حلول تطبيقات مبتكرة لمحولات التوزيع ذات المرحلة الواحدة في تحديث شبكات المناطق الريفية والضواحي في الولايات المتحدة الأمريكية
1 تحديات الشبكة الريفية ومزايا التحويلات أحادية الطور من الناحية الفنية
تواجه شبكة الكهرباء في المناطق الريفية والضواحي الأمريكية تحديات حاسمة: البنية التحتية القديمة وكثافة الأحمال المنخفضة تؤدي إلى إمداد كهربائي غير فعال، حيث تصل خسائر الخطوط إلى 7%–12%—وهي أعلى بكثير من الشبكات الحضرية (4%–6%). يتجاوز أكثر من 60% من المناطق الريفية معيار نصف قطر الإمداد الكهربائي البالغ 300 متر، مما يؤدي إلى عدم استقرار الجهد بشكل واسع (انخفاض الجهد الذروي بنسبة 15%–20%). تعمل التحويلات ثلاثية الطور في المناطق ذات كثافة الأحمال المنخفضة (<2 MW/sq.mi) بأقل من 30% من معدل الحمل، مما يؤدي إلى خسائر لا حمل زائدة. تحل التحويلات أحادية الطور هذه المشاكل من خلال:
1.1 الميزات الفنية
- المبدأ الكهرومغناطيسي: تحويل الجهد عبر نسبة اللفات بين اللفائف الأولية والثانوية.
- تصميم اللب: يستخدم تقنية اللب الحلزوني وتوصيل خطوة-لاب مع فولاذ السيليكون المدلفن بردًا والمُسخن، مما يقلل من خسائر لا حمل بنسبة 30%–40% مقارنة بالتحويلات ثلاثية الطور من نوع S9.
- النشر المدمج: نطاق السعة: 10–100 kVA; الوزن: 1/3 من الوحدات ثلاثية الطور; يمكن تركيبها على الأعمدة لتقليل المساحة المستخدمة. تسمح بإمكانية الوصول المباشر للجهد العالي (10 kV) إلى المناطق السكنية، مما يضغط نصف قطر الإمداد الكهربائي إلى 80–100 متر.
1.2 مزايا الكفاءة والتكلفة
- كفاءة الطاقة: >98% كفاءة تشغيل عند 30%–60% من الحمل بسبب تقليل خسائر الحديد والتآكل.
- تقليل الخسائر: تنخفض خسائر الخطوط إلى 1%–3% (أقل بمقدار 4–8 نقاط مئوية).
- استقرار الجهد: يتم التحكم في التقلبات النهائية ضمن ±5%، مما يقضي على انخفاض الجهد في "نصف الميل الأخير".
- عائد اقتصادي: تكلفة التركيب: 8,000 لوحدة 50 kVA مقابل 28,000 لوحدة 315 kVA ثلاثية الطور. فترة الاسترداد: 5–6 سنوات (تحديث) أو 2–3 سنوات (مشاريع جديدة).
2 الابتكارات التقنية والتصميم
2.1 هيكل اللب والأداء الكهربائي
- تكوين اللفائف: بنية اللفائف منخفضة-عالية-منخفضة تعزز قدرة تحمل القصر (>25 kA) والاستقرار الحراري.
- أنماط الاتصال:
- ثلاث نقاط لجهد منخفض: نقطة توصيل وسطية للأرض لخروج ثنائي الطور بـ 220V.
- أربع نقاط لجهد منخفض: لفائف مستقلة ثنائية (نسبة 10kV/220V) لمرونة الإمداد.
- امتثال السلامة: معتمد من UL; درجة العزل: 34.5 kV (150 kV BIL); صمامات تخفيف الضغط ذات إعادة ضبط ذاتية وحماية ضد الصواعق.
جدول 1: المعلمات الفنية للتحويلات أحادية الطور
|
السعة (kVA) |
خسارة لا حمل (W) |
خسارة الحمل (W) |
الوزن (kg) |
حجم الزيت (kg) |
عدد المنازل المخدومة |
|
30 |
50 |
360 |
340 |
22 |
10–15 |
|
50 |
80 |
500 |
450 |
34 |
20–25 |
|
100 |
135 |
850 |
510 |
59 |
40–50 |
2.2 المواد المتقدمة والتكنولوجيات الذكية
- مواد اللب:
- الفولاذ CRGO: منخفض التكلفة; خسارة لا حمل ≈ 0.5 W/kg.
- المعدن amorhous (AMDT): 70% أقل خسارة لا حمل (0.1 W/kg); مثالي للأحمال المتقلبة.
- التكامل الذكي:
- رصد الوقت الحقيقي للجهد والتيار والتناغمات.
- تعقب درجة الحرارة لإشعارات الشيخوخة العازلة.
- تعويض تلقائي للطاقة الردودية (عامل القوة >0.95).
- محددات الأعطال لتقليل وقت الاستعادة (على سبيل المثال، من 2.3 ساعة إلى 27 دقيقة).
3 استراتيجيات وسيناريوهات النشر
3.1 المناطق المستهدفة للتطبيق
- مناطق ذات كثافة أحمال منخفضة: كثافة سكانية <500/ميل مربع; كثافة الأحمال <1 MW/ميل مربع.
- التضاريس الخطية (مثل المجتمعات على جانب الطريق).
- مشاكل جهد النهاية (<110V).
- المناطق عرضة للسرقة (تخفيض مخاطر التوصيل بجهد منخفض).
3.2 هندسة الشبكة الهجينة أحادية وثلاثية الطور
- الтопولوجيا: العمود الفقري بـ 10 kV (ثلاثي الطور، المحايد غير مأمور) يمد التحويلات أحادية الطور عبر خطين طوريين (مثل AB-phase).
- توازن الطور: توصيل دوار للطور (AB→BC→CA) لتقييد عدم التوازن <15%.
- نسبة السعة: تشكل الوحدات أحادية الطور 40%–60% من السعة الإجمالية.
جدول 2: التكوين حسب السيناريو
|
السيناريو |
نوع التحويلة |
السعة |
نصف قطر الإمداد |
الاتصال |
|
منازل متفرقة |
أحادية الطور |
30 kVA |
≤80 متر |
ثلاثة أسلاك |
|
مجتمع ضواحي |
مجموعة أحادية الطور |
2×50 kVA |
≤100 متر |
متعدد الطور |
|
شارع تجاري |
هجين أحادي وثلاثي الطور |
100+315 kVA |
≤150 متر |
كهرباء/إنارة |
|
منطقة المعالجة الزراعية |
ثلاثي الطور |
500 kVA |
≤300 متر |
Dyn11 |
3.3 تحسين التركيب
- معايير الأعمدة: أعمدة خرسانية بارتفاع 12 م/15 م (قدرة التحمل ≥2 طن).
- تخطيط الموقع: تحليل "نقطة المركز الذهبية" القائم على GIS لتقليل خسارة الخطوط.
- العزل: أسلاك البولي إيثلين المرتبطة بـ 15 kV (تحمل الصواعق 95 kV).
دراسة حالة: تم نشر 127 وحدة أحادية الطور في مقاطعة لانكستر، بنسيلفانيا (نصف قطر متوسط: 82 م)، مما أدى إلى تقليل الخسائر من 8.7% إلى 3.1% ووفر 1.2 GWh/سنة.
4 دراسات الحالة والفوائد
4.1 تحليل المشروع
- تجديد ريف غرينيل في آيوا:
- تم استبدال 4×315 kVA وحدات ثلاثية الطور بـ 31×50 kVA تحويلات أحادية الطور.
- النتائج: استقر الجهد عند 117–122V; انخفضت الخسائر إلى 2.3%; توفير سنوي: 389,000 kWh; فترة الاسترداد: 5.2 سنة.
- توسع الضواحي في أريزونا:
- تصميم هجين (1×167 kVA ثلاثي الطور + 8×25 kVA أحادي الطور) توفير 18% من التكلفة الأولية (154K مقابل 188K) وخفض الخسائر بمقدار 5,800 kWh/سنة.
4.2 الفوائد الكمية
|
المقياس |
قبل التجديد |
بعد التجديد |
تحسين |
|
نصف قطر الإمداد المتوسط |
310 متر |
85 متر |
–72.6% |
|
معدل خسارة الخطوط |
7.2–8.5% |
2.8–3.5% |
~60% |
|
استقرار الجهد |
105–127V |
114–123V |
+75% |
|
تردد الانقطاعات |
3.2/سنة |
1.1/سنة |
–65.6% |
التأثير الاقتصادي والبيئي:
- تكلفة استثمارية أقل: توفير 20–40% مقارنة بالحلول ثلاثية الطور.
- الوفورات السنوية: $85–120/kVA من خفض الخسائر.
- تخفيض CO₂: 8.5 طن/سنة لكل 1% تخفيض في الخسائر (في المناطق المعتمدة على الفحم).
