3. شرح محطات المحولات Substation Layout

1- أنواع محطات المحولات الكهربية  Types of Substation

تنشأ محطات التوليد الكهربية بصورة عامة بعيدة عن مراكز الأحمال الكهربية وذلك بسبب الجدوى الاقتصادية لإنشاء المحطة . ولنقل الطاقة الكهربية لمسافات كبيرة يتم رفع الجهد الكهربي لتقليل الفاقد فى الخطوط الكهربية ولكن عند استغلال هذه الطاقة لابد من خفض الجهد مرة ثانية للموائمة مع الأحمال الكهربية .


وتقسم محطات المحولات بصورة عامة إلى :

  1. محطات محولات لرفع جهد المولد في محطات التوليد :
    • وذلك من خلال محولات رفع الجهد Step up transformer  ويطلق على المحولات اسم Machine Transforms نظرا لارتباطها بالمولد.
    • وغالبية هذه المحولات تحتوي على ملفين حيث يتم توصيل ملف المحول المتصل بالمولد علي شكل دلتا  Delta ومن ناحية الشبكة (الملف الآخر ) يكون نجمة (Star) ونقطة التعادل (Star point) تكون متصلة مباشرة بالأرض (Solidly earthed)
    • وفى بعض الحالات ( نسبيًا قليلة ) يكون المحول ذو ثلاث ملفات وذلك للحصول على قيمتين مختلفتين للجهد . كذلك قد تتصل نقطة تعادل المحول بممانعة بالأرض .
  2. محطات محولات الشبكات Network Transformer Substations :
    • تحتوي هذه المحطات على محولات لخفض الجهد -  ولكنه لا يصل بعد إلى جهد التوزيع -  
    • وقد يستخدم فى هذه المحطات محولات ذاتية Autotransformers  لجدواها الاقتصادية 
    • وقد تعطي هذه المحولات قيمة واحدة أو قيمتين للجهد فى الدائرة الثانوية Secondary circuit طبقًا لعدد الملفات .
    • وفى الغالب تحتوي شبكات القوي الكهربية على مجموعة أخري من محطات المحولات لخفض الجهد مرة ثانية -  
    • لكنه لا يصل بعد إلى جهد التوزيع – مثال ذلك محولات500/220 ك . ف . ومحولات 220/66ك.ف وتختار أماكن هذه المحطات طبقًا لتوزيع مراكز الأحمال الكهربية 
  3. محطات محولات التوزيع Distribution Substations 
    • تبدأ شبكات التوزيع بمحطات محولات التوزيع وهي محطات لخفض الجهد مرة ثانية Step -  down transformer ومن الدائرة الثانوية للمحولات تمتد خطوط الكهرباء Primary feeders إلى محولات التوزيع Distribution transformers ومنها تخرج خطوط التغذية Secondary feeder للمستهلك النهائي End user
    • وتقسم الأحمال الكهربية من حيث طبيعة الاستهلاك إلى أحمال صناعية Industrial loads أحمال تجارية Commercial loads أحمال سكينة Residential loads  وأحمال خاصة تتطلب اشتراطات يجب توافرها فى مصدر التغذية الكهربية لها .

وتنقسم محطات المحولات من ناحية الإنشاء Construction features إلى :

  1. محطات تقام فى الهواء الطلق – Outdoor Substation 
  2. محطات مغطاة Indoor Substation 
  3. محطات تقام اسفل الأرض Underground Substation 
  4. محطات معلقة سواء مفتوحة أو فى كشك Pole mounting -  Open or Kiosk


ويتوقف نوع المحطة على نسبة تحويل الجهد ، والعوامل الاقتصادية و سعة المكان وطبيعته وإجراءات الأمان وغيرها.  و الشكل (1) يبين مخططا لأحد محطات محولات داخل مبني.


مخططا لأحد محطات محولات داخل مبني.

شكل (1)


محطات المحولات المتحركة Mobile Substations      

رغم اعتبارات الحماية والاستعواض Backup فقد يحدث انهيار لمبان التغذية أو المحولات أو كليهما معًا فى محطة المحولات ، مما يسبب قطع التغذية تمامًا لفترة من الزمن فى هذه الحالة يمكن استخدام محطة محولات متحركة جميع أجهزتها محمولة على جرارات كبيرة بمقطورة Large Tractor Trailer ، وبصورة عامة سعة هذه المحطات لا تزيد عن 40 ميجا فولت أمبير -  وذلك يسبب اعتبارات الحجم والوزن للحركة ويمكن تجهيز هذه المحطة فى خلال ثلاث إلى ستة ساعات . شكل رقم (2) يبين مثالا لهذا النوع من محطات المحولات .


محطة محولات محمولة


شكل (2) : محطة محولات محمولة


2- الأعمال المدنية والكهربية لمحطات المحولات Civil and Electrical works in Substations 


2-1 الأعمال المدنية وتشمل :

  • المباني سواء السكنية أو غير السكنية ( مكاتب -  مخازن -  ورش إصلاح -  مجرات تحكم وغيرها .... ) 
  • خطوط سكة حديد وأوناش معلقة Railway track and overhead cranes cable trenches
  • ممرات كابلات 
  • طرق وممرات 
  • سياج لحماية أجهزة القطع Fencing around switch yard 

2-2  الأعمال الكهربية 

  • اختيار ترتيب قضبان التوزيع Bas Bar arrangement 
  • اختيار أجهزة الفصل Isolators 
  • اختيار محولات القياس Instrument transformers 
  • اختيار أجهزة القطع Circuit Breaker 
  • اختيار كابح الصواعق Lightning arrestors
  • اختيار محولات القوي Power transformers
  • نظم الحماية Protective relaying schemes
  • اختيار أجهزة تعديل الجهد Voltage regulating equipment
  • اختيار الكبلات 
  • اختيار نظم التأريض Earthing System
  • اختيار الإضاءة Illumination System 
  • اختيار الحماية من الحريق Fire Protection system 
  • اختيار وسائل الاتصالات Communication Systems
  • اختيار وسائل التغذية الإضافية Auxiliary supply 
  • اختيار الشابك للتنظيم Interlocks


وبوجه عام فإن تصميم محطة المحولات يجب أن يحقق المرونة flexible والبساطة وقلة التكلفة الاقتصادية مع ارتفاع جودة الأداء.   


3- النسق الكهربي لمحطة محولات Electrical layout of Substation 

يبين النسق الكهربي للمحطة طريقة ترتيب قضبان التوزيع والأماكن النسبية للأجهزة والاتصال فيما بينها بخطوط وقد يسمي هذا المخطط أيضًا بـ Key diagram  . بينما فى المخطط المدني توضح الأجهزة مع الاحتفاظ بالمسافات وزاوية الميل بمقياس رسم مناسب . و يوضح الشكل (3) مثالا لمحطة محولات.


محطة محولات


شكل (3) : محطة محولات


4- قضبان التوزيع Bus Bars

تعتبر قضبان التوزيع من أهم مكونات المحطات حيث يمر بها قدرة كهربية عالية وأي عطل بها يسبب انقطاع التغذية لذلك يجب مراعاة جودة التصميم الكهربي . والناحية الإنشائية فى التثبيت لتحمل القوي المعرضة لها .


4-1 أنواع قضبان التوزيع 

يوجد نوعان أساسيان هما :

  • القضيب الصلب Rigid bus
  • القضيب المرن Strain bus


وفى الغالب تستخدم القضبان الصلبة فى حالة الجهد الكهربي المتوسط والمنخفض وتكون مصنوعة من الألومنيوم أو النحاس على هيئة قضبان Bars أو أنبوبة Tubes ويستخدم للتثبيت والعزل Pedestal -  type وفى حالة الجهد العالي تستخدم القضبان المرنة المصنوعة من أسلاك الألومنيوم المجدولة والمدعمة ACSR  أو من النحاس و يتم تثبيتها  على عوازل Strain type insulators.


4-2  مادة القضبان Bus conductor material 

يعتمد اختيار المادة التى تصنع منها القضبان على عدة عوامل هي :

  • قيمة الفقد فى الجهد المسموح به 
  • الفاقد فى القدرة الكهربية 
  • سعة التيار المار 
  • قيمة تيار القصر 
  • تآكل المعدن 
  • الحمل الديناميكي للرياح والاستاتيكي للثلوج المتراكم 


وبوجه عام يستخدم الألومنيوم والنحاس وسبائك الألومنيوم المعالجة حراريًا Heat -  treatable aluminum alloys وخاصة فى حالة الأنابيب التى تستخدم فى الجهد العالي والفائق .

ويتميز الألومنيوم عن النحاس بأنه اقل فى الوزن . كذلك يحتاج لصيانة أقل وان كان لسعة معينة للتيار  وارتفاع مسموح به لدرجة الحرارة يكون مقطع موصل الألومنيوم أكبر بحوالي 33% من موصل النحاس .


4-3  الأشكال العمومية لترتيب قضبان التوزيع  Common bus bar arrangement 


4-3-1 قضيب مفرد  Single bus bar 

يوضح الشكل (3) مثالا لهذه الحالة.


4-3-2 قضيب مفرد مع مقسم  Single bus bar with bus sectionalizer 

يتميز القضيب المفرد بالبساطة و قلة التكاليف عند التنفيذ و لرفع درجة العول ( reliability ) يمكن تقسيمه الي أجزاء- الغالب جزأين فقط – كما في الشكل (4) .  و كل جزء يتصل بمغذي (feeder) ومن ناحية و من الناحية الأخرى تتصل الأحمال الكهربية. و لرفع الكفاءة يفضل أن تستخدم قواطع تيار ( circuit breaker) لفصل الأجزاء و ليس باستخدام سكينة عزل (isolator breaker) حيث يمكن أن يكون هناك فرق في الجهد بين الجزأين و بذلك يمر تيار عند التوصيل.


قضيب مفرد مع مقسم

شكل (4) : قضيب مفرد مع مقسم


4-3-3 ثنائي القضبان  Double bus bar

 لرفع درجة العول ومع إمكانية زيادة التكلفة يتم استخدام قضبان ثنائية و يكون التشغيل كالأتي:

  1. توزع الأحمال علي القضبان
  2.  تقسم الأحمال الي مجموعات و يتم تغذية كل مجموعة من قضيب
  3.  يمكن عمل الصيانة لقضيب دون قطع التيار  عن الأحمال بنقلها الي القضيب الأخر

و يوضح شكل (5) كيفية ربط القضيبان بقاطع دائرة Bus coupler circuit breaker لنقل  الأحمال  من قضيب لأخر ، نظرا لأن سكينة الفصل لا تستطيع قطع تيار الحمل. و عند إجراء الصيانة لأجهزة القطع لابد من فصل التغذية. و قد يسمي هذا النظام اثنان من القضبان مع جهاز قطع واحد Double bus bar with single breaker .


4-3-4 ثنائي القضبان و جهاز القطع Double bus bar double circuit breaker

يوضح شكل (6) مخطط لهذا النظام الذي يعتبر عالي التكلفة. لذا فأن استخدامه في محطات المحولات قليل نسبيا و يستخدم في محطات المحولات الكبيرة.


4-3-5 ثنائي القضبان وواحد و نصف جهاز قطع Double bus bar one and half circuit breaker

الشكل (7) يوضح مخططا لهذا النظام و يظهر فيه التوفير في عدد أجهزة القطع ، فلكل دائرتين يوجد جهاز قطع واحد احتياطي (Spare breaker) . و يلزم لهذا النظام أجهزة وقاية معقدة و لذا فانه غير شائع الاستخدام.


نظام ثنائي القضبان

شكل (5) : نظام ثنائي القضبان 



ثنائي القضبان و القطع

شكل (6) : ثنائي القضبان و القطع




ثنائي القضبان وواحد و نصف جهاز قطع

شكل (7) : ثنائي القضبان وواحد و نصف جهاز قطع


4-3-6 قضيبان أساسي و تحويل Main and transfer bus bar 

المخطط الموضح في الشكل (8) يسمح بإجراء صيانة لأجهزة القطع ، لكن يستخدم عدد اكبر من أجهزة الفصل isolators و يلزم الحرص عند الانتقال من قضيب الي أخر.


4-3-7 قضيبان مع جهاز فصل جانبي

شكل (9) يوضح مخطط هذا النظام الذي يعتبر خليط من نظام ثنائي القضبان و نظام قضيب أساسي و قضيب تحويل. و يسمح بإجراء صيانة لأجهزة القطع و لكن يتم استخدام  أجهزة فصل اكثر. و يتميز بالبساطة في التشغيل. و لإجراء الصيانة يمكن قطع التغذية لفترة و جيزة ، خلال فترة الأحمال الخفيفة مثلا ،  يتم خلالها النقل مع تجنب وضع أجهزة الفصل علي دائرة واحدة.


4-3-8 مخطط الشبكة أو الحلقة Mesh or ring scheme 

المخطط الموضح في شكل (10) يبين ترتيب أجهزة الفصل و القطع و الذي يتميز بالتالي:

  1. يسمح بتغذية ثنائية لكل دائرة
  2. يسمح بإجراء صيانة لأجهزة القطع
  3. اقل في التكلفة من نظام قضبان ثنائية

و ينصح ألا يزيد عدد الدوائر التي يغذيها النظام عن 6 دوائر لذلك فانه غير مناسب في حالة الشبكات الجاري فيها التوسعات ( Developing systems) . 



قضيبان أساسي و تحويل

شكل (8) : قضيبان أساسي و تحويل



قضيبان مع جهاز فصل جانبي

شكل (9) : قضيبان مع جهاز فصل جانبي



شكل (10) : مخطط الشبكة أو الحلقة

شكل (10) : مخطط الشبكة أو الحلقة


5 - محطات المحولات فى نظم التوزيع Distribution Substations 


شكل رقم (11) يبين أبسط صورة لمحطة توزيع حيث يغذي المحطة موزع رئيسي  واحد و يظهر جهاز القاطع و معدات الفصل و يمكن حذف مفتاح الفصل لجهاز القطع من ناحية الحمل الكهربي و ان كان يفضل وضع مفاتيح فصل قبل و بعد القاطع .


وشكل رقم (12) يبين محطة محولات تحتوي علي محولين كل محول متصل بمغذي مستقل وسعة المحول تبلغ 75% من سعة المحطة. و يتميز هذا النظام بقلة قيمة يار القصر نسبيا و مفتاح فصل الحمل الموجود المتصل بقضيب التوزيع لا يغلق الا اذا كان أحد المفاتيح الموجودة علي الملف الثانوي للمحولات في وضع الفتح.


شكل (13) يبين محطة محولات ذات تكلفة اقتصادية أعلي و تتميز   بدرجة عول أكبر. و تحتوي المحطة علي أجهزة قطع متصلة بقضيب التوزيع و كذلك علي طرف الملف الثانوي للمحول ويعمل النظام اتوماتيكيا لضمان استمرار التغذية.


5 - محطات المحولات فى نظم التوزيعDistribution Substations


شكل (12)

5 - محطات المحولات فى نظم التوزيعDistribution Substations


شكل (11)

5 - محطات المحولات فى نظم التوزيعDistribution Substations


شكل (13)