كيف تعمل المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS)؟

المقدمة: الصندوق المعدني الذي يتحكم بآلاف الفولتات

إذا دخلت إلى أي محطة فرعية حديثة، أو منصة تجميع مزرعة الرياح، أو الطابق السفلي من ناطحة سحاب في المدينة، فسوف تجد صفًا من الخزانات المعدنية المتواضعة تؤدي بهدوء واحدة من أخطر الوظائف في عالم الكهرباء. هذه هيالمفاتيح الكهربائية المعزولة بالغازالألواح – أونظم المعلومات الجغرافية- وهي مصممة لاحتواء الأقواس الكهربائية والتحكم فيها وإطفاءها والتي من شأنها أن تبخر المعدن وتعرض أي شخص قريب للخطر.

بالنسبة للمهندس الكهربائي، فإن فهم كيفية عمل نظام المعلومات الجغرافية ليس تمرينًا أكاديميًا. فهو يحدد كيفية تصميم المحطة الفرعية، وكيفية جدولة الصيانة، وما إذا كانت المعدات ستظل تعمل بشكل موثوق بعد مرور ثلاثين عامًا على تشغيلها. بالنسبة إلى متخصصي المشتريات، يوضح ذلك سبب تكلفة لوحة واحدة أكثر من الأخرى وما يشتريه هذا الاستثمار الإضافي من حيث السلامة والبصمة وتكلفة دورة الحياة.

تشرح هذه المقالة، مكونًا تلو الآخر، كيفية عمل مجموعة المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز - بدءًا من خزان الغاز المحكم الذي يفصل بين موصلات الجهد العالي، إلى قاطع الفراغ الذي يكسر الدائرة، إلى الأقفال الميكانيكية التي تمنع حدوث خطأ خطير من أن يصبح مميتًا.

ما هي بالضبط مجموعة المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز؟

إن المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز عبارة عن مجموعة مفاتيح كهربائية مغلقة بالمعدن حيث يكون المفتاح الأساسيمكونات الجهد المتوسط- قضبان التوصيل، وقواطع الدائرة، وفواصل الاتصال، ومفاتيح التأريض، ومحولات الأجهزة - موجودة داخل حجرة مغلقة ومملوءة بالغاز. يعمل الغاز كوسيط عازل بين الأجزاء الحية وبين الأجزاء الحية والأرض.

تعتمد المفاتيح الكهربائية التقليدية المعزولة بالهواء على المسافة المادية: حيث تكون الموصلات متباعدة بشكل كافٍ بحيث يمكن للهواء المحيط أن يتحمل ضغط الجهد دون أن يتعطل. تستبدل المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز تلك المسافة المادية بغاز مضغوط يتمتع بقوة عازلة أعلى بكثير من الهواء. وهذا يسمح بتقليص التجميع بأكمله بشكل كبير - في بعض الحالات، يشغل نظام المعلومات الجغرافية أقل من ربع مساحة الأرضية لمنشأة معزولة بالهواء المكافئة.

عادةً ما يكون خزان الغاز نفسه مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك الألومنيوم، ويكون ملحومًا ومختومًا لمنع تسرب الغاز طوال فترة خدمة الجهاز. وفي الداخل، يتم التحكم في الجو ومراقبته. تستخدم التصميمات الحديثة بشكل متزايد الهواء الجاف أو النيتروجين بدلاً من SF₆، استجابة للوائح التي تعيد تشكيل الصناعة.

كيف يتم بناء لوحة نظم المعلومات الجغرافية: الهندسة الداخلية

على الرغم من أن نظام المعلومات الجغرافية يبدو من الخارج كخزانة معدنية واحدة، إلا أنه من الداخل مقسم إلى عدة أقسام وظيفية، كل منها معزولة عن الأخرى بواسطة حواجز أو البطانات المانعة للغاز. يشرح فهم هذه المقصورات كيف تحقق المعدات المرونة التشغيلية والسلامة.

1. مقصورة بسبار

يعد شريط التوصيل بمثابة العمود الفقري لأي مجموعة مفاتيح كهربائية. في نظام المعلومات الجغرافية، تعمل قضبان التوصيل أفقيًا من خلال حجرة الغاز المخصصة في الجزء العلوي أو الخلفي من اللوحة. نظرًا لأن قضيب التوصيل يربط الألواح المتجاورة معًا، فغالبًا ما يتم توصيل مقصورات قضيب التوصيل للوحات المتعددة عبر البطانات محكمة الغلق بالغاز، مما يشكل منطقة غاز مستمرة عبر لوحة المفاتيح بأكملها.

تحمل قضبان التوصيل التيار الكامل للتركيب - غالبًا 1250 أمبير، 2000 أمبير، أو أعلى - ويجب أن تفعل ذلك دون تجاوز حدود درجة الحرارة التي من شأنها أن تؤدي إلى تدهور العزل أو تسريع أكسدة التلامس. في نظام المعلومات الجغرافية، يساعد الغاز المحيط في توصيل الحرارة بعيدًا عن موصلات قضيب التوصيل، مما يتيح تصنيفات تيار أعلى في مقطع عرضي أصغر مما يسمح به عزل الهواء.

2. حجرة قواطع الدائرة

إذا كان القضيب هو العمود الفقري، فإن قاطع الدائرة هو العضلات. إنه الجهاز الذي يجب أن يقاطع الدائرة عند حدوث خطأ، والمتطلبات المفروضة عليه شديدة. قد تكون هناك حاجة إلى قاطع دائرة متوسط ​​الجهد لقطع 25000 أمبير أو أكثر، مما يؤدي إلى إطفاء القوس الذي يصل إلى درجات حرارة مماثلة لسطح الشمس، كل ذلك في غضون بضعة أجزاء من الثانية.

في تصميمات نظم المعلومات الجغرافية الحديثة، يتم تنفيذ وظيفة قاطع الدائرة بشكل عالمي تقريبًا بواسطة قاطع فراغي. إن قاطع الفراغ عبارة عن زجاجة سيراميكية محكمة الغلق تحتوي على زوج من نقاط الاتصال بداخلها - واحدة ثابتة والأخرى متحركة. عندما تنفصل نقاط الاتصال، يتم رسم القوس الذي يتكون في فراغ شبه مثالي. نظرًا لعدم وجود غاز تقريبًا للتأين، ينطفئ القوس عند أول عبور صفري للتيار. يوفر الغاز المحيط في خزان GIS العزل الكهربائي بين القاطع وجدار الخزان، لكنه لا يلعب أي دور في التبريد القوسي.

تستخدم لوحات نظم المعلومات الجغرافية من COTENELE قواطع دوائر مفرغة يصل تصنيفها إلى 25 كيلو أمبير أو 31.5 كيلو أمبير، مع قدرة ميكانيكية على التحمل تصل إلى 10000 عملية. لا يحتاج القاطع الفراغي إلى الصيانة مدى الحياة — فلا يوجد زيت أو غاز أو أي شيء يمكن تجديده.

3. حجرة مفتاح الفصل والتأريض

يمكن لقاطع الدائرة أن يقطع التيار، لكنه لا يمكنه توفير فجوة عزل مرئية يمكن لموظفي الصيانة الوثوق بها في حياتهم. تنتمي هذه الوظيفة إلىفاصل(وتسمى أيضًا المعزل). لا يتمتع جهاز الفصل بقدرة على إخماد القوس الكهربائي - ولا يمكن تشغيله إلا بعد أن يقوم قاطع الدائرة بمقاطعة التيار بالفعل. وتتمثل مهمتها في إنشاء فجوة مادية للهواء أو الغاز تكون واضحة وميكانيكية وكهربائية.

تؤدي مفاتيح التأريض وظيفة معاكسة: فهي تقوم عمدا بتوصيل الموصلات المعزولة بالأرض، وتفريغ أي جهد متبقي بالسعة أو الجهد المستحث. هذه هي الخطوة التي تجعل الجهاز آمنًا للمس.

في نظام المعلومات الجغرافية، يتم دمج مفتاح الفصل ومفتاح التأريض في مفتاح واحد ثلاثي المواضع في العديد من التصميمات. أحد الموضعين "مغلق" (متصل بقضيب التوصيل)، والآخر "مفتوح" (معزول)، والآخر "مؤرض". يعمل هذا التصميم ثلاثي المواضع على تبسيط التعشيقات الميكانيكية وتقليل عدد موانع تسرب الغاز المطلوبة.

4. محولات الأجهزة ومقصورة الكابلات

لانظم المعلومات الجغرافيةكاملة بدون قياس. توفر المحولات الحالية (CTs) ومحولات الجهد (VTs) الإشارات التي تحتاجها مرحلات الحماية والعدادات وأنظمة SCADA لمراقبة نظام الطاقة والتحكم فيه. في نظم المعلومات الجغرافية، غالبًا ما تكون المحولات المقطعية عبارة عن نوى حلقية مثبتة حول الجلبة حيث يتصل قاطع الدائرة بحجرة الكابل. قد تكون VTs حثية أو سعوية، ومتصلة بقضيب التوصيل أو جانب التغذية اعتمادًا على نظام الحماية والقياس.

حجرة الكابلات هي المكان الذي تدخل فيه الكابلات الخارجية ذات الجهد العالي إلى اللوحة وتتصل بالموصلات الداخلية. في نظام المعلومات الجغرافية الخالي من SF₆ الذي يستخدم الهواء الجاف، تكون حجرة الكابل جزءًا من نفس حجم الغاز المختوم مثل مجموعة المفاتيح الكهربائية، أو يتم فصلها بواسطة جلبة محكمة الغلق بالغاز، اعتمادًا على التصميم. عادةً ما تكون نهايات الكابلات من النوع الإضافي، وذلك باستخدام موصلات مرنة توفر واجهة معزولة ومحمية بالكامل بين الكابل ومجموعة المفاتيح الكهربائية.

5. حجرة التحكم في الجهد المنخفض

خلف باب اللوحة الأمامية يوجد ذكاء نظام المعلومات الجغرافية: مرحلات الحماية، ومفاتيح التحكم، والكتل الطرفية، والموصلات المساعدة، وبوابات الاتصال. تتمتع هذه الحجرة بإمكانية أرضية وهي معزولة عن حجرات الغاز ذات الجهد العالي بواسطة البطانات المغلقة. يتم توجيه جميع الأسلاك الثانوية - للتعثر والإغلاق والإشارة والاتصال - هنا.

تعد جودة التصنيع في حجرة الجهد المنخفض مؤشرًا موثوقًا للجودة الشاملة للشركة المصنعة. تشير الأسلاك الموجهة بدقة والمحطات الطرفية ذات العلامات الواضحة ومرحلات الحماية التي تم تكوينها بشكل صحيح إلى أنه تم اتخاذ رعاية مماثلة في أجزاء اللوحة التي لا يمكن للعميل فحصها بسهولة.

فيزياء عزل الغاز لماذا نستخدم الغاز على الإطلاق؟

 تكمن الإجابة في خاصية أساسية للمادة: قوة العزل الكهربائي.

كل مادة عازلة - الهواء، الزيت، الإيبوكسي الصلب، أو الغاز - لها حد للمجال الكهربائي الذي يمكن أن تتحمله قبل أن تنهار وتوصل. بالنسبة للهواء عند الضغط الجوي، يبلغ هذا الحد حوالي 3 كيلو فولت لكل ملليمتر. بالنسبة لـ SF₆ عند ضغط متواضع، يكون أعلى بثلاث مرات تقريبًا. وهذا يعني أن الموصلات الموجودة داخل الخزان المملوء بـ SF₆ يمكن وضعها بالقرب من بعضها البعض أكثر مما يمكن وضعها في الهواء، دون التعرض لخطر وميض كهربائي. ونتيجة لذلك، تتقلص لوحة المفاتيح الكهربائية بأكملها.

الآلية جزيئية. SF₆ هو غاز سالب كهربيًا: تلتقط جزيئاته الإلكترونات الحرة بسهولة، وتشكل أيونات سالبة ثقيلة تتحرك ببطء في مجال كهربائي وتكون ضعيفة في الحفاظ على الانهيار الإلكتروني. تمنح هذه الخاصية SF₆ كلاً من قوته العازلة العالية وقدرته الممتازة على تبريد القوس.

يعمل الهواء الجاف والنيتروجين على مبدأ أبسط. قوتها العازلة أقل من SF₆ عند نفس الضغط، ولكنها كافية لتطبيقات الجهد المتوسط ​​عندما يتم تصميم هندسة الخزان مع الخلوصات المناسبة. تتمثل المقايضة في حجم خزان أكبر قليلاً لنفس تصنيف الجهد، وهو حل وسط هندسي يقبله معظم المصنعين والمستخدمين الآن كثمن للتخلص من احتمالية الاحتباس الحراري العالمي لـ SF₆ والتي تبلغ 23500 ضعف ثاني أكسيد الكربون.

كيف تعمل الانترلوك

إحدى السمات المميزة لنظام المعلومات الجغرافية هو نظام التشابك الميكانيكي الخاص به، والذي يُطلق عليه غالبًا التشابك "المنع الخماسي". هذه التشابكات ميكانيكية بحتة، فهي لا تعتمد على الطاقة الكهربائية أو البرامج أو الذاكرة البشرية.

المنطق بسيط ولكنه لا يرحم:

1. لا يمكن إغلاق قاطع الدائرة إلا إذا كان القاطع مفتوحًا بالكامل أو مغلقًا بالكامل.

2. لا يمكن تشغيل جهاز الفصل أثناء إغلاق قاطع الدائرة.

3. لا يمكن إغلاق مفتاح التأريض أثناء تنشيط الدائرة.

4. لا يمكن إغلاق قاطع الدائرة أثناء تشغيل مفتاح التأريض.

5. لا يمكن فتح باب حجرة الكابلات إلا إذا تم إغلاق مفتاح التأريض.

يتم فرض هذه القواعد بواسطة الحدبات والرافعات والمسامير المنزلقة التي تسد فعليًا مقابض التشغيل أو مزلاج الباب عندما لا تكون الظروف مستوفاة. بالنسبة للمشغل الذي يقف أمام اللوحة، فإن هذا يعني أن التسلسل غير الآمن للإجراءات ليس محظورًا فحسب، بل إنه مستحيل ميكانيكيًا.

نظم المعلومات الجغرافية الخالية من SF₆: نفس المبدأ، غاز أكثر أمانًا

يتطابق مبدأ تشغيل نظام المعلومات الجغرافية الخالي من SF₆ مع مبدأ تشغيل نظام المعلومات الجغرافية التقليدي SF₆. نفس المقصورات، نفس قاطع الفراغ، نفس مفتاح الفصل ومفتاح التأريض، نفس التعشيقات. الشيء الوحيد الذي يتغير هو الغاز الموجود داخل الخزان المغلق.

يستخدم نظام المعلومات الجغرافية ذو الجهد المتوسط ​​من COTENELE الهواء الجاف كوسيلة عازلة. تتم تنقية الغاز، وتجفيفه من الرطوبة، وإغلاقه داخل خزان من الفولاذ المقاوم للصدأ في المصنع. يتم اختبار الخزان بحثًا عن التسريبات ثم يُترك مغلقًا طوال عمره التصميمي الذي يبلغ 30 عامًا. لا يوجد مقياس ضغط ليقرأه المشغل، ولا يوجد منفذ لإعادة التعبئة، ولا يوجد إجراء صيانة متعلق بالغاز يجب اتباعه. نظام الغاز غير مرئي من وجهة نظر المستخدم.

يتمتع هذا النهج بثلاث مزايا عملية للمستخدم النهائي:

• الامتثال البيئي.لا يعني عدم وجود SF₆ عدم وجود التزامات بالإبلاغ عن الغاز المفلور، ولا يوجد برنامج للكشف عن التسرب، ولا يوجد استرداد للغاز في نهاية العمر الافتراضي. يتوافق الجهاز مع لائحة الاتحاد الأوروبي الخاصة بالغاز المفلور دون استثناءات أو حلول بديلة.
• صيانة مبسطة.فني الصيانة الذي يفتح باب اللوحة يجد نفس قاطع الدائرة الفراغية، ونفس آلية الفصل، ونفس مرحلات الحماية كما هو الحال في أي نظام معلومات جغرافي حديث آخر. لا توجد معدات للتعامل مع الغاز لفهمها.
• استثمار مضمون للمستقبل.نظرًا لتشديد قيود SF₆ على مستوى العالم، فإن المعدات التي لا تحتوي على SF₆ لن تواجه قيودًا مشددة على الخدمة، أو ارتفاع تكاليف الغاز، أو متطلبات التحديث الإلزامية.

حيث يتم استخدام نظم المعلومات الجغرافية

يتم نشر تقنية نظم المعلومات الجغرافية حيثما تكون المساحة محدودة، أو تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية، أو عندما تجعل الظروف البيئية المعدات المعزولة بالهواء غير عملية:

• المحطات الفرعية الحضرية حيث تجعل تكاليف العقارات المعدات المدمجة ضرورة مالية.
• المحطات الفرعية لتجميع مزرعة الرياح حيث يجب أن تعمل المفاتيح الكهربائية بشكل موثوق في بيئات نائية وقاسية في بعض الأحيان مع إمكانية وصول محدودة للصيانة.
• تتطلب مراكز البيانات التي تتطلب ضمانات وقت التشغيل والتزامات ESG معدات خالية من SF₆ ومنخفضة الصيانة.
• المنشآت الصناعية ذات الأجواء المسببة للتآكل، أو مستويات الغبار العالية، أو الرطوبة العالية التي من شأنها أن تؤدي إلى تدهور الموصلات المعزولة بالهواء المكشوفة.
• البنية التحتية مثل المطارات وقطارات الأنفاق والأنفاق، حيث تكون السلامة من الحرائق والاكتناز غير قابلة للتفاوض.

الأسئلة المتداولة

س: هل يمكن إصلاح نظام المعلومات الجغرافية في حالة تسرب الغاز؟

ج: بالنسبة لنظام المعلومات الجغرافية للهواء الجاف المحكم مدى الحياة، يتم لحام الخزان واختباره في المصنع ولم يتم تصميمه ليتم فتحه في الموقع. إذا تعرض الخزان للخطر، فعادةً ما يتم استبدال اللوحة بأكملها. ولهذا السبب يعد اختبار سلامة الخزان أثناء التصنيع أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، فإن تسرب الغاز من خزان محكم الغلق تم تصنيعه بشكل صحيح أمر نادر للغاية طوال عمر المعدات.

س: كيف تعرف أن قاطع الفراغ لا يزال يعمل؟

ج: يتم التحقق من سلامة الفراغ أثناء اختبار المصنع الروتيني من خلال اختبار عالي الإمكانات عبر نقاط الاتصال المفتوحة. في الخدمة، تكون قواطع الفراغ خالية من الصيانة ولا تتحلل بمرور الوقت. آلية التآكل الوحيدة هي تآكل التلامس أثناء انقطاع الخطأ، والذي يتم حسابه في التحمل الكهربائي المقدر للقاطع.

س: هل نظام المعلومات الجغرافية للهواء الجاف أكبر فعليًا من نظام المعلومات الجغرافية SF₆؟

ج: عند مستويات الجهد المتوسط ​​التي تصل إلى 40.5 كيلو فولت، يكون فرق الحجم ضئيلًا ويتناسب مع أبعاد اللوحة القياسية. قام المصنعون بتحسين هندسة الخزانات على مدار سنوات من التطوير لتقليل أثر تصميمات الهواء الجاف.

س: ما هي المعايير التي تنطبق على نظم المعلومات الجغرافية؟

ج: تم اختبار نوع نظام المعلومات الجغرافية المغلق بالمعدن وفقًا للمعيار IEC 62271-200. تم اختبار قاطع الدائرة الكهربائية بالداخل وفقًا للمواصفة IEC 62271-100. يتم اختبار تصنيف القوس الداخلي (IAC) وفقًا للمعيار IEC 62271-200 الملحق أ. توفر COTENELE شهادات اختبار النوع الكاملة من مختبرات مستقلة معتمدة من قبل IEC مع كل عرض أسعار.

الخلاصة: إتقان الأساسيات

تعمل مجموعة المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز عن طريق إغلاق الموصلات ذات الجهد العالي في جو غازي يعزلها عن بعضها البعض وعن الأرض، مما يسمح بتجميع المجموعة بأكملها أصغر بكثير من نظيرتها المعزولة بالهواء. داخل تلك البيئة المغلقة، تقوم قواطع الفراغ بكسر الدائرة، وتوفر قواطع الفصل عزلًا مرئيًا، ومفاتيح التأريض تجعل المعدات آمنة للمس، وتضمن شبكة من الأقفال الميكانيكية أنه لا يمكن تنفيذ هذه العمليات إلا بالتسلسل الصحيح.

إن الانتقال من SF₆ إلى الهواء الجاف لم يغير هذه البنية الأساسية. لقد استبدلت ببساطة الغاز بغاز لا يحمل مسؤولية بيئية تمتد لآلاف السنين. بالنسبة للمهندسين والمشترين، فإن فهم كيفية عمل نظام المعلومات الجغرافية هو الأساس لتحديد المعدات المناسبة، والتحقق من ادعاءات الشركة المصنعة، والتأكد من أن مجموعة المفاتيح الكهربائية المثبتة اليوم ستظل تحمي الشبكة بعد ثلاثة عقود من الآن.

تقوم شركة COTENELE بتصنيع مجموعة المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز الخالية من SF₆ باستخدام عزل الهواء الجاف وانقطاع الفراغ، وتم اختبار النوع وفقًا للمواصفة IEC 62271-200. يقدم فريقنا الهندسي حزم وثائق كاملة - بما في ذلك شهادات اختبار النوع وتقارير الاختبار الروتيني - في مرحلة المناقصة، مما يمكّن عملائنا من التحديد بثقة.

كوتينيليهي شركة متخصصة في تصنيع المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط، بما في ذلك المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز الخالية من SF₆، وقواطع الدائرة المفرغة، والوحدات الرئيسية الحلقية، والألواح المغطاة بالمعدن لتطبيقات 12 كيلو فولت إلى 40.5 كيلو فولت. تخدم منتجاتنا المرافق ومشغلي مراكز البيانات ومطوري الطاقة المتجددة والمشترين الصناعيين في جميع أنحاء أوروبا وآسيا والشرق الأوسط.