المكثفات: معدات أساسية تُمكّن التشغيل الفعال لشبكات الطاقة الإقليمية - الوظائف والحلول والتطبيقات

في ظل بناء أنظمة الطاقة الحديثة، أصبحت المكثفات ، بفضل قدرتها المرنة على تنظيم القدرة التفاعلية، دعامة أساسية لشبكات الطاقة الإقليمية لتحسين هيكلها، وتحسين كفاءة النقل، وضمان استقرارها. وسواءً كان ذلك لتجاوز حدود سعة نقل الطاقة لمسافات طويلة أو لضمان استقرار الجهد للمستخدمين النهائيين، فإن جودة تطبيقها تُحدد بشكل مباشر الأداء التشغيلي لشبكات الطاقة. تُحلل هذه المقالة قيمتها في تمكين شبكات الطاقة الإقليمية من أربعة أبعاد: "التآزر بين المكثفات وأجهزة التعويض التسلسلي"، و"الوظائف الأساسية الثلاث"، و"الحماية الشاملة"، و"الحلول المُخصصة".

I. المكثفات: جوهر أجهزة تعويض المكثفات المتسلسلة، إعادة تشكيل سعة

تُعدّ أجهزة تعويض المكثفات المتسلسلة الحل الأمثل لمعالجة "قلة سعة النقل وارتفاع الخسائر" في شبكات الطاقة. وبصفتها النواة الوظيفية، تُحدد مجموعات المكثفات تأثير التعويض مباشرةً من خلال دقة معاملاتها واستقرارها.

1. تركيب أجهزة تعويض المكثفات المتسلسلة: متمركزة على مجموعات

تم بناء الجهاز حول بنوك المكثفات مع ثلاث وحدات رئيسية:

• الوحدة الأساسية: بنوك المكثفات عالية الجهد : قيم المفاعلة المخصصة (على سبيل المثال، 20-30Ω المستخدمة عادة لخطوط 500 كيلو فولت) بناءً على مستويات جهد الخط (110 كيلو فولت / 220 كيلو فولت / 500 كيلو فولت) ومتطلبات النقل، والتي تعمل كمكون رئيسي لـ "تعويض المفاعلة الحثية للخط"؛
• وحدة الحماية: MOV + فجوة الشرارة : يتم توصيل المقاومات المتغيرة من أكسيد المعدن (MOV) بالتوازي لامتصاص الجهد الزائد، بينما تعمل فجوات الشرارة كنسخ احتياطية لضمان سلامة المكثف في ظل ظروف التشغيل القاسية؛
• وحدة المراقبة: أجهزة الاستشعار + نظام PLC : جمع البيانات الحالية والجهد ودرجة الحرارة في الوقت الحقيقي لتمكين مراقبة التشغيل والإنذارات غير الطبيعية.

مبدأ العمل: تُوصَل مجموعات المكثفات على التوالي بخطوط النقل. وباستغلال خصائص مفاعلتها السعوية لمعادلة المفاعلة الحثية للخطوط، تُخفَّض المعاوقة الكلية. لنأخذ خطًا كهربائيًا بطول 200 كيلومتر وجهد 500 كيلو فولت كمثال، وبعد تهيئة مجموعات المكثفات المناسبة، يُمكن زيادة سعة النقل عند حد الاستقرار الساكن بنسبة 15%-40% ، مما يُخفف من مشكلة تقليص استخدام طاقة الرياح والطاقة الشمسية في قواعد الطاقة الجديدة.

2. التطبيقات المختلفة لمكثفات

بناءً على تقلبات الحمل ومعدلات اختراق الطاقة الجديدة، يتم تقسيم أجهزة التعويض إلى نوعين، مع تكوينات مختلفة من بنوك المكثفات:

• النوع الثابت (FSC): مجموعات مكثفات ذات مفاعلة ثابتة : مناسبة لشبكات الطاقة المستقرة ذات تقلبات الحمل اليومية < 10% (مثل خطوط الكهرباء في الضواحي والخطوط الزراعية). لا يتطلب تعديلًا ديناميكيًا، ويتميز بتكلفة منخفضة وسهولة في التشغيل.
• النوع القابل للتحكم (TCSC): مجموعات مكثفات ذات مفاعلة قابلة للتعديل : تعديل ديناميكي للمفاعلة (من 0 إلى 120% من المفاعلة المُصنّفة) عبر الثايرستور، مع استجابة سريعة للتغيرات المفاجئة في الحمل أو تقلبات الطاقة الجديدة. هذا يُخفّف الرنين دون المتزامن ويمنع تجاوز الجهد للحدود.

ثانيًا: ثلاث وظائف أساسية للمكثفات: ضمان تشغيل

في سلسلة "النقل والتوزيع والاستهلاك" الكاملة لشبكات الطاقة، تعمل المكثفات كـ "مُحسِّنات للكفاءة" و"مُثبِّتات للجهد" و"مُوفِّرات للطاقة".

1. تعزيز استقرار ناقل الحركة، وتجاوز حدود

عادةً ما تُسبب مسافات النقل الطويلة "انخفاضًا في حدود الطاقة واختلافات متزايدة في زاوية الطور". يُمكن لمجموعات المكثفات المتسلسلة أن:

تعويض 30% -50% من المفاعلة الحثية للخط، مما يقلل من المعاوقة المكافئة (على سبيل المثال، زيادة حد نقل خطوط 220 كيلو فولت من 1200 ميجاوات إلى أكثر من 1500 ميجاوات)؛

• تضييق فرق زاوية الطور (من 30 درجة إلى 20 درجة)، مما يحسن القدرة على مكافحة الاضطرابات.
• حالة شبكة كهرباء جيبي : تم تركيب أجهزة تعويض متتالية بنسبة تعويض تتراوح بين 40% و50% على قنوات نقل الطاقة الجديدة بجهد 500 كيلو فولت. وزادت بنوك المكثفات سعة نقل طاقة الرياح من غرب منغوليا الداخلية بنسبة 30%، مما أضاف 1.2 مليار كيلوواط/ساعة إلى الاستهلاك السنوي لطاقة الرياح.

2. تحسين جودة الجهد، وضمان توفير

غالبًا ما يواجه المستخدمون النهائيون (المجمعات الصناعية والقرى) مشاكل في الجهد الكهربائي بسبب الخسائر العالية والأحمال الحثية المركزة. تُعالج مجموعات مكثفات التحويل هذه المشكلة من خلال "تنظيم القدرة التفاعلية":

فترة ذروة الحمل: تحرير القدرة التفاعلية السعوية للحفاظ على الجهد ضمن نطاق ±7% المحدد في GB 12325-2008 ( جودة الطاقة - انحراف جهد الإمداد )؛

فترة خارج أوقات الذروة: امتصاص الطاقة التفاعلية الزائدة لمنع الجهد من تجاوز 105% من القيمة المقدرة، مما قد يؤدي إلى تلف المعدات.

• اختبار ميداني في منطقة صناعية: بعد تكوين مجموعات مكثفات تحويلة بقدرة 1000 كيلو فولت على خطوط 10 كيلو فولت، تم تقليل تقلب الجهد من ±12% إلى ±5%، وانخفض معدل فشل المحركات بنسبة 40%، وتم تقليل الخسارة السنوية في الإنتاج الناجمة عن مشاكل الجهد بمقدار 5 ملايين يوان.

3. تقليل خسائر الخطوط، وتحسين كفاءة

يتناسب فقدان النحاس في خطوط النقل طرديًا مع مربع التيار. تُخفّض مجموعات المكثفات إجمالي تيار الخط (بما في ذلك التيار النشط والتيار التفاعلي) عن طريق تعويض الطاقة التفاعلية. لنأخذ خطًا بجهد 220 كيلو فولت، بحجم نقل سنوي يبلغ مليار كيلوواط/ساعة، كمثال:

بدون بنوك المكثفات: معامل القدرة هو حوالي 0.85، مع خسارة سنوية قدرها 10 مليون كيلوواط ساعة؛

• مع بنوك المكثفات: ارتفع معامل القدرة إلى 0.95، مما قلل الخسائر بنسبة 18% (بخسارة سنوية تصل إلى 8.2 مليون كيلوواط/ساعة). وهذا يعادل توفير 600 طن من الفحم القياسي وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 12,000 طن سنويًا، مما يحقق فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة.

ثالثًا: آلية حماية شاملة للمكثفات: ضمان موثوقية

في بيئات شبكات الجهد والتيار العاليين، تواجه مجموعات المكثفات مخاطر مثل ارتفاع الجهد (مثل الصواعق، أو قصر الدائرة)، والحمل الزائد (مثل الزيادة المفاجئة في الطلب التفاعلي)، واختلال توازن السعة (مثل تقادم أو تلف المكثفات الفردية). يُعدّ نظام حماية متكامل الأبعاد ومخصص أمرًا ضروريًا لمنع تلف المكثفات وتعطل الشبكة.

1. حماية من الجهد الزائد: دفاع

المكثفات حساسة للغاية للجهد الزائد (الذي يتجاوز 1.1 ضعف الجهد المقنن)، مما قد يؤدي إلى تلف العزل وتوهين السعة بشكل دائم. يتطلب الأمر نظام حماية أساسي + احتياطي:

الحماية الأولية: MOV : موصولة على التوازي مع مجموعات المكثفات. عند حدوث ارتفاعات مفاجئة في الجهد نتيجةً لأعطال (مثل: قصر الدائرة، أو صواعق)، يمتص MOV طاقة الجهد الزائد باستخدام خصائصه غير الخطية للفولت-أمبير، مما يحد من جهد طرف المكثف إلى ما يقارب 1.2 ضعف القيمة الاسمية.

حماية النسخ الاحتياطي: فجوة الشرارة : إذا فشل MOV بسبب الشيخوخة أو التحميل الزائد، فإن فجوة الشرارة تنتقل في مللي ثانية لتجاوز مجموعة المكثفات، وتجنب تأثير الجهد الزائد المستمر.

حالة محطة فرعية بجهد ٥٠٠ كيلو فولت: تسببت صاعقة برق في ارتفاع الجهد إلى ضعفين ونصف من القيمة الاسمية. ساهم التنسيق بين MOV وفجوة الشرارة في ضبط جهد المكثف إلى ما يقارب ١.١٥ ضعف من القيمة الاسمية، مما أدى إلى عدم حدوث أي تلف في المعدات.

2. الحماية

حماية من الحمل الزائد : تراقب محولات التيار تيار مجموعة المكثفات لحظيًا. يُطلق إنذار إذا تجاوز التيار 1.3 مرة من القيمة المُصنّفة لأكثر من دقيقة واحدة؛ وإذا ارتفع إلى 1.5 مرة من القيمة المُصنّفة، تُرسل إشارة فصل لقطع التيار ومنع تلف الحرارة الزائدة.

حماية من اختلال التوازن : تُراقب فروق الجهد بين فروع المكثفات. إذا تجاوز فرق الجهد بين أي فرعين 5%، يُفصل الفرع المعطل فورًا لمنع تمدد العطل (الناجم عن تقادم أو عطل داخلي في كل مكثف على حدة).

رابعًا: حلول المكثفات المُخصصة: خدمات

مصممة خصيصًا لخصائص الشبكة، نحن نقدم حلولاً لدورة حياة كاملة تركز على بنوك المكثفات ، وتغطي "التصميم، واختيار المعدات، والتركيب والتشغيل، والتشغيل والصيانة".

مصممة خصيصًا لخصائص الشبكة، نحن نقدم حلولاً لدورة حياة كاملة تركز على بنوك المكثفات ، وتغطي "التصميم، واختيار المعدات، والتركيب والتشغيل، والتشغيل والصيانة".

1. تصميم

بعد إجراء المسوحات في الموقع، يقوم مهندسونا بتكوين بنوك المكثفات بدقة:

• تحديد المعلمات المقدرة (على سبيل المثال، مكثفات 121 كيلو فولت لخطوط 110 كيلو فولت)؛
• اختيار أنواع المكثفات على أساس البيئة (مكثفات الفيلم المعدني للمناطق الساحلية، ومكثفات السيراميك عالية الجهد للمناطق المرتفعة)؛
• أجهزة تعويض المطابقة (FSC للشبكات المستقرة، و TCSC للشبكات ذات التقلبات العالية).​

2. خدمات

• المرحلة المبكرة : محاكاة PSCAD/EMTDC لتحسين المعلمات؛
• المرحلة المتوسطة : التثبيت بواسطة فرق ذات خبرة تزيد عن 10 سنوات وفقًا لمعيار GB 50227-2017 ( رمز تصميم تركيبات مكثفات التحويلة )، بالإضافة إلى التدريب على التشغيل والصيانة؛
• المرحلة اللاحقة : المراقبة في الوقت الفعلي عبر منصات السحابة والفحوصات ربع السنوية في الموقع لتمديد عمر الخدمة إلى أكثر من 15 عامًا.

الاستنتاج: المكثفات - الدعم الأساسي لشبكات

مع نمو تكامل الطاقة الجديدة والأحمال الجديدة، سيستمر الطلب على "تنظيم مرن للطاقة التفاعلية" في شبكات الكهرباء في الارتفاع، وستجد المكثفات تطبيقات أوسع. سنواصل تحسين أداء المكثفات وتوفير حلول ذكية تجمع بين التوائم الرقمية والذكاء الاصطناعي، لدعم بناء شبكات كهرباء "آمنة وفعالة ومنخفضة الكربون". إذا كانت لديكم احتياجات لتكوين المكثفات أو تحسين الطاقة التفاعلية، يُرجى التواصل معنا للحصول على حلول مخصصة!