وضع موجود وروند توسعه دیسجوی‌های سی‌اف۶ فشار قوی

بریکرهای فشار بالا، که به عنوان سوئیچ‌های فشار بالا نیز شناخته می‌شوند، دارای توان قطع و خاموش کردن قوس الکتریکی کافی هستند. آنها نه تنها می‌توانند جریان‌های بدون بار و با بار مدارهای فشار بالا را قطع و بسته کنند بلکه در صورت بروز خطا در سیستم، با دستگاه‌های حفاظتی و اتوماتیک همکاری می‌کنند تا سریعاً جریان خطا را قطع کنند، محدوده قطع برق را کاهش دهند و از گسترش حوادث جلوگیری کنند. این موضوع برای تضمین عملکرد ایمن سیستم برق اهمیت بسیاری دارد.

بریکرهای فشار بالا از طریق بریکرهای روغنی، بریکرهای هوا فشرده، بریکرهای خلاء و بریکرهای SF₆ توسعه یافته‌اند. در میان آنها، دو نوع اول به تدریج منسوخ شده‌اند و بریکرهای SF₆ نسبت به دو نوع آخر بیشتر استفاده می‌شوند. بریکرهای SF₆ در اوایل دهه ۱۹۷۰ به طور گسترده پذیرفتند. آنها از سولفور هگزافلورید به عنوان مedium قطع قوس استفاده می‌کنند. این نوع بریکر توان قطع زیادی دارد. در شرایط قطع آزاد، توان قطع آن تقریباً ۱۰ برابر بیشتر از بریکرهای دیگر است. این بریکر نقش مهمی در عملکرد پایدار و ایمن سیستم برق ایفا می‌کند و از نظر اقتصادی و اجتماعی نیز اهمیت زیادی دارد.

۱. عملکرد بریکرهای SF₆

بریکرهای SF₆ دستگاه‌های سوئیچینگ بدون روغن هستند که از گاز SF₆ به عنوان مedium عایق و قطع قوس استفاده می‌کنند. عملکرد عایق و قطع قوس آنها به طور قابل توجهی بیشتر از بریکرهای روغنی است. بریکرهای سولفور هگزافلورید دارای مشخصات زیر هستند:

• توان قطع قوس قوی، مقاومت دی‌الکتریک بالا و مقدار ولتاژ تحمل بالا در هر شکست. بنابراین، در همان سطح ولتاژ اسمی، تعداد شکست‌های سری مورد نیاز کاهش می‌یابد و عملکرد اقتصادی محصول بهبود می‌یابد.

• عمر مفید الکتریکی طولانی. می‌تواند ۱۹ بار به طور مداوم با ظرفیت کامل ۵۰kA قطع کند و جریان قطع کلی می‌تواند ۴۲۰۰kA باشد. دوره نگهداری طولانی است و برای عملیات مکرر مناسب است.

• عملکرد قطع خوب. به دلیل الکترونگاتیویت گاز SF₆، توانایی قوی جذب الکترون‌های آزاد دارد. قوس تشکیل شده در SF₆ مساعد به تشکیل "ساختار ستون قوس" (هسته قوس و پوسته قوس) است. پخش پلاسمای یونیزه محدود می‌شود و اجازه می‌دهد تا ترکیب مجدد موثر یون‌ها صورت گیرد. جریان قطع بزرگ است، به ۸۰-۱۰۰kA می‌رسد و حتی ۲۰۰kA. زمان خاموش شدن قوس کوتاه است، معمولاً ۵-۱۵ms. همزمان، عملکرد قطع برای قطع معکوس، خطاهای نزدیک، خطوط بلند بدون بار و شرایط بدون بار ترانسفورماتور نیز خوب است.

• عملکرد عایق بالا. مقاومت دی‌الکتریک SF₆ تقریباً ۵-۱۰ برابر هوای است.

• گاز SF₆ بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌ سم، غیرقابل اشتعال و گاز بسیار پایداری است که به آسانی با مواد دیگر واکنش نمی‌دهد. علاوه بر این، در زمان باز شدن بریکر، افزایش فشار ناشی از گرم شدن قوس بسیار کم است که عملکرد قابل اعتماد را تضمین می‌کند و از حوادث انفجاری جلوگیری می‌کند.

۲. توسعه بریکرهای فشار بالای SF₆
۲.۱ بریکرهای SF₆ دو فشاری

دو سیستم گاز SF₆ (سیستم فشار بالا و سیستم فشار پایین) در داخل بریکر تنظیم شده‌اند. فقط در طول فرآیند باز شدن، کامره فشار بالا از طریق کنترل دریچه باد کشی به کامره فشار پایین جریان می‌یابد و جریان گاز فشار بالا را تشکیل می‌دهد. پس از تکمیل قطع، دریچه باد کشی بسته می‌شود. اصل کامره خاموش کردن قوس این است که یک کمپرسور گاز و لوله‌ها بین کامره فشار بالا و کامره فشار پایین متصل شده‌اند. وقتی فشار گاز در کامره فشار بالا کاهش یافته یا فشار گاز در کامره فشار پایین به حدی خاصی افزایش یافته، کمپرسور گاز شروع به پمپاژ گاز SF₆ در کامره فشار پایین به کامره فشار بالا می‌کند و یک سیستم گازی بسته خودکار را تشکیل می‌دهد.

۲.۲ بریکرهای SF₆ یک فشاری

ساختار یک فشاری ساده است و می‌تواند به محدوده گسترده‌ای از دماهای محیطی تطبیق یابد. نوع فشرده‌سازی گاز نیز از طریق یک فرآیند توسعه گذشته است: از نظر باد کشی قوس، نوع یک فشاری اولیه دارای ساختار باد کشی تکی است، با جریان قطع کوچک (معمولاً ۳۱.۵kA) و ولتاژ شکست کم (معمولاً ۱۷۰kV). نوع یک فشاری دومی دارای ساختار باد کشی دوگانه است، با افزایش جریان قطع به (۴۰-۵۰kA)، ولتاژ شکست همچنان کم است. معمولاً محصولات ۲۵۲kV دارای دو شکست هستند. نوع یک فشاری سومی دارای ساختار باد کشی دوگانه مکمل با اثر توسیع حرارتی (خاموش کردن قوس ترکیبی) است. جریان قطع بزرگ است، به ۶۳kA افزایش یافته و ولتاژ شکست بالاست. یک شکست می‌تواند به ۲۵۲kV، ۳۶۳kV، ۴۲۰kV و حتی ۵۵۰kV برسد.

توسعه نوع یک فشاری، از دیدگاه کامره خاموش کردن قوس، از یک پیستون فشرده‌سازی گاز کوچک‌تر استفاده کرده است. مزایای ایجاد شده از کاهش پیستون در کامره خاموش کردن قوس به شرح زیر است:

• جرم کل سیستم حرکتی در طول فرآیند قطع محصول کاهش می‌یابد.

• توان عملیاتی محصول کاهش می‌یابد.

• تبدیل محصول به سمت آسان‌تر می‌شود و عمر مکانیکی طولانی است.

۲.۳ بریکرهای SF₆ خودانرژی

بریکرهای SF₆ خودانرژی دو اصل خاموش کردن قوس دارند: اصل توسیع حرارتی و اصل چرخش قوس. در حال حاضر، اکثر بریکرهای خودانرژی از اصل توسیع حرارتی استفاده می‌کنند. اصل خودانرژی این است که از انرژی قوس برای گرم کردن گاز SF₆ در کامره توسیع استفاده می‌کند، فشار ایجاد می‌کند، جریان گازی را تشکیل می‌دهد و قوس را خاموش می‌کند. اما در زمان قطع جریان‌های کوچک، به دلیل انرژی قوس کم، نیاز به یک پیستون کوچک برای فشرده‌سازی گاز و ایجاد باد کشی کمکی است. به دلیل کاهش قابل توجه توان عملیاتی، می‌توان از مکانیسم عملیاتی فنری با ساختار ساده استفاده کرد. نوع توسیع حرارتی اکنون به نسل دوم رسیده است. محصولات نسل اول اثر کاهش توان عملیاتی را با کاهش انرژی فشرده‌سازی گاز مورد نیاز برای خاموش کردن قوس بدست می‌آورند. قطر پیستون فشرده‌سازی گاز طراحی شده است تا ۳۰٪ جریان خطا بیشینه را قطع کند و جرم حرکتی نیز کم است که توان عملیاتی را کاهش می‌دهد. محصولات نسل دوم اثر توسیع حرارتی و عملکرد قطع را بیشتر بهبود می‌بخشند، نه تنها قطع جریان خازنی را بهبود می‌بخشند بلکه توان عملیاتی را نیز بیشتر کاهش می‌دهند.

۲.۴ بریکرهای SF₆ هوشمند

یکی از ویژگی‌های دیگر بریکرهای فشار بالای مدرن هوشمندی آنها است که از سیستم‌های الکترومکانیکی سنتی به سیستم‌های هوشمند مدرن متمرکز بر کامپیوتر تغییر کرده‌اند. در حال حاضر، محتوای آزمون‌های آنلاین بریکرهای فشار بالا به شرح زیر است:

• گاز SF6;

• سیستم مکانیسم عملیاتی;

• آزادسازی;

• مدارهای کنترل و کمکی;

• زنجیره انتقال توان.

از طریق این آزمون‌ها، بیش از ۹۰٪ از خطاها قابل کشف هستند. آزمون آنلاین می‌تواند نگهداری منظم بریکرهای فشار بالا را به نگهداری شرایطی واقعی تغییر دهد.

۳. بریکرهای SF₆ نوع استون و نوع مخزن و کاربری آنها

چین اولین بار در سال ۱۹۷۰ بریکرهای SF₆ را استفاده کرد که اداره برق شمال شرقی سه بریکر H-912 نوع ۲۲۰KV دو فشاری استونی از سیمنس را از خارج وارد کرد و آنها را در زیرстан HuShitai در شن‌یانگ نصب کرد. آنها همچنان به خوبی در حال عملکرد هستند.

بریکرهای فشار بالای سولفور هگزافلورید بر اساس ساختار به دو نوع استونی و مخزن تقسیم می‌شوند. در مقایسه با هر دو نوع، هر یک ویژگی‌های خاص خود را دارند:

• هر دو نوع استونی و مخزن بریکرهای فشار بالای SF₆ می‌توانند نیازهای ولتاژ بالا و ظرفیت بزرگ را برآورده کنند. کامره خاموش کردن قوس نوع استونی روی پشتیبان عایق نصب شده است. با اتصال سری کامره‌های خاموش کردن قوس و نصب آنها روی پشتیبان عایق در ارتفاع مناسب، هر مقدار ولتاژ اسمی قابل استخراج است. پشتیبان عایق بیشتر استونی است، اما پشتیبان‌های مرکب آلی نیز ظاهر شده‌اند. کامره خاموش کردن قوس نوع مخزن در یک مخزن فلزی متصل به پتانسیل زمین نصب شده است. در ولتاژ بالا، نیاز به اتصال سری چند کامره خاموش کردن قوس و نصب آنها در همان مخزن برای هر فاز است.

• نصب ترانسفورماتورهای جریان. از نظر نصب ترانسفورماتورهای جریان، بریکرهای استونی در موقعیت ضعیف‌تری قرار دارند. زیرا کامره خاموش کردن قوس نوع استونی در داخل عایق و روی پشتیبان عایق نصب شده است، بنابراین ترانسفورماتور جریان باید جداگانه روی پشتیبان عایق خود نصب شود. اما ترانسفورماتور جریان نوع بوشینگ می‌تواند روی بوشینگ بریکر نوع مخزن نصب شود. در برخی سناریوهای کاربردی، بریکر نیازی به تجهیز ترانسفورماتور جریان ندارد، به خصوص وقتی به عنوان سوئیچ برای تغییر گروه‌های خازنی و راکتورهای موازی استفاده می‌شود. در اینجا، قیمت نوع استونی فقط ۶۰٪ قیمت بریکر نوع مخزن است و به دلیل استفاده از چند شکست، می‌تواند بهتر با تکرارهای قوس مقاومت کند.

• توان تحمل ولتاژ خارجی. از دیدگاه تحمل ولتاژ خارجی، چند کامره خاموش کردن قوس سری نوع استونی می‌توانند هر مقدار ولتاژ اسمی را برآورده کنند، اما توان عایق خارجی آن محدود به طول خود کامره خاموش کردن قوس است. برای بریکر نوع مخزن، اگر توان لازم برای کاهش تعداد شکست‌ها توسعه یابد، می‌توان بوشینگ عایق ساخت. بنابراین، بریکر نوع مخزن می‌تواند یک شکست ۵۵۰kV/۶۳kA و دو شکست ۱۱۰۰kV/۵۰kA را داشته باشد.

• مصرف گاز SF₆. از نظر مصرف گاز SP6، نوع استونی برتری دارد. مصرف گاز بریکر نوع مخزن بسیار بیشتر از نوع استونی است.

• تطبیق با محیط. از دیدگاه تطبیق با محیط، بریکر نوع مخزن با حجم بزرگ مزایای خود را نشان می‌دهد. می‌توان یک گرم‌کن در بریکر نوع مخزن نصب کرد، اما در نوع استونی این امکان وجود ندارد.

• مقاومت در برابر زلزله. از دیدگاه مقاومت در برابر زلزله، بریکر نوع مخزن بسیار بهتر از نوع استونی است. زیرا بریکر نوع استونی مرکز سنگینی بالا دارد و مقاومت زلزله‌ای کمتری دارد.

• مقایسه قیمت. از نظر قیمت، برای همان ظرفیت، بریکر نوع استونی بهتر از نوع مخزن است. معمولاً قیمت بریکر نوع مخزن حدود ۲۰٪ بیشتر از بریکر نوع استونی با ترانسفورماتور جریان خارجی (مانند ترانسفورماتور SF₆) است.

۴. مواردی که باید در عملیات و نگهداری بریکرهای SF₆ مورد توجه قرار گیرد

برای کنترل دقیق لو رفتن گاز و جلوگیری از ورود رطوبت و مرطوبیت به جعبه، فناوری پردازش و الزامات ماده بسیار بالاتر از دستگاه‌های الکتریکی فشار بالای معمولی است. همزمان، نیاز به یک سیستم گازی خاص SF₆ وجود دارد که شامل یک دریچه با عملکرد مسدود کننده خوب، تجهیزات آزمون لو، دستگاه بازیافت گاز و نظارت بر فشار است. علاوه بر این، به دلیل مصرف فلز زیاد، پیچیدگی ساخت افزایش می‌یابد.

گاز SF₆ خالص بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌ سم و غیرقابل اشتعال است. اما در ترکیب سولفور هگزافلورید، ترکیبات کم‌فلوری سولفور نیز تولید می‌شوند که سمی هستند. در بریکر، گاز تحت گرما بالای قوس از طریق تجزیه و یونیزاسیون تجزیه می‌شود و گازهای سمی بسیار تولید می‌کند. بنابراین، یک جاذب در بریکر نصب شده و آلومینیوم فعال در آن قرار داده می‌شود تا این گازهای سمی را جذب کند.

با این حال، باید در نگهداری خاص توجه کنیم تا از مسمومیت جلوگیری کنیم. بنابراین، قبل از شروع کار، گاز باید به طور کامل خلاء شده و دفع شود. اگر بوی ناخوشایندی همچنان حس می‌شود، باید ماسک گاز و دستکش‌های لاستیکی پوشید. علاوه بر این، محصولات تجزیه قوس نیز شامل برخی فلوریدهای فلزی هستند که به صورت پودر در بریکر پراکنده شده‌اند. اگرچه این پودرهای سمی بسیار نیستند، اما هنوز باید از ورود آنها به ریه‌ها در طول تمیزکاری جلوگیری کرد.

۵. نتیجه‌گیری

با افزایش مداوم ولتاژ سیستم برق، چه بریکرهای نوع استونی و چه نوع مخزن SF₆ با پیشرفت فناوری مداوماً در حال تکامل هستند. به خصوص در سال‌های اخیر، اصل خاموش کردن قوس خودانرژی توسعه یافته و به کار گرفته شده است، یعنی از فشار بالا برای تشکیل باد کشی گازی استفاده می‌شود تا قوس را خاموش کند. تعداد شکست‌ها کاهش یافته و مصرف مواد کاهش می‌یابد.

به دلیل قیمت نسبتاً بالا و الزامات بالا برای کاربرد، مدیریت و عملیات گاز SF₆، آن در ولتاژ متوسط (۳۵kV، ۱۰kV) به طور گسترده‌ای استفاده نمی‌شود. به طور کلی، بریکرهای فشار بالای SF₆ دارای چشم‌انداز کاربردی گسترده‌ای هستند و تحقیقات و توسعه فناوری و به‌روزرسانی محصولات می‌تواند سود اقتصادی و اجتماعی قابل توجهی ایجاد کند.