حالة واتجاه تطور قواطع الدائرة ذات التوتر العالي SF6

المفتاحات ذات الجهد العالي، المعروفة أيضًا بالمفاتيح ذات الجهد العالي، تتمتع بقدرة كافية على قطع الدائرة وإخماد القوس الكهربائي. يمكنها ليس فقط قطع وتوصيل التيار الخالي من الحمل والتيار تحت الحمل في الدوائر ذات الجهد العالي ولكن أيضًا، عند حدوث عطل في النظام، التعاون مع أجهزة الحماية والأجهزة الآلية لقطع التيار العاطل بسرعة، مما يقلل من نطاق انقطاع الطاقة ويمنع تفاقم الحادث. هذا مهم جدًا للحفاظ على التشغيل الآمن لنظام الطاقة.

تطورت المفاتيح ذات الجهد العالي من خلال المفاتيح الزيتية والمفاتيح الهوائية الضاغطة والمفاتيح الفراغية والمفاتيح SF₆. من بين هذه الأنواع، تم التخلي تدريجيًا عن النوعين الأوليين، وتشير الإحصاءات إلى أن المفاتيح SF₆ هي الأكثر استخدامًا مقارنة بالنوعين الأخيرين. تم اعتماد المفاتيح SF₆ بشكل واسع في أوائل السبعينيات. يستخدمون سلفور هكسافلوريد كوسط لإخماد القوس الكهربائي. يتمتع هذا النوع من المفاتيح بقدرة كبيرة على قطع الدائرة. تحت ظروف القطع الحر، تكون قدرتها على قطع الدائرة حوالي 10 مرات أعلى من المفاتيح الأخرى. يلعب دورًا حاسمًا في التشغيل المستقر والأمن لنظام الطاقة وهو مهم أيضًا من الناحية الاقتصادية والاجتماعية.

1. أداء المفاتيح SF₆

المفاتيح SF₆ هي معدات تبديل خالية من الزيت تستعمل غاز SF₆ كوسط عازل وأيضًا لإخماد القوس الكهربائي. أداؤها العازل وقدرتها على إخماد القوس الكهربائي أعلى بكثير من المفاتيح الزيتية. تتميز المفاتيح SF₆ بالخصائص التالية:

• قدرة قوية على إخماد القوس الكهربائي، قوة عازلة عالية، وقيمة تحمل الجهد العالية للقطعة الواحدة. نتيجة لذلك، عند نفس مستوى الجهد المقنن، يتم تقليل عدد المنافذ المتسلسلة المطلوبة، مما يحسن الأداء الاقتصادي للمنتج.

• حياة كهربائية طويلة. يمكنها قطع الدائرة بسعة كاملة تبلغ 50kA لمدة 19 مرة، ويمكن أن يصل التيار الكلي المقطوع إلى 4200kA. دورة الصيانة طويلة، وهي مناسبة للتشغيل المتكرر.

• أداء قطع جيد. بسبب الكهرونيغاتيفية لغاز SF₆، فإنه يمتلك قدرة قوية على امتصاص الإلكترونات الحرة. القوس الذي يتشكل في SF₆ يساعد على تشكيل "هيكل القوس العمودي" (القلب والغلاف). يتم تقييد انتشار البلازما المؤينة، مما يسمح بإعادة الجمع الفعال للأيونات. التيار المقطوع كبير، يصل إلى 80-100kA، وحتى 200kA. وقت إخماد القوس قصير، عادة ما يكون 5-15 ميلي ثانية. في الوقت نفسه، فإن أداء القطع للقطع العكسي والعطل القريب والخطوط الطويلة الخالية من الحمل والظروف الخالية من الحمل للمحولات جيد أيضًا.

• أداء عازل عالي. قوة العزل لـ SF₆ حوالي 5-10 مرات أعلى من الهواء.

• غاز SF₆ بلا لون وبلا رائحة وغير سام وغير قابل للاشتعال، وهو غاز مستقر للغاية ولا يتفاعل بسهولة مع المواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، عندما يتم فتح المفتاح، فإن زيادة الضغط الناتجة عن تسخين القوس صغيرة جدًا، مما يضمن التشغيل الموثوق به ويمنع حوادث الانفجار.

2. تطور المفاتيح ذات الجهد العالي SF₆
2.1 المفاتيح ثنائية الضغط SF₆

يتم تعيين نظامين من غاز SF₆ (نظام الضغط العالي والنظام الضغط المنخفض) داخل المفتاح. يحدث فقط أثناء عملية الفتح، حيث يتدفق الغرفة الضغط العالي إلى الغرفة الضغط المنخفض عبر التحكم بالصمام النفاث لتشكيل تدفق غاز عالي الضغط. بعد اكتمال القطع، يتم إغلاق الصمام النفاث. مبدأ غرفة إخماد القوس هو أن مضغوط الغاز وأنابيب متصلة بين الغرفة الضغط العالي والغرفة الضغط المنخفض. عندما ينخفض ضغط الغاز في الغرفة الضغط العالي أو يرتفع ضغط الغاز في الغرفة الضغط المنخفض إلى حد معين، يبدأ مضغوط الغاز في ضخ غاز SF₆ من الغرفة الضغط المنخفض إلى الغرفة الضغط العالي، مما يشكل نظام غاز مغلق آليًا.

2.2 المفاتيح ذات الضغط الواحد SF₆

الهيكل ذو الضغط الواحد بسيط ويمكنه التكيف مع مجموعة واسعة من درجات الحرارة المحيطة. كما مر نوع الضغط الواحد بعملية تطور: من حيث نفخ القوس، كان النوع ذو الضغط الواحد من الجيل الأول له بنية النفخ الواحد، مع تيار قطع صغير (عادة 31.5kA) وقيمة جهد القطع المنخفضة (عادة 170kV). النوع ذو الضغط الواحد من الجيل الثاني له بنية النفخ المزدوجة، حيث يتم زيادة تيار القطع إلى (40-50kA)، ومع ذلك لا يزال جهد القطع المنخفض. عادة ما يكون المنتج 252kV له منفذين للقطع. النوع ذو الضغط الواحد من الجيل الثالث له بنية النفخ المزدوجة مدعومة بتأثير التمدد الحراري (إخماد القوس المختلط). تيار القطع كبير، يتم زيادته إلى 63kA، وجهد القطع مرتفع. يمكن أن يصل منفذ القطع الواحد إلى 252kV، 363kV، 420kV، وحتى 550kV.

من وجهة نظر غرفة إخماد القوس، تم تبني مكبس ضغط غاز أصغر. المزايا التي تأتي من تقليل المكبس في غرفة إخماد القوس هي كالتالي:

• تقليل كتلة النظام الحركي بأكمله أثناء عملية القطع للمنتج.

• تقليل قوة التشغيل للمنتج.

• становится легче буферизация продукта, и механический срок службы длительный.

2.3 المفاتيح ذاتية الطاقة SF₆

المفاتيح ذاتية الطاقة SF₆ لديها مبدأين لإخماد القوس الكهربائي: مبدأ التمدد الحراري ومبدأ دوران القوس. حالياً، معظم المفاتيح ذاتية الطاقة تستخدم مبدأ التمدد الحراري. مبدأ الطاقة الذاتية هو استخدام طاقة القوس لتسخين غاز SF₆ في غرفة التمدد، وبناء الضغط، وتشكيل تدفق غازي، وإخماد القوس. ومع ذلك، عند قطع التيار الصغير، بسبب قلة طاقة القوس، يتم الحاجة إلى مكبس صغير لضغط الغاز ليشكل النفخ المساعد. بسبب التقليل الكبير في قوة التشغيل، يمكن استخدام آلية تشغيل بسيطة تعمل بالربيع. لقد تطور النوع الحراري الآن إلى الجيل الثاني. تحقق المنتجات من الجيل الأول تأثير تقليل قوة التشغيل بتقليل الطاقة المطلوبة لضغط الغاز لإخماد القوس. يتم تصميم قطر المكبس الضاغط للغاز وفقاً لقطع 30٪ من أقصى تيار عطل، وكما أن كتلة الحركة صغيرة، مما يقلل من قوة التشغيل. تحسنت المنتجات من الجيل الثاني أداء التمدد الحراري وأداء القطع، ليس فقط تحسين قطع التيار السعوي ولكن أيضًا تقليل قوة التشغيل بشكل أكبر.

2.4 المفاتيح الذكية SF₆

مميز آخر للمفاتيح الحديثة ذات الجهد العالي هو ذكائها، حيث تطورت من الأنظمة الكهروميكانيكية التقليدية إلى الأنظمة الذكية الحديثة المبنية حول الكمبيوتر. حالياً، محتوى الاختبار عبر الإنترنت للمفاتيح ذات الجهد العالي يتضمن ما يلي:

• غاز SF6;

• نظام الآلية التشغيلية;

• الإطلاق;

• الدوائر التحكمية والمساعدة;

• سلسلة نقل الطاقة.

من خلال هذه الاختبارات، يمكن اكتشاف أكثر من 90% من الأعطال. يمكن أن يغير الاختبار عبر الإنترنت الصيانة الدورية للمفاتيح إلى صيانة استنادًا إلى حالة الجهاز في الوقت الحقيقي.

3. المفاتيح SF₆ ذات الأعمدة الفخارية والأنواع الخزانية وتطبيقاتها

تم تطبيق المفاتيح SF₆ لأول مرة في الصين عام 1970 عندما استوردت إدارة الكهرباء الشمالية الشرقية ثلاثة مفاتيح SF₆ ثنائية الضغط H-912 بجهد 220KV من سيمنز من الخارج وتم تركيبها في محطة التحويل الرئيسية HuShitai في شنيانغ. لا تزال تعمل بشكل جيد حتى اليوم.

تنقسم المفاتيح ذات الجهد العالي SF₆ إلى نوعين وفقًا لتركيبها: الأعمدة الفخارية والأنواع الخزانية. عند مقارنة النوعين، لكل منهما خصائصه الخاصة:

• يمكن لكلا النوعين من المفاتيح ذات الأعمدة الفخارية والأنواع الخزانية SF₆ تلبية متطلبات الجهد العالي والسعة الكبيرة. يتم تثبيت غرفة إخماد القوس في النوع ذو الأعمدة الفخارية على الدعم العازل. من خلال توصيل غرف إخماد القوس بالتسلسل وتثبيتها على الدعم العازل في ارتفاع مناسب، يمكن الحصول على أي قيمة جهد مقنن. الدعم العازل غالبًا ما يكون عمودًا فخاريًا، وقد ظهرت أيضًا دعامات مركبة عضوية. يتم تثبيت غرفة إخماد القوس في النوع الخزاني داخل خزان معدني متصلاً بمستوى الأرض. تحت الجهد العالي، تحتاج عدة غرف إخماد قوس إلى الاتصال بالتسلسل وتثبيتها في نفس الخزان لكل مرحلة.

• تثبيت المحولات الحالية. بالنسبة لتثبيت المحولات الحالية، يكون المفتاح ذو الأعمدة الفخارية في وضع غير مواتٍ. لأن غرفة إخماد القوس في النوع ذو الأعمدة الفخارية مثبتة داخل العازل وعلى قمة الدعم العازل، يجب تثبيت المحول الحالي بشكل منفصل على دعم عازل خاص به. ومع ذلك، يمكن تثبيت المحول الحالي من نوع العازل على العازل الخاص بالمفتاح الخزاني. في بعض سيناريوهات التطبيق، لا يحتاج المفتاح إلى تجهيزه بمحول حالي، خاصة عند استخدامه كمفتاح للتبديل بين البنوك الكهربائية والمكثفات. هنا، يكون سعر النوع ذو الأعمدة الفخارية فقط 60٪ من سعر المفتاح الخزاني، ونظرًا لاستخدام منافذ القطع المتعددة، يمكنه مقاومة الاستعادة بشكل أفضل.

• قدرة تحمل الجهد الخارجي. من منظور تحمل الجهد الخارجي، يمكن لمجموعة من غرف إخماد القوس المتسلسلة في المفتاح ذو الأعمدة الفخارية تلبية أي قيمة جهد مقنن، لكن قدرة العزل الخارجي محدودة بطول غرفة إخماد القوس نفسها. بالنسبة للمفتاح الخزاني، طالما يمكن تطوير القدرة اللازمة لخفض عدد منافذ القطع، يمكن تصنيع عازل خزاني. لذلك، يمكن تحقيق منفذ قطع واحد بـ 550kV/63kA ومنفذ قطع مزدوج بـ 1100kV/50kA في المفتاح الخزاني.

• استهلاك غاز SF₆. من حيث استهلاك غاز SF₆، يكون النوع ذو الأعمدة الفخارية أفضل من النوع الخزاني. استهلاك غاز SF₆ في المفتاح الخزاني أعلى بكثير من النوع ذو الأعمدة الفخارية.

• قابلية التكيف البيئي. من منظور القابلية البيئية، يظهر النوع الخزاني بميزاته. يمكن تثبيت مسخن في المفتاح الخزاني، بينما لا يمكن تثبيته في النوع ذو الأعمدة الفخارية.

• مقاومة الزلازل. من منظور مقاومة الزلازل، يكون المفتاح الخزاني أفضل بكثير من النوع ذو الأعمدة الفخارية. لأنه يمتلك مركز ثقل منخفض، مما يجعله أكثر مقاومة للزلازل.

• مقارنة الأسعار. من حيث السعر، يكون المفتاح ذو الأعمدة الفخارية أفضل من النوع الخزاني بنفس السعة. عادةً، يكون سعر المفتاح الخزاني حوالي 20٪ أعلى من سعر المفتاح ذو الأعمدة الفخارية مع محول حالي خارجي (مثل المحول SF₆).

4. الأمور التي يجب الانتباه إليها أثناء التشغيل والصيانة للمفاتيح SF₆

من أجل السيطرة بدقة على تسرب الغاز ومنع الرطوبة والرطوبة من غزو الصندوق، تكون متطلبات تقنية المعالجة والمواد أعلى بكثير من تلك الموجودة في الأجهزة الكهربائية ذات الجهد العالي العامة. في الوقت نفسه، يتطلب نظام غاز SF₆ خاص، بما في ذلك صمام ذو ختم جيد، معدات لكشف التسرب، جهاز استرداد الغاز، ومراقبة الضغط. بالإضافة إلى ذلك، بسبب استهلاك المعادن الكبير، تزداد تعقيدات التصنيع.

غاز SF₆ النقي بلا لون وبلا رائحة وغير سام وغير قابل للاشتعال. ومع ذلك، في عملية تركيب سلفور هكسافلوريد، يتم إنتاج مركبات سلفور منخفضة الفلور والتي تكون سامة. في المفتاح، سيتم تحلل الغاز تحت درجة حرارة القوس العالية بواسطة التفكك والتآيل، مما ينتج عنه غازات سامة للغاية. لذلك، يتم تثبيت ممتص في المفتاح، ويتم وضع الألومنيوم المنشط فيه لامتصاص هذه الغازات السامة.

ومع ذلك، يجب الانتباه بشكل خاص إلى منع التسمم أثناء الصيانة. لذلك، يجب إخلاء الغاز وإخراج الغاز بشكل نظيف قبل العمل. إذا كان لا يزال هناك رائحة غير سارة، يجب ارتداء قناع غاز وقفازات مطاطية. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي منتجات تحلل القوس أيضًا على بعض الفلوريدات المعدنية، والتي تكون مبعثرة في المفتاح على شكل مسحوق. رغم أن هذه المساحيق ليست مواد سامة للغاية، يجب اتخاذ الاحتياطات لمنع استنشاقها أثناء التنظيف.

5. الخلاصة

مع زيادة مستمرة في الجهد لنظام الطاقة، سواء كان المفتاح ذو الأعمدة الفخارية أو النوع الخزاني من المفاتيح SF₆، فهو يتطور باستمرار مع التقدم التكنولوجي. خاصة في السنوات الأخيرة، تم تطوير واستخدام مبدأ إخماد القوس الذاتي، أي استخدام الضغط العالي لتشكيل تدفق غاز لإخماد القوس. يتم تقليل عدد منافذ القطع، ويتم تقليل استهلاك المواد.

بسبب سعره المرتفع نسبيًا ومطالب عالية بشأن تطبيق وإدارة وتشغيل غاز SF₆، فإنه لا يتم استخدامه على نطاق واسع في الجهد المتوسط (35kV، 10kV). بشكل عام، للمفاتيح ذات الجهد العالي SF₆ آفاق تطبيق واسعة، وسيجلب البحث والتطوير وترقية المنتجات فوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة.