طراحی تجهیزات عایق‌بندی هوایی و گازی معتبر ۲۴ کیلوولت
در حال حاضر، شبکه‌های توزیع متوسط فشار در چین عمدتاً در ولتاژ ۱۰ کیلوولت عمل می‌کنند. با توسعه سریع اقتصادی، بارهای برقی به طور قابل توجهی افزایش یافته و محدودیت‌های روش‌های موجود تامین برق بیشتر آشکار شده است. به دلیل مزایای برجسته تجهیزات سوئیچینگ فشار بالا ۲۴ کیلوولت در برآوردن نیازهای ظرفیت بار بالاتر، این تجهیزات به تدریج در صنعت جذب شده‌اند. پس از اعلام "اطلاعیه شرکت برق دولتی درباره ترویج ولتاژ ۲۰ کیلوولت"، استفاده از کلاس ولتاژ ۲۰ کیلوولت به طور سریع افزایش یافته است.
به عنوان یک محصول مهم در این ولتاژ، ساختار و طراحی عایق تجهیزات سوئیچینگ فشار بالا ۲۴ کیلوولت به نقطه کانونی در صنعت تبدیل شده است. بر اساس استاندارد صنعت برق "نیازهای فنی مشترک برای تجهیزات سوئیچینگ و کنترل فشار بالا" (DL/T 593-2006)، نیازهای عایقی خاص برای تجهیزات سوئیچینگ به طور واضح تعریف شده است. نیازهای عایقی برای محصولات ۲۴ کیلوولت به شرح زیر است:
فاصله هوا حداقل (فاز به فاز، فاز به زمین): ۱۸۰ میلی‌متر؛ ولتاژ تحمل فرکانس تجاری (فاز به فاز، فاز به زمین): ۵۰/۶۵ کیلوولت/دقیقه، (بین اتصالات جداکننده): ۶۴/۷۹ کیلوولت/دقیقه؛ ولتاژ تحمل ضربه برق (فاز به فاز، فاز به زمین): ۹۵/۱۲۵ کیلوولت/دقیقه، (بین اتصالات جداکننده): ۱۱۵/۱۴۵ کیلوولت/دقیقه.
توجه: داده‌های سمت چپ خط کسری برای سیستم‌های با زمین متصل صلب معتبر است، در حالی که داده‌های سمت راست برای سیستم‌های با زمین متصل شده از طریق کویل خنثی‌ساز یا بدون زمین متصل معتبر است.
تجهیزات سوئیچینگ فشار بالا ۲۴ کیلوولت می‌توانند بر اساس روش عایق‌بندی به دو دسته تقسیم شوند: تجهیزات سوئیچینگ فلزی بسته با عایق هوا و واحد‌های حلقه اصلی SF6 با عایق گازی. تجهیزات سوئیچینگ فلزی بسته با عایق هوا برای ۲۴ کیلوولت، به ویژه نوع قابل خروجی وسط (که در ادامه به آن تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت گفته می‌شود) به یک نقطه کانونی در طراحی تبدیل شده است. این مقاله چند پیشنهاد درباره ساختار و طراحی عایق تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت و واحد‌های حلقه اصلی SF6 را برای مراجعه و بررسی ارائه می‌دهد.
۱. طراحی تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت
تکنولوژی تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت عمدتاً از سه منبع می‌آید: اول، به‌روزرسانی محصول KYN28-12 فشار ۱۲ کیلوولت با جایگزینی مستقیم مؤلفه‌های مرتبط با عایق. دوم، ورود محصولات خارجی وسط به بازار داخلی، مانند محصولات ABB و Eaton Senyuan. سوم، توسعه مستقل تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت در چین. دسته سوم، که به‌طور خاص برای شرایط و نیازهای فنی موجود در چین طراحی شده است، در بازار بیشترین رقابت را دارد. بنابراین، در طراحی آن، باید ساختار کلی محصول و طراحی عایق به طور کامل در نظر گرفته شود، به شرح زیر:
۱.۱ ساختار کابینت هم‌ارتفاع و ترتیب سه‌فازه بوسیله مثلثی
اغلب تجهیزات سوئیچینگ وسط ۱۲ کیلوولت از یک ساختار با ارتفاع بیشتر در جلو و کمتر در عقب استفاده می‌کنند، با ترتیب سه‌فازه بوسیله مثلثی (دلتا) و کامپارتمان اندازه‌گیری به عنوان یک ساختار مستقل قابل خروج. اگر این روش برای تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت استفاده شود، به طور واضح نمی‌تواند نیازهای حداقل فاصله هوا ۱۸۰ میلی‌متر را برآورده کند. بنابراین، تجهیزات سوئیچینگ وسط ۲۴ کیلوولت باید از یک طراحی کابینت هم‌ارتفاع استفاده کنند، با یکپارچه‌سازی کامپارتمان اندازه‌گیری در کابینت اصلی.
ارتفاع کابینت باید به طور مناسب به ۲۴۰۰ میلی‌متر افزایش یابد تا فضای بیشتری برای کامپارتمان بوسیله و سوئیچ قطع‌کننده فراهم شود. دیواره‌های بوسیله باید به شکل مثلثی ترتیب داده شوند. این رویکرد نه تنها نیازهای فاصله هوا را برآورده می‌کند بلکه به طور موثری نیروهای الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد، رسانایی حرارتی بوسیله را بهبود می‌بخشد و قابلیت عایق‌بندی را افزایش می‌دهد.
۱.۲ طراحی منطقی عرض تجهیزات سوئیچینگ
از دیدگاه قابلیت عایق‌بندی، عایق‌بندی هوا معتبرترین روش است؛ به شرطی که حداقل فاصله عایقی تضمین شود، عایق‌بندی به طور کامل تضمین می‌شود. با در نظر گرفتن یک طراحی کاملاً عایق‌بندی شده با هوا، عرض نظری تجهیزات سوئیچینگ ۲۴ کیلوولت باید ۱۰۲۰ میلی‌متر باشد. اما در تولید واقعی، بیشتر تولیدکنندگان از عرض کابینت ۱۰۰۰ میلی‌متر استفاده می‌کنند که نیازمند استفاده از عایق‌بندی ترکیبی است. معمولاً لوله‌های حرارتی را روی بوسیله‌ها قرار می‌دهند و موانع عایق SMC (Sheet Molding Compound) را بین فازها و بین فاز و زمین نصب می‌کنند تا عایق‌بندی را افزایش دهند.
۱.۳ طراحی برای توزیع یکنواخت میدان الکتریکی
آزمایش‌ها نشان می‌دهند که هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، قدرت محلی میدان الکتریکی در آزمون‌های تحمل ولتاژ فرکانس تجاری بالاتر است، گاهی همراه با صدای روبازی قابل توجه. بر اساس مقررات، به شرطی که هیچ روبازی مخربی رخ ندهد، آزمون به عنوان موفق در نظر گرفته می‌شود. اما قدرت محلی میدان الکتریکی بالا می‌تواند تأثیراتی بر قابلیت تحمل ولتاژ بیش از حد محصول در عمل داشته باشد.
بنابراین، طراحی محصول باید به دستیابی به توزیع یکنواخت میدان الکتریکی تا حد ممکن بپردازد و از تمرکز محلی میدان جلوگیری کند. از تجربیات عملی، شکل‌دهی رساناهای برای دستیابی به یک میدان یکنواخت موثر است. برای انتهای برش بوسیله‌ها، از یک ماشین فرز دایره‌ای برای فرز انتهای آن‌ها به گوشه‌های دایره‌ای استفاده کنید. برای انتهای بوسیله‌ها در داخل جعبه تماس، ابتدا آن‌ها را به شکل نیم‌دایره شکل دهید، سپس آن‌ها را به گوشه‌های دایره‌ای فرز کنید. در شرایطی که امکان دارد، یک پوشش متقابل فلزی خارج از تماس‌های پلمب سوئیچ قطع‌کننده نصب کنید یا یک شبکه متقابل فلزی در طول ریخته‌گری جعبه تماس جاسازی کنید. این اقدامات می‌توانند به طور موثر توزیع میدان الکتریکی را یکنواخت کنند، نوک‌های میدان را کاهش دهند و سطح عایق‌بندی را بیشتر بهبود بخشند.
۱.۴ استفاده از مواد عایق‌بندی با فاصله مسیری طولانی
مواد عایق‌بندی مانند دیواره‌های بوسیله، جعبه‌های تماس و عایق‌های پشتیبان باید دارای شیروانی‌های بزرگ‌تر و فاصله مسیری کافی برای برآورده کردن نیازهای عایق‌بندی ۲۴ کیلوولت باشند. به ویژه در طراحی جعبه‌های تماس، باید یک شبکه متقابل فلزی اضافه شود و داخل حفره از ساختار زبانه‌ای استفاده شود تا از مشکلات ذاتی ساختار حلقه‌ای که نمی‌تواند به طور موثری رطوبت و تجمع آلودگی در طول عملکرد را کاهش دهد، جلوگیری شود.
۲. طراحی واحد‌های حلقه اصلی SF6 گازی ۲۴ کیلوولت
واحد‌های حلقه اصلی SF6 گازی ۲۴ کیلوولت خارجی از اوایل شروع شدند؛ شرکت‌هایی مانند Siemens و ABB آن‌ها را در اوایل دهه ۱۹۸۰ معرفی کردند. این به دلیل استفاده بسیاری از کشورهای خارجی از ۲۴ کیلوولت به عنوان ولتاژ اصلی توزیع متوسط فشار است. محصولات آن‌ها از نظر تکنولوژی پیشرفته، عملکرد بالا و قابلیت اطمینان بالا هستند. واحد‌های حلقه اصلی SF6 گازی ۲۴ کیلوولت داخلی فقط در سال‌های اخیر توسعه یافته‌اند. با توجه به محدودیت‌های مختلف، محصولات هنوز در مرحله تحقیق، توسعه و آزمایش هستند.
به دلیل پیشرفته بودن تکنولوژی واحد‌های حلقه اصلی SF6 گازی ۲۴ کیلوولت، ساختار و طراحی عایق‌بندی آن‌ها باید از تجربیات بلوغ خارجی استفاده کنند. در ادامه چند پیشنهاد درباره ساختار و طراحی عایق‌بندی محصول ارائه می‌شود:
۲.۱ تمرکز بر منطقی بودن ساختار
از آنجا که تمام قسمت‌های زنده و سوئیچ‌های واحد‌های حلقه اصلی SF6 گازی ۲۴ کیلوولت در یک قاب فولاد ضدزنگ پر از گاز SF6 بسته شده‌اند، آن‌ها فشرده هستند. در طراحی ساختاری، باید قدرت عایق‌بندی و رطوبت گاز عایق‌بندی به طور کامل در نظر گرفته شود تا ابعاد مناسب قاب طراحی شود. واحد باید دارای عملکرد کامل، ساده در استفاده و ساختار ساده باشد.
۲.۲ قابلیت افزایش پیکربندی
طراحی پیکربندی باید قابلیت افزایش داشته باشد. تا حدودی، کیفیت محصول و احتمال گسترده شدن آن به پیکربندی انعطاف‌پذیر بستگی دارد. یک طراحی استاندارد و ماژولار امکان افزایش انعطاف‌پذیر از سمت چپ و راست را فراهم می‌کند.
۲.۳ قابلیت اطمینان طراحی عایق‌بندی
خطر اصلی برای واحد‌های حلقه اصلی SF6 گازی ۲۴ کیلوولت کاهش عملکرد عایق‌بندی است. عواملی که باعث کاهش عایق‌بندی می‌شوند شامل: نشت گاز SF6؛ مواد عایق‌بندی یا مسدودکننده‌های پلیمری که تا حدودی نفوذپذیر به گازهای مختلف (مانند بخار آب) هستند، منجر به تشکیل رطوبت غیرقابل قبول روی دیواره‌های داخلی ظرف می‌شود؛ کنترل محتوای رطوبت در گاز SF6؛ و ترک‌های در مؤلفه‌های عایق‌بندی.
برای جلوگیری از کاهش عایق‌بندی، باید اقدامات متناسبی اتخاذ شود، مانند: ساخت ظرف گاز از فولاد ضدزنگ با استفاده از جوشکاری کامل بدون باز ماندن هیچ گونه بازشوی مسدودکننده؛ ساخت بوش‌های اتصال کابل از رزین اپوکسی و جوشکاری آن‌ها به صورت یکپارچه با ظرف؛ افزایش مسدودیت ظرف گاز برای کاهش نفوذ بخار آب؛ اندازه‌گیری منظم محتوای رطوبت با استفاده از تست‌کننده رطوبت SF6، قرار دادن مقدار مناسبی از ماده خشک‌کننده در ظرف مسدود شده، و خشک‌کردن دقیق تمام مؤلفه‌ها طبق دمای و زمان مشخص شده؛ در زمان خلاء و شارژ کردن تجهیزات سوئیچینگ SF6، تمیز کردن خطوط شارژ با گاز N2 یا SF6 با خلوص بالا؛ و کاهش استرس مکانیکی داخلی در مؤلفه‌های عایق‌بندی برای جلوگیری از پیری و ترک. این اقدامات به طور موثر قابلیت اطمینان عایق‌بندی را افزایش می‌دهند.
۳. نتیجه‌گیری
اگرچه ساختار و طراحی عایق‌بندی تجهیزات سوئیچینگ فشار بالا ۲۴ کیلوولت بر اساس تجهیزات سوئیچینگ ۱۲ کیلوولت است، اما نیازها بسیار بالاتر است. علاوه بر این، به دلیل عدم تجربه عملی کافی، تمام عوامل مؤثر باید در طول فرآیند طراحی به طور کامل در نظر گرفته شوند تا استانداردهای محصول را برآورده کنند.
