تخفيف مخاطر التفريغ في وحدات التوزيع الهوائية المعزولة بالهواء بجهد 12 كيلوفولت باستخدام تصميم درع التدرج
تتناول هذه الورقة الفاصل الأساسي لوحدة التوزيع الدائرية المركبة ذات العزل الهوائي من نوع معين بجهد 12 كيلوفولت، وتحليل توزيع المجال الكهربائي والتساوي حوله، وتقييم أداء العزل في هذا الموقع، وخفض مخاطر الانبعاثات وتحسين أداء العزل من خلال تحسين البنية، مما يوفر مرجعًا لتصميم العزل لأجهزة مشابهة.
1 بنية وحدة التوزيع الدائرية المركبة ذات العزل الهوائي
يظهر النموذج ثلاثي الأبعاد لوحدة التوزيع الدائرية المركبة ذات العزل الهوائي التي تم دراستها في هذه الورقة في الشكل 1. تتبنى الدائرة الرئيسية تكوينًا يجمع بين المفتاح الفراغي والمفتاح ذو الثلاثة مواقف، حيث يتم ترتيب المفتاح ذو الثلاثة مواقف على جانب الحافلة - أي أن المفتاح ذو الثلاثة مواقف يقع في الجزء العلوي من وحدة التوزيع الدائرية المركبة، بينما يتم تركيب المفتاح الفراغي في الجزء السفلي ببنية قطب محكم الإغلاق. بما أن المفتاح الفراغي مغلق داخل القطب، فإنه يتم عزله خارجيًا باستخدام راتنج الإبوكسي، الذي يتمتع بخصائص عزل أفضل بكثير من الهواء، وبالتالي يلبي متطلبات العزل.
بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام حواف مستديرة وتصميم قوس شعاعي في نقطة اللحام للحافلة الواصلة في القطب المحكم الإغلاق، مجتمعة مع ختم من مطاط السيليكون، مما يقلل بشكل فعال من مشكلة الانبعاثات الجزئية في هذا المنطقة. يتم تصميم المسافات العازلة بين الحافلات والأرض وفقًا للمعايير العازلة ذات الصلة وتحقق المتطلبات التنظيمية.
يعتمد الشفرة الفاصلة للمفتاح ذو الثلاثة مواقف على الهواء كوسط عازل. كمكون اتصال متحرك، يتضمن هيكله أجزاء معدنية مثل الدبابيس والربيع والأقراص الربيعية والحلقات لتزيد من ضغط الاتصال بين نقاط الفصل. ومع ذلك، بسبب الأشكال المعقدة لهذه الأجزاء المعدنية، يمكن أن يكون توزيع المجال الكهربائي غير متساوٍ للغاية، مما يؤدي إلى انبعاثات جزئية ومخاطر انهيار محتملة، مما يؤثر سلبًا على أداء العزل في هذا الموقع.
لذلك، يعد التصميم الكهربائي لهذا الهيكل أمرًا بالغ الأهمية. وفقًا لمتطلبات تصميم المنتج، يجب أن يتحمل الفاصل الفاصل الجهد القصير المتردد المحدد بـ 50 كيلوفولت، مع مسافة كهربائية مصممة الدنيا 100 ملم. نظرًا لتعقيد بنية الشفرة الفاصلة، يتم إضافة دروع تدرج على الجانبين من الشفرة لتحسين تساوي المجال الكهربائي وخفض الانبعاثات الجزئية. يظهر النموذج ثلاثي الأبعاد للمفتاح ذو الثلاثة مواقف في الشكل 2. تقوم هذه الورقة بإجراء تحليل محاكاة للمجال الكهربائي لهذا الفاصل الفاصل.
2 تحليل المحاكاة
تم استخدام برنامج العناصر المحدودة لإجراء محاكاة للمجال الكهربائي على وحدة التوزيع الدائرية المركبة، وتحليل توزيع قوة المجال الكهربائي عند الفاصل الفاصل تحت الجهد القصير المتردد المحدد 50 كيلوفولت. تم النظر في حالتين لمحاكاة المجال الكهروستاتيكي:
الحالة 1: يكون جانب الحافلة (جانب الاتصال الثابت للفصل) في الجهد المنخفض (0 فولت)، ويكون جانب الخط (طرف الشفرة الفاصلة) في الجهد العالي (50 كيلوفولت).
الحالة 2: يكون جانب الحافلة (جانب الاتصال الثابت للفصل) في الجهد العالي (50 كيلوفولت)، ويكون جانب الخط (طرف الشفرة الفاصلة) في الجهد المنخفض (0 فولت).
تم الحصول على توزيع المجال الكهربائي في موقع أعلى قوة مجال كهربائي من خلال المحاكاة. يظهر توزيع قوة المجال الكهربائي عند طرف الشفرة الفاصلة في الحالة 1 في الشكل 3، وتظهر التوزيع عند الاتصال الثابت للفصل في الحالة 2 في الشكل 4. في الحالة 1، يحدث أعلى قوة مجال كهربائي في نهاية درع التدرج، ويبلغ 7.07 كيلوفولت/ملم؛ وفي الحالة 2، يحدث أعلى قوة في حافة الزاوية للاتصال الثابت للفصل، ويبلغ قيمته 4.90 كيلوفولت/ملم.
قوة المجال الكهربائي الحرجة النموذجية للانهيار في الهواء هي 3 كيلوفولت/ملم. كما هو موضح في الشكل 3 والشكل 4، بينما تكون قوة المجال الكهربائي في معظم مناطق الفاصل الفاصل أقل من 3 كيلوفولت/ملم - وهو ليس كافيًا لإحداث الانهيار - فإن المناطق المحلية تتجاوز هذا العتبة، مما يؤدي إلى الانبعاثات الجزئية. عندما يتغير الهواء من حالة جافة إلى رطبة، تنخفض قدرته العازلة [10]، مما يقلل قوة المجال الكهربائي الحرجة الموحدة للانهيار إلى أقل من 3 كيلوفولت/ملم. بالإضافة إلى ذلك، يقلل توزيع المجال الكهربائي غير المتساوي للغاية من قوة المجال الكهربائي الحرجة للانهيار، مما يزيد من احتمالية ومخاطر الانهيار. للتخفيف من تأثير العوامل البيئية الخارجية على الوسط العازل الهوائي وتحسين التساوي في المجال، يقوم هذا البحث بتقييم درجة تساوي المجال الكهربائي ومستوى تحمل الجهد عبر الفاصل الفاصل، مما يشكل أساسًا لتحسين قدرة العزل للفاصل.
3 خصائص العزل الهوائي
3.1 تحديد معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي
في الواقع، لا يوجد مجال كهربائي مثالي تمامًا؛ جميع المجالات الكهربائية لها طبيعة غير متساوية. بناءً على معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي f، يتم تصنيف المجالات الكهربائية إلى نوعين: عندما يكون f ≤ 4، يعتبر المجال قليل التساوي؛ عندما يكون f > 4، يعتبر المجال غير متساوي بشدة. يتم تعريف معامل عدم التساوي f بأنه f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ، حيث Eₘₐₓ هي قوة المجال الكهربائي المحلية القصوى، والتي يتم الحصول عليها من القيمة القصوى في نتائج المحاكاة، وEₐᵥ هي قوة المجال الكهربائي المتوسطة، والتي يتم حسابها كنسبة الجهد المطبق على المسافة الكهربائية الدنيا.
من الشكل 3، Eₘₐₓ = 7.07 كيلوفولت/ملم وEₐᵥ = 0.5 كيلوفولت/ملم. لذلك، معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي عند الفاصل الفاصل هو f = 14.14 > 4، مما يشير إلى مجال كهربائي غير متساوي بشدة. في المناطق ذات المجالات الكهربائية غير المتساوية بشدة، يمكن حدوث انبعاثات جزئية مستقرة، وكلما زادت درجة عدم التساوي، كلما كان الانبعاث الجزئي أكثر وضوحًا وأكبر في الحجم. بالنسبة لوحدة التوزيع الدائرية المركبة بجهد 12 كيلوفولت، يجب أن يكون مجموع الانبعاثات الجزئية لكامل الخزانة أقل من 20 بيكومول [5،11]. لذا، يساعد تقليل معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي في تقليل مستوى الانبعاثات الجزئية.
3.2 تحديد تحمل الجهد للهواء
يؤثر معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي على تحمل الجهد للهواء الجاف. عندما يكون المجال قليل التساوي، يكون تحمل الجهد:
حيث يرمز U لتحمل الجهد؛ d تمثل المسافة الكهربائية الدنيا بين الأقطاب؛ k هو عامل موثوقية، يتراوح عادة بين 1.2 و1.5 بناءً على الخبرة؛ وE₀ يشير إلى قوة المجال الكهربائي الحرجة للغاز. في الواقع، تعتمد هذه القوة الحرجة على التكوين المحدد للأقطبين، وتختلف قوة الانهيار للهواء باختلاف بنية الأقطاب ومسافات الفصل. لأغراض التحليل المقارن، تستند هذه الورقة إلى E₀ = 3 كيلوفولت/ملم. كما يشير المعادلة (1)، يمكن زيادة المسافة الكهربائية الدنيا d وتقليل معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي f لتعزيز تحمل الجهد للوسط العازل الهوائي.
عند التعامل مع مجال كهربائي غير متساوي بشدة، للأقطاب ذات المسافة الكهربائية الدنيا ضمن نطاق 100 ملم، يتم حساب تحمل الجهد كما يلي:
في الصيغة، يمثل U50%(d) الجهد الانهياري بنسبة 50٪ للأقطاب تحت مسافة كهربائية محددة d أثناء اختبارات الصدمة البرقية. في المجالات الكهربائية غير المتساوية بشدة، هناك تشتت كبير في الجهود الانهيارية وتأخير طويل في زمن الانبعاث، مما يجعل الجهد الانهياري غير مستقر للغاية. في التطبيقات الهندسية العملية، يتم تحديد U50%(d) عن طريق إجراء العديد من اختبارات الصدمة البرقية وتحديد الجهد المطبق الذي يكون فيه احتمال الانهيار 50٪. هذه القيمة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ببنية المنتج وتساوي المجال الكهربائي. من المعلوم أن معامل عدم التساوي الأقل في المجال الكهربائي يؤدي إلى تشتت أقل في الجهد الانهياري، وارتفاع الجهد الانهياري، وبالتالي ارتفاع تحمل الجهد. لذا، فإن تقليل معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي مفيد لتعزيز تحمل الجهد للفاصل الفاصل.
4 تحسين البنية
لتحسين تساوي المجال الكهربائي حول طرف الشفرة الفاصلة وتقليل معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي، تم إجراء تحسين لبناء الدرع التدرج. تظهر نماذج الدرع التدرج قبل وبعد التحسين في الشكل 5، بينما يتم تقديم المقاطع العرضية في الشكل 6. كما هو موضح في الشكل 6، مقارنة بالتصميم السابق للتحسين، يتميز الدرع التدرج المحسن بطرف أسمك وأطراف مستديرة، مما يزيد من نصف قطر الزاوية من 0.75 ملم إلى 4 ملم. هذا التحسين يزيد من نصف قطر الانحناء، مما يعزز توزيع المجال الكهربائي بشكل أكثر تساويًا. يوضح الشكل 7 توزيع قوة المجال الكهربائي حول طرف الشفرة الفاصلة المحسن. من هذا الشكل، من الواضح أن أعلى قوة مجال كهربائي قد تقلصت إلى 3.66 كيلوفولت/ملم، وهو تقريبًا نصف قيمتها الأصلية، مما يشير إلى تحسين واضح.
وفقًا للصيغة المذكورة f=Emax/Eav، معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي بعد التحسين هو 7.32، وهو تقريبًا نصف قيمة ما قبل التحسين.
هذا يشير إلى تحسين كبير في تساوي المجال الكهربائي حول طرف الشفرة الفاصلة، مما يدل على أن التحسين البنائي كان فعالًا. يتم عرض مقارنة البيانات قبل وبعد تحسين الدرع التدرج في الجدول 1. كما هو موضح في الجدول 1، فإن بنية الدرع التدرج المحسنة تقلل فعليًا من مخاطر الانبعاثات الجزئية بين الفواصل الفاصلة. ومع ذلك، يظل المجال الكهربائي بين الفواصل الفاصلة غير متساوي بشدة، مما يعني أن تحمل الجهد لا يزال محددًا بواسطة U50%(d). يمكن تأكيد مدى التحسين في تحمل الجهد بشكل أكبر من خلال الاختبارات الميدانية.
5 التحقق التجريبي
لتأكيد فعالية تحليل المحاكاة، تم إجراء اختبارات الانبعاثات الجزئية على وحدة توزيع دائرية مركبة ذات عزل هوائي بجهد 12 كيلوفولت. تم إعداد ثلاثة نماذج أولية (رقم 1 إلى رقم 3). تم إجراء اختبارات الانبعاثات الجزئية أولاً مع تركيب الدروع التدرج الأصلية (قبل التحسين) على الشفرات الفاصلة لكل من الثلاثة وحدات. ثم تم تركيب الدروع التدرج المحسنة وإعادة إجراء الاختبارات. يتم تقديم بيانات الانبعاثات الجزئية الناتجة في الجدول 2.
كما هو موضح في الجدول، كانت مستويات الانبعاثات الجزئية قبل التحسين جميعها تتجاوز 20 بيكومول، بينما تم تقليلها بعد التحسين إلى أقل من 4.5 بيكومول. هذا يشير إلى أن بنية الدرع التدرج المحسنة تحسّن فعليًا أداء العزل لوحدة التوزيع الدائرية المركبة وتكشف عن صحة التحليل والمحاكاة السابقة.
6 الخلاصة
بناءً على تحليل المجال الكهربائي للفاصل الفاصل في وحدة التوزيع الدائرية المركبة ذات العزل الهوائي بجهد 12 كيلوفولت، تم استخلاص الاستنتاجات التالية:
نظرًا لأن قدرة العزل للهواء أقل من قدرة العزل لـ SF₆، فمن الضروري تحسين توزيع المجال الكهربائي لتعزيز أداء العزل عند استخدام الهواء كوسط عازل في المفاتيح ذات الثلاثة مواقف في وحدات التوزيع الدائرية المركبة.
بسبب التعقيد البنيوي للأجزاء المتحركة (الشفرات الفاصلة) في المفاتيح ذات الثلاثة مواقف في وحدات التوزيع الدائرية المركبة ذات العزل الهوائي، يمكن أن يكون توزيع قوة المجال الكهربائي في بعض المواقع غير متساوي بشدة. لتقليل هذا عدم التساوي، يمكن إضافة الدروع التدرج على الجانبين من الشفرة الفاصلة لحماية المناطق ذات المجالات الكهربائية العالية بالقرب من أجزاء الاتصال للشفرة، مما ينقل موقع قمة قوة المجال الكهربائي إلى نهايات الدروع التدرج. في هذه الدراسة، تم زيادة نصف قطر الانحناء في نهاية الدرع من 0.75 ملم إلى 4 ملم، مما قلل من قوة المجال الكهربائي المحلية القصوى ومعامل عدم التساوي في المجال الكهربائي إلى حوالي نصف قيمهما الأصلية، مما حقق التحسين المطلوب.
يؤثر تساوي توزيع المجال الكهربائي أو معامل عدم التساوي في المجال الكهربائي بشكل كبير على الانبعاثات الجزئية والانهيار. المجالات الكهربائية غير المتساوية بشدة تميل إلى إنتاج انبعاثات جزئية مستقرة (انبعاثات كورونا). في المجالات الكهربائية قليلة التساوي وغير المتساوية بشدة، كلما كان معامل عدم التساوي أكبر، كان تحمل الجهد بين الأقطاب أقل.
