المحولات الجافة مملوءة بالزيت لتقليل ارتفاع درجة الحرارة — صحيح أم خطأ؟

المؤلفون يشككون في ادعاءاتهم الخاصة. لا يمكن تبرير آرائهم حول المحولات الجافة. حيث أن هذه الأنواع من المحولات لا تحتوي على سائل، تتكون المحولة من لفات ونواة مدعومة بالهواء المحيط. المواد العازلة المستخدمة في حالة المحولات الجافة هي صلبة، مما يعني مواد راتنجية مشبعة أو لفات مشبعة تحت ضغط الفراغ. هناك وجود للسوائل في المحولات المغمورة بالزيت، وبالتالي لا يمكن تطبيق متطلبات التصميم للمحولات الجافة على أنواع المحولات المغمورة بالزيت. ونتيجة لذلك، فإن البيان الرئيسي في الورقة هو أن العملية المستخدمة في المقالة غير مناسبة لنوع المعدات التي تم تطبيقها عليها.

في الختام، فإن النتيجة غير مواتية. لذلك، مع إدراج نظام تبريد قائم على الزيت، تتحول المحولة من النوع الجاف إلى واحدة مملوءة بالسائل. يتم التبريد بواسطة الهواء، إما طبيعي (أي جوي) أو ميكانيكي (أي قسري). وفقًا لـ IEC 60076-11، هناك أنواع مختلفة من العزل الحراري (الفئة A (105 °م)، الفئة E (120 °م)، الفئة B (130 °م)، الفئة F (155 °م)، الفئة H (180 °م)، الفئة N (200 °م)، والفئة C (220 °م)) مع حدودها تعتمد على الخصائص البيئية للفئة.

الادعاء، ولماذا هو خاطئ

كلمة “جاف” لا تتعلق بعبارات التسويق ولكنها تتعلق بالمحولات التي لا تحتوي على عناصر تبريد وعزل سائلة. أصدرت IEC معيار IEC 60076 -11 المتعلق بالمحولات الجافة والذي ينص على الوحدات القادرة على العمل عند قدرة 2500 kVA وجهد 36 kV. المصطلح “جاف” المستخدم هنا لا يعني أي سائل.

الارتباك في هذه المسألة ينشأ لأن كلا النوعين من المحولات يمكن ملاحظتهما على أنهما متشابهان من حيث مظهرهما، وموقعهما في المحطات الفرعية، ويتشاركان نفس الشركات المصنعة. كلا النوعين من المحولات قادران على تحويل الطاقة الكهربائية من شكل إلى آخر من خلال النواة المصنوعة من المعدن والملفات النحاسية. ما يميز بين الاثنين هو أن المحولات الكهربائية تستخدم الزيت، بينما تستخدم المحولة الجافة الهواء فقط كوسيلة للعزل والتبريد.

عادة ما تتم مقارنة العائلتين بناءً على المعايير التي تجعل هذا الخرافة معكوسة، و حيث تختلف المحولات الجافة والمغمورة بالزيت حقًا يتعلق بوسيط التبريد، وحمل الحريق، والمساحة، ونظام الصيانة والمكان الذي يُسمح فيه بتركيب الوحدة — وليس أيهما يحتوي على زيت.

ما الذي يبرد فعليًا المحول الجاف

الهواء هو المسؤول بشكل رئيسي عن جعل الأنواع الجافة أقل كفاءة من حيث زيادة درجة الحرارة القصوى مقارنةً بالوحدات المملوءة بالزيت ذات التصنيفات السعوية المماثلة.

• الأداء الحراري. يُقدّر الموصلية الحرارية للهواء بحوالي 0.026 W/m·K. من ناحية أخرى، فإن الموصلية الحرارية لزيت المحولات تبلغ حوالي 0.12 W/m·K، مما يعني أن الزيت لديه أداء حراري أكبر بأربع أو خمس مرات من الهواء. هذه الرقم الواحد يسلط الضوء على الفروق بين مجموعات الأنواع.
• طرق التبريد. يقوم التبريد الطبيعي بالهواء (AN) بالتبريد من خلال الحمل فقط، بينما يتطلب التبريد القسري بالهواء (AF) تركيب مراوح تنتج أداءً متزايدًا في التبريد على المدى القصير. بديل آخر، وهو نوع هجين، يعرف باسم ANAF والذي يعني التبريد الطبيعي بالهواء عند الحمل العادي وأداء التبريد من خلال استخدام المراوح عند الحمل الكامل. لاحظ أن تركيب مجموعات المراوح يجعل هذا النوع أكثر ضوضاءً ويزيد من الصيانة، وهو ما يجب تسليط الضوء عليه عندما يذكر شخص ما أنه يهدف إلى AF فقط بسبب مزاياه المفترضة.
• المسافة ودوائر الهواء. توصي معظم الشركات المصنعة بضمان وجود مسافة لا تقل عن 300 مم من الجدران للتبريد الطبيعي بالهواء أو تقليل الحد الأدنى للمسافة إلى حوالي 150 مم عند استخدام التبريد القسري بالهواء. يجب أخذ الرقم المذكور أعلاه في الاعتبار عند التخطيط لتركيب المعدات، حيث تضع توصيات التصنيع قيودًا واضحة.
• النظافة أمر حاسم لفعالية التبريد حيث أن وجود الغبار على اللفائف وفي ممرات التبريد يمكن أن يؤدي إلى فقدان الفعالية يصل إلى 15-30%. لهذا السبب، تأخذ برامج الصيانة الدورية للنوع الجاف في الاعتبار التنظيف المنتظم بينما لا توفر الأنواع المملوءة بالزيت أي توصيات أو متطلبات.
• الارتفاع والمعايير البيئية لها تأثيرات سلبية على وظيفة التبريد.

تصبح طريقة التبريد أيضًا قاعدة التسمية في ورقة البيانات، وتستخدم الوحدات الرطبة نفس الحروف بشكل مختلف - يتم توضيح مقارنة تكنولوجيا التبريد عبر أنواع المحولات، بما في ذلك المتغيرات المملوءة بالزيت، في هذا العرض العام عن طرق تبريد المحولات, ، وهو مرجع مفيد عندما تقتبس المواصفات ONAN أو ONAF أو OFAF وتحتاج إلى معرفة ما تلتزم به الحروف المورد.

فئات العزل وحدود ارتفاع درجة الحرارة

هنا تصبح تصنيف المحول الجاف ذا صلة، لذا فإن الدقة أمر حاسم. لا يوجد زيت يساعد على تبديد الحرارة، لذا يجب أن يتحمل نظام العزل الصلب درجات الحرارة التي تم تصميمه لتحملها؛ يحدد IEC 60076-11 كل من فئة العزل والزيادة القصوى المسموح بها في درجة الحرارة المتعلقة بدرجة الحرارة المحيطة.

• الفئة A (105 °C) - زيادة درجة حرارة اللف 60 K. معدات قديمة.
• الفئة E (120 °C) - 75 K. هذا ليس شائعًا جدًا اليوم.
• الفئة B (130 °C) - 80 K. غالبًا ما تستخدم في التطبيقات العامة.
• الفئة F (155 °C) - 100 K. هذا هو ما يستخدم عادةً في تطبيقات التوزيع.
• الفئة H (180 °C) - 125 K. تستخدم في ظروف تشغيل أكثر تطلبًا مع أحمال أعلى.
• الفئة N (200 °C) - 135 K. تستخدم هذه الفئة في التطبيقات الخاصة.
• الفئة C (220 °C) - 150 K. تستخدم على نطاق واسع في أمريكا الشمالية في تركيبات VPI الجافة؛ عند درجة حرارة 150 K، تتجاوز درجة حرارة النقطة الساخنة عند الحمل المقدر 210 °C.

بالمقارنة، فإن المحول المغمور بالزيت الذي يتوافق مع معايير IEC 60076-2 و ANSI عند زيادة درجة حرارة قصوى تبلغ 65 K وارتفاع متوسط في الزيت العلوي يُعتقد أنه لا يزيد عن 55 K يحافظ على درجة حرارة النقطة الساخنة عند 78 °C فوق المستوى المحيط. الزيت ليس موجودًا لتبريد المحول، بل لتحقيق كفاءة عالية بما فيه الكفاية في عملية إزالة الحرارة وتوفير عزل كهربائي بين اللفات الرائدة واللفات اللاحقة.

هذا مهم للأعمال في سياق الشيخوخة الحرارية. تنص معادلة أرهينيوس على أن عمر العزل يتقلص إلى النصف مع كل زيادة قدرها 10 °C في درجة الحرارة المحتفظ بها. ومن ثم، فإن المحول من النوع الجاف الذي يتجاوز النقطة الساخنة بمقدار 20 °C سيفقد ليس فقط جزءًا من عمره الخدمي، بل الغالبية العظمى منه، مع ظهور عطل في العزل بعد فترة طويلة من الفشل، بدلاً من إعطاء أي مؤشرات مسبقًا. وهذا هو السبب أيضًا في أن تصميم اللف والعزل، وليس الغلاف، يحدد ما يمكن أن يتحمله المحول من النوع الجاف، والتفاصيل على مستوى المكونات وراء ذلك يتم استكشافها في ما يوجد داخل المحول من النوع الجاف ولماذا كل جزء مهم.

ثلاثة تصميمات، ثلاثة منتجات مختلفة

مع عدم كون “النوع الجاف” تمييزًا مستقلًا بل أكثر من كونه مفهومًا شاملاً، يمكننا أن نرى أن الأنواع الثلاثة الرئيسية تتصرف بشكل مختلف بما يكفي لعدم استخدامها بالتبادل.

• راتنج الصب. بعبارات بسيطة، نقوم بتغليف اللفات في راتنج تحت فراغ، مما يشكل جسمًا صلبًا من العزل، مع خصائص ميكانيكية جيدة، ومقاومة كبيرة للماء والغبار والاعتداء الكيميائي. يصبح التفريغ الجزئي أمرًا مهمًا هنا حيث يبدأ الفشل عادةً في المواد الصلبة بسبب الفراغات، وهذا هو السبب في أن المنظمة IEC 60076-11 تجعل اختبار التفريغ الجزئي إلزاميًا. هذا شائع في شبكة التوزيع الداخلية.
• راتنج مغلف وطريقة VPI. في هذه التقنية، بدلاً من صنع لف باستخدام طريقة الصب، نقوم أولاً بنقعه بالراتنج في غرفة فراغ عالية الضغط، مما نحصل على نظام عزل قوي من الفئة H أو الفئة C مع تحمل جيد للأحمال الزائدة. أصبحت هذه الطريقة شائعة جدًا في الولايات المتحدة، خاصة في أعمال التحديث.
• النوع المفتوح أو المهوى. هنا يتم فقط إغلاق اللف في غلاف مع الاعتماد على تدفق الهواء وعادةً ما تكون فئة العزل أعلى بشكل عام. هذه الطريقة عادةً ليست مكلفة جدًا وتصل مستويات الحماية إلى IP20 أو IP23.

تصنيف الغلاف لا يعتمد على تفضيلات المالكين، بل على نوع البيئة التي يُستخدم فيها الوحدة: على سبيل المثال، سيتم استخدام تصنيف IP00 في حالة وجود لفات مفتوحة موضوعة في غرفة مخصصة، بينما سيكون IP20 في حالة التثبيت داخل غرفة مغلقة. منتج تمثيلي في هذا المجال هو محول توزيع من النوع الجاف من راتنج الصب من سلسلة SCB لأنظمة 6–10 kV, ، حيث أن لفائف الإيبوكسي المغلفة، وفئة العزل المحددة، والنواة ذات الفقد المنخفض هي المعايير التي تحدد الملاءمة بدلاً من رقم الكيلو فولت أمبير وحده.

أين تُستخدم الأنواع الجافة، ولماذا تستمر الأسطورة

السبب في استخدام المحولات الجافة هو السلامة. غياب السائل يعني أنه لن تكون هناك تسريبات زيت، ولا احتواء مزدوج، ولا حفرة احتواء زيت، ولا حمولة حريق مكونة من مئات اللترات من السائل المشتعل داخل المبنى، ولا حاجة للاختبار الدوري للزيت. هذا ما يجعل من الممكن استخدامها في الداخل، بالقرب من مناطق العمل، في الأنفاق، على المنصات البحرية، وكذلك داخل مراكز البيانات.

تشمل أمثلة التطبيقات:

• مراكز البيانات والمرافق التقنية بما في ذلك غرف الجهد المتوسط، وعوازل UPS، وتخفيضات PDU الأماكن التي لا توجد فيها فرصة للتعافي من حادث تسرب زيت.
• المستشفيات، والمطارات، ومراكز التسوق، والمباني الشاهقة، إلخ. حيث أنه بسبب القيود على استراتيجية الحريق لا توجد إمكانية لاستخدام المحولات المملوءة بالزيت بالقرب من الناس.
• صناعة الطاقة المتجددة حيث يمكن تبرير تطبيقات الناقلة، والبرج، أو العاكس بسبب تكلفة الصيانة العالية والوصول المحدود إلى الحاويات.
• المصانع الصناعية والمرافق حيث يمكن اعتبار العواقب الناتجة عن تسرب الزيت خطيرة وحيث ستكون هناك حاجة لتدابير السلامة.
• المحطات الفرعية الحضرية وتحت الأرض حيث تعتبر المساحة ومخاطر الحريق مسألة أساسية ويمكن استخدام المحول الجاف حيث يحتاج المحول المملوء بالزيت إلى غرفة حماية من الحريق مجهزة بشكل خاص مع تصنيف حريق.

عادةً ما يتم تحديد المشاريع الحقيقية في هذا المجال بنفس المنطق، وتوفر التركيبة المنفذة إحساسًا أفضل بذلك من ورقة البيانات - على سبيل المثال،, المحولات الجافة التي تم توفيرها لمشروع إمداد طاقة مزدوج في باكستان تظهر النمط: إمدادات مزدوجة، تركيب داخلي، لا احتواء للزيت، ونظام حماية مبني حول المحول بدلاً من حول خطر المحول نفسه.

الأسطورة تنبع من ثلاثة مصادر.

• المنتجات المرادفة. تقريبًا جميع الشركات المصنعة تسوق كلا النوعين، وغالبًا ما تأخذ المنتجات المبردة بالزيت المكان الأول في الكتالوج لأنها تثبت أنها أقل تكلفة في الاستخدام. وبالتالي، فإن الشخص الذي يتصفح الكتالوج سيرى مصطلح الزيت فيه ويفترض أن جميع المنتجات المعروضة معه هي منتجات مبردة بالزيت.
• الارتباك في المصطلحات الحقيقية. كلمات مثل ONAN و ONAF تصف أنواع التبريد، والحروف نفسها موجودة في المحولات الجافة بمعنى مختلف. على سبيل المثال، “AN” تعني الهواء الطبيعي في حالة المحولات الجافة.
• الارتباك وظيفي وليس تجميلي. المحولات المبردة بالزيت تؤدي بالفعل بشكل أفضل من حيث منع ارتفاع درجة الحرارة، مما يجعل العبارة “الزيت يمنع ارتفاع درجة الحرارة” صحيحة إذا تم تطبيقها على عائلة المحولات الأخرى. الخطأ هنا هو أن هذه العبارة تُنسب إلى النوع الخاطئ من المحولات.

ماذا تفحص قبل أن تشتري

خمسة عوامل تساهم بشكل كبير ويجب أن توجد جميعها في ورقة البيانات بدلاً من مناقشتها بالتفصيل خلال محادثات المبيعات.

• تصنيف العزل وزيادة درجة الحرارة. نتائج الفئة F مع 100 K والفئة H مع 125 K هي منتجان مختلفان بينما يمتلكان نفس kVA. تأكد من وجود كل من الفئة ومستوى زيادة درجة الحرارة، وتأكد من ظروف درجة حرارة البيئة.
• ظروف التبريد ووجود المراوح. يتم تضمين AN و AF أو ANAF، بالإضافة إلى مستوى الضوضاء لجهاز يقع بالقرب من المنطقة المأهولة.
• تصنيف IP للحاوية وتأثيره على التصنيف المستمر في مرافق الموقع.
• الخسائر وتصنيف الكفاءة. تشكل خسائر عدم التحميل وخسائر الحمل تكلفة التشغيل طوال فترة تشغيله. وهي تخضع أيضًا للوائح في بعض البلدان، كما أن GB/T 10228-2023 يوفر تعريفات لفئات الكفاءة في الصين، بينما تتحكم لوائح ErP Tier 2 في جودة المنتج في السوق الأوروبية.
• متطلبات الشهادة. IEC 60076-11 هو معيار مقبول دوليًا و UL 1562 هو معيار للمحولات الجافة العامة ومحولات الطاقة المستخدمة في أمريكا الشمالية.

كلمة مهمة واحدة عن السعر: المحولات الجافة عادة ما تكون أكثر تكلفة من المحولات الزيتية من نفس النوع والسبب في ذلك. لا يُعزى إلى أداء أفضل لهذه الوحدات ولكن سعرها هو لأنها لا تستخدم الزيت. عمومًا، هي أرخص بكثير طوال فترة التركيب وأكثر تكلفة في المرحلة الأولية.

الأسئلة المتكررة

هل المحولات الجافة مليئة بالزيت؟

لا. لا توجد وسائط سائلة في المحولات من النوع الجاف لأغراض التبريد أو العزل. بدلاً من ذلك، تعتمد المحولات من النوع الجاف على الهواء للتبريد إما من خلال التبريد الطبيعي كما في المحولات من النوع AN أو الاصطناعي كما في المحولات من النوع AF. كما أنها تستخدم مواد عزل صلبة مثل عزل راتنج الإيبوكسي المصبوب أو لفات مشبعة بالراتنج. يتعامل معيار IEC 60076-11 مع المحولات من النوع الجاف، والذي ينطبق على المحولات ذات تصنيف القدرة 2500 kVA وتصنيف الجهد 36 kV.

لماذا تحتوي المحولات الجافة على حدود ارتفاع درجة حرارة أقل من المحولات المغمورة بالزيت؟

يُعرف الهواء بأنه موصل ضعيف جداً للحرارة مقارنةً بالزيت. مع كون الموصلية الحرارية 0.026 واط/م·ك للهواء مقابل حوالي 0.12 واط/م·ك لزيت العزل، فإن المحول الجاف غير قادر على التخلص من الحرارة الزائدة من الملفات بسرعة. من أجل أن تظل العزل جيدة بما يكفي خلال فترة الاستخدام التي تبلغ 30 عامًا، من الضروري ألا ترتفع درجة حرارة الملفات بشكل حاد—60 ك في حالة عزل الفئة A و150 ك من عزل الفئة C، والتي تم تحديدها في IEC 60076-11. مع المحول الزيت، لوحظ أن درجة حرارة الملفات ارتفعت إلى 65 ك بينما ارتفعت درجة حرارة الزيت بمقدار 55 ك.

كيف يبرد المحول الجاف نفسه بدون زيت؟

يحدث نقل الطاقة من خلال ثلاثة أشكال. يمكن أن يحدث النقل من الملف إلى العزل الصلب من خلال التوصيل، ومن الغلاف إلى الهواء المحيط من خلال الحمل، ومن خلال الإشعاع من الغلاف. الحمل الطبيعي (AN) كافٍ تقريبًا لجميع التطبيقات حيث يوجد مساحة كافية لحدوث هذه العملية على بعد حوالي 300 مم من أي جدار أو 150 مم عند استخدام التبريد القسري. لتلبية متطلبات السعة المتزايدة مع الحفاظ على نفس حجم الوحدة الأساسية، يتم تركيب مراوح (AF) أو يتم تركيبها بشرط أن تعمل فقط عند الحاجة (ANAF). من حيث العناية، فإن تغطية الغبار للملفات والقنوات للتبريد ستقلل من كفاءة الأنظمة بنسبة 15-30%.

أيهما أفضل، المحول الجاف أم المحول المغمور بالزيت؟

لا يُفضل أي نوع من المحولات بشكل عام؛ بدلاً من ذلك، يتم تصنيعها لتطبيقات مختلفة. إذا كانت السلامة من الحرائق، والتركيب في الأماكن المغلقة، والقرب من الناس، والسلامة البيئية، والصيانة الصعبة تمنع استخدامها (مثل استخدامها في مراكز البيانات، المستشفيات، المباني العالية، الأنفاق، المحطات البحرية والمدينة)، يجب استخدام المحول الجاف. يجب اختيار المحول المملوء بالزيت إذا كانت التكلفة المنخفضة لكل كيلو فولت أمبير، وتشغيل درجات حرارة عالية، والتركيب في الهواء الطلق في منطقة محاطة، أو سهولة صيانة الزيت مطلوبة، وهو ما يُطلب عادةً للتوزيع الكبير في الهواء الطلق والتوظيف في النقل. أنواع المحولات ليست حصرية؛ في الواقع، من المعتاد أن يستخدم موقع واحد محولات زيتية في المحطات الواردة ومحولات جافة في محطات التوزيع الخاصة به.

المراجع

1. اللجنة الكهروتقنية الدولية - IEC 60076-11، محولات الطاقة الجافة
2. معايير UL والمشاركة — UL 1562، المحولات، التوزيع، النوع الجاف
3. NFPA 70، الكود الكهربائي الوطني - المادة 450، المحولات وخزانات المحولات
4. شنايدر إلكتريك - وثائق تطبيق واختيار المحولات الجافة
5. سيمنز - مواد مرجعية لتكنولوجيا المحولات وطرق التبريد

الخاتمة

المحولات الجافة لها مبادئ بناء مختلفة عن المحولات التقليدية لأنها تعمل بدون زيت كعازل. على الرغم من أن المحولات الجافة تفقد بعض المقاومة الحرارية ولا تستخدم أي سوائل احتراق كمواد عازلة، يمكن تركيب هذه المحولات في مواقع مثل مراكز البيانات، المستشفيات، الأنفاق، والقبو دون الحاجة إلى إدارة الانسكابات، خدمات مكافحة الحرائق، أو مراقبة الزيت. تكمن المشكلة في فهم المحول الجاف في مبدأ التشغيل المشابه لكل من المحولات المملوءة بالزيت والمحولات الجافة ووجود نفس المفردات بينهما. توفر التعليمات المتعلقة بهذا النوع من المحولات المعلومات الكافية حول نظام العزل، ارتفاع درجة الحرارة، وطرق التبريد المختلفة.