تحليل أسباب وتدابير الوقاية لحوادث احتراق قاطع الدائرة الفراغي

1. تحليل آليات الفشل في مفاتيح الدائرة ذات الفراغ

1.1 عملية القوس الكهربائي أثناء الفتح

كمثال على فتح مفتاح الدائرة، عندما يثير التيار آلية التشغيل لقطع الدائرة، يبدأ الاتصال المتحرك بالانفصال عن الاتصال الثابت. مع زيادة المسافة بين الاتصالين المتحرك والثابت، تتقدم العملية عبر ثلاث مراحل: انفصال الاتصال، القوس الكهربائي، واستعادة العازلة بعد القوس. بمجرد دخول الانفصال إلى مرحلة القوس الكهربائي، فإن حالة القوس الكهربائي تلعب دورًا حاسمًا في صحة المفصل الكهربائي ذو الفراغ.

مع زيادة تيار القوس، يتطور القوس الكهربائي في الفراغ من منطقة نقطة الكاثود وعمود القوس نحو منطقة الأنود. مع استمرار تقلص مساحة الاتصال، يولد كثافة التيار المرتفعة درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى تبخر مادة الكاثود المعدنية. تحت تأثير المجال الكهربائي، يتم تكوين بلازما أولية في الفجوة. تظهر نقاط الكاثود على سطح الكاثود، وتطلق الإلكترونات وتشكل تيار الإصدار الميداني، مستمرة في تآكل المادة المعدنية وإبقاء البخار المعدني والبلازما. في هذه المرحلة، مع تيار قوس منخفض نسبياً، يكون الكاثود فقط هو النشط.

مع زيادة تيار القوس بشكل أكبر، تقوم البلازما بإدخال الطاقة إلى الأنود، مما يتسبب في انتقال وضع القوس الأنودي من قوس منتشر إلى قوس مضغوط. هذا الانتقال يتأثر بعوامل مثل مادة الأقطاب ومقدار التيار.

1.2 تحليل فشل تآكل الاتصالات

التآكل الاتصالي مرتبط مباشرة بتيار القطع. عند التيار الترددي المعتمد، تكون درجة ذوبان الاتصالات ضئيلة تقريباً. يحدث تآكل الاتصالات تحت ظروف التيار العالي والحرارة العالية. عندما يقوم مفتاح الدائرة بقطع تيارات قصر الدائرة التي تتجاوز تياره المعتمد، تزداد درجة تآكل المادة بشكل كبير، مما يخلق ظروفاً لفقدان المادة.

خشونة سطح الاتصالات تعزز تركيز التيار على البروز السطحي، مما يؤدي إلى تسخين محلي أكثر حدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن مدة تيار القوس هي عامل حاسم. حتى لو كان التيار تيار قصر دائرة، إذا كانت مدته قصيرة جداً، فإن كمية تآكل المادة تبقى صغيرة.

السبب الجذري لفشل الاتصال هو فقدان الكتلة خلال عملية القوس الكهربائي. يحدث تلف الاتصال في مرحلتين:

• تآكل المادة: يتم تشغيل تآكل مادة الأنود بواسطة البلازما. كثافة تدفق الطاقة على سطح الأنود هي معلمة رئيسية لقياس تأثير البلازما على الأنود. أظهرت الأبحاث أن كثافة تدفق الطاقة على الأنود تزداد مع زيادة تيار القوس وزيادة فجوة الاتصال وتقلص نصف قطر الاتصال، مما يعزز تشكيل نقاط الأنود وتآكل المادة.

• فقدان المادة: بعد انقراض القوس، يتم طرد قطرات المعدن المنصهرة من سطح الاتصال بسبب ضغط البلازما. يتأثر هذا العملية بشكل أساسي بخصائص المادة، مع تأثير طفيف إضافي من القوس الكهربائي.

2. أسباب حوادث الاحتراق في مفاتيح الدائرة ذات الفراغ

(1) التآكل الكهربائي وتغير فجوة الاتصال يؤدي إلى زيادة مقاومة الاتصال
مفاتيح الدائرة ذات الفراغ مغلقة داخل مفصل كهربائي ذو فراغ، حيث يكون الاتصالات المتحركة والثابتة في اتصال مباشر وجهاً لوجه. أثناء القطع، يحدث تآكل الاتصال، مما يؤدي إلى تآكل الاتصال وتقلص سمك الاتصال وتغير فجوة الاتصال. مع تقدم التآكل، يسوء سطح الاتصال، مما يزيد من مقاومة الاتصال بين الاتصالات المتحركة والثابتة. كما يغير التآكل فجوة الاتصال، مما يقلل من ضغط الربيع بين الاتصالات، مما يزيد من مقاومة الاتصال.

(2) التشغيل غير المتزامن يؤدي إلى زيادة المقاومة في الطور المعطل
إذا كانت الأداء الميكانيكي لمفتاح الدائرة ذو الفراغ سيئًا، فقد يؤدي التشغيل المتكرر إلى التشغيل غير المتزامن بسبب المشاكل الميكانيكية. هذا يطيل أوقات الفتح والإغلاق، مما يمنع القضاء الفعال على القوس الكهربائي. يمكن أن يؤدي القوس الكهربائي إلى لحام (الصهر) الاتصالات، مما يزيد بشكل كبير من مقاومة الاتصال بين الاتصالات المتحركة والثابتة.

(3) تقليل سلامة الفراغ يؤدي إلى أكسدة الاتصالات وزيادة المقاومة
الأكمام المرنة في مفصل كهربائي ذو فراغ مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الرقيق وتخدم كعنصر ختم، مما يحافظ على سلامة الفراغ بينما يسمح برودة الموصل بالتحرك. يحدد عمر الأكمام المرن من قوى التمدد والانكماش أثناء تشغيل المفتاح. الحرارة المنقولة من رودة الموصل للأكمام المرنة ترفع درجة حرارتها، مما يؤثر على قوة التعب.

إذا كانت مادة الأكمام المرنة أو عملية التصنيع معيبة، أو إذا تعرض المفتاح للاهتزاز أو الصدمة أو التلف أثناء النقل أو التركيب أو الصيانة، فقد تتشكل تسريبات أو شروخ دقيقة. مع مرور الوقت، يؤدي هذا إلى انخفاض مستوى الفراغ. يسمح الفراغ المنخفض بأكسدة الاتصالات، مما يشكل أكسيد النحاس ذي المقاومة العالية، مما يزيد من مقاومة الاتصال.

تحت تيار الحمل، تستمر الاتصالات في الارتفاع الحراري، مما يزيد من درجة حرارة الأكمام المرنة وقد يؤدي إلى فشل الأكمام. بالإضافة إلى ذلك، مع انخفاض الفراغ، يفقد مفتاح الدائرة قدرته المعتمدة على إخماد القوس الكهربائي. عند قطع تيارات الحمل أو الأعطال، فإن قدرة إخماد القوس الكهربائي غير الكافية تؤدي إلى استمرار القوس الكهربائي، مما يؤدي في النهاية إلى احتراق المفتاح.

3. الإجراءات الوقائية لحوادث احتراق مفاتيح الدائرة ذات الفراغ

3.1 الإجراءات التقنية

أسباب تقليل سلامة الفراغ معقدة. يجب تجنب الاهتزاز والصدمات أثناء النقل والتركيب والصيانة. ومع ذلك، تعتبر جودة التصنيع والتجميع في مرحلة المصنع عوامل أساسية تؤثر على سلامة الفراغ.

(1) تحسين مادة الأكمام المرنة وجودة التجميع
تستخدم مفاتيح الدائرة ذات الفراغ الأكمام المرنة للحركة الميكانيكية. بعد عمليات الفتح والإغلاق المتكررة، قد تتشكل شروخ دقيقة، مما يضعف سلامة الفراغ. لذلك، يجب على الشركات المصنعة تحسين قوة مادة الأكمام المرنة وجودة التجميع لضمان موثوقية الختم.

(2) قياس الخصائص الميكانيكية ومقاومة الاتصال بشكل منتظم
خلال أعمال الصيانة السنوية، يجب فحص التآكل الكهربائي للاستهلاك وتغير فجوة الاتصال بشكل منتظم. قم بإجراء اختبارات على التزامن والسفر الزائد وغيرها من الخصائص الميكانيكية. استخدم طريقة الانخفاض الجهد المستمر لقياس مقاومة الحلقة. قم بتقييم أكسدة الاتصال والتآكل بناءً على قيم المقاومة، وقم بالتعامل مع المشكلات بسرعة.

(3) اختبار سلامة الفراغ بشكل منتظم
بالنسبة لمفاتيح الدائرة ذات الفراغ من النوع المثبت، غالباً ما لا يمكن للمشغلين اكتشاف التفريغ الخارجي على المفصل الكهربائي أثناء الدوريات. في الممارسة العملية، يتم استخدام اختبارات تحمل الجهد الكهربائي الترددي بشكل دوري لتقييم سلامة الفراغ. رغم أنه اختبار مدمر، إلا أنه يكشف بشكل فعال عن عيوب الفراغ. بدلاً من ذلك، يعتبر استخدام جهاز قياس الفراغ للقياس النوعي للفراغ أفضل طريقة لتقييم سلامة الفراغ. إذا تم اكتشاف تدهور الفراغ، يجب استبدال المفصل الكهربائي ذو الفراغ على الفور.

(4) تثبيت أجهزة مراقبة الفراغ عبر الإنترنت
مع الاستخدام الواسع لأنظمة الاتصال اللاسلكي وأنظمة SCADA في الشبكات الكهربائية، أصبحت مراقبة الفراغ عبر الإنترنت ممكنة. تتضمن الطرق استشعار الضغط والربط السعوي والتحويل الكهروضوئي وكشف الموجات فوق الصوتية والاستشعار اللاملامسي بالموجات الدقيقة.

• استشعار الضغط: يتم دمج أجهزة استشعار الضغط في المفصل الكهربائي أثناء التصنيع. مع تدهور الفراغ، تزداد كثافة الغاز والضغط الداخلي. يتم نقل تغيير الضغط إلى نظام التحكم لمراقبة الوقت الحقيقي.

• الاستشعار اللاملامسي بالموجات الدقيقة: يستخدم الاستشعار السلبي لكشف الإشارات الموجية الدقيقة، ويقوم بالتقاط إشارات رد فعل فريدة عند تدهور سلامة الفراغ، مما يمكّن من المراقبة عبر الإنترنت في الوقت الحقيقي.

3.2 الإجراءات الإدارية

في الحوادث السابقة، فشل المشغلون في التعرف الصحيح على أعطال مفاتيح الدائرة، مما أدى إلى الاحتراق وتصاعد الحوادث. هذا يشير إلى عدم المعرفة الكافية بأنظمة SCADA والمعدات الموجودة على الموقع وإجراءات التشغيل، وكذلك عدم الوعي بإجراءات الاستجابة للطوارئ. لذا، يجب تعزيز إدارة التشغيل في المحولات الرئيسية.

• تنفيذ أنظمة التفتيش بصرامة للكشف المبكر عن المشكلات.

• تعزيز تدريب المشغلين على أنظمة SCADA وتشغيل وصيانة المفاتيح الكهربائية وإجراءات الاستجابة للطوارئ.

• إجراء تمارين دورية لخطط مكافحة الحوادث والاستجابة للطوارئ.

3.3 تحسين وظائف التحويل الخمسة في مفاتيح الدائرة ذات الفراغ المتوسطة

تطوير وظائف التحويل الخمسة لمفاتيح الدائرة ذات الفراغ المتوسطة تقنيًا لتلبية متطلبات المعايير بشكل كامل. يجب أن يكون معدات المفاتيح الكهربائية ذات الفراغ الكامل مزودة بوظائف التحويل الخمسة بأداء موثوق.

• تثبيت مؤشرات الخط المباشر على الجانب الخارجي من مفاتيح الدائرة. يجب أن تكون هذه المؤشرات مزودة بوظيفة الاختبار الذاتي وأن تكون مترابطة مع مفتاح الأرضي على الجانب الخارجي.

• بالنسبة للتثبيتات التي تمتلك قدرة العودة، يجب أن يكون باب الحجرة مزودًا بقفل إلزامي يتم التحكم فيه بواسطة مؤشر الخط المباشر.

من خلال تحليل حوادث احتراق مفاتيح الدائرة ذات الفراغ بسبب تقليل سلامة الفراغ—مما يؤدي إلى أكسدة الاتصالات وزيادة مقاومة الاتصال والتسخين الزائد والفشل النهائي—تقدم هذه الورقة إجراءات موجهة مثل تحسين مادة الأكمام المرنة وجودة التجميع وتثبيت أجهزة مراقبة الفراغ عبر الإنترنت. هذه الإجراءات تساعد في منع وتتبع تدهور الفراغ في الوقت الحقيقي، مما يتجنب تكرار حوادث مماثلة.