تصميم معدات التبديل المعزولة بالغاز المُحسّن لمناطق الارتفاع العالي

وحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز هي أجهزة توزيع كهربائي مدمجة وقابلة للتوسع تناسب أنظمة الأتمتة لتوزيع الكهرباء ذات الجهد المتوسط. تستخدم هذه الأجهزة لتزويد الطاقة بشبكة حلقة من 12 إلى 40.5 كيلوفولت، وأنظمة التزويد المزدوجة الشعاعية، وتطبيقات التزويد النهائي، وتعمل كأجهزة تحكم وحماية للطاقة الكهربائية. وهي أيضاً مناسبة للتثبيت في المحولات الثابتة.

من خلال توزيع وإدارة الطاقة الكهربائية، تضمن استقرار تشغيل أنظمة الطاقة. تتكون العناصر الأساسية لهذه الأجهزة من قواطع دوائر أو مزيج من مفاتيح الحمل والصمامات القابلة للانفصال، مما يوفر مزايا مثل البساطة الهيكلية والحجم الصغير والتكلفة المنخفضة وتحسين معلمات وأداء التزويد بالكهرباء، وتعزيز سلامة التزويد بالكهرباء. يتم استخدامها على نطاق واسع في محطات التوزيع والمحولات الثابتة في مراكز الأحمال مثل المجتمعات السكنية الحضرية والأبراج العالية، والمرافق العامة الكبيرة، والشركات الصناعية. تُستخدم الغازات العازلة المختلفة كوسط عازل، بما في ذلك الستاين (SF₆)، والهواء الجاف، والنيتروجين، أو غازات مختلطة، مما يوفر أداءً عازلاً عاليًا ومزايا بيئية، مما يؤدي إلى تطبيق واسع في أنظمة الطاقة.

تتم تثبيت العناصر الرئيسية لهذا النوع من وحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة داخل خزان ملحوم محكم مليء بالغاز العازل (والذي يشار إليه فيما بعد باسم "غرفة الغاز"). تعتبر غرفة الغاز عنصراً أساسياً في وحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز. وظيفتها الأساسية هي ضمان تشغيل المكونات ذات الجهد العالي داخل الخزان دون تأثير العوامل البيئية الخارجية مثل التلوث والرطوبة والتآكل. كما تضمن بيئة التشغيل للمكونات والأداء الكهربائي الطبيعي. جميع المكونات الداخلية محمية بواسطة غرفة الغاز المحكمة. يتم تجهيز الغرفة بأجهزة رصد الضغط أو كثافة الغاز، مثل مقاييس الضغط أو مقياس الكثافة، عادةً لقياس الفرق في الضغط بين الداخل والخارج من الغرفة.

يركز هذا المقال بشكل أساسي على المشاكل التي تؤثر على الأداء الميكانيكي والكهربائي لوحدات التغذية الرئيسية في البيئات ذات الارتفاعات العالية.

1. الخطط التصميمية الشائعة لوحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز في المناطق ذات الارتفاعات العالية والمشاكل الموجودة

تتميز وحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز بتصميمات عازلة تماماً، حيث يتم تغليف الدوائر الموصلة الرئيسية بنظام عازل كامل يتكون من غرف غاز محكمة، وأدوات توصيل دخول/خروج عازلة تماماً، ونهايات سلكية عازلة تماماً. نظرًا لأن البيئة الداخلية لغرفة الغاز لا تتأثر بالظروف الخارجية، فإن كثافة الغاز والرطوبة تظل ثابتة. نظريًا، يكون الأداء العازل غير متأثر بالعوامل الخارجية مثل الرطوبة والتلوث أو الغازات المؤكسدة. وبالمثل، فإن الأداء العازل للأدوات التوصيلية والنهايات السلكية - المصممة باستخدام مواد عازلة مثل الايبوكسي والسيليكون - لا يتأثر بالبيئة الخارجية. على السطح، يبدو أن تصميم وحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز التقليدية قابل للتكيف مع بيئات المرتفعات، مما يجعل العديد من الشركات المصنعة تعتقد أنها تلبي متطلبات التشغيل في الارتفاعات العالية وتقوم بتوزيعها مباشرة في هذه المناطق.

حالياً، يتم استخدام اثنين من الخطط التقنية الرئيسية عند تطبيق وحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز في البيئات ذات الارتفاعات العالية:

1.1 التوزيع المباشر في المناطق ذات الارتفاعات العالية

مفهوم التصميم: تعتمد هذه الطريقة على مبدأ أن الدائرة الموصلة الرئيسية محاطة بالكامل بالنظام العازل (غرفة الغاز المحكمة، والأدوات التوصيلية العازلة تماماً، والنهايات السلكية العازلة تماماً)، مما يجعل الأداء العازل غير متأثر بالظروف في الارتفاعات العالية.
المشاكل الموجودة: في الواقع العملي، يؤدي انخفاض الضغط الجوي الخارجي في الارتفاعات العالية إلى زيادة الفرق في الضغط بين الداخل والخارج من غرفة الغاز. وهذا يؤدي إلى تحرش كبير في شكل الغرفة، مما يؤثر على الأداء الميكانيكي للمكونات الكهربائية مثل قواطع الدوائر والمفصلات. قد يؤدي هذا إلى حدوث عائق في التشغيل والتغييرات في الخصائص الميكانيكية.

1.2 تقليل الضغط المعياري للغاز في المصنع

مفهوم التصميم: للتغلب على زيادة الفرق في الضغط بين الداخل والخارج في الارتفاعات العالية، يتم تقليل الضغط داخل الغرفة في المصنع. عندما يصل الجهاز إلى مواقع الارتفاعات العالية، يؤدي انخفاض الضغط الجوي إلى زيادة الفرق في الضغط ليصل إلى القيمة المطلوبة حسب المواصفات التقنية، مما يجعل مؤشر الضغط يظهر الضغط التشغيلي المطلوب.
المشاكل الموجودة: يقل هذا التصميم كثافة الغاز العازل داخل الغرفة. رغم أن مؤشر الضغط يظهر القيمة المصممة في الارتفاعات العالية، إلا أن الأداء العازل للغازات مرتبط بطبيعته بكثافة الغاز وفقاً لمنحني باشن (انظر الشكل 1) الذي وضعه الفيزيائي الألماني فريدريك باشن. يوضح منحنى باشن العلاقة المستمدة من قانون باشن. معنى الفيزياء: الجهد الانهياري U (كيلوفولت) هو دالة للمنتج من المسافة بين الأقطاب d (سم) والضغط P (تور)، ويتم التعبير عنها كـ U = apd / [ln(Pd) + b] (انظر الشكل 1)، حيث a وb هما ثوابت. 

أهمية المنحنى الرئيسية: بالنسبة لمسافة عزل ثابتة، يؤدي زيادة الضغط أو تقليله نحو الفراغ (مثل 10⁻⁶ تور) إلى زيادة جهد الانهياري للفراغ. عند الضغوط القريبة من الفراغ، يؤدي انخفاض مستوى الفراغ (أي زيادة كثافة الهواء) إلى تسهيل الانهيارات الكهربائية بين الأقطاب. بعد نقطة معينة من الضغط، يتحسن الأداء العازل تدريجياً مع زيادة الضغط. في هذه المرحلة (بعد النقطة a في الشكل 1)، يؤدي تقليل الضغط وبالتالي كثافة الغاز إلى انخفاض جهد الانهياري، مما يعني تدهور الأداء العازل. يقع نطاق الضغط التشغيلي لوحدات التغذية الرئيسية ذات الحلقة المحيطة المعزولة بالغاز بالكامل في هذه المنطقة (الجزء بعد النقطة a في الشكل 1).

1.3 ملخص للمشاكل في التصاميم التقليدية للارتفاعات العالية

• يزداد الفرق في الضغط بين الداخل والخارج من غرفة الغاز مما يؤدي إلى زيادة التحرش في شكل الغرفة ويؤثر على التشغيل الميكانيكي والأداء للمفاتيح.

• في ظروف زيادة الفرق في الضغط بين الداخل والخارج، تكون أجهزة الإغاثة من الضغط أكثر عرضة للتنشيط.

• تقوم مقاييس الضغط بقياس الفرق النسبي في الضغط بين الداخل والخارج من المقصورة الغازية. تضيف أجهزة قياس كثافة الغاز وظيفة التعويض عن درجة الحرارة إلى مقاييس الضغط. لا يمكن لأي منهما عرض الكثافة الحقيقية للغاز داخل المقصورة بدقة عند الارتفاعات العالية، ومع ذلك فإن كثافة الغاز مرتبطة بشكل جوهري بأداء العزل.

• تقل كثافة الغلاف الجوي عند الارتفاعات العالية مما يؤدي إلى تدهور الأداء الشامل لعناصر العزل الخارجية للمقصورة الغازية.

2. خطة التصميم لمفاتيح الحلقة المعزولة بالغاز للارتفاعات العالية
بناءً على التحليل أعلاه، وعلى الرغم من أن الهيكل المعزول تمامًا لمفاتيح الحلقة المعزولة بالغاز (مع دوائر التوصيل الرئيسية مغلقة تمامًا بواسطة مقصورات غاز محكمة الإغلاق وأدوات التوصيل المعزولة تمامًا وأطراف الكابل المعزولة تمامًا) يحافظ نظريًا على أداء العزل دون تأثير، إلا أنه يتأثر بالعوامل الناشئة عند الارتفاعات العالية: زيادة الفرق في الضغط الداخلي والخارجي في المقصورة الغازية، وعدم القدرة على تقليل كثافة الغاز العازل داخل المقصورة، والحاجة إلى إظهار دقيق لكثافة الغاز. لذا، يكمن المفتاح الرئيسي في تصميم مفاتيح الحلقة المعزولة بالغاز للارتفاعات العالية في تصميم المقصورة الغازية وجهاز تخفيف الضغط، وتلبية متطلبات البيئة العالية للضغط في مقاييس ضغط المقصورة الغازية، وحل مشكلة تقلص الأداء الشامل لعناصر العزل الخارجية عند الارتفاعات العالية.

2.1 تصميم المقصورة الغازية وجهاز تخفيف الضغط للتطبيقات في الارتفاعات العالية
لحل المشكلات التقنية المذكورة أعلاه، يقدم هذا البحث مفهوم تصميم جديد لمفاتيح الحلقة المعزولة بالغاز للارتفاعات العالية، يختلف عن الوحدات العادية بدون تصميم متخصص أو تلك التي تعتمد فقط على تقليل الضغط البسيط. يتميز هذا الجهاز بتصميم مستهدف في الجوانب التالية:

(1) تعزيز قوة هيكل المقصورة الغازية
لمواجهة زيادة الفرق في الضغط الداخلي والخارجي بسبب الارتفاعات العالية، يتم تعزيز قوة هيكل المقصورة الغازية. وهذا يضمن أن تشوه المقصورة عند الارتفاعات العالية يبقى ضمن المواصفات الفنية، مما يضمن عدم تأثر الأداء الميكانيكي للمكونات ذات الجهد العالي داخل المقصورة.

وفقاً لنموذج الغلاف الجوي الدولي القياسي، يمكن حساب الضغط الجوي القياسي عند ارتفاع معين باستخدام الصيغة:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
حيث P هو الضغط الجوي عند ارتفاع معين؛ P₀ هو الضغط الجوي القياسي عند مستوى سطح البحر؛ H هو الارتفاع.

على سبيل المثال، عند ارتفاع 4000 متر:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 ميجا باسكال.

باستخدام مفتاح حلقة معزول بالغاز SF₆ ذو 10 كيلو فولت كمثال، يكون الضغط المصمم للمقصورة الغازية في المناطق غير المرتفعة عادة 0.07 ميجا باسكال. مع الأخذ في الاعتبار انخفاض الضغط الجوي عند الارتفاعات العالية، يمكن حساب الضغط المصمم الفعلي للمقصورة الغازية عند ارتفاع 4000 متر كالتالي:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 ميجا باسكال.

(2) تصميم جهاز تخفيف الضغط للتطبيقات في الارتفاعات العالية
وفقًا للمعيار الوطني الأحدث GB/T 3906—2020 "أجهزة التوزيع والمعدات المعدنية المغلقة للجهود المقننة فوق 3.6 كيلو فولت وحتى 40.5 كيلو فولت"، ينص البند 7.103 على أن المقصورة الغازية لمفاتيح الحلقة المعزولة بالغاز يجب أن تحمل ضغطًا يبلغ 1.3 مرة من الضغط المصمم (P₁) لمدة دقيقة واحدة دون تفعيل جهاز تخفيف الضغط. إذا استمر الضغط في الارتفاع بين 1.3 مرة (P₁) و3 مرات (P₂) الضغط المصمم، فقد يتم تفعيل جهاز تخفيف الضغط. وهذا مقبول شريطة أن يتوافق مع المواصفات التصميمية للمصنع. بعد الاختبار، قد تشوه المقصورة الغازية ولكن يجب ألا تنفجر.

تصميم قوة المقصورة الغازية وجهاز تخفيف الضغط وفقًا لهذه المتطلبات يلبي المعايير الوطنية. يمكن حساب وتصميم المقصورات الغازية وأجهزة تخفيف الضغط لارتفاعات مختلفة باستخدام هذه الطريقة:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 ميجا باسكال
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 ميجا باسكال

من خلال تعزيز هيكل المقصورة الغازية - مثل استخدام صفائح فولاذية أسمك أو إضافة دعامات - يتم تلبية متطلبات القوة المفروضة من قبل زيادة الفرق في الضغط الداخلي والخارجي عند الارتفاعات العالية. هذا يتجنب التأثير على الأداء الميكانيكي والكهربائي للمفاتيح ذات الجهد العالي داخل المقصورة بسبب التشوه، مما يضمن التشغيل المستقر عند الضغط الغازي المحدد ويقدم نفس الأداء الميكانيكي والكهربائي في البيئات المرتفعة كما في المناطق السهلية.

من خلال الحسابات التصميمية والتحقق التجريبي، يعزز زيادة سمك وقوة أغشية تخفيف الضغط قدرتها على تحمل الضغط. هذا يضمن أن نطاق تخفيف الضغط للمقصورة الغازية يتوافق مع متطلبات النطاق المحدد للضغط، مما يمنع التفعيل المبكر لأجهزة تخفيف الضغط بسبب زيادة الفرق في الضغط الداخلي والخارجي في البيئات المرتفعة. هذا يحافظ على مستوى العزل الداخلي ويضمن الأداء الكهربائي لمفتاح الحلقة.

2.2 تصميم جهاز إظهار كثافة الغاز للتطبيقات في الارتفاعات العالية
يستخدم جهاز إظهار كثافة الغاز العازل مقياس كثافة محكم. القيمة المعروضة لا تتأثر بتغيرات درجة الحرارة أو الضغط الجوي الخارجي.

لمفاتيح الحلقة المعزولة بالغاز للارتفاعات العالية، يتم اختيار مقياس كثافة كامل الظروف محكم للمقصورة الغازية، والذي يكون غير متأثر بتأثيرات درجة الحرارة والارتفاع. يعمل بمبدأ وجود عنصر تعويض داخل مقياس الكثافة يقوم بتعويض درجة الحرارة (غير متأثر بدرجة الحرارة). في الوقت نفسه، يتميز رأس المقياس بهيكل محكم حيث تحتفظ الغرفة المحكمة بالضغط الجوي القياسي. تمثل قيمة الضغط المعروضة في مقياس الكثافة الفرق في الضغط بين الداخل والضغط الجوي القياسي.

هذا التصميم يضمن أن يكون مقياس الكثافة المثبت على وحدة الحلقة الرئيسية دائمًا يعكس بدقة الكثافة الحقيقية للغاز داخل comparment الغاز. القيمة المعروضة تظل غير متأثرة بالحرارة والارتفاع، مما يلبي تمامًا متطلبات التشغيل في المناطق ذات الارتفاعات العالية.2.3 تصميم الأكمام العازلة بالكامل لوحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز في المناطق ذات الارتفاعات العالية

بالإضافة إلى تأثيرها على comparment الغاز والأجهزة القياسية، فإن الارتفاعات العالية تؤثر أيضًا على المكونات العازلة بالكامل المثبتة خارجيًا مثل الأكمام الداخلة/الخارجة وأطراف الكابل. أداء العزل لهذه المكونات العازلة الخارجية يتأثر بقوة عزل المادة العازلة وبالقوة العازلة النسبية للأرض. في الارتفاعات العالية، تقل كثافة الهواء مما يقلل من القوة العازلة النسبية للأرض. في التطبيقات العملية، غالبًا ما تفشل الوحدات الرئيسية المعزولة بالغاز المصممة بشكل تقليدي في اختبارات تحمل الجهد الكهربائي عند التردد الكهربائي للمكونات العازلة الخارجية (مثل الأكمام العازلة أو حافلات التوسع العلوية) بعد نشرها في المناطق ذات الارتفاعات العالية.

لحل هذه المشكلة، يقدم هذا البحث نظام تصميم جديد للأكمام العازلة بالكامل في وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز في المناطق ذات الارتفاعات العالية: إضافة طبقة درع موصولة بالأرض إلى السطح الخارجي لهذه المكونات العازلة. هذا التصميم يحسن من تناسق المجال الكهربائي ويمنع التفريغ الأرضي من حافلات الدائرة الرئيسية.

في مشروع محطة تبديل خارجية بـ 10 كيلوفولت في ناغكو، تبت، واجهت شركة حالة أثناء اختبارات القبول حيث كانت المعدات قادرة فقط على المرور باختبار تحمل الجهد الكهربائي عند التردد الكهربائي بمقدار 29 كيلوفولت/1 دقيقة بالنسبة للأرض. بعد إضافة طبقة درع موصولة بالأرض إلى العزل الخارجي للأكمام الداخلة/الخارجة والحافلات الخارجية لـ comparment الغاز، استوفت المعدات المطلب الوطني المحدد بـ 42 كيلوفولت/1 دقيقة لاختبار تحمل الجهد الكهربائي عند التردد الكهربائي بالنسبة للأرض.

2.4 ملخص النقاط التقنية الرئيسية
النقاط الأساسية للتصميم لوحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز في المناطق ذات الارتفاعات العالية هي كالتالي:

• تعزيز قوة الهيكل لـ comparment الغاز عن طريق زيادة سمك الصفائح المعدنية أو إضافة دعامات لتلبية متطلبات نطاق تحمل الضغط والحدود التشكيلية الناتجة عن الفرق في الضغط الداخلي والخارجي المتزايد في المناطق ذات الارتفاعات العالية.

• تحسين تصميم قوة غشاء الإفراج عن الضغط في جهاز الإفراج عن الضغط في comparment الغاز. بعد التعزيز، يلبي متطلبات نطاق تحمل الضغط لجهاز الإفراج عن الضغط تحت الفرق في الضغط الداخلي والخارجي المتزايد في المناطق ذات الارتفاعات العالية.

• اعتماد مقاييس الكثافة المغلقة لأجهزة الإشارة للضغط. القيم المعروضة لا تتأثر بتغيرات الحرارة أو ضغط الجو الخارجي، مما يجعلها مناسبة للبيئات ذات الارتفاعات العالية.

• تصميم طبقة درع موصولة بالأرض على السطح الخارجي للمكونات العازلة الخارجية لـ comparment الغاز لتحسين تناسق المجال الكهربائي ومنع التفريغ الأرضي من حافلات الدائرة الرئيسية.

3. أهمية تصميم وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز في المناطق ذات الارتفاعات العالية
هدف هذا النظام التصميمي هو تقديم وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز التي تلبي حقًا متطلبات التشغيل في المناطق ذات الارتفاعات العالية. من خلال تعزيز قوة comparment الغاز وتحسين قدرة تحمل الضغط لجهاز الإفراج عن الضغط وتمكين قياس دقيق لكثافة الغاز الداخلية وتصميم المكونات العازلة ذات الصلة بشكل معقول، تحقق الوحدة الرئيسية التكيف الفني الكامل مع البيئات ذات الارتفاعات العالية. وهذا يضمن الأداء الميكانيكي والكهربائي للوحدة الرئيسية ويجعل تشغيل وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز طبيعيًا في البيئات ذات الارتفاعات العالية.

المناطق ذات الارتفاعات العالية في الصين واسعة، مما يخلق طلبًا هائلًا على المعدات الكهربائية المتكيفة مع الظروف المرتفعة. تحتاج تصميم المنتجات إلى تحسين من حيث التوحيد والعقلانية. التغيرات البيئية الفعلية في المناطق ذات الارتفاعات العالية تفرض متطلبات جديدة على تصميم المنتجات. يقدم هذا النظام التقني نظرية ومنهجية تصميم جديدة، وهو تمثيل لاستكشاف مهم.