كيفية تصميم محطات التحويل المناسبة لشبكات الطاقة الحضرية؟

القيود الرئيسية في تصميم المحطات الفرعية الحضرية: المساحة والسلامة والجماليات

التغلب على محدودية المساحة في البيئات عالية الكثافة

تُعَد المساحة دائمًا موردًا نادرًا في المحطات الفرعية الحضرية، لا سيما وأن أسعار الأراضي في المدن الكبرى قد تصل إلى أكثر من تسعة ملايين دولار أمريكي للفدان الواحد وفقًا لبيانات حديثة صادرة عن معهد الأراضي الحضرية. وتقلل أجهزة التبديل المعزولة بالغاز من الاحتياجات الفيزيائية للمساحة بنسبة تقارب الثلثين مقارنةً بالنظم التقليدية المعزولة بالهواء، ما يجعل استخدامها ضروريًّا عمليًّا لتثبيت البنية التحتية للطاقة في المناطق ذات الكثافة العالية. ويتيح النهج الوحدوي للمهندسين ترتيب المحولات والمعدات الأخرى رأسيًّا بدلًا من تركيبها أفقيًّا. كما أن وحدات المحطات الفرعية الجاهزة تُسرِّع سير العمل بشكلٍ كبير عند العمل في الأماكن الضيقة مثل غرف المرافق تحت الأرض أو الزقاق الضيق بين المباني. ويضمن التموضع الذكي لكافة المعدات توفر مساحة كافية حول كل جهاز لإجراء أعمال الصيانة، مع الاستمرار في تشغيل المحطة بكفاءة وسلاسة يوميًّا.

ضمان السلامة من خلال تحسين نظام التأريض والتحكم في جهود الخطوة/اللمس

تُحدّد أنظمة التأريض السليمة جهدي الخطوة واللمس عند قيم أقل من ٥ فولت أثناء الأعطال، وفقًا لمعايير IEEE 80-2013. ويجمع النهج الطبقي بين ما يلي:

• الإلكترودات المُغروسة عميقًا والتي تصل إلى طبقات التربة ذات المقاومة النوعية المنخفضة
• الربط المتساوي الجهد لجميع الهياكل المعدنية
• طبقة سطحية من الحصى المسحوق (بعمق ٠٫١٥ متر) لزيادة مقاومة التماس

المراقبة المستمرة لسلامة شبكة التأريض تمنع فشل التآكل — الذي يُسبّب ١٧٪ من انقطاعات المحطات الفرعية (تقرير معهد أبحاث الطاقة الكهربائية EPRI لعام ٢٠٢٣). وتقلّل أنظمة الحماية المتكاملة مخاطر الانفجارات القوسية بنسبة ٩٢٪ في التثبيتات الحضرية المغلقة، كما أكّد تقرير السلامة الكهربائية لعام ٢٠٢٤.

الامتثال لمتطلبات البلديات المتعلقة بالاندماج البصري والحد من الضوضاء

تفرض المدن حدًّا أقصى لمستويات الضوضاء الصادرة عن المحطات الفرعية لا يتجاوز ٥٥ ديسيبل(أ) عند خطوط الملكية، بما يتماشى مع إرشادات منظمة الصحة العالمية. ويتم تحقيق ذلك من خلال:

• محولات منخفضة الضوضاء (أقل من ٦٥ ديسيبل) ومزودة بعلب عازلة للصوت
• حواجز صوتية مصنوعة من مواد مركبة
• تصميم تهوية استراتيجي لمنع الرنين أو تضخيم الضوضاء

تشمل التكامل الجمالي الجدران الخضراء، والغطاء المعماري الذي يتناسق مع المباني المحيطة، ودفن خطوط الجهد العالي تحت الأرض. ويُعَدُّ محطة ريفربانك الفرعية في شيكاغو مثالاً ناجحًا على التخفيف البصري— حيث تؤدي هياكل التهوية فيها وظيفتين في آنٍ واحد: كمرافق فنية عامة، مع الحفاظ على درجة التكرار N+1.

نظم المعلومات الجغرافية (GIS) مقابل المحطات الكهربائية المفتوحة (AIS): اختيار تقنية المحطة الفرعية المثلى للمواقع الحضرية

لماذا تهيمن أجهزة التحكم العازلة بالغاز (GIS) على تصميم المحطات الفرعية ذات المساحات المحدودة

مفتاح التوزيع المعزول بالغاز يبرز حقًا في تلك المناطق الحضرية المكتظة حيث ترتفع أسعار العقارات إلى ما يزيد عن تسعة ملايين دولار أمريكي لكل فدان. ويتميّز التصميم المدمج لهذا المفتاح بغرفه المغلقة المملوءة بغاز SF6، وهو ما يقلل من المساحة التي يشغلها بنسبة تصل إلى سبعين في المئة مقارنةً بمفتاح التوزيع المعزول بالهواء (AIS)، وهذه النقطة ذات أهمية كبيرة جدًّا عندما يتعيّن تركيب المحطات الفرعية في مساحات لا تتجاوز ثلاثين في المئة من الحجم القياسي السابق. ومن المزايا الكبيرة الأخرى لمفتاح التوزيع المعزول بالغاز أنه لا يتأثر بالغبار العالق في الهواء أو بالملح القادم من السواحل القريبة، لذا فإن حالات الفشل تنخفض بنسبة تقارب أربعين في المئة في المناطق القريبة من المصانع أو على طول الخطوط الساحلية. أما من حيث الصيانة، فيمكن لهذه الأنظمة أن تمرّ أكثر من عشر سنوات بين عمليات الفحص الدورية — أي ما يعادل ثلاثة أضعاف الفترة الزمنية المعتادة لأنظمة AIS التقليدية. وينتج عن ذلك وفورات تراكمية تقدَّر بنحو مليوني دولار أمريكي وعشرة آلاف دولار أمريكي، رغم أن التكلفة الأولية تزيد بنسبة تتراوح بين عشرين وثلاثين في المئة. ونتيجةً لكل هذه المزايا، يُفضِّل معظم المهندسين استخدام مفتاح التوزيع المعزول بالغاز (GIS) أولًا عند تصميم أنظمة الطاقة للمدن الكبرى ومراكز المترو والمستشفيات، حيث لا يمكن المساومة على معيار الموثوقية بأي شكلٍ من الأشكال.

عندما تظل أجهزة التوزيع العازلة بالهواء (AIS) قابلة للتطبيق في عمليات التحديث الحضرية

ما زالت أجهزة التوزيع العازلة بالهواء تُستخدم في التطبيقات الواقعية عند العمل على شبكات المدن القديمة، حيث يُسهِّل التكوين الحالي للشبكة عملية تركيب المعدات. وعند النظر في توسيع محطات التحويل القديمة التي ظلت قيد التشغيل لأكثر من ١٠٠ عام — خصوصًا في نطاق الجهد من ١١ إلى ٣٣ كيلوفولت — فإن تركيب معدات التوزيع العازلة بالهواء (AIS) يكلِّف فعليًّا حوالي ٤٠٪ أقل مقارنةً بترقية أنظمة التوزيع العازلة بالغاز (GIS)، وفقًا لدراسات حديثة أُجريت العام الماضي ضمن أبحاث تحديث الشبكات الكهربائية. وبما أن معدات التوزيع العازلة بالهواء توضع في الهواء الطلق، فإن المهندسين يستطيعون ترقية أجزائها تدريجيًّا دون إيقاف التشغيل الكامل للنظام، وهي ميزةٌ بالغة الأهمية في المناطق التي تسمح فيها شركات توزيع الطاقة بفترات انقطاع كهربائية قصيرة جدًّا — ربما لا تتجاوز أربع ساعات متواصلة. وبالطبع، تتفوَّق أنظمة التوزيع العازلة بالغاز (GIS) في مقاومتها للظروف الجوية القاسية، لكن معدات التوزيع العازلة بالهواء (AIS) تعمل بكفاءة كافية في الأماكن التي لا تشكِّل فيها الغبار والأوساخ مشكلةً مستمرةً، طالما أن الصيانة الدورية تحافظ على نظافة المعدات. وعند إنشاء حلول طاقة مؤقتة أثناء الانتقال بين المراحل المختلفة من أعمال التحديث، فإن التصميم الأبسط لمكونات التوزيع العازلة بالهواء (AIS) يمكِّن الفرق الفنية من إعادة تشغيل النظام مرة أخرى أسرع بنسبة تصل إلى ثلثي الوقت المطلوب لو استُخدمت بدلاً منها أنظمة التوزيع العازلة بالغاز (GIS).

تحسين التخطيط الكهربائي والحراري لمحطات التحويل الحضرية

دمج الكابلات تحت الأرض، والتخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، والأرضي المنسق

تتجه محطات التحويل الحضرية للطاقة بشكلٍ متزايدٍ إلى استخدام الكابلات تحت الأرض في هذه الأيام، وذلك بسبب عدم توفر مساحة كافية بعدُ لخطوط التغذية العلوية، فضلاً عن رفض الجميع لتلك الأعمدة القبيحة التي تشوّه المناظر الحضرية. لكن هناك عقبةً هامةً هنا: إن مدّ جميع تلك الكابلات تحت سطح الأرض قد يُسبّب مشاكل جسيمةً في مجال التداخل الكهرومغناطيسي، مما يؤثّر سلباً على أنظمة التحكم الدقيقة ومعدات الاتصالات. ولحلّ هذه المشكلة، يجب على المهندسين تركيب كابلات مدرّعة خصيصاً، والتأكد من تحقيق التوازن المناسب بين المراحل الكهربائية عند تركيبها، والحفاظ على فصل كابلات البيانات جسدياً عن خطوط الطاقة. وهناك جانبٌ آخر بالغ الأهمية وهو ضرورة تنفيذ نظام التأريض بشكلٍ صحيحٍ تماماً. فجميع الأجزاء المعدنية في المحطة — مثل أغطية الكابلات، وشبكات الأنابيب، بل وحتى الهيكل الفولاذي نفسه — يجب أن تتصل ببعضها البعض ضمن شبكة تأريض واحدة متكاملة. ويحقّق هذا الترتيب تصريف أي أعطال كهربائية خطرة بشكلٍ آمن، كما يلبّي المعايير الصارمة الخاصة بالسلامة الواردة في المواصفة القياسية IEEE 80-2013 بشأن جهود اللمس والجهود الخطوية.

استراتيجيات الإدارة الحرارية للمحطات الفرعية المُركَّبة داخل مبانٍ مغلقة أو في الطوابق السفلية

التحكم الحراري أمرٌ لا غنى عنه في المحطات الفرعية المُقيَّدة المساحة، أو المغلقة، أو الواقعة تحت مستوى الأرض— حيث يؤدي تراكم الحرارة إلى تسريع تدهور العزل وتقليل عمر المعدات. وتشمل الاستراتيجيات الفعّالة ما يلي:

• الحلول السلبية: بطانات الجدران الماصة للحرارة، ودمج الكتلة الحرارية، وتحسين مسارات تدفق الهواء عبر نمذجة ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD)
• التبريد النشط: أنظمة إجبار تدفق الهواء لمعدات الجهد المتوسط؛ ومحولات مبرَّدة بالسوائل للمناطق ذات الأحمال العالية
  المراقبة الحرارية الاستباقية— باستخدام أجهزة استشعار إنترنت الأشياء (IoT) المدمجة وكشف الشذوذ المدعوم بالذكاء الاصطناعي— تمنع تشكُّل النقاط الساخنة وتُطيل عمر الأصول بنسبة تصل إلى ٥٠٪ مقارنةً بالبيئات غير الخاضعة لإدارة حرارية.

تحديث المحطات الفرعية الحضرية لمواكبة المستقبل: القابلية للتوسُّع، والذكاء، والاستعداد للطاقة المتجددة

تحتاج شبكات الطاقة الحضرية إلى مواكبة الطلب المتزايد الناتج عن المركبات الكهربائية، والإنتاج المحلي للطاقة، والتحديات المناخية. وتتميز تصاميم المحطات الفرعية الحديثة الآن بمكونات وحدوية تتيح لشركات التوزيع توسيع السعة تدريجيًّا بدلًا من بناء البنية التحتية كاملةً دفعة واحدة. وهذا يُسهِّل ربط محطات شحن المركبات الكهربائية (EV)، والشبكات المحلية الصغيرة لتوليد الطاقة، أو الأحياء الجديدة قيد التطوير دون حدوث اضطرابات كبيرة. كما يجري دمج التكنولوجيا الذكية أيضًا، حيث تساعد أنظمة الذكاء الاصطناعي وأجهزة الاستشعار المتصلة بالإنترنت في التنبؤ بموعد فشل المعدات، وتوازن أحمال الكهرباء في الوقت الفعلي، والعزل السريع للمشاكل لتقليص مدة انقطاع التيار. أما بالنسبة لمصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، فإن التكوينات الخاصة بها تساعد في التعامل مع طبيعتها غير القابلة للتنبؤ، مع الحفاظ على استقرار الجهد حتى عند تدفق الطاقة ذهابًا وإيابًا عبر الشبكة. وتضمن هذه التكيُّفات تقليل الهدر في الطاقة النظيفة عند وجود فائض في المعروض. وعند النظر إلى المستقبل، فإن المدن التي تستثمر في بنى تحتية قابلة للتوسُّع، وأنظمة مراقبة ذكية، ومرونة في دمج الطاقة الخضراء، ستُرسي أسسًا أقوى لشبكاتها الكهربائية.

الأسئلة الشائعة

ما هي الميزة الأساسية لاستخدام معدات التبديل المعزولة بالغاز (GIS) في المحطات الفرعية الحضرية؟

تتطلب معدات التبديل المعزولة بالغاز (GIS) مساحة أقل بنسبة تصل إلى ٧٠٪ مقارنةً بمعدات التبديل المعزولة بالهواء (AIS)، مما يجعلها مثالية للبيئات الحضرية المكتظة.

كيف تضمن المحطات الفرعية الحضرية السلامة؟

من خلال أنظمة تأريض مُحسَّنة، وربط متساوي الجهد، والرصد المستمر لمنع الأعطال، فضلاً عن استخدام أنظمة حماية متكاملة للحد من مخاطر انفجارات القوس الكهربائي.

ما الاستراتيجيات المستخدمة لإدارة الحرارة في المحطات الفرعية؟

تشمل الاستراتيجيات الحلول السلبية مثل دمج الكتلة الحرارية، وأنظمة التبريد النشطة، إضافةً إلى الرصد الحراري الاستباقي باستخدام أجهزة استشعار إنترنت الأشياء (IoT).