فهم وإدارة الأعطال في وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالنيتروجين

1. أعطال نظام الغاز

أحد أهم أنواع الأعطال في الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة يتعلق بنظام الغاز، ويتعلق بشكل أساسي بتسرب الغاز وتشوهات الضغط. ينبع تسرب الغاز في الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالنيتروجين بشكل رئيسي من تقادم المواد المانعة للتسرب والعواقب السلبية لعمليات اللحام. تشير الإحصائيات إلى أن حوالي 65% من أخطاء تسرب الغاز مرتبطة بتقادم الحلقات المطاطية، بينما يسبب نقص في عملية اللحام حوالي 30%. لا يؤثر تسرب الغاز فقط على أداء العزل ولكنه يمكن أن يؤدي أيضًا إلى مشاكل سلامة تحت ظروف قصوى. عندما يزيد تركيز النيتروجين مما يؤدي إلى انخفاض نسبة الأكسجين في البيئة إلى أقل من 19.5%، قد يحدث الاختناق مما يشكل تهديدًا لسلامة الأفراد.

تشكل تشوهات الضغط نوع آخر شائع من الأعطال، وتنتج بشكل أساسي من فشل في تنظيم صمامات التحكم الكهرومغناطيسية أو فشل في الختم. يتم الحفاظ على ضغط التشغيل للوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالنيتروجين عادةً بين 0.12 و 0.13 ميجا باسكال، مع عدم تجاوز الضغط المطلق المحدد 0.2 ميجا باسكال. عند انخفاض الضغط إلى أقل من 90% من القيمة المحددة (حوالي 0.11 ميجا باسكال)، ينخفض أداء العزل للنظام بشكل كبير، مما يتطلب إعادة التعبئة أو الصيانة على الفور. تحت ظروف النبضات الكهربائية ذات الجهد العالي، تظهر قوة العزل الكهربائي للنيتروجين "ظاهرة القمة" حيث يكون العلاقة بين الضغط وقوة العزل خطية فقط في المجالات الكهربائية الموحدة أو غير الموحدة قليلاً، مما يجعل السيطرة على الضغط أكثر تعقيدًا.

للتغلب على أعطال نظام الغاز، تجهز الوحدات الرئيسية الدائرية الصديقة للبيئة الحديثة عادة بأنظمة مراقبة غاز متقدمة، بما في ذلك مستشعرات الضغط وأجهزة اكتشاف تسرب الغاز وأجهزة مراقبة الرطوبة. على سبيل المثال، تتيح تقنية الاستشعار اللاسلكي مراقبة متعددة الأبعاد في الوقت الفعلي للحرارة والضغط والتسرب ومحتوى الرطوبة داخل الغرفة الغازية، مما يعزز بشكل كبير قدرات التحذير من الأعطال. تظهر التطبيقات العملية أنه يمكن لتثبيت مثل هذه الأنظمة تخفيض معدلات الأعطال بسبب تسرب الغاز بنسبة تزيد عن 75% وتوسيع دورة الصيانة للمعدات إلى 3-5 سنوات.

2. أعطال مرتبطة بالمجال الكهربائي

التوصيل الجزئي والفشل الناجم عن توزيع المجال الكهربائي غير المنتظم يشكلان الفئة الثانية الكبرى من الأعطال في الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة. وهذا يعود بشكل أساسي إلى حقيقة أن قوة العزل الكهربائي للنيتروجين هي حوالي ثلث قوة العزل الكهربائي لغاز SF₆. في المجالات الكهربائية غير المنتظمة، ينخفض أداء العزل الكهربائي للنيتروجين بشكل كبير مما يجعله عرضة للظاهرة التوصيلية.

تشمل التظاهرات الخاصة بأعطال المجال الكهربائي التوصيل في براغي اتصال المآخذ، والتقوس الكهربائي حول الأفلام، والتوصيل السطحي على العوازل. تشير الأبحاث إلى أن كثافة المجال الكهربائي القصوى في نقاط هذه الأعطال يمكن أن تصل إلى 5.4 كيلوفولت/ملم، وهو ما يتجاوز بكثير حدود الأمان. على سبيل المثال، يمكن لتثبيت أغطية التغطية على رؤوس البراغي تقليل كثافة المجال الكهربائي إلى 2.3 كيلوفولت/ملم، مما يقلل بشكل كبير من خطر التوصيل.

تعود أسباب أعطال المجال الكهربائي بشكل أساسي إلى ثلاثة عوامل: أولاً، قوة العزل الكهربائي المنخفضة للنيتروجين (حوالي ثلث قوة العزل الكهربائي لغاز SF₆)، مما يتطلب تصميم مجال كهربائي أكثر دقة؛ ثانياً، البنية الداخلية المعقدة للغرفة الغازية التي تشكل بسهولة نقاط تركيز المجال الكهربائي؛ وثالثاً، التصميم المدمج للوحدات الرئيسية الدائرية الصديقة للبيئة الذي يحتوي عادة على مسافات أقل بين الأطوار مقارنة بالمعدات التقليدية، مما يفاقم عدم التجانس في المجال الكهربائي. في الوحدات الرئيسية الدائرية الصديقة للبيئة، تكون المسافة الهوائية بين الموصلات والأطوار أو الأرض عادة لا تتجاوز 125 ملم، وهي أقل بكثير من أكثر من 350 ملم في الوحدات المعزولة بغاز SF₆، مما يجعل السيطرة على المجال الكهربائي مهمة بشكل خاص.

يتطلب التعامل مع مشاكل المجال الكهربائي تحسين التصميم. يمكن تقليل خطر التوصيل الجزئي من خلال استخدام أكمام العزل ذات الجهد المتساوي وتحسين أشكال المآخذ وأفلام التصميم عبر محاكاة المجال الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر زيادة نصف قطر الزاوية R للأقطاب واستخدام الأسلاك المستديرة لتقليل معامل عدم التجانس في المجال الكهربائي طرقًا فعالة أيضًا. أثناء التصنيع، يجب التأكد من أن كثافة المجال الكهربائي السطحي للأجزاء الحية والعوازل تتوافق مع المتطلبات القياسية، خاصة فيما يتعلق بتحكم التوصيل الجزئي في مكونات راتنج الإبوكسي.

3. الأعطال الناجمة عن مشاكل التبريد

النوع الثالث الرئيسي من الأعطال التي تواجه الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة هو الزيادة الحرارية بسبب عدم كفاية التبريد. تعتبر قدرة النيتروجين على التبريد أقل بكثير من قدرة غاز SF₆، وهو خصائص يبرز بشكل خاص تحت ظروف التشغيل ذات الحمل المرتفع. عندما يتجاوز التيار 2100 أمبير، تصبح قدرة التبريد للوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالنيتروجين غير كافية، مما يؤدي بسهولة إلى تقادم مواد العزل وإخفاقات في الاتصالات.

تشمل التظاهرات الخاصة بعدم كفاية التبريد زيادة حرارة مفاصل الكابلات، وارتفاع درجة الحرارة في اتصالات الخطوط الأمامية، واحتراق مواد العزل. على سبيل المثال، تم تحليل حادث خطير يتعلق بحريق مفصل كابل ووجد أنه نتج عن مزيج من ممارسات التركيب السيئة وعدم كفاية التبريد. في التشغيل طويل الأمد، يؤدي الاحترار إلى تدهور أداء مواد العزل، مما يخلق دورة مفرغة تؤدي في النهاية إلى قصر الدائرة أو الانفجار.

تعود أسباب مشاكل التبريد بشكل أساسي إلى ثلاثة جوانب: أولاً، أن قابلية التوصيل الحراري للنيتروجين هي فقط ربع قابلية التوصيل الحراري لغاز SF₆، مما يؤدي إلى قابلية توصيل حراري ضعيفة؛ ثانيًا، يحد التصميم المدمج للوحدات الرئيسية الدائرية الصديقة للبيئة من مساحة الغرفة الغازية، مما يحد من التبريد الطبيعي بواسطة التدفق الحراري؛ وثالثًا، يكون من الصعب تبديد الحرارة الناتجة أثناء التشغيل تحت الحمل المرتفع بشكل فعال، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة المحلية.

في السنوات الأخيرة، ظهرت حلول مبتكرة مختلفة لمعالجة مشاكل التبريد. يمكن أن تقلل طلاءات التبريد بالإشعاع من درجة حرارة سطح الوحدات الرئيسية الدائرية بمقدار 30.9 درجة مئوية خلال النهار، وتوفر خصائص ميكانيكية جيدة ومعاومة الشيخوخة والصدأ. تم تطوير أجهزة تبريد ذكية وجفاف تعمل بشكل متناسق باستخدام المراوح وجفاف الهواء، والتي يمكن أن تقلل من درجة حرارة الوحدات الرئيسية الدائرية بنسبة 40% وترطيب بنسبة 58%، مما يحل بشكل فعال مشاكل عدم كفاية التبريد. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر تحسين تصميم التهوية للغرفة الغازية واستخدام مواد العزل ذات القابلية الحرارية العالية طرق تحسين شائعة.

4. أعطال المكونات الميكانيكية

النوع الرابع الشائع من الأعطال في الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة هو فشل المكونات الميكانيكية، ويشمل بشكل أساسي توقف الآليات التشغيلية، وارتداء أجزاء النقل، وتقادم المكونات المانعة للتسرب. رغم أن تصميم الغرفة الغازية المغلقة يقلل من تأثير البيئات الرطبة على المكونات الميكانيكية، إلا أن الختم الطويل الأمد قد يؤدي أيضًا إلى تراكم الرطوبة الداخلية، مما يؤثر على موثوقية الآليات التشغيلية.

تشمل التظاهرات الخاصة بالأعطال الميكانيكية عدم القدرة على الفتح والإغلاق، وتوقف الربيع، وارتداء مسامير المحور. على سبيل المثال، تم تسجيل عدة حالات لوقف الآليات التشغيلية بسبب تقادم المكونات الميكانيكية، والتي تكون عادة مرتبطة بفترات طويلة من الخمول أو الصيانة غير الكافية. في المعدات الصديقة للبيئة، قد تكون الأعطال الميكانيكية أيضًا مرتبطة بالمساحة الداخلية المدمجة للغرفة الغازية وتخطيط المكونات المعقد.

تعود أسباب الأعطال الميكانيكية بشكل أساسي إلى: أولاً، قد يؤثر الختم الطويل الأمد على حالة التشحيم للآليات التشغيلية؛ ثانيًا، يزيد التصميم المدمج من صعوبة التركيب وتعقيد الصيانة للمكونات الميكانيكية؛ وثالثًا، تتطلب المعدات الصديقة للبيئة متانة ميكانيكية أعلى لتحمل مخاطر تشوه الغرفة الغازية.

تعتبر تحسين استراتيجيات التشحيم مفتاحًا لمعالجة أعطال المكونات الميكانيكية. يُنصح باستخدام زيوت التشحيم القائمة على البولي يوريثيا (مثل زيت Kl)، والتي توفر مرونة عالية ومقاومة للحرارة (-40 درجة مئوية إلى +120 درجة مئوية) ومقاومة للقوس الكهربائي وعمر خدمة طويل (أكثر من 10 سنوات). بالإضافة إلى ذلك، تعتبر الصيانة الدورية (مثل استبدال الزيوت كل 3 سنوات) وتجنب استخدام زيوت التشحيم غير المتوافقة (مثل زيوت الكالسيوم أو الصوديوم) أيضًا إجراءات مهمة لمنع الأعطال الميكانيكية.