درک و مدیریت خرابی‌ها در واحدهای اصلی حلقه‌ای عایق‌شده با نیتروژن

1. خطاهای سیستم گاز

نوع مهم‌ترین خطا در واحد‌های حلقه اصلی عایق‌بندی گازی دوستانه با محیط، مربوط به سیستم گاز است که عمدتاً شامل روندک گاز و ناهماهنگی فشار می‌شود. روندک گاز در واحد‌های حلقه اصلی با عایق‌بندی نیتروژن عمدتاً ناشی از پیری مواد پوششی و نقصان در فرآیند جوشکاری است. آمار نشان می‌دهد که حدود 65٪ از خطاها مرتبط با پیری حلقه O و 30٪ ناشی از جوشکاری نامناسب است. روندک گاز نه تنها عملکرد عایق‌بندی را تحت تأثیر قرار می‌دهد بلکه در شرایط حدی می‌تواند مشکلات ایمنی ایجاد کند. هنگامی که غلظت نیتروژن افزایش یافته و سطح اکسیژن در محیط زیر 19.5٪ برسد، خفگی ممکن است رخ دهد که تهدیدی برای ایمنی کارکنان است.

ناهماهنگی فشار نیز یکی از خطاهای رایج دیگر است که عمدتاً ناشی از خرابی تنظیمات شیر الکترومغناطیسی یا نشت پوششی است. فشار کاری واحد‌های حلقه اصلی با عایق‌بندی نیتروژن معمولاً بین 0.12 تا 0.13 مگاپاسکال حفظ می‌شود و فشار مطلق نامیده شده نباید بیش از 0.2 مگاپاسکال باشد. هنگامی که فشار زیر 90٪ از مقدار نامیده (تقریباً 0.11 مگاپاسکال) برسد، عملکرد عایق‌بندی سیستم به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و نیاز به شارژ مجدد یا تعمیر فوری دارد. در شرایط ضربه فشار بالا، مقاومت الکتریکی نیتروژن "پدیده کوه" را نشان می‌دهد که رابطه بین فشار و مقاومت عایق‌بندی فقط در میدان‌های الکتریکی یکنواخت یا کمی ناهموار خطی است و این موضوع کنترل فشار را پیچیده‌تر می‌کند.

برای رفع خطاهای سیستم گاز، واحد‌های حلقه اصلی مدرن دوستانه با محیط معمولاً با سیستم‌های پیشرفته نظارت گازی مجهز شده‌اند که شامل سنسورهای فشار، آشکارسازهای نشت گاز و ماژول‌های نظارت رطوبت هستند. به عنوان مثال، فناوری حسگر بی‌سیم امکان نظارت چندبعدی و زنده بر دمای، فشار، نشت و محتوای رطوبت داخل کámara گازی را فراهم می‌کند و قابلیت هشدار دهی خطا را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. کاربردهای عملی نشان می‌دهد که نصب چنین سیستم‌های نظارتی می‌تواند نرخ خطاها مربوط به نشت گاز را بیش از 75٪ کاهش دهد و دوره‌های تعمیر و نگهداری تجهیزات را به 3-5 سال تمدید کند.

2. خطاهای مربوط به میدان الکتریکی

انتشار جزئی و شکست ناشی از توزیع ناهموار میدان الکتریکی دومین دسته اصلی از خطاهای واحد‌های حلقه اصلی عایق‌بندی گازی دوستانه با محیط است. این موضوع عمدتاً به این دلیل است که مقاومت عایق‌بندی نیتروژن فقط حدود یک‌سوم مقاومت SF₆ است. در میدان‌های الکتریکی ناهموار، عملکرد عایق‌بندی نیتروژن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و آن را مستعد پدیده‌های انتشار می‌کند.

نشانه‌های خاص خطاهای مربوط به میدان الکتریکی شامل انتشار در پیچ‌های اتصال بوشینگ، تحریف میدان الکتریکی در اطراف فلانژ‌ها و فلاش‌های سطحی روی عایق‌ها است. تحقیقات نشان می‌دهد که شدت میدان الکتریکی در این نقاط خطا می‌تواند به 5.4 کیلوولت بر میلی‌متر برسد که به طور قابل توجهی از آستانه‌های ایمنی فراتر می‌رود. به عنوان مثال، نصب پوشش‌های محافظ روی سر پیچ‌ها می‌تواند شدت میدان الکتریکی را به 2.3 کیلوولت بر میلی‌متر کاهش دهد و خطر انتشار را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

دلایل خطاهای میدان الکتریکی عمدتاً شامل سه عامل است: اول، مقاومت عایق‌بندی پایین نیتروژن (حدود یک‌سوم SF₆) که طراحی دقیق‌تر میدان الکتریکی را می‌طلبد؛ دوم، ساختار داخلی پیچیده کámara گازی که به راحتی نقاط تمرکز میدان الکتریکی ایجاد می‌کند؛ و سوم، طراحی فشرده واحد‌های حلقه اصلی دوستانه با محیط که معمولاً فواصل فاز به فاز کوچک‌تری نسبت به تجهیزات سنتی دارند و ناهمواری میدان الکتریکی را تشدید می‌کنند. در واحد‌های حلقه اصلی دوستانه با محیط، فاصله هوایی بین هادی‌ها و فازها یا زمین معمولاً نباید بیش از 125 میلی‌متر باشد که به طور قابل توجهی کوچک‌تر از 350 میلی‌متر در واحد‌های عایق‌بندی شده با SF₆ است و کنترل میدان الکتریکی به ویژه مهم است.

حل مشکلات میدان الکتریکی نیاز به بهینه‌سازی طراحی دارد. استفاده از مانتل‌های عایق‌بندی هم‌پتانسیل و بهینه‌سازی شکل بوشینگ‌ها و طراحی فلانژ‌ها از طریق شبیه‌سازی میدان الکتریکی می‌تواند خطر انتشار جزئی را کاهش دهد. علاوه بر این، افزایش شعاع گوشه‌های الکترود (زاویه R) و استفاده از هادی‌های دایره‌ای برای کاهش ضریب ناهمواری میدان الکتریکی نیز روش‌های مؤثری هستند. در طول فرآیند تولید، ضروری است که شدت میدان الکتریکی سطحی اجزای زنده و عایق‌ها به استانداردهای مورد نیاز برسد، به ویژه کنترل انتشار جزئی اجزای رزین اپوکسی.

3. خطاهای ناشی از مشکلات تخلیه حرارت

سومین نوع اصلی خطا که واحد‌های حلقه اصلی عایق‌بندی گازی دوستانه با محیط با آن مواجه هستند، گرم شدن زائد ناشی از تخلیه حرارت ناکافی است. عملکرد تخلیه حرارت نیتروژن به طور قابل توجهی ضعیف‌تر از SF₆ است، و این ویژگی به ویژه در شرایط عملیات با بار بالا برجسته است. هنگامی که جریان بیش از 2100 آمپر باشد، ظرفیت تخلیه حرارت واحد‌های حلقه اصلی با عایق‌بندی نیتروژن کافی نیست و به راحتی منجر به پیری مواد عایق‌بندی و خرابی اتصالات می‌شود.

نشانه‌های خاص تخلیه حرارت ناکافی شامل گرم شدن اتصالات کابلی، افزایش دمای اتصالات هادی مرکزی و کربن‌زدایی مواد عایق‌بندی است. به عنوان مثال، یک حادثه جدی شامل سوختن یک اتصال کابلی تحلیل شد و مشخص شد که ترکیبی از عملکرد نصب نامناسب و تخلیه حرارت ناکافی آن را ایجاد کرده است. در عملیات بلندمدت، گرم شدن منجر به کاهش عملکرد مواد عایق‌بندی می‌شود و چرخه بدی را ایجاد می‌کند که در نهایت به کوتاه‌شدن یا انفجار منجر می‌شود.

دلایل تخلیه حرارت ناکافی عمدتاً شامل سه جنبه است: اول، هدایت حرارتی نیتروژن فقط یک‌چهارم SF₆ است که منجر به هدایت حرارتی ضعیف می‌شود؛ دوم، طراحی فشرده واحد‌های حلقه اصلی دوستانه با محیط فضای کámara گازی را محدود می‌کند و تخلیه حرارت طبیعی را محدود می‌کند؛ و سوم، گرمای تولید شده در عملیات با بار بالا دشوار است که به طور موثر تخلیه شود و منجر به افزایش محلی دمای می‌شود.

در سال‌های اخیر، راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای حل مشکلات تخلیه حرارت ظاهر شده‌اند. پوشش‌های خنک‌سازی تابشی می‌توانند دمای سطحی واحد‌های حلقه اصلی را در طول روز 30.9 درجه سانتیگراد کاهش دهند و دارای خصوصیات مکانیکی خوب، مقاومت در برابر پیری و فرسودگی هستند. دستگاه‌های خنک‌سازی و خشک‌کن هوشمند توسعه یافته، از طریق همکاری موتورهای بادکنک و خشک‌کن‌ها، می‌توانند دمای واحد‌های حلقه اصلی را 40٪ و رطوبت آن را 58٪ کاهش دهند و مشکلات تخلیه حرارت ناکافی را به طور موثر حل کنند. علاوه بر این، بهینه‌سازی طراحی تهویه کámara گازی و استفاده از مواد عایق‌بندی با هدایت حرارتی بالا روش‌های بهبودی رایج هستند.

4. خطاهای اجزای مکانیکی

چهارمین خطا رایج در واحد‌های حلقه اصلی عایق‌بندی گازی دوستانه با محیط، خرابی اجزای مکانیکی است که عمدتاً شامل گیر کردن مکانیسم عملیاتی، فرسودگی بخش‌های انتقال و پیری اجزای پوششی است. اگرچه طراحی مسدود کámara گازی تأثیر محیط‌های مرطوب را بر اجزای مکانیکی کاهش می‌دهد، مسدود بودن بلندمدت ممکن است منجر به تجمع رطوبت داخلی شود و موثقیت مکانیسم عملیاتی را تحت تأثیر قرار دهد.

نشانه‌های خاص خرابی‌های مکانیکی شامل عدم باز یا بسته شدن، گیر کردن فنر و فرسودگی دُرِه‌های انتقالی است. به عنوان مثال، چندین مورد گیر کردن مکانیسم عملیاتی به دلیل پیری اجزای مکانیکی ثبت شده است که معمولاً مرتبط با دوره‌های طولانی عدم فعالیت یا نگهداری ناکافی است. در تجهیزات دوستانه با محیط، خرابی‌های مکانیکی ممکن است نیز مرتبط با فضای داخلی فشرده کámara گازی و چیدمان پیچیده اجزا باشد.

دلایل خرابی‌های مکانیکی عمدتاً شامل: اول، مسدود بودن بلندمدت ممکن است وضعیت لیموی مکانیسم عملیاتی را تحت تأثیر قرار دهد؛ دوم، طراحی فشرده افزایش دشواری نصب و پیچیدگی نگهداری اجزای مکانیکی را افزایش می‌دهد؛ و سوم، تجهیزات دوستانه با محیط نیاز به مقاومت مکانیکی بالاتری دارند تا ریسک تغییر شکل کámara گازی را تحمل کنند.

بهینه‌سازی استراتژی‌های لیموی کلیدی برای حل خرابی‌های اجزای مکانیکی است. توصیه می‌شود از چربی‌های پلی‌اوره‌ای (مانند چربی Kl) استفاده شود که دارای تطبیق‌پذیری عالی در دمای بالا و پایین (-40 درجه سانتیگراد تا +120 درجه سانتیگراد)، مقاومت در برابر آرک و عمر مفید طولانی (بیش از 10 سال) هستند. علاوه بر این، نگهداری منظم (مانند تعویض چربی هر 3 سال یکبار) و اجتناب از چربی‌های ناسازگار (مانند چربی‌های کلسیمی یا سدیمی) نیز تدابیر مهمی برای جلوگیری از خرابی‌های مکانیکی هستند.