طراحی بهینه دستگاه کلیدزنی عایق گازی برای مناطق پر ارتفاع

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

با توزیع و برنامه‌ریزی انرژی الکتریکی، آنها عملکرد پایدار سیستم‌های برق را تضمین می‌کنند. اجزای اصلی این دستگاه‌ها از قطع‌کننده‌ها یا ترکیبی از کلیدهای بار و فیوزها تشکیل شده‌اند که مزایایی مانند ساختار ساده، اندازه کوچک، هزینه کم، بهبود پارامترهای و عملکرد تأمین برق و افزایش ایمنی تأمین برق را ارائه می‌دهند. این دستگاه‌ها در ایستگاه‌های توزیع و زیرستانسیون‌های پاد-مونتاژ شده در مراکز بار مانند جوامع مسکونی شهری، ساختمان‌های بلند، تسهیلات عمومی بزرگ و شرکت‌های صنعتی به طور گسترده استفاده می‌شوند. گازهای مختلف عایق‌سازی به عنوان مedium عایق‌سازی شامل SF₆، هوا خشک، نیتروژن یا گازهای ترکیبی استفاده می‌شوند که عملکرد عایق‌سازی بالا و مزایای محیطی را ارائه می‌دهند و به کاربرد گسترده در سیستم‌های برق می‌انجامد.

اجزای اصلی این نوع واحد حلقه‌ای در یک ظرف لحیم‌کاری شده و مختومه که با گاز عایق‌سازی پر شده (از این به بعد به عنوان "فضای گازی" اشاره می‌شود) نصب شده‌اند. فضای گازی اجزای اصلی واحد حلقه‌ای عایق‌شده با گاز است. وظیفه اصلی آن اطمینان از عملکرد مؤلفه‌های ولتاژ بالا درون بدون تأثیر عوامل محیطی خارجی مانند آلودگی، رطوبت و فرسایش است. همزمان، این فضا هم محیط کار مؤلفه‌ها و هم عملکرد الکتریکی عادی را تضمین می‌کند. تمامی اجزای داخلی توسط فضای گازی مختومه محافظت می‌شوند. فضای گازی با دستگاه‌های مانیتورینگ فشار یا چگالی گاز مجهز شده است، مانند جمع‌آوره‌های فشار یا چگال‌سنج‌ها که معمولاً اختلاف فشار بین داخل و خارج فضا را اندازه‌گیری می‌کنند.

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

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

واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز طراحی کاملاً عایق‌سازی شده دارند که مدارهای رسانای اصلی آنها با سیستم عایق‌سازی کاملی که شامل فضای گازی مختومه، بوشینگ‌های کاملاً عایق‌شده وارد/خروجی و پایانه‌های کابل کاملاً عایق‌شده است، محاط شده‌اند. چون محیط داخلی فضای گازی از شرایط خارجی تأثیر نمی‌پذیرد، چگالی گاز و رطوبت ثابت می‌ماند. نظریا، عملکرد عایق‌سازی از عوامل خارجی مانند رطوبت، آلودگی یا گازهای فرسایشی مستقل است. به طور مشابه، عملکرد عایق‌سازی بوشینگ‌ها و پایانه‌های کابل—که با مواد عایق‌سازی مانند رزین اپوکسی و کائوچوک سیلیکون طراحی شده‌اند—از محیط خارجی تأثیر نمی‌پذیرد. به نظر می‌رسد که طراحی معمولی واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز برای محیط‌های مرتفع مناسب است که منجر به این باور در بین تولیدکنندگان شده است که آنها به نیازهای عملیاتی ارتفاع بالا پاسخ می‌دهند و به طور مستقیم در این مناطق نصب می‌شوند.

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

۱.۱ نصب مستقیم در مناطق ارتفاع بالا

مفهوم طراحی: این رویکرد بر این اصل تکیه دارد که مدار رسانای اصلی با سیستم عایق‌سازی کامل (فضای گازی مختومه، بوشینگ‌های کاملاً عایق‌شده و پایانه‌های کابل) محاط شده است که عملکرد عایق‌سازی از شرایط ارتفاع بالا مستقل است.
مشکلات موجود: در عمل، کاهش فشار جوی خارجی در ارتفاعات بالا، اختلاف فشار بین داخل و خارج فضای گازی را افزایش می‌دهد. این باعث تغییر شکل قابل توجه فضای گازی می‌شود و عملکرد مکانیکی مؤلفه‌های الکتریکی مانند قطع‌کننده‌ها 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 فضای گازی را در کارخانه کاهش می‌دهد. وقتی واحد به محل‌های ارتفاع بالا رسید، کاهش فشار جوی باعث می‌شود که اختلاف فشار به مقدار مورد نیاز در مشخصات فنی برسد و جمع‌آوره فشار مقدار عملیاتی مورد نیاز را نمایش دهد.
مشکلات موجود: این طراحی چگالی گاز عایق‌سازی داخل فضای گازی را کاهش می‌دهد. چون جمع‌آوره فشار مقدار طراحی شده را در ارتفاعات بالا نمایش می‌دهد، اما عملکرد عایق‌سازی گازها به چگالی گاز وابسته است طبق منحنی پاشن (شکل ۱) که توسط فیزیکدان آلمانی فریدریش پاشن تدوین شده است. منحنی پاشن تابعی را که از قانون پاشن بدست آمده است نمایش می‌دهد. معنا فیزیکی آن: ولتاژ شکست U (کیلوولت) تابعی از حاصل ضرب فاصله الکترود d (سانتی‌متر) و فشار گاز P (تور) است، که به صورت U = apd / [ln(Pd) + b] (شکل ۱) بیان می‌شود، که a و b ثابت‌هایی هستند.

اهمیت اصلی این 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 تدریج 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 ناحیه (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 فضای گازی باعث تغییر شکل بیشتر فضای گازی می‌شود و عملکرد مکانیکی و عملکرد کلیدها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

• در شرایط افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی، دستگاه‌های تخلیه فشار بیشتر ممکن است فعال شوند.

• دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار، تفاوت فشار نسبی بین داخل و خارج از قسمت گاز را اندازه می‌گیرند. دستگاه‌های اندازه‌گیری چگالی گاز، قابلیت جبران دما را به دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار اضافه می‌کنند. هیچ‌کدام نمی‌توانند چگالی واقعی گاز در داخل قسمت را در ارتفاعات بالا دقیق نمایش دهند، اما چگالی گاز به طور ذاتی با عملکرد عایق‌بندی پیوند دارد.

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

۲. طرح طراحی برای واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز در ارتفاعات بالا
با توجه به تحلیل فوق، اگرچه ساختار کاملاً عایق‌شده واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز (با مدارهای رسانای اصلی کاملاً درون قسمت‌های گازی بسته شده، بوشینگ‌های کاملاً عایق‌شده و پایانه‌های کابلی کاملاً عایق‌شده) به طور نظری عملکرد عایق‌بندی را حفظ می‌کند، اما تحت تأثیر عوامل ناشی از ارتفاعات بالا قرار می‌گیرد: افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در قسمت گاز، عدم توانایی کاهش چگالی گاز عایق‌کننده در داخل قسمت و نیاز به نمایش دقیق چگالی گاز. بنابراین، کلید طراحی برای واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز در ارتفاعات بالا در طراحی قسمت گاز و دستگاه تخلیه فشار است، تا نیازهای محیطی ارتفاعات بالا برای دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار قسمت گاز و حل کاهش قابلیت عایق‌بندی کلی اجزای خارجی در ارتفاعات بالا برآورده شود.

۲.۱ طراحی قسمت گاز و دستگاه تخلیه فشار برای کاربردهای ارتفاعات بالا
برای حل مشکلات فنی ذکر شده، این مقاله یک مفهوم طراحی جدید برای واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز در ارتفاعات بالا ارائه می‌دهد که با واحدهای معمولی بدون طراحی تخصصی یا آنهایی که فقط از کاهش ساده فشار استفاده می‌کنند متفاوت است. این واحد حلقه‌ای شامل طراحی هدفمند در جنبه‌های زیر است:

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

بر اساس مدل استاندارد جوی بین‌المللی، فشار استاندارد جو در یک ارتفاع معین می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
که در آن P فشار جو در یک ارتفاع معین؛ P₀ فشار استاندارد جو در سطح دریا؛ H ارتفاع است.

به عنوان مثال برای ارتفاع ۴۰۰۰ متر:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

با استفاده از یک واحد حلقه‌ای عایق‌شده با گاز SF₆ نمونه‌ای ۱۰ kV، فشار طراحی قسمت گاز در مناطق غیر ارتفاعات بالا معمولاً ۰.۰۷ MPa است. با در نظر گرفتن کاهش فشار جو در ارتفاعات بالا، فشار طراحی واقعی قسمت گاز در ارتفاع ۴۰۰۰ متر می‌تواند به صورت زیر محاسبه شود:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(۲) طراحی دستگاه تخلیه فشار برای کاربردهای ارتفاعات بالا
بر اساس استاندارد ملی جدید GB/T 3906—2020 "سیستم‌های مداربندی و کنترل متقابل فلزی AC با ولتاژ اسمی بالاتر از ۳.۶ kV و تا و شامل ۴۰.۵ kV"، بخش ۷.۱۰۳ مشخص می‌کند که قسمت گاز واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز باید بتواند ۱.۳ برابر فشار طراحی (P₁) را برای یک دقیقه تحمل کند بدون فعال شدن دستگاه تخلیه فشار. 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 مشخصات طراحی سازنده را برآورده کند. پس از تست، قسمت گاز ممکن است تغییر شکل دهد اما نباید پاره شود.

طراحی قدرت قسمت گاز و دستگاه تخلیه فشار بر اساس این الزامات استانداردهای ملی را برآورده می‌کند. قسمت‌های گاز و دستگاه‌های تخلیه فشار برای ارتفاعات مختلف می‌توانند با استفاده از این روش محاسبه و طراحی شوند:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

با تقویت ساختاری قسمت گاز—مانند استفاده از صفحات فولادی ضخیم‌تر یا افزودن تقویت‌کننده‌ها—قسمت کاملاً الزامات قدرتی ناشی از افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در ارتفاعات بالا را برآورده می‌کند. این امر جلوگیری از تأثیرات عملکرد مکانیکی و الکتریکی روی دستگاه‌های فشار بالا در داخل قسمت ناشی از تغییر شکل را تضمین می‌کند و عملکرد پایدار را در فشار گاز اسمی و عملکرد مکانیکی و الکتریکی مشابه با مناطق دشتی در محیط‌های ارتفاعات بالا ارائه می‌دهد.

با محاسبات طراحی و اعتبارسنجی آزمایشی، افزایش ضخامت و قدرت لایه تخلیه فشار ظرفیت تحمل فشار آن را افزایش می‌دهد. این امر تضمین می‌کند که محدوده تخلیه فشار قسمت گاز با الزامات محدوده فشار مشخص مطابقت دارد و فعال شدن زودرس دستگاه تخلیه فشار ناشی از افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در محیط‌های ارتفاعات بالا جلوگیری می‌شود. 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 عایق‌کننده از یک دستگاه چگالی بسته استفاده می‌کند. مقدار نمایش داده شده توسط آن تحت تأثیر تغییرات دما یا فشار جوی خارجی قرار نمی‌گیرد.

برای واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز در ارتفاعات بالا، دستگاه چگالی انتخاب شده برای قسمت گاز یک دستگاه چگالی بسته تمام شرایط است که از تأثیر دما و ارتفاع مستثنی است. اصول عملکرد آن شامل یک المان جبرانی در داخل دستگاه چگالی که جبران دما را انجام می‌دهد (بدون تأثیر دما). همزمان، سر دستگاه چگالی دارای ساختار بسته است که حجره بسته فشار استاندارد جو را حفظ می‌کند. مقدار فشار نمایش داده شده توسط دستگاه چگالی نشان‌دهنده تفاوت فشار بین داخل قسمت گاز و فشار استاندارد جو است.

این طراحی اطمینان می‌دهد که مقیاس دیتامتر که در فضای گازی واحد حلقه نصب شده همیشه به صورت دقیق تراکم واقعی گاز داخل فضای گازی را منعکس می‌کند. مقدار نمایش داده شده تحت تأثیر دما و ارتفاع قرار نمی‌گیرد و به طور کامل نیازهای عملیاتی در مناطق پرارتفاع را برآورده می‌کند.2.3 طراحی بوسینگ‌های کاملاً عایق‌بندی شده برای واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی شده در ارتفاعات بالا

به غیر از تأثیر بر فضای گازی و دستگاه‌های سنجش، ارتفاعات بالا همچنین بر اجزای خارجی کاملاً عایق‌بندی شده مانند بوسینگ‌های ورودی/خروجی و اتصالات پایانه‌ی کابل تأثیر می‌گذارد. عملکرد عایق‌بندی این اجزای خارجی کاملاً عایق‌بندی شده توسط هر دو عامل قدرت عایق‌بندی مواد عایق‌بندی و قدرت عایق‌بندی خزشی نسبت به زمین تعیین می‌شود. در ارتفاعات بالا، کاهش چگالی هوا قدرت عایق‌بندی خزشی نسبت به زمین را کاهش می‌دهد. در کاربردهای عملی، واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی طراحی شده به صورت سنتی اغلب در آزمون‌های تحمل ولتاژ با فرکانس تغذیه برای اجزای عایق‌بندی خارجی (مانند بوسینگ‌های عایق‌بندی یا میله‌های اتصال بالایی) پس از نصب در ارتفاعات بالا شکست می‌خورند.

برای حل این مشکل، این مقاله طرح جدیدی برای طراحی بوسینگ‌های کاملاً عایق‌بندی شده در واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی در ارتفاعات بالا پیشنهاد می‌کند: افزودن لایه‌ای محافظ متصل به زمین به سطح خارجی این اجزای عایق‌بندی. این طراحی یکنواختی میدان الکتریکی را بهبود می‌بخشد و از خروجی الکتریکی از مدار اصلی میله‌ها جلوگیری می‌کند.

در یک پروژه ایستگاه تغییر ولتاژ ۱۰ کیلوولت در ناگکو، تبت، یک شرکت در طی آزمون‌های پذیرش با وضعیتی روبرو شد که تجهیزات فقط قادر به عبور از آزمون تحمل ولتاژ با فرکانس تغذیه ۲۹ کیلوولت/۱ دقیقه نسبت به زمین بودند. پس از افزودن لایه‌ای محافظ متصل به زمین به عایق‌بندی خارجی بوسینگ‌های ورودی/خروجی و میله‌های اتصال خارجی فضای گازی، تجهیزات مطابق با استاندارد ملی ۴۲ کیلوولت/۱ دقیقه برای تحمل ولتاژ با فرکانس تغذیه نسبت به زمین موفق شدند.

2.4 خلاصه نقاط کلیدی فنی
نقاط کلیدی طراحی برای واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی شده در ارتفاعات بالا به شرح زیر است:

• افزایش قدرت ساختاری فضای 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.

• پایداری طراحی دیافراگم تخلیه فشار در دستگاه تخلیه فشار فضای گازی. پس از تقویت، این دیافراگم محدوده تحمل فشار دستگاه تخلیه فشار را در شرایط افزایش اختلاف فشار داخلی-خارجی در ارتفاعات بالا برآورده می‌کند.

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

• طراحی لایه‌ای محافظ متصل به زمین روی سطح خارجی اجزای عایق‌بندی خارجی فضای گازی برای بهبود یکنواختی میدان الکتریکی و جلوگیری از خروجی الکتریکی از مدار اصلی میله‌ها.

3. اهمیت طراحی واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی شده در ارتفاعات بالا
این طرح به منظور ارائه واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی شده که واقعاً نیازهای عملیاتی در ارتفاعات بالا را برآورده می‌کنند طراحی شده است. با تقویت قدرت ساختاری فضای گازی، بهبود قابلیت تحمل فشار دستگاه‌های تخلیه فشار، اندازه‌گیری دقیق تراکم گاز داخلی و طراحی منطقی اجزای عایق‌بندی مربوطه، واحد حلقه به تطبیق کامل فنی با محیط‌های پرارتفاع می‌رسد. این امر اطمینان می‌دهد که عملکرد مکانیکی و الکتریکی واحد حلقه حفظ شود و واحدهای حلقه گازی عایق‌بندی شده بتوانند در محیط‌های پرارتفاع به طور عادی عمل کنند.

مناطق پرارتفاع در چین وسیع هستند و تقاضای عظیمی برای تجهیزات برقی مناسب برای شرایط پرارتفاع ایجاد می‌کنند. استانداردسازی و منطقی بودن طراحی محصولات به طور فوری به بهبود نیاز دارد. تغییرات محیطی واقعی در مناطق پرارتفاع نیازهای جدیدی بر طراحی محصولات می‌گذارند. این طرح فنی نظریه و روش طراحی جدیدی را ارائه می‌دهد و یک کاوش معنادار است.