تحليل ضمان السلامة والموثوقية للعتاد الكهربائي المتوسط الجهد
كخبير مهني في عمليات أنظمة الطاقة، أدرك أن معدات التبديل ذات الجهد المتوسط (MV) تلعب دورًا محوريًا في توزيع الكهرباء والقياس والحماية. ضمان سلامة تشغيلها وموثوقيتها أمر حيوي، حيث يمكن للفشل فيها أن يسبب اضطرابًا كبيرًا في النظام الكهربائي بأكمله. لتعزيز الموثوقية، يجب أن نركز على تحسينات المستوى التصميمي، مما يمكّن معدات التبديل ذات الجهد المتوسط من القيام بوظائفها وحماية استقرار الشبكة.
1. تعريف معدات التبديل ذات الجهد المتوسط
في ممارستي، تشير معدات التبديل ذات الجهد المتوسط إلى معدات التبديل المغطاة بالمعادن كما هو محدد في GB 3906-2020 معدات التبديل والمعدات المرتبطة بها ذات الجهد المتردد من 3.6 كيلوفولت إلى 40.5 كيلوفولت: وهي معدات محاطة تمامًا بألواح معدنية باستثناء الموصلات الواردة/المغادرة.
في أنظمة الطاقة، تقوم معدات التبديل ذات الجهد المتوسط بوظائف رئيسية: التبديل والقياس وتوزيع الطاقة والحماية عبر مراحل التوليد والنقل والتوزيع. أثناء التشغيل، أقوم بتعديل تكوينها بناءً على طلب الشبكة - ربط أو فصل المعدات/الخطوط لتوفير الاستقرار. عند حدوث أعطال في أجهزة الشبكة أو الخطوط، أستخدم معدات التبديل ذات الجهد المتوسط للعزل السريع للجزء المعطل، مما يضمن تزويد المناطق غير المتضررة بالطاقة دون انقطاع.
2. أهمية ضمان موثوقية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط
تُستخدم معدات التبديل ذات الجهد المتوسط بشكل واسع في أنظمة الطاقة. مع توسع شبكات الصين وتعقيدها المتزايد، تحمل الشبكات الآن أحمالًا أثقل لتلبية الطلب الاجتماعي. من خبرتي، فقط من خلال ضمان موثوقية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط يمكنها إدارة توزيع الطاقة والقياس والحماية بشكل فعال، مما يحافظ على استقرار الشبكة بشكل عام.
أي حادث أمني أو فشل تشغيلي في معدات التبديل ذات الجهد المتوسط سيؤدي إلى عدم استقرار نظام التوزيع، مما يؤثر على تزويد الطاقة. وفي الحالات الشديدة، قد يؤدي ذلك إلى انقطاعات واسعة النطاق، مما يتسبب في خسائر اقتصادية كبيرة للإنتاج الاجتماعي. لذلك، أشدد على الحاجة إلى تعزيز موثوقية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط من خلال إجراءات متعددة الجوانب، مما يضمن وظائف مستقرة ودعم الشبكة.
3. استراتيجيات لتعزيز موثوقية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط
3.1 تصميم عقلاني لهيكل الغلاف
يعتبر التصميم العلمي للغلاف الأساس لضمان موثوقية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط، وهو ما أركز عليه في ممارستي الهندسية. على سبيل المثال:
هذه التحسينات التصميمية تتوافق مع أفضل الممارسات الصناعية، مما يضمن أن معدات التبديل ذات الجهد المتوسط تلبي متطلبات السلامة والأداء في العمليات العملية.
3.2 تصميم عقلاني لهيكل العزل
لتعزيز سلامة ومعتمدية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط، فإن تقوية تصميم العزل أمر أساسي. في التصميم العملي، بالإضافة إلى تلبية متطلبات العزل، يجب أيضًا النظر في عوامل مثل تكلفة التصميم والحماية البيئية.
3.2.1 اختيار عقلاني للغازات العازلة
في معدات التبديل ذات الجهد المتوسط، كان غاز SF₆ هو الوسط العازل الرئيسي. ومع ذلك، فهو ليس فقط سام ولكنه أيضًا له قيمة عالية جدًا من القدرة على تسخين الأرض (GWP). بينما يعتبر ثاني أكسيد الكربون غازًا دفيئًا ذا GWP عالية، فإن غاز SF₆ لديه GWP أعلى بـ 23,900 مرة من ثاني أكسيد الكربون، مما يظهر الأذى الكبير الذي يسببه للبيئة الطبيعية. بالنسبة لمعدات التبديل ذات الجهد المتوسط والمنخفضة التي لا تتطلب أداءً نقائصيًا حرجة، يمكننا في التصميم محاولة استبدال غاز SF₆ بغاز N₂ أو الهواء الجاف. مقارنة بغاز SF₆، يمكن أن يصل أداء العزل لغاز N₂ والهواء الجاف إلى 30% من أداء غاز SF₆. يتم عرض مقارنة الأداء بين N₂ والهواء الجاف وSF₆ في الجدول 1.
كما يشير الجدول 1، N₂ والهواء الجاف ليسا غازات دفيئة، وبالتالي لا يشكلان أي تهديد للبيئة الإيكولوجية. كما أنهما يمتلكان درجات غليان منخفضة، مما يتجنب القلق بشأن التجمد أثناء الاستخدام العادي حتى في المناطق الباردة جدًا. ومن الملاحظ أن N₂، كمكون رئيسي للهواء، يتميز بخصائص كيميائية مستقرة. ومع ذلك، يمكن أن يسبب تركيز N₂ العالي الاختناق بسبب نقص الأكسجين. عندما يتم تصميم الغاز العازل باستخدام N₂، يجب تجهيز وسائل التهوية ومعدات الحماية. في المقابل، استخدام الهواء الجاف كغاز عازل يتجنب هذه المشاكل. من خلال المقارنة الشاملة، يمكن استخدام الهواء الجاف كبديل لغاز SF₆ في تصميم العزل للمعدات.
عند استخدام الهواء الجاف كغاز عازل، يجب النظر في تصميم الفجوة الهوائية الدنيا. وفقًا للمعايير ذات الصلة، بالنسبة لجهد محدد بـ 12 كيلوفولت، يجب أن تكون الفجوة الهوائية الدنيا بين الأطوار ومن الطور للأرض 125 ملم. إذا تم تجاوز اختبار التكاثف، يمكن أن تكون الفجوة الهوائية الدنيا أقل قليلاً من 125 ملم. استخدام الهواء الجاف كغاز عازل يسمح بتقليل الفجوة الهوائية الدنيا بشكل مناسب.
3.2.2 تعزيز الجهد الانهيار في الفجوات الغازية
خلال عملية التصميم، لضمان سلامة ومعتمدية معدات التبديل ذات الجهد المتوسط والمنخفض، يجب أيضًا تعزيز الجهد الانهيار في الفجوات الغازية، وذلك من خلال الطرق التالية:
تحسين توزيع المجال الكهربائي في معدات التبديل ذات الجهد المتوسط والمنخفض. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تحسين أشكال الأقطاب بناءً على الظروف الفعلية أو الاستفادة الكاملة من الشحنات الفضائية لتعزيز تساوي المجال الكهربائي. إذا كان تساوي المجال الكهربائي سيئًا للغاية، يمكن اعتبار إضافة الحواجز أيضًا خيارًا.
كبح عملية الأيونية للهواء الجاف. يمكن تطبيق الضغط العالي في معدات التبديل ذات الجهد المتوسط لتقليل عملية الأيونية للهواء الجاف. أو يمكن استخدام الفراغ العالي في معدات التبديل ذات الجهد المتوسط لتحقيق نفس التأثير.
عند استخدام الضغط العالي أو الفراغ العالي، يكون من الضروري أن يكون قوة الخزان الغازي عالية جدًا، وقد يحدث تسرب في التطبيقات العملية، مما يؤدي إلى عواقب وخيمة. لذلك، في التصميم الفعلي، يعد تحسين شكل الأقطاب وإضافة الحواجز في المجالات الكهربائية غير المتجانسة للغاية طرقًا أكثر قابلية للتنفيذ لزيادة الجهد الانهيار في الفجوات الغازية.
3.3 اختيار عقلاني للمكونات
المكونات الأساسية لمعدات التبديل ذات الجهد المتوسط، بما في ذلك مفاتيح الدائرة الفراغية والمطفئات الفراغية والوصلات، تؤثر مباشرة على سلامة التشغيل ومعتمدية المعدات، مما يتطلب السيطرة الصارمة على الجودة.
خذ معدات التبديل الخاصة بشركة ABB كمثال. تخضع مطفئاتها الفراغية لفحوصات صارمة قبل الشحن: تتحقق الاختبارات الكهربائية ذات الجهد العالي من قوة العزل، بينما تقيس أجهزة المغناطيس الحلزوني الضغط الداخلي داخل غرفة مليئة بالغاز غير النشط. بعد فترة عزل محددة، يتم إجراء اختبار ضغط ثانٍ، ويتم مقارنة النتائج للتأكد من أن أداء العزل يتوافق مع المعايير.
في الإنتاج، تتطلب مطفئات ABB الفراغية رقابة بيئية وعملية صارمة. يتم إنتاجها في مصنع CalorEmag الألماني، ثم يتم تجميعها بشكل محترف بواسطة الشركات المحلية لمعدات التبديل ذات الجهد المتوسط قبل التوريد المركزي. يتم تقديم الأولوية للمواد المكونة مثل سبائك Cu-Cr و W-C-Ag لضمان المتانة.يتم التجميع في غرف نظيفة خاصة باستخدام عملية "الختم والعجن في وقت واحد": تحت درجة حرارة 800 درجة مئوية، يتم تحقيق الفراغ العالي أولاً، ثم يتم اللحام والختم في الوقت نفسه لضمان موثوقية العملية.
تعكس تطورات البحث والتطوير لمطفئات ABB الفراغية تحسينات مستمرة في الأداء: كانت التجميعات الأولى معرضة للهواء وكانت تعتمد فقط على الأقسام العازلة للعزل. تضمنت التحسينات اللاحقة أغطية عازلة فوق المطفئات والوصلات لتوازن المجال الكهربائي، تبعها الصب المتكامل للمطفئات والوصلات لتعزيز العزل بين الأطوار ومقاومة الصدمات، مع استخدام مواد صديقة للبيئة لتدمج الأداء مع الاعتبارات البيئية.
3.4 التخطيط العقلاني لاختبارات التحقق من التصميم
بعد إكمال تصميم معدات التبديل ذات الجهد المتوسط، تصبح التجارب التحققية مرحلة حاسمة. يجب أن يتم التحقق الفعلي بشكل صارم وفقًا للمعايير ذات الصلة، مثل GB 3906-2020 معدات التبديل والمعدات المرتبطة بها ذات الجهد المتردد من 3.6 كيلوفولت إلى 40.5 كيلوفولت، GB/T 11022-2020 المتطلبات التقنية المشتركة للمعايير لمحولات التيار الكهربائي ذات الجهد العالي والمعدات المرتبطة بها، وGB/T 1984-2014 مفاتيح الدائرة الكهربائية ذات الجهد العالي.
نقاط رئيسية للاختبارات النوعية
يجب إجراء التحقق الشامل لأداء المكونات الكهربائية والعناصر المساعدة لمعدات التبديل ذات الجهد المتوسط للتأكد من أن المواصفات الفنية تتوافق مع المتطلبات. عند تغيير عمليات التصميم أو ظروف الإنتاج، يجب إعادة إجراء الاختبارات النوعية لضمان سلامة ومعتمدية المعدات. بالنسبة للمعدات المنتجة بشكل طبيعي، عادة ما يكون هناك حاجة لاختبار ارتفاع الحرارة كل 8 سنوات؛ يتم إجراء اختبارات التشغيل الميكانيكي لفحص الأداء التشغيلي؛ في الوقت نفسه، تكون اختبارات التحقق من الأمان مثل اختبار التحمل الحالي لفترة قصيرة واختبار التحمل الحالي القممي ضرورية أيضًا.
خذ معدات التبديل ذات الجهد المتوسط الخاصة بشركة ABB كمثال، فقد تم التحقق منها تجريبيًا في العديد من البلدان بموجب أشد المعايير صرامة حتى الآن، مما يظهر سلامتها ومعتمديتها الاستثنائية. خذ اختبار القوس الداخلي كمثال، والذي يتحقق من:
4 خاتمة
كعنصر أساسي في نظام الطاقة، يؤثر أداء معدات التبديل ذات الجهد المتوسط بشكل مباشر على سلامة الشبكة. لذا، من الضروري تعزيز تصميم السلامة ومعتمدية المعدات، وتحسين المواصفات التقنية بشكل صارم وفقًا للمعايير، وبناء دفاع أمني صلب من خلال الاختبارات التحققية المنظمة، مما يضمن أن معدات التبديل ذات الجهد المتوسط تقوم بوظائف التوزيع والحماية والتحكم بشكل مستقر في نظام الطاقة.
