تحليل مقارن عميق: أوضاع فشل العزل وحدود الأمان لمفاتيح الدائرة ذات الخزان الميت مقابل ذات الخزان الحي

يهدف هذا البحث إلى استكشاف آليات فشل العزل وحدود الأمان للمقاطع الكهربائية ذات الخزان الميت (DT) والخزان الحي (LT) من منظوري الفيزياء الديالكتريكي والتوتر الكهربائي.

1. الاعتماد على الوسائط الديالكتريكية: المتغيرات الداخلية للأنظمة المغلقة مقابل المتغيرات البيئية للأنظمة المفتوحة

تتركز الفرق الأساسي بين تصميمات DT و LT في درجة اعتماد وسائل العزل الرئيسية على الظروف الخارجية.

1.1 الخزان الميت (DT): العزل المعتمد على الحالة بناءً على كثافة SF6 

وهو الغاز الرئيسي لعزل المقاطع الكهربائية ذات الخزان الميت هو غاز SF6. قوة العزل الديالكتريكية ليست قيمة ثابتة بل هي مرتبطة بشكل قوي وإيجابي بكثافة الغاز (الضغط × النقاء). وهذا يحدد أن مستوى عزل المقاطع الكهربائية ذات الخزان الميت هو متغير ديناميكي:

• حساسية الضغط: مع انخفاض ضغط الغاز، تمر قوة التحلل المجال الكهربائي بانحسار غير خطي. بمجرد أن ينخفض الضغط عن حد حرج، ينهار هامش العزل بسرعة.
• الاستقرار الكيميائي: يزيد محتوى الرطوبة من عملية الهيدروليز، مما يؤدي إلى إنتاج مواد مؤكسدة مثل HF (فلوريد الهيدروجين) بينما يقلل في الوقت نفسه من جهد الانفجار السطحي.
• تأثير الجسيمات: حركة الجسيمات المعدنية الداخلية تحت تأثير المجال الكهربائي هي الزناد الرئيسي لتشوه المجال المحلي، مما يؤدي في النهاية إلى التحلل. وبالتالي، فإن سلامة العزل للمقاطع الكهربائية ذات الخزان الميت تعتمد على متطلبات صارمة لـ "سلامة النظام المغلق"، مما يمثل خطرًا داخليًا.

صورة فعلية لـ RHD-230 Dead-Tank SF6 Circuit Breaker

1.2 الخزان الحي (LT): العزل المعتمد على البيئة بناءً على الهواء والأجسام الصلبة

المقاطع الكهربائية ذات الخزان الحي تعتمد على الفجوات الهوائية والعوازل البورسلينية أو المركبة (العزل الصلب) لقوة العزل الديالكتريكية. يتم تحديد الخط الأساس لديها بواسطة ظروف الجو المحيط:

• الخط الأساس الثابت: لا تعتمد العزل الهوائي على بيئة مغلقة؛ لذا لا يوجد خطر فشل العزل بسبب تسرب الوسط.
• خصائص السطح: يعتمد مستوى العزل بشكل أساسي على المسافة الزاحفة وظروف الجو (الرطوبة، التلوث). بينما يعتبر التفريغ الناجم عن التلوث الخطر الرئيسي، إلا أنه خطر خارجي يتطور ببطء ويكون عادة مرئيًا (مثل علامات تتبع، التفريغ الصوتية).

صورة فعلية لـ RHB-40.5 Live-Tank SF6 Circuit Breaker

2. الجوهر الكهربائي لممرات التحلل: الاختلافات الطبيعية في مسافة العزل الخارجي

تتطلب الافتراض المبسط لـ "هوية نقطة التحلل" (أن كلاهما ينتهي بالارض) تصحيحًا دقيقًا من الناحية الفيزيائية. رغم أن النقطة المرجعية الكهربائية النهائية لكلاهما هي جهد الأرض، فإن مسافة العزل من المكونات عالية الجهد إلى الأرض (ومساحات نشاط الأفراد) تختلف بشكل أساسي.

2.1 الميزة الهندسية للخزان الحي: وضع عالي المستوى وممرات زحف طويلة

تحدد بنية المقاطع الكهربائية ذات الخزان الحي أن مكوناتها عالية الجهد (المقاطع والموصلات) تكون موضعًا في ارتفاع كبير، معزولة عن الأرض بواسطة عوازل داعمة طويلة. توفر هذه التصميم هامش عزل موضوعي:

• مزايا المسافة الهوائية: المسافة من المحطات ذات الجهد العالي إلى الأرض أكبر بكثير في LT مقارنة بـ DT. حتى لو حدثت انفجار خارجي، فإن قناة القوس تبدأ في ارتفاع عالٍ، ويتم تخفيف خطر الصعق المباشر للأشخاص (جهد اللمس/الخطوة) بشكل كبير بواسطة قانون التربيع العكسي للمسافة.
• الهيمنة على العزل الخارجي: غالبًا ما يظهر فشل العزل في LT كانهيار الفجوة الهوائية الخارجية أو الانفجار السطحي. نظرًا لأن العازل (الهواء) مفتوح وذو القدرة على التعافي الذاتي، ومسار العطل بعيد عن الأرض، فإن تأثير رفع الجهد الأرضي (GPR) ضعيف نسبيًا. الخطر الرئيسي هو الإشعاع الحراري والصدمة الناتجة عن القوس بدلاً من الضربة المباشرة عبر نظام التأريض.

2.2 القيود الهندسية لـ DT: وضع منخفض المستوى والفجوات القصيرة

في تصميم DT، يتم تغليف الموصل ذو الجهد العالي داخل خزان معدني مأرضي يقع قريبًا جدًا من الأرض.

• مسافة استبدال الوسائط: تتخلّى مفاتيح DT عن المسافة الهوائية الفعلية مقابل قوة العزل العالية لغاز SF6. ومع ذلك، إذا كان ضغط الغاز غير كافٍ أو تدهور العزل الداخلي، فإن المسافة القصيرة بين الموصل ذو الجهد العالي وقشرة الخزان (الأرض) تعني أن خطر الانهيار يتصرف مباشرة على المعدات الموجودة على مستوى الأرض.
• المخاطر المهيمنة برفع الجهد الأرضي (GPR): يظهر أي انهيار للعزل في مفتاح DT (سواء كان موصل داخلي إلى الخزان أو غلاف إلى الفلانجة) كدائرة قصر مباشرة إلى المظلة المعدنية المأرضية. يتم حقن تيار العطل مباشرة في شبكة التأريض دون التقليل المقدم بواسطة المسار الهوائي الطويل، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد وفوري في الجهد المحتمل للخزان والأسطح المحيطة (GPR). هذا GPR ذو المقاومة المنخفضة والمبنية على القرب هو التهديد الأكثر مباشرة وأكثر خطورة على الأشخاص.

3. تحديد الحدود الأمنية

3.1 حدود الأمان لـ DT: حالة الوسط والقوة الميكانيكية

تحدد حدود الأمان لمفتاح DT بواسطة عاملين:

• حدود العازل: منحنى الكثافة-درجة الحرارة لغاز SF6. بمجرد أن ينخفض نقطة التشغيل تحت الضغط الوظيفي الأدنى، يتم اختراق حدود الأمان العازلة.
• الحد الميكانيكي: القوة الميكانيكية للخزان وقنوات التفريغ الضاغط. يعتبر الخطأ الداخلي للأقواس (IAC) هو أشد أوضاع فشل العزل لـ DT؛ يتم حبس إطلاق الطاقة بواسطة الوعاء المعدني ويجب توجيهها عبر فوهات التفريغ المحددة لمنع التفكك الميكانيكي.

3.2 حدود الأمان لـ LT: مستوى العزل الخارجي وقوة المجال السطحي

تعتمد حدود الأمان لمفتاح LT بشكل أساسي على:

• المسافة الهوائية: الالتزام بمستويات العزل الأساسية (BIL) ومستويات العزل أثناء التحويل (SIL). بسبب وضعه المرتفع، تكون هامش الأمان أعلى عمومًا من المسافة الأرضية لمفتاح DT بنفس فئة الجهد.
• مسافة الزحف: طول سطح العازل المصمم لمستويات التلوث المحددة.
• جهد الانفجار الجاف/الرطب: في الأحوال الجوية السيئة، تنخفض قوة المجال للفجوة الهوائية، مما يشكل الصلة الضعيفة في حدود الأمان.

4. الخاتمة

من منظور تصميم العزل الخالص، تمثل مفاتيح DT وLT فلسفيتين مختلفتين لتحكم المخاطر، مع اختلافات موضوعية في هامش العزل على مستوى الأرض:

• تمتلك مفاتيح LT ميزة طبيعية في العزل الخارجي: عن طريق وضع المكونات ذات الجهد العالي في ارتفاع عالٍ، يستخدمون المسافة الهوائية كحاجز أمان أساسي للأشخاص على الأرض. غالباً ما تكون حالات فشل العزل انفجارات خارجية مرئية، ويتم تخفيف خطر رفع الجهد الأرضي (GPR) بواسطة المسافة.
• تعتمد مفاتيح DT على تعويض الوسائط الاصطناعية: لتعويض نقص مسافة العزل بسبب وضعها على مستوى الأرض، يجب استخدام غاز SF6 عالي القوة. هذا يجعل سلامة العزل تعتمد بشكل كبير على حالة الوسط (الضغط، النقاء). إذا حدث الانهيار، يعمل الطاقة مباشرة على نظام التأريض، مما يشكل خطر صعق أعلى بكثير للأشخاص على الأرض مقارنة بمفاتيح LT.

الخاتمة المُصَّغَّرة: إن الحجة القائلة بأن "المخاطر متطابقة لأن نقطة الفشل هي نفسها" خاطئة. من خلال تكوينها المرتفع، تمتلك مفصلات LT هامشًا طبيعيًا في العزل الخارجي لا يمكن لمفصلات DT تقليده. يكمن الخطر الداخلي لـ DT في أن فشل العزل الداخلي (نظام SF6) يؤدي إلى ضرب حدود السلامة على مستوى الأرض دون أي وسادة.
تم التحرير بواسطة:ChengMing Chen