تحليل ومناقشة أعطال المحور الرئيسي للمفتاح الكهربائي في الفراغ في آلية IEE-Business

المقاطع الكهربائية تحت الفراغ هي نوع من المقاطع الكهربائية حيث يكون وسيلة إطفاء القوس الكهربائي والوسط العازل بين الأطراف بعد إطفاء القوس هو فراغ. كوحدة حماية وتحكم في المعدات الكهربائية ومعدات الدفع بالطاقة في المؤسسات الصناعية والتعدينية، تستخدم المقاطع الكهربائية ذات الفراغ العالي الداخلية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ويمكن تركيبها في الخزانات الثابتة وخزانات الوسط وخزانات ثنائية الطبقات. كجهاز كهربائي رئيسي ضمن معدات التوزيع، تناسب المقاطع الكهربائية ذات الفولتية العالية الأماكن التي تتطلب تشغيلًا متكررًا عند التيار التشغيلي المقنن أو قطع تيار القصر عدة مرات.

يتناول هذا البحث مشكلة عدم فتح أو إغلاق مقاطع EIB الكهربائية تحت الفراغ بشكل صحيح بسبب التشغيل المتكرر. من خلال التجارب، تم اكتشاف أن سقوط الربيع القاطع على الجانب الأيمن للمحور الرئيسي هو السبب في عدم فتح أو إغلاق المقطع الكهربائي بشكل صحيح. تم اقتراح تحسين عن طريق تركيب بطانات ضبط للتأكد من التشغيل الطبيعي للمقطع الكهربائي، مما له أهمية مرجعية معينة لبناء الإنتاج الآمن للشركات.

بنية المقطع الكهربائي تحت الفراغ

يتكون المقطع الكهربائي تحت الفراغ بشكل أساسي من مكونات مثل غرفة إطفاء القوس الكهربائي تحت الفراغ والآلية التشغيلية والدعم.

غرفة إطفاء القوس الكهربائي تحت الفراغ

وتُعرف أيضًا باسم أنبوب التبديل تحت الفراغ، تعمل غرفة إطفاء القوس الكهربائي تحت الفراغ على الاستفادة من خصائص العزل الممتازة للوسط الفراغي داخل الأنبوب، مما يسمح بسرعة إطفاء القوس وقطع التيار في الدائرة المتوسطة والمرتفعة الجهد بعد قطع التيار الكهربائي. وهي تتكون من الهياكل الرئيسية التالية:

• نظام العزل الضيق: وهو حاوية مغلقة في بيئة فراغية، يتكون بشكل أساسي من أسطوانة عازلة ضيقة، وأغطية طرفية متحركة وأغطية طرفية ثابتة، وجراب من الفولاذ المقاوم للصدأ. لضمان الضيق، يتطلب الأمر عمليات تشغيل صارمة للوصلات الضيقة. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى مواد ذات نفاذية هواء شديدة الانخفاض، ويجب أيضًا تقييد كمية الغاز المنبعثة إلى الحد الأدنى.

• نظام التوصيل: يتكون بشكل أساسي من الطرف الثابت والطرف المتحرك. يتضمن الطرف الثابت جهة الاتصال الثابتة، وقضيب التوصيل الثابت، وسطح جريان القوس الثابت، بينما يتضمن الطرف المتحرك جهة الاتصال المتحركة، وقضيب التوصيل المتحرك، وسطح جريان القوس المتحرك. يمكن تقسيم أنواع بنية جهات الاتصال إلى نوع المجال المغناطيسي العرضي بسطح جريان القوس ذو اللولب، والنوع ذو المجال المغناطيسي الطولي، والنوع الأسطواني. تقوم الآلية التشغيلية بإغلاق الجهتين عبر تحريك قضيب التوصيل المتحرك، وبالتالي إكمال اتصال الدائرة.

• نظام الحماية: يتكون بشكل أساسي من أسطوانة الحماية، وغطاء الحماية، وغيرها من الأجهزة. تشمل أغطاء الحماية الشائعة حالياً أنواعاً مثل غطاء الحماية الجرابي وغطاء الحماية الرئيسي المحيط بالجهات. يمكن أن يقلل غطاء الحماية الرئيسي من قوة المجال المحلي، ويحسن من توزيع المجال الكهربائي الداخلي لغرفة إطفاء القوس الكهربائي تحت الفراغ، مما يساهم في تصغير غرفة إطفاء القوس الكهربائي تحت الفراغ. في الوقت نفسه، يمكن أن يمنع المنتجات الناتجة عن القوس من التطاير على الجدار الداخلي للغلاف العازل، مما يضمن عدم تأثر تأثير العزل للغلاف بأي تفريغ قوس. كما يمكنه امتصاص طاقة القوس، وتجميع منتجات القوس، وتسريع استعادة قوة العزل في الفجوة بعد القوس.

الآلية التشغيلية

تستخدم أنواع مختلفة من المقاطع الكهربائية آليات تشغيل مختلفة. تشمل الآليات التشغيلية الشائعة آليات الربيع، وآليات تخزين الطاقة بالربيع IEE-Business، وآليات CT8 تخزين الطاقة بالربيع، وآليات CT19 تخزين الطاقة بالربيع، وآليات CD10 الكهرومغناطيسية، وآليات CD17 الكهرومغناطيسية، وغيرها. من بينها، تتميز آليات الربيع بمزايا صغيرة الحجم، وتيار إغلاق صغير، ومعاملة عالية، وهي تستخدم على نطاق واسع حاليًا في معدات التوزيع من مستويات مختلفة من الجهد.

وظيفة ومبادئ المقطع الكهربائي تحت الفراغ

الوظائف والخصائص

تحت ظروف التشغيل العادية، يمكن لمقطع كهربائي تحت الفراغ يتوافق مع نطاق المعلمات التقنية أن يضمن تشغيله الآمن والموثوق به في شبكة الكهرباء من المستوى المناسب من الجهد. يصل عمر المقطع الكهربائي تحت الفراغ الميكانيكي إلى حوالي 20,000 مرة، وعدد القطع الكامل لتيار القصر هو 50 مرة. يمكن تشغيله بشكل متكرر أو قطع تيار القصر عدة مرات ضمن نطاق التيار التشغيلي. تتميز المقاطع الكهربائية ذات الفولتية العالية بموثوقية عالية، وتشغيل على مدار الساعة، ودون الحاجة للصيانة، ووظائف كاملة، وتداخل جيد، وقابلية استخدام قوية، ويمكن تطبيقها على العمليات المتعددة الخصائص. تستخدم المقاطع الكهربائية تحت الفراغ أسطوانة عازلة رأسية وهياكل عازلة صلبة - أعمدة متصلة بشكل صلب ومختومة، والتي يمكنها مقاومة تأثيرات بيئات خاصة مختلفة ولا تحتاج إلى صيانة. في الوقت نفسه، يوجد العديد من طرق استخدام المقاطع الكهربائية تحت الفراغ، والتي يمكن تركيبها بطريقة ثابتة أو استخدامها بطريقة قابلة للسحب أو تركيبها على إطار.

تقديم المبدأ

عند فتح نقاط الاتصال الثابتة والمتحركة للمقطع الكهربائي تحت الفراغ أثناء الشحن، سيتشكل قوس كهربائي تحت الفراغ بين النقاط. يرفع القوس درجة حرارة سطح النقاط، مما يؤدي إلى ظهور بخار المعدن على سطح النقاط. بناءً على الشكل الخاص بالنقط، عندما يمر التيار، تحت تأثير المجال المغناطيسي الذي يولد، يتحرك القوس بسرعة على طول الاتجاه المماس لنقطة الاتصال. ينتشر البخار المعدني والجسيمات المشحونة في عمود القوس باستمرار نحو الخارج، ويستمر انخفاض كثافة البخار المعدني والجسيمات المشحونة. عندما يمر القوس طبيعيًا عبر الصفر، يتعافى الوسط بين النقاط بسرعة من الموصل إلى العازل، ويتم قطع التيار ويتم إطفاء القوس.

ملخص وتحليل أسباب العطل

تحليل حالة عدم فتح المقطع الكهربائي تحت الفراغ أو عدم فتحه بشكل كامل بسبب التشغيل المتكرر، يظهر الفحص على الأرض أن البرغي في نهاية المحور الرئيسي على الجانب الأيمن قد سقط، مما تسبب في سقوط الربيع القاطع على الجانب الأيمن والحصول على عائق حول المحور الرئيسي في نفس الوقت. تعتمد آلية القطع فقط على الربيع القاطع على الجانب الأيسر من المحور الرئيسي، مما يؤدي إلى عدم فتح المفتاح بشكل كامل. رغم أن احتمال حدوث هذا العطل نسبيًا صغير، إلا أن حدوثه قد يسبب حوادث سلامة الإنتاج. لذلك، من الضروري تحليل أسباب العطل، وإزالة المخاطر المحتملة، وضمان الإنتاج الآمن.

خطة الحل والتحقق

البراغي التي تثبت الربيع القاطع على جانبي المحور الرئيسي للمفتاح في آلية IEE-Business هي براغي عادية + غسالات ربيع (انظر الشكل 1). بعد سنوات من التشغيل المتكرر للمفتاح، يسقط البرغي الذي يثبت الربيع القاطع على الجانب الأيمن من المحور الرئيسي بسبب الاهتزاز، مما يسبب سقوط الربيع القاطع على الجانب الأيمن والحصول على عائق حول المحور الرئيسي في نفس الوقت. تعتمد آلية القطع فقط على الربيع القاطع على الجانب الأيسر من المحور الرئيسي، مما يؤدي إلى عدم فتح المفتاح بشكل كامل. من خلال التحقيق على الأرض، تم اكتشاف أن هناك فرق طولي محوري قدره حوالي 4 مم بين مفتاح السباكة على الجانب الأيمن من المحور الرئيسي والغلاف الخارجي، وقد تشوّه الغطاء النهائي وتراجع داخليًا (انظر الشكل 2). لمعالجة هذا العطل، أي فشل المفتاح بسبب سقوط الربيع القاطع بسبب تخلخل البرغي النهائي للمحور الرئيسي، وللتحقق، تم إعادة تجميع مفتاح بهيكل متناظر لمحاكاة العطل:

قم بضبط الطول المحوري بين مفتاح السباكة على الجانب الأيمن من المحور الرئيسي لهذا المفتاح المحاكى والغلاف الخارجي لإنشاء فجوة تقدر بحوالي 4 مم (انظر الشكل 3)، واستخدم مفتاح عزم بقوة عزم 45 نيوتن متر لتثبيته. ادفعه إلى غرفة التشغيل الميكانيكي. القراءة الأولية هي 26 مرة، ويظهر الغطاء النهائي تشوّه طفيف بعد التثبيت. يتم عرض العملية في الشكل 4.

في الختام، عندما يكون العزم المحدد 45 نيوتن متر، حتى لو بلغ الطول المحوري بين الأكمام والمحور السباتي 4 مم وتشوّه الغطاء النهائي وتراجع داخليًا، فإنه يظل ثابتًا بشكل جيد حتى أكثر من 2,200 عملية. ثم ينتقل إلى المرحلة الثانية للتحقق.

قم بضبط الطول المحوري بين مفتاح السباكة على الجانب الأيمن من المحور الرئيسي لهذا المفتاح المحاكى والغلاف الخارجي لإنشاء فجوة تقدر بـ 4 مم. استخدم مفتاح عزم بقوة عزم 35 نيوتن متر، واستخدم الغطاء النهائي المتشوه والتراجعي من المرحلة الأولى. علّمه بخط سكرين. ادفعه إلى غرفة التشغيل الميكانيكي. القراءة الأولية هي 2,252. في الختام، عندما يكون العزم 35 نيوتن متر، حتى لو بلغ الطول المحوري بين الأكمام والمحور السباتي 4 مم وتشوّه الغطاء النهائي وتراجع داخليًا، فإنه يظل ثابتًا بشكل جيد حتى أكثر من 1,887 عملية. ثم ينتقل إلى المرحلة الثالثة للتحقق (انظر الشكل 6).

قم بضبط الطول المحوري بين مفتاح السباكة على الجانب الأيمن من المحور الرئيسي لهذا المفتاح المحاكى والغلاف الخارجي لإنشاء فجوة تقدر بـ 4 مم. استخدم مفتاح عزم بقوة عزم 20 نيوتن متر، واستخدم الغطاء النهائي المتشوه والتراجعي من المرحلة الثالثة. علّمه بخط سكرين. ادفعه إلى غرفة التشغيل الميكانيكي. القراءة الأولية هي 4,139 (انظر الشكل 7).

في الختام، عندما يكون العزم 20 نيوتن متر، حتى لو بلغ الطول المحوري بين الأكمام والمحور السباتي 4 مم وتشوّه الغطاء النهائي وتراجع داخليًا، فإنه يظل ثابتًا بشكل جيد حتى أكثر من 1,671 عملية. ثم ينتقل إلى المرحلة الرابعة للتحقق (انظر الشكل 8 والشكل 9).

قم بضبط الطول المحوري بين مفتاح السباكة على الجانب الأيمن من المحور الرئيسي لهذا المفتاح المحاكى والغلاف الخارجي لإنشاء فجوة تقدر بـ 4 مم. استخدم مفتاح عزم بقوة عزم 10 نيوتن متر، واستخدم الغطاء النهائي المتشوه والتراجعي من المرحلة الرابعة. علّمه بخط سكرين. ادفعه إلى غرفة التشغيل الميكانيكي. القراءة الأولية هي 5,810 (انظر الشكل 10).

خلال عملية الاختبار، تم اكتشاف أنه عندما بلغ العداد 551 عملية، بدأ الغطاء النهائي في الدوران قليلاً بالنسبة للموضع الأصلي (انظر الشكل 11)؛ عندما زاد العدد إلى 820 عملية، بدأ الغطاء النهائي في الدوران قليلاً بالنسبة لموضع 551 عملية (انظر الشكل 12)؛ عندما بلغ العدد 1,122 عملية، أصبح الربيع القاطع مرتخيًا بشكل مرئي (انظر الشكل 13)؛ عندما زاد العدد إلى 1,261 عملية، سقط الربيع القاطع (انظر الشكل 14).

ملخص عملية الاختبار

تصميم محور آلية الربيع IEE-Business يستند إلى تصميم شركة IEE البلجيكية. بعد تمركز الذراعين بدقة، يتم تشديد البراغي على الجانبين إلى قيمة العزم المحددة. تستخدم الغسالات الربيعية (صناعة من الفولاذ الربيعي) لمنع التخلخل بواسطة الاحتكاك. بعد التجميع، يتم تسطيح الغسالات، وقوة الرجوع تحافظ على قوة الضغط والاحتكاك بين الخيوط. تم إثبات موثوقية تصميم محور هذه الآلية وتلك الإجراءات ضد التخلخل في اختبارات العمر الميكانيكي للنوع في معهد الصين للأبحاث الكهربائية (CEPRI).

مشكلات العملية المبكرة لمحور آلية IEE

في عملية التجميع المبكرة، كان العمال مضطرين لتعديل الأكمام من درجات تسامح مختلفة لتحقيق التوازن في الأبعاد، مما جعل جودة التجميع غير متسقة ومن الصعب السيطرة عليها. بعد تجميع محور المفتاح، أدى الخطأ التراكمي إلى انحراف في الطول المحوري بين مفتاح السباكة الداخلي والأكمام الخارجية. عندما يتم تشديد البراغي إلى قيمة العزم المحددة، ينخفض الجزء الأوسط من الأغطية النهائية داخليًا. بما أن الأغطية النهائية مصنوعة من مواد غير مرنة غير مصنوعة من الفولاذ الربيعي، فإنها لا تستطيع التعافي بعد التشوه. بالإضافة إلى ذلك، قد يحدث الزحف في الأكمام بسبب الصدمات أثناء التشغيل، مما قد يقلل تدريجيًا من قيمة العزم لتشديد البراغي (بدون تغييرات واضحة في الأجزاء الثابتة مثل البراغي والأغطية النهائية حتى تضعف قيمة العزم بشكل كبير). أيضاً، يصعب على الصيانة الروتينية تطبيق عزم كافٍ باستخدام مفاتيح عادية. في النهاية، عندما تنخفض قيمة العزم إلى أقل من 10 نيوتن متر، تسارع الأغطية النهائية في التخلخل، مما يدمر تأثير الغسالات الربيعية ضد التخلخل.

تحسين العملية

لتقليل التخلخل الناجم عن الانخفاض الداخلي للأغطية النهائية، تم تعديل العملية: بعد التجميع العام، يتم إضافة بطانات ضبط بشكل موحد للتوازن. يتم تطبيق الغراء القابض على البراغي، ثم يتم تشديدها بقوة عزم 45 نيوتن متر باستخدام مفتاح عزم. مع تركيب البطانات، لم يعد هناك مساحة للغطاء النهائي للانخفاض داخليًا. لن يقلل الغطاء النهائي من قيمة العزم التثبيت بسبب التشوه البلاستيكي، مما يضمن تشغيل المفتاح الكهربائي بشكل مستقر وموثوق به طوال فترة الخدمة بقوة عزم كافية.

إجراءات التصحيح

بالنسبة للمفتاح الكهربائي المصاب بهذا العطل، كما هو موضح في الشكل 15، قم بتثبيت بطانات الضبط. بعد تسوية وجه المحور الرئيسي الداخلي مع الأكمام الخارجية، قم بتثبيته باستخدام البراغي. قم بتطبيق الغراء القابض على البراغي واستخدم مفتاح عزم لتثبيتها بقوة عزم 45 نيوتن متر.

لمواجهة حدوث مثل هذه الأحداث ذات الاحتمال المنخفض، قم بفحص شامل للمفاتيح الكهربائية التي تم تشغيلها، وقم بتثبيت بطانات الضبط حسب الحاجة لضمان عمل المفاتيح الكهربائية المشغلة بشكل طبيعي وموثوق.

الخاتمة

يركز هذا البحث على حالة عدم فتح المفتاح الكهربائي ذو الفولتية العالية والفراغ بشكل صحيح. من خلال التحليل بالمحاكاة والتحقق التجريبي، يتم تحليل أسباب سقوط الربيع القاطع. تم اكتشاف أن الغطاء النهائي يتشوه بسبب الفجوة في المحور الرئيسي، وبعد فترة طويلة من الاهتزازات الناتجة عن التشغيل المتكرر، يسقط الربيع القاطع، مما يؤدي إلى عدم قدرة المفتاح على الفتح. تم اقتراح حل لهذه المشكلة، وتوضيح مدى جدواه بشكل تفصيلي. تم تقديم إجراءات تصحيحية محددة لاستبعاد العطل، وتعود المفاتيح الكهربائية ذات الفولتية العالية والفراغ إلى العمل بشكل طبيعي، مما يضمن الإنتاج العادي للشركة.