بحث حول معدات نقل العزل الغازي ذات الجهد الفائق

للاستجابة بنشاط لمتطلبات تطور صناعة الطاقة الكهربائية، قامت شركتنا بتعزيز دراساتها حول أعطال بناء الشبكة في منطقة معينة وقدمت دعم التشغيل والصيانة لمشاريع نقل وتوزيع التيار المستمر فائق الجهد في المناطق ذات الارتفاع العالي من خلال تركيب وتحسين تصاميم معدات نقل فائق الجهد. مساحة الأرض الإجمالية للموقع هي 2541.22 م²، مع مساحة صافية للأرض تبلغ 2539.22 م². تتكون الطبقات الجيولوجية في موقع البناء، من الأعلى إلى الأسفل، من التربة المتشابهة للطين الأصفر والتربة الصفراء والتربة القديمة والطين الرملي - أربع طبقات من التربة الأساسية. الجيولوجيا معقدة وقد تعرضت لتأثيرات طويلة الأمد بسبب الارتفاع العالي، مما يمكن أن يؤدي بسهولة إلى أعطال في خطوط النقل.

في هذا السياق، قامت شركتنا بإجراء حسابات المشروع وحددت أن معامل البناء للمشروع هو 61.48٪، وأن عمق سطح المياه الجوفية يتراوح بين 8.8 و 8.9 م، مما يظهر درجة معينة من التآكل على الهياكل الخرسانية في المشروع. تركز شركتنا بشكل أساسي على مشروع نقل وتوزيع كهربائي بجهد 110 كيلو فولت، ومقياس البناء موضح في الجدول 1.

الجدول 1: مقياس بناء مشروع نقل التيار الغازي المعزول فائق الجهد

بالإضافة إلى ذلك، يحتاج شركتنا أيضًا إلى تعزيز النظر في نطاق تحمل الضغط لأجهزة النقل المعزولة بالغاز ذات الجهد الفائق والتطبيق المعقول للعازلات المثبتة بعد التحويل والصواني العازلة لضمان التشغيل المستقر طويل الأمد للمحولات.

1. تطوير نموذج مقاومة الاتصال
نظرًا لأن تيار الحمل الزائد من خلال الموصلات الحاملة للتيار يميل إلى حدوثه أثناء تشغيل هذا المشروع، فمن الضروري تجنب تكوين نقاط التوصيل. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تعزيز فهم منطقة النقاط وفهم سلوك تقليص مسارات التيار [1]. وبالتالي، من خلال تكثيف المراقبة على الأرض لفهم التغيرات في خطوط التيار المحيطة، يمكن تحليل توزيع السطح الأرضي والتوصيل بالأرض والقوة الكهربائية والنقط اللاسلكية البعيدة على المستوى الدقيق، مما يمكّن من فهم شامل للقضايا غير المنتظمة التي تحدث على سطوح الاتصال، كما هو موضح في الشكل 1.

من خلال إنشاء نموذج اتصال، يحدد هذا البحث، مع الجمع بين تطبيق أجهزة النقل المعزولة بالغاز ذات الجهد الفائق، المقاومة الفعلية للتضيق لنقطة اتصال واحدة كالتالي:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
حيث: Re تمثل مقاومة التضيق لنقطة اتصال واحدة؛ ρ₁ و ρ₂ هما مقاومتا المواد المتشابكة؛ و α يشير إلى نصف قطر نقطة الاتصال.

وبذلك، يمكن تحليل حجم مقاومة الاتصال بدقة من خلال طريقة تصحيح تستند إلى مخطط الأصابع المرتبطة. بالإضافة إلى ذلك، من خلال فحص معلمات المواد للمعدات الناقلة المعزولة في منطقة الاتصال، يصبح من الممكن تحديد أي مادة يجب استخدامها للاتصال، كما هو موضح في الجدول 2.

يبلغ نطاق تحمل الضغط للمعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي 1000 كيلو فولت، مع أقصى ضغط يمكن تحمله يصل إلى 1683 كيلو فولت، مما يضمن سلامة نقل الطاقة. ويمكن أن تصل قدرتها على النقل إلى 2.4 إلى 5 مرات من قدرة نقل الجهد الفائق عالي التوتر بـ 500 كيلو فولت. يتم استخدام غاز SF₆ الخالص كوسط عازل، وبضغط ملء يتراوح بين 0.3-0.4 ميغا باسكال. في حالة استخدام GIL (خط عازل للغاز) من الجيل الثاني، يتم استخدام خليط بنسبة حجمية تبلغ 20% من SF₆ و 80% من N₂ كوسط عازل، وبضغط ملء يتراوح بين 0.7-0.8 ميغا باسكال. أو يمكن استخدام الهواء المضغوط الجاف والنظيف كوسط، وبضغط ملء يتراوح بين 1-1.5 ميغا باسكال. لذا يجب تحديد اختيار الغاز العازل بناءً على الظروف المحلية لضمان التشغيل المستقر للمعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي في المشروع. يمكن أيضًا زيادة ضغط الغاز التشغيلي بشكل مناسب، وتبنى طرق التركيب المعلق لضمان ملاءمة المعدات للجهد الفائق الحالي.

يجب أيضًا على الموظفين الانتباه إلى حالة الاتصالات في مفاصل المواد الرئيسية في المعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي لتعزيز قدرتها على تحمل الأحمال. كما يجب حساب نسبة الرقة للأجزاء الهيكلية الرئيسية:
λ₀ = kL₀ / r,
حيث: λ₀ تمثل نسبة الرقة للأجزاء الرئيسية المتصلة؛ k هو معامل التصحيح؛ L₀ هي طول الجزء الرئيسي من المعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي؛ وr هو نصف قطر الانحناء للجزء الرئيسي.

2. إجراءات التطبيق للمعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي

2.1 التحقق من الإجهاد في قناة الأمبير والموصل
خلال تطبيق المعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي، يجب أيضًا مراعاة حالة الإجهاد في قناة الأمبير من نوع الأنابيب. يكون الضغط الداخلي 0.6 ميغا باسكال، ويكون ارتفاع مركز قناة الأمبير 7.7 متر. في النظام الناقل الخارجي الحالي، يكون أكبر مسافة بين دعامتين 12 متراً. تكون القوة الخارجية المؤثرة على الموصل 0.6 ميغا باسكال أيضاً، ويكون الإجهاد المسموح به لكلا المكونين 110 ميغا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، يتم تثبيت نظام النقل عبر العوازل الثلاثية الداعمة والأقطاب.

أولاً، يكون القطر الخارجي لقناة الأمبير 500 ملم، بينما يكون القطر الخارجي للموصل 160 ملم. إذا كان هناك ضغط داخلي، يجب أن يبقى القطر الخارجي ثابتًا، ويجب زيادة سمك الجدار من 5 مم إلى 20 مم. بناءً على منحنى تغير الإجهاد والسماكة للإجهاد الأساسي، يُكتشف أن الإجهاد الأولي لقناة الأمبير هو 18.45 ميغا باسكال، وهو ما يمثل 16.71٪ من الإجهاد المسموح به للمادة؛ والإجهاد الأولي للموصل هو 3.45 ميغا باسكال، وهو ما يمثل 3.71٪ من الإجهاد المسموح به. هذا يشير إلى أن سمك الجدار يؤثر بشكل كبير على استجابة الضغط، خاصة على الإجهاد الأساسي الأول للأنبوب عندما يظل القطر الخارجي ثابتًا. يمكن استخدام طرق تقييم GIL لتحديد ما إذا كان الضغط يؤثر على قناة الأمبير والموصل.

ثانيًا، تؤثر الأنابيب التي تحمل الضغط في المعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي - مثل خطوط الضغط والارتفاعات الكهربائية العالية - على الأداء التشغيلي. يجب إجراء تحليل الإجهاد لأنابيب الضغط ذات الجدران الرقيقة باستخدام الصيغة التالية لحساب الإجهاد الطبيعي الدائري σₜ على المقاطع العرضية للأنبوب:
σₜ = ρD / (2δ),
حيث: ρ هو الضغط الداخلي للأنبوب؛ D هو القطر الداخلي للأنبوب؛ وδ هو سمك جدار الأنابيب. ومع تغير مستوى الجهد، يفضل استخدام الأكمام ذات القطر الأكبر لمستويات الجهد الأعلى، بينما تكفي الأكمام ذات القطر الأصغر لمستويات الجهد الأدنى.

2.2 توضيح خصائص الاتصال الكهربائي للغاز
بالنسبة للمعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي، فإن الغازات الرئيسية المستخدمة تشمل SF₆ وخليط الأكسجين والنتروجين وN₂. يجب تعزيز البحث حول هذه الغازات لفهم الاختلافات في خصائصها الاتصالية الكهربائية. بالنسبة للأصابع الاتصالية من نوع الشريط، يمكن استخدام SF₆ كوسط عازل للاستفادة الكاملة من خصائصه الممتازة في إطفاء القوس والعزل. يستخدم الإجمالي للمقاومة الاتصالية (Rₜ) لوصف السلوك الكهربائي للهياكل الناقلة للتيار:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
حيث: Rₚ هي المقاومة الحجمية؛ R꜀₁ هي مقاومة الاتصال للقطب العلوي؛ وR꜀₂ هي مقاومة الاتصال للقطب السفلي. وبالتالي، يُفهم أن قوة العزل لـ SF₆ تعتمد على ضغط الغاز - كلما زاد الضغط، زادت قوة العزل.

2.3 تحسين تصميم الفجوة الكهربائية
في هذا المشروع، يكون المجال الكهربائي الداخلي غير متجانس بشكل طفيف، بمعدل عدم التجانس حوالي 1.7. إذا كانت هناك ظروف تحمل الجهد الصاعقة في المنطقة، فإنها ستزيد من الإجهاد على خطوط النقل، بمعدل صاعقة يبلغ 1.25. أولاً، بناءً على ظروف تحمل الجهد الصاعقة والموجبة في المنطقة، يجب تأكيد القيمة القصوى ضمن نطاق 1.6-1.7 لضمان التشغيل دون مشاكل للمعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي.

من خلال فهم الهيكل الأسطواني المركزي، يمكن حساب قوة المجال الكهربائي E(x) في المنطقة لتحديد الحالات التي تتطلب التحسين:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
حيث: x هي المسافة بين الموصل والتغليف؛ U هو الجهد المطبق على القطب؛ R هو نصف قطر التغليف الداخلي؛ وr هو نصف قطر الموصل المركزي. هذا يسمح بتقييم ما إذا كان سطح الموصل المركزي قد يتعرض للتلف تحت أعلى قوة مجال. يجب التحكم في سلامة المجال الكهربائي وتحسين الأداء الميكانيكي.

خلال إعداد البنية التحتية للمجال الكهربائي، يجب التحقق من القدرة الفعلية على تحمل الأحمال للمعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي على المستوى الأساس، وإكمال حسابات الإجهاد:
P = A × F,
حيث: P هي القدرة على تحمل الأحمال للمعدات؛ A هي مساحة المقطع العرضي للبرج الناقل؛ وF هي قوة المادة. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الأساس يتكون من الطين الرملي، يجب تسوية الأساس قبل المتابعة في تركيب الخطوط المعلقة.

من خلال التصميم المحسن الذي يأخذ في الاعتبار بنية المنتج وقدرات التصنيع، يمكن ضمان أداء عازل عالي تحت ظروف الجهد الصاعقة. ثانيًا، إذا كان حجرة الغاز طويلة، يصبح تركيب المعدات الناقلة العازلة للغاز ذات الجهد الفائق العالي صعبًا. في هذه الحالات، يمكن ضبط الضغط المحلي للغاز التشغيلي إلى 0.4-0.5 ميغا باسكال من خلال تصميم قوة المجال، مما يسمح للجسيمات الموصلة بالعمل بشكل طبيعي تحت تأثير المجال الكهربائي دون إحداث تفريغ جزئي أو انهيار فجوة الغاز.

أخيرًا، بناءً على الظروف الخاصة للمعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق، يجب تصميم قطر العاكس الخارجي ليكون 130 مم، بينما يجب أن يكون القطر الداخلي للغلاف 480 مم. كما يجب الانتباه إلى الجزء الموصول: يجب أن تكون سماكة الجدار بين 30-40 مم، ويجب أن يكون الفجوة أقل من 1 مم. إذا تم تعيين نصف قطر الزاوية الخارجية لمنطقة الوصل بـ 5 مم، يمكن فهم التغير في قوة المجال الكهربائي بشكل أفضل - حيث تتوافق قوة المجال الأعلى بالقرب من الزاوية مع نصف قطر أكبر، بينما تتوافق قوة المجال الأقل مع نصف قطر أصغر. تحت شرط السيطرة على تركز المجال الكهربائي المحلي، يجب منع قوة المجال الزائدة في الفجوة، مما يتيح تصميم اتصال كهربائي أولي للمعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق ويفي بمتطلبات توزيع إشارات المجال الكهربائي.

2.4 تصميم عازل منطقي
نظرًا لأن العوازل في المعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق تعمل على الأرض، فإن جهد البرق لها أقل من جهد انهيار الفجوة، مما يجعلها نقطة ضعف في العزل الكهربائي. لذلك، يجب تعزيز اعتبارات الفجوة، وفهم قوة المجال تحت ظروف الصدمة الكهربائية الناتجة عن الرعد لتصميم مكونات العزل بشكل صحيح.

2.4.1 تعزيز السيطرة على قوة المجال الكهربائي للعازل
بناءً على ظروف بناء المشروع، درست شركتنا ظاهرة البرق على سطح العوازل، بما في ذلك تأثيرات المادة والهيكل والشحن السطحي للعازل. يجب أيضًا تجنب تلوث الجسيمات المعدنية. يتم ضمان هيكل منطقي للمعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق من خلال الجمع بين غاز SF₆ ومادة العزل والمكونات المدمجة. استنادًا إلى خبرة تصميم العوازل السابقة، يمكن الحد من قوة المجال أثناء التشغيل إلى نصف قوة المجال الكهربائي الطبيعي للفجوة. بالنسبة للمعدات المعزولة بالغاز الخالص SF₆، يمكن الحفاظ على الضغط الغازي للتشغيل عند 0.4-0.5 ميجاباسكال.

يمكن حساب قوة المجال الكهربائي العمودي (Eₛ) باستخدام:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
حيث p هو ضغط الغاز. وبالتالي، اعتمادًا على جهد تحمل الجهاز، يمكن السيطرة على قوة المجال المصمم على سطح الموصل المركزي ضمن نطاق 19.9-24.5 كيلوفولت/مم، بينما لا يجب أن تتجاوز قوة المجال على سطح العازل 10 كيلوفولت/مم. يضمن وضع العوازل داخل المجال الكهربائي منع الزيادات المفاجئة في القوة تحت تأثير الجهد الفائق، مما يقلل من خطر فشل العزل ويوفر التطبيق طويل الأمد للمعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق في المشروع.

2.4.2 تصميم محسن للعوازل ذات الشكل الوعائي
نظرًا للتضاريس المعقدة للمشروع والحاجة لمحاكاة المجال الكهربائي، يجب تعزيز تصميم العوازل ذات الشكل الوعائي - خاصة بإزالة الأقطاب الواقي. تسمح هذه الهيكلة بمشاهدة شدة المجال الكهربائي بالقرب من الجانب الموصل ذو الجهد العالي للعازل. إذا كانت قوة المجال عالية، يتم العثور على القيمة القصوى على السطح المحدب بـ 12.7 كيلوفولت/مم وعلى السطح المقعر بـ 13 كيلوفولت/مم؛ تجاوز هذه العتبات يشير إلى تشغيل غير طبيعي. عندما تكون شدة المجال الكهربائي بالقرب من العازل عالية، يجب الحفاظ على الجهد الأقصى للعمل بتواتر الطاقة أقل من 3.4 كيلوفولت/مم. تثبيت الأقطاب الواقي على العوازل ذات الشكل الوعائي يعزز ويوصّف المجال الكهربائي بشكل أفضل.

اتباع طرق الاتصال الكهربائي السابقة، يجب التحكم بدقة في حجم القطب الواقي، ويجب وضع موصل الوصل الكهربائي عند الزاوية للعازل ذات الشكل الوعائي لتوضيح تأثير القطب الواقي، مما يؤدي إلى تحسين توزيع المجال الكهربائي للمعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق.

3. الخلاصة
للبقاء على قيد التطوير الشامل لمتطلبات الشركات الكهربائية، يجب على شركتنا تعزيز البحث حول المعدات العازلة للغاز ذات الجهد الفائق. بناءً على الظروف التشغيلية المحددة، يجب تحليل وحل المشكلات من خلال طرق مثل إنشاء نموذج مقاومة الاتصال، والتحقق من الإجهاد في قضيب الأمبير والموصل، وتوضيح خصائص الاتصال الكهربائي للغاز، وتحسين تصميم فجوة المجال الكهربائي، وتصميم العوازل بشكل منطقي - مما يمدد عمر الخدمة للمعدات.