ما هي إجراءات ترشيد استهلاك الطاقة في المحطات الفرعية؟

حدّث معدات المحطة الفرعية القديمة لتحقيق مكاسب في الكفاءة

حدد الأصول القديمة عالية الخسارة: المحولات، ومعدات التحكم والفصل (Switchgear)، والمفاعلات التي تسهم بنسبة ١٢–١٨٪ في الخسائر التشتتية

تُعاني محطات التحويل القديمة عادةً من وجود جميع أنواع المعدات البالية مثل المحولات، ومعدات التشغيل والفصل (Switchgear)، والمفاعلات، والتي تستهلك الطاقة بشكلٍ غير فعّال. وتؤدي هذه المكونات القديمة فعليًّا إلى هدر ما نسبته ١٢ إلى ١٨ في المئة من إجمالي استهلاك المحطة الفرعية بأكملها، لا سيما عندما تكون في وضع الخمول دون أداء أي وظيفة. فالمحولات ذات النوى البالية تفقد طاقةً أكبر بسبب مشكلات المغنطة والتيارات الدوامية المزعجة. كما تتدهور حالة معدات التشغيل والفصل مع مرور الزمن أيضًا، إذ تزداد مقاومة التوصيلات مما يؤدي إلى مشكلات حرارية. أما المفاعلات فهي غير كفؤة أيضًا، لأن حقولها المغناطيسية لم تعد ترتبط بشكلٍ سليم. وللكشف عن هذه المشكلات قبل أن تتفاقم، يستخدم الفنيون عادةً كاميرات حرارية لتحديد المناطق الساخنة، ويُجرون اختبارات للكشف عن التفريغ الجزئي لتقييم حالة العزل، ويُركّبون عدادات دقيقة لقياس الكمية الفعلية للطاقة الضائعة بدقة. ويساعد إجراء هذه العملية الفحصية الفِرَقَ المسؤولة عن الصيانة على تحديد المكونات التي تحتاج إلى اهتمامٍ عاجلٍ أولًا بأول. وبهذه الطريقة، يمكنهم إصلاح أبرز الأسباب المؤدية للهدر دون الحاجة إلى استبدال جميع المعدات دفعة واحدة، مما يوفّر المال ويقلّل من الهدر الكهربائي.

أعطِ الأولوية للتحديثات ذات التأثير العالي: المحولات المعدنية غير المتبلورة ومفاتيح الدوائر الفراغية تقلل بشكل كبير من الخسائر عند عدم التحميل والخسائر الناتجة عن التشغيل والإيقاف

ركّز جهود التحديث على المجالات التي تُحقِّق أكبر عائدٍ مقابل الاستثمار من حيث تحسين الكفاءة. ومن أبرز الخيارات المتاحة محولو المعادن غير المتبلورة ومفاتيح الدوائر الفراغية. وتختلف المحولات غير المتبلورة في طريقة عملها لأن قلوبها مصنوعة من سبائك غير متبلورة بدلًا من الفولاذ العادي. ويؤدي هذا التصميم إلى خفض الخسائر الناتجة عن التشغيل دون حمل بنسبة تقارب الثلثين مقارنةً بالمحولات التقليدية، ما يعني هدرًا أقل للطاقة عندما لا تعمل الأنظمة فعليًّا. أما مفاتيح الدوائر الفراغية فهي خيارٌ ثوريٌّ آخر، إذ تستبدل الهواء أو الزيت بفراغٍ لإخماد القوس الكهربائي أثناء عمليات التشغيل والإيقاف. وهي تقاطع تدفق التيار بشكلٍ أسرع وأكثر نظافةً، مما يقلّل الخسائر الناتجة عن التشغيل والإيقاف بنسبة تصل إلى ٤٠٪. وعند اتخاذ قرارٍ بشأن أماكن الاستثمار، ابدأ بتحليل أنماط الأحمال وإجراء بعض الحسابات التقديرية البسيطة للتكاليف. فعلى سبيل المثال، يؤدي استبدال وحدات المحولات في المحطات الفرعية الأولية القديمة غالبًا إلى تحقيق وفورات تتجاوز عشرة آلاف دولار أمريكي سنويًّا في تكاليف الطاقة وحدها. وبعيدًا عن مجرد رفع الكفاءة التشغيلية، فإن هذه التحديثات تميل إلى أن تكون أكثر دوامًا بين فترات الاستبدال، وتتطلب صيانةً دوريةً أقل، كما تساعد شركات التوزيع على تحقيق أهدافها البيئية عبر خفض كمية الطاقة التي تستهلكها المحطات الفرعية أثناء حالة السكون.

تنفيذ الصيانة القائمة على الحالة لتقليل هدر الطاقة في المحطات الفرعية إلى أدنى حد ممكن

استبدال الجداول القائمة على الزمن بمراقبة تعتمد على أجهزة الاستشعار: التصوير الحراري، والتفريغ الجزئي، وتحليل الغاز الذائب (DGA) يطيل عمر المعدات ويقلل الخسائر الناتجة عن التشغيل دون حمل بنسبة تصل إلى ٢٢٪

الانتقال من الصيانة المجدولة إلى المراقبة القائمة على الحالة يقلل من هدر الطاقة ويطيل عمر الأصول. وتُستخدم التصوير الحراري لمراقبة المحولات لاكتشاف أي تراكم غير طبيعي للحرارة قبل أن تخرج الأمور عن السيطرة. كما تكتشف أجهزة استشعار التفريغ الجزئي المشكلات المتعلقة بالعازلات في أجهزة التوزيع (Switchgear) والقواطع العازلة (Bushings) منذ مراحلها الأولى. أما تحليل الغازات الذائبة (DGA) فيراقب المعدات المملوءة بالزيت للإشارات التحذيرية المبكرة مثل القوس الكهربائي، أو ارتفاع درجة الحرارة، أو تأثيرات التوهج (Corona)، وذلك من خلال تحليل الغازات مثل الهيدروجين والميثان والإيثيلين. وعندما تكشف هذه المستشعرات عن مشكلات تجاوزت حدودًا معينة، تُجرى عمليات الصيانة فقط عند الحاجة إليها. وبهذه الطريقة، يبقى التشغيل الفعلي للمعدات أطول بمعدل ١٥ إلى ٢٠ سنة إضافية. كما تتراكم التوفيرات أيضًا؛ إذ يمكن للمنشآت خفض الخسائر الراكدة الناتجة عن التشغيل دون حمل (Parasitic Idle Losses) بنسبة تقارب ٢٢٪، ما يعني أن أنظمتها تعمل بكفاءة أعلى حتى عندما تبدأ بعض المكونات في الفشل. ووفقًا لدراسة أجرتها مؤسسة بونيون عام ٢٠٢٣، فإن هذا يُترجم إلى توفير تقريبي قدره ٧٤٠.٠٠٠ دولار أمريكي سنويًّا فقط في تكاليف الطاقة.

توحيد الاختبارات الحرجة: تُجنب عمليات التحقق السنوية من مقاومة التلامس ونقاء غاز SF6 تصاعد متوسط خسارة الحمل بنسبة 7.4٪

إن الفحوصات السنوية الروتينية تُحدث فرقًا كبيرًا عندما يتعلق الأمر بكفاءة استهلاك الطاقة في الأنظمة الكهربائية. وأهم فحصين هما قياس مقاومة التلامس في القواطع الكهربائية والتحقق من نقاء غاز SF6 في أجهزة التوزيع العازلة بالغاز. وعندما تزداد مقاومة التلامس بسبب عوامل مثل الأكسدة أو مشكلات عدم المحاذاة أو البلى الناتج عن الاستخدام العادي، فإن ذلك يؤدي إلى خسائر مزعجة تُعرف بخسائر I²R. فزيادة طفيفة بنسبة 10% فقط قد تؤدي إلى هدر ما يقارب 3.2 مليون واط ساعة سنويًّا لكل قاطع. ومن ناحية أخرى، إذا انخفض نقاء غاز SF6 عن عتبة الـ99% السحرية، فإن قوة العزل الكهربائي تنخفض بشكل ملحوظ. وهذا يعني أن إخماد القوس الكهربائي يتطلب طاقة تصل إلى 40% أكثر، مما يؤدي إلى ارتفاع جهود التشغيل وزيادة الخسائر التفاعلية عبر النظام بأكمله. وجعل هذه الفحوصات إلزاميةً وحفظ السجلات الخاصة بها يساعد في تجنّب الارتفاع المعتاد بنسبة 7.4% في الخسائر التقنية الذي نلاحظه في محطات التحويل التي تفتقر إلى الرقابة المناسبة. كما أن اكتشاف المشكلات وتصليحها مبكرًا يوفّر المال أيضًا؛ إذ يمكن أن تخسر المواقع أكثر من 220 ألف دولار أمريكي على مدى خمس سنوات بسبب هدر الطاقة دون اتخاذ إجراءات تصحيحية. علاوةً على ذلك، يصبح الحفاظ على هوامش تنظيم الجهد جيدًا أسهل بكثير، وهي مسألةٌ بالغة الأهمية لضمان استقرار شبكة الطاقة بأكملها خلال فترات الذروة في الطلب.

نشر أتمتة المحطات الفرعية الذكية لتحقيق تحسينٍ فعّال للطاقة في الوقت الفعلي

تحديث أنظمة التحكم: وحدات التحكم الحافة المتوافقة مع معيار IEC 61850 تُمكّن من تحسين القدرة العكسية ديناميكيًّا (+27% كفاءة)

تعتمد أنظمة التحكم التقليدية في المحطات الفرعية على إعدادات ثابتة لمجموعات المكثفات، وعلى مبدلات التبديل البطيئة، مما يؤدي إلى مشاكل مستمرة في القدرة العكسية عند تقلّب الأحمال. وعند تحديث هذه الأنظمة باستخدام وحدات التحكم الحافة المتوافقة مع معيار IEC 61850، تتغير الأمور جذريًّا؛ لأن هذه الوحدات قادرة على اتخاذ القرارات فورًا تقريبًا عند المصدر نفسه. وتستفيد هذه الأجهزة الحديثة من البيانات الحية الخاصة بمستويات الجهد، وتدفّق التيار، ودرجات الحرارة لضبط التعويض العكسي حسب الحاجة. فهي تقوم أساسًا بتشغيل المكثفات وإيقافها، وتعديل موضع مبدلات التحويل في المحولات استنادًا إلى ما يحدث فعليًّا في الزمن الحقيقي. وفي الواقع، أظهرت الاختبارات الميدانية انخفاضًا في الخسائر الناجمة عن القدرة العكسية بنسبة تقارب ٢٧٪ مقارنةً بالأنظمة الثابتة القديمة، بالإضافة إلى تحسُّن أفضل في التحكم بالجهد ضمن نطاق ±١٫٥٪ بدلًا من النطاق الأوسع ±٣٪. وما الذي يجعل هذا التحديث ذا قيمةٍ كبيرة؟ إنه يمنع المرحلات من أداء أعمال غير ضرورية عند حدوث هبوط أو ارتفاع مفاجئ في الجهد، ويمنع مشاكل ازدحام خطوط النقل المكلفة، لا سيما خلال ساعات الذروة المزدحمة. وإذا نظرتَ إلى أي تقييم إقليمي لشبكة الكهرباء، يصبح من الواضح أن الأنظمة التي لم تُحدَّث تواجه مخاطر جسيمة، حيث قد تصل الخسائر الفنية إلى ١٥٪.

دمج تحليلات الذكاء الاصطناعي: يقلل اكتشاف الأعطال التنبؤي من أحداث إهدار الطاقة والانقطاعات غير المخطط لها بنسبة ٣١٪ (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات – جمعية أنظمة الطاقة، ٢٠٢٤)

إن أنظمة التحكم والإشراف التقليدية (SCADA) ليست كافية للمهمة عندما يتعلق الأمر باكتشاف المشكلات البطيئة التطور التي تؤدي في النهاية إلى أعطال المعدات. وغالبًا ما يؤدي هذا إلى إيقاف التشغيل الطارئ، وما يُعرف بـ«إهدار الطاقة»، حيث يضطر مصانع توليد الطاقة إلى خفض الإنتاج فقط للحفاظ على توازن الشبكة الكهربائية. وتدمج أدوات تحليل الذكاء الاصطناعي الجديدة مجموعةً متنوعةً من مصادر المعلومات، بما في ذلك سجلات الأداء السابقة، وقياسات درجة الحرارة الفورية، وإشارات التفريغ الجزئي، بل وحتى ظروف الطقس المحلية. ويمكن لهذه الأنظمة اكتشاف الإشارات التحذيرية المرتبطة بمشكلات مثل التلف الذي يصيب لفات المحولات، أو تسرب الرطوبة إلى العوازل، أو تحلل زيت التبريد في المحولات. كما تكتشف خوارزميات التعلّم الآلي هذه المشكلات قبل حدوث الأعطال الفعلية بحوالي أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع، ما يمنح المشغلين الوقت الكافي لإصلاح المشكلات قبل أن تتفاقم إلى أزمات. ووفقًا لبحثٍ نُشِر العام الماضي من قِبل جمعية الطاقة والطاقة الكهربائية التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، فإن هذه الأنظمة المتقدمة خفضت حالات إهدار الطاقة والأعطال غير المتوقعة بنسبة تقارب ٣١٪. وفي محطة فرعية نموذجية بقدرة ٥٠٠ ميغاواط، يعني ذلك استعادة نحو خمسة غيغاواط ساعة سنويًّا، مع تجنّب الغرامات الباهظة المفروضة بسبب عدم توازن الشبكة. كما أن التدخل المبكر يوفّر المال على المدى الطويل، إذ تصبح الحاجة إلى استبدال المحولات بعد نحو أربع سنوات إضافية عما كانت عليه في الوضع العادي، وذلك لأن المشغلين يستطيعون معالجة النقاط الساخنة وغيرها من العيوب قبل أن تتفاقم إلى درجة تتطلب الاستبدال الكامل.

الأسئلة الشائعة

س: ما هي الخسائر الطفيلية في المحطات الفرعية؟

ج: تشير الخسائر الطفيلية إلى الطاقة المفقودة عبر المعدات غير الفعّالة عندما تكون المحطات الفرعية في وضع الخمول. ويمكن أن تسهم المعدات القديمة في ما يصل إلى ١٨٪ من هذه الخسائر.

س: لماذا تكون المحولات المصنوعة من المعادن الزجاجية أكثر كفاءة؟

ج: تتكون نوى المحولات المصنوعة من المعادن الزجاجية من سبائك غير متبلورة، مما يقلل الخسائر عند حالة عدم التحميل بنسبة تصل إلى ثلثيْها مقارنةً بالطرز التقليدية.

س: كيف تستفيد المحطات الفرعية من التحليلات المدعومة بالذكاء الاصطناعي؟

ج: تساعد التحليلات المدعومة بالذكاء الاصطناعي في الكشف الاستباقي عن الأعطال، وتقلل من حالات الانقطاع غير المخطط لها وأحداث إهدار الطاقة من خلال اكتشاف المشكلات قبل وقوعها بأسابيع، مما يمنع حدوث الأزمات.