طراحی بهینه دستگاه کلیدزنی عایق گازی برای مناطق پر ارتفاع

واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز، تجهیزات کوچک و قابل افزایش هستند که برای سیستم‌های خودکار توزیع برق متوسط ولتاژ مناسب هستند. این دستگاه‌ها برای تامین برق شبکه حلقه‌ای ۱۲~۴۰.۵ کیلوولت، سیستم‌های تامین برق شعاعی دوگانه و کاربردهای تامین برق پایانه‌ای استفاده می‌شوند و به عنوان دستگاه‌های کنترل و حفاظت از انرژی برق عمل می‌کنند. آنها نیز برای نصب در زیرстанسیون‌های پاد-مونت مناسب هستند.

با توزیع و برنامه‌ریزی انرژی برق، این دستگاه‌ها عملکرد پایدار سیستم‌های برق را تضمین می‌کنند. اجزای اصلی این دستگاه‌ها شامل کلیدهای قطع یا ترکیبی از کلیدهای بار و فیوز‌ها هستند که مزایایی مانند ساختار ساده، اندازه کوچک، هزینه کم، بهبود پارامترهای تامین برق و عملکرد، و افزایش ایمنی تامین برق را ارائه می‌دهند. آنها به طور گسترده‌ای در ایستگاه‌های توزیع و زیرستانسیون‌های پاد-مونت در مراکز بار مانند جوامع مسکونی شهری، ساختمان‌های بلند، تأسیسات عمومی بزرگ و شرکت‌های صنعتی استفاده می‌شوند. گازهای مختلف عایق‌سازی به عنوان مedium عایق‌سازی عمل می‌کنند، از جمله SF₆، هوا خشک، نیتروژن یا گازهای ترکیبی که عملکرد عایق‌سازی بالا و مزایای محیطی را فراهم می‌کنند و منجر به کاربرد گسترده در سیستم‌های برق می‌شوند.

اجزای اصلی این نوع واحد حلقه‌ای در داخل یک رزروار پخته و مهر و موم شده که با گاز عایق‌سازی (در ادامه به عنوان "قسمت گاز" اشاره می‌شود) پر شده است نصب می‌شوند. قسمت گاز اجزای اصلی واحد حلقه‌ای عایق‌شده با گاز است. وظیفه اصلی آن اطمینان از عملکرد بدون تأثیر اجزای ولتاژ بالا درون آن توسط عوامل محیطی خارجی مانند آلودگی، رطوبت و فرسایش است. همزمان اطمینان از محیط کاری اجزا و عملکرد الکتریکی عادی را فراهم می‌کند. تمام اجزای داخلی توسط قسمت گاز مهر و موم شده محافظت می‌شوند. قسمت گاز با دستگاه‌های مانیتورینگ فشار یا چگالی گاز مجهز شده است، مانند گره‌های فشار یا دستگاه‌های چگالی، که معمولاً اختلاف فشار بین داخل و خارج قسمت را اندازه‌گیری می‌کنند.

این مقاله عمدتاً به مشکلاتی که بر عملکرد مکانیکی و الکتریکی واحدهای حلقه‌ای در محیط‌های ارتفاع بالا تأثیر می‌گذارد می‌پردازد.

۱. طرح‌های طراحی معمول برای واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز در محیط‌های ارتفاع بالا و مشکلات موجود

واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز طراحی‌های کاملاً عایق‌شده دارند، با مدارهای رسانای اصلی که توسط سیستم کاملاً عایق‌شده شامل قسمت گاز مهر و موم شده، بوشینگ‌های کاملاً عایق‌شده برای خطوط ورودی/خروجی و پایانه‌های کابل کاملاً عایق‌شده محاط می‌شوند. چون محیط داخلی قسمت گاز از تأثیرات شرایط خارجی مستثنی است، چگالی گاز و رطوبت ثابت می‌مانند. نظریاً، عملکرد عایق‌سازی از تأثیرات خارجی مانند رطوبت، آلودگی یا گازهای فرسایشی مستثنی است. به همین ترتیب، عملکرد عایق‌سازی بوشینگ‌ها و پایانه‌های کابل - که با مواد عایق‌سازی مانند رزین اپوکسی و سیلیکون روبر طراحی شده‌اند - از تأثیرات محیط خارجی مستثنی است. ظاهراً، واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز طراحی شده به طور معمول برای محیط‌های مرتفع مناسب به نظر می‌رسند که منجر به اعتقاد بسیاری از تولیدکنندگان به تأمین نیازهای عملیاتی ارتفاع بالا و نصب مستقیم آنها در این مناطق می‌شود.

در حال حاضر، دو طرح فنی اصلی در استفاده از واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز در محیط‌های ارتفاع بالا استفاده می‌شود:

۱.۱ نصب مستقیم در مناطق ارتفاع بالا

مفهوم طراحی: این رویکرد بر اصلی که مدار رسانای اصلی به طور کامل توسط سیستم عایق‌سازی (قسمت گاز مهر و موم شده، بوشینگ‌های کاملاً عایق‌شده و پایانه‌های کابل) محاط شده و عملکرد عایق‌سازی از تأثیرات شرایط ارتفاع بالا مستثنی است تکیه می‌کند.
مشکلات موجود: در عمل، کاهش فشار جوی خارجی در ارتفاعات بالا اختلاف فشار بین داخل و خارج قسمت گاز را افزایش می‌دهد. این باعث تغییر شکل قابل توجه قسمت گاز می‌شود و عملکرد مکانیکی اجزای الکتریکی مانند کلیدهای قطع و جداکننده‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این ممکن است منجر به گیر کردن عملیاتی و تغییر در مشخصات مکانیکی شود.

۱.۲ تنظیم فشار گاز کارخانه‌ای کاهش یافته

مفهوم طراحی: برای مقابله با افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در ارتفاعات بالا، این طرح فشار گاز داخل قسمت گاز را در کارخانه کاهش می‌دهد. وقتی واحد به محل‌های ارتفاع بالا می‌رسد، کاهش فشار جوی باعث می‌شود که اختلاف فشار به مقدار مورد نیاز در مشخصات فنی افزایش یابد و گره فشار مقدار فشار عملیاتی مورد نیاز را نمایش می‌دهد.
مشکلات موجود: این طراحی چگالی گاز عایق‌سازی داخل قسمت گاز را کاهش می‌دهد. هرچند گره فشار مقدار طراحی شده را در ارتفاعات بالا نشان می‌دهد، اما عملکرد عایق‌سازی گازها به طور ذاتی با چگالی گاز مرتبط است طبق منحنی پاشن (به شکل ۱) که توسط فیزیکدان آلمانی فریدریش پاشن تدوین شده است. منحنی پاشن تابعی را که از قانون پاشن مشتق شده است نشان می‌دهد. معنا فیزیکی آن: ولتاژ شکست U (کیلوولت) تابعی از ضرب فاصله الکترود d (سانتی‌متر) و فشار گاز P (تور) است که به صورت U = apd / [ln(Pd) + b] (به شکل ۱) بیان می‌شود، که در آن a و b ثابت‌هایی هستند.

معنا اصلی منحنی: برای یک فاصله عایق‌سازی ثابت، افزایش فشار یا کاهش فشار به سمت خلاء (مثلاً ۱۰⁻⁶ تور) هر دو ولتاژ شکست را افزایش می‌دهند. در فشارهای نزدیک به خلاء، کاهش سطح خلاء (یعنی افزایش چگالی هوا) شکست الکتریکی بین الکترودها را آسان‌تر می‌کند. فراتر از یک آستانه فشاری، عملکرد عایق‌سازی با افزایش فشار به طور تدریجی بهبود می‌یابد. در این مرحله (فراتر از نقطه a در شکل ۱)، کاهش فشار و در نتیجه چگالی گاز، ولتاژ شکست را کاهش می‌دهد، یعنی عملکرد عایق‌سازی بدتر می‌شود. محدوده فشار عملیاتی واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز کاملاً در این منطقه (بخش فراتر از نقطه a در شکل ۱) قرار دارد.

۱.۳ خلاصه مشکلات طراحی‌های معمول در ارتفاعات بالا

• افزایش اختلاف فشار بین داخل و خارج قسمت گاز باعث تغییر شکل بیشتر قسمت گاز می‌شود و عملکرد مکانیکی و عملکرد کلیدها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

• در شرایط افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی، دستگاه‌های رفع فشار بیشتر می‌شوند.

• گیج‌های فشار، تفاوت فشار نسبی بین داخل و خارج کامپارتمنت گاز را اندازه می‌گیرند. دستگاه‌های چگالی گاز، قابلیت جبران دما را به گیج‌های فشار اضافه می‌کنند. هیچ‌کدام نمی‌توانند به طور دقیق چگالی واقعی گاز درون کامپارتمنت را در ارتفاعات بالا نمایش دهند، در حالی که چگالی گاز به طور ذاتی با عملکرد عایق‌بندی مرتبط است.

• کاهش چگالی جوی در ارتفاعات بالا به طور همزمان عملکرد کلی عایق‌بندی اجزای خارجی کامپارتمنت گاز را تضعیف می‌کند.

۲. طرح طراحی واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز برای ارتفاعات بالا
بر اساس تحلیل فوق، اگرچه ساختار کاملاً عایق‌بندی شده واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز (با مدارهای رسانای اصلی کاملاً محاط شده در کامپارتمنت‌های گازی مختوم، بوش‌های کاملاً عایق‌بندی شده و پایانه‌های کابل کاملاً عایق‌بندی شده) به طور نظری عملکرد عایق‌بندی را حفظ می‌کند، اما تحت تأثیر عوامل ناشی از ارتفاعات بالا قرار می‌گیرد: افزایش اختلاف فشار داخل-خارج کامپارتمنت گاز، عدم توانایی کاهش چگالی گاز عایق‌بندی درون کامپارتمنت و نیاز به نمایش دقیق چگالی گاز. بنابراین، کلید طراحی واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز برای ارتفاعات بالا در طراحی کامپارتمنت گاز و دستگاه تخلیه فشار است، تا نیازهای محیطی ارتفاعات بالا برای گیج‌های فشار کامپارتمنت گاز و حل کاهش توانایی عایق‌بندی کلی اجزای خارجی در ارتفاعات بالا را برآورده کند.

۲.۱ طراحی کامپارتمنت گاز و دستگاه تخلیه فشار برای کاربردهای ارتفاعات بالا
برای حل مشکلات فنی ذکر شده، این مقاله مفهوم طراحی جدیدی برای واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز در ارتفاعات بالا پیشنهاد می‌کند، که متفاوت از واحدهای معمولی بدون طراحی تخصصی یا آنهایی که فقط از کاهش ساده فشار استفاده می‌کنند. این واحد حلقه‌ای دارای طراحی هدفمند در جنبه‌های زیر است:

(۱) تقویت قدرت ساختاری کامپارتمنت گاز
برای مقابله با افزایش اختلاف فشار داخل-خارج ناشی از ارتفاعات بالا، قدرت ساختاری کامپارتمنت گاز تقویت می‌شود. این امر تضمین می‌کند که تغییر شکل کامپارتمنت در ارتفاعات بالا در محدوده مشخصات فنی باقی بماند و عملکرد مکانیکی اجزای فشار بالا درون کامپارتمنت تأثیر نخورد.

بر اساس مدل استاندارد جوی بین‌المللی، فشار جوی استاندارد در یک ارتفاع معین می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:
P = P₀ × (۱ – ۰.۰۰۶۵H/۲۸۸.۱۵)^۵.۲۵۶
که در آن P فشار جوی در ارتفاع معین است؛ P₀ فشار جوی استاندارد در سطح دریا است؛ H ارتفاع است.

به عنوان مثال، با ارتفاع ۴۰۰۰ متر:
P = P₀ × (۱ – ۰.۰۰۶۵ × ۴۰۰۰ / ۲۸۸.۱۵)^۵.۲۵۶ ≈ ۰.۰۶۴ مگاپاسکال.

با استفاده از یک واحد حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز SF₆ معمولی ۱۰ کیلوولت به عنوان مثال، فشار طراحی کامپارتمنت گاز در مناطق غیرارتفاعی معمولاً ۰.۰۷ مگاپاسکال است. با در نظر گرفتن کاهش فشار جوی در ارتفاعات بالا، فشار طراحی واقعی کامپارتمنت گاز در ارتفاع ۴۰۰۰ متر می‌تواند به صورت زیر محاسبه شود:
P₁ = P₀ – ۰.۰۶۴ + ۰.۰۷ = ۰.۱۰۷ مگاپاسکال.

(۲) طراحی دستگاه تخلیه فشار برای کاربردهای ارتفاعات بالا
بر اساس استاندارد ملی جدید GB/T ۳۹۰۶—۲۰۲۰ "سیستم‌های کنترل و تجهیزات متقابل فلزی AC با ولتاژ اسمی بالای ۳.۶ کیلوولت و تا و شامل ۴۰.۵ کیلوولت"، بخش ۷.۱۰۳ می‌نویسد که کامپارتمنت گاز واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز باید قادر به تحمل ۱.۳ برابر فشار طراحی (P₁) برای یک دقیقه بدون فعال شدن دستگاه تخلیه فشار باشد. اگر فشار بین ۱.۳ برابر (P₁) و ۳ برابر (P₂) فشار طراحی افزایش یابد، دستگاه تخلیه فشار ممکن است فعال شود. این مورد قابل قبول است به شرطی که با مشخصات طراحی سازنده مطابقت داشته باشد. پس از تست، کامپارتمنت گاز ممکن است تغییر شکل دهد اما نباید پاره شود.

طراحی قدرت کامپارتمنت گاز و دستگاه تخلیه فشار با توجه به این الزامات با استانداردهای ملی مطابقت دارد. کامپارتمنت‌های گاز و دستگاه‌های تخلیه فشار برای ارتفاعات مختلف می‌توانند با استفاده از این روش محاسبه و طراحی شوند:
P₁ = ۰.۱۰۷ × ۱.۳ = ۰.۱۳۹ مگاپاسکال
P₂ = ۰.۱۰۷ × ۳ = ۰.۳۲۱ مگاپاسکال

از طریق تقویت ساختاری کامپارتمنت گاز—مانند استفاده از صفحات فولادی ضخیم‌تر یا افزودن تقویت‌کننده‌ها—کامپارتمنت به طور کامل نیازهای قدرتی ناشی از افزایش اختلاف فشار داخل-خارج در ارتفاعات بالا را برآورده می‌کند. این امر از تأثیرات مکانیکی و الکتریکی روی سوئیچ‌های فشار بالا درون کامپارتمنت به دلیل تغییر شکل جلوگیری می‌کند و عملکرد پایدار را در فشار گاز اسمی تضمین می‌کند و عملکرد مکانیکی و الکتریکی مشابه را در محیط‌های ارتفاعات بالا مانند مناطق دشتی ارائه می‌دهد.

از طریق محاسبات طراحی و تأیید آزمایشی، افزایش ضخامت و قدرت غشا تخلیه فشار، توان تحمل فشار آن را افزایش می‌دهد. این امر تضمین می‌کند که محدوده تخلیه فشار کامپارتمنت گاز با محدوده فشار مورد نیاز مطابقت داشته باشد و از فعال شدن زودرس دستگاه تخلیه فشار به دلیل افزایش اختلاف فشار داخل-خارج در محیط‌های ارتفاعات بالا جلوگیری کند. این امر سطح عایق‌بندی داخلی را حفظ می‌کند و عملکرد الکتریکی واحد حلقه‌ای را تضمین می‌کند.

۲.۲ طراحی دستگاه نمایش چگالی گاز برای کاربردهای ارتفاعات بالا
دستگاه نمایش چگالی گاز عایق‌بندی از یک چگالی‌سنج مختوم استفاده می‌کند. مقدار نمایش داده شده توسط آن توسط تغییرات دما یا فشار جوی خارجی تأثیر نمی‌پذیرد.

برای واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز در ارتفاعات بالا، چگالی‌سنج انتخاب شده برای کامپارتمنت گاز یک چگالی‌سنج مختوم تمام شرایط است که از تأثیرات دما و ارتفاع مستثنی است. اصل عملکرد آن شامل یک عنصر جبران‌کننده در داخل چگالی‌سنج است که جبران دما را انجام می‌دهد (تأثیر نمی‌پذیرد از تغییرات دما). همچنین، سر چگالی‌سنج دارای ساختار مختوم است که در آن حجره مختوم فشار استاندارد جوی را حفظ می‌کند. مقدار فشار نمایش داده شده توسط چگالی‌سنج، تفاوت فشار بین داخل کامپارتمنت گاز و فشار استاندارد جوی را نشان می‌دهد.

این طراحی مطمئن می‌شود که مقیاس دستگاه چگالی نصب شده در قسمت گازی واحد حلقه‌ای همیشه به صورت دقیق انعکاس‌دهنده چگالی واقعی گاز داخل قسمت گازی است. مقدار نمایش داده شده توسط دما و ارتفاع تأثیر نمی‌پذیرد و به طور کامل نیازهای عملیاتی مناطق پرارتفاع را برآورده می‌کند.2.3 طراحی بوشینگ‌های کاملاً عایق‌بندی شده برای واحدهای حلقه‌ای گازی عایق‌بندی شده در مناطق پرارتفاع

علاوه بر تأثیر بر قسمت گازی و دستگاه‌های سنجش، ارتفاع زیاد نیز بر مؤلفه‌های خارجی کاملاً عایق‌بندی شده مانند بوشینگ‌های خط ورودی/خروجی و اتصالات پایانه‌ی کابل تأثیر می‌گذارد. عملکرد عایق‌بندی این مؤلفه‌های خارجی کاملاً عایق‌بندی شده تحت تأثیر قدرت عایق‌بندی مواد عایق‌بندی و قدرت عایق‌بندی گسسته نسبت به زمین است. در ارتفاعات بالا، کاهش چگالی هوا قدرت عایق‌بندی گسسته نسبت به زمین را کاهش می‌دهد. در برنامه‌های کاربردی واقعی، واحدهای حلقه‌ای گازی با طراحی معمولی اغلب در آزمون‌های تحمل ولتاژ فرکانس قدرت برای مؤلفه‌های عایق‌بندی خارجی (مانند بوشینگ‌های عایق‌بندی یا بارهای توسعه‌ی بالایی) پس از نصب در ارتفاعات بالا شکست می‌خورند.

برای حل این مشکل، این مقاله طرح طراحی جدیدی برای بوشینگ‌های کاملاً عایق‌بندی شده در واحدهای حلقه‌ای گازی پرارتفاع پیشنهاد می‌کند: افزودن لایه‌ای محوطه‌ای به سطح خارجی این مؤلفه‌های عایق‌بندی. این طراحی یکنواختی میدان الکتریکی را بهبود می‌بخشد و از دوشکستی از زمین از بارهای اصلی جلوگیری می‌کند.

در یک پروژه ایستگاه جابجایی 10 kV در برون خیابانی در ناگکو، تبت، یک شرکت در آزمون پذیرش با وضعیتی مواجه شد که تجهیزات فقط می‌توانستند آزمون تحمل ولتاژ فرکانس قدرت 29 kV/1 دقیقه نسبت به زمین را عبور دهند. پس از افزودن لایه‌ای محوطه‌ای به عایق‌بندی خارجی بوشینگ‌های خط ورودی/خروجی و بارهای خارجی قسمت گازی، تجهیزات مطابق با استاندارد ملی برای تحمل ولتاژ فرکانس قدرت 42 kV/1 دقیقه نسبت به زمین را برآورده کردند.

2.4 خلاصه نقاط کلیدی فنی
نقاط کلیدی طراحی برای واحدهای حلقه‌ای گازی پرارتفاع عبارتند از:

• تقویت قدرت ساختاری قسمت گازی با افزایش ضخامت صفحات فولادی یا افزودن تقویت‌کننده‌ها برای برآورده کردن نیازهای محدوده تحمل فشار و محدوده تغییر شکل ناشی از افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در ارتفاعات بالا.

• تقویت طراحی قدرت غشا رها کننده فشار در دستگاه رها کننده فشار قسمت گازی. پس از تقویت، این دستگاه محدوده تحمل فشار مورد نیاز برای دستگاه رها کننده فشار در شرایط افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در ارتفاعات بالا را برآورده می‌کند.

• استفاده از دستگاه‌های چگالی نوع بسته برای دستگاه‌های نشان دهنده فشار. مقادیر نمایش داده شده توسط این دستگاه‌ها تحت تأثیر تغییرات دما یا تغییرات فشار جوی خارجی قرار نمی‌گیرند و برای محیط‌های پرارتفاع مناسب هستند.

• طراحی یک لایه محوطه‌ای روی سطح خارجی مؤلفه‌های عایق‌بندی خارجی قسمت گازی برای بهبود یکنواختی میدان الکتریکی و جلوگیری از دوشکستی از زمین از بارهای اصلی.

3. اهمیت طراحی واحدهای حلقه‌ای گازی پرارتفاع
این طرح طراحی با هدف ارائه واحدهای حلقه‌ای گازی که واقعاً نیازهای عملیاتی پرارتفاع را برآورده می‌کنند. با تقویت قدرت قسمت گازی، بهبود قابلیت تحمل فشار دستگاه‌های رها کننده فشار، اندازه‌گیری دقیق چگالی گاز داخلی و طراحی منطقی مؤلفه‌های عایق‌بندی مربوطه، واحد حلقه‌ای توانایی فنی کامل برای محیط‌های پرارتفاع را به دست می‌آورد. این امر عملکرد مکانیکی و الکتریکی واحد حلقه‌ای را تضمین می‌کند و عملکرد عادی واحدهای حلقه‌ای گازی را در محیط‌های پرارتفاع ممکن می‌سازد.

مناطق پرارتفاع چین وسیع هستند و تقاضای عظیمی برای تجهیزات برقی مناسب برای شرایط پرارتفاع ایجاد می‌کنند. استانداردسازی و منطقی‌سازی طراحی محصولات به تجدیدنظر فوری نیاز دارد. تغییرات محیطی واقعی در مناطق پرارتفاع الزامات جدیدی بر طراحی محصولات تحمیل می‌کنند. این طرح فنی نظریه و روش طراحی جدیدی ارائه می‌دهد و یک کاوش معنادار است.