كيفية تحسين ترتيب أجهزة التحكم والحماية في المباني الكهربائية؟

النتائج المترتبة على سوء ترتيب أجهزة التحكم والحماية

قد يبدو المبنى الكهربائي منظمًا ومنسقًا في الرسم البياني الأحادي الخط، لكنه قد يتحول إلى عبءٍ على عمليات الصيانة في الواقع المادي. فوضع أجهزة التحكم والحماية دون مراعاة مسافات الوصول الآمن، وإدارة الحرارة، والتوسّع المستقبلي، يؤدي إلى ظروفٍ تجعل استبدال القواطع الروتيني يتطلب إيقاف التغذية الجانبية المجاورة، كما أن ازدحام الكابلات يحدّ من تدفق الهواء بما يكفي لتقليل قدرة المعدات التشغيلية. ويتجلّى الفرق بين مبنى كهربائي يعمل بشكلٍ متوقَّعٍ وموثوقٍ لمدة ٣٠ عامًا، وبين آخر يحتاج إلى إعادة ترتيب مكلفة خلال خمس سنوات فقط في جودة التصميم والترتيب.

مسافات الوصول الآمن والامتثال لمتطلبات السلامة

تطلب المادة 110.26 من معيار NEC وجود مسافة عمل دنيا أمام أجهزة التبديل بناءً على الجهد وحالة الحائط المقابل. فلأجهزة التبديل العاملة عند جهد 480 فولت مع وجود حائط مقابل مُأرض، تكون المسافة الدنيا للعمق 3 أقدام. أما لمعدات الجهد 4160 فولت، فيزداد الشرط ليصبح 4 أقدام. وهذه القيم تمثّل الحدود الدنيا فقط، بينما تتطلّب عمليات الصيانة الفعلية غالبًا مسافات أكبر. فعلى سبيل المثال، يحتاج الفني الذي يُخرج قاطع تيار وزنه 200 رطلاً من خلية رأسية إلى مسافة لا تقل عن 4.5 قدمٍ للتصرّف بسلاسة ووضعه على عربة الرفع.

وتكتسب مسارات الإخلاء المخصصة أهميةً مماثلةً بالغة. فوجود أجهزة التبديل على شكل حرف U مع مدخل واحد فقط يحبس العاملين داخل الموقع أثناء وقوع حادث انفجار قوسي عند أقرب جهاز تبديل إلى الباب. ولذلك يجب أن تُعتبر توافر وسيلتي إخلاء على الأقل، وتلبية متطلبات معيار NFPA 70E الخاصة بالمسافة القصوى المسموح بها للتنقّل، شرطًا لا يمكن التنازل عنه.

إدارة الحرارة في المساحات الضيقة

تولِّد أجهزة التوزيع الحرارة بنسبة تربيع التيار المار عبر القضبان الحافلة ومفاتيح التشغيل والإطفاء. فعلى سبيل المثال، تُبدِّد قضيب الحافلة الرئيسي الذي يحمل تياراً قدره ٤٠٠٠ أمبير عند حملٍ نسبته ٨٠٪ ما بين ٣٠٠٠ و٥٠٠٠ واط باستمرار. وفي حال عدم توفر تهوية كافية، يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة الداخلية فوق القيمة المُحدَّدة للبيئة المحيطة — والتي تبلغ عادةً ٤٠°م — ما يسبب تسارع عملية تلف العزل وانحراف وحدة التشغيل.

إن وضع أجهزة التوزيع بشكل عمودي على مسارات تدفق الهواء يؤدي إلى إنشاء مناطق ميتة تتراكم فيها الحرارة. ولذلك، يجب أن يوضع التخطيط بحيث تكون الأقسام موازية لاتجاه تدفق الهواء القادم من فتحات السحب إلى مراوح الإخراج، مع ترك مسافة خلفية لا تقل عن ٢٤ بوصة. كما ينبغي أن تتضمَّن غرف التوزيع الكهربائية في المناخات الحارة نظام تهوية إجبارية مُصمَّم ليوفِّر ١٠ تبادلات هوائية في الساعة، وذلك وفقاً لحمل الحرارة الناتج عن أجهزة التوزيع.

مبادئ التخطيط الوظيفي

تجميع الدوائر الفرعية وإدارة الكابلات

تجميع لوحات التوزيع حسب موقع الحمل يقلل من طول الكابلات وانخفاض الجهد واختناق الصواني. يجب أن توضع مغذيات منطقة العمليات في المنشأة الكهربائية لمصنع كيميائي أقرب إلى مخرج الكابلات من جهة العمليات، ومغذيات المرافق أقرب إلى مخرج المرافق. يقلل هذا التجميع متوسط طول كابلات المغذيات بنسبة 20 إلى 30 بالمائة مقارنة بالترقيم التسلسلي الذي يتجاهل الموقع الفعلي.

يجب تصميم مداخل ومخارج الكابلات منذ البداية. لا يمكن لوحات التوزيع ذات المدخل العلوي استقبال كابلات ذات تغذية سفلية دون تعديلات في الحافلات. تتطلب لوحات التوزيع ذات المدخل السفلي المثبتة على أرضيات الصيانة فوق خنادق الكابلات تنسيقًا دقيقًا بين مخططات الشركة المصنعة والتخطيط المدني — فوجود خطأ بمقدار 100 ملليمتر يستدعي تعديلات ميدانية تُضعف تصنيفات المقاومة للقوس الكهربائي.

أ provisions للتوسع المستقبلي

يجب أن يُخصَّص التخطيط مساحةً لتركيب قواطع تغذية إضافية بنسبة لا تقل عن ٢٠٪ بجوار الصف الموجود حاليًّا. وينبغي تحديد مواصفات وصلات القناة الحافلة للأقسام المستقبلية عند الشراء الأولي — إذ إن إضافة امتداد للقناة الحافلة دون نقاط اتصال مُجهَّزة مسبقًا من المصنع تكون أكثر تكلفةً بكثير.

حالة عملية: إعادة تصميم غرفة التوزيع الكهربائية لمصنع معالجة الأغذية

كان يعمل في مصنع معالجة أغذية في هولندا لوحة توزيع كهربائية من شركتين مختلفتين، تم تركيبها على فترتين زمنيتين تفصل بينهما ١٢ سنة. وقد وضع التصميم الأصلي لوحة التوزيع الأحدث مقابل الجدار الخلفي مع ترك مسافة تبلغ ١٨ بوصة فقط — وهي أدنى حد مسموح به وفق الشروط التنظيمية، لكنها غير كافية لعمليات الصيانة. وعندما احتاج قاطع التيار الرئيسي البالغ تياره ١٦٠٠ أمبير إلى الاستبدال، اضطر إلى إيقاف تشغيل القسم بالكامل لمدة ١٤ ساعة بسبب عدم قدرة عربة الرفع على المناورة.

أعاد المصنع تصميم التخطيط مع مسافات فارغة أمامية كاملة بطول ٤٨ بوصة وخلفية بطول ٣٠ بوصة. ووفرت شركة «تشاينا إليكتريكال» تكوين أجهزة التبديل الجديدة، بما في ذلك وصلات القنوات الحافلة المخصصة للتوسعة المُخطَّط لها. وأُعيد توجيه مسار صندوق الكابلات لفصل كابلات الطاقة عن كابلات التحكم، مما قضى على التداخل الإشاري الذي كان يسبب انقطاعات غير مقصودة من وقت لآخر. وأدى إعادة التكوين إلى تقليص فترة توقف وحدات القواطع الرئيسية أثناء الاستبدال من ١٤ ساعة إلى ٤ ساعات لكل وحدة.

التحقق من التخطيط والتشغيل التجريبي

قبل صب الأساس، يتم التحقق من إمكانية تحقيق المسافات الفارغة باستخدام نموذج توضيحي مادي يعتمد على شريط الترميز على الأرض. ويجب أن تكون مناطق الوصول الأمامية والخلفية مُحدَّدة بوضوح في كل قسم، كما يجب أن يكون المسار من الباب إلى كل قسم قابلاً للمشي فيه باستخدام عربة الصيانة. وبعد التركيب، تُجرى عملية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء عند ٢٥٪ و٥٠٪ و٧٥٪ و١٠٠٪ من الحمل التصميمي لتحديد ارتفاع درجة الحرارة المرجعي. أما النقاط الساخنة التي تتجاوز ارتفاعها ٣٠°م فوق درجة حرارة الجو المحيط فهي تشير إلى عيوب في التركيب.

الأسئلة الشائعة

ما هي أقل مسافة فارغة مطلوبة أمام أجهزة التبديل؟

تتطلب معيار NEC 110.26 مسافة 3 أقدام لمعدات الجهد 480 فولت و4 أقدام لمعدات الجهد 4160 فولت. وعادةً ما تتطلب إمكانية الصيانة مسافة تتراوح بين 4.5 و5 أقدام لاستخراج القواطع في معظم الترتيبات.

لماذا يؤثر تخطيط معدات التوزيع على تكاليف الكابلات؟

يؤدي تجميع المغذيات إلى خفض متوسط طول الكابل بنسبة تتراوح بين 20 و30% مقارنةً بالترتيب العشوائي. وغالبًا ما تفوق وفورات تكلفة الكابلات الناتجة عن التخطيط الأمثل تكاليف دراسة الهندسة خلال أول 10 مغذيات.

ما مقدار المساحة المخصصة للتوسعة التي ينبغي احتجازها في تخطيط معدات التوزيع؟

يجب احتجاز حد أدنى نسبته 20% من مواضع المغذيات الإضافية المجاورة لمعدات التوزيع الحالية. ويجب تحديد نقاط اتصال امتداد القضيب الناقل عند الشراء الأولي لتفادي التعديلات الميدانية المكلفة.

هل يؤثر اتجاه معدات التوزيع على أداء التبريد؟

تُبرِّد معدات التوزيع الموضوعة بشكل متوازٍ مع اتجاه تدفق الهواء بكفاءة أكبر من تلك الموضوعة عموديًّا على اتجاه التدفق. ويُوصى، في المناخات الحارة، بأن تكون المسافة الخلفية الدنيا 24 بوصة مع تهوية قسرية بمعدل 10 تغييرات هوائية في الساعة.

ما هو خطأ التخطيط الأكثر شيوعًا في المنشآت الكهربائية؟

عدم كفاية مساحات الوصول للصيانة رغم الامتثال للحد الأدنى المطلوب وفقًا للمعايير. فالمقاطعات التي تتطلب إزالتها تحتاج إلى مساحة أكبر بكثير من الحد الأدنى المطلوب لمسافات العمل وفقًا للمعايير. وتقدِّم شركة China Electrical توجيهاتٍ بشأن ترتيب أجهزة التوزيع مع أخذ احتياجات الصيانة بعين الاعتبار بما يتجاوز الحد الأدنى المطلوب وفقًا للمعايير.

كيف تؤثر مستويات الجهد المنفصلة على تخطيط أجهزة التوزيع؟

يجب أن تكون أجهزة التوزيع متوسطة الجهد ومنخفضة الجهد منفصلةً جسديًّا بمسافة لا تقل عن ٦ أقدام أو بواسطة حاجز مقاوم للحريق. كما يجب تجنُّب تمرير الكابلات بين مستويات الجهد بشكل متوازٍ، لأن ذلك قد يتسبَّب في حدوث تداخلٍ في دوائر التحكم.