تُعد المحطات الفرعية محطات فرعية بالغة الأهمية في أنظمة الطاقة الكهربائية، مما يتيح نقل وتوزيع الكهرباء بكفاءة. وهي تؤدي وظائف أساسية مثل تحويل الجهد الكهربائي وتوجيه الطاقة وحماية النظام. تختلف المحطات الفرعية اختلافًا كبيرًا في التصميم والتطبيق بناءً على عوامل مثل مستويات الجهد والموقع والمتطلبات التشغيلية. تستكشف هذه المقالة الأنواع المختلفة من المحطات الفرعية ومبادئ عملها ومزاياها وتطبيقاتها، مما يوفر للمهندسين فهمًا شاملاً لأدوارها في البنية التحتية الحديثة للطاقة.
مبدأ العمل أو مفهوم التصميم
تعمل المحطات الفرعية عن طريق تعديل مستويات الجهد وتوجيه تدفق الطاقة. وتتكون في جوهرها من محولات وقواطع دوائر وقضبان التوصيل ومرحلات الحماية. يعتمد تصميم المحطة الفرعية على الغرض منها:
- تحويل الجهد:
- المحطات الفرعية التدريجية: تقع بالقرب من محطات الطاقة، وهي تزيد الجهد (على سبيل المثال، من 11 كيلو فولت إلى 400 كيلو فولت) لتقليل الخسائر أثناء النقل لمسافات طويلة.
- المحطات الفرعية للتخفيض التدريجي: خفض الجهد (على سبيل المثال، من 132 كيلو فولت إلى 33 كيلو فولت) للتوزيع المحلي أو الاستخدام النهائي.
- التكوين:
- المحطات الفرعية الخارجية: استخدم مجموعة المفاتيح الكهربائية المعزولة بالهواء (AIS) وهي مثالية للتطبيقات عالية الجهد بسبب تخطيطاتها الواسعة.
- المحطات الفرعية الداخلية: استخدام مجموعة المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS) في أماكن مدمجة ومغلقة ومناسبة للمناطق الحضرية.
- المحطات الفرعية تحت الأرض: بنيت تحت الأرض لتوفير المساحة في المدن المكتظة بالسكان.
- الوظيفة:
- محطات النقل الفرعية: ربط خطوط النقل البيني وإدارة نقل الطاقة بالجملة.
- محطات التوزيع الفرعية: تغذية الطاقة للمستهلكين السكنيين والتجاريين والصناعيين.
- محطات التجميع الفرعية: تجميع الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة مثل مزارع الطاقة الشمسية أو مجمعات طاقة الرياح.
- التنقل:
- المحطات الفرعية المتنقلة: تجهيزات مؤقتة مثبتة على مقطورات لطاقة الطوارئ أو صيانة الشبكة.
المزايا الرئيسية
يقدم كل نوع من أنواع المحطات الفرعية مزايا متميزة مصممة خصيصاً لتناسب تطبيقه:
- المحطات الفرعية التدريجية/التصاعدية:
- تمكين الإرسال الفعال لمسافات طويلة والتوزيع المحلي.
- تقليل فقد الطاقة من خلال التنظيم الأمثل للجهد الكهربائي.
- محطات نظم المعلومات الجغرافية الفرعية:
- بصمة مدمجة مثالية للبيئات الحضرية المحدودة المساحة.
- سلامة محسّنة مع عزل غاز SF6 وتقليل مخاطر الحريق.
- محطات التجميع الفرعية:
- دمج الطاقة المتجددة المتقطعة في الشبكة.
- توفير دعم الطاقة التفاعلية لتثبيت مستويات الجهد.
- المحطات الفرعية المتنقلة:
- النشر السريع للتعافي من الكوارث أو ترقيات الشبكة.
- حلول مؤقتة فعالة من حيث التكلفة بدون بنية تحتية دائمة.
مجالات التطبيق
يتم نشر المحطات الفرعية عبر سيناريوهات متنوعة:
- محطات النقل الفرعية:
- توجد في الشبكات الوطنية التي تربط محطات الطاقة بالشبكات الإقليمية.
- محطات التوزيع الفرعية:
- خدمة الأحياء الحضرية والمجمعات الصناعية والمجتمعات الريفية.
- المحطات الفرعية الصناعية:
- مرافق مخصصة للمصانع أو المناجم أو مراكز البيانات ذات المتطلبات العالية من الطاقة.
- الطاقة المتجددة:
- تربط محطات التجميع الفرعية توربينات الرياح أو مصفوفات الطاقة الشمسية بالشبكة.
- النقل والمواصلات:
- تزود محطات السكك الحديدية الفرعية طاقة الجر للقطارات الكهربائية.
معايير الصناعة
يلتزم تصميم المحطات الفرعية وتشغيلها بالمعايير المعترف بها عالميًا:
- معايير IEEE:
- سلسلة IEEE C37: يغطي المفاتيح الكهربائية وقواطع الدارات والمرحلات الواقية.
- معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات IEEE 80: تصميم نظام التأريض الإرشادي للسلامة.
- معايير IEC:
- IEC 61850: يحدد بروتوكولات الاتصال للأتمتة (مثل SCADA).
- IEC 62271: يحدد متطلبات مجموعة المفاتيح الكهربائية ذات الجهد العالي.
- لوائح السلامة:
- الكود الوطني للسلامة الكهربائية (NESC): يضمن التركيب والصيانة الآمنة.
- إدارة السلامة والصحة المهنية: يفرض سلامة العمال أثناء بناء المحطات الفرعية.
- الامتثال البيئي:
- إرشادات وكالة حماية البيئة: تنظيم احتواء الزيت ومناولة غاز SF6 لمنع التسريبات.
الأسئلة الشائعة
س1: لماذا تقع المحطات الفرعية المتدرجة بالقرب من محطات الطاقة؟
تعمل المحطات الفرعية التدريجية على زيادة الجهد لتقليل خسائر المقاومة أثناء نقل الطاقة السائبة. ويؤدي وضعها بالقرب من مصادر التوليد إلى زيادة الكفاءة إلى أقصى حد.
س2: ما الذي يميز نظام المعلومات الجغرافية عن المحطات الفرعية لنظام المعلومات الجغرافية؟
يستخدم نظام المعلومات الجغرافية غاز SF6 للعزل في مقصورات محكمة الغلق، مما يتيح تركيبات حضرية مدمجة. يعتمد AIS على الفجوات الهوائية وهو مناسب للمواقع الخارجية الواسعة.
س3: كيف تختار بين المحطات الفرعية الداخلية والخارجية؟
ضع في اعتبارك توافر الأرض ومستويات الجهد والعوامل البيئية. توفر المحطات الفرعية الداخلية لنظم المعلومات الجغرافية مساحة ولكنها تكلف أكثر، في حين أن تصميمات نظم المعلومات الجغرافية الخارجية اقتصادية بالنسبة لأنظمة الجهد العالي.
تقدم هذه المقالة نظرة عامة تأسيسية لأنواع المحطات الفرعية، مع التركيز على قدرتها على التكيف لتلبية متطلبات الطاقة المتطورة. يجب على المهندسين الموازنة بين المواصفات الفنية والمعايير وقيود الموقع لتحسين أداء المحطات الفرعية في التطبيقات المتنوعة.
