ما هي المزايا الأساسية لأنظمة التبديل المعزولة بالغاز في أنظمة الطاقة ذات الجهد العالي؟

ما هي المزايا الأساسية لأنظمة التبديل المعزولة بالغاز في أنظمة الطاقة ذات الجهد العالي؟

تحتل المحطة الفرعية التقليدية المعزولة بالهواء (AIS) عند جهد ٢٢٠ كيلوفولت ما يقارب ٥٠٠٠ إلى ٨٠٠٠ متر مربع. أما المحطة الفرعية المعزولة بالغاز (GIS) عند نفس مستوى الجهد فتتّسع في مساحة تتراوح بين ٥٠٠ و١٢٠٠ متر مربع — أي انخفاض في المساحة المستخدمة بنسبة ٨٥٪ أو أكثر. وهذه النسبة وحدها هي العامل المحوري الذي يدفع نحو اعتماد أنظمة GIS في المدن والمنصات البحرية وكهوف محطات الطاقة الكهرومائية وأي موقعٍ تجعل فيه تكاليف العقارات أو القيود المكانية استخدام المحطات الفرعية المعزولة بالهواء غير عملي. ومع ذلك، فإن تقليل المساحة ليس سوى أبرز المزايا الظاهرة.

وسيلة العزل: لماذا يُحدث غاز SF₆ فرقًا جذريًّا

يبلغ مقاومة العزل للهواء عند الضغط الجوي حوالي ٣ كيلوفولت/ملم. أما غاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆) عند ضغط يراوح بين ٤ و٦ بار قياسي فيحقق مقاومة عزل تتراوح بين ٢٥ و٣٠ كيلوفولت/ملم — أي ما يعادل ٨ إلى ١٠ أضعاف مقاومة الهواء. ولذلك فإن قاطع الدائرة الكهربائية المُدمج في نظام العزل الغازي (GIS) لجهد ١٤٥ كيلوفولت يناسب مساحة غلاف قطره مساوٍ لقطر سخّان المياه المنزلي، بينما يتطلب القاطع المكافئ المُركَّب في الهواء (AIS) مسافات فصل بين الطورين تبلغ ١,٥ متر، ومسافات فصل بين الطور والأرض تبلغ ١,٣ متر.

جزيء سادس فلوريد الكبريت (SF₆) خامل كيميائيًّا، وغير سام، ومستقر حراريًّا حتى درجة حرارة ٥٠٠°م. وقدرته على إخماد القوس الكهربائي تفوق قدرة الهواء بحوالي ١٠٠ ضعف، لأن هذا الغاز يتفكك عند درجات حرارة القوس التي تتجاوز ٢٠٠٠ كلفن إلى أنواع نشطة كيميائيًّا تمتص الإلكترونات وتتجمع مجددًا بسرعة بعد نقطة انعدام التيار، مما يسمح بقطع التيارات القصيرة التي تفوق ٦٣ كيلوأمبير خلال دوريتين أو ثلاث دوريات. كما أن الغاز يُعيد تكوين نفسه تلقائيًّا بعد كل عملية قطع — على عكس الزيت الذي يتحوّل إلى فحم ويحتاج إلى استبدال بعد عدد محدود من عمليات قطع الأعطال.

تتمثّل المخاوف البيئية المتعلقة بغاز SF₆ في قدرته على التسبّب في الاحترار العالمي، والتي تبلغ نحو ٢٣٥٠٠ ضعف قدرة غاز CO₂ على ذلك خلال أفق زمني يمتدّ إلى ١٠٠ سنة. وتتعامل التصاميم الحديثة لأنظمة GIS مع هذه المسألة عبر أقسام غاز مغلقة بشكل دائم ومُحكمة الإغلاق، بحيث لا تتجاوز معدلات التسرب فيها ٠٫١٪ سنويًّا لكل قسم — أي أقلّ بكثير من الحدّ الأقصى المحدّد بنسبة ٠٫٥٪ وفق المعيار IEC 62271-203. وتُبلِّغ وحدات رصد الكثافة المدمجة عن ضغط الغاز في الوقت الفعلي عبر واجهة نظام SCADA، ما يُنذِر المشغّلين بأي اتجاه تسربٍ قبل أن يقترب من عتبة الإنذار.

فترات الصيانة والتكلفة الإجمالية طوال دورة الحياة

تتطلب أنظمة العزل الهوائي (AIS) تنظيفًا دوريًّا لأسطح العوازل، لا سيما في البيئات الساحلية أو الصناعية أو الصحراوية، حيث يؤدي تراكم الملح أو الغبار الموصل أو الرمال إلى تقليل مسافة الزحف وزيادة خطر القوس الكهربائي. أما أعمدة التوزيع والمفاتيح الكهربائية في أنظمة العزل الغازي (GIS) فهي محكمة الإغلاق تمامًا، وبالتالي لا يمكن للملوثات الوصول إلى أسطح العزل أصلًا. وهذا يطيل فترة الصيانة من فحوصات سنوية لأنظمة العزل الهوائي (AIS) إلى فحوصات كل ٥–١٠ سنوات لأنظمة العزل الغازي (GIS)، وذلك رهنًا بعدد العمليات الميكانيكية التي تمت لمفاتيح الدائرة ومفكات التوصيل.

يختلف مقارنة التكلفة على امتداد العمر الافتراضي بين أنظمة العزل الغازي (GIS) وأنظمة العزل الهوائي (AIS) باختلاف مستوى الجهد والموقع. فعند الجهود من ٧٢,٥ كيلوفولت إلى ١٤٥ كيلوفولت في البيئة الحضرية، تصل أنظمة العزل الغازي (GIS) إلى تكافؤ تكلفي مع أنظمة العزل الهوائي (AIS) خلال ٨–١٢ سنة، عند احتساب تكلفة الأراضي والأعمال المدنية وتكاليف عمالة الصيانة. أما عند الجهود ٢٤٥ كيلوفولت فأعلى، فإن وفرة المساحة الناتجة عن استخدام أنظمة العزل الغازي (GIS) وحدها تجعلها الخيار الأقل تكلفة أوليًّا في التطبيقات المركزية بالمدن، حيث تتجاوز أسعار الأراضي ٥٠٠ دولار أمريكي للمتر المربع.

البناء الوحداتي واختبار المصانع

يتم تسليم نظام المعلومات الجغرافية (GIS) على هيئة خلايا مُجمَّعة ومُختبَرة مسبقاً في المصنع. وتتكوَّن الخلية الكاملة ذات الجهد ١٤٥ كيلوفولت، والتي تضم حافلة مزدوجة وقاطع دارة واحد، من قاطع الدائرة ومقصِّرَين وواحد من مفاتيح التأريض ومحوِّلات التيار ومحوِّلات الجهد، وتُشحن في وحدتين أو ثلاث وحدات نقل، ثم تُركَّب في الموقع عبر وصل أقسام غاز SF₆ ذات الوصلات المفلنجية وكابلات التحكم ذات الموصلات القابلة للإدخال. أما الأعمال المدنية في الموقع فتشمل صب سطح خرساني مستوٍ وتركيب شبكة تأريض؛ ولا يتطلَّب النظام وجود هيكل داعم فولاذي أو عوازل عمودية أو نظام حافلات علوية.

إن إجراء الاختبارات المصنعية لخليّة كاملة — بما في ذلك اختبار التحمل للجهد العالي، وقياس التفريغ الجزئي بأقل من ٥ بيكومول (بيكوكولوم) وفق معيار الآي إي سي ٦٢٢٧١-٢٠٣، واختبار متانة الأداء الميكانيكي — يلغي مخاطر التشغيل الأولي في الموقع، والتي تمثّل ما نسبته ٣٠–٤٠٪ من أسباب تأخير مشاريع المحطات الهوائية المفتوحة. وبشكل عام، فإن خلية نظام العزل الغازي التي تجتاز اختبار التفريغ الجزئي في المصنع بقيمة أقل من ٢ بيكومول تظهر مستويات تفريغ جزئي غير قابلة للكشف بعد التركيب، شرط اتباع إجراءات التعامل مع الغاز في الموقع بدقة.

حالة دراسية: محطة فرعية حضرية تُركَّب تحت مبنى تجاري

كانت هناك حاجة إلى محطة فرعية جديدة بجهد ٢٢٠/٦٦ كيلوفولت في وسط المدينة لخدمة منطقة حضرية بكثافة سكانية تبلغ ١٢٠٠٠ نسمة لكل كيلومتر مربع. وكان الموقع الوحيد المتاح هو الطابق السفلي لمبنى تجاري متعدد الاستخدامات قيد الإنشاء. ولقد تطلّب استخدام نظام التوزيع العادي المفتوح (AIS) مساحةً تبلغ ٦٠٠٠ متر مربع — أي أكثر من ثلاثة أضعاف المساحة المتاحة في الطابق السفلي. أما حل نظام التوزيع المعزول بالغاز (GIS) بجهد ٢٢٠ كيلوفولت، الذي صُمّم على هيئة ترتيب حافلتين مكررتين مع ٨ دوائر تغذية ودائرتي تحويل، فقد احتل مساحةً لا تتجاوز ٨٠٠ متر مربع، بما في ذلك المحولات الكهربائية، وغرفة التحكم، والأنظمة المساعدة. وقد زود مصنع متكامل للمعدات الكهربائية معدات GIS، واختُبرت في المصنع على شكل وحدات مكوّنة من ٦ دوائر، ونُصبت خلال ١٤ أسبوعًا — وهي جدول زمني غير ممكن تنفيذه باستخدام طريقة إنشاء أنظمة التوزيع العادية المفتوحة (AIS).

الأسئلة الشائعة

هل يناسب نظام التوزيع المعزول بالغاز (GIS) التركيب في الأماكن المفتوحة؟

نعم. إن غرف العزل الغازية الخارجية مُحمية من عوامل الطقس باستخدام خزائن تحكم ذات تصنيف IP65، وغلاف من سبائك الألومنيوم المقاومة للتآكل. وتلغي العزل الغازية الخارجية الحاجة إلى إنشاء مبنى، ما يقلّل تكاليف الأعمال المدنية أكثر فأكثر، وهي شائعة في نطاق الجهد ٧٢,٥–١٤٥ كيلوفولت.

كيف يُدار غاز SF₆ أثناء الصيانة؟

تستخدم عمليات الصيانة التي تتضمّن فتح حجرات الغاز عربات استرجاع الغاز التي تمتص غاز SF₆ إلى أسطوانات التخزين، وتُرشّحه لإزالة نواتج التحلل، ثم تعيده إلى الحجرة بعد الانتهاء من الصيانة. ولا يُطلق أي كمية من غاز SF₆ إلى الجو في إجراء صيانةٍ منفَّذٍ بشكلٍ سليم.

ماذا يحدث في حال حدوث تسربٍ لغاز SF₆؟

يُفعِّل جهاز مراقبة الكثافة الخاص بالخلية إنذار انخفاض الضغط عند العتبة الأولى، والتي تكون عادةً عند ٩٠٪ من كثافة التعبئة المُحددة. وعند بلوغ ٨٥٪، يُفعَّل نظام القفل الذي يمنع تشغيل قاطع الدائرة أو المفصِّل لتجنّب التشغيل في ظل عزلٍ غير كافٍ. ويتم إرسال المشغلين على الفور لتحديد مكان التسرب وإصلاحه قبل الوصول إلى عتبة القفل.

هل يمكن توسيع نظام المحطات الغازية المعزولة (GIS) بعد التثبيت الأولي؟

نعم. يسمح التصميم الوحدوي للخلايا بإضافة خلايا جديدة بجانب الحافلة الموجودة، مع تركيب أقسام حافلة إضافية خلال انقطاع كهربائي مخطط له. وعادةً ما تُحدد منافذ التوسيع المستقبلية أثناء المشروع الأولي لتسهيل عملية التوسّع اللاحقة.

كيف يقارن أداء نظام المحطات الغازية المعزولة (GIS) مع أداء المحطات المفتوحة (AIS) من حيث مقاومة الزلازل؟

يتفوق أداء نظام المحطات الغازية المعزولة (GIS) بشكل كبير، لأن مركز ثقله منخفض — إذ لا يتجاوز ارتفاع التجميع الكامل ثلاثة أمتار — ما يجعله أكثر استقرارًا بطبيعته مقارنةً بأعمدة العزل في المحطات المفتوحة (AIS) التي قد تصل إلى ٥–٦ أمتار. ويُعتبر نظام المحطات الغازية المعزولة (GIS) معيارًا قياسيًّا في المناطق الزلزالية، بينما تتطلب المحطات المفتوحة (AIS) في هذه المناطق عزلًا قاعديًّا باهظ التكلفة.

من أين يمكن توريد محطة فرعية كاملة تعتمد على نظام المحطات الغازية المعزولة (GIS)؟

تقدم شركات تصنيع المعدات الكهربائية المتكاملة، والتي توفر حزم المحطات الفرعية الكاملة — بما في ذلك المحولات ومعدات التحكم والحماية وأنظمة التحكم والإشراف (SCADA) — حلولًا جاهزة بالكامل لنظام المحطات الغازية المعزولة (GIS). ومن الشركات التي تقدّم هذا النظام ضمن خط منتجاتها للمحطات الفرعية شركة Liaoning Sinotech Group، والتي تزوّد أنظمة GIS بجهود تتراوح بين ٧٢٫٥ كيلوفولت و٢٤٥ كيلوفولت.