معدات التبديل ذات الجهد العالي: أحدث التقنيات لتطوير الشبكة الكهربائية

معدات التبديل ذات الجهد العالي الخالية من غاز SF6: بدائل مستدامة تقود الامتثال التنظيمي

الدوافع التنظيمية والبيئية وراء التخلّي التدريجي عن غاز SF6

تُجبر اللوائح التنظيمية في مختلف أنحاء العالم الشركات على التخلّي عن استخدام غاز سداسي فلوريد الكبريت (SF6) في أنظمتها الكهربائية، لأن هذا الغاز ضارٌ جدًّا بالكوكب. ونحن نتحدث هنا عن غازٍ يسبب الاحترار العالمي بأكثر من ٢٣٥٠٠ ضعف ما يسببه ثاني أكسيد الكربون العادي. ولقد قامت الاتحاد الأوروبي مؤخرًا بتحديث قواعده المتعلقة بالغازات الفلورية (F-Gas)، وتطالب بأن تتوقف جميع المعدات الجديدة ذات الجهد العالي تمامًا عن استخدام غاز SF6 بحلول عام ٢٠٣٠. وهل تعلمون ماذا؟ إن أكثر من خمسة عشر بلدًا آخر تعمل حاليًّا على سن قوانين مماثلة أيضًا. ويتوافق هذا الضغط التنظيمي مع ما أعلنته العديد من الشركات الكبرى حول التزامها بالاستدامة البيئية. فحوالي ثمانية من أصل عشر شركات كهرباء تبحث بالفعل حاليًّا عن بدائل لغاز SF6 لتفادي الغرامات الباهظة التي قد تُفرض عليها عند مخالفتها لهذه القواعد (ويشير بعض الخبراء إلى أن قيمة هذه الغرامات قد تصل إلى ٧٤٠ ألف دولار أمريكي لكل حادثة، وفق دراسة أجرتها مؤسسة بونيمون في العام الماضي). فكر في الأمر من الناحية البيئية: طن واحد فقط من غاز SF6 المتسرب يُسبِّب قدرًا من التلوث يعادل ما تنتجه خمسون سيارة خلال سنة كاملة. وهذا يجعل إيجاد حلول صديقة للبيئة لمعدات التبديل الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية لأي جهة تشغّل شبكات الطاقة وتسعى فعليًّا إلى الحد من أثرها السلبي على تغير المناخ.

تقنيات العزل الصلب والعازل الهوائي النظيف في معدات التحكم الكهربائية عالية الجهد الحديثة

تُلغي هاتان التقنيتان المُثبتةان تجارياً غاز SF6 دون المساس بالأداء:

في أنظمة العزل الصلب، تكون الموصلات ملفوفة بالكامل في مادة بوليمرية مُصبوبة في فراغ. ويؤدي هذا التصميم إلى القضاء تمامًا على أي احتمال لتسرب الغازات، ويمكنه تحمل تيارات الأعطال التي تتجاوز ٤٠ كيلوأمبير. أما بالنسبة للبدائل المبنية على هواء نظيف، فيقوم المصنعون بمزج الغازات الجوية العادية مع مواد تُعرف باسم «الفلوروكيتونات». وتُنتج هذه الخلطات خصائص عزل قوية جدًّا تلبي متطلبات التطبيقات ذات الجهود العالية جدًّا، ما يسمح للمعدات بالعمل بشكلٍ موثوق حتى عند جهود تصل إلى ٤٢٠ كيلوفولت. وعندما تنتقل الشركات إلى هذه الأنظمة المبنية على الهواء النظيف بدلًا من الأنظمة التقليدية المعتمدة على غاز ثنائي فلوريد الكبريت (SF6)، فإنها توفر عادةً ما يعادل ٢٠٠ طن من انبعاثات الكربون سنويًّا. كما أن الفوائد المالية كبيرة أيضًا، لأن كلا النهجين يقللان من تكاليف الصيانة على امتداد العمر التشغيلي الكامل للمعدات بنسبة تقارب ٣٠٪. ويحدث ذلك لأن هذه الأنظمة لا تتطلب مهام إدارة الغاز المعقدة مثل عمليات فحص التسريبات الدورية أو استرجاع غاز SF6 المستهلك، مما يوفّر الوقت والمال على المدى الطويل.

النشر في العالم الحقيقي في الشبكات الحضرية الأوروبية

في جميع أنحاء أوروبا، تُجري المدن الكبرى اختباراتٍ فعلية لمعدات التبديل الخالية من غاز SF6 في بيئات حقيقية تتميز بضيق المساحة وارتفاع متطلبات الأداء. فلنأخذ لندن مثالًا: فقد نفذت المدينة تقنية Blue GIS التي تجمع بين الكيتون الفلوري والهواء لتشغيل المحطات الفرعية الأساسية عبر شبكة الجهد العالي البالغة 132 كيلوفولت في منطقة المدينة المالية. وما الذي يجعل هذا الأمر مثيرًا للاهتمام؟ إنها تمكّنت من القضاء التام على انبعاثات غاز SF6 دون أي انقطاعٍ في الخدمة على الإطلاق. وفي الوقت نفسه، قامت السلطات المحلية في برلين بتثبيت أنظمة AirPlus التي تستوفي اللوائح الصارمة الخاصة بقانون TA Luft الألماني. وهذه الأنظمة لا تمتثل فقط للمعايير البيئية، بل وتقلل احتياجات المحطات الفرعية من المساحة بنسبة تقارب النصف. كما أن كلا المشروعين يتعامل مع كثافات حملٍ مرتفعة جدًّا تتجاوز 500 ميغاواط لكل كيلومتر مربع. ومن منظور أوسع، يقدّر المشغلون إجمالي وفورات تبلغ نحو 1.2 مليون دولار أمريكي على مدى 20 عامًا من هذه المواقع وحدها. ويتكوّن هذا المبلغ من عدة عوامل، منها تجنّب غرامات ضريبة الكربون، وانخفاض النفقات المرتبطة بصيانة المعدات، وزيادة العمر الافتراضي للمعدات قبل الحاجة إلى استبدالها.

معدات التبديل عالية الجهد الرقمية: تمكين الصيانة التنبؤية ومرونة الشبكة الكهربائية

تكلفة الفشل: كيف تُسرّع الأعطال غير المخطط لها اعتماد الحلول الرقمية

تبلغ التكلفة المتوسطة للانقطاعات غير المخطط لها لدى شركات المرافق حوالي 740 ألف دولار أمريكي في كل مرة، وفقًا لتقرير معهد بونيمون الصادر العام الماضي. وتشمل هذه القيمة جميع التكاليف، بدءًا من إصلاح الأعطال ووصولًا إلى دفع الغرامات، وتعويض العملاء الذين فقدوا التيار الكهربائي، ومعالجة الخسائر المالية الناجمة عن انقطاع الخدمة. ولا تزال المعدات القديمة واحدةً من الأسباب الرئيسية التي تؤدي إلى حدوث هذه الأعطال المتسلسلة عبر مختلف القطاعات الصناعية، ما يعرّض عمليات الأعمال وسلامة المجتمع على حدٍّ سواء للخطر. ولذلك، لم تعد العديد من الشركات تكتفي بالنظر في تقنيات التنبؤ فحسب، بل إنها تستثمر فيها استثمارًا كبيرًا. ويمكن لهذه الأنظمة أن تخفض نفقات الصيانة بنسبة تتراوح بين ٢٥٪ و٣٠٪ تقريبًا مقارنةً بالأساليب التقليدية التي تُعالَج فيها المشكلات بعد وقوعها. علاوةً على ذلك، تساعد هذه الأنظمة في خفض حالات الإغلاق غير المخطط لها بنسبة تصل في بعض الحالات إلى نحو النصف. وعلى امتداد القطاع، لوحظ تحولٌ ملحوظٌ نحو تركيب مفاتيح ذكية مزوَّدة بأجهزة استشعار تجمع بياناتٍ في الوقت الفعلي، مما يسهم في ضمان استقرار الشبكة الكهربائية والوفاء بالمتطلبات التنظيمية المتزايدة الصرامة فيما يتعلق بمرونة النظام.

أجهزة استشعار الإنترنت للأشياء، والتحليلات الحوافية، والتوائم الرقمية في أنظمة المعدات الكهربائية عالية الجهد

يأتي معدات التبديل ذات الجهد العالي اليوم مزودةً بأجهزة استشعار إنترنت الأشياء (IoT) التي تراقب مجموعةً واسعةً من المعايير، ومنها التغيرات في درجة الحرارة، وأحداث التفريغ الجزئي، ومناطق البلى الميكانيكي، بل ومستويات كثافة الغاز أيضًا عند عدم استخدام أنظمة غاز SF6. وتقوم تحليلات الحواف هذه بمعالجة البيانات مباشرةً عند المعدات نفسها، ما يعني اكتشاف الشذوذات فور حدوثها تقريبًا، واتخاذ قرارات الانقطاع الفوري في الزمن الحقيقي دون الانتظار لمعالجة سحابية بطيئة. كما تُعَد النماذج الرقمية (Digital Twins) عاملاً آخر محوريًّا في هذا المجال. فهي تُنشئ نسخًا افتراضيةً للمعدات الفعلية استنادًا إلى مبادئ فيزيائية حقيقية. ويمكن لفرق الصيانة إجراء محاكاة تُظهر كيفية تراكم الحرارة، أو أماكن انتشار الأعطال المحتملة، أو كيفية إعادة توزيع الأحمال عبر النظام قبل تشغيله فعليًّا بوقتٍ طويل. ثم تقوم هذه الفرق بتعديل خطط الصيانة وفقًا لما تتنبَّأ به هذه النماذج بشأن معدلات البلى التدريجي للمكونات مع مرور الوقت. والنتيجة؟ تزداد مدة عمر المعدات بنسبة تصل إلى ٤٠٪ في معظم الحالات، وتتم معالجة الأعطال أسرع بنسبة ٤٠٪ تقريبًا مقارنةً بالطرق التقليدية، كما تصبح الشبكات أكثر مقاومةً بكثيرٍ أمام جميع أنواع التهديدات، بدءًا من الأضرار المادية ووصولًا إلى الهجمات الإلكترونية.

مفتاح كهربائي معزول بالغاز المضغوط (GIS) مدمج للشبكات الحضرية وتقنيات تعزيز الشبكة

الاتجاهات المتزايدة في اعتماد المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز المضغوط (GIS) من حيث الكفاءة في استخدام المساحة في المدن ذات القيود على الأراضي

المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز المضغوط (GIS) بوصفها عامل تمكين لتصنيف الخطوط الديناميكي وتخطيطات الحماية التكيفية

منصات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) اليوم تفعل أكثر بكثير من مجرد إدارة المساحات بكفاءة؛ بل إنها تشكّل في الواقع الأساس لتكنولوجيا تعزيز الشبكة المعروفة باسم GETs. وتأتي هذه الأنظمة مزوَّدة بcompartments محكمة الإغلاق وجاهزة لاستيعاب أجهزة الاستشعار، ما يسهِّل تركيب تلك الأجهزة الصغيرة المُعتمدة على إنترنت الأشياء (IoT) التي تجمع بيانات تشغيلية تفصيلية ضرورية لأنظمة التقييم الديناميكي لسعة الخطوط (DLR). وعندما تدمج أنظمة DLR هذه درجات حرارة الموصلات الفعلية مع الظروف الجوية الحالية وسرعات الرياح، فإنها تستطيع رفع سعة النقل بنسبة تتراوح بين ١٥٪ وربما حتى ٣٠٪ دون الحاجة إلى أي حقوق أرض جديدة أو معدات إضافية. ومن المزايا الكبرى الأخرى ما تقدِّمه أنظمة GIS لدعم آليات الحماية الذكية أيضًا. فالمُحرِّكات (relays) تُكيِّف نفسها تلقائيًّا عند حدوث أية تغييرات في تخطيط الشبكة، مثل إعادة تكوين خطوط التغذية أو ظهور جزر للطاقة الموزَّعة (DER) في أماكن غير متوقَّعة. وهذا يؤدي إلى تقليص أوقات إزالة الأعطال بشكل كبير مقارنةً بالأنظمة الثابتة القديمة، وبمعدل يبلغ على الأرجح نحو ٤٠٪، مع هامش تفاوت يعتمد على الظروف. وما نراه يحدث هنا هو تحوُّل أنظمة GIS من كونها مجرد حاويات للمعدات إلى أن تصبح حيوان عملٍ حقيقيٍّ يساعد في الحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية، وفي الوقت نفسه يفتح الأبواب أمام دمج مصادر الطاقة المتجددة بسلاسة.

الأسئلة الشائعة

لماذا يتم التخلص التدريجي من غاز SF6 في الأنظمة الكهربائية؟

يتم التخلص التدريجي من غاز SF6 بسبب قدرته العالية للغاية على الاحتباس الحراري، والتي تفوق قدرة ثاني أكسيد الكربون بـ ٢٣٥٠٠ ضعف. وتدفع اللوائح التنظيمية نحو اعتماد بدائل أكثر استدامة لمنع الضرر البيئي.

ما التقنيات التي تحل محل غاز SF6 في معدات التبديل عالية الجهد؟

تقنيتان رئيسيتان تحلان محل غاز SF6 هما: أنظمة العزل الصلب وأنظمة العزل بالهواء النظيف، وكلاهما يُحدثان تأثيراً بيئياً أقل بكثير.

كيف تستفيد شركات المرافق من أنظمة الصيانة التنبؤية؟

تقلل أنظمة الصيانة التنبؤية تكاليف الصيانة بنسبة تتراوح بين ٢٥٪ و٣٠٪، وتساعد في تجنّب عمليات الإيقاف المفاجئة، مما يحسّن موثوقية الشبكة والكفاءة التشغيلية.

ما الدور الذي تؤديه نظم المعلومات الجغرافية (GIS) في الشبكات الكهربائية الحديثة؟

تساعد نظم المعلومات الجغرافية (GIS) في إدارة المساحات بكفاءة، وتدعم تحديد قدرة التحميل الديناميكي للخطوط، وتتيح تطبيق أنظمة حماية ذكية، ما يعزز استقرار الشبكة وقدرتها على التكيّف، لا سيما في البيئات الحضرية.