کدام تابلوهای قدرت متوسط (MV) برای پروژه‌های توزیع برق با ولتاژ متوسط مناسب هستند؟

نقش اصلی تجهیزات سوئیچینگ متوسط ولتاژ در حفاظت سیستم و ادامه عملیات

تجهیزات فشار متوسط در سیستم‌های توزیع برق به عنوان ستون فقرات عمل می‌کنند و وظایفی مانند جداسازی الکتریکی، قطع اتصال‌های کوتاه و مدیریت بار را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها از زیرساخت‌های حیاتی در برابر اتصال‌های کوتاه خطرناک و مدارهای بیش از حد بار حفاظت می‌کنند و اطمینان حاصل می‌کنند که عملیات بدون وقفه ادامه یابد، حتی در مکان‌هایی مانند بیمارستان‌ها، مراکز داده و کارخانه‌های پیشرفته نیمه‌هادی که هیچ وقفه‌ای مجاز نیست. تجهیزات مدرن دارای کلیدهای قدرت پیشرفته و رله‌های حفاظتی هستند که مشکلات را تقریباً بلافاصله تشخیص می‌دهند و آن‌ها را قبل از گسترش در سیستم قطع می‌کنند. شرکت‌های برق که به نسخه‌های دیجیتالی تجهیزات فشار متوسط ارتقا داده‌اند، طبق گزارش سال گذشته مجله Plant Engineering، زمان قطع برق خود را نسبت به مدل‌های قدیمی تا حدود 30٪ کاهش داده‌اند. این نوع بهبود تأثیر قابل توجهی در حفظ تأمین پایدار برق در شبکه دارد.

ادغام در شبکه‌های شهری و صنعتی: مورد شرکت برق توکیو

شهرهای پرجمعیت به تجهیزات قطع و وصل برقی نیاز دارند که فضا را بهینه کنند، تا پست‌های برق بتوانند در فضاهای کوچک جا شوند و در عین حال به ساختمان‌های بلند، سیستم‌های حمل و نقل عمومی و توسعه فناوری شهرهای هوشمند کمک کنند. به عنوان مثال، شرکت برق توکیو (TEPCO) سال گذشته تجهیزات قدیمی خود را با تجهیزات قطع و وصل عایق گازی (GIS) جایگزین کرد. این تغییر منجر به کاهش حدود 60 درصدی فضای اشغال شده توسط هر پست برق شد، در حالی که ولتاژ 22 کیلوولتی را بدون مشکل مدیریت کرد. همچنین در مناطق صنعتی، شرکت‌ها به دلیل نیاز به تأمین برق ماشین‌آلات بزرگ مانند کوره‌های قوسی و کارخانه‌های تولید باتری خودروهای برقی، دستگاه‌های قطع و وصل خود را به صورت ماژولار پیکربندی می‌کنند. کارایی این سیستم‌های انعطاف‌پذیر در کار کنار شبکه انرژی تجدیدپذیر در حال رشد ژاپن بدون ایجاد ناپایداری در کل شبکه برق، آنها را بسیار مفید کرده است.

روند دیجیتالی شدن: نظارت هوشمند و هماهنگی با قابلیت اطمینان شبکه

تجهیزات فشار متوسط مدرن امروزه با سنسورهای متصل به اینترنت و پلتفرم‌های ابری همراه هستند که به طور همزمان نظارت می‌کنند: تخریب عایق، فرسایش تماس‌ها و تجمع گرما. این سیستم‌های نگهداری پیش‌بینی‌کننده تمامی اعداد و ارقام عملیاتی را تحلیل می‌کنند و می‌توانند خاموشی‌های غیرمنتظره را حدود 45 درصد کاهش دهند، مطابق گزارش‌های اخیر صنعتی از سال 2024. با افزایش نگرانی‌ها درباره امنیت شبکه در کنار تمایل به قابلیت‌های نظارت از راه دور، شرکت‌های برق در حال حاضر به تجهیزاتی روی می‌آورند که الزامات شبکه هوشمند را برآورده می‌کنند. به عنوان مثال یک شرکت خدماتی اروپایی، پس از نصب تجهیزات با قابلیت‌های تعادل‌دهی بار زنده، به قابلیت اطمینان 99.98 درصدی سیستم دست یافت. این موضوع به خوبی نشان می‌دهد چقدر عملکرد بهتر می‌شود وقتی که بهره‌برداران این به‌روزرسانی‌های دیجیتالی را بپذیرند و همچنین به مرور زمان عملیات را سبزتر کند.

انواع کلید قدرت MV برای شبکه‌های توزیع اولیه و ثانویه

تجهیزات سوئیچینگ فلزی-پوشش‌دار در مقابل فلزی-محفظه‌ای (ATR): تفاوت‌های عملکردی و کاربردها

تجهیزات سوئیچینگ ولتاژ متوسط فلزی-پوشش‌دار دارای محفظه‌ها و قطعات جداگانه‌ای است که به راحتی قابل باز کردن و تعویض هستند و این امر باعث سریع‌تر و ایمن‌تر شدن تعمیر و نگهداری می‌شود. این نوع سیستم به خوبی در تأسیسات صنعتی که در طول روز دچار استفاده فشرده از تجهیزات می‌شوند، عملکرد خوبی دارد. از سوی دیگر، تجهیزات سوئیچینگ فلزی-محفظه‌ای ATR تمامی قطعات را در یک جعبه ارت شده نگه می‌دارد و فاقد قطعات متحرک است و این امر باعث می‌شود فضای کمتری نسبت به سایر گزینه‌ها اشغال کند. به همین دلیل، بسیاری از پروژه‌های ایستگاه‌های فرعی شهری این گزینه را انتخاب می‌کنند، هرچند محدودیت‌هایی نیز دارد. هنگامی که یک تأسیسات پردازش شیمیایی در تگزاس سال گذشته به واحدهای فلزی-پوشش‌دار تغییر یافت، میزان توقف سالانه آن حدوداً 15 درصد کاهش یافت، مطابق گزارش سال 2023 از نشریه Industrial Energy Journal. ماهیت ماژولار این سیستم‌ها به وضوح در شرایط سخت کاری در صنایع مختلف، بهره‌وری بالایی دارد.

طراحی‌های ماژولار برای توزیع ثانویه انعطاف‌پذیر: روندهای نوظهور

تجهیزات MV مدولار با بخش‌های اتوبوس پیش‌ساخته و اتصالات دوباره‌کاری‌شونده امکان گسترش مقیاس‌پذیر را در توسعه‌های تجاری و پارک‌های انرژی تجدیدپذیر فراهم می‌کنند. این رویکرد امکان ارتقاء ظرفیت به صورت افزایشی را بدون تعویض کامل سیستم فراهم می‌کند. در حال حاضر، این واحدها به طور فزاینده‌ای از جریان توان دوطرفه پشتیبانی می‌کنند، که آنها را برای شبکه‌های غیرمرکزی مجهز به تولید و ذخیره‌سازی توزیع‌شده مناسب می‌کند.

مطالعه موردی: به‌روزرسانی ایستگاه‌های فرعی صنعتی با تجهیزات MV دارای پوشش فلزی (تگزاس، ایالات متحده)

یک پالایشگاه در تگزاس تجهیزات قدیمی دهه 1980 را با سیستم‌های مدرن دارای پوشش فلزی که برای جریان اتصال کوتاه 25 کیلوآمپر رتبه‌بندی شده بودند، جایگزین کرد و مشکلات مداوم هماهنگی در زمان‌های اوج تولید را حل کرد. این به‌روزرسانی شامل پوسته‌های مقاوم در برابر قوس الکتریکی و حسگرهای اینترنت اشیاء (IoT) یکپارچه بود که منجر به کاهش 40 درصدی ساعات نگهداری اصلاحی در طول یک دوره 18 ماهه شد.

استراتژی انتخاب: تطبیق نوع تجهیزات با پروفایل بار و جریان اتصال کوتاه

انتخاب تجهیزات MV مناسب نیازمند ارزیابی چهار عامل کلیدی است:

1. دینامیک بار : واحدهای دارای کلیدزنی مکرر نیازمند تجهیزات کلیدی با رتبه‌بندی 100+ عملیات روزانه هستند
2. جریان اتصال کوتاه : نزدیکی به منابع تولید نیازمند ظرفیت قطع ≥25 کیلوآمپری است
3. محیط : نصب‌های ساحلی نیازمند جعبه‌های IP54 برای مقاومت در برابر شوری هستند
4. طرح‌های گسترش : سیستم‌های ماژولار می‌توانند تا 30% هزینه چرخه عمر پایین‌تری نسبت به جایگزینی‌های سنتی ارائه دهند (گزارش زیرساخت شبکه، 2023)

تجهیزات کلیدی میان ولتاژ عایق هوا vs. عایق گاز: مقایسه عملکرد و معاوضه‌های محیط زیستی

مقایسه AIS و GIS: اندازه، نگهداری و هزینه چرخه عمر

تجهیزات قطع و وصل با عایت هوا، یا به اختصار AIS، با استفاده از هوای معمولی به منظور عایت کار می‌کنند. این موضوع به این معنی است که این تجهیزات حدود سه تا پنج برابر فضای بیشتری نسبت به تجهیزات قطع و وصل با عایت گازی (GIS) اشغال می‌کنند. در مکان‌هایی که فضا مشکلی ایجاد نمی‌کند، مانند مناطق روستایی، استفاده از AIS از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. اما در مورد شهرها که هر متر مربع فضا اهمیت دارد، دیگر AIS گزینه مناسبی نیست. سیستم‌های عایت گازی به جای این، از ماده‌ای به نام گوگرد هگزافلورید (SF6) استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها حدود 90 درصد فضای کمتری نسبت به AIS اشغال می‌کنند، اما قیمت آن‌ها 40 تا 60 درصد بالاتر است، طبق گزارش‌های IEC در سال 2023. در مورد بهره‌برداری روزانه، نیازهای نگهداری نیز تفاوت قابل توجهی دارند. تجهیزات AIS هر سه ماه یکبار نیاز به بازرسی از نظر وجود گرد و غبار و آلودگی دارند. در عین حال، نصب‌های GIS فقط نیازمند نظارت خاص از سطح گاز هر دو تا سه سال یکبار هستند، بسته به شرایط محیطی.

محدودیت‌های زیست محیطی و فشارهای نظارتی مربوط به SF6

گاز SF6 در حدود 85 درصد از تمام سیستم‌های GIS در سراسر جهان وجود دارد، اما مشکل اینجاست که این گاز تقریباً 23,500 بار بدتر از دی‌اکسید کربن معمولی برای آب‌و‌هوای کره زمین است، طبق داده‌های ارائه شده از سوی EPA در سال 2022. اتحادیه اروپا نیز در این زمینه بی‌کار نیست؛ مقررات F-Gas آنها در پی کاهش مصرف SF6 به میزان دو سوم تا قبل از سال 2030 است. همچنین نباید از جریمه‌های سنگینی که برای نشت این گاز به هوا در نظر گرفته شده است غفلت کرد، این جریمه‌ها می‌توانند به میزان نیم میلیون دلار هم برسند. به دلیل این خطرات، شرکت‌های زیادی در حال گرایش به گزینه‌های ایمن‌تر به جای این گاز برای عایق‌بندی هستند و اغلب از ترکیباتی از هوای خشک یا نیتروژن استفاده می‌کنند.

مطالعه موردی: استقرار GIS در مناطق با تراکم بالا

یک سیستم ریلی بزرگ شهری با جایگزینی GIS به جای AIS در ۴۲ ایستگاه ترانس، به قابلیت اطمینان ۹۹٫۹۸٪ دست یافت. طراحی فشرده، اندازه ایستگاه‌ها را ۷۵٪ کاهش داد که برای پروژه‌های تونلی با ارتفاع آزاد کمتر از ۵ متر ضروری بود. با این حال، هزینه‌های نگهداری سالانه ۱۸٪ افزایش یافتند به دلیل الزامات دقیق در دست‌اندازی گاز SF6.

آینده عایق‌بندی: دی‌الکتریک‌های جامد و فناوری‌های قطع‌کننده خلا

حرکت به سمت کلیدهای فشار متوسط با عایت جامد (SIS) و قطع‌کننده‌های خلاء، استفاده از گاز شش‌فلوئورید گوگرد (SF6) را در سیستم‌های فشار متوسط امروزه به‌طور چشمگیری کاهش داده است. صحبت اینجاست که این کاهش به‌طور تقریبی 92 درصد نسبت به روش‌های سنتی است. برای کسانی که به‌طور خاص در سطح 24 کیلوولت کار می‌کنند، تجهیزات SIS در واقع در طول عمر خود حدوداً 22 درصد ارزان‌تر تمام می‌شود، در مقایسه با کلیدهای فشار متوسط با عایت گازی. علاوه بر این، از نظر انتشارات تقریباً هیچ چیزی از آنها خارج نمی‌شود، کمتر از نیم قسمت در میلیارد (ppb). به نظر می‌رسد که در آینده، بسیاری از کارشناسان معتقدند راه‌حل‌های ترکیبی که فناوری قطع خلاء را با عایت دی‌اکسید کربنی ترکیب می‌کنند، می‌توانند تقریباً نیمی از تمام نصب‌های فشار متوسط را تا پایان این دهه به خود اختصاص دهند. این روند از نظر شرکت‌های توزیع برق که به دنبال دستیابی به اهداف اقلیمی هستند، در حالی که همچنان باید توزیع قدرت قابل اعتمادی را در میان تقاضاهای رشد یافته زیرساخت‌ها حفظ کنند، منطقی به نظر می‌رسد.

گازهای کارآمد از نظر زیست‌محیطی (g3، هوای تمیز): عملکرد فنی و انطباق

تجهیزات MV مدرن که از SF6 استفاده نمی‌کنند، به‌طور فزاینده‌ای به گازهای دوستدار محیط زیست مانند g3 که مخلوطی از فلورونیتریل‌ها است، و همچنین هوای تمیز که ترکیبی از هوای خشک و نیتروژن می‌باشد، متکی هستند. این گزینه‌های جدید از نظر خواص عایل بودن الکتریکی عملکردی برابر با SF6 سنتی دارند، اما تأثیر آنها را بر تغییرات اقلیمی بیش از 99٪ کاهش می‌دهند. آزمایش‌ها در شرایط واقعی نشان می‌دهند که سیستم‌هایی که از عایت g3 استفاده می‌کنند، نرخ نشت را حتی در فشارهایی که 30٪ از الزامات استاندارد بالاتر است، در حدود 0.5٪ کنترل می‌کنند و این موضوع مشخصات IEC 62271-203 را از نظر عملکرد برآورده می‌کند. با اینکه کشورهای گروه G7 تا سال 2024 استفاده از SF6 را در تمام تجهیزات تولیدی جدید متوقف کرده‌اند، بیشتر شرکت‌های خدمات عمومی اروپایی قبلاً شروع به خرید تجهیزات بدون SF6 کرده‌اند، به‌طوری‌که حدود هشت‌دهم از آنها این گزینه‌های سبزتر را در اسناد مناقصه مشخص کرده‌اند.

کاهش جهانی گاز SF6: تأثیر مقررات گازهای فلوریده و پروتکل کیوتو

بیش از چهل کشور در سراسر جهان از طریق بروزرسانی‌های مختلف مقررات گازهای فلوریده و تعهدات خود تحت پروتکل کیوتو محدودیت‌هایی را بر کاربرد SF6 وضع کرده‌اند، در پی کاهش تقریبی هفتاد درصدی انتشارات تا پیش از سال 2030. در اروپا، تغییرات جدید از سال 2024 استفاده از SF6 را در سیستم‌های اصلی تجهیزات قطع‌کننده ولتاژ متوسط با رتبه‌بندی 52 کیلوولت یا بالاتر ممنوع کرده است. در همین حال در چین، آخرین استاندارد ملی آن‌ها GB/T 11022-2023 در هنگام گسترش شبکه‌های برق شهری، استفاده از مواد جایگزین را الزامی می‌کند. این مقررات در حال تغییر، تولیدکنندگان را به پیش بردن واداشته است، منجر به رشدی سه‌برابری در حجم ارسال تجهیزات ولتاژ متوسط بدون SF6 نسبت به تنها یک سال قبل شده است. گزینه‌های فناوری هیبریدی اکنون فراگیرتر می‌شوند، که به خوبی در محدوده ولتاژی از 12 تا 40.5 کیلوولت کار می‌کنند.

مطالعه موردی: انتقال شبکه ملی انگلستان به GIS بدون SF6

شرکت National Grid UK 145 دستگاه GIS با گاز SF6 را در 12 ایستگاه فرعی با سیستم‌های عایق‌بندی شده با هوا در تعویض کرد و موارد زیر را محقق ساخت:

• کاهش سالانه 18 تنی انتشار گاز SF6
• هزینه‌های نگهداری 30% کمتر به دلیل سادگی در دست‌اندازی گاز
• نصب 25% سریع‌تر از طریق ساختار ماژولار
  پایش پس از نصب، دسترسی 99.98% را در زمان اوج تقاضا تأیید کرد و قابلیت اطمینان فناوری بدون SF6 در شبکه‌های انتقال حیاتی را مستند کرد.

مسیر نگار برای شرکت‌های توزیع برق: راهبردهایی برای پذیرش تجهیزات MV سوئیچینگ پایدار

برای انتقال مؤثر، شرکت‌های توزیع برق باید تمرکز خود را بر موارد زیر قرار دهند:

1. تحلیل هزینه چرخه زندگی درگیر کردن قیمت‌گذاری کربن و انطباق بلندمدت با مقررات
2. برنامه‌های بازسازی ادغام مدارشکن‌های خلاء در دستگاه‌های موجود SF6
3. آموزش کارکنان در مورد دستکاری و نظارت ایمن بر روی گازهای جایگزین
4. تحقیق و توسعه مشترک با تولیدکنندگان برای گسترش قابلیت های کابینت های فلزی عایق دار جامد تا 72.5 کیلوولت
   استفاده کنندگان اولیه گزارش بازگشت سرمایه 5 تا 7 ساله را از طریق جلوگیری از مجازات های محیط زیستی و کاهش هزینه های نگهداری اعلام کرده اند.

معیارهای انتخاب و قابلیت اطمینان برای کابینت های میان ولتاژ در پروژه های دنیای واقعی

پارامترهای بحرانی: ولتاژ نامی، ظرفیت اتصال کوتاه، و حفاظت IP

انتخاب کابینت میان ولتاژ با سه معیار اساسی آغاز می شود:

• رتبه بندی ولتاژ باید ولتاژ کاری را به میزان 15–20% افزایش دهد مطابق IEC 62271-200
• ظرفیت مدار کوتاه باید سطح اتصال کوتاه خاص سایت را که در طول مطالعات سیستم اندازه گیری شده است، مطابقت دهد
• کلاس حفاظت IP (مثلاً IP54) از مقاومت در برابر گرد و غبار و رطوبت در شرایط سخت اطمینان می‌دهد

یک مطالعه در سال 2023 از پلتفرم‌های دریایی نشان داد که 62٪ از خرابی‌های تجهیزات سوئیچگیر به دلیل رتبه‌بندی نامناسب کوتاه‌مدار بود، که اهمیت ارزیابی‌های دقیق مهندسی را برجسته می‌کند.

ارزیابی چرخه عمر (LCA) برای برنامه‌ریزی بلندمدت تجهیزات

شرکت‌های پیشرو در برق، هزینه کل مالکیت را در افق 25 ساله ارزیابی می‌کنند. تجهیزات سوئیچگیر با پوشش فلزی معمولاً 18 تا 22٪ هزینه چرخه عمر پایین‌تری نسبت به گزینه‌های جداسازی شده دارند، عمدتاً به دلیل دسترسی آسان‌تر به قطعات و کاهش زمان توقف در هنگام نگهداری.

مطالعه موردی: پست‌های ترانسفورماتور بادی دریایی و انتخاب مخصوص به محل

یک مزرعه بادی در دریای شمال، پس از نصب تجهیزات سوئیچگیر متوسط ولتاژ مقاوم در برابر شوری همراه با سیستم‌های فشاری طراحی شده برای تحمل ضربه امواج تا 2.5 متری، موفق شد میزان زمان کارکرد خود را 41٪ افزایش دهد. طراحی استحکام‌بخش اطمینان از عملکرد قابل اعتماد را در یکی از خورنده‌ترین محیط‌های دریایی فراهم کرد.

افزایش قابلیت اطمینان: مقاومت در برابر قوس الکتریکی و نگهداری پیش‌بینانه

تجهیزات فشار متوسط مدرن (MV) ایمنی و دردسترس‌بودن را از طریق دو مکانیسم دوگانه قابلیت اطمینان افزایش می‌دهند:

1. containment قوس الکتریکی مطابق استاندارد IEEE C37.20.7 آزمایش شده (قابلیت تحمل 40 کیلوآمپر در مدت 500 میلی‌ثانیه)
2. نگهداری وضعیت فعال‌شده توسط IoT ، که از طریق تشخیص پیش‌بینانه باعث کاهش 57%‌یی در خاموشی‌های غیر برنامه‌ریزی شده می‌شود

عملکرد در محل: عملیات معادن با استفاده از تجهیزات ATR Switchgear (استرالیا)

در منطقه پیلبارا استرالیا، تجهیزات ATR با عایت هوا، در شرایط بسیار سخت—دمایی بالاتر از 50 درجه سانتی‌گراد و غلظت ذرات معلق بیش از 15 میلی‌گرم در متر مکعب—93.6% درصد دردسترس‌بودن را حفظ کرده‌اند، که نشان از استحکام این تجهیزات در کاربردهای صنعتی سخت‌گذر است.

‫سوالات متداول‬

MV Switchgear چیست و چرا اهمیت دارد؟

تجهیزات فشار متوسط (MV) در سیستم‌های توزیع انرژی الکتریکی ضروری هستند و وظایفی مانند جداسازی الکتریکی، قطع اتصال کوتاه و مدیریت بار را انجام می‌دهند. این تجهیزات ایمنی و قابلیت اطمینان زیرساخت‌های حیاتی مانند بیمارستان‌ها و مراکز داده را تضمین می‌کنند.

تجهیزات فشار متوسط دیجیتال چگونه قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهند؟

تجهیزات فشار متوسط دیجیتال دارای قابلیت‌های نظارتی هوشمند هستند که امکان نگهداری پیشگیرانه را فراهم می‌کنند. این امر باعث کاهش 45 درصدی خاموشی‌های غیرمنتظره می‌شود، همان‌طور که در گزارش‌های صنعتی آمده است.

چه دغدغه‌های زیست‌محیطی در مورد گاز SF6 مورد استفاده در سیستم‌های GIS وجود دارد؟

گاز SF6 تأثیر قابل توجهی بر آب و هوا دارد و 23,500 بار قوی‌تر از CO2 است. مقررات موجود به کاهش استفاده از آن و تبدیل شدن به جایگزین‌های سازگار با محیط زیست مانند هوا خشک و نیتروژن تشویق می‌کنند.

تفاوت‌های بین تجهیزات قطع‌کننده با عایق هوا (AIS) و تجهیزات قطع‌کننده با عایق گازی (GIS) چیست؟

AIS از هوا برای عایق‌بندی استفاده می‌کند و فضای بیشتری نیاز دارد، در حالی که GIS از گاز SF6 استفاده می‌کند و فشرده‌تر است اما گران‌تر است. GIS در مناطق با فضای محدود ترجیح داده می‌شود، در حالی که AIS برای مناطق روستایی مناسب است.