دور المطاط في المقاطع الفاصلة تحت الضغط الجوي المنخفض
مقدمة عن مانعات الفراغ والجرابات
مع التقدم التكنولوجي وزيادة القلق بشأن الاحتباس الحراري، أصبحت قواطع الدائرة ذات الفراغ خيارًا مهمًا في مجال الهندسة الكهربائية.
تعمل الشبكات الكهربائية المستقبلية على وضع متطلبات أكثر صرامة على أداء التحويل في قواطع الدائرة، مع التركيز بشكل خاص على سرعات التحويل الأعلى وأوقات التشغيل الطويلة. في قواطع الدائرة ذات الجهد المتوسط، اكتسبت مانعات الفراغ (VIs) تفضيلًا واسعًا. هذا لأن استخدام الفراغ كوسيلة لقطع الدائرة يقدم مزايا فريدة ضمن نطاق التطبيق هذا. تعمل مانعة الفراغ كعنصر أساسي في قاطع الدائرة ذو الفراغ، وتلعب الجرابات دورًا حاسمًا وفعالًا داخل مانعات الفراغ.
تم تصميم الجرابات المعدنية للحفاظ على ختم فائق الضغط بينما تسمح بحركة الاتصال الكهربائي المتحرك داخل غرفة القطع. ومع ذلك، فإن العمر الميكانيكي لمانعة الفراغ يحد منه بشكل أساسي ما يُعرف بالجرابات الفراغية. في سياق قواطع الدائرة المستقبلية، ستؤدي محاولة تحقيق سرعات تحويل أسرع إلى زيادة الأحمال الديناميكية من النوع الصدامي. يمكن أن تسبب هذه الأحمال اهتزازات جرابات بأكبر سعة، مما يؤدي إلى تقليل عمر الجرابات بشكل كبير. علاوة على ذلك، نظرًا للزيادة المتوقعة في تكرار عمليات التحويل في الشبكات الكهربائية المستقبلية، تصبح محاكاة الجرابات الفراغية ضرورية لتحسين تصميمها وبالتالي تعزيز العمر الميكانيكي لمانعات الفراغ.
دور الجرابات في مانعات الفراغ
تم تصميم الجرابات، والتي يتم تصنيعها عادةً من صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ الرقيقة، لتيسير فتح وإغلاق الاتصالات مع الحفاظ على بيئة فراغ داخل القطع.
تمثل مقاومة التعب للجرابات عاملاً رئيسيًا يحدد العمر الميكانيكي لمانعة الفراغ. كل عملية فتح وإغلاق للاتصال تعرّض الجرابات للتوتر، خاصة الطيات الموجودة بالقرب من الأطراف. بالإضافة إلى التوتر الميكانيكي المباشر من الحركة التشغيلية، تواجه الجرابات أيضًا اهتزازات بعد الانتهاء من حركة الاتصال. تسهم هذه الاهتزازات في التآكل والتلف التدريجي للجرابات، مما يسرع تدهورها مع مرور الوقت.
توضح الشكل 1 نوعًا معينًا من الجرابات لمانعات الفراغ التي تنتجها شركة Sigma-Netics.
الشكل 1: جرابات مانعة الفراغ من شركة Sigma-Netics
يتأثر العمر الميكانيكي لمانعات الفراغ بشكل كبير بعدة معلمات حرجة لحركة الاتصال:
مسافة السكتة المستقرة أو الفجوة: تحدد المسافة التي تنفصل فيها الاتصالات أثناء التشغيل، مما يؤثر على العزل الكهربائي وقدرة إخماد القوس الكهربائي.
سرعة الفتح والإغلاق: يمكن أن تحسن السرعات الأسرع أداء التحويل ولكنها تفرض أحمال ديناميكية أكبر على المكونات بما في ذلك الجرابات.
تثبيط الحركة عند نهاية السكتة الفتح والإغلاق: يعد التثبيط الكافي أمرًا ضروريًا لتقليل الاهتزازات وتقليل التوتر الميكانيكي على الجرابات والأجزاء الأخرى.
التخطي والارتداد عند الفتح: يمكن أن تسبب هذه الظواهر تآكلًا إضافيًا للاتصالات والجرابات، مما قد يقصر العمر الإجمالي.
مرونة التركيب: يمكن أن يؤثر طريقة تركيب مانعة الفراغ على توزيع القوى أثناء التشغيل، مما يؤثر على العمر الميكانيكي للجرابات.
ارتطام الاتصال عند الإغلاق: يمكن أن يؤدي الارتطام الزائد للاتصال إلى حدوث قوس كهربائي وتزيد من التوتر على الجرابات، مما يؤدي إلى تدهور أدائها مع مرور الوقت.
تلعب الجرابات دورًا مزدوجًا في مانعات الفراغ. فهي تمكن حركة الاتصال المتحرك مع الحفاظ على ختم فائق الضغط. مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، عادةً بسماكة حوالي 150 µm، وهي مصممة لتحمل الظروف التشغيلية القاسية داخل القطع. تم دمج ثلاثة أنواع من الجرابات بنجاح في تصميمات مانعات الفراغ:
جرابات متشكلة بالماء بدون شقوق: يتم تشكيلها بدون شقوق مرئية، مما قد يوفر سلامة واداء أفضل.
جرابات متشكلة بالماء وملحومة بالشوك: يتم تصنيعها بواسطة لحام الشقوق بعد التشكيل بالماء، وهي توازن بين التكلفة ومتطلبات الأداء.
جرابات مصنوعة من أغطية رقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ ملحومة بالحواف: يتم تصنيعها عن طريق لحام الأغطية الرقيقة معًا، وتوفير حل اقتصادي لبعض التطبيقات.
يمكن العثور على تفاصيل شاملة حول تصميم وأداء الجرابات في معايير EJMA.
يتم تثبيت أحد طرفي الجرابات بإحكام عن طريق اللحام البرازي إلى لوحة نهاية مانعة الفراغ، بينما يتم لحام الطرف الآخر إلى الطرف المتحرك ويتحرك معه عند فتح وإغلاق الاتصالات. في مانعة الفراغ، تخضع الجرابات للحركة النابضة أثناء عمليات الاتصال. يمكن أن تزداد سرعة فتح الاتصال المتحرك من 0 م/ث إلى ما يصل إلى 2 م/ث في أقل من 100 µs. في نهاية سكتة الاتصال، سواء كان فتحًا أو إغلاقًا، يتوقف الطرف المتحرك للجرابات بشكل مفاجئ.
تختلف تكرارات عمليات الفتح والإغلاق حسب دورة العمل. في بعض الحالات، يمكن أن تحدث عدة مرات، بينما في حالات أخرى تكون نادرة. الحركة المنقولة إلى الجرابات ليست موحدة، ومن الشائع أن تهتز الجرابات عدة مرات خلال عملية فتح أو إغلاق واحدة. لأولئك المهتمين بتحليل حركة الجرابات، تم تطوير نهج تحليلي عام لتحديد التوترات الديناميكية التي تتعرض لها الجرابات تحت الحركة النابضة.
يقوم معظم مصنعي مانعات الفراغ بتزويد الجرابات من مصنعي الجرابات المعروفين ويعملون معهم لتحقيق العمر المطلوب للجرابات. يتم عادةً تحقيق ذلك عن طريق دمج الجرابات في مانعة فراغ عملية وإجراء اختبارات العمر الميكانيكي على عدد كبير إحصائيًا من عينات مانعات الفراغ. ثم يمكن تعيين عمر ميكانيكي محدد لمانعة الفراغ مع تلك الجرابات باستخدام تحليل Weibull. عادةً ما يتم تحديد حد العمر الميكانيكي لمانعة الفراغ بعدد العمليات التي يمكن للجرابات تحملها قبل حدوث فشل التعب.
عند إجراء الاختبارات الميكانيكية لمانعة الفراغ، من الضروري تعرض الجرابات لنفس معلمات التشغيل التي ستواجهها في جهاز التحويل. تشمل هذه المعلمات المسافة الكلية (الفجوة التشغيلية زائد المسافة الإضافية)، وأقصى سرعة فتح وأقصى سرعة إغلاق، وأثر التسارع والتباطؤ. يقوم اختبار الجرابات داخل مانعة الفراغ بضمان أن تخضع لكافة خطوات التصنيع التي سيمر بها الجهاز النهائي. على سبيل المثال، يجب تعريضها لكافة دورة التسخين والتبريد اللازمة لتصنيع مانعة الفراغ. ستؤدي هذه العمليات بالضرورة إلى تلدين معدن الجرابات، مما يغير بنية الجسيمات الدقيقة ويؤثر بالتالي على خصائص الأداء.
يعتمد العمر الميكانيكي لجرابة معينة ليس فقط على معلمات التشغيل المذكورة أعلاه ولكن أيضًا على خصائصها الفيزيائية. تشمل هذه الخصائص نوع الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم، وطولها وقطرها وسماكتها، وعدد الطيات، وقدرتها على تثبيط الحركة عند توقف الاتصال عن الحركة. من الممكن تصميم جرابات يمكنها القيام بالعمليات العادية البالغة 30,000 عملية المطلوبة لمعظم قواطع الدائرة ذات الفراغ والمفاتيح ذات الفراغ، وحتى تجاوز 10^6 عملية للملامسات ذات الفراغ. ومع ذلك، رغم جهود مصنعي مانعات الفراغ لتصميم منتجاتهم لتلبية العمر الميكانيكي المحدد لأجهزة التحويل المختلفة، لا تصل معظم مانعات الفراغ إلى العمر الميكانيكي المعلن عنها عند استخدامها في الميدان.لمزيد من المعلومات حول أسباب فشل مانعات الفراغ (VIs)، يرجى الرجوع إلى المقالة ذات الصلة.
يجب على مصمم مانعة الفراغ اتخاذ الاحتياطات لمنع المستخدم من ثني الجرابات عند تركيب مانعة الفراغ في آلية. يمكن أن يؤدي الجراب الملتوي إلى تقليل العمر الميكانيكي بشكل كبير، ربما إلى أقل من 1٪ من العمر المصمم له. العزم الذي يمكن تطبيقه على الجراب ذي الجدار الرقيق في مانعة الفراغ قبل التواء دائم هو منخفض نسبيًا، حوالي 8.5–11.5 Nm. لتجنب تواء الجراب، يجب على المصمم إدخال بوشة مضادة للتواء فيه. يمكن تثبيت هذه البوشة في مكانها عن طريق توصيلها بلوحة نهاية القطع. يتم تشكيل السطح الداخلي للبوشة أو تزويده بفتحة مفتاح لمنع أي دوران للطرف النحاسي المتحرك المرتبط بالجراب (كما هو موضح في الشكل 2). يمكن أن يكون مادة البوشة معدنية أو بلاستيكية مثل نايلاترون. عند استخدام المواد البلاستيكية مثل نايلاترون وفالوكس، يجب توخي الحذر. يمكن استخدام هذه المواد فقط في التطبيقات حيث يكون الحد الأقصى للحرارة المسموح بها محدودًا. على سبيل المثال، بالنسبة لنايلاترون، الحرارة التي يتم فيها تقليل قوة الشد إلى 50٪ بعد 100,000 ساعة هي حوالي 125°C (يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى لفترات قصيرة دون تشوه بسبب محتوى الألياف الزجاجية)، وبالنسبة لفالوكس DR48، هي حوالي 140°C. هناك أيضًا مواد بلاستيكية أكثر تكلفة وأعلى درجة حرارة متاحة، مثل "Ultem 2310 R".
الشكل 2: أمثلة على البوشات المضادة للتواء لحماية الجرابات
يبلغ الحد الأقصى للحرارة المسموح بها لهذه البوشات المضادة للتواء حوالي 180°C. يمكنها تحمل التعرض لفترات قصيرة (حوالي ساعة) لدرجات حرارة تتجاوز هذا الحد دون تشوه كبير.
بالنسبة لمانعات الفراغ التي تعمل على جهود قواطع الدائرة الأعلى، يكون من الضروري الحصول على سكتة اتصال أطول. على سبيل المثال، عند 72.5 kV، يكون مطلوباً سكتة تبلغ حوالي 40 مم. لاستيعاب هذه السكتة الممددة، يجب تمديد الجراب بشكل متناسب. ومع ذلك، لا تفتح وتغلق الجرابات الطويلة جدًا بطريقة موحدة. بدلاً من ذلك، تميل إلى التحرك بشكل غير منتظم. نتيجة لذلك، قد يفرك الطيات الداخلية للجراب ضد الطرف النحاسي (Cu). يمكن لهذا الاحتكاك أن يقلل بشكل كبير من عمر الجراب.
لحل هذه المشكلة، تم تطوير جرابات متخصصة مع الوسادات الداخلية. تقوم هذه الوسادات بالنزلق على الأطراف النحاسية، مما يقلل من التآكل. مثال على تصميم جراب من هذا النوع موضح في الشكل 3.
