تاريخ موجز لماضي وحاضر قواطع الدائرة ذات الفراغ ذات الجهد العالي

المقاطع الكهربائية ذات الضغط العالي تحت الفراغ: نظرة عامة

مقدمة

أصبحت المقاطع الكهربائية ذات الضغط العالي تحت الفراغ (HV VCBs) بديلاً قابلاً للتطبيق بدلاً من المقاطع الكهربائية المعزولة بالغاز SF6 التقليدية، خاصة في التطبيقات التي تتطلب التبديل المتكرر وتقليل تكاليف الصيانة. منذ عام 2014، تم اعتماد مقاطع HV VCBs بشكل متزايد كبديل للمقاطع الكهربائية ذات الضغط العالي المحمولة بالغاز، مما يوفر حلاً أكثر استدامة وصديقاً للبيئة من خلال إلغاء استخدام غاز SF6، وهو غاز دفيئ قوي.

لقد تم استخدام المعدات الكهربائية تحت الفراغ على نطاق واسع في أنظمة التوزيع لأكثر من ثلاثة عقود، بشكل أساسي لفصل وإعادة توصيل التيار الكهربائي عند حدوث أعطال وتبديل الأحمال المختلفة. وقد كانت موثوقية وأداء تقنية التحويل تحت الفراغ في نطاق الجهد المتوسط (حتى 52 كيلوفولت) استثنائية، مما أدى إلى سيطرتها على أنظمة التوزيع. ومع ذلك، بدأت الجهود لتوسيع نطاق تقنية التحويل تحت الفراغ لتصل إلى مستويات الجهد الناقل في الستينيات، مع تحقيق إنجازات مهمة حوالي عام 1980 عندما تم تركيب أول مقاطع كهربائية ذات ضغط عالي تحت الفراغ في اليابان. بحلول عام 2010، كان هناك حوالي 10,000 مقاطع HV VCBs في الخدمة، معظمها في البيئات الصناعية ولكن أيضاً في التطبيقات المرافق. وكان الدافع الرئيسي لاختيار تقنية الفراغ بدلاً من SF6 هو قدرتها على التعامل مع عمليات التبديل المتكررة ومتطلبات الصيانة المنخفضة.

في الولايات المتحدة الأمريكية، تم استخدام مفاتيح البنوك الكهربائية تحت الفراغ لعدة عقود عند جهود تصل إلى 242 كيلوفولت. حول عام 2008، تم تنفيذ برامج بحث وتطوير مكثفة في الصين وأوروبا بهدف تطوير مقاطع HV VCBs، مع التركيز على تقليل أو إلغاء استخدام غاز SF6. وهذا أدى إلى تقديم منتجات قادرة على العمل عند جهود تصل إلى 145 كيلوفولت. في الصين، من المتوقع أن يستمر اعتماد مقاطع HV VCBs في التطبيقات التجارية بمعدل سريع، حيث يوجد بالفعل مئات الوحدات في الخدمة عند مستويات جهد تصل إلى 126 كيلوفولت. وفي أوروبا، ما زالت الاختبارات الحقلية مستمرة لتأكيد أداء الأجهزة المختبرة قبل طرحها في السوق.

التكنولوجيا والتصميم

جميع منتجات مقاطع HV VCBs تستند إلى تقنية القطع الكهربائي تحت الفراغ المتوسطة الجهد المعروفة والتي تم تحسينها على مر السنين. لم يكن هناك حاجة لتقنيات جديدة أساسية لتوسيع هذه التقنية لمستويات جهد أعلى. تحدي الرئيسي يكمن في تكييف هندسة القطع الكهربائي لتلبية تصنيفات الجهد الأعلى. على سبيل المثال، يجب زيادة القطر وطول فجوة الاتصال لمعالجة الجهود فوق 52 كيلوفولت. في بعض الحالات، بالنسبة للجهود التي تتجاوز 126 كيلوفولت، يتم استخدام فجوتين تحت الفراغ متسلسليتين لضمان التشغيل الموثوق.

خصائص التشغيل

• معالجة التيار العادي: بالنسبة للتيارات العادية حتى 2,500 أمبير، لا توجد اختلافات كبيرة بين مقاطع HV VCBs ومفاتيح SF6. ومع ذلك، فإن تحقيق تصنيفات تيار أعلى (فوق 2,500 أمبير) في مقاطع HV VCBs أمر صعب بسبب توليد الحرارة من هيكل الاتصال والمحدودية في قدرة القطع الكهربائي على نقل الحرارة.

• الرصد: من السهل رصد جودة وسط القطع في مفاتيح SF6، حيث أنه لا يمكن رصد درجة الفراغ في مقاطع HV VCBs بشكل عملي أثناء الخدمة.

• عمليات التبديل: يمكن لمفاتيح HV VCBs أداء عدد أكبر من عمليات التبديل مقارنة بمفاتيح SF6 بسبب قدرة نظام الاتصال تحت الفراغ على تحمل الشرار الكهربائي. وهذا يجعل تقنية الفراغ جذابة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب التبديل المتكرر، مثل العمليات اليومية.

• طاقة التشغيل: عند تصنيف 72.5 كيلوفولت النموذجي، تكون طاقة التشغيل المطلوبة للمفتاح الكهربائي تحت الفراغ أقل بكثير - حوالي 20% من الطاقة المطلوبة لمفتاح SF6 مكافئ. والأحجام الفعلية لكلا النوعين من الأجهزة متشابهة.

• تكوين القطع الكهربائي: فوق 145 كيلوفولت، قد تحتاج مقاطع HV VCBs إلى أكثر من قاطع كهربائي واحد متسلسل، بينما نجحت تقنية SF6 في تنفيذ مفاتيح ذات قاطع واحد بنجاح حتى 550 كيلوفولت منذ عام 1994، وهي مستخدمة على نطاق واسع في العديد من البلدان.

• خصائص الشرار الكهربائي: الجهد الشراري في مقاطع HV VCBs أقل بكثير من مفاتيح SF6، ويبلغ عادة عشرات الفولت مقارنة بالمئات من الفولت في مفاتيح SF6. بالإضافة إلى ذلك، يكون وقت الشرار أثناء التبديل في حالة الأعطال أقصر في المعدات تحت الفراغ، حيث يكون الحد الأدنى لوقت الشرار 5-7 مللي ثانية مقارنة بـ 10-15 مللي ثانية لمفاتيح SF6. وهذا يؤدي إلى عدد أكبر من عمليات التبديل الممكنة في مقاطع HV VCBs.

• إشعاعات الأشعة السينية: تصدر مقاطع HV VCBs ذات الجهد المقنن حتى 145 كيلوفولت أشعة سينية ضمن الحد المقنن البالغ 5 µSv/h تحت ظروف التشغيل العادية. ولا تصدر مفاتيح SF6 أشعة سينية.

الخصائص الكهربائية

• فصل التيار العطل: تتميز مقاطع HV VCBs في فصل تيار العطل بسرعة الانتعاش العازلة السريعة، والتي تكون أسرع من مفاتيح SF6.

• إحصائيات الانهيار: بينما يكون للفجوات تحت الفراغ جهود انهيار عالية نظرياً، هناك احتمالية صغيرة للانهيار عند جهود معتدلة نسبياً. ويمكن للفجوات تحت الفراغ أن تعاني من الانهيار التلقائي المتأخر، والذي يحدث بعد عدة مئات من المللي ثانية بعد انقطاع التيار. ومع ذلك، فإن آثار هذه الأحداث محدودة لأن الفجوة تحت الفراغ تستعيد عزلتها فوراً. وما زالت آثار الانهيار المتأخر على النظام غير مفهومة تماماً.

• تبديل الأحمال الحثية: في التطبيقات التي تنطوي على أحمال حثية، مثل تبديل المفاعلات الموازية، تميل مقاطع HV VCBs إلى تجربة عدد أكبر من إعادة الإشعال المتكررة عند نقطة الصفر الأولى لتردد التيار. وهذا يعود إلى قدرة الفراغ على فصل التيار ذو التردد العالي الذي يتبع إعادة الإشعال. وما زالت آثار هذه التغيرات العابرة على الأجهزة المترابطة، مثل مكابح RC ومكابح الأكسيد المعدني، قيد البحث.

• تبديل البنوك الكهربائية: عند تبديل البنوك الكهربائية، من المهم تجنب التيار الدخول الشديد، حيث يمكن أن يسبب تدهور خصائص العزل لمنظومة الاتصال عبر الشرار المسبق. هذا التحدي ينطبق على كل من مقاطع HV VCBs ومفاتيح SF6. وتشمل استراتيجيات التخفيف استخدام المفاعلات المتسلسلة أو التبديل المراقب، رغم أن الخبرة الحقلية المحدودة موجودة مع الأخير لمقاطع HV VCBs.

آفاق المستقبل ورؤية السوق

كشف استطلاع رأي أجري بين مستخدمي معدات التحويل ذات الجهد العالي أن عدم وجود غاز SF6 يعتبر الميزة الرئيسية لمعدات التحويل تحت الفراغ، شريطة أن يكون العزل الخارجي أيضاً خالياً من SF6. ومع ذلك، فإن عدم توفر الخبرة الواسعة في الخدمة عند مستويات الجهد الناقل يظل عائقاً كبيراً أمام اعتماد مقاطع HV VCBs بشكل واسع. ومع ذلك، فإن الفوائد البيئية والفوائد التشغيلية لتقنية الفراغ تدفع الاهتمام المستمر والتطوير في هذا المجال.

غالباً ما يثير المستخدمون المحتملون للمقاطع الكهربائية ذات الضغط العالي تحت الفراغ (HV VCBs) مخاوف بشأن توليد الجهد الزائد بسبب قطع التيار والاحتمالات المتعلقة بإشعاع الأشعة السينية أثناء عمليات التبديل. هذه القضايا حاسمة لضمان التشغيل الآمن والموثوق لمقاطع HV VCBs، خاصة مع زيادة اعتبارها للتطبيقات ذات الجهد الناقل.

إشعاع الأشعة السينية

بالنسبة للأجهزة ذات القاطع الواحد، تبقى إشعاعات الأشعة السينية من مقاطع HV VCBs ذات الجهد المقنن حتى 145 كيلوفولت ضمن الحد المقنن البالغ 5 µSv/h تحت ظروف التشغيل العادية. تظهر الأجهزة ذات القواطع المتعددة مستويات أقل من إشعاعات الأشعة السينية. هذا الأمر مهم للامتثال التنظيمي والسلامة، حيث يضمن أن يمكن نشر مقاطع HV VCBs دون إلحاق مخاطر إشعاعية كبيرة للعاملين أو البيئة.

مشاريع تجريبية

أعرب الغالبية العظمى من المستجيبين عن اهتمام قوي ببدء مشاريع تجريبية للحصول على خبرة عملية مع تقنية مقاطع HV VCB. ستسمح هذه المشاريع للمرافق ومشغلي الأنظمة بتقييم الأداء والموثوقية والخصائص التشغيلية لمقاطع HV VCBs في ظروف العالم الحقيقي. يُنصح بشبكات الأرضية الصلبة لهذه المشاريع التجريبية، حيث أن ظروف الشبكة في أنظمة الجهد المتوسط ليست دائماً مماثلة لظروف شبكات الجهد الناقل، خاصة فيما يتعلق بشروط الأرضية. سيساعد هذا النهج في ضمان أن تكون الخبرات المكتسبة ذات صلة وقابلة للتطبيق على التطبيقات ذات الجهد الناقل.

القياسية

تحتوي المعيار الحالي لمقاطع IEC، IEC 62271-100، على تركيز قوي على تقنية التحويل باستخدام غاز SF6، والتي قد لا تعالج بشكل كامل الخصائص الفريدة والتحديات الخاصة بتقنية الفراغ. على سبيل المثال، اختبارات الواجبات التي تكون صعبة لـ SF6، مثل اختبارات الأعطال في الخطوط القصيرة، قد لا تكون حاسمة بنفس القدر لتقنية الفراغ. وعلى العكس، فإن تطبيق الجهد المستمر للتعافي في الاختبارات التركيبية، والذي يكون أقل أهمية لـ SF6، قد يكون أكثر أهمية لإظهار عدم وجود الانهيار المتأخر في المقاطع الكهربائية تحت الفراغ. مع زيادة اعتماد مقاطع HV VCBs، قد يكون هناك حاجة لمراجعة أو تكميل المعايير الحالية لاستيعاب تقنية الفراغ بشكل أفضل.

الآثار الفنية لتصميم خالٍ من SF6

عندما يكون غاز SF6 غائبًا كوسط عازل خارجي، يجب النظر في آثار فنية أخرى. على سبيل المثال، قد تتطلب طرق العزل البديلة ضغطًا أعلى وزناً أكبر ومساحة أكبر أو اعتبارات تصميم مختلفة لضمان أداء العزل الكافي. تقوم الشركات المصنعة بنشاط باستكشاف هذه البدائل لتطوير حلول بديلة قابلة للتطبيق صناعياً لـ SF6، ولكن حتى يتم العثور على تكنولوجيا جديدة يمكنها تغطية جميع تصنيفات الجهد، من المرجح أن يظل غاز SF6 ضروريًا لبعض تطبيقات شبكة الجهد الناقل.

التزام الشركات المصنعة

تلتزم الشركات المصنعة بتطوير وتقديم بدائل صناعية قابلة للتطبيق لتقنية SF6. بينما كان غاز SF6 هو الغاز العازل الرئيسي للتطبيقات ذات الجهد العالي بسبب خصائصه العازلة الممتازة، فإن المخاوف البيئية المرتبطة بـ SF6، وخاصة قدرته العالية على تسخين المناخ العالمي، دفعت البحث عن حلول أكثر صداقة للبيئة. تعتبر مقاطع HV VCBs أحد هذه الحلول، حيث تقدم بديلاً مستداماً للتطبيقات التي تتطلب التبديل المتكرر وتقليل متطلبات الصيانة. ومع ذلك، سيكون الانتقال بعيداً عن SF6 تدريجيًا، حيث تستمر الشركات المصنعة في الابتكار وتقوية التقنيات الجديدة لتلبية الاحتياجات المتنوعة لصناعة الطاقة.