تحلیل اطمینان و ضمانت ایمنی تجهیزات قدرت متوسط ولتاژ

به عنوان یک متخصص در عملیات سیستم‌های برق، من می‌دانم که دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط (MV) نقش حیاتی در توزیع، اندازه‌گیری و محافظت از برق دارند. اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان آن‌ها بسیار مهم است—هر خرابی می‌تواند به شدت کل سیستم برق را اختلال دهد. برای افزایش قابلیت اطمینان، باید به بهینه‌سازی‌های سطح طراحی اولویت بدهیم تا دستگاه‌های تغییر مسیر MV بتوانند وظایف خود را انجام داده و پایداری شبکه را حفظ کنند.

1. تعریف دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط

در تجربه من، دستگاه‌های تغییر مسیر MV به معنای دستگاه‌های تغییر مسیر فلزی-پوشیده تعریف شده در GB 3906—2020 Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV: تجهیزات کاملاً محصور شده با پوشش فلزی به جز رسانه‌های ورودی/خروجی.

در سیستم‌های برق، دستگاه‌های تغییر مسیر MV وظایف کلیدی را انجام می‌دهند: تغییر مسیر، اندازه‌گیری، توزیع برق و محافظت در مراحل تولید، انتقال و توزیع. در زمان عملیات، من تنظیمات آن‌ها را بر اساس نیازهای شبکه تغییر می‌دهم—متصل یا جدا کردن تجهیزات/خوراک‌ها برای حفظ پایداری. هنگامی که خرابی در دستگاه‌ها یا خطوط شبکه رخ می‌دهد، از دستگاه‌های تغییر مسیر MV برای جدا کردن بخش خراب استفاده می‌کنم تا تأمین برق بخش‌های غیراثرگذار بدون اختلال باقی بماند.

2. اهمیت اطمینان از قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV

دستگاه‌های تغییر مسیر MV به طور گسترده در سیستم‌های برق استفاده می‌شوند. با گسترش شبکه و پیچیدگی بیشتر در چین، شبکه‌ها حالا بارهای سنگین‌تری برای پاسخگویی به نیازهای اجتماعی تحمل می‌کنند. بر اساس تجربیات من، فقط با اطمینان از قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV می‌توانند به طور موثر مدیریت توزیع، اندازه‌گیری و محافظت را انجام داده و پایداری کل شبکه را حفظ کنند.

هر حوادث ایمنی یا خرابی عملیاتی در دستگاه‌های تغییر مسیر MV می‌تواند سیستم توزیع را ناپایدار کند و تأمین برق را مختل کند. در شرایط وخیم، ممکن است باعث قطع برق گسترده شود که منجر به ضررهای اقتصادی قابل توجه برای تولید اجتماعی می‌شود. بنابراین، من تأکید می‌کنم که باید از طریق اقدامات چندجانبه به قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV افزوده و عملکرد پایدار و پشتیبانی شبکه را تضمین کنیم.

3. استراتژی‌های افزایش قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV
3.1 طراحی منطقی ساختار پوششی

طراحی علمی پوشش اساسی برای اطمینان از قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر MV است که من در عملیات مهندسی آن را اولویت می‌دهم. به عنوان مثال:

• بهینه‌سازی کámara بار اصلی: طرح‌های سنتی کámara بار اصلی از عایق‌هایی روی بارهای شاخه‌ای استفاده می‌کنند، اما تجمع گرد و غبار روی عایق‌ها در طول زمان خطر فلش‌اور را می‌آورد. من به جای آن‌ها از بارهای اصلی نوع D استفاده می‌کنم—قوی‌تر و مقاوم‌تر بودن آن‌ها نیاز به عایق را حذف می‌کند و مشکلات ایمنی مرتبط با آلودگی را حل می‌کند.

• طراحی بوشینگ: اجرای طرح‌های بوشینگ یکپارچه سه‌فاز در کámara بار اصلی از اثرات گردابه‌ای جلوگیری می‌کند، یکنواختی میدان الکتریکی را بهبود می‌بخشد و فاصله لغزشی را افزایش می‌دهد، بنابراین قابلیت عایق‌بندی را افزایش می‌دهد.

این بهینه‌سازی‌های طراحی با بهترین شیوه‌های صنعتی همخوانی دارد و اطمینان می‌دهد که دستگاه‌های تغییر مسیر MV در عملیات واقعی الزامات ایمنی و عملکردی را برآورده می‌کنند.

3.2 طراحی منطقی ساختار عایق‌بندی

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

3.2.1 انتخاب منطقی گازهای عایق‌بندی

در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط، گاز SF₆ به عنوان رسانه عایق‌بندی اصلی بوده است. اما این گاز نه تنها سمی است بلکه GWP (پتانسیل گرمایش جهانی) بسیار بالایی دارد. در حالی که CO₂ یک گاز گلخانه‌ای با GWP بالاست، گاز SF₆ GWP 23,900 برابر CO₂ دارد که ضرر قابل توجهی بر محیط طبیعی دارد. برای دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط-پایین با الزامات قطعیت عملکردی غیربحرانی، می‌توانیم در طراحی تلاش کنیم که گاز SF₆ را با N₂ یا هوا خشک جایگزین کنیم. در مقایسه با گاز SF₆، عملکرد عایق‌بندی N₂ و هوا خشک می‌تواند به 30٪ عملکرد گاز SF₆ 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 هیچ تهدیدی برای محیط زیست ندارند. آن‌ها همچنین نقاط جوش پایینی دارند که نگرانی در مورد تبدیل به مایع در شرایط استفاده عادی، حتی در مناطق بسیار سرد، را حذف می‌کند. قابل توجه است که N₂ به عنوان مولفه اصلی هوا، ویژگی‌های شیمیایی پایداری دارد. اما غلظت بسیار بالای N₂ می‌تواند باعث خفگی از دست دادن اکسیژن شود. هنگام طراحی با استفاده از N₂ به عنوان گاز عایق‌بندی، باید تهویه و تجهیزات محافظتی را تنظیم کرد. در مقابل، استفاده از هوا خشک به عنوان گاز عایق‌بندی چنین مشکلاتی را از بین می‌برد. از طریق مقایسه جامع، می‌توان هوا خشک را به جای گاز SF₆ در طراحی عایق‌بندی دستگاه‌های تغییر مسیر استفاده کرد.

هنگام استفاده از هوا خشک به عنوان گاز عایق‌بندی، باید طراحی حداقل فاصله هوا را در نظر گرفت. 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 گذرانده شود، حداقل فاصله هوا می‌تواند کمی کمتر 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 خرابی در فواصل گازی

در طول فرآیند طراحی، برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط-پایین، باید ولتاژ خرابی 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 بد 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 خلاء بالا در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط نیز همین اثر را دارد.

هنگام استفاده از فشار یا خلاء بالا، قدرت تانک گاز باید بسیار بالا باشد و مشکلات نشتی در کاربرد عملی رخ داده و موجب پیامدهای جدی می‌شود. بنابراین، در طراحی واقعی، بهبود شکل الکترودها و افزودن موانع در میدان‌های الکتریکی بسیار ناهمگن روش‌های عملی‌تری برای افزایش ولتاژ خرابی در فواصل گازی هستند.

3.3 انتخاب منطقی اجزا

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

به عنوان مثال، دستگاه‌های تغییر مسیر ABB. محرک‌های خلاء آن‌ها تحت آزمون‌های ولتاژ بالا خودکار قبل از ارسال برای بررسی قدرت عایق‌بندی می‌گذرند، در حالی که دستگاه‌های مغناطیسی مارپیچ برای اندازه‌گیری فشار داخلی در یک کámara پر از گاز خنثی استفاده می‌شوند. پس از دوره‌ای از تعلیق، آزمون فشار دوم انجام می‌شود و نتایج برای اطمینان از عملکرد مسدود کردن استانداردها 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 تولید دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط منطقه‌ای تجهیز می‌شوند و سپس به صورت متمرکز تأمین می‌شوند. مواد مورد استفاده برای اجزا شامل آلیاژهای با عملکرد بالا مانند Cu-Cr و W-C-Ag هستند تا دوام بیشتری داشته باشند.montage در اتاق‌های تمیز تخصصی با فرآیند "مسدود کردن و تخلیه یک باره" انجام می‌شود: تحت دمای 800°C ابتدا خلاء بالا ایجاد می‌شود، سپس جوشکاری و مسدود کردن همزمان انجام می‌شود تا اطمینان از قابلیت اطمینان فرآیند وجود داشته باشد.

تطویع R&D محرک‌های خلاء انعکاسی از بهینه‌سازی مداوم عملکرد است: مونتاژ‌های اولیه که به هوای آزاد معرض بوده‌اند فقط با استفاده از پارتیشن‌های عایق‌بندی جداسازی شده‌اند. بهبودهای بعدی شامل پوشش‌های عایق‌بندی روی محرک‌ها و تماس‌ها برای تعادل میدان الکتریکی، و سپس ریخته‌گری یکپارچه محرک‌ها و تماس‌ها برای افزایش عایق‌بندی بین فازها و مقاومت ضربه‌ای، در حالی که از مواد محیط زیست‌دوستانه برای تلفیق عملکرد و ملاحظات محیط زیستی استفاده می‌شود.

3.4 برنامه‌ریزی منطقی آزمون‌های اعتبارسنجی طراحی

بعد از تکمیل طراحی دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط، اعتبارسنجی آزمایشی مرحله‌ای حیاتی می‌شود. اعتبارسنجی واقعی باید به طور strikely مطابق با استانداردهای مرتبط، مانند GB 3906—2020 Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV, GB/T 11022—2020 Common Technical Requirements for High-Voltage AC Switchgear and Controlgear Standards, and GB/T 1984—2014 High-Voltage AC Circuit Breakers.

نقاط کلیدی آزمون‌های نوع

باید ارزیابی جامع عملکرد برای اجزای الکتریکی و عناصر کمکی دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط انجام شود تا اطمینان حاصل شود که پارامترهای فنی الزامات را برآورده می‌کنند. هنگامی که فرآیندهای طراحی یا شرایط تولید تغییر می‌کنند، باید آزمون‌های نوع مجدداً انجام شود تا اطمینان حاصل شود که تجهیزات ایمن و قابل اعتماد هستند. برای تجهیزات به طور معمول تولید شده، معمولاً هر 8 سال یکبار آزمون افزایش دما لازم است؛ آزمون‌های عملکرد مکانیکی برای بررسی عملکرد عملیاتی انجام می‌شوند؛ همچنین آزمون‌های اطمینانی مانند آزمون تحمل جریان کوتاه و آزمون تحمل جریان پیک نیز لازم است.

به عنوان مثال، دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط ABB، آزمون‌های تجربی در کشورهای مختلف تحت استانداردهای بسیار سختگیرانه تاکنون موفقیت‌آمیز بوده‌اند و ایمنی و قابلیت اطمینان فوق‌العاده‌ای را نشان داده‌اند. به عنوان مثال، آزمون قوس داخلی، که بررسی می‌کند:

• روش‌های ثابت‌سازی و وضعیت بسته شدن دریچه‌ها، پوشش‌ها و اجزای دیگر دستگاه‌های تغییر مسیر؛

• ثبات ثابت‌سازی اجزای خطرناک؛

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

• آیا نشانگرهایی به طور صحیح بر اساس مشخصات تولید تنظیم شده‌اند؛

• کامل بودن اقدامات محافظتی و درجه قابل سوختنی تجهیزات.
  فقط با اطمینان از عدم قابل سوختنی تجهیزات می‌توان ایمنی عملیاتی را به طور اساسی تضمین کرد.

4. نتیجه‌گیری

به عنوان یک مؤلفه 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 طبق استانداردها بهینه شود و با آزمون‌های اعتبارسنجی سیستماتیک یک دفاع ایمنی محکم ساخته شود تا دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ متوسط به طور پایدار وظایف توزیع، محافظت و کنترل را در سیستم برق انجام دهند.