مراكز التحويل post transformers أو محطات التحويل الكهربائية transformer substations، هي منشآت خاصة تشكل جزءاً من نظم القدرة الكهربائية، يتم فيها تغيير التوتر الكهربائي؛ زيادة أو نقصاناً بهدف نقل الاستطاعة الكهربائية بين محطات التوليد الكهربائية التي تعد مصادر الطاقة الكهربائية وبين المستفيدين الذين يمثلون المستهلكين المختلفين للطاقة الكهربائية.
يتم في مراكز التحويل والمحطات الكهربائية استقبال الطاقة الكهربائية من مصادر التوليد power stations عند توتر كهربائي نظامي nominal voltage، ومن ثم رفع هذا التوتر، أو خفضه، ثم إرسال الطاقة الكهربائية بوساطة الخطوط الكهربائية electrical lines نحو مراكز الاستهلاك consumption centers المختلفة.
وتتألف نظم القدرة الكهربائية في منطقة ما أو دولة ما؛ من محطات التوليد الكهربائية، ومحطات التحويل الرافعة للجهد، ومن خطوط نقل القدرة الكهربائية بالتوتر العالي، ومن محطات التحويل الخافضة للجهد، ومن خطوط توزيع الطاقة الكهربائية بالتوتر المتوسط ثم من مراكز التحويل الكهربائية التي تخفض التوتر في شبكات التوزيع ليصبح ملائماً لاحتياجات المستهلكين الصناعيين والتجاريين والسكان الذين يستقبلون بذلك الطاقة الكهربائية المرسلة من محطات التوليد الكهربائية.
وتعدّ محطات التحويل الكهربائية وكذلك مراكز التحويل منشآت كهربائية خاصة، تستخدم فيها تجهيزات كهربائية تعمل بالتوترات العالية والتوترات المتوسطة، مثل القاطعات الكهربائية الآلية واليدوية، والمحولات الكهربائية والمفرغات وتجهيزات الحماية من الصواعق ومحولات القياس، وتجهيزات المراقبة والحماية مثل الحاكمات ومنظمات التوتر، ومبدلات التوتر وأجهزة قياس التوتر والتيار والتردد والطاقة الكهربائية. وذلك لمراقبة عمل محطات التحويل نظامياً وضمن حدود الأمان والاستمرارية في تغذية المستفيدين بالطاقة الكهربائية.
لمحة تاريخية
بدأت مراكز التحويل الكهربائية ومحطاته بالتطور منذ بداية استخدام الطاقة الكهربائية، ومنذ اكتشاف ظاهرة التحريض الكهرطيسي وتصنيع أول محولة كهربائية عام 1898 من قبل العالم دوبروفولسكي Dobrovolsky. ومع تطور العلوم الهندسية الكهربائية تطورت مراكز التحويل ومحطات التحويل الكهربائية، كذلك تطورت مختلف الأجهزة الكهربائية التي تستخدم في مراكز التحويل الكهربائية ومحطاته من محولات وقاطعات ومعدات حماية ومراقبة وقياس. وكانت مراكز التحويل ومحطاته تنشأ على مساحة كبيرة من الأرض، ومع تقدم الصناعات الكهربائية بدأت أبعاد التجهيزات الكهربائية المختلفة بالصغر، وتناقص حجمها ومن ثم تناقص حجم مراكز التحويل ومحطاته؛ الأمر الذي انعكس إيجابياً كذلك على الناحية الاقتصادية من حيث كلفة المحطات الكهربائية وأثمان الأراضي التي ستبنى عليها ومن حيث سهولة إنشائها.
تصنيف محطات التحويل ومراكزه
يمكن أن تصنف محطات التحويل ومراكزه وفقاً لعدد من المعطيات الهندسية والوظيفية على النحو الآتي:
1ـ وفقاً لنوع البناء الذي تركب فيه المحطات:
) محطة تحويل من النوع الخارجي
- محطات تحويل داخلية indoor substations: ويتم تركيب جميع تجهيزاتها التي تعمل على التوتر العالي وعلى التوتر المتوسط عدا المحولات، ضمن بناء يصمم خصوصاً لهذا الأمر.
- محطات تحويل خارجية outdoor substations: ويتم تركيب تجهيزات التوتر العالي في مساحة خارجية، أما تجهيزات التوتر المتوسط فتركب داخل بناء خاص.
2ـ وفقاً للتوتر الكهربائي في نظام القدرة الكهربائي الذي تعمل به المحطة:
- محطات تحويل للربط الكهربائي interconnection substations: ويكون توترها n230/400kV أو n66/230/400kV.
- محطات تحويل للتوزيع الكهربائي :distribution substations ويكون توترها n66/20kV أو n230/66/20kV أو n66/11kV.
3ـ وفقاً لطريقة تحويل التوتر في المحطة:
- محطات تحويل رافعة للجهد أو التوتر up rising: وهذه يمكن أن تنشأ قرب محطات التوليد الكهربائية الحرارية والمائية والنووية، وتقوم برفع الجهد من قيمة صغيرة مساوية للتوتر الذي تعطيه مولدات محطات التوليد إلى قيمة كبيرة أو كبيرة جداً ومساوية للتوتر الذي تعمل عليه الشبكة الكهربائية التي تغذيها محطة التوليد.
- محطات تحويل خافضة للجهد (التوتر) down rising: تنشأ قرب مراكز الاستهلاك في المدن والمعامل والمنشآت الصناعية، وتقوم بخفض التوتر من قيمة كبيرة أو كبيرة جداً ـوهو التوتر المستخدم في شبكات نقل الطاقة الكهربائية وتوزيعهاـ إلى قيمة صغيرة مساوية للتوتر المتوسط الذي تعمل عليه الشبكة الكهربائية التي تغذي المستهلكين الصناعيين أو المنزليين.
) محطة تحويل رافعة للجهد
محطة تحويل خافضة للجهد
وتقوم مراكز التحويل بخفض قيمة التوتر المتوسط الذي يصل إليها من محطات التحويل إلى توتر منخفض، وهو التوتر الذي يصل عبر شبكات التغذية الكهربائية المختلفة إلى جميع المستهلكين بمختلف أنواعهم؛ صناعيين أو تجاريين أو منزليين.
إن بنية مراكز التحويل الكهربائية وأبعادها هي أبسط كثيراً من بنية محطات التحويل الكهربائية وأبعادها، ولا تتضمن تجهيزات متنوعة ومعقدة كما في حالة محطات التحويل.
ويمكن أن تصنف مراكز التحويل الكهربائية من حيث بنيتها كما يلي:
مركز تحويل م النوع الخارجي
- مراكز تحويل داخلية indoor post transformers: وتركب جميع تجهيزات مراكز التحويل في هذه الحالة ضمن بناء خاص بها.
- مراكز تحويل خارجية outdoor post transformers: وتركب جميع تجهيزات مراكز التحويل في هذه الحالة على أبراج معدنية وفي الهواء مباشرةً
وتوزع هذه المراكز في كافة أنحاء المدن والمناطق الصناعية على نحو يوفر سهولة التغذية بالطاقة الكهربائية لجميع المستهلكين وعلى نحو مستمر وموثوق.
وتقسم محطات التحويل إلى عدة أجزاء، وذلك استناداً إلى التوترات الكهربائية التي تعمل بها كما يأتي:
- محطات التحويل الكهربائية:
- قسم التوتر العالي n66kV-230kV-400kV.
- قسم التوتر المتوسط n6kV-11kV-20kV.
- قسم التوتر المنخفض n400V.
- قسم المراقبة والتحكم والحماية والقيادة.
- مراكز التحويل الكهربائية:
- قسم التوتر المتوسط n6kV-11kV-20kV.
- قسم التوترالمنخفض n400V.
تصل الطاقة الكهربائية إلى محطات التحويل عبر الخطوط الكهربائية الهوائية أو الكابلات الأرضية، ويتم فيها رفع التوتر أو خفضه بوساطة المحولات الكهربائيةpower transformers. ثم ترسل الطاقة الكهربائية باتجاه المستهلكين المختلفين عبر خطوط كهربائية هوائية أو كابلات أرضية ground cables.
تقسم محطات التحويل إلى عدد من الأجزاء، تسمى كل منها حجيرة bay، ويخصص لكل عنصر من عناصر نقل الطاقة وتحويلها في المحطة حجيرة خاصة، فنجد في المحطة ولكل من التوترات العالية والمتوسطة الحجيرات الآتية:
- حجيرة وصول incoming bay: وفيها تدخل الخطوط الكهربائية إلى المحطة.
- حجيرة المحولة transformer bay: وفيها يتم تحويل التوتر والتيار من الشبكة.
- حجيرة خروج outgoing bay: ومنها تخرج الخطوط الكهربائية من المحطة.
- حجيرة الربط coupling bay: وفيها يتم ربط مختلف حجيرات المحطة مع بعضها أو فصلها عن بعضها.
- حجيرة القياس measurement bay: وعن طريقها يتم قياس التوتر والتيار والتردد والطاقة الكهربائية الواردة والصادرة من كل خلية ومن كامل المحطة.
وتتضمن كل حجيرة ـ وذلك حسب استعمالهاـ تجهيزات كهربائية تستخدم لتوفير عمليات الوصل والفصل واستقبال الطاقة وتحمل التيار والتوتر الذي يمر عبر المحطة. ومن أهم هذه التجهيزات القاطعات الكهربائية الآلية والقاطعات اليدوية أو قاطعات السكين، والمحولات الكهربائية ومحولات القياس ومانعات الصواعق وتتم حماية تجهيزات المحطة ومراقبتها من أجل توفير التشغيل الآمن والنظامي والمستمر للمحطة بوساطة معدات خاصة تسمى أنظمة الحماية وأنظمة المراقبة والتحكم.
التطبيقات المستقبلية
من المتوقع أن يؤدي التطور الكبير في صناعة التجهيزات والمعدات الكهربائية في محطات التحويل الكهربائية ومراكزه إلى تغيير سريع في شكل محطات التحويل الكهربائية وحجمها وزيادة الوثوقية في تشغيل هذه المحطات واستثمارها، وانخفاض تكاليفها؛ ومن ثم أن ينعكس إيجابياً على تكلفة إنتاج الطاقة الكهربائية.
إن آخر التطورات في صناعة محطات التحويل هو استخدام الغاز العازل ـ سادس فلورور الكبريت SF6 ـ في عزل التجهيزات الكهربائية المركبة في المحطات مثل القواطع الآلية والمحولات والقواطع اليدوية ومحولات القياس؛ الأمر الذي يؤدي إلى تصغير أبعاد هذه التجهيزات ومن ثم أبعاد محطة التحويل إلى أكثر من النصف. وتسمى مثل هذه المحطات «المحطات المحجوبة» gas insulated substations.
لقد دخلت الحواسيب والمعدات الرقمية على نحو كبير في بنية محطات التحويل، خاصة في مجال المراقبة والتحكم وحماية أجهزة التوتر العالي المستخدمة فيها؛ مما أدى إلى تأمين استمرارية في التغذية الكهربائية ووثوقية أعلى في التشغيل.
سـميح الجابي
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث