاستثمار بما في ذلك الفائدة المصرفية) وتكلفة خسائر الطاقة وتكلفة الفشل أو الإصلاح وتكلفة الصيانة وتكلفة إلغاء التشغيل بعد توفير سعر إعادة البيع (القيمة المتبقية) من المحول وقت استبداله.

كما يمكن تقليل تكلفة فقد الطاقة (الحديد والنحاس) عن طريق تحسين كفاءة المحولات، وهذا بدوره يقلل من تكلفة دورة الحياة، أيضاً ونظراً لاستخدام مواد ذات درجات أفضل وتصميم مثالي؛ فإنه يتم تقليل الأعطال المفاجئة جنباً إلى جنب مع انخفاض تكلفة الصيانة.

مما يؤدي إلى زيادة متوسط العمر المتوقع، كما تضيف هذه الفوائد وتتوازن ضد الزيادة الحتمية في تكلفة الشراء، حيث سيتم استخدام النحاس الإضافي في اللفات والمواد الأفضل في القلب في تصنيع محولات عالية الكفاءة.

الحاجة القصوى لزيادة الكفاءة بالمحولات الكهربائية:

يتزايد الطلب على محولات التوزيع بوتيرة سريعة بسبب ارتفاع عدد السكان وهجرة الناس من المناطق الريفية إلى المدن الحضرية، وقد أدى ذلك إلى زيادة الطلب على أنظمة إمدادات الطاقة الموثوقة داخل الدولة.

لذلك فقد حظي الحد من خسائر النقل والتوزيع وتوفير مصدر طاقة موثوق به دون انقطاع بأكبر قدر من الاهتمام في تفكير الحكومات، بحيث يتم تقليل انبعاث غازات الدفيئة مع انخفاض فقدان الطاقة، وأيضاً؛ فإن كل وحدة طاقة يتم توفيرها تعادل حوالي وحدتين من الطاقة المولدة.

ومن المعروف أن تعريفات الطاقة الكهربائية مدعومة في قطاعات معينة بشكل محلي، بحيث تعتبر محولات التوزيع خاصة وحاسمة لأنها المعدات النهائية، والتي من خلالها يجب توصيل كل وحدة من الكهرباء التي يستهلكها المستخدم النهائي، ومن ثم؛ فمن الضروري أن تصل كل وحدة كهرباء إلى المستهلك بطريقة موثوقة وفعالة لضمان توزيع قابل للتطبيق.

الأمور التي تترتب على خسائر الشبكة الكهربائية:

توجد خسائر فنية في جميع الآلات الكهربائية حيث توفر جميع المعدات بعض المقاومة لتدفق التيار الذي يسبب خسائر (I2R) تتكامل على مدار فترة زمنية، “t” وهذا يشكل فقداً للطاقة، أي (I2Rt)، بحيث يتم تصنيف الخسائر الفنية ومناقشتها في الفقرات أدناه.

يشتمل فقدان الخط على فقد الطاقة في الموصلات والكابلات (بسبب اختيار الحجم الأصغر) والتحميل غير المتوازن (أكثر من القيمة المصممة لتدفق التيار في أحد موصلات الطور) وتحميل الموصل المحايد بسبب أحمال الطور الأحادي السائدة مسبقاً وتخفيف خيوط في موصلات (ACSR) وما إلى ذلك، ومن أهم الأمثلة على الخسائر:

• الخسائر في المفاصل والإنهاءات بما في ذلك المفاصل متوسطة المدى الناتجة عن الاختيار غير السليم للمواد والمثبتات.

• الخسائر في المحولات (تنطبق أكثر على محولات التوزيع).

• خسائر بسبب اتصال فضفاض في البطانات.

• ثني وصلات العبور عند الموصلات حيث لا يتم تثبيت الخيوط بإحكام.

وهناك خسائر عالية في عدم التحميل بسبب نوع القلب المستخدم أو النوى المشدودة بشكل غير صحيح في حالة الوحدات التي تم إصلاحها، كذلك خسائر النحاس العالية بسبب التحميل دون المستوى الأمثل، كما تحدث الخسائر في كبلات الخدمة والتوصيلات بسبب انخفاض حجم كبلات الخدمة وفقد الوصلات في الأعمدة وصناديق التوصيل بسبب استخدام أدوات تثبيت غير مناسبة وغسالات زنبركية مفقودة وعدم استخدام مفاتيح ربط عزم الدوران.

أيضاً تحدث الخسارة بسبب عيوب المقاومة العالية بسبب ملامسة الأسلاك العلوية للأشجار ونمو الزواحف فوق العمود والأسلاك وتعشيش الطيور والعوازل المكسورة والتتبع، كذلك خسائر في الصمامات والمفاصل المعاد توصيلها بسبب التوصيلات الضعيفة وعدم كفاية حجم أسلاك المصهر مما يؤدي إلى تطوير النقاط الساخنة.

كما هو موضح سابقاً؛ فإنه يمكن التحكم في الخسائر التي تساهم بها المحولات من خلال ممارسات التصميم والتركيب الأفضل بالإضافة إلى التقييم المناسب لطلب الحمل واختيار تصنيف (kVA) المناسب لتناسب متطلبات العمل.

الخسائر في محولات التوزيع عالية الكفاءة:

• خسائر عدم التحميل: ويشمل كلا من فقدان التباطؤ و”خسارة التيار الدوامي”، بحيث يكون التدفق الأساسي في المحول ثابتاً عملياً لجميع الأحمال، أي حوالي (1 إلى 3 ٪) اختلاف من حالة عدم التحميل إلى ظروف التحميل الكامل، نتيجة لهذا؛ فإنه يُفترض أن الخسارة الأساسية ثابتة عملياً لمحول معين.

• خسارة الحمل: تُعرف هذه الخسارة أيضاً باسم فقد النحاس أو فقد الدائرة القصيرة، وهي ناتجة عن الخسائر المقاومة في اللفات والخيوط والخسائر الشاردة التي تنتج عن تدفق التيارات الدوامة في أعمال الفولاذ الإنشائية والملفات، حيث أن هذه الخسارة تتناسب مع مربع التيار.

• فقدان مروحة التبريد: يحدث هذا بسبب الطاقة التي تستهلكها المراوح التي تبرد بنك وجسم المبرد للمحول، وذلك كلما زادت خسائر المحول، سيكون حجم المروحة أكبر، بحيث سيؤدي ذلك إلى زيادة الخسائر في وحدات التبريد.

• تحسين الكفاءة: يجب تقليل الخسائر من أجل تحسين الكفاءة. المجالات الرئيسية هي (A) الأساسية و (B) اللفات، ومع ذلك؛ فإنه لن يكون من السهل العمل حصرياً على اللب واللفات مع تجاهل الاعتبارات الأخرى، بحيث يعد تصميم المحولات، وهناك بعض المتطلبات المهمة إلى جانب الخسائر، والتي يجب أيضاً تحسينها بواسطة مهندس التصميم؛ مجال التسرب، مقاومة الماس كهربائي، الضغوط والسلوك الديناميكي في ظل الدوائر القصيرة.