كيفية منع الأعطال الكهربائية في المباني الكهربائية؟

فهم أوضاع فشل المباني الكهربائية

أنا بيت كهربائي وتُعرف أيضًا باسم «المبنى الكهربائي» أو «غرفة الطاقة» أو «الغلاف الكهربائي الجاهز»، وهي عبارة عن وحدة تضم معدات التوزيع متوسطة الجهد ولوحات التوزيع منخفضة الجهد ومحطات المحولات وأنظمة التحكم داخل غلاف مقاوم للعوامل الجوية مصنوع من الصلب أو الخرسانة. وتُستخدم هذه الوحدات النمطية في عمليات التعدين ومرافق النفط والغاز والمواقع الصناعية النائية حيث يصعب إنشاء مبانٍ دائمة.

يؤدي البيئة المغلقة إلى تركيز الحرارة والرطوبة بطرق تختلف عن تلك التي تتبعها محطات التحويل الخارجية في تبديد هذه العوامل بشكل طبيعي. وقد يتجاوز ارتفاع درجة الحرارة ١٥°م فوق درجة الحرارة المحيطة أثناء أقصى حمل، ما يؤدي إلى تسريع عملية تدهور العزل بمعدل يضاعف تقريبًا كلما ارتفعت الحرارة ١٠°م. فقد يفشل قاطع كهربائي مُصمَّم للعمل لمدة ٣٠ عامًا عند درجة حرارة ٤٠°م خلال فترة تتراوح بين ١٢ و١٥ عامًا فقط عند التشغيل عند درجة حرارة ٥٥°م في حال عدم اتخاذ إجراءات تبريد مناسبة.

تعرضت منجم نحاس في تشيلي لثلاثة انقطاعات في التيار الكهربائي خلال ستة أشهر، ويعود سبب كل انقطاع إلى تكثُّف الرطوبة داخل بيت كهربائي التي تخدم محطة التحويل الخاصة بالكسارة الرئيسية. وقد صُمِّمت منظومة تكييف الهواء لتلائم ظروف الموسم الجاف فقط، وبالتالي لم تكن قادرة على التعامل مع الارتفاعات المفاجئة في نسبة الرطوبة الناتجة عن موسم الأمطار. وأدى استبدال جهاز تكييف الهواء القياسي بوحدة صناعية متخصصة في إزالة الرطوبة ومُصنَّفة للعمل عند رطوبة نسبية تصل إلى ٩٥٪ إلى القضاء التام على أعطال التكثُّف، ما وفَّر تقديرًا قدره ٢,٣ مليون دولار أمريكي من الخسائر الناتجة عن توقف الإنتاج.

إدارة الحرارة

حمل الحرارة وتحديد سعة أنظمة تكييف الهواء

يحوّل كل جهاز كهربائي جزءًا من القدرة المُدخلة إليه إلى حرارة. وتبدّد مجموعة معدات التوزيع الكهربائية متوسطة الجهد ما بين ٥٠٠ و٢٠٠٠ واط لكل لوحة. ويُحسب إجمالي الحمل الحراري بمجموع الفقدان المذكور على لوحات البيانات الخاصة بكل مكوّن، مع تطبيق عامل التنوّع. ويجب أن يحافظ نظام تكييف الهواء والتدفئة والتبريد (HVAC) على درجة حرارة داخلية تتراوح بين ١٨ و٣٠°م، مع التعامل مع هذا الحمل بالإضافة إلى الحرارة الناتجة عن أشعة الشمس الساقطة على سقف الغلاف.

يضمن تكوين نظام تكييف الهواء والتدفئة والتبريد (HVAC) الزائد (N+1) استمرار التبريد عند فشل الوحدة الأساسية. ويُنبّه نظام المراقبة عن بُعد (SCADA) المشغّلين إلى عطل في نظام تكييف الهواء والتدفئة والتبريد قبل أن ترتفع درجة الحرارة إلى مستويات قد تؤدي إلى تلف المعدات.

توزيع تدفق الهواء

تؤدي طبقات درجات الحرارة إلى تشكّل مناطق ساخنة بالقرب من السقف. وتمنع المراوح العادمة المثبتة في السقف حدوث ذلك عبر سحب الهواء الدافئ من الأجزاء العلوية من الغرفة وتمريره عبر ملف التبريد. وتعمل المعدات المركّبة في المواضع العلوية من الخزائن بزيادة حرارة تتراوح بين ١٠ و١٥°م مقارنةً بتلك المركّبة في المواضع السفلية، في حال غياب إدارة مناسبة لتدفق الهواء.

تتطلب فلاتر الهواء فحصًا شهريًّا واستبدالًا ربع سنويًّا في البيئات الغبارية. وتؤدي الفلاتر المسدودة إلى تقييد تدفق الهواء حتى يرتفع درجة الحرارة الداخلية تدريجيًّا فوق الحدود التصميمية. وتوفر مفاتيح الضغط التفاضلي المُركَّبة عبر صفوف الفلاتر رصدًا مستمرًّا قبل أن يصبح تدفق الهواء بالغ الأهمية.

التحكم في الرطوبة

مصادر الرطوبة والوقاية منها

يدخل الرطوبـة عبر فتحات هواء التكييف الخارجي، واختراقات الجدران، ودخول الأشخاص، وأحيانًا تسرب المياه عبر غدد الكابلات أو أختام الأبواب. ويمنع الحفاظ على الرطوبة النسبية دون ٦٠٪ تكوُّن التكثُّف على الأسطح الكهربائية. وتُكمِّل أجهزة إزالة الرطوبة المُجفِّفة المخصصة نظام تكييف الهواء في المنشآت الساحلية الاستوائية، حيث تتجاوز الرطوبة المحيطة ٨٥٪.

تحافظ سخانات منع التكثُّف المُركَّبة داخل خلايا المعدات الكهربائية على درجة حرارة أعلى بـ ٣–٥°م من نقطة الندى، ما يمنع تشكُّل طبقة رطبة على عوازل الموصلات. وتُفعَّل هذه السخانات عبر تحكُّم الهيغروستات بشكل مستقل عن نظام تكييف الهواء الرئيسي.

إغلاق مداخل الكابلات

كل مدخل لكابل يُشكّل مسارًا محتملًا لتسرب الرطوبة. وتضمن وحدات إغلاق الكابلات المتعددة الحفاظ على تصنيف الحماية البيئية مع إمكانية استيعاب الإضافات المستقبلية. ويحدد المعيار IEC 62271-202 درجة حماية من الدخول لا تقل عن IP23D للمحطات الفرعية الجاهزة، رغم أن معظم التطبيقات الصناعية تشترط درجة حماية IP54 أو IP55 لحماية فعّالة من الغبار وانسكاب المياه تحت ضغط.

الوقاية من انفجارات القوس الكهربائي والحريق

يعرّف المعيار IEC 62271-200 تصنيفات القوس الكهربائي الداخلي التي تتطلب ألا تعرّض أعطال القوس الأشخاص الموجودين خارج الغلاف للخطر. وتوفّر فتحات التصريف المخصصة في السقف أو الجدران العلوية مسارات خروج منظمة للغازات الناتجة، حيث تفتح عند ضغوط منخفضة بما يكفي لمنع التشوه الهيكلي، لكنها مرتفعة بما يكفي لمقاومة الفتح العرضي الناتج عن الرياح.

يتيح اكتشاف الدخان المبكر عبر أنظمة الشفط أخذ عيّنات مستمرة من الهواء من مناطق متعددة، مما يوفّر استجابة إنذارية خلال ثوانٍ. أما إخماد الحرائق تلقائيًّا باستخدام عوامل إطفاء نظيفة — مثل FM-200 أو Novec 1230 أو الغاز الخامل — فيقضي على الحرائق دون ترك أي بقايا تتطلّب تنظيفًا.

الأسئلة الشائعة

ما الأسباب التي تؤدي إلى الأعطال الكهربائية في المحطات الكهربائية؟

تَكَوُّنُ الرطوبة على العزل، والارتفاع المفرط في درجة الحرارة الناتج عن نظام تكييف الهواء والتدفئة غير الكافي، وتراكم الغبار الذي يُشكِّل مسارات توصيل كهربائي، والاتصالات الفضفاضة التي تُولِّد مناطق ساخنة، وتَقادُم العزل بسبب ارتفاع درجة الحرارة المستمر. وكل عاملٍ من هذه العوامل يفاقم تأثير العوامل الأخرى — فالتجهيزات الساخنة تُسرِّع تدهور الرطوبة، والعزل المتدهور لا يتحمّل ضغط الجهد الزائد أثناء الظواهر الانتقالية الناتجة عن التشغيل والإطفاء.

ما التكرار الموصى به لفحص نظام تكييف الهواء والتدفئة الكهربائي في غرفة التوزيع؟

فحص الفلتر شهريًّا، والتحقق من أداء التبريد كل ثلاثة أشهر، وصيانة شاملة سنويًّا تشمل تنظيف المبخر والمكثف، والتحقق من شحنة غاز التبريد، ومعايرة أنظمة التحكم. أما المواقع المعرَّضة لكميات كبيرة من الغبار أو رذاذ الملح البحري، فقد تتطلّب تغيير الفلتر كل شهرين، وتنظيف المبخر والمكثف نصف السنوي.

ما المدى الموصى به لدرجة الحرارة داخل غرفة التوزيع الكهربائية؟

من ١٨ إلى ٣٠°م للاستخدام المستمر، مع السماح بانحرافات مؤقتة تصل إلى ٣٥°م أثناء صيانة أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. ويُصنِّف مصنعو المعدات المكونات لتحمل درجة حرارة محيطة قصوى تبلغ ٤٠°م؛ أما التشغيل عند درجات حرارة أقل من ٣٠°م فيحافظ على هامش حراري يحمي النقاط الساخنة عند الوصلات، حيث قد تتجاوز درجات الحرارة المحلية درجة الحرارة المحيطة بـ ٢٠–٣٠°م عند التحميل الكامل.

كيف تؤدي التكثيفات إلى أعطال كهربائية؟

تُشكِّل طبقة رطبة على العوازل مسارات تسريب موصلة تتدهور تدريجيًّا إلى تفريغ جزئي. وخلال أسابيع أو شهور، يؤدي التفريغ الجزئي إلى تآكل العزل مكوِّنًا مسارات تتبَع كربونية. وعندما تمتد هذه المسارات لتربط بين الطور والأرض مُخترِقةً الفراغ العازل المطلوب، يبدأ قوس كهربائي كامل للتيار القصوى — وهي عملية قد تستغرق شهورًا من بدء التكثيف حتى الفشل الكارثي.

ما نوع حماية الحريق المطلوبة لمبنى الكهرباء؟

كشف الدخان الذي يغطي جميع الأقسام، والقمع التلقائي للحريق باستخدام عوامل إطفاء نظيفة، وفتحات تخفيف الضغط المصممة لتحمل أقصى طاقة قوس كهربائي متوقعة، واختراقات الكابلات المقاومة للحريق التي تحافظ على فصل الأقسام. وتوفّر شركات مثل مجموعة لياونينغ ساينوتك حلولاً كاملة للمنازل الكهربائية (E-house) مزودة بأنظمة حماية متكاملة.

كيف تُختبر المنازل الكهربائية قبل النشر؟

تتحقق اختبارات قبول المصنع من أداء أنظمة التكييف والتهوية (HVAC)، وحماية الغلاف الخارجي من دخول الأجسام الغريبة، وتصنيف القوس الكهربائي الداخلي، واستمرارية شبكة التأريض، والاختبار الوظيفي لجميع أنظمة الحماية والتحكم. ويمكن لمختبرات الاختبار المتنقلة إجراء قياس التفريغ الجزئي والمسوحات الحرارية في الموقع بعد التركيب. وتوفّر شركات مثل مجموعة لياونينغ ساينوتك وثائق اختبار متكاملة تدعم عملية التشغيل عند موقع التركيب النهائي.