ما هو أساس اختيار أجهزة التحكم والحماية لمشاريع الطاقة المتجددة؟

متطلبات الأداء الخاصة بالجهد والحمل والقصور الكهربائي لمعدات التبديل المستخدمة في مجال الطاقة المتجددة

مواءمة فئات الجهد متوسطة وعالية الجهد مع نقاط الربط بالشبكة وحجم المشروع

يتعلق الاختيار بين الجهد المتوسط (MV: حوالي ١ كيلوفولت إلى ٥٢ كيلوفولت) والجهد العالي (HV: أي جهد يزيد عن ٥٢ كيلوفولت) فعليًّا باحتياجات الشبكة الكهربائية وحجم المشروع. وعادةً ما تتصل محطات الطاقة الشمسية الكبيرة بالشبكة عند جهد يبلغ نحو ٣٤٫٥ كيلوفولت، بينما تكفي المشاريع الرياحية الأصغر حجمًا في المناطق المحلية بجهود تتراوح بين ١٢ و١٥ كيلوفولت. وقد يؤدي اتخاذ قرار خاطئ في هذا الصدد إلى مشكلات مثل انهيار العزل أو هدر سعة المعدات. فعلى سبيل المثال، فإن مزرعة طاقة شمسية ضخمة بقدرة ١٠٠ ميغاواط متصلة بخطوط النقل الرئيسية ستتطلب معدات تشغيل جهد عالي مُصنَّفة على الأقل لجهد ٣٦ كيلوفولت. أما الألواح الشمسية الصغيرة المركَّبة على أسطح المباني فهي تعمل بكفاءة تامة باستخدام معدات الجهد المتوسط حتى ١٥ كيلوفولت. ويستند معظم المهندسين في تحديد هذه القضايا المتعلقة بالتوافق بين مختلف أنظمة الطاقة المتجددة إلى المعيار IEEE C37.20.2.

تحديد التصنيفات الحالية وقدرة التحمل أمام الأعطال لتوليد طاقة غير منتظم وغير متوازن

تؤدي توليد الطاقة المتجددة إلى ظهور أنماط حمل متغيرة وتيارات عطل غير متناظرة، مما يتطلب خفضًا دقيقًا في التصنيفات وتحملًا قويًّا للعُطل. ويجب أن تتحمّل أجهزة التبديل ما يلي:

• تيار مستمر : ١٢٥٪ من أقصى إخراج لمُحوِّل الطاقة الشمسية؛ و١٣٠٪ من أقصى إخراج لتوربين الرياح
• تحمل الدائرة القصيرة : لا تقل عن ٤٠ كيلوأمبير لمدة ٣ ثوانٍ لإدارة ذروة التيارات أثناء اضطرابات الشبكة الكهربائية

تُعزِّز شروط الشبكة هذه المتطلبات: فمثلاً، تشترط معايير IEEE 1547 قدرة تحمُّل زائدة عابرة بنسبة ١٥٠٪ لأنظمة الطاقة الكهروضوئية (PV)، في حين تتطلب تطبيقات طاقة الرياح قدرة تحمل دورية للحمل بنسبة ٢٠٠٪ لاستيعاب القصور الذاتي للتوربينات والتغيرات في العزم الناتجة عن هبات الرياح.

أنواع أجهزة التحكم الكهربائي المُحسَّنة حسب التطبيق لدمج أنظمة الطاقة الشمسية والرياح والتخزين

أجهزة التحكم الكهربائي متوسطة الجهد المغلفة بالمعادن، وأنظمة التوزيع الغازية (GIS)، وأجهزة التحكم الخالية من غاز SF6 لمزارع الألواح الكهروضوئية ومحطات التحويل الريحية

تتطلب مشاريع الطاقة المتجددة على نطاق واسع أجهزة توزيع جهد متوسط يمكن صيانتها بسهولة، وتستهلك مساحةً أقل، وتظل آمنةً في مختلف البيئات. وتفضّل معظم مزارع الطاقة الشمسية التصاميم المغلفة بالمعادن نظراً لطابعها الوحدوي. وبفضل القواطع الكهربائية القابلة للإزالة، يمكن للفنيين إصلاح الأعطال دون الحاجة إلى إيقاف تشغيل المحطة الفرعية بأكملها، مما يوفّر الوقت والمال. أما في محطات طاقة الرياح البحرية أو في الأماكن التي لا تتوفر فيها مساحة كافية، فإن أجهزة التوزيع العازلة بالغاز (GIS) تصبح الخيار المفضل. وتقلّل هذه الأنظمة من المتطلبات الفيزيائية للمساحة بنسبة تصل إلى ثلثيْن مقارنةً بالخيارات التقليدية، كما أنها مقاومةٌ بطبيعتها للتآكل الناجم عن التعرّض لمياه البحر المالحة. ومع تشديد القواعد المتعلقة بالانبعاثات على مستوى العالم، نشهد اليوم اعتماداً متزايداً على البدائل الخالية من غاز SF6. فتتجه الشركات نحو تقنية الانقطاع بالفراغ جنباً إلى جنب مع مواد العزل الصلبة بدلاً من غاز SF6 القديم. وتعمل هذه المعدات الجديدة بنفس كفاءة المعدات السابقة، لكنها تزيل تماماً جميع المخاوف المتعلقة بانبعاث غازات الدفيئة التي كانت تُعاني منها الصناعة سابقاً.

أجهزة التبديل الكهربائية المستمرة والتي تجمع بين التيار المتردد والتيار المستمر لتطبيقات تخزين البطاريات والشبكات المصغرة

أنظمة تخزين طاقة البطاريات، أو ما تُعرف اختصارًا بـ BESS، تتطلب معدات قطع تيار مستمر (DC) مصممة خصيصًا نظرًا لمواجهة بعض المشكلات الفريدة جدًّا. فعلى عكس أنظمة التيار المتردد (AC)، لا توجد نقطة طبيعية ينخفض فيها التيار إلى الصفر، إضافةً إلى حدوث قمم تفريغ سريعة قد تتسبب في تلف المعدات. ولهذا السبب، تتضمَّن معدات القطع الحديثة عناصر مثل ملفات النفخ المغناطيسي وقنوات إخماد القوس الكهربائي الأقوى، والتي يمكنها إيقاف أعطال التيار المستمر فورًا تقريبًا، وعادةً ما تكون خلال بضعة ملي ثانية. وعند النظر في حلول معدات القطع الهجينة التي تعمل بالتيار المتردد/التيار المستمر (AC/DC)، فإن ما يميِّزها هو قدرتها على حماية جميع المكونات أثناء التبديل بين مصادر الطاقة المختلفة ضمن ترتيب شبكة دقيقة (microgrid). فكِّر في نظامٍ يجمع بين الألواح الشمسية والبطاريات ومولدات الوقود التقليدية الاحتياطية — فهذه النوعية من المعدات تتعامل مع كل ذلك بسلاسة. أما الاعتماد على الربط المباشر بالتيار المستمر (DC coupling) فهو يقلل فعليًّا من فقدان الطاقة أثناء عمليات التحويل، ويسمح للنظام بالعمل بشكل مستقل عند انقطاع الشبكة الرئيسية. وهذه القدرة ليست مجرد ممارسة جيدة فحسب، بل أصبحت ضرورةً متزايدةً للامتثال للمعايير التنظيمية مثل UL 1741 SA وIEEE 1547-2018، وهي معايير تكتسب أهميةً متزايدةً مع سعي المزيد من المرافق لتحقيق الاستقلال الطاقي.

المتانة البيئية والتصميم الجاهز للتشغيل عن بُعد لمواقع الطاقة المتجددة

مقاومة التآكل، وعلب الحماية ذات التصنيف IP65+، والإدارة الحرارية التكيفية في المناخات القاسية

تواجه معدات التبديل في مواقع الطاقة المتجددة تحديات جسيمة ناجمة عن الظروف القاسية. فمثلاً، تتعامل مزارع الرياح الساحلية مع تآكل رذاذ الملح، بينما تتصدى أنظمة الطاقة الشمسية في الصحاري للاحتكاك بالرمال ومستويات الرطوبة التي قد تصل إلى أكثر من ٩٠٪. ووفقاً لأبحاث جمعية حماية المواد (AMPP) لعام ٢٠٢٣، فإن نحو ربع جميع الأعطال الكهربائية يعود سببها إلى التآكل في هذه البيئات القاسية. وللمكافحة ضد ذلك، توفر غُرف الحماية ذات الختم الثلاثي بدرجة حماية IP66 حاجزاً فعالاً ضد دخول الغبار والماء أثناء الأحداث الجوية الشديدة مثل مواسم الأمطار الغزيرة أو العواصف الرملية. أما في الحالات الأكثر قسوة، فيلجأ المصنعون إلى الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع ٣١٦ لترابي أو سبائك النيكل، والتي تحمل شهادة معيار ISO 12944 C5-M الخاص بالبيئات المعرَّضة لمواد كيميائية عدوانية أو للتعرُّض البحري. وتؤدي أنظمة إدارة الحرارة أيضاً دوراً محورياً في هذا السياق؛ حيث تستخدم سخانات مقاومة حرارية موجبة المقاومة الحرارية (PTC) ومراوح متغيرة السرعة للحفاظ على تشغيل المعدات بكفاءة ضمن نطاق درجات حرارة قصوى تتراوح بين ناقص ٤٠ درجة مئوية وصولاً إلى زائد ٥٥ درجة مئوية. وتساعد هذه الأنظمة في منع حدوث انفجارات كهربائية خطرة (Flashovers) الناجمة عن التكثُّف عند تقلبات درجات الحرارة الحادة ليلاً، وهو ما تم اختباره وتوثيقه في المعيار الدولي IEC TR 63397:2022.

الجاهزية الرقمية: معدات تبديل ذكية لمراقبة الأداء، والأتمتة، والامتثال لمعايير الشبكة الكهربائية

تكامل مع معيار IEC 61850، وبروتوكولات أنظمة الإشراف والتحكم (SCADA) (مثل Modbus/DNP3)، والتشخيص القائم على الحواف

تلعب أجهزة التحكم والتبديل (Switchgear) دورًا حيويًّا في أنظمة الطاقة المتجددة الحديثة، حيث تُشكِّل أكثر من مجرد نقطة انفصال بسيطة. وعندما تدعم المعدات معايير IEC 61850 الأصلية، يصبح بمقدور أجهزة الحماية والمستشعرات ووحدات التحكم من علامات تجارية مختلفة العمل معًا بسلاسة تامة. وهذا يبسِّط عملية التركيب ويُسرِّع إجراءات التحقق من متطلبات الشبكة الكهربائية. كما تتصل معظم الأنظمة اليوم منصات التحكم والإشراف (SCADA) عبر بروتوكولات مثل Modbus TCP وDNP3. وتتيح هذه الاتصالات للمُشغِّلين مراقبة جميع العمليات والتحكم فيها عن بُعد، مع الحفاظ على أمان البيانات طوال شبكة الاتصال. أما المعالجات الذكية المدمجة مباشرةً في هذه الأجهزة فهي قادرة على فحص مستويات التيار، وقراءات الجهد، والتغيرات في درجة الحرارة، بل وحتى اكتشاف التفريغ الجزئي محليًّا. وهي تكتشف الأعطال في غضون أقل من ٢٠ ملي ثانية — وهي فترة زمنية بالغة الأهمية عند الاستجابة السريعة لأحداث العزل الذاتي (islanding events). كما توفر أدوات الصيانة التنبؤية المتقدمة تحليلًا لأداء المكونات على مر الزمن للتنبؤ بموعد حدوث أعطال محتملة في القطع المختلفة. ووفقًا لتقارير «إينرجي جريد إنسيتس» لعام ٢٠٢٣، فإن هذا النهج يقلل من فترات التوقف غير المخطط لها بنسبة تقارب النصف. وهناك المزيد أيضًا: إذ تحافظ منطقية الحماية التكيفية (adaptive protection logic) على استقرار النظام بتغيير الإعدادات تلقائيًّا عند تذبذب مصادر الطاقة المتجددة. وهذا يساعد في الالتزام بمتطلبات «الاستمرار في التشغيل عند انخفاض الجهد» (Low Voltage Ride Through) وحدود تشوه التوافقيات (harmonic distortion limits)، دون الحاجة إلى تدخل يدوي.

الأسئلة الشائعة

ما مستويات الجهد النموذجية لمعدات التبديل المستخدمة في أنظمة الطاقة المتجددة؟

يبلغ نطاق الجهد المتوسط (MV) عادةً من ١ كيلوفولت إلى ٥٢ كيلوفولت، ويُستخدم عادةً في الأنظمة الأصغر حجمًا، بينما يتجاوز الجهد العالي (HV) ٥٢ كيلوفولت ويُطلب عادةً في المنشآت الكبيرة الحجم.

كيف تدعم معدات التبديل أنظمة تخزين طاقة البطاريات؟

تتعامل معدات التبديل للتيار المستمر المستخدمة في أنظمة تخزين طاقة البطاريات مع تحديات فريدة مثل قمم التفريغ السريعة، وذلك عبر دمج ميزات مثل ملفات النفخ المغناطيسي وقنوات إخماد القوس الكهربائي لمعالجة الأعطال بسرعة.

ما البدائل الخالية من غاز SF6 لمعدات التبديل؟

تتجه الاتجاهات الحديثة نحو تقنية الانقطاع بالفراغ مع مواد عازلة صلبة، مما يلغي الحاجة إلى غاز SF6 المسبب للاحتباس الحراري مع الحفاظ على أداء مماثل.

كيف تؤثر الظروف البيئية في معدات التبديل في مواقع الطاقة المتجددة؟

قد تواجه معدات التبديل في المواقع المتجددة مشاكل ناجمة عن تآكل رذاذ الملح، والاحتكاك بالرمال، والتقلبات الشديدة في درجات الحرارة. وتشمل الحلول استخدام غلافٍ قويٍّ وأنظمة إدارة حرارية تكيفية لضمان المتانة.