تحلیل اطمینان و ضمانت ایمنی تجهیزات قطع کننده ولتاژ متوسط

به عنوان یک متخصص در عملیات سیستم های برق، من می‌دانم که دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط (MV) نقش محوری در توزیع، اندازه‌گیری و حفاظت برق ایفا می‌کنند. تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان عملیاتی آنها بسیار مهم است – هر نقصی می‌تواند به شدت کل سیستم برق را اختلال دهد. برای افزایش قابلیت اطمینان، باید به بهینه‌سازی‌های سطح طراحی اولویت بدهیم، به گونه‌ای که دستگاه‌های تغییر مسیر MV بتوانند وظایف خود را انجام دهند و پایداری شبکه را حفظ کنند.

1. تعریف دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط

در تجربیات من، دستگاه‌های تغییر مسیر MV به معنای دستگاه‌های تغییر مسیر فلزی-پوشیده به شرح استاندارد GB 3906–2020 دستگاه‌های تغییر مسیر و کنترل AC فلزی-پوشیده برای ولتاژ اسمی 3.6 kV تا 40.5 kV است: تجهیزات کاملاً درون پوشش فلزی با استثنای رسانه‌های ورودی/خروجی.

در سیستم‌های برق، دستگاه‌های تغییر مسیر MV وظایف کلیدی را انجام می‌دهند: تغییر مسیر، اندازه‌گیری، توزیع برق و حفاظت در مراحل تولید، انتقال و توزیع. در طول عملیات، من تنظیمات آن را بر اساس نیازهای شبکه تنظیم می‌کنم - متصل یا جدا کردن تجهیزات/خطوط تغذیه برای حفظ پایداری. وقتی خطاهایی در دستگاه‌های یا خطوط شبکه رخ می‌دهد، از دستگاه‌های تغییر مسیر MV برای جدا کردن بخش خراب استفاده می‌کنم تا تأمین برق مناطق غیرمتأثر ادامه یابد.

2. اهمیت تضمین قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV

دستگاه‌های تغییر مسیر MV به طور گسترده‌ای در سیستم‌های برق استفاده می‌شوند. با گسترش شبکه برق چین و پیچیدگی بیشتر آن، شبکه‌ها حالا بارهای سنگین‌تری برای تأمین نیازهای اجتماعی تحمل می‌کنند. بر اساس تجربیات من، فقط با تضمین قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV می‌توان آنها را برای مدیریت موثر توزیع، اندازه‌گیری و حفاظت برق و حفظ پایداری کل شبکه استفاده کرد.

هر حوادث ایمنی یا شکست عملیاتی در دستگاه‌های تغییر مسیر MV می‌تواند سیستم توزیع را ناپایدار کند و تأمین برق را مختل کند. در موارد شدید، ممکن است منجر به قطع گسترده برق شود که به تولید اجتماعی ضربه‌ای اقتصادی قابل توجه وارد می‌کند. بنابراین، من تأکید می‌کنم که باید با اقدامات چندجانبه قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV را افزایش داد تا عملکرد پایدار و حمایت از شبکه تضمین شود.

3. استراتژی‌های افزایش قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV
3.1 طراحی منطقه‌ای ساختار پوشش

طراحی علمی پوشش پایه‌ای برای تضمین قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV است که در عملیات مهندسی من اولویت دارد. برای مثال:

• بهینه‌سازی کمد بوسبار: طراحی‌های سنتی کمد بوسبار از عایق‌بندی در بوسبارهای شاخه‌ای استفاده می‌کنند، اما تجمع غبار روی عایق‌ها با گذر زمان خطرات جرقه‌زنی را ایجاد می‌کند. من به جای آن از بوسبارهای اصلی نوع D استفاده می‌کنم – قدرت بالاتر و مقاومت کششی آنها نیاز به عایق‌بندی را حذف می‌کند و مشکلات ایمنی مربوط به آلودگی را حل می‌کند.

• طراحی دیواره: پیاده‌سازی طراحی‌های یکپارچه سه‌فاز در کمد بوسبار از اثرات گردابه‌ای جلوگیری می‌کند، یکنواختی میدان الکتریکی را بهبود می‌بخشد و فاصله لغزش را افزایش می‌دهد، بنابراین قابلیت عایق‌بندی را افزایش می‌دهد.

این بهینه‌سازی‌های طراحی با بهترین شیوه‌های صنعتی همخوانی دارند و تضمین می‌کنند که دستگاه‌های تغییر مسیر MV نیازهای ایمنی و عملکردی را در عملیات واقعی برآورده می‌کنند.

3.2 طراحی منطقه‌ای ساختار عایق‌بندی

برای افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط-پایین، تقویت طراحی عایق‌بندی ضروری است. در طراحی عملی، علاوه بر تأمین نیازهای عایق‌بندی، باید عواملی مانند هزینه طراحی و حفاظت از محیط زیست نیز در نظر گرفته شوند.

3.2.1 انتخاب منطقه‌ای گازهای عایق‌بندی

در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط، گاز SF₆ به عنوان مedium اصلی عایق‌بندی استفاده می‌شود. با این حال، این گاز نه تنها سمی است بلکه GWP (پتانسیل گرمایش جهانی) بسیار بالایی دارد. در حالی که CO₂ یک گاز گلخانه‌ای با GWP بالا است، گاز SF₆ GWP 23,900 برابر CO₂ دارد، که نشان‌دهنده آسیب قابل توجه آن به محیط طبیعی است. برای دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط-پایین با نیازهای قطع کنترلی غیربحرانی، می‌توان در طراحی تلاش کرد تا گاز SF₆ را با N₂ یا هوا خشک جایگزین کرد. نسبت به گاز SF₆، قابلیت عایق‌بندی N₂ و هوا خشک می‌تواند به 30٪ آن برسد. مقایسه عملکرد N₂، هوا خشک و گاز SF₆ در جدول 1 نشان داده شده است.

همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، N₂ و هوا خشک گازهای گلخانه‌ای نیستند و تهدیدی برای محیط زیست ندارند. آنها همچنین نقطه جوش پایینی دارند که نگرانی‌هایی درباره مایع شدن در استفاده معمول، حتی در مناطق بسیار سرد، را حذف می‌کند. به ویژه N₂، به عنوان مؤلفه اصلی هوا، خصوصیات شیمیایی پایداری دارد. با این حال، غلظت بسیار بالای N₂ می‌تواند باعث خفگی به دلیل کمبود اکسیژن شود. در طراحی با استفاده از N₂ به عنوان گاز عایق‌بندی، باید تهویه و تجهیزات محافظ تعبیه شوند. در مقابل، استفاده از هوا خشک به عنوان گاز عایق‌بندی این مشکلات را از بین می‌برد. از طریق مقایسه جامع، می‌توان هوا خشک را برای جایگزینی گاز SF₆ در طراحی عایق‌بندی دستگاه‌های تغییر مسیر استفاده کرد.

هنگام استفاده از هوا خشک به عنوان گاز عایق‌بندی، باید طراحی حداقل فاصله هوا در نظر گرفته شود. بر اساس استانداردهای مرتبط، برای ولتاژ اسمی 12 kV، حداقل فاصله هوا بین فازها و از فاز به زمین 125 mm باید باشد. اگر آزمون تكثيف گذشت، حداقل فاصله هوا می‌تواند کمی کوچک‌تر از 125 mm باشد. استفاده از هوا خشک به عنوان گاز عایق‌بندی اجازه می‌دهد که حداقل فاصله هوا به طور مناسب کاهش یابد.

3.2.2 افزایش ولتاژ شکست در فواصل گازی

در طول فرآیند طراحی، برای تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط-پایین، باید ولتاژ شکست در فواصل گازی نیز افزایش یابد، با روش‌های خاصی به شرح زیر:

• بهبود توزیع میدان الکتریکی در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط-پایین. این می‌تواند با بهینه‌سازی شکل الکترودها بر اساس شرایط واقعی یا استفاده کامل از شارهای فضایی برای افزایش یکنواختی میدان الکتریکی انجام شود. اگر یکنواختی میدان الکتریکی بسیار ضعیف باشد، افزودن موانع نیز یک گزینه است.

• کاهش فرآیند یونیزاسیون هوا خشک. استفاده از فشار بالا در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط می‌تواند فرآیند یونیزاسیون هوا خشک را ضعیف کند. یا استفاده از فشار خلاء بالا در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط می‌تواند همین اثر را داشته باشد.

هنگام استفاده از فشار بالا یا فشار خلاء بالا، نیاز است که قدرت ظرف گاز بسیار بالا باشد و در کاربردهای عملی مشکلات نشتی رخ می‌دهند که می‌تواند منجر به پیامدهای جدی شود. بنابراین، در طراحی واقعی، بهبود شکل الکترودها و افزودن موانع در میدان‌های الکتریکی بسیار ناهمگن روش‌های قابل اجرا‌تر برای افزایش ولتاژ شکست در فواصل گازی هستند.

3.3 انتخاب منطقه‌ای اجزا

اجزای کلیدی دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط، از جمله قطع‌کننده‌های خلاء، محرک‌های خلاء و تماس‌ها، مستقیماً بر ایمنی و قابلیت اطمینان عملیاتی تجهیزات تأثیر می‌گذارند و نیاز به کنترل کیفیت دقیق دارند.

به عنوان مثال، دستگاه‌های تغییر مسیر ABB. محرک‌های خلاء آنها تحت آزمون‌های فشار بالای خودکار قبل از ارسال برای تأیید قدرت عایق‌بندی می‌گذرند و دستگاه‌های مغناطیسی مارپیچ برای اندازه‌گیری فشار داخلی در یک کامره پر از گاز خنثی استفاده می‌شوند. پس از یک دوره تعیین شده از جداسازی، آزمون فشار دوم انجام می‌شود و نتایج برای تأیید عملکرد بسته‌بندی مقایسه می‌شوند.

در تولید، محرک‌های خلاء ABB نیاز به کنترل‌های محیطی و فرآیندی دقیق دارند. آنها در کارخانه CalorEmag در آلمان تولید می‌شوند و توسط شرکت‌های محلی تجهیزات ولتاژ متوسط مونتاژ می‌شوند. برای مواد تشکیل‌دهنده اجزا، آلیاژهای با عملکرد بالا مانند Cu-Cr و W-C-Ag اولویت داده می‌شوند تا دوام را تضمین کنند. مونتاژ در اتاق‌های تمیز اختصاصی انجام می‌شود با استفاده از فرآیند "بسته‌بندی و خلاء‌گیری یک‌باره": تحت دمای 800° C، ابتدا خلاء بالا ایجاد می‌شود و سپس همزمان دوخت و بسته‌بندی انجام می‌شود تا قابلیت اطمینان فرآیند تضمین شود.

تطویر R&D محرک‌های خلاء نشان‌دهنده بهبود مداوم عملکرد است: ترکیبات اولیه که در معرض هوا قرار می‌گرفتند تنها از تقسیم‌بندی‌های عایق‌بندی برای جداسازی استفاده می‌کردند. بهبودهای بعدی شامل پوشش‌های عایق‌بندی روی محرک‌ها و تماس‌ها برای تعادل میدان الکتریکی، دنباله‌روی با ریخته‌گری یکپارچه محرک‌ها و تماس‌ها برای افزایش عایق‌بندی بین فازها و مقاومت ضربه‌ای، در حالی که از مواد دوستدار محیط زیست برای یکپارچه‌سازی عملکرد و ملاحظات محیطی استفاده می‌کردند.

3.4 برنامه‌ریزی منطقه‌ای آزمون‌های تأیید طراحی

پس از تکمیل طراحی دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط، تأیید آزمایشی مرحله‌ای بسیار مهم می‌شود. تأیید واقعی باید به طور دقیق با استانداردهای مرتبط مطابقت داشته باشد، مانند GB 3906–2020 دستگاه‌های تغییر مسیر و کنترل AC فلزی-پوشیده برای ولتاژ اسمی 3.6 kV تا 40.5 kV، GB/T 11022–2020 نیازهای فنی مشترک برای استانداردهای دستگاه‌های تغییر مسیر و کنترل AC ولتاژ بالا و GB/T 1984–2014 قطع‌کننده‌های AC ولتاژ بالا.

نقاط کلیدی آزمون‌های نوع

باید تأیید عملکرد جامع برای اجزای الکتریکی و عناصر کمکی دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط انجام شود تا مطمئن شود که پارامترهای فنی نیازهای مورد نظر را برآورده می‌کنند. هنگامی که فرآیندهای طراحی یا شرایط تولید تغییر می‌کنند، باید آزمون‌های نوع مجدداً انجام شود تا ایمنی و قابلیت اطمینان تجهیزات تضمین شود. برای تجهیزات تولید شده به طور معمول، معمولاً هر 8 سال یک بار آزمون افزایش دما مورد نیاز است؛ آزمون‌های عملکرد مکانیکی برای بررسی عملکرد عملیاتی انجام می‌شوند؛ همچنین آزمون‌های تأیید ایمنی مانند آزمون تحمل جریان کوتاه‌مدت و آزمون تحمل جریان پیک نیز ضروری هستند.

به عنوان مثال، دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط ABB، آزمون‌های تأیید آزمایشی را در چند کشور تحت استانداردهای بسیار سختگیرانه‌ای گذرانده‌اند و ایمنی و قابلیت اطمینان بسیار بالایی را نشان داده‌اند. به عنوان مثال، آزمون قوس داخلی که تأیید می‌کند:

• روش‌های ثابت‌سازی و وضعیت بسته بودن دروازه‌ها، پوشش‌ها و اجزای دیگر دستگاه‌های تغییر مسیر؛

• ثابت‌سازی محکم اجزای خطرناک؛

• پایداری ساختاری پوشش تجهیزات در شرایط سوختن یا سایر سناریوهای خطرناک؛

• آیا نشانگرهای مورد استفاده به ترتیب تولید قرار داده شده‌اند؛

• تمامیت تدابیر محافظ و درجه قابل سوختنی تجهیزات.
  فقط با تضمین عدم قابلیت سوختن تجهیزات، ایمنی عملیاتی به طور اساسی تضمین می‌شود.

4 نتیجه‌گیری

به عنوان یک جزء اصلی سیستم برق، قابلیت اطمینان عملیاتی دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط به طور مستقیم بر ایمنی شبکه تأثیر می‌گذارد. بنابراین، ضروری است که طراحی ایمنی و قابلیت اطمینان تجهیزات تقویت شود، پارامترهای فنی به طور دقیق بر اساس استانداردها بهینه‌سازی شود و با استفاده از آزمون‌های تأیید سیستماتیک، یک دفاع ایمنی محکم ساخته شود تا دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط به طور پایدار وظایف توزیع، حفاظت و کنترل را در سیستم برق انجام دهند.