تحليل عطلة القصر الكهربائي لمفتاح الحمل من نوع البوفر بجهد 10 كيلوفولت

1. نظرة عامة على العطل

في يونيو 2013، وقع عطل في جهاز توزيع كهربائي عالي الجهد في منطقة حضرية معينة، مما أدى إلى انقطاع خط 10kV. وقد كشف التحقيق الميداني أن الجهاز المعيب كان جهاز توزيع كهربائي عالي الجهد ذاتي التشغيل بالهواء (نوع HXGN2-10)، وكانت خصائص العطل هي قصر دوائر القوس الثلاثي الأطوار. بعد عزل العطل واستعادة تزويد المستخدمين بالكهرباء، يجب ملاحظة أن نفس نوع الجهاز في هذه المنطقة، الذي تم تشغيله بين عامي 1999 و2000 (بفترة تشغيل تزيد عن 12 عامًا، وتيار مصمم محدد بـ 630A، وتيار تشغيلي فعلي غالبًا ≤ 300A)، تعرض لعطل مشابه عدة مرات، مما يشكل تهديدًا لتشغيل الشبكة الكهربائية بشكل موثوق.

2. مبدأ عمل أجهزة الحمل الهوائية

يُطلق على الخزانة الحلقة الهوائية هذا الاسم لأنها مجهزة بجهاز تحميل هوائي. قضيب الاتصال المتحرك يعمل أيضًا كأسطوانة هوائية——الهيكل الفارغ يحتوي على "المكبس" المختوم، والذي يتم تشغيله بواسطة العمود الرئيسي لتحقيق الحركة الخطية للإغلاق والفتح. عند الفتح، يقوم المكبس بضغط الهواء بسرعة داخل قضيب الاتصال المتحرك (الأسطوانة الهوائية)، ويتم النفخ بالهواء المضغوط نحو القوس الناتج من انفصال نقاط الإطفاء المقاومة للقوس عبر فوهة البلاستيك المقاومة للقوس في الأعلى، مما يؤدي إلى إخماد القوس عن طريق سحبه؛ يتسبب تدفق الهواء السريع في استعادة قوة العزل للمادة عند الانفصال بسرعة، مما يمنع إعادة اشتعال القوس.

نظرًا لقدرة الجهاز المحدودة على قطع تيارات العطل (صالحة فقط لنظم أقل من 35kV)، تم اعتماد تصميم "فصل العنصر الموصل عن العنصر المحرك للقوس":

• العنصر الموصل: أصابع الاتصال المصنوعة من النحاس على شكل تفاحة + قضيب موصل، مسؤولة عن نقل التيار الكهربائي؛

• العنصر المحرك للقوس: قضيب القوس المصنوع من سبيكة النحاس والتنجستن + حلقة القوس، مخصصة لإشعال وإطفاء القوس.

عند الفتح، تنفصل السطح الخارجي لقضيب الاتصال المتحرك أولاً عن أصابع الاتصال الثابتة، ثم تنفصل حلقة القوس عن قضيب القوس. يتم تقييد القوس ليحترق بين مكونات القوس، مما يتجنب تلف نقاط الاتصال الرئيسية؛ يتم ربط قضيب الاتصال المتحرك والطرف السفلي بواسطة أصابع الاتصال على شكل تفاحة لضمان التوصيل الكهربائي.

3. تحليل عميق لأسباب العطل
(1) التحقيق الأولي (العوامل الخارجية)

التيار المحدد المصمم لهذا النوع من الأجهزة هو 630A، ولكن البيانات المرسلة تظهر أن تيار التشغيل لجهاز الخروج للمحطة هو 283A، والتيار النظري المار بالأجهزة على الطريق هو ≤ 283A. بالإضافة إلى البيئة المحيطة (طقس صافٍ، لا يوجد تلوث على جسم الخزانة)، يمكن استبعاد العوامل الخارجية مثل زيادة التيار والجهد الزائد والفلاشر بسبب التلوث مباشرة، ويُعزى العطل إلى عيوب الجهاز نفسه.

(2) التفكيك والتحقق من الاختبار

بعد تفكيك الخزانة المعيبة، يتم التكهن في البداية بأن "التواصل السيء بين نقاط الاتصال المتحركة والثابتة يؤدي إلى الاحتراق بسبب الحرارة"، ولكن لا يمكن الوصول إلى استنتاج نهائي بسبب التلف الشديد للخزانة. لذلك، يتم إجراء اختبارات على عينات من نفس نوع الأجهزة التي تعمل:

• القدرة على تحمل الجهد والمقاومة الدائرية: مستوى تحمل الجهد مؤهل، والمقاومة الدائرية هي 114μΩ (وفقًا للوائح التقنية)؛

• اختبار الارتفاع الحراري: بيانات اختبار الارتفاع الحالي لمدة 30 دقيقة (جدول 1) تظهر أن الارتفاع الحراري يصل إلى 84.2℃ عند 400A ويرتفع إلى 133.1℃ عند 630A، مما يتجاوز بكثير المعيار الوطني للحكم على الاستقرار "ارتفاع حراري ≤ 1K خلال ساعة واحدة أو ≤ 2K خلال ثلاث ساعات".

(3) تحديد الأسباب الجذرية

تشير الاختبارات الشاملة وتحليل الهيكل إلى أن العطل ينشأ من فشل نظام الاتصال، متجسدًا في:

• قوة الربيع غير كافية: لا يمكنها التعاقد الفعال لأصابع الاتصال على شكل تفاحة، مما يؤدي إلى تدهور "الاتصال السطحي" بين أصابع الاتصال وقضيب الاتصال المتحرك إلى "اتصال خطي"، مع انخفاض حاد في مساحة الاتصال؛

• عيوب في الدقة التصنيعية: عدم كفاية الدقة في معالجة السطح القمري/المسطح لأصابع الاتصال على شكل تفاحة يفاقم التواصل السيء؛

• دورة الشرير للأكسدة: تتعرض أصابع الاتصال وقضيب الاتصال المتحرك للهواء، والأكسدة تؤدي إلى زيادة مقاومة الاتصال → زيادة الحرارة → تراجع أكبر في قوة الربيع → تأثير اتصال أسوأ، مما يؤدي في النهاية إلى قصر دوائر القوس الكهربي وانقطاع الخط.

4. حلول التحويل والتحسين للأجهزة
(1) ترقية العملية: التحكم الدقيق في جودة الاتصال

مع التركيز على المشكلة الأساسية "التواصل السيء"، يتم تقديم تحسينات من الناحية المواد والتصنيع:

• اختيار الربيع: استخدام ربيع مقاوم للتعب لتوفير قوة ربيع مستقرة خلال العمر التصميمي (بما في ذلك حالة صنع وقطع التيار المحدد)، مما يتجنب مشاكل الاتصال الناجمة عن فشل الربيع؛

• معالجة أصابع الاتصال: التحكم الصارم في الدقة التصنيعية للسطح القمري والمستوى لأصابع الاتصال على شكل تفاحة لضمان التوافق الكامل مع السطح القمري الأسطواني لقضيب الاتصال المتحرك، مما يقضي على مخاطر الاتصال الخطي/النقطي، ويضمن قدرة الحمل الحراري والتوافق مع الارتفاع الحراري للاتصالات.

(2) تحسين التصميم: المراقبة الشاملة للحالة

دمج وظيفة "المراقبة عبر الإنترنت" في تصميم هيكل الخزانة لتحقيق الحالة المرئية:

• نافذة قياس الحرارة والمستشعر: إعداد نافذة قياس الحرارة المريحة، تركيب مستشعر الحرارة عند نقطة الاتصال الثابتة، وعرض درجة حرارة الجزء الملامس داخل الخزانة في الوقت الحقيقي عبر أداة اللوحة؛

• تخزين البيانات والإنذار المبكر: تجهيز معدات التخزين لتسجيل بيانات التشغيل. حتى لو تقادمت الأجهزة، يمكن تحديد الحالات الغير طبيعية مسبقًا من خلال تحليل البيانات، مما يثير عملية الاستبدال والصيانة، وتحول من الصيانة السلبية إلى التشغيل والصيانة النشطة.

(3) تعزيز التشغيل والصيانة: معالجة العيوب الديناميكية

بالنسبة للأجهزة التي تعمل، يتم تحسين أساليب التشغيل والصيانة:

• تحويل نافذة المراقبة: تغيير نافذة المراقبة الثابتة إلى متحركة لتسهيل مراقبة درجة الحرارة داخل الخزانة؛

• تطبيع اختبار التفريغ الجزئي: إجراء اختبار التفريغ الجزئي للأجهزة أثناء فترات الحمل القصوى للكشف مسبقًا عن عيوب العزل ومنع توسع العطل.

5. سيناريوهات التطبيق والاقتراحات التطويرية

مع زيادة استهلاك الكهرباء، يتم ترقية الخطوط الرئيسية للشبكة التوزيعية إلى كابلات ذات مساحة مقطعية كبيرة تبلغ 300-400 متر مربع، وتستمر قدرة المحطات في النمو. أصبحت عيوب قدرة القطع غير الكافية ونقاط الاتصال الهشة للأجهزة الهوائية أكثر وضوحًا. يُقترح:

• تعديل السيناريو: الانسحاب من تطبيقات الحلقة الخطية وتحويلها إلى توزيع كهربائي عالي الجهد في المناطق النهائية للمحولات (بحجم محول ≤ 630kVA)، والاستفادة من مزايا "البنية البسيطة والتكلفة المنخفضة"؛

• التدرج التكنولوجي: بالنسبة لسيناريوهات الحلقة الخطية، يجب اختيار الأجهزة ذات الموثوقية الأعلى وقوة القطع الأقوى (مثل أجهزة التحميل الفراغية) لتلبية متطلبات الأتمتة في الشبكات التوزيعية والموثوقية العالية؛

• استمرارية القيمة: بعد التحويل "ترقية العملية + المراقبة عبر الإنترنت"، يمكن أن تستمر أجهزة التحميل الهوائية في خدمة سيناريوهات الأحمال النهائية وتحقيق قيمتها المتبقية.