سلوك قواطع الدائرة الفراغية الخارجية تحت بيئات محاكاة
تُستخدم مفاتيح الدائرة الخارجية ذات الفراغ بشكل أساسي في القطاع المتوسط الجهد العالي (MHV). وهي تشكل مكونًا رئيسيًا في قطاع التوزيع، خاصة ضمن شبكات 11 كيلو فولت و33 كيلو فولت. يتم استخدام مجموعة متنوعة من المواد المركبة في بناء هذه المفاتيح. ومن بينها، يبرز مانع الفراغ كالمكون الأكثر أهمية. بالنسبة لمفاتيح الدائرة الخارجية، يكون مانع الفراغ عادةً محاطًا بعلبة من الخزف.
تربط هذه المفاتيح مع آلية التشغيل عبر قضبان تشغيل مصبوبة من الراتنج المعززة بالألياف الزجاجية، والتي بدورها تكون مرتبطة بقضيب تشغيل مشترك مصنوع من الصلب. تتبنى آلية التشغيل لمفاتيح الدائرة الخارجية ذات الفراغ عادةً تصميمًا من النوع الربيعي، ويتم وضعها داخل غلاف من الصلب المسطح. نظرًا لاستخدام مواد متعددة، من الضروري تقييم توافق هذه المواد، وكذلك التصميم والتنفيذ، تحت ظروف بيئية متنوعة حيث تُنوي المفاتيح العمل. هذا التقييم يضمن الأداء دون مشاكل وبالتالي استقرار الشبكة الكهربائية التي هي جزء منها.
تتناول الاختبارات البيئية لمفاتيح الدائرة، وخاصة اختبارات درجات الحرارة المنخفضة والعالية، تحت البند 6.101.3 من IEC 62271 - 100[1]. بالنسبة للمناخات الباردة، يتراوح نطاق درجة الحرارة المفضل للمستويات الدنيا والأعلى بين -50°C إلى +40°C، بينما بالنسبة للمناخات الحارة جدًا، يتراوح بين -5°C إلى +50°C. عند الارتفاعات حتى 1000 متر، تكون درجات الحرارة المحيطة الدنيا المفضلة لاختبار درجات الحرارة المنخفضة -10°C، -25°C، -30°C، و-40°C. في التطبيقات الخارجية، يجب أن يأخذ تصميم مفاتيح الدائرة ذات الفراغ في الاعتبار التغيرات السريعة في درجات الحرارة. في الهند، تواجه العديد من المناطق مثل كشمير وهيماتشال براديش وأوتاراخاند وسيكيم مثل هذه التغيرات في درجات الحرارة.
يمكن أن تنخفض درجات الحرارة إلى ما يصل إلى -25°C. في مثل هذه المناطق، تتفاقم المشاكل المتعلقة بالظروف الباردة بسبب حدوث ظواهر مثل البرودة النسبية والثلوج المتكررة. خلال الصيف، في العديد من أجزاء الهند، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة إلى 50°C. يحتاج الشركات المصنعة التي تصدر مفاتيح الدائرة إلى البلدان التي تواجه درجات حرارة منخفضة أو عالية للغاية إلى تحديد أداء منتجاتها تحت هذه الظروف المناخية القصوى.
يتناول هذا البحث أداء مفاتيح الدائرة الخارجية ذات الفراغ من فئة 36 كيلو فولت تحت ظروف بيئية محاكاة وفقًا لـ IEC 62271 - 100. تشمل الاختبارات المتناولة هنا (أ) اختبار درجات الحرارة المنخفضة و(ب) اختبار درجات الحرارة العالية. بالإضافة إلى ذلك، يبحث البحث في وقت التشغيل، والفترة الزمنية بين الأقطاب، وزمن شحن آلية التشغيل لمفتاح الدائرة الخارجي من فئة 36 كيلو فولت.
اختبار درجات الحرارة المنخفضة
للتعرف على أداء مفاتيح الدائرة الخارجية ذات الفراغ تحت ظروف درجات الحرارة المنخفضة، تم اعتماد الإجراء المحدد في IEC - 62271 - 100 كمرجع. ينص هذا المعيار الدولي على أنه بالنسبة لمفاتيح الدائرة ذات الغلاف الواحد مع آلية تشغيل مشتركة، يجب إجراء اختبارات ثلاثية الأطوار. بالنسبة لمفاتيح الدائرة ذات الأغلفة المتعددة مع الأقطاب المستقلة، يُسمح باختبار قطب كامل واحد. في الحالات التي توجد فيها قيود على مرافق الاختبار، يمكن اختبار مفاتيح الدائرة ذات الأغلفة المتعددة باستخدام أحد أو أكثر من الخيارات التالية، شريطة أن لا تكون ظروف التشغيل الميكانيكية للمفتاح في تركيب الاختبار أفضل من الظروف الطبيعية:
خلال الاختبار، يُحظر أي صيانة أو استبدال أجزاء أو إعادة ضبط للمفتاح. ما لم يكن تصميم المفتاح يتطلب مصدر حرارة، يجب أن تكون سوائل أو غازات المفتاح عند درجة حرارة الهواء في الاختبار.
يجب اختبار الخصائص التشغيلية التالية للمفتاح:
وقت الإغلاق
وقت الفتح
الفترة الزمنية بين الأقطاب
انتشار الوقت بين وحدات القطب الواحد (إذا تم اختبار القطبين)
وقت شحن جهاز التشغيل
استهلاك دارة التحكم
استهلاك أجهزة الانقطاع والتتبع لتحرير الشوط الجانبي
مدة نبضات الأوامر لإغلاق وفتح
اختبار الضيق إذا كان مطبقًا
ضغط الغاز إذا كان مطبقًا
مقاومة الدائرة الرئيسية
رسم زمني للسفر
يجب تسجيل هذه الخصائص في:
لا تنطبق المعلمات المتغيرة بالضغط على مفاتيح الدائرة ذات الفراغ لأن الملامس موجود في زجاجات فراغ وهذه المجموعة من مانع الفراغ مغلقة في علب خزفية معزولة بالهواء للاستخدام الخارجي.
يتم تعريف تسلسل الاختبار لاختبار درجات الحرارة المنخفضة في البند 6.101.3.3 من IEC 62271 - 100. يتم تحديد الخصائص التشغيلية الأولية [1.4] بعد تعرض المفتاح لدرجة حرارة 20 ± 5°C. بعد الفحص الأولي مع وجود المفتاح في وضع الإغلاق، يتم خفض درجة الحرارة إلى درجة الحرارة المحيطة الدنيا حسب فئة درجة الحرارة. يتم ترك المفتاح في وضع الإغلاق لمدة 24 ساعة مع تشغيل مسخنات منع التكاثف. بعد 24 ساعة يتم فتح وإغلاق المفتاح بقيم الجهد المعينة. يتم تسجيل وقت الفتح والإغلاق لتحديد الخصائص التشغيلية لدرجات الحرارة المنخفضة. ثم يتم قطع التغذية عن مسخنات منع التكاثف لمدة (t₁) حسب ما يحدده المصنع، مع الحد الأدنى لمدة ساعتين. خلال هذا الفترة، يمكن قبول الإنذارات ولكن لا يمكن قبول الإغلاق. بعد فترة t₁ يتم فتح المفتاح وتسجيل وقت الفتح. إذا أمكن، يتم قياس الخصائص الميكانيكية للسفر لتقييم قدرة الانقطاع.
سيكون المفتاح في وضع الفتح لمدة 24 ساعة وبعد ذلك سيتم إغلاقه وفتحه. ثم يتم إجراء 50 عملية CO مع تنفيذ أول ثلاث عمليات CO بدون أي تأخير. يتم تنفيذ العمليات المتبقية CO كـ C - tₑ - O - tₑ. tₑ هو الفترة الزمنية بين العمليات. سيتم السماح بفترة 3 دقائق لكل دورة أو تسلسل. بعد إكمال 50 عملية CO يتم زيادة درجة حرارة غرفة الاختبار البيئي بمعدل 10 K/ساعة. خلال فترة الانتقال، يتم تنفيذ عمليات C - tₑ - O - tₑ و O - tₑ - C - tₑ - O بحيث يبقى المفتاح في وضع الإغلاق والفتح لمدة 30 دقيقة بين التسلسلات التشغيلية. بعد أن يستقر المفتاح إلى درجة الحرارة المحيطة، يتم إجراء قياس مكرر للخصائص التشغيلية عند 20 ± 5°C للمقارنة مع الخصائص الأولية عند 20 ± 5°C.
لقد كانت CPRI تقوم بإجراء اختبارات درجات الحرارة المنخفضة والعالية على معدات التوزيع ذات الجهود المتوسطة والعالية (MHV) حتى 36 كيلو فولت لأكثر من عشر سنوات. تظهر الشكل 1 ترتيب اختبار نموذجي لمفتاح دائر خارجي ذو فراغ من فئة 36 كيلو فولت (VCB) مثبت في غرفة الاختبار لاختبارات درجات الحرارة العالية والمنخفضة.
يتم تقديم النتائج التجريبية لمفتاح VCB خارجي من فئة 36 كيلو فولت أثناء اختبارات درجات الحرارة المنخفضة والعالية. تم تجهيز المفاتيح المختبرة بآليات تشغيل ربيعية.
تم إجراء اختبار درجة الحرارة العالية عند +55°C، وتم إجراء اختبارات درجات الحرارة المنخفضة عند -10°C و-25°C. تم فحص الخصائص التالية لتحليل أداء VCB:
وقت الإغلاق والفتح (وقت التشغيل):يُعرّف وقت الإغلاق بأنه الفترة الزمنية بين تنشيط دائرة الإغلاق، مع وجود مفتاح الدائرة في وضع الفتح، واللحظة التي تلمس فيها الملامسات في جميع الأقطاب. يتم تعريف وقت الفتح لمفتاح الدائرة بأنه الفترة الزمنية بين اللحظة التي يتم فيها تنشيط إطلاق الفتح، مع وجود مفتاح الدائرة في وضع الإغلاق، واللحظة التي تفصل فيها ملامسات القوس الكهربائي في جميع الأقطاب.
للحصول على بيانات حجمية، يتم اعتبار القيمة المتوسطة لوقت التشغيل لكافة الأقطاب الثلاثة لغرض المقارنة. بما أن انتشار الوقت بين الأقطاب قد تم مقارنته، فإن التغيير الأقصى بين أقصى وقت وأدنى وقت للأقطاب الفردية يتم تمثيله تلقائيًا.
أ) انتشار الوقت بين الأقطاب
ب) خصائص جهاز الشحن، مثل وقت الشحن واستهلاك التيار.
ج) التغيير في الخصائص التشغيلية بالرجوع إلى الخصائص التشغيلية الأولية.
تم مقارنة أداء المفاتيح خلال اختبارات درجات الحرارة العالية والمنخفضة بالرجوع إلى الخصائص المذكورة أعلاه، وسيتم مناقشة النتائج في الأقسام التالية.
تقييم الأداء في درجات الحرارة العالية
يتم تقديم نتائج اختبار درجات الحرارة العالية في الجدول 1. تم قياس الخصائص الأولية عند 20°C. لا يحدد IEC 62271 - 100 أي قيمة لوقت التشغيل أو وقت الإغلاق. كانت الأوقات الأولية المسجلة للفتح حوالي 36 ميلي ثانية، وكان وقت الإغلاق حوالي 44 ميلي ثانية. وبالمثل، يتراوح وقت شحن جهاز التشغيل بين 9.6 ثانية و11.3 ثانية، ويكون استهلاك الشحن في نطاق 2.8 أمبير إلى 3.1 أمبير.
بعد 24 ساعة من التعرض لـ 55°C مع وجود المفتاح في وضع الإغلاق، زاد وقت الفتح وإغلاق بشكل موحد بنسبة حوالي 5٪. بعد 24 ساعة أخرى من التعرض لـ 55°C مع وجود المفتاح في وضع الفتح، زاد وقت الإغلاق بنسبة حوالي 2.5٪، وزاد وقت الفتح بنسبة 4٪.
لم يكن هناك تغيير كبير في انتشار الوقت بين الأقطاب لجميع العينات الثلاثة خلال الاختبار بأكمله. لذلك، يمكن الاستنتاج أن السلوك متشابه في جميع الأقطاب لمفتاح VCB. انخفض وقت الشحن من 11.3 ثانية إلى 9.6 ثانية، لكن التيار تغير من 2.9 أمبير إلى 3.4 أمبير.
عند مقارنة أوقات الفتح والإغلاق بين القيم الأولية والنهائية عند درجات الحرارة المحيطة، تم ملاحظة تغيير أقل من 1٪ في وقت التشغيل، وهو أمر مهمل.
تم قياس الخصائص التشغيلية الأولية عند 20°C. كانت القيم الأولية المسجلة لوقت الفتح حوالي 36 ميلي ثانية، وكان وقت الإغلاق 44 ميلي ثانية. وبالمثل، كان وقت شحن جهاز التشغيل 10.6 ثانية، وكان استهلاك جهاز الشحن 2.8 أمبير.
بعد 24 ساعة من التعرض لـ -10°C مع وجود المفتاح في وضع الإغلاق، انخفض وقت الفتح بنسبة حوالي 0.7٪، وزاد وقت الإغلاق بنسبة حوالي 2٪، دون تغيير كبير.
خلال فترة الساعتين بدون مسخنات منع التكاثف، انخفض وقت الفتح بنسبة 1.36٪. بعد 24 ساعة أخرى من التعرض لـ -10°C مع وجود المفتاح في وضع الفتح، زاد وقت الإغلاق بنسبة حوالي 3٪، وانخفض وقت الفتح بنسبة حوالي 2٪.
خلال الاختبار النهائي عند درجة الحرارة المحيطة، كان التغيير أقل من 1٪. خلال فترة الاختبار بأكملها عند -10°C، لم يكن هناك تغيير كبير في انتشار الوقت بين الأقطاب.
يتم تقديم أداء المفتاح عند درجات حرارة مختلفة، بدءًا من +55°C، -10°C، و-25°C، في الجدول 1.
تم ملاحظة تغييرات كبيرة في وقت التشغيل عندما يعمل المفتاح عند درجة حرارة منخفضة تبلغ -25°C. تشير النتائج في الجدول 3 إلى أن المفتاح أظهر بطءًا أثناء الفتح والإغلاق عند -25°C. كان التغيير النسبي في وقت التشغيل عند -25°C مختلفًا بشكل ملحوظ. بعد 24 ساعة من التعرض، زاد وقت الفتح بنسبة 30٪، وزاد وقت الإغلاق بنسبة حوالي 25٪. وبالمثل، بعد إطفاء عناصر التسخين لمنع التكاثف لمدة ساعتين، زاد وقت الفتح بنسبة 46٪. بعد التعرض لمدة 24 ساعة أخرى عند -25°C مع وجود المفتاح في وضع الفتح ومع استعادة تغذية عناصر التسخين لمنع التكاثف، زاد وقت الفتح بنسبة 44٪ وزاد وقت الإغلاق بنسبة 21٪. توضح الرسوم البيانية لوقت الإغلاق والفتح المسجلة خلال الاختبار هذه التغييرات بوضوح.
يتم عرض الاختبار عند درجة حرارة محيطة تبلغ 20°C في الشكل 2. يتم تقديم الرسوم البيانية لوقت الإغلاق المسجل بعد 50 ساعة من التعرض عند -25°C في الشكل 3. عند المقارنة، يكون البطء الذي يظهره المفتاح عند -25°C واضحًا.
عند المقارنة بأدائه عند -10°C، حيث كان التغيير في وقت التشغيل حوالي 0.5٪ إلى 3٪ فقط، فقد تدهورت خصائص المفتاح عند -25°C بشكل كبير. عند -25°C، بلغت تغييرات وقت التشغيل خلال مراحل مختلفة من الاختبار حوالي 45٪.
يقدم هذا البحث النتائج التجريبية للمقارنة بين أداء مفاتيح الدائرة الخارجية ذات الفراغ من فئة 36 كيلو فولت (VCBs) خلال اختبارات درجات الحرارة المنخفضة والعالية وفقًا لـ IEC 62271 - 100.
النتائج الرئيسية لهذا البحث هي كما يلي:
خلال اختبار درجات الحرارة العالية عند 55°C، أظهرت مفاتيح VCB الخارجية أداءً مرضياً. كان التغييرات الملاحظة في وقت التشغيل وانتشار الوقت بين الأقطاب غير مهمة.
خلال اختبار درجات الحرارة المنخفضة عند -10°C، كانت التغييرات في وقت التشغيل وانتشار الوقت بين الأقطاب غير مهمة.
تم ملاحظة تغييرات كبيرة في وقت التشغيل عندما يعمل المفتاح عند درجة حرارة منخفضة تبلغ -25°C. كانت التغييرات الملاحظة في وقت الفتح تتراوح بين 20٪ و46٪، وكانت التغييرات في وقت الإغلاق تتراوح بين 25٪ و43٪.
تشير الاختبارات المنفذة إلى أنه حتى لو كان بإمكان مفتاح VCB الخارجي العمل بشكل طبيعي عند -10°C، فلا يوجد ضمان بأنه سيؤدي بنفس الأداء في ظروف أبرد مثل -25°C. لذلك، من الضروري التحقق من أدائه عند درجة الحرارة المنخفضة المطلوبة.
