1. التعريف والمبادئ الأساسية

المحول عالي الجهد هو جهاز كهربائي ثابت يرفع أو يخفض جهد التيار المتردد من خلال الحث الكهرومغناطيسي. وظيفته الأساسية هي رفع الكهرباء منخفضة الجهد (مثل 10 كيلو فولت) التي تولدها محطات الطاقة إلى جهود فائقة (أعلى من 110 كيلو فولت) لنقلها لمسافات طويلة، ثم خفضها إلى مستويات آمنة للاستخدام (مثل 220 فولت) للمستخدمين النهائيين. تعتمد هذه العملية على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي الحث الكهرومغناطيسي : عندما يتدفق التيار المتردد عبر الملف الابتدائي، يُنتج تدفقاً مغناطيسياً متردداً في القلب، مما يُحث قوة دافعة كهربائية (EMF) في الملف الثانوي. نسبة الجهد تتبع بدقة صيغة نسبة اللفات (U₁/U₂ = N₁/N₂). على سبيل المثال، إذا كان للملف الابتدائي 1000 لفة وللثانوي 10000 لفة، فإن جهد الخرج يزداد عشر مرات.

2. تحليل الهيكل الأساسي

(1) القلب
مصنوع من شرائح رقيقة من الصلب السيليكوني عالي النفاذية بسمك 0.23–0.35 مم ومطلية بطلاء عازل لتقليل فقدان التيارات الدوامية. تستخدم القلوب الحديثة تصميم 'متدرج التداخل'، مما يقلل المقاومة المغناطيسية بنسبة 30٪ وفقدان الحمل الخالي بنسبة 15٪

(2) الملفات

· الملف الابتدائي : عادةً ما يُلف بسلك نحاسي مجدول لتحمل الفولتية العالية (حتى 1000 كيلوفولت)، ويتميز بمقاطع موصل رقيقة ولكن طبقات عازلة تتجاوز 5 مم.

· الملف الثانوي : يستخدم النحاس المجدول المستمر لتطبيقات الجهد المنخفض والتيار العالي، مع مساحات مقطعية تصل إلى 10 أضعاف تلك الخاصة بالملف الابتدائي.

(3) أنظمة التبريد

· مغموس بالزيت : يعمل زيت المحولات في دورين كعزل (قوة عازلية ≥30 كيلو فولت/مم) ومبرد، مع الحفاظ على درجات حرارة الزيت أقل من 85°م.

· جاف النوع : يستخدم عزل ورق النومكس مع تبريد هواء قسري أو SF₆، مثالي للبيئات الحساسة مثل مترو الأنفاق ومراكز البيانات

3. التصنيف والتطبيقات

في مشروع التيار المستمر عالي الجهد ±800 كيلو فولت على هضبة التبت، تعمل المحولات في درجة حرارة -40°م وارتفاع 4500 متر. تمنع تقنيات تعبئة الزيت بالفراغ وتعويض تمدد النيتروجين تصلب زيت العزل، مما يضمن أداءً مستقراً للشبكة.

4. التحديات التقنية والابتكارات

(1) التحكم في الفقد
تستخدم المحولات الحديثة قلوب سبائك لابلورية (1/5 من فقد الحديد للحديد السيليكوني) والتحكم الذكي في الجهد مدعومًا بالذكاء الاصطناعي، مما يقلل الفقد بدون حمل إلى <15 كيلوواط/10 ميغا فولت أمبير. تفرض أحدث معايير الشبكة الكهربائية الوطنية كفاءة ≥98% لمحولات 110 كيلو فولت.

(2) اختراقات في العزل
يحقق التشريب بالفراغ براتنج الإيبوكسي مستويات تفريغ جزئي أقل من 5 بيكو كولوم. تتميز محولات ±1100 كيلو فولت بمواسعات مجزأة بمسافات زحف 7.2 متر.

(3) الترقيات الذكية
تمكن أجهزة استشعار درجة الحرارة بالألياف الضوئية المتكاملة (دقة ±0.5°م)، ومراقبات الاهتزاز (أخذ عينات 10 كيلو هرتز)، وخوارزميات الذكاء الاصطناعي من دقة تنبؤ بالأعطال >92%. قامت شبكة كهرباء جنوب الصين بنشر أنظمة التوأم الرقمي في 2000 محول.

5. بروتوكولات الصيانة والسلامة

· الاختبارات الدورية : اختبارات مقاومة العزل كل 3 سنوات (المعيار >1000 ميغا أوم)، انحراف مقاومة التيار المستمر لللف <2%.

· كروماتوغرافيا الزيت : مراقبة مستويات H₂ و CO؛ الزيادات في إجمالي الهيدروكربون >10% تسبب إيقافاً فورياً.

· الحماية من الصواعق : تركيب واقيات 10 كيلو أمبير بمقاومة تأريض ≤4 أوم.

6. الاتجاهات المستقبلية

مع تزايد اعتماد الطاقة المتجددة، تتطور محولات الجهد العالي نحو تصاميم وحداتية (أوقات تركيب أقصر بنسبة 60%)، التوصيلات متعددة النهايات (دعم عمليات VSC-HVDC المتوازية)، و تتبع البصمة الكربونية (انخفاض انبعاثات دورة الحياة بنسبة 40%). بحلول عام 2030، من المتوقع أن يتجاوز السوق العالمي 80 مليار دولار، مع مساهمة الصين بأكثر من 45% من الطلب.