دليل تطبيق واختيار كابلات الجهد المتوسط لمشاريع الطاقة الجديدة

في مشاريع طاقة الرياح والطاقة الشمسية، أثبتت 35 كيلو فولت نفسها كمستوى الجهد القياسي الفعلي لخطوط التجميع. لكن تحديد ذلك على الرسم هو شيء واحد - في الواقع اختيار الكابل المناسب، من مادة الموصل إلى نوع العزل، ومن هيكل التدريع إلى تصنيف مثبطات اللهب، هو قرار يؤثر بشكل مباشر على سلامة المشروع واقتصادياته على مدار دورة الحياة بأكملها. يستعرض هذا الدليل منطق الاختيار لكابلات الجهد المتوسط بقدرة 35 كيلو فولت، والمرتكزة على ظروف المشروع الواقعية.

لماذا أصبحت 35 كيلو فولت هي الحل الأمثل لمشاريع الطاقة الجديدة

تتبع البنية الكهربائية لمزرعة رياح برية نموذجية أو محطة طاقة شمسية كهروضوئية واسعة النطاق مسارًا ثابتًا: يمر خرج المولد أو المصفوفة (690 فولت أو 10 كيلو فولت) أولاً عبر محول تصاعدي محلي للوصول إلى 35 كيلو فولت، ثم ينتقل عبر خطوط التجميع إلى المحطة الفرعية الرئيسية، حيث يتم تعزيزه مرة أخرى للاتصال بالشبكة.

هناك ثلاثة عوامل موضوعية تفسر لماذا أصبح جهد 35 كيلو فولت هو الخيار السائد لمشاريع الطاقة الجديدة في الصين وآسيا الوسطى وجنوب شرق آسيا وغيرها من الأسواق الناشئة.

أولا، مسافة الإرسال مناسبة. يبلغ نصف قطر النقل الاقتصادي لأنظمة 35 كيلو فولت ما يقرب من 5 إلى 15 كيلومترًا، وهو ما يتناسب بشكل جيد مع معظم مزارع الرياح البرية. بعد 15 كيلومترًا، ترتفع خسائر الخطوط بشكل ملحوظ، وعندها فقط يصبح 66 كيلو فولت أو جهد أعلى جديرًا بالاعتبار.

ثانياً، أصبحت سلسلة توريد المعدات ناضجة. إن المفاتيح الكهربائية بجهد 35 كيلو فولت، والمحولات المثبتة على الوسادة، ومفاصل الكابلات، والنهايات كلها موحدة بدرجة عالية عبر سلاسل التوريد المحلية والدولية. إن المهل الزمنية قصيرة، وقطع الغيار متاحة على نطاق واسع، والطواقم الميدانية على دراية بالمعدات بالفعل - وهي ميزة من حيث التكلفة غالبًا ما يتم التغاضي عنها في حد ذاتها.

ثالثًا، تعد ميزة كفاءة النقل التي تزيد عن 10 كيلو فولت كبيرة - أكبر بمقدار 3.5 مرة. عند نفس التيار، يوفر خط 35 كيلو فولت قوة 3.5 مرة لخط 10 كيلو فولت (P = √3 × U × I). من الناحية العملية: عند تقديم نفس الطاقة، تسحب دائرة 35 كيلو فولت 28.6% فقط من التيار الذي تتطلبه دائرة 10 كيلو فولت، وتنخفض خسائر الخطوط (التي تقاس بمربع التيار) إلى ما يقرب من 8% من مستوى 10 كيلو فولت. بالمقارنة مع 66 كيلو فولت، فإن تكاليف المفاتيح الكهربائية والمحولات عادة ما تكون أعلى بنسبة 40% تقريبًا، كما أن المتطلبات الفنية على طواقم التشغيل والصيانة أكبر - وليست مقايضة فعالة من حيث التكلفة للمشاريع التي تقل طاقتها عن 100 ميجاوات.

بالنسبة للغالبية العظمى من مشاريع طاقة الرياح البرية أو مشاريع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق التي تقل طاقتها عن 100 ميجاوات، يمثل 35 كيلو فولت النقطة المثالية لموازنة تكلفة المعدات، وتعقيد البناء، والخسائر التشغيلية.

خمسة أبعاد للاختيار: تقسيمها طبقة بعد طبقة

لا يقتصر الاختيار على نسخ ورقة المواصفات. أدناه، من خلال العمل من الموصل إلى الخارج، نقوم بفحص المنطق لكل طبقة وظيفية.

1. مادة الموصل: النحاس مقابل الألومنيوم

هذه هي نقطة القرار الأولى في أي مشروع جديد للطاقة.

يتمتع النحاس بموصلية كهربية تبلغ حوالي 58 مللي ثانية/م2، مقارنة بحوالي 35 مللي ثانية/م3 للألمنيوم. وفي نفس المقطع العرضي، يوفر الكابل النحاسي قدرة أعلى على حمل التيار ومقاومة أقل للتيار المستمر. يتفوق النحاس أيضًا على الألومنيوم في مقاومة الزحف ومقاومة التآكل - مما يعني أنه في ظل درجات الحرارة المرتفعة أو دورة الأحمال اليومية، تكون الوصلات النحاسية أقل عرضة للارتخاء وأكثر استقرارًا على المدى الطويل.

يعتبر النحاس مناسبًا بشكل أفضل لمستويات الجهد العالي (≥35 كيلو فولت)، والأحمال الأثقل، والدوائر الرئيسية حيث تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية. يوفر الألومنيوم تكلفة مواد أقل ووزنًا خفيفًا، مما يجعله أكثر اقتصادًا بالنسبة للمقطع العرضي الكبير وناقل الحركة لمسافات طويلة - ولكنه يتطلب أطراف انتقال مناسبة من النحاس والألمنيوم وتحكمًا صارمًا في عزم الدوران أثناء التثبيت.

لنأخذ على سبيل المثال موصلًا نحاسيًا مقاس 3 × 150 مم² محددًا بموجب المواصفة IEC 60502-2:2014. يحدد المعيار أقصى مقاومة للتيار المستمر تبلغ 0.124 أوم/كم عند 20 درجة مئوية. في تقارير اختبار المصنع الفعلية من مشروع مزرعة رياح في أوزبكستان، كانت القيم المقاسة للمراحل الحمراء والصفراء والخضراء 0.120 و0.121 و0.120 أوم/كم على التوالي - بهامش حوالي 3.2% أقل من الحد القياسي.

بالنسبة لمشتري EPC، فإن مطالبة المورد بالإبلاغ عن مقاومة التيار المستمر المقاسة لكل مرحلة في شهادة اختبار المصنع هي الطريقة الأكثر مباشرة للتحقق من عدم تقليل المقطع العرضي للموصل وأن نقاء المادة يلبي المواصفات.

2. العزل: لماذا أصبح XLPE هو الاختيار الافتراضي

بالنسبة لكابلات الجهد المتوسط، يكون اختيار العزل بشكل أساسي بين البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE) والبولي فينيل كلورايد (PVC)، مع ظهور EPR (مطاط الإيثيلين البروبيلين) فقط في التطبيقات المرنة المتخصصة.

يقدم XLPE ثلاث مزايا رئيسية.

ارتفاع درجة حرارة التشغيل. تتمتع الكابلات المعزولة بـ XLPE بدرجة حرارة تشغيل مستمرة تبلغ 90 درجة مئوية ودرجة حرارة دائرة قصر تبلغ 250 درجة مئوية، مقارنة بـ 70 درجة مئوية و160 درجة مئوية للـ PVC. يُترجم هذا التصنيف الحراري الأعلى مباشرة إلى قدرة حمل تيار أكبر بنسبة 15-20٪ تقريبًا لنفس المقطع العرضي للموصل.

انخفاض الخسائر العازلة. يحتوي XLPE على ثابت عازل يبلغ حوالي 2.3، وهو أقل بكثير من PVC الذي يبلغ 4-5. عند الفولتية العالية وعلى مسافات طويلة، يصبح الفرق في خسائر العزل الكهربائي كبيرًا.

مقاومة عزل أعلى. تعد مقاومة حجم XLPE أعلى بعدة مرات من مقاومة PVC، وتتدهور خواصه الكهربائية بشكل أقل بكثير عند تعرضه للرطوبة.

مؤشر الأداء الحاسم لعمر عزل XLPE هو مستوى التفريغ الجزئي (PD). أي فراغات أو شوائب داخل العزل يمكن أن تولد تفريغات دقيقة تحت المجالات الكهربائية العالية. ومع مرور الوقت، تتسبب هذه التفريغات في انقطاع الكهرباء وانهيارها في نهاية المطاف. تتطلب المواصفة القياسية IEC 60502-2:2014 ألا يتجاوز التفريغ الجزئي عند 1.73U₀ 10pC لكابلات الجهد المتوسط.

في مشروع أوزبكستان المذكور سابقًا، تم قياس قيم PD ثلاثية المراحل بـ 4pC، و5pC، و5pC - فقط 40-50% من الحد الأقصى للمعيار. ضمن نفس الإطار القياسي، يعد إنتاج الدُفعات بقيم PD منخفضة باستمرار (أقل من 5pC) مؤشرًا قويًا للتحكم المستقر في عملية الربط المتقاطع ونقاء المواد الخام العالية.

3. التدريع: عندما يكون مطلوبًا ومتى يمكن حذفه

يخدم التسليح وظيفة واحدة: الحماية الميكانيكية. ليس كل التثبيت يتطلب ذلك.

يعتبر الدرع الشريطي الفولاذي (المحدد بالرمز "23" في معايير IEC) مناسبًا للدفن المباشر أو المنشآت التي قد يكون فيها الضغط الشعاعي مصدرًا للقلق - ضغط الردم، ومخاطر تجاوز المركبة، وما شابه. يتم استخدام الدروع المصنوعة من أسلاك الفولاذ (الرموز "33" أو "43") عندما يكون التوتر المحوري عاملاً، مثل المسارات الرأسية، أو المنشآت البحرية، أو المعابر طويلة المدى. بالنسبة لمشاريع الطاقة البرية الجديدة التي تحتوي على خطوط تجميع مدفونة مباشرة، فإن الدرع الشريطي الفولاذي هو المعيار المناسب.

هناك معلمتان مهمتان في اختيار الشريط الفولاذي: السُمك الاسمي ونسبة تداخل اللف. تحدد المواصفة القياسية IEC 60502-2:2014 الحد الأدنى لسمك الشريط الفولاذي بناءً على قطر الكابل فوق الطبقة المدرعة. يجب على المشترين طلب شهادات المواد وسجلات قياس السماكة الفعلية من المورد. بالنسبة للمشاريع في التربة المالحة أو عالية الرطوبة، قد يكون للفولاذ المجلفن القياسي هامش تآكل غير كافٍ - فكر في الترقية إلى طلاء زنك أثقل أو إضافة طبقة PVC مقذوفة فوق الشريط للحماية المركبة.

يمكن حذف التدريع عندما يتم تشغيل الكابل بالكامل داخل حوامل الكابلات أو القنوات أو الخنادق المغطاة حيث لا يشكل الضرر الميكانيكي وهجوم القوارض مخاطر.

4. مادة الغلاف وتصنيف مثبطات اللهب: تطابق الظروف، لا تبالغ في المواصفات

الغلاف هو آخر دفاع للكابل ضد الاعتداءات البيئية.

يعتبر غلاف PVC (كلوريد البوليفينيل) فعالاً من حيث التكلفة، ويوفر مقاومة كافية للأحماض والقلويات والزيوت للتطبيقات الخارجية النموذجية، ويوفر بعض المقاومة للأشعة فوق البنفسجية - مما يجعله مادة الغلاف الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لكابلات الجهد المتوسط. يوفر غلاف PE (البولي إيثيلين) مقاومة أفضل للرطوبة وصلابة في درجات الحرارة المنخفضة، مما يجعله مفضلاً للتطبيقات المغمورة أو الأرضية المجمدة. لا ينبعث غلاف LSZH (صفر هالوجين منخفض الدخان) أي هالوجينات سامة عند حرقه، مما يجعله إلزاميًا للأنفاق والمنشآت الداخلية والمناطق المشغولة.

تتبع تصنيفات مثبطات اللهب نفس المبدأ — وهو مطابقة التصنيف للمخاطر الفعلية. يعد FR-C (المتوافق مع GB/T 18380.33-36 أو IEC 60332-3-24) مناسبًا للمحطات الميدانية في المناطق المفتوحة حيث تكون مخاطر الحرائق حقيقية ولكن يمكن التحكم في انتشار الحرائق. تصنيفات الفئة A أو B مخصصة للمعارض أو الأنفاق تحت الأرض حيث يتم تركيب كابلات متعددة بكثافة. إذا كانت قوانين مكافحة الحرائق في البلد المضيف تتطلب حدودًا على سمية غاز الاحتراق، فإن تغليف LSZH يصبح إلزاميًا - وعادةً ما يضيف حوالي 30% إلى تكلفة المواد مقارنة بمادة PVC.

5. المقطع العرضي والقدرة على حمل التيار: ثلاثة عوامل تصحيح غالبًا ما يتم تجاهلها

يبدأ تحديد الحجم بحساب الحد الأقصى لتيار التشغيل المستمر، ثم تطبيق عوامل التصحيح على جداول تصنيف التيار القياسية. يتم تفويت ثلاثة تصحيحات في أغلب الأحيان.

درجة الحرارة المحيطة. تعتمد التصنيفات الحالية القياسية عادةً على درجة حرارة محيطة تبلغ 25 درجة مئوية (الهواء) أو 15-20 درجة مئوية (التربة). عندما تنحرف درجة حرارة الموقع الفعلية عن المرجع، يلزم التصحيح وفقًا للمعيار IEC 60287. في آسيا الوسطى، على سبيل المثال، يمكن أن تتجاوز درجات حرارة الأرض في الصيف 40 درجة مئوية - مما يؤدي إلى انخفاض مستوى الكابل بنسبة 10-15% تقريبًا.

كابلات متعددة بالتوازي. عند تركيب عدة كابلات في نفس الخندق، يكون تبديد الحرارة ضعيفًا، مما يتطلب عامل تصحيح التجميع.

المقاومة الحرارية للتربة. يتمتع الردم الرملي أو الصخري بمقاومة حرارية أعلى من الطين، مما يؤثر بشكل مباشر على تبديد الحرارة من الكابل.

من الأخطاء الشائعة في تحديد الحجم في مشاريع الطاقة الجديدة: تغيير الحجم عند درجة حرارة محيطة تبلغ 25 درجة مئوية أثناء مرحلة التصميم، بينما تكون بيئة التشغيل الفعلية أكثر دفئًا باستمرار. والنتيجة هي كابل يعمل عند الحد الحراري أو أعلى منه طوال حياته، مما يؤدي إلى تسريع تقادم العزل. يتمثل النهج الصحيح في مطالبة المورد بتقديم ورقة حسابية بناءً على معلمات الموقع الفعلية أثناء مرحلة تقديم العطاءات - وليس مجرد اقتباس جداول سعة الحالة القياسية.

بالنسبة لمشروع طاقة الرياح في أوزبكستان المشار إليه هنا، كان المقطع العرضي المحدد 3 × 150 مم²، مطابقًا لمستوى الجهد 26/35 كيلو فولت. في ظل درجات الحرارة المحيطة بالموقع وظروف التثبيت، كان هامش السعة كافيًا لتلبية ملف تعريف الحمل المحدد من قبل معهد التصميم.

اختبار المصنع: ثلاث عمليات فحص لا ينبغي لمشتري EPC تخطيها

يعد تقرير اختبار المصنع الدليل الأكثر مباشرة على جودة الكابل. هذه الاختبارات الثلاثة إلزامية، ولا يمكن حذف أي منها.

مقاومة موصل العاصمة. وهذا يتحقق من أن المقطع العرضي الفعلي والموصلية يتوافقان مع المواصفات. يتم قياس كل مرحلة عند 20 درجة مئوية، ويجب ألا تتجاوز القيم المقاسة الحدود الواردة في الجدول 2 من المواصفة IEC 60502-2:2014 للمقطع العرضي والمواد المحددة. إذا أغفل تقرير اختبار المورد هذا العنصر، أو تضمنه ولكن لم يذكر الهامش مطلقًا، فيجب على المشترين أن يكونوا في حالة تأهب - حيث يعد تقليل قطر الموصل أو استخدام النحاس / الألومنيوم المعاد تدويره منخفض الجودة من الممارسات الشائعة بين الشركات المصنعة منخفضة التكلفة.

اختبار التفريغ الجزئي. هذا مقياس مباشر لنقاء العزل والتحكم في العملية. جهد الاختبار هو 1.73U₀، مع 10pC كحد قبول. بالنسبة لدرجات 35 كيلو فولت، تشير قيم PD المقاسة باستمرار والتي تقل عن 5pC إلى وجود رابط متقاطع ثابت ومواد نظيفة؛ يشير التباين الواسع من دفعة إلى دفعة أو القيم التي تقترب من حد 10pC إلى وجود تحكم غير متناسق في العملية.

اختبار تحمل جهد التيار المتردد. هذا هو التحقق النهائي من سلامة العزل بشكل عام. في اختبارات المصنع القياسية، يتم إخضاع الكابلات بقدرة 35 كيلو فولت إلى تيار متردد بقدرة 65 كيلو فولت لمدة 30 دقيقة - ولا يعتبر أي عطل هو معيار النجاح. تحدد المواصفة القياسية IEC 60502-2:2014 أيضًا اختبار تحمل 4U₀ لمدة 4 ساعات في مرحلة اختبار النوع - ويتم إجراء ذلك أثناء تأهيل المنتج، وليس على كل أسطوانة.

التكيفات البيئية لآسيا الوسطى والشرق الأوسط

وتطرح مشاريع الطاقة الجديدة في آسيا الوسطى والشرق الأوسط العديد من التحديات البيئية التي تختلف بشكل حاد عن تلك الموجودة في السهول الساحلية الشرقية للصين. ثلاثة مجالات تتطلب اهتماما خاصا أثناء الاختيار.

التقلبات الشديدة في درجات الحرارة. يؤدي التمدد الحراري والانكماش الدوري إلى الضغط على النهايات والمفاصل. يجب أن يتضمن الاختيار مراجعة لبيانات انكماش العزل الخاصة بالمورد والمتطلبات المحددة لتجريد الطبقة شبه الموصلة وتركيب مخروط الضغط. لقد تحولت بعض المشاريع بالفعل إلى نهايات الانكماش البارد المصبوبة مسبقًا بدلاً من أنواع الانكماش الحراري التقليدية لتقليل تأثير تقلب جودة التركيب على التكيف مع درجة الحرارة.

التعرض للرمل والغبار والأشعة فوق البنفسجية. يعمل الغلاف PVC على تسريع عملية الشيخوخة تحت أشعة الشمس الطويلة - ومن العلامات المرئية تشقق السطح وانتقال الملدنات. بالنسبة لتشغيل الكابلات فوق الأرض، حدد سمك الغلاف عند الطرف العلوي لتحمل IEC، أو قم بإضافة حماية ميكانيكية/أشعة فوق البنفسجية منفصلة.

التربة المالحة والقلوية. تتميز بعض مواقع المشاريع في آسيا الوسطى بتربة ذات درجة حموضة منخفضة (أقل من 6)، مما يؤدي إلى تآكل الدروع الشريطية الفولاذية بشكل ملحوظ. يمكن أن تكون معدلات التآكل في مثل هذه التربة ضعفين إلى ثلاثة أضعاف تلك الموجودة في التربة المحايدة. تشمل خيارات التخفيف ما يلي: تحديد طلاء مجلفن أثقل (≥275 جم/م² لكل جانب)، وإضافة طبقة PE مقذوفة فوق الشريط الفولاذي لإنشاء غلاف مركب، أو تضمين متطلبات اختبار رش الملح (على سبيل المثال، 240 ساعة بدون صدأ أحمر) في المواصفات الفنية.

إغلاق

إن اختيار كابلات الجهد المتوسط لا يعني سحب رقم الطراز من الكتالوج. يعتمد النحاس أو الألومنيوم على كثافة الحمل والميزانية. تم تسوية XLPE للعزل إلى حد كبير، ولكن مستويات التفريغ الجزئي هي ما يفصل الجيد عن المتوسط. يعتمد التسليح - سواء أضفته أم لا، ومقداره - على المخاطر الميكانيكية على طول مسار الكابل. تصنيف مثبطات اللهب يتبع قانون مكافحة الحرائق المحلي، وليس أعلى درجة متاحة. ويجب أن يعتمد حجم المقطع العرضي على بيئة الموقع الفعلية، مع تطبيق عوامل التصحيح، وليس على جداول سعة الحالة القياسية.

خلف كل خط تجميع 35 كيلو فولت جيد الأداء توجد مجموعة من المعايير الفنية التي تمت مطابقتها، بندًا بند، مع الظروف المحددة للمشروع.

البيانات الفنية ونتائج الاختبار المشار إليها في هذه المقالة مستمدة من تقارير اختبار المصنع الفعلية (التي تم تنفيذها وفقًا للمعيار IEC 60502-2:2014) لتوريد شركة Zhongdong Cable Manufacturing Co., Ltd لمشروع مزرعة رياح برية في أوزبكستان. للحصول على المساعدة في اختيار كابلات الجهد المتوسط لمشاريع الطاقة الجديدة في آسيا الوسطى والشرق الأوسط أو مناطق أخرى، نرحب بمقاولي EPC والمعاهد الهندسية للاتصال بنا للحصول على حسابات الحجم الخاصة بالمشروع ونسخ تقرير الاختبار التاريخي.

المراجع القياسية في هذه المقالة: IEC 60502-2:2014 كابلات الطاقة ذات العزل المبثوق وملحقاتها للجهود المقدرة من 1 كيلو فولت (Um=1.2kV) حتى 30 كيلو فولت (Um=36kV) - الجزء 2: الكابلات للجهود المقدرة من 6 كيلو فولت (Um=7.2kV) حتى 30 كيلو فولت (Um=36kV)