معدات التبديل متوسطة الجهد ومنخفضة الجهد في أنظمة توزيع الطاقة للمجسات الصغيرة

تجمع الشبكة المصغرة موارد الطاقة الموزَّعة (DERs) مثل الطاقة الشمسية وأنظمة التخزين والمولدات مع الأحمال، ويجب أن تعمل في حالتين: متصلة بالشبكة الرئيسية أو منعزلة عنها. معدات التحكم والتبديل للشبكة المصغرة تقع في قلب هذه المنظومة. فهي لا تنقل التيار فحسب، بل تحدد مسار تدفق الطاقة، وتحدد ما يجب عزله، وكيف تحافظ الشبكة المصغرة على سلامتها عند تغير الظروف.

١. البنية المعمارية للجهد المتوسط والجهد المنخفض

تنظم الشبكة المصغرة النموذجية توزيع الطاقة عبر طبقتين جهديتين، ولكل منهما معداتها الخاصة للتحكم والتبديل ونظام الحماية الخاص بها.

جانب الجهد المتوسط

يجمع جانب الجهد المتوسط الطاقة من مصادر الطاقة الموزَّعة، ويتصل بشبكة المرافق العامة. وتتضمن معدات التحكم والتبديل للجهد المتوسط عادةً قاطع دخل رئيسي، ومفتاح فصل، ولوحات تغذية منفصلة لكل مصدر توليد. وهذه الطبقة تتعامل مع التيارات القصيرة العالية، وتحتاج إلى حماية قوية ضد انفجارات القوس الكهربائي.

الجانب ذي الجهد المنخفض

يوزِّع الجانب منخفض الجهد الطاقة من الجانب الثانوي للمحولات إلى دوائر المستهلك النهائي والأحمال الأصغر. وتخدم أجهزة التحكم والحماية منخفضة الجهد الدوائر الفرعية باستخدام قواطع ذات غلاف مصبوب وترتيبات أصغر للقضبان الناقلة. ويُحافظ على الفصل بين الجهد المتوسط والجهد المنخفض لجعل مستويات الأعطال قابلة للإدارة، ويسمح ذلك بحماية كل طبقة بشكل مستقل.

٢. القواطع، وأجهزة الفصل، والقضبان الناقلة

تشكّل ثلاثة أجهزة أساسية العمود الفقري لأي تجميع لأجهزة التحكم والحماية، ولكل منها دورٌ محدَّدٌ ولا غنى عنه.

مفكّرات الدوائر

تكتشف القواطع تيارات الأعطال وتقطعها تلقائيًّا. وهي تحمي المعدات الواقعة في الاتجاه السفلي وتمنع انتشار الأعطال عبر النظام. وفي تطبيقات الجهد المتوسط، تُستخدم عادةً قواطع الفراغ أو قواطع غاز السُّكسافلوريد (SF6)، أما في تطبيقات الجهد المنخفض فتسود القواطع ذات الغلاف المصبوب.

أجهزة الفصل والقضبان الناقلة

توفر مفاتيح الفصل فجوة هوائية مرئية لصيانة آمنة، مما يضمن انقطاع التيار الكهربائي عن الدوائر قبل بدء أي عمل. وتقوم القضبان الناقلة (الباص بارز) بتوصيل جميع المكونات معًا، لتوفير عقدة كهربائية مشتركة لمصادر وأحمال متعددة. وفي أجهزة التوزيع متوسطة الجهد، تُستخدم مفتاح الهواء أو القاطع القابل للسحب كمفتاح فصل رئيسي؛ أما في أجهزة التوزيع منخفضة الجهد، فيؤدي القاطع المغلف عادةً هذه المهمة.

لكل جهاز وظيفة محددة بوضوح، ولا يمكن تخطي أيٍّ منها دون إضعاف السلامة العامة للتركيب.

٣. عزل العطل والحماية المتدرجة

عند حدوث عطل، يجب أن يعزل نظام الحماية أقل منطقة متأثرة ممكنة مع الاستمرار في تشغيل باقي الشبكة المصغَّرة.

التنسيق والانتقائية

يجب أن ينفتح القاطع الأقرب إلى مكان العطل أولًا. وتنتظر الريلايات الاحتياطية الواقعة خلفه لفترة قصيرة ثم تنفتح فقط إذا فشلت حماية المستوى الأول. وتُعرف هذه المبدأ باسم التنسيق أو الانتقائية، وهو ما يضمن ألا يؤدي عطل واحد إلى انقطاع واسع النطاق.

تحدي الوضع المزدوج

في الشبكة المصغرة، تزداد التحديات لأن تيار العطل في الوضع المعزول قد يكون أقل بكثير مما هو عليه في الوضع المتصل بالشبكة. ويجب أن تعمل إعدادات الحماية بشكل موثوق في كلا الحالتين. ويمكن للمرحلات الرقمية الحديثة ذات الإعدادات التكيفية أن تتحول بين ملفات حماية مختلفة استنادًا إلى وضع التشغيل، مما يضمن انتقائية متسقة بغض النظر عما إذا كانت الشبكة المصغرة متصلة بالشبكة العامة أم تعمل بشكل مستقل.

٤. الانتقال بين الوضع المتصل بالشبكة والوضع المعزول

النقطة التي تلتقي فيها الشبكة المصغرة مع شبكة المرافق هي العقدة الأهم في النظام بأكمله.

معدات التبديل للربط

توجد معدات التبديل للربط عند نقطة الاتصال المشتركة. وعند حدوث عطل في شبكة المرافق، يجب على هذه المعدات عزل الشبكة المصغرة بسرعة مع الاستمرار في تغذية الأحمال المحلية. أما أثناء حدث العزل المخطط له، فإنها تفتح في اللحظة الدقيقة المحددة وتُرسل إشارةً إلى وحدات تحكم مصادر الطاقة الموزَّعة لتعديل إنتاجها.

التبديل السريع والاتصال

المقاطع السريعة التصرف، المُدمجة مع المنطق القائم على الاتصال، تساعد في تجنّب انقطاعات التيار غير الضرورية وتحمي كلا طرفي عملية الانتقال. وعند حدوث العزل الذاتي (Islanding)، يجب أن تغيّر محولات مصادر الطاقة الموزَّعة (DER) سلوكها من مصدر تيار إلى مصدر جهد للحفاظ على استقرار التردد والجهد. وتتولى أجهزة التبديل ووحدات التحكم المرتبطة بها تنسيق هذه العملية الانتقالية.

٥. الواجهات مع المحولات والمحولات العكسية وأنظمة التحكم

لا تعمل أجهزة التبديل بشكل منعزل؛ بل هي مدمجة تكاملًا عميقًا مع نظام الشبكة المصغرة الأوسع.

الاتصالات بالمحولات والمحولات العكسية

ترتبط أجهزة التبديل بالمحولات الصاعدة والنازلة التي تربط بين مستويي الجهد المتوسط والمتوسط المنخفض، وبدوائر الخرج للمحولات العكسية التي تحوّل التيار المستمر القادم من الألواح الشمسية أو البطاريات إلى تيار متناوب. ويُعد التنسيق السليم بين مواصفات أجهزة التبديل وقدرات المحولات والمحولات العكسية أمرًا أساسيًّا لتشغيلٍ موثوق.

بروتوكولات الاتصال

تتبادل القواطع الحديثة ومرحلات الحماية البيانات عبر بروتوكولات مثل مودبوس أو آي إي سي ٦١٨٥٠، ما يمكّن وحدة التحكم في الشبكة المصغرة من رصد حالة المفاتيح وإصدار الأوامر عن بُعد. وبغياب هذه الروابط الاتصالية، يصبح العزل المنسق واستعادة التشغيل بعد الانقطاع الكامل مستحيلاً.

٦. العناصر الأساسية في الاختيار

يتطلب اختيار معدات التحكم في الدوائر الكهربائية دقةً بالغة في تقييم ثلاث درجات حرجة.

الجهد المُصنَّف

يجب أن تتطابق الجهد المُصنَّف مع مستوى النظام. ففي التطبيقات متوسطة الجهد، تشمل الدرجات الشائعة ١١ كيلوفولت و٢٢ كيلوفولت و٣٣ كيلوفولت. أما في التطبيقات منخفضة الجهد، فإن الدرجة القياسية تكون عادةً ٣٨٠/٢٢٠ فولت. ويضمن اختيار الفئة الجهدية الصحيحة سلامة العزل والموثوقية على المدى الطويل.

تحمل الدائرة القصيرة

يجب أن تفوق درجة تحمل التيار القصير أقصى تيار عطل متاح عند نقطة التركيب. ففي وضع الاتصال بالشبكة الرئيسية، يمكن أن ترفع مساهمة شركة التوزيع تيارات العطل إلى مستويات عالية جداً؛ أما في وضع العزل، فإن المصادر القائمة على المحولات العكسية تساهم بنسبة أقل، لكنها تتطلب مع ذلك قدرة كافية على التحمل.

حماية العلبة

تعتمد حماية الغلاف على بيئة التركيب. فعادةً ما تتطلب أجهزة التوزيع الداخلية في الغرف النظيفة درجة حماية IP30، بينما تتطلب التركيبات الخارجية أو في البيئات القاسية درجة IP54 أو أعلى. كما يجب الانتباه أيضاً إلى تصنيف مقاومة القوس الكهربائي الداخلي ونوع العزل لضمان سلامة الأفراد وتحديد الحيز المطلوب للمعدات.

تشمل الاعتبارات الإضافية لتطبيقات الشبكات المصغرة درجة الحرارة المحيطة والرطوبة والتعرّض لرشّ الملح، إضافةً إلى منحنيات التخفيض المحددة المطلوبة عند الارتفاعات العالية. وتؤثر العوامل البيئية مباشرةً في اختيار المواد وفي فترات الصيانة.

7. حالات الاستخدام

٨. الأسئلة الشائعة

السؤال ١: ما هو معدات التبديل للميكروجرد ولماذا تكتسب أهمية؟

معدات التبديل للميكروجرد هي المعدات المركزية لتوزيع الطاقة وحمايتها، وهي التي تُنظِّم تدفق الطاقة بين مصادر الطاقة الموزَّعة والأحمال والشبكة العامة. وهي تضمن التشغيل الآمن في كلٍّ من الوضع المتصل بالشبكة والوضع المعزول، وتوفر عزل الأعطال، وتتيح الانتقال السلس بين حالات التشغيل المختلفة.

السؤال ٢: ما الفرق بين معدات التبديل للجهد المتوسط والجهد المنخفض في ميكروجرد؟

تعمل معدات التبديل للجهد المتوسط عند مستويات الجهد المتوسط (عادةً من ١١ كيلوفولت إلى ٣٣ كيلوفولت) وتتولى جمع الطاقة من مصادر الطاقة الموزَّعة والتوصيل بالشبكة العامة. أما معدات التبديل للجهد المنخفض فتعمل عند جهود أقل (٣٨٠/٢٢٠ فولت) وتوزِّع الطاقة على الأحمال النهائية. ويتم فصل هذين المستويين بواسطة محولات، ويتم حمايتهما بشكل مستقل.

السؤال ٣: كيف تعمل تنسيق الحماية في ميكروجرد؟

يتم تنسيق الحماية وفقًا لمبدأ الانتقائية: حيث ينفصل القاطع الأقرب إلى العطل أولًا، بينما توفر أجهزة التحكم الاحتياطية احتياطيًّا. وفي الميكروشبكات، تلزم إعدادات حماية تكيفية لأن تيارات العطل تختلف اختلافًا كبيرًا بين وضع التشغيل المتصل بالشبكة والوضع المعزول.

السؤال الرابع: ما بروتوكولات الاتصال المستخدمة في معدات التبديل الحديثة للميكروشبكات؟

ومن البروتوكولات الشائعة: مودبوس آر تي يو/تي سي بي، وآي إي سي ٦١٨٥٠ (غووس وممس)، ودِن بي ٣.٠. وهذه البروتوكولات تُمكّن من رصد الحالة في الزمن الحقيقي، وإصدار أوامر التبديل عن بُعد، وتنسيق منطق الحماية بين معدات التبديل ووحدة تحكم الميكروشبكة.

السؤال الخامس: ما العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار معدات التبديل لمشروع ميكروشبكة؟

ومن أبرز هذه العوامل: مطابقة الجهد المقنن لمستوى النظام، وقدرة التحمل أمام حدوث قصر كهربائي تفوق تيار القصر المتاح، وتصنيف درجة الحماية من الغبار والرطوبة (آي بي) بما يتناسب مع بيئة التركيب، وتصنيف مقاومة القوس الكهربائي الداخلي من حيث السلامة، وقدرة الاتصال اللازمة للتكامل مع وحدة تحكم الميكروشبكة.