میڈیم ولٹیج سوچ گیر کی سلامتی اور موثوقیت کے تحفظ کا تجزیہ
بصفتي محترفًا مشاركًا في عمليات نظام الطاقة، أدرك أن المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط (MV) تلعب دورًا حاسمًا في توزيع الكهرباء والقياس والحماية. ضمان سلامة وموثوقيتها التشغيلية أمر بالغ الأهمية - أي خلل يمكن أن يسبب اضطرابًا شديدًا في النظام الكهربائي بأكمله. لتعزيز الموثوقية، يجب أن نعطي الأولوية للمحسّنات على مستوى التصميم، مما يمكّن المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط من القيام بوظائفها وحماية استقرار الشبكة.
1. تعريف المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط
في ممارستي، تشير المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط إلى المعدات الكهربائية المغطاة بالمعادن كما هو محدد في GB 3906-2020 المعدات الكهربائية المغطاة بالمعادن للجهود المستقرة من 3.6 كيلوفولت إلى 40.5 كيلوفولت: وهي المعدات التي تكون مغلقة تمامًا بقشرة معدنية باستثناء الموصلات الداخلة والمخرجة.
في أنظمة الطاقة، تقوم المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط بوظائف رئيسية: التحويل والقياس وتوزيع الطاقة والحماية عبر مراحل الإنتاج 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 المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط لعزل الجزء المعطل بشكل سريع، مما يضمن استمرار تزويد الكهرباء للأجزاء غير المتضررة.
2. أهمية ضمان موثوقية المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط
تُستخدم المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط على نطاق واسع في أنظمة الطاقة. مع توسع شبكات الصين وتعقيدها المتزايد، تحمل الشبكات الآن أحمالًا أثقل لتلبية الطلب الاجتماعي. من خبرتي، فقط عن طريق ضمان موثوقية المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط يمكنها إدارة توزيع الطاقة والقياس والحماية بشكل فعال، وبالتالي الحفاظ على استقرار الشبكة بشكل عام.
أي حادث أمان أو فشل تشغيلي في المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط سيؤدي إلى عدم استقرار نظام التوزيع، مما يؤثر على تزويد الكهرباء. في الحالات الشديدة، قد يؤدي ذلك إلى انقطاعات واسعة النطاق، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة للإنتاج الاجتماعي. لذلك، أشدد على الحاجة إلى تعزيز موثوقية المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط من خلال إجراءات متعددة الجوانب، لضمان الوظائف المستقرة ودعم الشبكة.
3. استراتيجيات لتعزيز موثوقية المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط
3.1 تصميم غلاف عقلاني
يعد التصميم العلمي للغلاف أساسًا لضمان موثوقية المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط، وهو ما أقوم بتفضيله في الممارسة الهندسية. على سبيل المثال:
هذه التحسينات في التصميم تتوافق مع أفضل الممارسات الصناعية، مما يضمن أن المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط تلبي متطلبات الأمان والأداء في العمليات الواقعية.
3.2 تصميم عقلاني للهيكل العازل
لتعزيز الأمان والموثوقية للمعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط المنخفض، من الضروري تقوية تصميم العزل. في التصميم العملي، بالإضافة إلى الوفاء بمتطلبات العزل، يجب أيضًا النظر في عوامل مثل تكلفة التصميم والحماية البيئية.
3.2.1 اختيار عقلاني للغازات العازلة
في المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط، كان غاز SF₆ هو الوسيط العازل الرئيسي. ومع ذلك، فإنه ليس سامًا فحسب بل له أيضًا GWP (قدرة عالية على تسخين الأرض) عالية جدًا. بينما يعتبر CO₂ غازًا دفيئًا ذو GWP عالي، فإن غاز SF₆ له GWP أعلى بـ 23,900 مرة من CO₂، مما يبرز ضرره الكبير على البيئة الطبيعية. بالنسبة للمعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط المنخفض والتي لا تتطلب أداءً قاطعًا حرجًا، يمكننا في التصميم محاولة استبدال غاز SF₆ بـ N₂ أو الهواء الجاف. مقارنة بغاز SF₆، يمكن أن يصل أداء العزل لـ N₂ والهواء الجاف إلى 30% من أداء غاز SF₆. يتم تقديم مقارنة الأداء بين N₂ والهواء الجاف وغاز SF₆ في الجدول 1.
كما يشير الجدول 1، فإن N₂ والهواء الجاف ليسا غازات دفيئة ولا يشكلان تهديدًا للبيئة البيئية. كما أنهما يحتويان على درجات غليان منخفضة، مما يتجنب القلق بشأن التجمد أثناء الاستخدام العادي حتى في المناطق الباردة جدًا. لاحظ أن N₂، كمكون رئيسي للهواء، يتميز بخصائص كيميائية مستقرة. ومع ذلك، يمكن أن تسبب تركيزات N₂ المرتفعة جدًا الاختناق بسبب نقص الأكسجين. عند تصميم N₂ كغاز عازل، يجب تجهيز التهوية ومعدات الحماية. في المقابل، استخدام الهواء الجاف كغاز عازل يتجنب هذه المشاكل. من خلال المقارنة الشاملة، يمكن استخدام الهواء الجاف كبديل لغاز SF₆ كغاز عازل في تصميم عزل المعدات الكهربائية.
عند استخدام الهواء الجاف كغاز عازل، يجب مراعاة تصميم الفجوة الهوائية الدنيا. وفقًا للمعايير ذات الصلة، للجهد المستقر 12 كيلوفولت، يجب أن تكون الفجوة الهوائية الدنيا بين الأطوار ومن الطور إلى الأرض 125 مم. إذا تم تجاوز اختبار التكاثف، يمكن أن تكون الفجوة الهوائية الدنيا أقل قليلاً من 125 مم. استخدام الهواء الجاف كغاز عازل يسمح بتخفيض مناسب في الفجوة الهوائية الدنيا.
3.2.2 تعزيز الجهد الكهربائي في الفجوات الغازية
خلال عملية التصميم، لضمان الأمان والموثوقية للمعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط المنخفض، يجب أيضًا تعزيز الجهد الكهربائي في الفجوات الغازية، وبطرق محددة كالتالي:
تحسين توزيع المجال الكهربائي في المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط المنخفض. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تحسين أشكال الأقطاب بناءً على الظروف الفعلية أو الاستفادة الكاملة من الشحنات الفضائية لتعزيز تجانس المجال الكهربائي. إذا كان تجانس المجال الكهربائي ضعيفًا للغاية، يمكن أيضًا إضافة حواجز.
ức chế quá trình ion hóa của không khí khô. Áp dụng áp suất cao trong thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình có thể làm suy yếu quá trình ion hóa của không khí khô. Hoặc sử dụng chân không cao trong thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình cũng có thể đạt được hiệu quả tương tự.
Khi sử dụng áp suất cao hoặc chân không cao, yêu cầu về sức mạnh của bình chứa khí phải rất cao, và vấn đề rò rỉ dễ xảy ra trong thực tế, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Do đó, trong thiết kế thực tế, cải thiện hình dạng cực và thêm hàng rào trong trường điện cực kỳ không đồng đều là các phương pháp khả thi hơn để tăng điện áp phóng điện trong khe hở khí.
3.3 Lựa chọn hợp lý các thành phần
Các thành phần cốt lõi của thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình, bao gồm công tắc chân không, bộ ngắt chân không và tiếp điểm, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và độ tin cậy của thiết bị, đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.
Lấy ví dụ về thiết bị chuyển mạch ABB. Bộ ngắt chân không của nó trải qua các kiểm tra tiền vận chuyển nghiêm ngặt: các bài kiểm tra điện áp cao tự động xác minh sức mạnh cách điện, trong khi các thiết bị magnetron xoắn ốc đo áp suất bên trong một buồng chứa khí trơ. Sau thời gian cách ly quy định, một bài kiểm tra áp suất thứ hai được thực hiện, và kết quả được so sánh để đảm bảo hiệu suất niêm phong đáp ứng tiêu chuẩn.
Trong sản xuất, bộ ngắt chân không ABB yêu cầu kiểm soát môi trường và quy trình nghiêm ngặt. Được sản xuất tại nhà máy của CalorEmag ở Đức, chúng được lắp ráp chuyên nghiệp bởi các doanh nghiệp thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình khu vực trước khi cung cấp tập trung. Các hợp kim hiệu suất cao như Cu-Cr và W-C-Ag được ưu tiên cho vật liệu thành phần để đảm bảo độ bền.Quá trình lắp ráp diễn ra trong phòng sạch chuyên dụng bằng quy trình "niêm phong và rút khí một lần": dưới nhiệt độ 800°C, đạt trạng thái chân không cao trước, sau đó hàn và niêm phong đồng thời để đảm bảo độ tin cậy của quy trình.
Sự phát triển nghiên cứu và phát triển của bộ ngắt chân không phản ánh sự tối ưu hóa liên tục về hiệu suất: các bộ lắp ráp ban đầu tiếp xúc với không khí chỉ dựa vào vách ngăn cách điện để cách ly. Những cải tiến sau này bao gồm việc sử dụng ống cách điện trên bộ ngắt và tiếp điểm để cân bằng trường điện, sau đó là đúc nguyên khối cho bộ ngắt và tiếp điểm để tăng cường cách điện giữa pha và khả năng chịu lực va đập, đồng thời sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường để tích hợp hiệu suất với xem xét môi trường.
3.4 Lập kế hoạch hợp lý cho các bài kiểm tra xác nhận thiết kế
Sau khi hoàn thành thiết kế thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình, xác nhận thử nghiệm trở thành giai đoạn quan trọng. Việc xác nhận thực tế phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn liên quan, chẳng hạn như GB 3906-2020 Thiết bị đóng cắt và điều khiển kim loại cho điện áp định mức từ 3.6 kV đến 40.5 kV, GB/T 11022-2020 Yêu cầu kỹ thuật chung cho tiêu chuẩn thiết bị đóng cắt và điều khiển điện áp cao AC, và GB/T 1984-2014 Công tắc điện áp cao AC.
Điểm mấu chốt cho các bài kiểm tra kiểu mẫu
Phải thực hiện xác minh hiệu suất toàn diện cho các thành phần điện và phụ kiện của thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình để đảm bảo các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu. Khi quy trình thiết kế hoặc điều kiện sản xuất thay đổi, các bài kiểm tra kiểu mẫu phải được thực hiện lại để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của thiết bị. Đối với thiết bị được sản xuất bình thường, một bài kiểm tra tăng nhiệt thường được yêu cầu mỗi 8 năm; các bài kiểm tra hoạt động cơ học được thực hiện để kiểm tra hiệu suất hoạt động; đồng thời, các mục kiểm tra xác nhận an toàn như khả năng chịu dòng ngắn hạn và dòng đỉnh chịu đựng cũng cần thiết.
Lấy ví dụ về thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình ABB, nó đã vượt qua các xác nhận thử nghiệm ở nhiều quốc gia theo các tiêu chuẩn khắt khe nhất đến nay, chứng tỏ độ an toàn và độ tin cậy tuyệt vời. Lấy thí nghiệm hồ quang nội bộ làm ví dụ, xác minh:
4 Kết luận
Là một thành phần cốt lõi của hệ thống điện, độ tin cậy hoạt động của thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn lưới điện. Do đó, việc tăng cường thiết kế an toàn và độ tin cậy của thiết bị, tối ưu hóa nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn, và xây dựng hàng rào an toàn vững chắc thông qua các bài kiểm tra xác nhận hệ thống, đảm bảo rằng thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình thực hiện chức năng phân phối, bảo vệ và điều khiển ổn định trong hệ thống điện.
