حل متقدم لصمام القوس الكهربائي لتطبيقات الجهد العالي والتيار العالي
أ. خلفية البحث والقضايا الأساسية
1.1 خلفية البحث
مع استمرار توسع نطاق نظام الطاقة وتزايد سعة التيار القصير، تُفرض متطلبات أعلى على معدات الحماية من تقييد التيار العاطل. تشمل الحلول الرئيسية الشائعة حالياً مقاومات التيار العاطل الفائقة (SFCL)، وقواطع الدائرة الهجينة لتقييد التيار، والمصافيف الهجينة لتقييد التيار. من بين هذه، أصبحت المصافيف الهجينة لتقييد التيار الخيار المفضل في السوق بسبب نضجها التكنولوجي العالي، وكفاءتها الاقتصادية، وتطبيقها الواسع.
ومع ذلك، هناك قيودان رئيسيتان للتكنولوجيات الحالية:
• النوع المُتحكم به إلكترونياً: يعتمد على مكونات إلكترونية حساسة ومصدر طاقة خارجي للتحكم، مما يجعله عرضة للفشل أو الأعطال بسبب فشل المكونات أو فقدان مصدر الطاقة. موثوقيته مقيدة بالظروف الخارجية.
• النوع المُشعل بواسطة القوس الكهربائي: رغم أنه يتمتع بمزايا مثل البساطة في التركيب، والقدرة العالية على مقاومة التداخل، والحجم الصغير، والتكلفة المنخفضة، فإن التيار المقنن (عادة ≤600A) والسعة القاطعة (عادة ≤25kA) منخفضة نسبياً، مما يجعله صعباً تلبية الاحتياجات الملحة للتطبيقات الصناعية ذات الجهد العالي والتيار العالي (مثل صناعة المعادن الكبيرة، ومصانع الكيميائيات، ومراكز البيانات).
1.2 التناقض الأساسي
يواجه تعزيز أداء المصافيف المشعلة بواسطة القوس الكهربائي تناقضاً أساسياً: التوازن بين السرعة في التشغيل وقدرة تحمل التيار. لتحقيق التشغيل السريع (قيمة I²t المنخفضة قبل القوس الكهربائي)، يتطلب الأمر مقطعًا صغيرًا للمقید. ومع ذلك، زيادة قدرة التحمل المقننة تتطلب مقطعًا أكبر للمقید. زيادة المساحة المقطعية تزيد قيمة I²t قبل القوس الكهربائي، مما يؤدي إلى تأخير التشغيل أثناء التيار القصير. هذا التأخير يسمح للتيار القصير الفعلي بالارتفاع، مما يؤدي في النهاية إلى فشل القطع.
ب. الحل: الاختراقات التكنولوجية الرئيسية والتصميم الابتكاري
2.1 مبدأ العمل
يستخدم هذا الحل مشعل القوس كوحدة الاستشعار والتشغيل الأساسية. يتكون تركيبه بشكل أساسي من صفحتين من النحاس، عنصر مصافيف فضي داخلي (مع ضيقات مصممة خصيصاً)، ومادة ملء، وغلاف. عملية القطع هي كما يلي:
- القوس الكهربائي: عند حدوث تيار قصير، يذوب مقيد عنصر المصافي بسرعة ويتشكل قوس كهربائي، مما يولد جهد قوس أولي.
- التشغيل: يشعل هذا الجهد القوس الكهربائي بسرعة المقتحم المتفجر المتصل بالتوازي (المفجر الكهربائي).
- تبديل التيار: ينفجر المقتحم، ليشكل مسار مقاومة عالية، مما يجبر تيار القصر على التحويل إلى فرع المصافي القاطع للقوس بالتوازي.
- القطع: يتشكل قوس كهربائي في المصافي القاطع للقوس، مما يولد جهد قوس كهربائي مرتفع للغاية يجبر التيار على الوصول إلى الصفر، مما يحقق قطع تقييد التيار بسرعة.
2.2 الابتكار الأساسي: تصميم كثافة تيار مقيد عالية
قيمة التيار المُشغل (I₁) هي معلمة رئيسية تحدد نجاح القطع، ويجب أن تبقى ضمن النطاق الأمثل من 8-15kA. بالنسبة للتصميمات المشعلة بواسطة القوس الكهربائي، يكون التيار المقنن مرتبطاً بشكل قوي بالتيار المُشغل.
يكمن الاختراق الأساسي لهذا الحل في زيادة كبيرة في كثافة تيار المقید. من خلال الاشتقاق النظري:
• قيمة التيار المُشغل I₁ ∝ (قيمة I²t قبل القوس الكهربائي * di/dt)^(1/3)
• قيمة I²t قبل القوس الكهربائي ∝ (مساحة المقید المقطعية (S))²
الاستنتاج: تحت نفس التيار المقنن وظروف التيار القصير، تتطلب كثافة تيار مقيد أعلى مساحة مقيد مقطعية (S) أصغر، مما يقلل من قيمة I²t قبل القوس الكهربائي. وهذا يضمن التشغيل السريع حتى تحت تيارات قصر عالية للغاية، مما ي实现了部分翻译，但似乎在翻译过程中出现了错误。让我重新开始，以确保完整且准确的翻译。
أ. خلفية البحث والقضايا الأساسية
1.1 خلفية البحث
مع استمرار توسع نطاق نظام الطاقة وتزايد سعة التيار القصير، تُفرض متطلبات أعلى على معدات الحماية من تقييد التيار العاطل. تشمل الحلول الرئيسية الشائعة حالياً مقاومات التيار العاطل الفائقة (SFCL)، وقواطع الدائرة الهجينة لتقييد التيار، والمصافيف الهجينة لتقييد التيار. من بين هذه، أصبحت المصافيف الهجينة لتقييد التيار الخيار المفضل في السوق بسبب نضجها التكنولوجي العالي، وكفاءتها الاقتصادية، وتطبيقها الواسع.
ومع ذلك، هناك قيودان رئيسيتان للتكنولوجيات الحالية:
• النوع المُتحكم به إلكترونياً: يعتمد على مكونات إلكترونية حساسة ومصدر طاقة خارجي للتحكم، مما يجعله عرضة للفشل أو الأعطال بسبب فشل المكونات أو فقدان مصدر الطاقة. موثوقيته مقيدة بالظروف الخارجية.
• النوع المُشعل بواسطة القوس الكهربائي: رغم أنه يتمتع بمزايا مثل البساطة في التركيب، والقدرة العالية على مقاومة التداخل، والحجم الصغير، والتكلفة المنخفضة، فإن التيار المقنن (عادة ≤600A) والسعة القاطعة (عادة ≤25kA) منخفضة نسبياً، مما يجعله صعباً تلبية الاحتياجات الملحة للتطبيقات الصناعية ذات الجهد العالي والتيار العالي (مثل صناعة المعادن الكبيرة، ومصانع الكيميائيات، ومراكز البيانات).
1.2 التناقض الأساسي
يواجه تعزيز أداء المصافيف المشعلة بواسطة القوس الكهربائي تناقضاً أساسياً: التوازن بين السرعة في التشغيل وقدرة تحمل التيار. لتحقيق التشغيل السريع (قيمة I²t المنخفضة قبل القوس الكهربائي)، يتطلب الأمر مقطعًا صغيرًا للمقید. ومع ذلك، زيادة قدرة التحمل المقننة تتطلب مقطعًا أكبر للمقید. زيادة المساحة المقطعية تزيد قيمة I²t قبل القوس الكهربائي، مما يؤدي إلى تأخير التشغيل أثناء التيار القصير. هذا التأخير يسمح للتيار القصير الفعلي بالارتفاع، مما يؤدي في النهاية إلى فشل القطع.
ب. الحل: الاختراقات التكنولوجية الرئيسية والتصميم الابتكاري
2.1 مبدأ العمل
يستخدم هذا الحل مشعل القوس كوحدة الاستشعار والتشغيل الأساسية. يتكون تركيبه بشكل أساسي من صفحتين من النحاس، عنصر مصافيف فضي داخلي (مع ضيقات مصممة خصيصاً)، ومادة ملء، وغلاف. عملية القطع هي كما يلي:
- القوس الكهربائي: عند حدوث تيار قصير، يذوب مقيد عنصر المصافي بسرعة ويتشكل قوس كهربائي، مما يولد جهد قوس أولي.
- التشغيل: يشعل هذا الجهد القوس الكهربائي بسرعة المقتحم المتفجر المتصل بالتوازي (المفجر الكهربائي).
- تبديل التيار: ينفجر المقتحم، ليشكل مسار مقاومة عالية، مما يجبر تيار القصر على التحويل إلى فرع المصافي القاطع للقوس بالتوازي.
- القطع: يتشكل قوس كهربائي في المصافي القاطع للقوس، مما يولد جهد قوس كهربائي مرتفع للغاية يجبر التيار على الوصول إلى الصفر، مما يحقق قطع تقييد التيار بسرعة.
2.2 الابتكار الأساسي: تصميم كثافة تيار مقيد عالية
قيمة التيار المُشغل (I₁) هي معلمة رئيسية تحدد نجاح القطع، ويجب أن تبقى ضمن النطاق الأمثل من 8-15kA. بالنسبة للتصميمات المشعلة بواسطة القوس الكهربائي، يكون التيار المقنن مرتبطاً بشكل قوي بالتيار المُشغل.
يكمن الاختراق الأساسي لهذا الحل في زيادة كبيرة في كثافة تيار المقید. من خلال الاشتقاق النظري:
• قيمة التيار المُشغل I₁ ∝ (قيمة I²t قبل القوس الكهربائي * di/dt)^(1/3)
• قيمة I²t قبل القوس الكهربائي ∝ (مساحة المقید المقطعية (S))²
الاستنتاج: تحت نفس التيار المقنن وظروف التيار القصير، تتطلب كثافة تيار مقيد أعلى مساحة مقيد مقطعية (S) أصغر، مما يقلل من قيمة I²t قبل القوس الكهربائي. وهذا يضمن التشغيل السريع حتى تحت تيارات قصر عالية للغاية، مما يتيح القطع الموثوق به. الهدف من هذا الحل هو رفع هذا المؤشر من المستوى الحالي للمنتج البالغ حوالي 1000 A/mm² إلى أكثر من 3000 A/mm².
2.3 التحسينات الهيكلية والتحقق عبر المحاكاة
• أداة المحاكاة: تم استخدام برنامج ANSYS 11.0 لبناء نموذج معلمي باستخدام لغة APDL، مما يسمح بحساب دقيق لمقاومة عنصر المصافي ومحاكاة عملية ما قبل القوس الكهربائي.
• اختيار بنية عنصر المصافي: تم التخلي عن التصميم التقليدي ذو الثقب الدائري لصالح بنية ثقب مستطيلة. تسمح هذه البنية بزيادة نسبة الحمل الحالي في المناطق غير المقيدة، مما يحقق مقاومة أقل وسعة تحميل أعلى في نفس الحجم، مما يحل التناقض بين سعة التحميل والسرعة.
• تحسين المعلمات: تم تحسين المعلمات الرئيسية مثل عرض المقید (b)، عرض الثقب (c)، المسافة (d)، والسمك (h) من خلال محاكاة متعددة الأبعاد. تم البحث عن الحل الأمثل لمقاومة أقل مع ضمان قابلية التصنيع (مثل تجنب الانكسار أو التشوه في العنصر).
نتيجة التحسين: حقق التصميم النهائي مقاومة عنصر مصافي تبلغ 15.2 μΩ ومساحة مقيد مقطعية تبلغ 0.6 mm²، مما يلبي متطلبات السعة القاطعة البالغة 40 kA.
ج. التحقق من الأداء ونتائج الاختبار
3.1 اختبار ارتفاع الحرارة
• شروط الاختبار: تم تطبيق تيار مستمر بقوة 2000 A.
• نتائج الاختبار:
o تم قياس المقاومة الباردة بـ 15.0 μΩ، وهو متوافق بشكل كبير مع قيمة المحاكاة (15.2 μΩ)، مما يؤكد دقة النموذج.
o ارتفاع درجات الحرارة في الأجزاء الرئيسية كان ضمن المعايير (85 K في المقید، حوالي 47 K في الأطراف).
o تم تأكيد سعة التحميل بتيار مقنن يبلغ 2000 A. تم حساب كثافة تيار المقید بـ 3300 A/mm²، مما يتجاوز المنتجات المحلية والدولية المماثلة.
3.2 اختبار تشغيل التيار القصير
• شروط الاختبار: تم إعداد دائرة محاكاة لتوليد تيار قصير متناظر محتمل بقوة 40 kA.
• نتائج الاختبار:
o تم قياس قيمة التيار المُشغل بـ 15.1 kA، وهو متوافق بشكل كبير مع القيمة المتوقعة من خلال المحاكاة (15 kA) ويعود ضمن النطاق الأمثل من 8-15 kA.
o بلغ الجهد القوس الكهربائي المولد 50 V، وهو كافٍ لإشعال المفجر الكهربائي بشكل موثوق خلال ميكروثانية، مما يدل على تشغيل سريع وموثوق.
د. الخلاصة والمزايا
نجح هذا الحل في تطوير مصافي قوس كهربائي عالي الأداء. الخلاصة والمزايا الأساسية هي كالتالي:
- الاختراق الأساسي: من خلال تصميم عنصر مصافي ذي ثقب مستطيل وتحسين المعلمات، تم حل التناقض الداخلي بين سعة التحميل وسرعة التشغيل في مشعل القوس الكهربائي. تم رفع كثافة تيار المقید إلى مستوى قيادي في الصناعة يبلغ 3300 A/mm².
- مؤشرات أداء عالية: يتميز المنتج بقدرته على العمل في مستويات جهد 10 kV، ويحقق تياراً مقنناً يبلغ 2000 A وسعة قطع تبلغ 40 kA، مما يلبي احتياجات التطبيقات الصناعية ذات الجهد العالي والتيار العالي.
- موثوقية عالية: يستخدم آلية تشغيل القوس الكهربائي بشكل ميكانيكي بسيط وغير مراقب، ولا يحتاج إلى مكونات إلكترونية أو مصدر طاقة خارجي. يوفر مقاومة عالية للتداخل وتشغيل موثوق.
- تقنية قابلة للتحقق: أظهر نموذج المحاكاة المستند إلى ANSYS توافقاً عالياً مع النتائج المقاسة، مما يقدم أداة ومنهجية فعالة ومعتمدة لتصميم وتحسين المنتج.
