كيفية استخدام وحدة الحلقة الرئيسية لتوفير الطاقة بكفاءة؟

فهم دور وحدات الحلقة الرئيسية في شبكات توزيع الطاقة

الوظائف والأدوار الخاصة بوحدات الحلقة الرئيسية في توزيع الطاقة

تُعد وحدات الدائرة الحلقية، أو ما تُعرف اختصارًا بوحدات RMU، عبارة عن وحدات مفاتيح كهربائية مدمجة تُستخدم على نطاق واسع في شبكات الجهد المتوسط، وغالبًا ما تعمل ضمن نطاق يتراوح بين 6 كيلو فولت إلى 24 كيلو فولت. وتتمثل الوظيفة الأساسية لهذه الأجهزة في إدارة وحماية الدوائر الكهربائية، بالإضافة إلى إنشاء توصيلات على شكل حلقة تُوفر مسارات احتياطية لتزويد الطاقة عند الحاجة. والهدف من هذا التصميم هو تمكين تدفق التيار الكهربائي عبر مسارات مختلفة داخل الشبكة. وبالتالي، عندما يحدث عطل في جزء ما من الشبكة، يتم تحويل التيار تلقائيًا عبر المسارات الأخرى المتاحة، مما يحافظ على استمرارية التشغيل دون انقطاع. ووفقًا لأحدث الأرقام الواردة في تقرير توزيع الطاقة لعام 2024، فإن الشبكات المجهزة بوحدات RMU تسجّل انخفاضًا بنسبة 40 بالمئة تقريبًا في أوقات التوقف عن العمل مقارنةً بالأنظمة الشعاعية التقليدية. وتجعل هذه الدرجة من الموثوقية من وحدات RMU مكونات لا غنى عنها في البنية التحتية الكهربائية الحديثة التي تتسم بتعقيدها المتزايد.

الغرض والوظيفة الأساسية لوحدات RMU في ضمان تزويد موثوق بالطاقة الكهربائية

توجد وحدات RMUs أساسًا للحفاظ على تدفق الطاقة بشكل موثوق من خلال دمج ميزات الحماية مع قدرات التبديل الذكية. داخل هذه الوحدات نجد أشياء مثل مفاتيح فصل الأحمال، والقواطع الكهربائية، ومفاصيل الإفصال المزودة بفيوز التي تعمل عند حدوث عطل في جزء ما من الشبكة. كما تقوم هذه الوحدات بفصل الأجزاء المعيبة بسرعة كبيرة، وعادة ما يتراوح الوقت بين 100 إلى 300 مللي ثانية، مما يمنع المشاكل الصغيرة من التحول إلى مشكلات أكبر في جميع أنحاء النظام بأكمله. وعند دمجها مع المسارات الاحتياطية المدمجة في التخطيط الحلقي، فإن هذه التركيبة توفر ما يُطلق عليه المهندسون "موثوقية N-1". وببساطة، يعني ذلك أن الخدمة تظل متاحة حتى عندما يتعطل جزء واحد. إن وظيفة الانتقال التلقائي تُعد فعالة بحق في الأماكن التي لا يمكن فيها التسامح مع انقطاع التيار الكهربائي، مثل المستشفيات التي تحتاج إلى أنظمة دعم الحياة، أو مراكز البيانات التي تحمي المعلومات القيّمة، أو المصانع التي تعمل على خطوط التجميع والتي لا يمكنها تحمل توقف العمليات أثناء الصيانة الروتينية أو في حالات الطوارئ غير المتوقعة.

تطبيقات وحدات الحلقة الرئيسية في الأنظمة الحضرية والصناعية ونظم الطاقة المتجددة

أصبحت وحدات التبديل المغلقة (RMUs) شائعة جدًا في المناطق الحضرية والمنشآت الصناعية ومحطات الطاقة المتجددة، وذلك بشكل رئيسي لأنها تستهلك مساحة صغيرة جدًا ويمكن تكييفها بسهولة. تعتمد المدن عليها لإدارة شبكات الكهرباء تحت الأرض وفي الأماكن الضيقة التي لا يمكن فيها تركيب المحطات الفرعية التقليدية، مع الاستمرار في تلبية احتياجاتنا المتزايدة من الكهرباء وضمان استمرارية التشغيل. أما بالنسبة للمصانع ووحدات التصنيع، فهي عناصر أساسية نظرًا لقدرتها العالية على التعامل مع الأعطاب. ففي حال حدوث خلل، يمكن لوحدات التبديل المغلقة عزل المنطقة المتضررة بسرعة، مما يقلل من التوقف الطويل والمكلف الذي تخسره الشركات عادةً حوالي 740 ألف دولار في كل مرة يحدث فيها ذلك، وفقًا للإحصائيات الصادرة عن معهد بونيمون. ومن الجدير بالذكر أيضًا كيف تسهم وحدات التبديل المغلقة في دمج مصادر الطاقة المتجددة. فهي تُنظم حركة تدفق الكهرباء ذهابًا وإيابًا من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، وتحافظ على استقرار الشبكة حتى في ظل التغيرات المناخية، وذلك بفضل الخصائص الوقائية المتطورة المدمجة فيها.

هيكل الأساس ومبدأ عمل وحدة الحلقة الرئيسية

الوحدات الرئيسية للدوائر تعمل على ما يسمى بنظام الحلقة المغلقة، مما يعني أنها يمكن أن تبقي إمدادات الطاقة حتى عندما تكون هناك مشاكل أو صيانة يجري في مكان آخر. الفرق الكبير بالمقارنة مع الأنظمة الشعاعية العادية هو كيفية تحرك الكهرباء حولها. في إعداد حلقة، يمكن للتيار أن يسافر في كلا الاتجاهين حول الدائرة. عندما يفسد جزء من النظام، يتم قطع القسم المعيب تلقائياً. في نفس الوقت، الطاقة تستمر في التدفق من خلال أجزاء أخرى من الحلقة بفضل المفاتيح الذكية التي تُشغل. ما يفعله هذا هو تقليل وقت التوقف للعملاء ويجعل الشبكة الكهربائية بأكملها أكثر موثوقية في ظروف العالم الحقيقي.

تم شرح مبدأ عمل الوحدة الرئيسية للخاتم

كيفية عملها تعتمد أساسا على العثور على المشاكل تلقائيا وقطعها قبل أن تنتشر في جميع أنحاء النظام. تعمل الإرسالات الوقائية مع مفاتيح الدوائر والفتاتين الخاصة التي تسمى مفاتيح الحمل لهذا الغرض. إذا حدث خطأ في مكان ما في الشبكة، فإنّ المراسلات ترسل إشارات لتشغيل مفكّك الدوائر خلال دورتين أو ثلاث دورات من الكهرباء التي تمرّ من خلالها. في نفس الوقت، هذه المفاتيح المقطعة تدخل لتغيير ترتيبات تدفقات الطاقة بحيث يمكن للخدمة أن تعود من جزء آخر من الشبكة. معظم الأنظمة الكهربائية الحديثة لديها هذه القدرة على التبديل في الاتجاهين بفضل أنظمة SCADA التي تتحكم بكل شيء وراء الكواليس. ونتيجة لذلك، نرى انخفاض متوسط الانقطاع السنوي إلى أقل من خمس دقائق كاملة في العديد من المناطق الآن.

المكونات الرئيسية لوحدة الحلقة الرئيسية ووظائفها

وتشمل المكونات الأساسية:

• مفكّرات الدوائر التي تتوقف عن التيارات الخطأ بسرعة و بأمان
• مفاتيح كسر الحمل لعبودية الدوائر الحية في ظروف الحمل الطبيعي
• حافنات التي توزع الطاقة بين مزودات متعددة
• المرحلات الواقية التي تراقب الجهد والتيار والتردد لبدء فصل عندما تحدث حالات شاذة
• غلاف مع تصنيف IP67 ، يوفر حماية قوية من الغبار والرطوبة والإجهاد البيئي

تعمل هذه العناصر معًا لإنشاء بنية شبكة تتمكن من التعافي الذاتي والتي تقلل من مدة انقطاع التشغيل بنسبة تصل إلى 80٪ مقارنة بالنظم الشعاعية التقليدية (IEEE 2022). كما يدعم التصميم الوحدي التوسع القابل للتوسع من التكوينات ذات الطرق الثنائية إلى الخمسة مع نمو الطلب.

أنواع وتكوينات الوحدات الرئيسية للخواتم: العزل والتصميم الوظيفي

أنواع وحدات العزل المعدنية حسب الوسيط العازل: عازلة بالغاز، عازلة للهواء، عازلة الصلب، هجينة

يعتمد تصنيف وحدات الحرارة المعدنية بشكل كبير على الجهاز العازل، وهو ما يؤثر على كل شيء بدءاً من اعتبارات السلامة إلى الأبعاد المادية ونوع العمل الذي يمكنها القيام به. عادة ما تستخدم وحدات RMU المعزولة الغاز ، والتي تسمى غالبًا أنظمة GIS ، هيكسفلوريد الكبريت أو غازات بديلة أخرى. هذه الإعدادات تعمل بشكل جيد جداً في إيقاف الأقواس الكهربائية وتأخذ مساحة أقل بشكل عام، مما يجعلها خيارات رائعة للمدن حيث المساحة في قسط. من ناحية أخرى، تعتمد وحدات عزل الهواء (AIS) على الهواء الجوي العادي بدلاً من ذلك. في حين أن هذه تميل إلى أن تكون أرخص في البداية وأسهل في الصيانة مع مرور الوقت، فإنها تحتاج إلى مساحة أكبر بكثير أثناء التثبيت. خيارات العزل الصلب تستخدم مواد مثل الراتنجات الايبوكسي أو البوليمرات المختلفة كمواد كهربائية. هذا النهج يزيل تماما المخاوف من تسرب الغازات ويجعل الأمور بشكل عام أكثر أمانا من وجهة نظر بيئية أيضا. بدأ بعض الشركات المصنعة في إنشاء إصدارات هجينة تخلط خصائص من طرق عزل متعددة. هذه التركيبات تساعد على موازنة عوامل مثل متطلبات الأداء، وقيود الميزانية، وأهداف الاستدامة طويلة الأجل اعتمادا على كيفية استخدام المعدات بالضبط في الممارسة العملية.

التكوينات الوظيفية: RMU 2Way، 3Way، 4Way، و 5Way

الطريقة التي يتم بها تكوين هذه الأجهزة تؤثر حقاً على مرونة تغييرها و نوعية تعقيد الشبكة التي نتعامل معها وحدة الإرسال المزدوجة للطاقة تتعامل مع توجيهات مدخلات ومخرجات بسيطة، والتي تعمل بشكل جيد في تلك الحالات البسيطة التي يواجهها معظم الناس. الانتقال إلى وحدات ثلاثية وأربعة طرق يفتح الأشياء قليلاً لأنها يمكن أن تتصل بعدة محولات أو نقاط حمولة مختلفة في وقت واحد. هذا يدعم طوبولوجيا الحلقات ويجعل النظام أكثر إضافة من الإعدادات القياسية. ثم هناك 5 طرق لتحويل المواد إلى مستوى آخر تماماً هؤلاء الأشرار يأتون مجهزين بمقالات عدة من شريط الحافلات مما يجعلهم مثاليين لمواقع مثل المستشفيات أو مراكز البيانات حيث يكون وقت التشغيل حاسمًا تمامًا. عندما تكون الموثوقية هي الأكثر أهمية، فإن وجود هذه المرونة الإضافية لإعادة التكوين على الطائرة يصبح شيئاً يستحق الاهتمام به.

المقارنة بين وحدات GIS و AIS: الأداء مقابل التكلفة

عند الاختيار بين GIS و AIS RMUs ، يجب على المهندسين أن يزنوا ما يعمل بشكل أفضل لحالتهم المحددة مقابل ما يتناسب مع الحدود المالية. يبرز خيار GIS بقدراته المذهلة ، حيث يأخذ حوالي ثلثي مساحة أقل مقارنةً بالنماذج التقليدية ، بالإضافة إلى أنه يتعامل مع الدوائر القصيرة بشكل أفضل ويدوم لفترة أطول حتى عندما يتعرض للتراب أو الرطوبة. بالطبع هناك مصيدة على الرغم من أن هذه الأنظمة عادة ما تستغرق ضعف ما تكلفه AIS مقدماً من ناحية أخرى، فإن معدات AIS تميل إلى أن تكون أرخص في التثبيت وأسهل في الصيانة، ولكنها تأخذ مساحة أرضية أكبر بكثير ولا تستمر بشكل جيد في ظل ظروف بيئية صعبة. معظم الناس يستخدمون نظام المعلومات الجغرافية في المدن المزدحمة حيث كل قدم مربع مهم، بينما لا تزال العديد من المصانع والمزارع تلتزم بـ AIS لأنها لا تواجه نفس القيود المكانيّة.

مزايا الوحدات الرئيسية للخاتم لتزويد الطاقة الموثوق بها والفعالة

الحد من انقطاع الطاقة وتحسين جودة الطاقة مع وحدات الطاقة المتجددة

الـ (آر إم يو) تقلل من انقطاع الكهرباء لأنها تستطيع عزل المشاكل بسرعة قبل أن تزداد الأمور سوءاً عندما يتم احتواء هذه المشاكل مبكراً، فإنه يساعد على الحفاظ على نظام العمل بأكمله بشكل أفضل حيث أن هناك انخفاضات أقل في الجهد والإرتفاعات الكهربائية التي تفسد الأمور. ووفقاً للبحوث الأخيرة من تقارير موثوقية الشبكة العام الماضي، فإن الشبكات التي لديها وحدات إرسال متكررة كانت أقل 40 في المائة من وقت التوقف غير المتوقع مقارنةً بالإعدادات الشعاعية القديمة. بالإضافة إلى ذلك، طبيعتهم الوحيدة تعني أن الفنيين يمكنهم إصلاح أجزاء محددة دون إيقاف قطاعات كاملة من الشبكة. هذا مهم جداً للمستشفيات ومراكز البيانات، وأماكن أخرى حيث لا يمكن قطع إمدادات الكهرباء المستمرة على الإطلاق.

كفاءة الطاقة وإمكانيات إدارة الحمل في وحدات التشغيل المعدنية

تعمل وحدات المراقبة عن بُعد (RMUs) اليوم على تعزيز الكفاءة الطاقوية من خلال إدارة الأحمال بشكل ذكي. تتيح هذه الأنظمة للمشغلين توجيه التيار كهربائي ديناميكيًا، ما يعني قدرتهم على توزيع عبء العمل بين الدوائر المختلفة ومنع المحولات من التشغيل فوق طاقتها – وهي حالة تتسبب في خسائر تقنية كبيرة داخل الشبكة. وعند توزيع الأحمال بشكل مناسب باستخدام وحدات المراقبة عن بُعد، تنخفض الخسائر الكهربائية بنسبة تصل إلى حوالي 15٪ مقارنةً بالأنظمة الثابتة القديمة. وميزة إضافية تأتي من التصاميم العازلة بالغاز التي تقلل من الخسائر المتسللة المزعجة نظرًا لكون العزل أكثر فعالية كهربائيًا بكثير. وجميع هذه الميزات معًا تعني انخفاض فواتير شركات المرافق والمصانع، مع جعل عملياتها بأكملها تعمل بسلاسة وكفاءة ونقاء أكبر بشكل عام.

وحدات الحلقة الذكية المجهزة بتقنية إنترنت الأشياء للتكامل مع الشبكات الحديثة

وحدات RMU الذكية المجهزة بتقنية إنترنت الأشياء لمراقبة عن بُعد والتحكم

تأتي وحدات RMUs الذكية مزودة بمستشعرات مدمجة وميزات اتصال تراقب أمورًا مثل تيار الحمل، ومستويات الجهد، وتغيرات درجة الحرارة، وجودة عزل المكونات مع مرور الوقت. ويعني جانب إنترنت الأشياء أن هذه الأنظمة قادرة على اكتشاف المشكلات قبل أن تتفاقم. من خلال تحليل أنماط البيانات، يمكنها اكتشاف علامات تحذير مبكرة تدل على وجود خلل محتمل مستقبلاً، سواء كانت تفريغات كهربائية بسيطة أو ارتفاع درجة حرارة المكونات. ما يجعل هذه الوحدات ذات قيمة حقيقية هو قدرتها على التحكم عن بُعد. بدلاً من إرسال الفنيين في كل مرة تحدث فيها مشكلة، يمكن للمشغلين تعديل إعدادات الشبكة من بعد أو قطع التيار عن الأقسام المعطلة فورًا. وهذا يوفر الوقت والمال مع الحفاظ على تشغيل النظام بأكمله بسلاسة حتى عند حدوث مشكلات غير متوقعة.

وحدات الحلقة الرئيسية الآلية والتكامل في الشبكات الرقمية والذكية

تُعد وحدات التبديل المغلقة (RMUs) التي تعمل تلقائيًا مكونات ذكية في الشبكات الرقمية الحديثة، حيث تتصل بسلاسة مع أنظمة إدارة التوزيع (DMS) وأنظمة التحكم الإشرافية وجمع البيانات (SCADA). وتتواصل هذه الأجهزة بشكل ثنائي الاتجاه من خلال بروتوكولات محددة، مما يمكن المشغلين من إدارة تدفق الكهرباء عبر الشبكة، والعمل مع مصادر طاقة متعددة منتشرة في أرجاء الشبكة، بل وحتى إجراء إصلاحات تلقائية عند حدوث مشكلات. ويمتد التشغيل الآلي ليشمل ما يُعرف بعمليات كشف الأعطال والعزل واستعادة الخدمة (FDIR)، حيث تقوم الأنظمة عند حدوث عطل في جزء من الشبكة بإعادة توجيه التيار الكهربائي خلال بضع ثوانٍ فقط، بحيث لا يشعر معظم العملاء بأي انقطاع أثناء هذه الحوادث.

دراسة حالة: تنفيذ وحدات التبديل الذكية (RMUs) في شبكة دقيقة حضرية

استعانت مبادرة حديثة لشبكة كهرباء صغيرة في بيئة حضرية بتبديل المعدات القديمة للقواطع بوحدات رئيسية دائرية (RMUs) حديثة مزودة بأجهزة استشعار لدرجة الحرارة، وقدرات على مراقبة التفريغ الجزئي، واتصالات خلوية مدمجة. وبعد تشغيل هذه الأنظمة الجديدة، كانت النتائج مثيرة للإعجاب إلى حد كبير: فقد انخفض وقت الانقطاعات بنسبة حوالي 45٪ مقارنة بالسابق، في حين تراجعت تكاليف الصيانة بنحو 30٪، وبشكل رئيسي بفضل ميزات التشخيص التنبؤية هذه. كما سمح تدفق البيانات الزمنية الفعلية بتوزيع الأحمال ديناميكيًا عند ارتفاع الطلب، مما حافظ على كفاءة استهلاك الطاقة وضمان استقرار الجهد عبر الشبكة بأكملها، ما ساهم بشكل طبيعي في الالتزام باللوائح التنظيمية.

الأسئلة الشائعة

ما هي الوحدة الرئيسية الدائرية (RMU)؟

وحدة الدائرة الحلقية (RMU) هي وحدة قواطع مدمجة تُعد ضرورية لإدارة وحماية الدوائر الكهربائية ضمن شبكات توزيع الطاقة متوسطة الجهد. وتسهّل هذه الوحدات طرق تغذية بديلة من خلال تكوين دائري، مما يعزز موثوقية النظام ويقلل من فترات التوقف.

ما هي المكونات الرئيسية لوحدات التبديل المعزولة بالغاز (RMUs)؟

تشمل المكونات الأساسية لوحدات التبديل المعزولة بالغاز (RMUs) مفاتيح الدوائر، ومفاتيح فصل الحمل، والقضبان الحافلة، ومرحلات الحماية، والأغلفة القوية. تعمل هذه العناصر معًا لضمان عزل الأعطاب بسرعة وتوزيع الطاقة بكفاءة.

كيف تُحسّن وحدات التبديل المعزولة بالغاز (RMUs) من موثوقية إمدادات الكهرباء؟

تجمع وحدات التبديل المعزولة بالغاز (RMUs) بين ميزات الحماية وقدرات التبديل الذكية، مما يدعم عزل الأعطاب تلقائيًا ويوفر موثوقية N-1. ويضمن هذا الإعداد استمرار إمدادات الطاقة حتى في حال حدوث مشكلة في أحد أجزاء النظام.

ما الفروقات بين وحدات التبديل المعزولة بالغاز (GIS) ووحدات التبديل المعزولة بالهواء (AIS)؟

تستخدم وحدات التبديل المعزولة بالغاز (GIS) غازًا مثل سداسي فلوريد الكبريت كعازل، مما يمنحها حجمًا صغيرًا وقدرة عالية على التعامل مع الأعطاب، ولكن بتكلفة أعلى. أما وحدات التبديل المعزولة بالهواء (AIS) فتعتمد على الهواء الجوي كعازل، وهي أقل تكلفة لكنها تستهلك مساحة أكبر.

كيف تتكامل وحدات التبديل الذكية (RMUs) في الشبكات الحديثة؟

تتميز وحدات التبديل الذكية (RMUs) بأجهزة استشعار ووظائف اتصال تتيح المراقبة والتحكم عن بُعد. وتتكامل هذه الوحدات بسلاسة مع أنظمة الشبكة الرقمية، مما يسهل الكشف الفعال عن الأعطال، والعزل، واستعادة الخدمة تلقائيًا.