محولات التوزيع تحت الأرض: كيفية تحديد الوحدات الغاطسة للخزائن وأنظمة الشبكات

عندما تصل المواصفات بسطر واحد في قسم الملاحظات - "قد يتم غمر المحول أثناء أحداث العاصفة" - تتغير ثلاثة أشياء: الخزان، والبطانات، والأوراق. كل شيء آخر في ورقة البيانات يبقى كما هو، وهذا هو بالضبط سبب فقدان السطر. المرافق تشتري الآن أكثر بكثيرمحولات التوزيع تحت الأرضمما كانت عليه قبل خمس سنوات، ومعظم قوالب المواصفات التي لا تزال متداولة تمت كتابتها لوحدة موضوعة على وسادة خرسانية فوق الدرجة.

لماذا تتغير مواصفات محولات التوزيع تحت الأرض بسرعة؟

إن ما يقرب من 20% من نظام توزيع الكهرباء في الولايات المتحدة يعمل تحت الأرض اليوم، وتعمل أكبر المرافق المملوكة للمستثمرين على دفع هذا العدد إلى الارتفاع من خلال برامج متعددة السنوات. في مراجعتها لاستراتيجية العمل تحت الأرض في يونيو 2026، ذكرت POWER أن شركة Xcel Energy لديها حوالي 19000 ميل من خطوط التوزيع تحت الأرض في كولورادو - ما يقرب من نصف نظامها في تلك الولاية - وتخطط لـ 50 ميلًا إضافيًا في المناطق المعرضة لخطر الحرائق العالية بحلول نهاية عام 2027 بتكلفة تقدر بـ 3.12 مليون دولار لكل ميل، مع الإشارة إلى أن البناء تحت الأرض يمكن أن يكلف 5 إلى 10 مرات أكثر من النفقات العامة. التحليل الكامل موجود علىتقرير استراتيجية شبكة الطاقة(https://www.powermag.com/growing-grid-strategy-undergrounding-power-lines-to-withstand-weather/). قامت شركة Florida Power & Light بنقل أكثر من نصف نظام التوزيع الخاص بها تحت الأرض اعتبارًا من منتصف عام 2025، وتعمل شركة Pacific Gas and Electric على تحقيق هدف يمتد لمسافة 10000 ميل تحت الأرض.

تدفع المرافق هذا القسط لأسباب تنجو من مراجعة التكلفة. لا يمكن للكابل المدفون أن يتسبب في نشوب حريق هائل، ولا يمكن أن يصطدم بشجرة متساقطة، ولا يمكن أن يسقط موصلًا حيًا في الشارع بعد اصطدام مركبة. وخلصت وزارة الطاقة الأمريكية ومختبر بيركلي إلى أن الانخفاض الكبير في التعرض للطقس المتطرف وحرائق الغابات يعد ميزة رئيسية لخطوط النقل والتوزيع تحت الأرض. وقد تبع ذلك المنظمون: طلبت ولاية كاليفورنيا من أكبر مرافقها تقديم خطط مدتها 10 سنوات تحت الأرض مع إعطاء الأولوية لمخاطر حرائق الغابات، وطلب المشرعون في فرجينيا من مفوضي الولاية دراسة العمل تحت الأرض هذا العام تحت ضغط نمو مراكز البيانات.

بالنسبة لمشتري المحولات فإن النتيجة تكون ملموسة. عندما تنتقل الدائرة تحت الأرض، يتحرك المحول خارج اللوحة إلى قبو، أو مبيت غاطس، أو موضع شبكة أسفل الرصيف. لا يمكن ببساطة نقل وحدة من الدرجة الأعلى إلى تلك المساحة.

ماذا تعني كلمة "غاطسة" فعليًا - IEEE C57.12.24 بلغة مبسطة

المحولات الغاطسةللخدمة تحت الأرض تم تعريفها بواسطة IEEE C57.12.24-2023، وهو المعيار النشط للوحدات ثلاثية الطور، المغمورة بالسوائل، والمبردة ذاتيًا، 60 هرتز وبقدرة 3750 كيلو فولت أمبير وأصغر، بجهد كهربائي عالي يبلغ 34 500 GrdY/19 920 فولت وما دونه وجهد منخفض يبلغ 600 فولت وأدناه، ومجهز بموصلات معزولة عالية الجهد قابلة للفصل. ويغطي المعيار الخصائص الكهربائية والأبعاد والميكانيكية ويأخذ في الاعتبار ميزات السلامة لهذا البناء؛ يتم نشر النطاق علىIEEE C57.12.24 الصفحة القياسية(https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.24/7512/).

يشرح التاريخ هدف التصميم. طبعة عام 2000 من نفس المعيار كانت بعنوان محولات التوزيع ثلاثية الطور من النوع تحت الأرض 2500 كيلو فولت أمبير وأصغر، ووصفت الوحدات المستخدمة عمومًا للخدمة المتدرجة من مصدر كبل أساسي تحت الأرض ومناسبة للتشغيل المغمور في بعض الأحيان. تلك العبارة - عملية مغمورة عرضية - هي الخط الذي يجب التمسك به. تم تصميم وحدة C57.12.24 لتنجو من فيضانات القبو أثناء العاصفة وتستمر في العمل بعد ذلك. إنه ليس جهازًا مغمورًا بشكل دائم، ومعاملته كجهاز واحد هي الطريقة التي تنتهي بها المرافق إلى وجود الماء في الزيت ونتيجة تحليل الغاز المذاب التي لا يمكن تفسيرها.

الغاطسة مقابل المثبتة على الوسادة: ما الذي يختلف في الواقع؟

هناك خمس ميزات تفصل بين البناء الغاطس الأصلي والوحدة القياسية التي تحتوي على طبقة من الطلاء:

• خزان مغلق بغطاء ملحوم أو محكم الإغلاق بالكاملولا مقصورة مكشوفة.
• موصلات معزولة قابلة للفصل ذات تصنيف رطببدلاً من البطانات المعزولة بالهواء المستخدمة فوق الدرجة.
• ضغط الحشية الموثق وعزم دوران الترباس،لأن الخزان هو حدود الضغط.
• توفير تأريض الخزانالحجم والوضع وفقًا للمعيار، وعادةً ما يكون عبارة عن وسادة ذات فتحتين بالقرب من نهاية الجهد المنخفض.
• نظام تآكل مصمم للخرسانة الرطبة والتربة،مع سماكة الطلاء المحددة بالميكرونات أو الملليات والأنودات المضحية عندما تتطلبها الأداة المساعدة.

حرارة الخزنة، والتصحيح المحيط، والهامش الحراري الذي تعتقد أنك تمتلكه

انمحول التوزيع تحت الأرضتم تصميمه وفقًا للغلاف المحيطي القياسي لوحدات التوزيع - بمتوسط ​​حوالي 30 درجة بحد أقصى يقترب من 40 درجة. القبو الموجود تحت الدرجة لا يحتوي على رياح، وتهوية محدودة، وجدران تحمل الحرارة. في فترة ما بعد الظهيرة التي تبلغ درجة حرارتها 38 درجة، يصبح الهواء المحيط بالخزان أكثر سخونة من الشارع الذي فوقه، ولا تحتوي الوحدة ذاتية التبريد والمغمورة بالسائل على مروحة لتشغيلها عند حدوث ذلك.

هذا هو المكان الذي يهم فيزياء التحميل. يستخدم دليل IEEE C57.91، وهو دليل تحميل المحولات المغمورة بالزيوت المعدنية، درجة حرارة النقطة الأكثر سخونة المرجعية البالغة 110 درجة لنظام عزل بارتفاع 65 درجة، وتتعامل ممارسات الصناعة مع عمر العزل على أنه ينخفض ​​إلى النصف لكل 6 إلى 8 درجات تقريبًا فوق هذا المرجع - راجعدليل التحميل IEEE C57.91(https://standards.ieee.org/ieee/C57.91/5297/). القبو الذي يمتد بمقدار 10 درجات فوق المحيط المفترض ليس شرطًا هامشيًا للموقع. إنه تغيير دائم في مدى سرعة عمر العزل داخل تلك الوحدة.

تستعيد أربع حركات مواصفات معظم هذا الهامش:

• حدد ارتفاعًا بمقدار 55 درجة بدلاً من ارتفاع 65 درجةحيث التهوية سيئة. أنت تدفع مقابل النحاس والقلب الإضافي، وتحصل على مساحة رأس حرارية لا يمكن لأي مروحة أو مستشعر إضافتها لاحقًا.
• اطلب جدول تصنيف مصححًا للظروف المحيطة،مبني على درجة حرارة هواء القبو المقاسة بدلاً من بيانات الشارع من أقرب محطة أرصاد جوية.
• تتطلب مقياس درجة حرارة الزيت كحد أدنى،بالإضافة إلى توفير مستشعر درجة حرارة متعرج ومنفذ اتصال إذا كانت المرافق تخطط للمراقبة بعد التشغيل.
• إصلاح القبو نفسه:حجم التهوية مناسب لفقد الوحدة، والصرف الذي يعمل في ظل ظروف العواصف، وعدم تخزين المعدات الأخرى في نفس الغرفة.

أنظمة الشبكات: الحماة، والشبكات الموضعية، وخيارات الجهد الثانوي

نسبة كبيرة من أنظمة مترو الأنفاق في وسط المدينة هي شبكات ثانوية: عدة محولات تغذي شبكة مشتركة ذات جهد منخفض بحيث يمكن إزالة أي وحدة واحدة من الخدمة دون إسقاط الحمل. في ذلك الموقفمحول الشبكةيعمل مع واقي الشبكة، المحدد بواسطة IEEE C57.12.44، والذي تتمثل وظيفته في توصيل وفصل محول الشبكة تلقائيًا من نقطة ثانوية أو شبكة شبكية - راجعIEEE C57.12.44 الصفحة القياسية(https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.44/4939/). ينشر إيتون كتابًا تمهيديًا مفيدًا باللغة البسيطةأساسيات حماية الشبكة(https://www.eaton.com/ca/en-gb/products/utility-grid-solutions/network-protector-solutions/network-protectors--fundamentals-of-network-protectors.html).

إن الوجبات الجاهزة للمحدد ميكانيكية وليست نظرية. يتم تركيب الواقي على المحول الثانوي أو بجواره مباشرة، لذلك يجب تنسيق ترتيب الجلبة ذات الجهد المنخفض للخزان، ومساحة التركيب المتاحة، والمبيت من الرسم الأول. المحول المصمم للتغذية الشعاعية لن يقبل واقي الشبكة، وتركيب واحد داخل القبو بعد ذلك هو عمل رافعة، وليس تعديلًا ميدانيًا.

الجهد الثانوي يتبع نفس المنطق. المرتبات الثانوية للشبكات ذات الأربعة أسلاك الكلاسيكية هي 208Y/120 فولت و480Y/277 فولت؛ غالبًا ما تعمل الشبكات النقطية التي تخدم مبنى واحدًا كبيرًا بجهد 480 فولت مع جهد أساسي متوسط ​​في نطاق 13.8 كيلو فولت إلى 27.6 كيلو فولت. تأكد مع الأداة المساعدة ما إذا كان التثبيت عبارة عن شبكة موضعية أو شبكة شبكية قبل طلب المحول. إنه يغير كلاً من تصميم الحامي ومحول الشبكة، ومن الصعب جدًا تغييره بعد صب القبو.

أوراق الامتثال: DOE 2029، وعلامات التصديق، ولوحة الاسم

مغمورة بالسائلالمحولات الغاطسةعادة ما تقع ضمن التعريف الفيدرالي لمحول التوزيع، وهذا التعريف يحمل الآن تاريخًا. تحت 10 CFR 431.192، يحتوي محول التوزيع على جهد خط دخل يبلغ 34.5 كيلو فولت أو أقل، وجهد خط الإخراج يبلغ 600 فولت أو أقل، ويعمل عند 60 هرتز، وسعة 10 كيلو فولت أمبير إلى 5000 كيلو فولت أمبير للوحدات المغمورة بالسائل. يجب استيفاء معايير الحفاظ على الطاقة المعدلة لهذه المنتجات في 23 أبريل 2029 وبعده، مع اعتماد قيم الكفاءة بنسبة 50 بالمائة لكل وحدة حمل. يتم تحديد تاريخ الامتثال وسجل القاعدة فيصفحة محولات التوزيع DOE(https://www.energy.gov/cmei/buildings/distribution-transformers) وفي نص اللائحة علىeCFR 10 CFR الجزء 431 الجزء الفرعي K(https://www.ecfr.gov/current/title-10/chapter-II/subchapter-D/part-431/subpart-K).

أحد التفاصيل يلفت انتباه المشترين. وتشمل قائمة الاستثناءات في اللائحة المحولات المغلقة، والتي يفترض بعض المهندسين أنها تغطي وحدة قبو مغلقة. لا ينطبق ذلك: يحدد نفس القسم المحول المختوم كمحول من النوع الجاف مصمم ليظل مغلقًا بإحكام في ظل ظروف محددة من درجة الحرارة والضغط. لا تترك الوحدة المغمورة بالسائل المختومة المعيار بهذا الطريق، ولا يزال يتعين إنتاج وثائق الكفاءة.

تضيف المشاريع الكندية النصف الآخر من الحزمة. تعمل المرافق الموجودة شمال الحدود وفقًا للكود الكهربائي الكندي وتتوقع الحصول على شهادة CSA على الوحدة وعلى الموصلات القابلة للفصل؛ CSA C227.4 هو المعيار المرجعي لمحولات التوزيع ثلاثية الطور والمثبتة على الوسادة والمملوءة بالسائل مع موصلات عالية الجهد معزولة قابلة للفصل، مدرجة فيمتجر مجموعة CSA(https://www.csagroup.org/store/product/2700379/). إنه يدفع للعمل مع أمورد المحولات المدرج في قائمة ULمن يمكنه تسليم وثائق كفاءة وزارة الطاقة مع تقرير الاختبار الروتيني، بدلاً من ثلاث رسائل بريد إلكتروني وبعد أسبوعين.

ما الذي نتحقق منه في المصنع قبل شحن وحدة تحت الأرض؟

قامت شركة Ryan Electric بتصنيع محولات الطاقة والتوزيع المغمورة بالزيت منذ عام 2007، ومنذ عام 2023 أصبحنا شريكًا في مشروع Eaton المشترك. مصنعنا في Jiangsu يغطي مساحة 120,000 متر مربع مع أكثر من 180 مجموعة من معدات الإنتاج و37 براءة اختراع، ومحفظتنا تحمل شهادات UL، CSA، IEEE، DEKRA، CNAS، وCE. تمر المعدات الخاصة بواجبات القبو والشبكة بنفس حجرة الاختبار الروتينية مثل عملنا المثبت على اللوحة، مع خمسة فحوصات إضافية كمورد المحولات المدرج في قائمة ULطَرد:

• ضغط الخزان وتسرب التسرب -يتم قياس وقت الانتظار، وانخفاض الضغط، وسمك الطبقة الجافة للطلاء على الخزان النهائي بدلاً من الفولاذ الخام.
• تركيب البطانة والموصل القابل للفصل -واجهة الموصل عبارة عن نظام، لذلك نقوم بتجميعها حسب الأبعاد قبل مغادرة الوحدة للخليج.
• غطاء ضغط الحشية وعزم دوران الترباس -شفة مسجلة بشفة، لأن الخزان هو الختم.
• التحقق من النسبة والمقاومة مقابل لوحة الاسم -مع الشهادة المرفقة، لأن وحدات الشبكة يجب أن توازي بشكل صحيح.
• لوحة الاسم وحزمة المستندات -علامة الشهادة وارتفاع درجة الحرارة والمقاومة المئوية ومستوى الكفاءة والرقم التسلسلي وتقرير الاختبار الروتيني في ملف واحد.

تغادر محولات التوزيع تحت الأرض مصنعنا بهذه الحزمة، لكن الأخطاء الميدانية لا تزال تكلف المرافق التي يزورها طاقم ثانٍ أكثر مما تكلفه عيوب التصنيع. تلك المتكررة: ترك القبو مفتوحًا خلال حدث المطر قبل ضبط الوحدة؛ الفشل في نزح المياه من أرضية القبو؛ إتلاف طلاء الخزان بحبل غير محمي؛ الردم قبل اختبار القبول؛ وتحديد الغمر العرضي أثناء تشغيل الوحدة في غرفة تظل رطبة طوال العام.

أرسل إلينا رسم القبو قبل صب الخرسانة

إذا كان مشروعك التالي يضعمحول التوزيع تحت الأرضأقل من الدرجة، أرخص وقت لإجراء المحادثة هو قبل تصميم القبو. أبعاد القبو، والتهوية، والصرف، وتركيب الحامي، والجهد الثانوي، كلها تحدد ما يجب أن يكون عليه المحول، وتغيير كل واحد منها مكلف بعد ذلك. أرسل إلينا رسم القبو وبيانات التحميل وهدف الشهادةريان-transformers.comوسيعود مهندسونا برسم الخزان، وتقييم تصحيح البيئة، وقائمة التحقق من الامتثال المطابقة لمتطلبات المرافق الخاصة بك.

عن المؤلف:كتب هذا المقال الفريق الهندسي في شركة Ryan Electric، وهي شريك في مشروع مشترك لشركة Eaton وشركة مصنعة للمحولات المعتمدة من UL/CSA في جيانغسو، الصين، وتقوم بتوريد المحولات المغمورة بالزيت والمحولات الجافة إلى المرافق ومراكز البيانات والمشاريع الصناعية في جميع أنحاء أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا.