ما هو شيت حساب وتصميم قدرة المحولات الكهربائية وتيارات القصر؟
شيت حساب وتصميم قدرة المحولات الكهربائية وتحديد تيارات القصر وسعة القواطع (Electrical Transformer Sizing & Short Circuit Fault Level Calculation Sheet) هو أداة هندسية حسابية فائقة الأهمية لمهندسي التصميم الكهروميكانيكي (MEP) والمكاتب الفنية لشركات المقاولات، صُمم وفقاً لمعايير معهد مهندسي الكهرباء الأمريكي (IEEE 141 Red Book و IEEE 242 Buff Book) والكود الوطني للكهرباء (NEC 450) واشتراطات كود البناء السعودي للتركيبات الكهربائية (SBC 401) ودليل شركة الكهرباء السعودية (SEC).
يمثل اختيار سعة المحول الكهربائي حجر الزاوية في استقرار واستمرارية التغذية لكافة المنشآت الحيوية والأبراج والمجمعات التجارية. يتيح الشيت التحويل الدقيق من إجمالي الأحمال المتصلة (Connected Load kW) إلى أقصى حمل طلب فعلي (Maximum Demand Load) بتطبيق معاملات الطلب (Demand Factors) ومعامل القدرة لكل نوع حمل، ثم تطبيق معامل التباين الإجمالي للمبنى (Group Diversity Factor) للوصول إلى صافي حمل الذروة المتزامن (Net Coincident Peak kVA)، واختيار السعة الاسمية القياسية للمحول بما يضمن تشغيله عند نسبة تحميل مثالية (بين 75% إلى 80%) لإطالة عمر العوازل وتوفير طاقة احتياطية للتوسعات المستقبلية.
الأسس الفيزيائية لحساب تيارات القصر وفواقد الطاقة وتبديد الحرارة
يرتكز الشيت على ثلاثة محاور حسابية رئيسية:
حساب تيار الحمل الكامل وسعة المحول (Full Load Current - Ifl): يُحسب تيار الحمل الكامل على الجانب الثانوي ذي الجهد المنخفض (400 فولت بين الأطوار) وفق المعادلة الكهرومغناطيسية: $$I_{\text{fl}} = \frac{S_{\text{rated}} \times 1000}{\sqrt{3} \times V_L}$$ حيث $S_{\text{rated}}$ هي سعة المحول بالكيلو فولت أمبير (مثلاً 1500 kVA)، و $V_L$ هو جهد الخط (400 V)، ليكون تيار الحمل الكامل الاسمي حوالي 2,165 أمبير.
حساب تيار القصر المتماثل ثلاثي الأوجه (Symmetrical 3-Phase Short Circuit - Isc): في حال حدوث قصر كهربائي مباشر عند قضبان التوزيع الرئيسية (LV Busbars) للمحطة، تُحدد المعاوقة المئوية للمحول (Percentage Impedance - Z%) أقصى تيار عطل يمكن أن يمر، وفق معادلة IEEE: $$I_{\text{sc}} = \frac{I_{\text{fl}}}{Z%} = \frac{I_{\text{fl}}}{Z / 100}$$ ولمحول 1500 kVA بمعاوقة قياسية $Z = 6.0%$، يبلغ تيار القصر الأقصى: $$I_{\text{sc}} = \frac{2165.1}{0.06} = 36,085 \text{ A} \approx 36.1 \text{ kA}$$ وبناءً على هذه القيمة، يُلزم الكود باختيار قاطع هواء رئيسي (Air Circuit Breaker - ACB) بسعة قطع مقننة (Breaking Capacity - Icu) لا تقل عن تيار القصر مضافاً إليه معامل أمان 25%، أي قاطع بسعة قطع 50 kA أو 65 kA.
فواقد المحول وتبديد الحرارة وتكييف المحطة (Heat Dissipation & Substation HVAC): تنقسم فواقد المحول إلى فواقد قلب حديدي ثابتة ($P_0$) وفواقد نحاسية متغيرة تتناسب مع مربع التحميل ($P_k$). وتتحول هذه الفواقد الكهربائية بالكامل إلى طاقة حرارية داخل غرفة المحول. يقوم الشيت بحساب إجمالي الحرارة المتولدة بوحدة (BTU/h) وتحديد سعة التكييف والتبريد اللازمة بطن التبريد (Tons of Refrigeration - TR) للحفاظ على درجة حرارة الغرفة دون 35°م لحماية المحول من الفصل الحراري.