مقارنة بـ 12 كيلوفولت، يمكن لـ 24 كيلوفولت توفير المزيد من الطاقة الكهربائية وتقليل خسائر الخط، ويستخدم على نطاق واسع في الأسواق الخارجية.
SF₆ هو غاز دفيئة ذو قدرة على استنزاف طبقة الأوزون تزيد عن 20,000 مرة مقارنة بـ CO₂. يجب التقييد في استخدامه؛ لذلك، لا يجب استخدام SF₆ كغاز عازل في المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط.
بالنسبة للمعدات الكهربائية، يشير الغاز الصديق للبيئة إلى الغازات التي لا تحتوي على SF₆ كوسيلة عازلة أو لإطفاء القوس الكهربائي. تشمل الأمثلة الغازات الطبيعية (مثل النيتروجين وأكسيد الكربون)، وخليط الغازات، والغازات الصناعية.
التحدي الرئيسي للمعدات الكهربائية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة يكمن في تلبية متطلبات العزل. بينما تعتبر الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة ذات الجهد 12 كيلوفولت ناضجة جدًا، فإن النماذج ذات الجهد 24 كيلوفولت لديها عدد قليل من المطورين. هذا بسبب انخفاض الطلب المحلي على المعدات ذات الجهد 24 كيلوفولت ومعقدية تصميم العزل—فقط عدد قليل من الشركات المصنعة للأجهزة الكاملة التي تحتاج إلى التصدير تقوم بتطوير مثل هذه المنتجات.
بشكل أساسي، يمكن تبسيط تصميم المعدات الكهربائية ذات الجهد 24 كيلوفولت من خلال الطرق التالية:
العزل المركب الصلب: هذا يضمن أن تلبى الحافلة الكهربائية متطلبات تحمل الجهد. زيادة الفجوة العازلة أو توسيع حجم الخزان الغازي يمكن أن يلبي أيضًا متطلبات تحمل الجهد.
زيادة ضغط الغاز: رفع الضغط النسبي من 0.04 ميجا باسكال إلى 0.14 ميجا باسكال يحل مشكلة العزل ومتطلبات تحمل الجهد للفراغ، مع الخطوة الإضافية الوحيدة وهي استبدال غرفة إطفاء القوس بواحدة معدة لـ 24 كيلوفولت.
بدلاً من ذلك، يمكن استخدام غاز C4/C5 الممزوج بـ CO₂، حيث تكون قوته العازلة مماثلة لتلك الخاصة بـ SF₆. يمكن أن تجعل التعديلات البسيطة لنظام العزل المستند إلى SF₆ تلبي متطلبات تحمل الجهد 24 كيلوفولت. ومع ذلك، يعتبر C4/C5 أيضًا غاز دفيئة—على الرغم من أن قدرته على الاحتباس الحراري (GWP) هي فقط 1/20 من SF₆. بالإضافة إلى ذلك، يتحلل إلى غازات سامة بعد إطفاء القوس، مما لا يساعد على التنمية المستدامة.
تحدد المسافة بين الأجزاء الحية للinterrupter بالجهد الذي يمكن أن يتحمله الجهاز عند حدوث صدمة كهربائية:
بالنسبة للمعدات ذات الجهد 24 كيلوفولت، يكون الجهد الذي يمكن أن يتحمله الجهاز عند حدوث صدمة كهربائية هو 125 كيلوفولت، مما يتوافق مع فجوة هواء تبلغ 220 ملم (أو 95 ملم إذا تم استخدام أكمام 3M القابلة للانكماش حراري والحافلات الدائرية BPTM).
بالنسبة للمعدات ذات الجهد 12 كيلوفولت، يكون الجهد الذي يمكن أن يتحمله الجهاز عند حدوث صدمة كهربائية هو 75 كيلوفولت، مع فجوة هواء تبلغ 120 ملم (أو 55 ملم باستخدام نفس الأكمام 3M والحافلات الدائرية BPTM).
بالنسبة للوحدات الجانبية في الوحدات الرئيسية الدائرية، يمكن تلبية متطلبات الفجوة للعزل المركب بشكل كامل.
تشمل أقدم الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالعزل الصلب ذات الجهد 24 كيلوفولت منتجات Eaton SVS و Xirui. نظرًا لأن المفاتيح المصممة بواسطة Xirui للأسواق الخارجية ثنائية الموضع—أي أن المفتاح إما في وضع الإغلاق أو وضع التوصيل بالأرض—فشلت هذه التصميم في تلبية متطلبات الصين للعمل الثلاثي الموضع مع التحكم التدريجي، وبالتالي كان يجب إضافة موضع عزل بين الموضعين.
كيفية تحقيق التصغير والتكلفة المناسبة والتكيّف البيئي يحدد اتجاه تطوير الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة ذات الجهد 24 كيلوفولت. يتمتع العزل المركب الصلب بتكلفة عالية ولا يزال يجد صعوبة في حل مشكلة تحمل الجهد للفواصل العازلة. في الوقت نفسه، نظرًا لأن الغازات البديلة مثل الهواء الجاف والأزوت لها قوة عزل غير كافية، فإن مسافة الفصل والمسافة الأرضية تحتاج إلى أن تكون مماثلة لمتطلبات الهواء الطبيعي، أي ≥220 ملم. هذا يجعل المفاتيح الثلاثية الموضع الدورانية تحتاج إلى حجم كبير، بينما تواجه المفاتيح الخطية صعوبات في زيادة الأبعاد العلوية أو العرضية. يمكن أن يحل استخدام الفواصل العازلة والمفاتيح الأرضية ذات الفصل المزدوج مشكلة الفواصل العازلة الضخمة.
لتقديم ضغط ملء الغاز، يجب حل مشكلة قوة الغلاف. يمكن استخدام بنية أسطوانية من سبائك الألومنيوم لتحقيق تحسين الأبعاد وتوزيع المجال الكهربائي بشكل متساوٍ وتحسين التبريد. يتم ترتيب الحافلات الداخلية بشكل مثلث، ويتم تركيب المفتاح الثلاثي الموضع والفصل الفراغي بشكل عمودي، مما يوفر الاستخدام الأمثل للأبعاد المكانية ويحقق حجم صغير وطاقة كبيرة.
