في لاغوس، في منطقة تصنيع ساحلية، كانت منشأة تصنيع الأسمنت الجديدة بحاجة إلى 2 MVA من سعة التوزيع خلال ستة أسابيع وعلى موقع يعاني من مشكلة الفيضانات خلال موسم الأمطار. الحل الفني ليس مبنى ولكن محطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق، وحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ مع غلاف IP55 مرتفعة 800 مم فوق الأرض، تستند على قاعدة مجلفنة بالغمس الساخن، تم اختبارها في المصنع مع المحول ومعدات التبديل، تم نقلها في حاوية وتم تشغيلها في أربعة أيام. بعد خمس سنوات من بناء المنشأة، خلال موسمين من الأمطار، كانت الوحدة تعمل بشكل موثوق دون أي أعطال بسبب الرطوبة.
ستقدم المقالة نظرة عامة على المحطات الفرعية المسبقة الصنع في الهواء الطلق، وتشرح دورها في الهندسة الكهربائية الحديثة والبناء، وتوفر معلومات حول تصميمها وسعرها والمواصفات المطلوبة عند الشراء.
رد قصير: محطة فرعية خارجية معيارية (تُعرف أيضًا باسم محطة فرعية مدمجة أو من نوع الصندوق) هي تجميع كهربائي خارجي مصنوع في المصنع يتكون من محول ووحدات معدات التبديل MV/LV، والقياس، والحماية جميعها محاطة بغلاف IP54/IP55 مصنوع وفقًا لمعيار IEC 62271-202. يمكن تركيبها في الهواء الطلق حيث تم اختبار الغلاف لمقاومة المطر والغبار، والأشعة فوق البنفسجية، وهي وحدة كاملة مع بعض الاختبارات التي تم إجراؤها بالفعل مثل اختبار الحرارة، واختبار الصدمات، والاختبار الكهربائي.
ما هي محطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق؟
تُعرف محطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق بأنها محطات توزيع MV/LV وهي وحدة كاملة ومقاومة للعوامل الجوية وقابلة للنقل ومصممة ليتم تركيبها في الخارج دون الحاجة إلى مبنى أو بيئة أو أي غلاف آخر. يقع المحول ومكونات أخرى مهمة داخل مواد فولاذية أو فولاذ مقاوم للصدأ وتعمل وفقًا لمعيار IEC 60529 مما يعني أنها تقدم مستوى جيد من المتانة وفقًا لمعايير IP54 وIP55. تم تحديد الجوانب الفنية للمعدات من قبل IEC 62271-202 التي تحدد متطلبات التصميم والسلامة. إن استخدام مصطلح “خارجي” في هذا البناء أمر حاسم لأنه يعني أن الغلاف يجب أن يقاوم عناصر مختلفة: من أشعة الشمس المباشرة إلى درجات الحرارة القصوى وتأثيرات الطقس الضارة المحتملة. المحطات الفرعية المسبقة الصنع في الهواء الطلق هي الجزء الأسرع نموًا من البنى التحتية للتوزيع حيث تقدم محطات جاهزة للاستخدام في غضون أيام قليلة وهو ما لا يمكن مقارنته بالمحطات التي تم بناؤها في المصانع والتي قد تستغرق وقتًا طويلاً للإنتاج.
لماذا هي قوة رئيسية في بنية الطاقة التحتية
أدت التغييرات الهيكلية الأربعة التالية إلى ظهور وانتشار المحطات الفرعية المسبقة الصنع في الهواء الطلق كقوة مهمة في بنية الطاقة الحالية.
- سرعة الكهرباء: تتطلب المرافق الحكومية قدرة جديدة ليتم تركيبها بشكل أسرع مما يمكن أن تحققه المحطات المبنية في الموقع. في الواقع، تصبح الوحدة الكهربائية المُصنعة مسبقًا عملية في غضون 2-5 أيام، بينما تستغرق المحطات المبنية في الموقع ما يصل إلى 12 أسبوعًا.
- ضغوط التكلفة: يسمح القضاء على الأعمال المدنية والمباني بالإضافة إلى تنسيق البناء بتقليل التكلفة الإجمالية للتثبيت بنسبة تصل إلى 40%.
- لامركزية الشبكة: أدى ظهور مصادر الطاقة المتجددة والطاقة الموزعة ونقاط شحن السيارات الكهربائية إلى إدخال آلاف من الاتصالات والمحطات المتوسطة الحجم ذات المعايير الموحدة.
- توفر وتكلفة العمالة الماهرة: هناك نقص في العمالة الماهرة، ويسمح الإنتاج في المصنع بإجراء مراقبة الجودة في بيئة خاضعة للتحكم.
تُظهر هذه القوى لماذا تُستخدم المحطات المُصنعة مسبقًا في الغالب في نقاط توزيع MV/LV الجديدة عبر أوروبا وآسيا والشرق الأوسط وأفريقيا، مما يؤدي إلى الاستبدال التدريجي للمحطات المبنية في الموقع حتى في الأماكن التي تكون فيها الأراضي رخيصة.
الهندسة الخارجية: الإغلاق والحماية
البقاء على قيد الحياة في البيئة الطبيعية لأكثر من خمسة وعشرين عامًا هو تحدٍ تقني بحد ذاته. تصميم الإغلاق هو ما يميز الشركات المصنعة الجيدة عن غيرها:
| عنصر التصميم | المتطلب | لماذا هو مهم |
|---|---|---|
| تصنيف IP | IP54 كحد أدنى؛ IP55 لمخاطر الرش المائي العالية | يمنع دخول المطر والغبار إلى المقصورات الحية |
| السقف والقناة | سقف متدلي، قناة تصريف، حشوات محكمة | يمنع دخول الماء من خلال أبواب السقف والفواصل |
| القاعدة | مجلفن بالغمس الساخن، مرتفع 500-800 مم | يتحمل الفيضانات والتآكل ورطوبة الأرض |
| التهوية | فتحات مفلترة، مزودة بحواجز؛ تدفق هواء مصنف IP | يبرد المحول دون السماح بدخول المطر أو الحشرات |
| المواد | فولاذ كربوني مطلي، فولاذ مقاوم للصدأ، أو GRP/مركب | فولاذ مقاوم للصدأ/مركب للمواقع الساحلية والتآكل |
| مقاومة للأشعة فوق البنفسجية والملح | أنظمة طلاء بحرية، أجزاء مؤكسدة | يمنع التلاشي والصدأ وتآكل الرش الملحي |
| مضاد للتكثف | سخانات، منظمات حرارة، منفذ هواء | يمنع التكثف الداخلي في المناخات الرطبة |
مثل هذه التفاصيل مثل السقف المتدلي، قنوات التصريف، الفتحات المفلترة، والقواعد المجلفنة هي الجوانب الرئيسية التي تحدد ما إذا كانت الوحدة ستبقى جافة لمدة تصل إلى خمسة عشر عامًا أو تبدأ في التسرب بعد عامين من الاستخدام. يجب على المشترين الذين يقيمون في المناطق الساحلية أو الصحراوية أو في المناطق الاستوائية قبولها كمتطلبات إلزامية.
التخطيط الداخلي والمكونات
تتكون محطة التحويل المُصنعة مسبقًا الكلاسيكية من ثلاث أو أربع مقصورات مقسمة بواسطة حواجز ومفتوحة بواسطة أبواب منفصلة.
- تحتوي مقصورة MV على RMU أو قاطع فراغ مع صناديق الكابلات التي تجعل الأقفال الأمامية والمؤشرات سهلة الوصول.
- تحتوي مقصورة المحول على محول من النوع المغمور بالزيت أو النوع الجاف مع خزانات زيت ونظام تهوية قسري مع إنذارات أيضًا.
- تحتوي مقصورة LV على لوحة مفاتيح LV، القياس، المغذيات الخارجة، وأحيانًا بنك المكثفات.
- تحتوي المنطقة المساعدة على التدفئة والإضاءة وأسلاك التحكم المنتشرة في جميع الأقسام.
تم تصميم نظام توزيع الأقسام بطريقة تجعل المعدات الأكثر حرارة (المحول) موضوعة في قسم جيد التهوية، بينما تعمل أقسام المفاتيح عند درجة حرارتها المقدرة وتعزل أي عطل داخلي. يجعل تداخل الأبواب من المستحيل على المشغل الوصول إلى قسم المحول بينما يكون الجهد المتوسط مفعلًا.
الأنواع والتكوينات
| التصنيف | المتغيرات | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|
| مادة الإغلاق | فولاذ مطلي، فولاذ مقاوم للصدأ، GRP/مركب | المواقع الساحلية/التآكلية تستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ أو المركب |
| معدات الجهد المتوسط | RMU (SF6 أو معزولة صلبة)، مفتاح فصل الحمل، قاطع فراغ | RMU لشبكات الحلقة/الحلقة؛ قاطع لتغذيات صناعية كبيرة |
| المحول | محول مغمور بالزيت أو نوع جاف | نوع جاف للاستخدام الداخلي/الحساس للنار؛ زيت للاستخدام الخارجي العام |
| التكوين | وحدة واحدة، مزدوجة (مفتاح/محول مقسم)، محطة فرعية صغيرة | يتناسب مع مساحة الموقع وترتيب الحمل |
| التركيب | مثبتة على الأرض، مثبتة على قاعدة، قاعدة مرتفعة | مرتفعة/مثبتة على قاعدة لمناطق الفيضانات وإعادة التوطين |
في حالة محطات الطاقة الشمسية والرياح، يتم تقديم المحطات الفرعية الجاهزة في شكل وحدات مسبقة التجميع تحت محطات العاكس، وللمواقع المعرضة للفيضانات، توفر الشركات ترتيبات دعم مرتفعة مع وضع الوحدة بالكامل فوق مستوى المياه الأقصى.
المعايير والاختبارات
| معيار | النطاق | فحص المشتري الرئيسي |
|---|---|---|
| IEC 62271-202 | محطات المحولات مسبقة الصنع | اختبارات النوع لوحدات كاملة: ارتفاع درجة الحرارة، دائرة قصيرة، عزل |
| IEC 60076 | محولات الطاقة | تصنيف المحول، الخسائر، الاختبارات الروتينية / النوعية |
| IEC 60529 | حماية غلاف IP | IP54/IP55 الحد الأدنى للوحدات الخارجية |
| IEC 62271-200 | معدات مفاتيح معدنية محكمة | متطلبات السلامة والقوس الداخلي لـ RMU |
| IEEE C57.12.27 (أمريكا الشمالية) | سلامة معدات التركيب المثبتة على القاعدة | بناء الجبهة الميتة ومقاومة العبث |
الاختبار الأكثر أهمية هو اختبار ارتفاع درجة الحرارة IEC 62271-202 مع تجميع الحاوية كما هو، حيث سيظهر أن الوحدة قادرة على الوصول إلى تصنيفها في ظروف خارجية حقيقية. بعض الشركات المصنعة تختبر المحولات كوحدة؛ ستصبح هذه الفروق واضحة في التشغيل في المناخات الحارة من خلال الشيخوخة المتسارعة، والانقطاع، وما إلى ذلك.
المحطة الفرعية الجاهزة في الهواء الطلق مقابل المحطة الفرعية المبنية في الموقع
| العامل | جاهز في الهواء الطلق | محطة فرعية مبنية في الموقع |
|---|---|---|
| بناء | حاوية مصنوعة في المصنع | مبنية في الموقع من الطوب/الخرسانة |
| وقت التركيب | 2–5 أيام | 4–12 أسبوعًا |
| اختبار | وحدة كاملة مختبرة في المصنع | مجمعة في الموقع، جزئيًا غير مختبرة |
| التكلفة الإجمالية المثبتة | 20–40% أقل نموذجياً | أعمال مدنية وعمالة أعلى |
| إعادة التوطين | نعم — رفع ونقل | لا |
| بصمة الأرض | 10-40 م² | 100+ م² مع الوصول |
| مقاومة الفيضانات | خيارات قاعدة مرتفعة | يعتمد على الموقع |
| الأفضل لـ | نقاط توزيع MV/LV جديدة | محطات على مستوى النقل وكبيرة جدًا |
تبقى المحطات المبنية في الميدان مناسبة لأكثر من 40.5 كيلوفولت وللمراكز الكبيرة للتوزيع؛ ومع ذلك، تحت هذه القيمة، تهيمن البدائل الجاهزة على السعة الجديدة بسبب كونها أسرع، وأكثر فعالية من حيث التكلفة، وأعلى جودة من البناء في الميدان.
مجالات التطبيق
- التوزيع في البيئات الحضرية والتجارية: الأحياء السكنية، ومراكز التسوق، والمباني التجارية لديها متطلبات أرضية منخفضة ويمكن ربطها بسرعة بشبكة الطاقة.
- مناطق الإنتاج: وحدة واحدة لكل مصنع أو مجموعة؛ يمكن استخدام الوحدات في خطوات 400–1600 كVA.
- المصادر المتجددة: تستخدم مزارع الطاقة الشمسية ومزارع الرياح العديد من الوحدات المودولية كواجهات بين العاكس وشبكة الطاقة.
- كهرباء المناطق الريفية: توفر وحدات الطاقة الصغيرة القرى بالكهرباء بتكاليف أقل بكثير من المصادر التقليدية.
- التعدين والأراضي البعيدة: وحدات محمولة عالية الجودة عندما تكون قدرة التركيب في المنطقة ضعيفة.
- استعادة الطوارئ والطاقة المتنقلة: وحدات محمولة سهلة النقل تعوض عن خسائر السعة في أنظمة الطاقة.
التكاليف ونطاقات الأسعار
الأسعار المرجعية التالية للمحطات الفرعية الجاهزة في الهواء الطلق (RMU، محول من نوع الزيت، لوحة LV، خزانة فولاذية من IP54):
| التصنيف | فئة الجهد | السعر النموذجي (دولار أمريكي) | وقت التسليم |
|---|---|---|---|
| 100–315 كيلو فولت أمبير | 10–35 كيلوفولت | $4,000–$12,000 | 6–12 أسبوعًا |
| 400–630 كيلو فولت أمبير | 10–35 كيلوفولت | $7,000–$20,000 | 6–12 أسبوعًا |
| 800–1,250 كيلو فولت أمبير | 10–35 كيلوفولت | $11,000–$33,000 | 8–14 أسبوعًا |
| 1,600–2,500 ك.ف.أ | 10–35 كيلوفولت | $24,000–$60,000 | 10–18 أسبوع |
هناك زيادة تتراوح بين 15–30% للحاويات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو المركبات، و10–20% للمحولات الجافة، و$800–$3,000 لترقيات SCADA. الأسعار المعطاة هي أسعار FOB قابلة للتغيير بناءً على المواصفات، والعلامة التجارية، وموقع الشراء؛ لذلك، نوصي بشدة بتحليل الخسائر على مدار دورة حياة الأصل بالكامل قبل اتخاذ أي قرارات.
أفضل العلامات التجارية ومقارنة الأسعار
| العلامة التجارية | الدولة | نقاط قوة المحطة الفرعية المدمجة | السعر الاسترشادي — 1,000 kVA (دولار أمريكي) |
|---|---|---|---|
| شنايدر إلكتريك | فرنسا | تكامل RMU، مجموعة محطات فرعية مدمجة عالمية | $22,000–$38,000 |
| سيمنز | ألمانيا | خيارات رقمية، أنظمة حماية متكاملة | $23,000–$40,000 |
| ABB / هيتاشي إنرجي | سويسرا | مجموعة واسعة، مراجع قوية من المرافق | $22,000–$39,000 |
| إيتون | الولايات المتحدة الأمريكية | قوة السوق في أمريكا الشمالية والتركيب على القاعدة | $20,000–$36,000 |
| ZPUE / AUSY (المتخصصون) | أوروبا | هندسة المحطات الفرعية الجاهزة المخصصة | $22,000–$45,000 |
| شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية | الصين | وحدات IEC 62271-202، خيارات زيتية/جافة، OEM | $11,000–$33,000 |
توفر الشركات العالمية الرائدة موثوقية العلامة التجارية، وخطوط إنتاج متطورة، وشبكات خدمة عالمية. تلبي شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية الطلب على الحلول منخفضة التكلفة. تقدم الشركة محطات فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق وفقًا لمعايير IEC 62271-202 مع محولات من نوع الزيت أو جافة ومعدات التبديل في غلاف IP54 لأسعار أوروبية تتراوح بين 40–55%. تجعل هذه العروض شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية مرشحًا جديرًا بشركات EPC والمرافق والمطورين الذين يبحثون عن محطات فرعية مدمجة لتنفيذها في عدد كبير من مواقع المشاريع.
كيفية الاختيار والتحديد
- ابدأ بتحديد الحمل بالكيلو فولت أمبير مع الأخذ في الاعتبار خطة النمو؛ تأكد من أن الحمل الأقصى يعمل عند 60–80% من قدرة المحول.
- استفسر عن جهد الشبكة ونوع التخطيط (حلقة، شعاعية، تغذية مزدوجة) لتحديد ما إذا كان يجب اختيار RMU أو معدات التبديل.
- اختر الغلاف بناءً على نوع البيئة: يجب استخدام الفولاذ المطلي في الأماكن الصديقة بينما يجب النظر في الفولاذ المقاوم للصدأ أو المركب في البيئات الساحلية أو التآكل.
- اختر المحولات بناءً على سلامة الحريق: المحول الزيت مناسب للأماكن المفتوحة بينما المحول الجاف مفيد للأماكن المعرضة لمخاطر الحريق.
- تأكد من إجراء اختبار الوحدة وفقًا لمعايير IEC 62271-202 مثل اختبار ارتفاع درجة الحرارة مع تركيب الغلاف.
- تأكد من آليات مقاومة الفيضانات والظروف المناخية (قاعدة مرتفعة، تصنيف IP55، استخدام سخانات مضادة للتكثف).
- طبق أنظمة المراقبة والإنذار في الحالات التي يكون فيها الموقع غير مراقب.
- قارن بناءً على الخسائر المتكبدة واحصل على جدول اختبار الشهادة من المصنع في المصنع.
الأسئلة المتكررة
كم يكلف محطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق؟
يمكن أن تتراوح تكلفة وحدة مصنفة عند 400-1000 كيلو فولت أمبير من $7000 إلى $33000 اعتمادًا على معدات التبديل المطلوبة ومواد الغلاف ومستوى الخسائر. ستكلف وحدة مصنفة عند 1600-2500 كيلو فولت أمبير حوالي $24000-$60000. تذكر أنه سيستغرق الأمر حوالي 15-30% إضافية للفولاذ المقاوم للصدأ وحوالي 10-20% إضافية للمحولات الجافة. بالإضافة إلى ذلك، ستضيف المراقبة إلى التكلفة بحوالي $800-$3000. تأكد من أنك تقارن التكاليف الإجمالية بما في ذلك الخسائر.
كم من الوقت تستغرق عملية التثبيت؟
عادةً، قد يستغرق الأمر من 2 إلى 5 أيام لتركيب القاعدة المعدة، بما في ذلك رفع الهيكل بواسطة الرافعة، وتثبيته، وإنهاء الكابلات، والتشغيل. للمقارنة، قد يستغرق تركيب محطة فرعية عادية من 4 أسابيع إلى 12 أسبوعًا. ميزة اختبار المصنع هي الندرة النسبية لمشاكل التشغيل طالما أن الكابلات والقاعدة في الموقع تتطابق مع الرسومات.
هل يمكن لمحطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق تحمل الفيضانات وملح الساحل؟
نعم، بشرط أن يتم تحديده بشكل صحيح. الوحدة المصممة للاستخدام في مناطق الفيضانات تأتي مزودة بأساسات مرتفعة أو تركيب على قاعدة بارتفاع 500-800 مم فوق مستوى الأرض. بالنسبة للمناطق الساحلية والمناطق ذات البيئة التآكلية، سيتم استخدام غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ أو مركب مع طلاءات بحرية. أيضًا، من المهم تحديد تصنيف IP55 إذا كانت هناك إمكانية للتعرض لرذاذ الماء العالي.
ما الفرق بين محطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق ومحولة مثبتة على قاعدة؟
يمكن تصنيف كلا النوعين من التركيبات كأشقاء إقليميين. تعرف IEC 62271-202 محطة فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق كنظام يجمع بين معدات التبديل MV، المحولة، ومعدات التبديل LV في جهاز واحد، وهي مستخدمة على نطاق واسع في أوروبا وآسيا وأفريقيا. تعرف IEEE C57.12.27 المحولة المثبتة على قاعدة، والتي هي محولة بحتة بدون أي معدات تبديل. يجب أن يستند القرار المتخذ إلى المعايير المحلية ومتطلبات التبديل.
ما الاختبارات التي يجب أن أطلبها قبل قبول وحدة؟
أوصي بطلب الاختبارات الروتينية، التي تم تحديدها في IEC 60076، واختبار معدات التبديل بالإضافة إلى اختبارات النوع IEC 62271-202، والتي تشمل سلسلة من الاختبارات، مثل ارتفاع درجة الحرارة واختبار العزل. إذا كانت الطلبية للتصدير، سأطلب الحصول على شهادة اختبار المصنع وترتيب فحص ما قبل الشحن.
المراجع
- IEC 62271-202 — معدات الجهد العالي: محطات المحولات مسبقة الصنع — المعيار الحاكم لتصميم المحطات الفرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق، والسلامة، واختبارات النوع.
- سلسلة IEC 60076 - محولات الطاقة — المعيار الأساسي للمحولات المثبتة داخل الوحدة.
- IEC 62271-200 — معدات التبديل المعدنية المغلقة بجهد متوسط — متطلبات وحدات RMU وأقسام القواطع.
- IEC 60529 — رمز IP — يحدد تصنيفات غلاف IP54/IP55 للاستخدام في الهواء الطلق.
- IEEE C57.12.27 — سلامة غلاف المعدات المثبتة على القاعدة — متطلبات الشمال الأمريكي للواجهة الميتة ومقاومة العبث.
- NEMA — إرشادات معدات التوزيع — إرشادات التطبيق والتصنيف لمعدات المحطات الفرعية المدمجة.
- Jiangsu Subian Electric Power — الموقع الرسمي — الشركة المصنعة والمصدرة لمحطات فرعية مسبقة الصنع في الهواء الطلق IEC 62271-202.
الخاتمة
أصبحت المحطات الفرعية المجمعة مسبقًا في الهواء الطلق ضرورية في بنية الطاقة الحالية لأنها توفر كل ما تتوقعه الصناعة الحديثة من حيث السرعة العالية، وتوفير التكاليف، وجودة المصنع، والمتانة. يتم تسليم محطة فرعية مجهزة بالكامل (محولة، معدات تبديل MV و LV، أجهزة الحماية والقياس) مسبقة الاختبار ويمكن تركيبها في غضون أيام بدلاً من أشهر.
نصائح رئيسية:
- تأكد من أن حجم المحطة مصمم لتحمل الحمل الأقصى مع الأخذ في الاعتبار سعة المحولة التي تبلغ حوالي 60-80%.
- اختر RMU أو قاطع حسب تصميم الشبكة.
- اختر المادة وتصنيف IP للمحول وفقًا لبيئة الموقع (استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ/المركب و IP55 للمناطق الساحلية والرطبة).
- اطلب اختبارات الوحدة الكاملة IEC 62271-202، خاصة تلك التي تحتوي على الصندوق.
- قارن الخسائر في الآلات واطلب اختبارات مؤكدة في المصنع للتصدير.