ما الذي يجعل قاطع الدائرة الفراغي مناسبًا لأنظمة الطاقة عالية الجهد؟

القواطع الفراغية: كسر الحواجز عند الطرف الأعلى من نطاق الجهد

ما الذي يحدث أثناء إخماد القوس الكهربائي في الفراغ: إعادة توصيل قوس البلازما بسرعة واستعادة التيار بسرعة

عند فتح تلامسات قاطع الدائرة الفراغي، يتأين بخار المعدن ويشكل قوسًا بلازما. وعند مستوى الفراغ الشديد (الضغط < ١٠⁻⁴ تور)، تترسب الجسيمات المشحونة ترسيبًا فراغيًّا على التلامسات، ما يمكّن من إعادة توصيل قوس البلازما بسرعة خلال ١–٥ مللي ثانية. كما يسمح ذلك بغشاء التيار بتوفير عزل سريع للنظام قبل النبضة التالية لجهد النظام، مما يتيح التحكم الموثوق في القوس عند اللحظة الأولى بالضبط التي يُتوقع أن ينخفض فيها التيار إلى الصفر والتحكم في تشكُّل القوس. ويسمح مستوى الفراغ بطول متوسط حرّ أكبر بحوالي ١٠٠٠ ضعف لتدفُّق الإلكترونات مقارنةً بما هو عليه في غاز SF₆. وهذه هي السبب الجوهري الذي يجعل قواطع الدائرة الفراغية أفضل من قواطع الدائرة الغازية والهوائية في مقاطعة التيار الكهربائي بشكل آمن.

سرعة مقاطعة دون ١٥ مللي ثانية وقمع أفضل لعبور الصفر مقارنةً بالبدائل المستخدمة في غاز SF₆ والهواء.

وبالنسبة لقطع الأعطال، يمكن لمُقاطِعات الفراغ أن تُطفئ الأعطال في غضون ١٥ مللي ثانية أو أقل، أي ما يعادل أسرع بنسبة ٣٠–٥٠٪ مقارنةً بأنظمة الغاز الكبريت سادس فلوريد (SF6) أو أنظمة القطع بالهواء. وبما أن مقاطع الفراغ يقع داخل بيئة خالية من الهواء (فراغ)، فإن السرعة التي يمكنه بها التغلب على العطل أثناء القطع لا تخضع لآليات تدفق الغاز المعقدة، على عكس ما يحدث في العوازل الغازية. وفي فئة الجهد ٧٢,٥ كيلوفولت، تتفوق تقنية مقاطع الفراغ بأكثر من ضعفين ونصف المرة (أي ما يقارب ثلاثة أضعاف) مقارنةً بتقنية الغاز الكبريت سادس فلوريد (SF6) فيما يتعلق بتلك الظواهر المزعجة المتمثلة في جهود الاسترجاع المؤقتة (TRV)، مقارنةً بما يعتبره معظم المهندسين متوسط الأداء. ويعتبر معظم المهندسين أن الآليات التقليدية للقطع بالهواء تتطلب ما لا يقل عن ٨ إلى ١٠ عبورات للتيار عند الصفر قبل أن تتمكن من قطع القوس الكهربائي بشكلٍ موثوق. أما مقاطع الفراغ فهي قادرة، من ناحية أخرى، على قطع جميع الأقواس الكهربائية (وتصل نسبة إخماد الأقواس إلى ٩٩,٨٪ وفقاً للمعيار الدولي IEC 62271-100) في دورتين أو أقل. كما أظهرت التطبيقات العملية الواقعية لمقاطع الفراغ بنسبة ١٠٠٪ انخفاضاً كبيراً في قمم الجهد الزائدة. وقد أثبتت الاختبارات العملية أيضاً أن عدد قمم الجهد الزائدة يكون أقل بنسبة تقارب ٤٠٪ مقارنةً بمفاتيح الفراغ المعزولة بالغاز. ويسمح ارتفاع قوة العزل الكهربائي بدمج موثوق ومضغوط للمعدات عالية الجهد.

القوة العازلة الجوهرية للفراغ (>30 كيلوفولت/سم) وتصميم فجوة التماس القابل للتوسيع لتطبيقات الجهد من 72.5 إلى 145 كيلوفولت

يتميَّز الفراغ بقوة عازلة استثنائية تفوق 30 كيلوفولت لكل سنتيمتر، ما يتيح عزل الأنظمة عالية الجهد بكفاءة دون الحاجة إلى غازات إضافية. وهذه الخاصية تُمكِّن المهندسين من تحسين مسافة فجوة التماس ضمن التصنيفات القياسية حسب المواصفة الدولية IEC للجهود من 72.5 كيلوفولت إلى 145 كيلوفولت. وعلى عكس قواطع الغاز SF6، تتفوَّق تقنية الفراغ لأنها تحافظ على أداءٍ ثابتٍ بغض النظر عن درجة الحرارة والارتفاع عن سطح البحر والرطوبة. علاوةً على ذلك، تقلِّل تقنية الفراغ من المخاوف المرتبطة بإدارة الغاز، مما يضمن تشغيل محطات التحويل بشكلٍ موثوقٍ حتى في الظروف الصعبة.

مزايا المساحة والوزن: تشغل قواطع الفراغ مساحةً أقل بنسبة 30–40% في محطات التحويل المدمجة (GIS) والمحطات الهجينة مقارنةً بقواطع الغاز SF₆

يتمتع الفراغ بمقاومة عزل كهربائي عالية جدًّا، مما يسمح بتقليل فجوات التلامس بين المكونات بشكل كبير. وينتج عن ذلك قواطع كهربائية أصغر حجمًا وبالتالي تكون القواطع الكهربائية الإجمالية أكثر إحكامًا. وتكون وفورات المساحة كبيرة جدًّا. وعند مقارنة تركيبات المعدات الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS) التي تستخدم تقنية الفراغ بدلًا من غاز SF6، فمن الشائع أن تُستهلك مساحة أقل بنسبة تتراوح بين ٣٠٪ و٤٠٪. كما أن آليات التشغيل أخف وزنًا أيضًا، وفي بعض الحالات تصل نسبة خفّة الوزن إلى ٦٠٪. وهذه الميزة مفيدة جدًّا في المحطات الفرعية الهجينة، لأنها تحسّن من توجيه الموصلات الحافلة (Busbar) وتسرّع عمليات التحديث والتركيب اللاحق. وفي مشاريع ترقية الشبكات الكهربائية عبر أوروبا، أفادت شركات عديدة بأنها حقّقت وفورات في المساحة تبلغ نحو ٣٥٪ بعد تطبيق تقنية الفراغ عند الجهد القياسي البالغ ١٤٥ كيلوفولت.

موثوقية طويلة الأمد مع دورة تشغيل عالية الجهد العالي وصيانة قليلة جدًّا

أكثر من ٢٠٠٠٠ عملية < معدل فشل ٠٫٠٠١٪ وفق معيار IEEE C37.09-2018

المقاطِع الكهربائية الفراغية المُغلَقة إغلاقًا محكمًا والتي لا تتأثر بالبيئة المحيطة بها يمكن أن تتجاوز ٢٠٬٠٠٠ عملية ميكانيكية بمعدل فشل أقل من ٠٫٠٠١٪ وفقًا للمعيار IEEE C37.09-2018. وبما أنه لا توجد أماكن لتسرب الغاز أو أختام ديناميكية، فإن مقاومة العزل تبقى مستقرة لسنوات عديدة من التشغيل. وتُشير البيانات الميدانية إلى أن العديد من شركات التوزيع الكهربائي تشهد ما يقارب ٣٠ سنة من الخدمة قبل استبدال المكونات ذات الجهد ٧٢٫٥ كيلوفولت. وعلى النقيض من ذلك، يحقِّق المشغلون في التصاميم الأحدث وفورات في التكلفة تصل إلى نحو ٤٠٪. ويُعزَّز موثوقية هذه التصاميم بغياب الأجزاء المتحركة والاتصالات المنزلقة التي تُعدّ عادةً نقاط الفشل الرئيسية أثناء عمليات إطفاء الأعطال المتكررة.

لا حاجة لإدارة الغاز، ولا مشاكل مرتبطة بالرطوبة، ولا نواتج تحلل سامة — ما يزيل أبرز أسباب الفشل في أنظمة غاز SF₆.

تتفادى أنظمة المقاطعة الفراغية ثلاث نقاط فشل رئيسية في نظام الغاز المضغوط:

عدم إدارة الغاز: لا توجد إدارة لغاز SF₆، ولا كشف عن التسربات، ولا إدارة مكلفة لاستعادة الغاز

المناعة ضد الرطوبة: يتم تجنب الانهيار العازل الناتج عن الرطوبة، وهو السبب الرئيسي لفشل قواطع غاز SF₆

خالي من السموم: لا توجد نواتج ثانوية ملوِّثة على شكل فلوريدات معدنية ناتجة عن نظام الغاز

ونتيجةً لذلك، أظهرت دراسات الحالة الخاصة بشركات المرافق أن متطلبات الصيانة انخفضت بنسبة ٧٥٪. علاوةً على ذلك، تجنَّبت هذه الشركات غرامات انبعاث غاز SF₆ البالغ متوسطها ٧٤٠٬٠٠٠ دولار أمريكي سنويًّا، والتي ورد ذكرها في عمليات تدقيق الامتثال الصادرة عن وكالة حماية البيئة (EPA). كما أن تصميم القاطع ذي التلامس الصلب يجنب حدوث تآكل التلامس وتفكُّكه الذي يحدث في قواطع الغاز بعد عدد قليل من عمليات قطع الدوائر القصيرة.

نطاقات الجهد المتطورة: من الجهد المتوسط إلى الجهد العالي
النشر

قواطع الدائرة الفراغية القياسية لها تصنيفات جهد (١٢–١٤٥ كيلوفولت)، وتوجد تركيبات تصل إلى ١٤٥ كيلوفولت في شبكات المرافق

لقد تطورت قواطع الدائرة الفراغية مؤخرًا لتحسين فائدتها في التشغيل ضمن أنظمة الجهد المتوسط والجهد العالي البالغ ١٤٥ كيلوفولت. وقد أدى تطوير مواد التلامس والفراغ والإغلاقات والمحركات الكهرومغناطيسية إلى تحسين استخدامها في التركيبات التي تعمل عند جهد ١٤٥ كيلوفولت. وهي تمتلك سعة قطع تشغيلية تصل إلى ٤٠ كيلوأمبير (أي أقل من ٢٠ مللي ثانية). وتُستَبدَل هذه القواطع بحلول المعدات الأولية الأكبر حجمًا في نطاقات درجات الحرارة الواسعة جدًّا، من -٤٠ إلى +٥٥ درجة مئوية، مع مراعاة غياب الغازات الضارة بالبيئة.

تقنية القاطع الفراغي للجهد ٢٤٥ كيلوفولت: معايير الآي إي سي ٦٢٢٧١-١٠٠ وتطويرات القواطع الفراغية المتعددة التبديل في السلسلة

لقد كانت الشركات المصنِّعة تُسوِّق تكنولوجيا الفراغ تجاريًّا لتطبيقات الجهد ٢٤٥ كيلوفولت باستخدام تصاميم مقاطِعَة متعددة التفكيك على التوالي. وبشكلٍ جوهري، فإنها تقوم بتجميع عدة مقاطِعات فراغية بحيث يوزَّع الجهد بشكلٍ متساوٍ عبر أجهزة متعددة بدلًا من تركيزه في مكانٍ واحد. وقد أصبحت هذه التصاميم مؤخرًا متوافقة مع معايير الآي إي سي ٦٢٢٧١-١٠٠ الخاصة بقدرة القطع عند ٢٤٥ كيلوفولت‏/‏٥٠ كيلوأمبير، وهي قفزة نوعية كبيرة في هذا القطاع. وتم تصميم إحدى النماذج الأولية لقطع تدفق التيار خلال دوريْن كهربائيين، ما يجعلها أسرع بنسبة ٤٠٪ من المقاطِعات التقليدية ذات التفكيك الواحد. علاوةً على ذلك، تعتمد هذه النماذج على أنظمة تلامس من النحاس-الكروم (Cu/Cr) التي تقلل تيار القطع إلى أقل من ٣ أمبير.

وقد تم دمج عدة نماذج أولية مبكرة في الشبكة الأوروبية للطاقة منذ العام الماضي. ويعتقد معظم خبراء القطاع أن تكنولوجيا الفراغ ستحل في نهاية المطاف محل غاز الـ SF6 في التطبيقات عالية الجهد حيث تُعتبر المخاوف البيئية أولوية قصوى.

الأسئلة الشائعة

ما الفائدة الرئيسية لاستخدام قواطع الدوائر الفراغية مقارنةً بأنظمة الغاز SF6 وقواطع الهواء؟

وبالنسبة لأنظمة الجهد العالي، فإن قواطع الدوائر الفراغية تتميز باستعادة أسرع للقوة العازلة، مما يؤدي إلى إخماد أسرع للقوس الكهربائي وانخفاض في قمم الجهد. وهذا يعني أن قواطع الدوائر الفراغية يمكنها التشغيل بكفاءة أعلى بكثير مقارنةً بالأنظمة الأخرى.

ما الذي يمكنكم قوله عن تصميم قواطع الغاز SF6 الذي يجعل من الممكن أن تكون مقاطع الفراغ أصغر حجمًا؟

ونظرًا لأن قواطع الغاز SF6 تمتلك قوة عازلة أقل، فإنها تتطلب فجوات أكبر بين التلامسين. ونتيجةً لذلك، تحتاج مقاطع الفراغ إلى مساحة أقل بنسبة ٣٠–٤٠٪ مقارنةً بقواطع الغاز SF6.

تبلغ عمر مقاطع الفراغ التشغيلية أكثر من ٢٠٠٠٠ عملية، ولذلك فإن معدلات فشلها منخفضة. ويعني هذا المعدل المنخفض للفشل أن هذه المقاطع قادرة على العمل بنجاح لمدة تصل إلى ٣٠ عامًا. وبما أن معدل الفشل منخفض ومعدل النجاح مرتفع، فإن تكلفة مقاطع الفراغ تقل بنسبة تصل إلى ٤٠٪ مقارنةً بالتكنولوجيات الأقدم نظراً لانخفاض متطلبات الصيانة والإصلاح.

هل توجد ميزة لاستخدام مقاطع الفراغ بدلًا من القواطع المُملوءة بغاز SF6 من حيث الأثر البيئي؟

بالطبع! فمقاطع الفراغ تلغي الحاجة إلى أنظمة إدارة الغاز، وهي أيضًا محصنة ضد الرطوبة. كما أن كمية المنتجات الثانوية الخطرة الناتجة عنها ضئيلة جدًا أو معدومة تمامًا. ونتيجةً لذلك، تنخفض التكاليف البيئية وكذلك التكاليف المالية المرتبطة بأنظمة غاز SF6.