كيف يُبدِّد محول الغمر بالزيت الحرارة للحفاظ على التشغيل الطبيعي؟

التحدي الحراري في تصميم المحولات

كل واط من الفقد الكهربائي يتحول إلى حرارة. فمحولة مغمورة في الزيت سعتها ٥٠٠ كيلوفولت أمبير وكفاءتها ٩٨,٥٪ لا تزال تُولِّد نحو ٧٥٠٠ واط باستمرار — أي ما يعادل ثلاثة سخانات منزلية داخل الخزان. وفي غياب تبديد فعّال للحرارة، سترتفع درجة الحرارة الداخلية بمقدار ١٠°م تقريبًا كل ١٥ دقيقة حتى تفشل عزلة اللفات. والزيت ليس مجرد عازل كهربائي فحسب، بل هو وسط التبريد الرئيسي، وقدرة الزيت على نقل الحرارة تحدد التحميل المستمر المسموح به.

كيف يدور الزيت دون استخدام مضخة

يعتمد تبريد المحول المغمور بالزيت على التوصيل الحراري الطبيعي؛ حيث يصبح السائل المسخن أقل كثافةً فيصعد إلى الأعلى. وتسخّن الملفات الزيت المحيط بها، فيصعد هذا الزيت نحو قمة الخزان. وعند ملامسته للجدران الأكثر برودةً في الخزان، تنتقل الحرارة منه إلى الخارج. ثم يهبط الزيت المبرَّد والأكثر كثافةً باتجاه الجدران ليصل مجددًا إلى قاعدة الملفات. ويُعرف هذا التدفق الحراري باسم «التدفق الحراري الترموسيفوني»، وهو يعمل دون الحاجة إلى أي مضخة ميكانيكية.

يتراوح الفارق في درجة الحرارة بين طبقة الزيت العلوية والسفلية في محول مغمور بالزيت يعمل بشكلٍ سليم ما بين ١٠°م و٢٠°م عند الحمل المقنن. أما فارق درجة الحرارة الأقل من ٥°م فيشير إلى حمل خفيف. أما إذا تجاوز الفارق ٢٥°م عند الحمل الطبيعي، فهذا يوحي بوجود عائق في التدفق الحراري، وقد تكون الأسباب المحتملة تراكم الرواسب (الطين) التي تسد قنوات التبريد أو تدهور حالة الزيت وزيادة لزوجته.

تصميم الخزان والمبددات الحرارية

الخزان هو سطح تبادل الحرارة الرئيسي. وتفي الجدران المسطحة بالغرض في المحولات الموزِّعة التي تصل سعتها إلى حوالي ١٠٠ كيلوفولت أمبير. أما فوق هذه السعة، فتُستخدم الزعانف التبريدية أو المبرِّدات لزيادة مساحة السطح. وتؤدي الجدران المموجة للخزان إلى زيادة مساحة السطح بنسبة تتراوح بين ٤٠ و٧٠ في المئة مقارنةً بالجدران المسطحة ذات نفس المساحة القاعدية.

أما في المحولات الكبيرة المغمورة بالزيت والتي تزيد سعتها عن ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير، فتتصل مجموعات المبرِّدات الخارجية عبر رؤوس توصيل علوية وسفلية. ويتدفق الزيت من الأعلى، ثم يهبط عبر الألواح المزودة بالزعانف أثناء انتقال الحرارة إلى الهواء، ويعود من الأسفل. وتؤدي مراوح المبرِّدات المستخدمة في التبريد الإجباري بالهواء إلى زيادة قدرة التبدد الحراري بنسبة تتراوح بين ٣٠ و٥٠ في المئة؛ إذ يمكن لمتحول طبيعي التبريد سعته ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير أن يصل إلى سعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير عند استخدام التبريد الإجباري بالهواء.

حدود درجة الحرارة وعمر العزل

درجة حرارة النقطة الساخنة في اللفائف

أعلى درجة حرارة تحدث داخل الملف — وتُسمى «نقطة التسخن القصوى» — وعادةً ما تكون أعلى من درجة حرارة الزيت العلوي بـ ٥°م إلى ١٥°م. ويوصي معيار IEEE C57.91 بأن لا تتجاوز درجة حرارة نقطة التسخن القصوى ١١٠°م بالنسبة للعازل القياسي المصنوع من السليلوز، مع ارتفاع متوسط في درجة حرارة الملف قدره ٦٥°م. وتخضع عملية تدهور العزل لعلاقة أرهينيوس، حيث يزداد معدل الشيخوخة تقريباً ضعفَيْهِ مع كل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار ٦°م إلى ٨°م. وبذلك فإن المحول الذي يعمل عند درجة الحرارة المُوصى بها يدوم عادةً من ٢٠ إلى ٣٠ سنة، أما إذا ارتفعت درجة الحرارة ٨°م فوق القيمة الموصى بها فإن عمره الافتراضي ينخفض إلى النصف. ويُحافظ التبريد الفعّال للمحولات المغمورة بالزيت على درجات الحرارة ضمن الحدود التي تحافظ على العمر الافتراضي للمحول.

حالة تطبيقية: استعادة سعة محطة التحويل

كانت محطة تحويل تابعة لشركة مرافق كهربائية في الشرق الأوسط تشغّل ثلاثة محولات مغمورة بالزيت، سعتها ٢٠ ميغا فولت أمبير لكل منها، وسجّلت درجات حرارة الزيت العلوي فيها ما بين ٨٢°م و٨٨°م خلال فترات الذروة الصيفية — أي ما يقارب حد الإنذار البالغ ٩٥°م. كما كانت درجات الحرارة المحيطة تتجاوز بانتظام ٤٥°م. ولذلك، تم تقييد تشغيل المحطة التحويلية بنسبة ٨٥٪ من السعة الاسمية المدونة على لوحة البيانات خلال فصل الصيف لتفادي تجاوز حدود درجة حرارة نقطة التسخن القصوى.

أظهر التحليل تراكم الغبار والرمال على الزعانف الخارجية لمبادل الحرارة، ما أدى إلى خفض انتقال الحرارة بنسبة 25 في المئة تقريبًا. وتم تنظيف المبادلات الحرارية، ووفرت شركة هونغ شين للتكنولوجيا الذكية مراوح تبريد إجباري مُحسَّنة لمجموعات المبادلات الحرارية. وبعد التنظيف واستبدال المراوح، انخفضت درجة حرارة الزيت العليا إلى ما بين ٧٤°م و٧٨°م. وتم رفع قيد الحمل الصيفي البالغ ٨٥ في المئة، ما أعاد ١٥ في المئة من السعة.

الصيانة لتحسين أداء التبريد

رصد حالة الزيت

يتدهور زيت المحول نتيجة الأكسدة، مما يؤدي إلى تكوّن طبقة من الطين تتراكم على الأسطح الداخلية وتقيّد التدفق. ويُجرى تحليل الغازات المذابة سنويًّا لاكتشاف العيوب الناشئة، فضلًا عن توفير بيانات عن اللزوجة ودرجة الانهيار العازلي. ويجب ترشيح الزيت أو استبداله إذا تجاوزت لزوجته المواصفة الأصلية بنسبة ١٥ في المئة للحفاظ على كفاءة التدفق.

الصيانة السطحية الخارجية لمبادل الحرارة

يجب تنظيف زعانف المبرد وجدران الخزان سنويًّا في البيئات الغبارية، ونصف سنويًّا في المناطق المعرَّضة للرمال. ويؤدي تراكم طبقة غبار بسماكة ملليمتر واحد إلى خفض كفاءة انتقال الحرارة بنسبة تتراوح بين ١٠ و٢٠ في المئة. ويجب فحص مراوح المبرد للتحقق من وجود ضجيج أو اهتزاز ناتج عن التحميلات في المحامل — إذ يؤدي فشل مروحة واحدة فقط في مجموعة مراوح متعددة إلى خفض كفاءة تبريد القطاع بنسبة تقارب ٤٠ في المئة.

الأسئلة الشائعة

كيف يبرِّد المحول المغمور بالزيت نفسه دون الحاجة إلى مضخة؟

يُحقِّق نظام التبريد بالدوران الحراري الطبيعي (الثرموسيفون) حركة الزيت استنادًا إلى الفرق في الكثافة: فيصعد الزيت المسخَّن عبر لفات المحول، ثم ينقل الحرارة إلى جدران الخزان، ثم يبرد وينزل مرة أخرى. ويعمل هذا النظام السلبي باستمرار دون الحاجة إلى أي مكونات ميكانيكية.

ما هي أعلى درجة حرارة آمنة لتشغيل المحول المغمور بالزيت؟

توصي المواصفة القياسية IEEE C57.91 بأن تكون أقصى درجة حرارة عند نقطة السخونة القصوى في لفات المحول ١١٠°م بالنسبة للعازل القياسي المصنوع من السليلوز. أما درجة حرارة الزيت عند سطح الخزان فهي عادةً أقل بمقدار ٥°م إلى ١٥°م. ويؤدي التشغيل المستمر فوق الحدود المسموحة إلى تقليص عمر العازل إلى النصف تقريبًا مع كل ارتفاع قدره ٨°م.

كيف تحسِّن زعانف المبرد عملية تبريد المحول؟

تزيد الزعانف من مساحة سطح الخزان لنقل الحرارة بنسبة تتراوح بين ٤٠ و٧٠ في المئة. وتزيد البنوك الخارجية للمبادلات الحرارية المزودة بمراوح تبريد هوائي قسري السعة بنسبة تتراوح بين ٣٠ و٥٠ في المئة. وتوفر شركة هونغ شين للتقنيات الذكية مكونات أنظمة التبريد الخاصة بالمحولات المغمورة في الزيت.

ما الأسباب التي تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحول المغمور في الزيت؟

الحمل الزائد، وتقييد دوران الزيت بسبب الرواسب الطينية، ووجود الغبار على أسطح التبريد، وعطل مراوح المبادلات الحرارية هي أكثر الأسباب شيوعًا. كما أن ارتفاع درجات الحرارة المحيطة فوق ٤٠°م يفاقم هذه العوامل.

ما مدى انتظام اختبار زيت المحولات؟

تحليل الغازات المذابة سنويًّا. ويُجرى اختبار اللزوجة واختبار العزل الكهربائي جنبًا إلى جنب مع عينة تحليل الغازات المذابة. أما المحولات العاملة في المناخات الحارة والتي تعمل بالقرب من سعتها الاسمية، فتستفيد من إجراء الاختبارات نصف السنوية.

هل تحد درجة الحرارة المحيطة من سعة حمل المحول؟

تقل سعة التحميل عندما تتجاوز درجة الحرارة المحيطة المرجعية المصممة — والتي تتراوح عادةً بين ٣٠°م و٤٠°م. ويستلزم كل درجة حرارة إضافية فوق هذه القيمة خفضًا متناسبًا في ارتفاع درجة حرارة اللفات للحفاظ على نفس درجة حرارة النقطة الساخنة. وتقوم شركات الكهرباء العاملة في المناخات الحارة عادةً بتخفيض تصنيف المحولات خلال أشهر الصيف للحفاظ على عمر العزل.