ما يخطئ فيه المهندسون بشأن تصميم قناة الإغاثة القوسية

مقدمة

يعد تصميم قناة تنفيس القوس الكهربائي للمفاتيح الكهربائية المعزولة بالهواء أحد أكثر القرارات الهندسية أهمية في بناء المحطات الفرعية ذات الجهد العالي - وأحد أكثر القرارات التي يتم تنفيذها في كثير من الأحيان بافتراضات لا تدعمها بيانات اختبار تصنيف القوس الكهربائي الداخلي IEC 62271-200 التي من المفترض أن ينفذها التصميم. تبدو قناة تنفيس القوس الكهربائي - قناة تنفيس الضغط التي توجه الغاز الساخن وبلازما القوس الكهربائي وطاقة موجات الضغط من حدث وميض القوس الكهربائي الداخلي بعيدًا عن الأفراد ونحو منطقة تفريغ آمنة - واضحة من حيث المفهوم: قناة من أعلى لوحة المفاتيح الكهربائية إلى خارج المحطة الفرعية، بحجمها لتنفيس طاقة القوس الكهربائي قبل أن يتجاوز ضغط حاوية اللوحة حدها الهيكلي. في الممارسة العملية، فإن القرارات الهندسية التي تحدد ما إذا كانت قناة تنفيس القوس الكهربائي تعمل كما تم تصميمها - مساحة المقطع العرضي للقناة، وطول القناة وهندسة الانحناء، وموقع نقطة التفريغ، والضغط الخلفي عند فتحة التفريغ، والتفاعل بين قنوات تنفيس اللوحة المجاورة في مجموعة متعددة اللوحات - كل منها قادر على جعل نظام الحماية من القوس الكهربائي بأكمله غير فعال بينما تحمل اللوحة شهادة اختبار نوع IEC 62271-200 صالحة تم الحصول عليها في ظل ظروف اختبار لا تشبه التكوين المركب. إن أكثر ما يخطئ المهندسون باستمرار بشأن تصميم قناة تخفيف القوس الكهربائي هو التعامل مع شهادة اختبار النوع IEC 62271-200 على أنها موافقة على مستوى النظام تغطي تكوين قناة تخفيف القوس الكهربائي المثبتة - في حين أن اختبار النوع في الواقع يشهد فقط على أداء حاوية اللوحة في ظل ظروف تخفيف القوس الكهربائي المحددة للاختبار، وكل انحراف عن ظروف الاختبار تلك في التكوين المثبت - قناة أطول، انحناءات إضافية، مقطع عرضي منخفض، نقطة تفريغ معاقة - يبطل اختبار النوع كدليل على أداء النظام المثبت ويخلق فجوة حماية من القوس الكهربائي لن يتم اكتشافها حتى يحدث حدث قوس كهربائي داخلي. بالنسبة لمهندسي تصميم المحطات الفرعية ومصممي مجموعة المفاتيح الكهربائية AIS ومهندسي السلامة المسؤولين عن الحماية الداخلية من القوس الكهربائي في المحطات الفرعية ذات الجهد العالي، يقدم هذا الدليل الإطار الهندسي الكامل لقناة تخفيف القوس الكهربائي - بدءًا من تفسير اختبار النوع IEC 62271-200 من خلال التحقق من صحة التكوين المثبت - الذي يضمن أداء نظام تخفيف القوس الكهربائي كما هو مصمم عند وقوع حدث القوس الكهربائي الذي تم تصميمه لإدارته بالفعل.

جدول المحتويات

• ما الذي يصدّق عليه تصنيف القوس الكهربائي الداخلي IEC 62271-200 بالفعل - وما الذي لا يغطيه؟
• ما هي معلمات تصميم قنوات تخفيف القوس الحرجة الستة التي يخطئ المهندسون في أغلب الأحيان في تصميمها
• كيف يتم تحديد تكوين قناة تخفيف القوس الكهربائي والتحقق من صحة تكوين قناة تخفيف القوس الكهربائي لكل تطبيق من تطبيقات المحطات الفرعية لمفاتيح AIS؟
• ما هي أخطاء التركيب وتغييرات ما بعد التكليف التي تبطل أداء قناة تخفيف القوس الكهربائي في محطات الجهد العالي الفرعية؟

ما الذي يصدّق عليه تصنيف القوس الكهربائي الداخلي IEC 62271-200 بالفعل - وما الذي لا يغطيه؟

يعتبر تصنيف القوس الكهربائي الداخلي IEC 62271-200 (IAC) هو الوثيقة التأسيسية التي تحدد كيفية أداء حاويات المفاتيح الكهربائية AIS أثناء حدوث قوس كهربائي داخلي¹ - لكن نطاقه محدد بدقة ونادراً ما يتم إبلاغ مهندسي تصميم المحطات الفرعية الذين يعتمدون عليه كأساس لقرارات تصميم الحماية من القوس الكهربائي.

ما الذي يقيسه اختبار IAC في الواقع

يقوم اختبار IAC بتعريض مجموعة لوحة مفاتيح كهربائية كاملة لقوس كهربائي داخلي بتيار ومدة محددين، ويتحقق من أن حاوية اللوحة تفي بخمسة معايير قبول - المؤشرات - التي تحدد ما إذا كان الأفراد في مناطق الوصول المحددة محميون من عواقب حدث القوس الكهربائي:

مؤشرات قبول IEC 62271-200 IAC الخمسة:

• المؤشر 1 - لا يوجد تجزئة: لا يتم إسقاط أي أجزاء من الضميمة خارج الحدود المحددة التي من شأنها أن تصيب الأفراد في منطقة إمكانية الوصول
• المؤشر 2 - لا يوجد باب/غطاء مفتوح: تظل الأبواب والأغطية والألواح القابلة للإزالة مغلقة ومغلقة أثناء حدث القوس الكهربائي - لا يوجد فتح غير محكوم يعرض الأفراد لبلازما القوس الكهربائي
• المؤشر 3 - لا توجد ثقوب في الجوانب التي يمكن الوصول إليها: عدم وجود احتراق في جدران الضميمة على الجوانب التي يمكن للأفراد الوصول إليها - لا يمكن للبلازما القوسية أن تتسرب عبر سطح الضميمة إلى منطقة الأفراد
• المؤشر 4 - لا يتسبب القوس في اشتعال مؤشرات القطن: لا تشتعل مؤشرات الأقمشة القطنية الموضوعة على مسافات محددة من الضميمة - مما يؤكد أن الإشعاع الحراري وانبعاث الغاز الساخن من فتحة تنفيس الضغط لا يخلق خطر الاحتراق في مواضع المؤشرات
• المؤشر 5 - تظل وصلة التأريض فعالة: لا ينقطع اتصال تأريض الضميمة بسبب حدث القوس الكهربائي - لا يتعرض الأفراد الذين يلمسون الضميمة بعد حدث القوس الكهربائي لجهد اللمس

ظروف قناة الإغاثة القوسية أثناء اختبار IAC:
يتم إجراء اختبار تنفيس القوس القوسي المحدد - المقطع العرضي للقناة، وطول القناة، وهندسة نقطة التفريغ - التي تحددها الشركة المصنعة والموثقة في تقرير الاختبار. يتم التحقق من مؤشرات القبول في ظل ظروف التخفيف المحددة هذه. لا تصادق شهادة اختبار النوع على الأداء في ظل أي تهيئة تنفيس أخرى.

حدود النطاق الحرجة: ما لا تغطيه شهادة IAC

المعلمة	ما الذي تغطيه شهادة IAC	ما الذي لا تغطيه شهادة IAC
تيار القوس	القيمة المختبرة (على سبيل المثال، 16 كيلو أمبير، 25 كيلو أمبير، 40 كيلو أمبير)	ارتفاع تيارات الأعطال في عقدة التركيب
مدة القوس	المدة المختبرة (على سبيل المثال، 0.1 ثانية، 0.5 ثانية، 1.0 ثانية)	أوقات تصفية أطول من الحماية من المنبع
طول قناة تنفيس القوس	طول القناة المستخدمة أثناء الاختبار	أنبوب تركيب أطول مع انحناءات إضافية
المقطع العرضي لقناة تنفيس القوس الكهربائي	المقطع العرضي المستخدم أثناء الاختبار	انخفاض المقطع العرضي من قيود الموقع
هندسة نقطة التفريغ	الإنهاء المفتوح أو المحدد المستخدم أثناء الاختبار	نقاط التصريف المعوقة أو المعاد توجيهها أو المشتركة
تفاعل اللوحة المتجاورة	لوحة واحدة أو تكوين متعدد اللوحات تم اختباره	تكوينات مختلفة لتشكيلة متعددة اللوحات متعددة اللوحات
درجة الحرارة المحيطة	اختبار المحيط المحيط (عادةً 20 درجة مئوية)	محطات فرعية ذات درجة حرارة محيطة عالية

التأثير الهندسي مباشر: إن مهندس تصميم محطة فرعية يحدد لوحة مفاتيح كهربائية ذات مجموعة مفاتيح كهربائية ذات نظام تنفيس القوس الكهربائي مع شهادة IEC 62271-200 IAC صالحة عند 25 كيلو أمبير لمدة 0.5 ثانية، ثم يقوم بتركيب اللوحة مع قناة تنفيس القوس الكهربائي التي يبلغ طولها 3 أمتار أطول من قناة الاختبار، مع انحناءين بزاوية 90 درجة، ونقطة تفريغ مسدودة جزئيًا بواسطة علبة كابل - ليس لديه دليل معتمد على أن نظام تنفيس القوس الكهربائي المركب سوف يفي بأي من مؤشرات القبول الخمسة أثناء حدث القوس الكهربائي. تغطي الشهادة تكوين الاختبار. التكوين المركب غير معتمد.

ديناميكيات ضغط قناة تخفيف القوس القوسي التي تدفع متطلبات التصميم

يولد حدث القوس الداخلي موجة ضغط يجب أن تقوم قناة التنفيس بتنفيسها قبل أن يتجاوز ضغط ضميمة اللوحة حدها الهيكلي. معدل ارتفاع الضغط داخل اللوحة هو:

$\frac{dP}{dt} = \frac{(\gamma - 1) \times P_{arc}}{V_{Banel}}$

المكان $\جاما$ هو نسبة الحرارة النوعية لمزيج الغاز القوسي (حوالي 1.4 للهواء)², $ص{ق}$ قدرة القوس (W)، و $V_{لوحة}$ هو الحجم الداخلي للوحة (م³). بالنسبة لقوس بقوة 25 كيلو أمبير عند جهد نظام 20 كيلو فولت في لوحة حجمها 0.5 متر مكعب:

$P_P{ارك} = \sqrt{3} \مضروبًا في 20,000 \مضروبًا في 25,000 \مضروبًا في 0.85 = 736 \نص{م.و.و.}$

$\frac{dP}{dt} = \frac{0.4 \times 736 \times 10^6}{0.5} = 589 \\نص \{ميجاباسكال/ثانية}$

589 ميجا باسكال في الثانية - يرتفع ضغط اللوحة بمعدل 600 ضغط جوي تقريبًا في الثانية أثناء قوس تيار العطل الكامل. يجب أن تقوم قناة تنفيس القوس القوسي بتنفيس حجم غاز كافٍ للحفاظ على ضغط اللوحة أقل من الحد الهيكلي للحاوية - عادةً 50-100 كيلو باسكال فوق الغلاف الجوي - خلال أول 50-100 مللي ثانية من بدء القوس القوسي. كل تقييد في قناة التنفيس يزيد من الضغط الخلفي أو يقلل من معدل التدفق يزيد مباشرةً من ذروة ضغط اللوحة وخطر حدوث فشل هيكلي للحاوية.

حالة العميل التي توضح نتيجة فجوة الشهادة: اتصل أحد مهندسي تصميم المحطات الفرعية في أحد مقاولي الهندسة والمشتريات والبناء في المملكة العربية السعودية بشركة Bepto بعد أن تسبب حدث قوس كهربائي داخلي في محطة فرعية بجهد 33 كيلو فولت AIS في تمزق حاوية اللوحة على الرغم من أن اللوحات تحمل شهادة IEC 62271-200 IAC صالحة عند 25 كيلو أمبير لمدة 0.5 ثانية. كشفت التحقيقات التي أجريت بعد الحادث أن قنوات تنفيس القوس الكهربائي المركبة كانت أطول ب 4.2 متر من قناة الاختبار التي يبلغ طولها 1.5 متر والموثقة في تقرير اختبار النوع - زاد طول القناة الإضافية من الضغط الخلفي عند فتحة تنفيس اللوحة بمعامل 3.8، مما قلل من معدل تدفق التنفيس إلى أقل من الحد الأدنى المطلوب للحفاظ على ضغط اللوحة ضمن الحد الهيكلي. تمزقت الضميمة عند 180 مللي ثانية - قبل أن تزيل الحماية من المنبع العطل عند 350 مللي ثانية. تعرض اثنان من موظفي الصيانة في المحطة الفرعية وقت وقوع الحادث لإصابات بحروق جراء تمزق الضميمة. قدم الفريق الفني لشركة Bepto إعادة تصميم القناة التي تطابق المقاومة الهيدروليكية للقناة المركبة مع مواصفات قناة الاختبار - مما تطلب زيادة المقطع العرضي للقناة من 400 مم × 400 مم إلى 600 مم × 500 مم لطول 4.2 متر المركبة.

ما هي معلمات تصميم قنوات تخفيف القوس الحرجة الستة التي يخطئ المهندسون في أغلب الأحيان في تصميمها

هناك ستة معلمات لتصميم قناة تخفيف القوس الكهربائي مسؤولة عن غالبية أعطال أنظمة الحماية من القوس الكهربائي المثبتة - يمثل كل منها قرارًا هندسيًا يتم اتخاذه أثناء تصميم المحطة الفرعية ولكن يتم التحقق من صحته فقط أثناء وقوع حدث القوس الكهربائي.

الخطأ 1: مساحة المقطع العرضي للقناة أصغر من حجمها

يجب أن تستوعب مجرى تنفيس القوس الكهربائي ذروة معدل تدفق الغاز المتولد أثناء حدث القوس الكهربائي - وهو معدل تدفق يتم تحديده من خلال طاقة القوس الكهربائي وحجم اللوحة والحد الأقصى المسموح به لضغط اللوحة. الحد الأدنى لمساحة المقطع العرضي للقناة هو:

$A_{duct} = \\frac{\dot{\dot{V}{V}{غاز}}$

المكان $\نقطة{V}{غاز}$ هو ذروة معدل التدفق الحجمي للغاز (م³/ث) و $v{غاز}$ هي سرعة الغاز في القناة (م/ثانية). بالنسبة لحدث قوسي بقوة 25 كيلو أمبير، فإن ذروة معدل تدفق الغاز من لوحة تبلغ 0.5 متر مكعب تبلغ حوالي 15-25 متر مكعب/ثانية - مما يتطلب مساحة مقطع عرضي للقناة تبلغ 0.15-0.25 متر مربع كحد أدنى (390 مم × 390 مم كحد أدنى) بسرعة غاز تبلغ 100 م/ثانية.

الخطأ الأكثر شيوعاً في تصغير الحجم: تحديد المقطع العرضي لقناة تنفيس القوس بناءً على أبعاد فتحة تنفيس اللوحة - وليس على حساب معدل تدفق الغاز. يتم تحديد حجم فتحات تنفيس اللوحة حسب طول قناة الاختبار. تتطلب القنوات المركبة الأطول مقاطع عرضية أكبر للحفاظ على مقاومة هيدروليكية مكافئة.

الخطأ 2: تراكم معامل فقد الانحناء

يضيف كل انحناء في قناة تنفيس القوس فقدانًا للضغط يقلل من معدل تدفق التنفيس الفعال³. فقدان الضغط عبر منحنى بزاوية 90 درجة:

$\ دلتا P_P{bend} = K{bend} \times \frac{\rho_{الغاز} \times v_teimes v_{gas}^2}{2}$

المكان $ك{بند}$ هو معامل فقد الانحناء (0.3-1.5 حسب نسبة نصف قطر الانحناء إلى قطر القناة) و $\رهو_{غاز}$ هي كثافة الغاز الساخن (حوالي 0.3-0.5 كجم/م³ عند درجات حرارة القوس). بالنسبة للانحناء بزاوية 90 درجة ($ك{بند}$ = 1.5) عند سرعة غاز تبلغ 100 م/ثانية:

$\ دلتا P_P{Bend} = 1.5 \times \frac{0.4 \times 100^2}{2} = 3000 \ttext{ Pa} = 3 \ttext{ kPa}$

ثلاثة انحناءات بزاوية 90 درجة تتراكم 9 كيلو باسكال من الضغط الخلفي - ما يعادل إضافة 2.5 متر تقريباً من القناة المستقيمة إلى المقاومة الهيدروليكية. فتصميم مجرى مجرى هيدروليكي ذو ثلاث انحناءات بزاوية 90 درجة و3 أمتار من المجرى المستقيم له مقاومة هيدروليكية تعادل 5.5 متر تقريباً من المجرى المستقيم - ولكن كثيراً ما يتم تحديده كما لو كان له مقاومة 3 أمتار.

مواصفات الانحناء الصحيحة: استخدم الانحناءات الممسوحة مع نسبة نصف القطر إلى القطر ≥ 1.5 ($ك{بند}$ = 0.3) بدلًا من الانحناءات المثنية - يقلل من فقدان ضغط الانحناء بمعامل 5 لكل انحناء في مسار القناة.

الخطأ 3: انسداد نقطة التفريغ والضغط الخلفي

يجب أن تكون نقطة تفريغ مجرى تنفيس القوس الكهربائي دون عائق ويجب أن يتم التفريغ في مساحة ذات حجم كافٍ لامتصاص غاز القوس الكهربائي دون توليد ضغط خلفي كبير عند مخرج المجرى. أخطاء نقطة التفريغ الشائعة:

• شبكة التفريغ ذات فتحات التفريغ: تعمل اللوفرات ذات المساحة المفتوحة 40-60% على تقليل المقطع العرضي الفعال للتفريغ بمقدار 40-60% - مما يزيد من سرعة التفريغ والضغط الخلفي بشكل متناسب
• التفريغ في جلسة محصورة: يؤدي تفريغ العديد من قنوات تنفيس اللوحات المتعددة في فتحة جلوس مشتركة بدون حجم مناسب للفتحة إلى خلق ضغط خلفي يزداد مع كل فتحة تنفيس إضافية في نفس الوقت
• نقطة التفريغ على بعد 2 متر من جدار المبنى: تعود موجة الضغط المنعكسة من جدار المبنى إلى مخرج القناة وتزيد من الضغط الخلفي الفعال بمقدار 20-40%
• نقطة التفريغ مسدودة بواسطة علبة الكابلات أو القناة: إدارة الكابلات بعد التركيب المثبتة عبر نقطة التفريغ تقلل من مساحة التفريغ الفعالة دون الحاجة إلى مراجعة التصميم

الخطأ 4: تفاعل الاصطفاف متعدد اللوحات - مشكلة التنفيس المتزامن

في مجموعة المفاتيح الكهربائية AIS متعددة اللوحات، يمكن أن ينتشر القوس الداخلي في لوحة واحدة إلى اللوحات المجاورة من خلال وصلات قضبان التوصيل - مما يؤدي إلى أحداث قوس متزامنة في لوحات متعددة يتم تنفيسها جميعًا من خلال نفس نظام قناة التنفيس في نفس الوقت. معدل تدفق الغاز المشترك من التنفيس المتزامن متعدد اللوحات:

$\dot{V}{Total} = n{لوحات} \ مرات \times \dot{V}{لوحة واحدة}$

لثلاثة ألواح تنفيس في وقت واحد بسرعة 15 متر مكعب/ثانية لكل منها:

$\dot{V}{V}{total} = 3 \times 15 = 45 \\ttext{ m³/s}$

ينتج عن قناة تنفيس مشتركة بحجم قناة تنفيس أحادية اللوحة (0.15 متر مربع) بمعدل التدفق هذا سرعة غاز تبلغ:

$v_{الغاز} = \frac{45}{0.15} = 300 \{ م/ث}$

300 م/ث - تقترب من سرعة الصوت في خليط الغاز الساخن - مما ينتج عنه تكوين موجة صدمية في القناة وضغط ارتجاعي كارثي يؤدي إلى هزيمة نظام التنفيس بالكامل. يجب أن يكون حجم قنوات التنفيس المشتركة للوحات المتعددة اللوحات مناسبًا لأقصى سيناريو تنفيس متزامن موثوق به - وليس للتنفيس بلوحة واحدة.

الخطأ 5: عدم تطابق مدة القوس مع وقت مسح الحماية

يتم إجراء اختبار IEC 62271-200 IAC عند مدة قوس محددة - عادةً 0.1 ثانية أو 0.5 ثانية أو 1.0 ثانية. يجب أن يزيل نظام حماية المحطات الفرعية المركب خطأ القوس الكهربائي خلال المدة المختبرة لكي تكون شهادة IAC قابلة للتطبيق⁴. عدم التطابق الأكثر خطورة: تحديد اللوحات المزودة بشهادة IAC بمدة قوس 0.1 ثانية في محطة فرعية حيث يكون للحماية في المنبع مخطط تنسيق متدرج زمنيًا مع زمن تصفية 0.5 ثانية على مستوى عمود التوصيل.

التحقق من وقت إزالة الحماية:
$t_{واضح} \q t{IAC_test}$

يجب التحقق من هذا التفاوت في كل دراسة لتنسيق مرحل الحماية - وليس افتراضه بناءً على إعداد المرحل الاسمي. يتضمن زمن المقاصة الفعلي زمن تشغيل المرحل وزمن تشغيل قاطع الدائرة، وأي هامش لتقدير الوقت:

$t_{مسح} = t{الترحيل} + t_{CB_opission}+ t{CB_operation} + t{الهامش}$

بالنسبة لمخطط متدرج زمنيًا مع إعداد مرحل 0.3 ثانية، و0.08 ثانية وقت تشغيل CB، وهامش تقدير 0.1 ثانية:

$t_{clear} = 0.3 + 0.08 + 0.08 + 0.1 = 0.48 \{نص}$

لم يتم اعتماد اللوحة الحاصلة على شهادة IAC عند مدة قوس 0.1 ثانية لوقت الإزالة البالغ 0.48 ثانية - حيث تتجاوز طاقة القوس المودعة في اللوحة خلال الـ 0.38 ثانية الإضافية السعة الهيكلية للحاوية المختبرة.

الخطأ 6: إغفال حساب منطقة الإشعاع الحراري

يتحقق اختبار مؤشر القطن IEC 62271-200 من أن الإشعاع الحراري وقذف الغاز الساخن من نقطة تفريغ مجرى التنفيس لا يشعل النسيج القطني على مسافات محددة - ولكن يتم تحديد مواضع المؤشر لتكوين الاختبار. بالنسبة للتكوينات المركبة ذات نقاط التفريغ المعاد توجيهها، يجب إعادة حساب منطقة الإشعاع الحراري:

$r_{الحرارة} = \sqrt{\frac{P_{Arc} \times t_teimes t_{arc}}{4\pi \times E_{{{الإشعال}}}$

المكان $E_{الإشعال}$ هو تدفق طاقة الإشعال للمادة عند نقطة التفريغ (حوالي 10 كيلو جول/م² للقطن، 25 كيلو جول/م² لعزل الكابلات القياسي). يجب إنشاء مناطق استبعاد الأفراد ومساحات خلوص المواد القابلة للاحتراق حول نقطة التفريغ بناءً على هذا الحساب - وليس افتراضًا من مواضع مؤشر تكوين الاختبار.

كيف يتم تحديد تكوين قناة تخفيف القوس الكهربائي والتحقق من صحة تكوين قناة تخفيف القوس الكهربائي لكل تطبيق من تطبيقات المحطات الفرعية لمفاتيح AIS؟

الخطوة 1: إنشاء معلمات خطأ القوس الكهربائي في عقدة التثبيت

قبل تحديد قناة تنفيس القوس، حدد المعلمات الكهربائية التي تحدد طاقة القوس التي يجب أن يديرها نظام التنفيس:

• تيار العطل المحتمل عند عمود توصيل مجموعة المفاتيح الكهربائية: الحساب من معاوقة الشبكة - التحقق من ذلك مقابل تيار اختبار IAC IEC 62271-200؛ إذا تجاوز تيار العطل في التركيب تيار الاختبار، فإن شهادة IAC غير قابلة للتطبيق
• وقت تصفية الحماية: الحصول على من دراسة تنسيق الحماية - التحقق $t_{واضح} \q t{IAC_test}$ لكل تكوين نظام حماية بما في ذلك الحماية الاحتياطية
• جهد النظام: تأكد من تطابق الجهد المقنن مع جهد اختبار IAC - لا يُسمح بالاشتقاق لجهد أعلى

الخطوة 2: حساب ميزانية المقاومة الهيدروليكية للقناة المطلوبة

يجب ألا تتجاوز المقاومة الهيدروليكية لقناة تنفيس القوس الكهربائي المركبة المقاومة الهيدروليكية لقناة الاختبار الموثقة في تقرير اختبار نوع IAC. احسب المقاومة الهيدروليكية لقناة الاختبار:

$R_{هيدروليكي_اختبار} = \\frac{f \times L_{test}}{D_{h_test}} + \مجموع K_{{اختبار_الانحناءات_الاختبار}$

المكان $f$ هو عامل احتكاك دارسي (عادةً 0.02 للقناة الفولاذية الملساء)⁵, $L_{اختبار}$ طول قناة الاختبار (م), $د{ح_اختبار}$ القطر الهيدروليكي لقناة الاختبار (م)، و $\مجموع K_{Bends_test}$ هو مجموع معاملات فقد الانحناء في قناة الاختبار. يجب أن تفي القناة المركبة بـ

$\frac{f \times L_{installed}}{D_{h_installed}} + \مجموع K_{{مثبّتة} \مجموع K_{مثبّتة} \مجموع R_{هيدروليك_اختبار}$

إذا كان طول القناة المركبة أو عدد الانحناءات يتجاوز تكوين الاختبار، قم بزيادة المقطع العرضي للقناة للحفاظ على مقاومة هيدروليكية مكافئة.

الخطوة 3: التحقق من صحة تكوين نقطة التفريغ

معلمة نقطة التفريغ	المتطلبات	الخطأ الشائع
الحد الأدنى من المساحة الخالية عند التفريغ	≥ 100% من المقطع العرضي للقناة	مصبغة ذات كوة تقلل من المساحة الحرة 50%
الحد الأدنى للخلوص إلى جدار المبنى	≥ 2 m	نقطة التفريغ ملاصقة للجدار
الحد الأدنى للخلوص إلى المواد القابلة للاحتراق	لكل حساب منطقة إشعاع حراري	صواني الكابلات داخل نصف قطر الاشتعال المحسوب
منطقة استبعاد الموظفين	لكل مؤشر قطن مكافئ المسافة المكافئة	لا توجد منطقة محظورة محددة أو مطبقة
الحجم المكتمل المشترك (في حالة استخدامه)	≥ 10 × 10 × حجم فتحة تهوية اللوحة الواحدة	فتحة مكشوفة غير كبيرة الحجم تخلق ضغطاً خلفياً
اتجاه التفريغ	بعيدًا عن طرق وصول الأفراد	التفريغ الموجه نحو مدخل المحطة الفرعية

الخطوة 4: التحقق من سيناريو التنفيس المتزامن متعدد اللوحات

بالنسبة لمجموعات المفاتيح الكهربائية AIS التي تحتوي على لوحات متصلة بقضيب التوصيل، حدد الحد الأقصى لعدد اللوحات التي يمكن تنفيسها في وقت واحد بناءً على تحليل انتشار القوس الكهربائي - عادةً عدد اللوحات المتصلة بقسم قضيب توصيل مشترك بين مفاتيح قسم التوصيل. قم بتحديد حجم نظام أنابيب التنفيس لسيناريو التنفيس المتزامن هذا.

التطبيق الفرعي: سيناريوهات تخطيط المحطات الفرعية

• محطة فرعية داخلية مزودة بتفريغ على السطح: مجرى من أعلى اللوحة عبر السقف - التحقق من طول المجرى مقابل تكوين الاختبار؛ توفير غطاء تفريغ مقاوم للعوامل الجوية مع مساحة خالية ≥ 100%؛ إنشاء منطقة استبعاد السقف أثناء حدث القوس الكهربائي
• محطة فرعية داخلية مزودة بتفريغ جداري: الأنبوب الأفقي إلى الجدار الخارجي - كل انحناء بزاوية 90 درجة من العمودي إلى الأفقي يتطلب مواصفات الانحناء الكاسح؛ يجب أن تكون نقطة التفريغ خالية من زوايا المبنى المعاد
• محطة فرعية في الطابق السفلي: القناة العمودية لأعلى عبر مستويات الطوابق - غالباً ما يتجاوز الحد الأقصى لطول القناة العملي طول القناة الاختبارية؛ زيادة المقطع العرضي إلزامية؛ التحقق من الدعم الهيكلي لوزن القناة
• محطة فرعية خارجية مع ضميمة: قناة تنفيس مثبتة على اللوحة يتم تفريغها داخل الضميمة الخارجية - تحقق من أن حجم الضميمة كافٍ لامتصاص غاز القوس الكهربائي دون تراكم الضغط الذي يدخل اللوحة مرة أخرى من خلال فتحة التنفيس

حالة العميل الثاني ورد طلب مراجعة دليل اختيار من مدير مشتريات في أحد مرافق الطاقة في نيجيريا يحدد مجموعة مفاتيح كهربائية ذات مفتاح كهربائي AIS لاثنتي عشرة محطة توزيع فرعية بجهد 33 كيلو فولت. تطلبت المواصفات الأصلية تصنيف IAC عند 25 كيلو أمبير لمدة 0.5 ثانية مع قنوات تخفيف القوس الكهربائي حسب التكوين القياسي لكتالوج الشركة المصنعة - قناة 400 مم × 400 مم بطول 1.5 متر. كشفت مسوحات الموقع أن إحدى عشرة محطة من أصل اثنتي عشرة محطة فرعية تطلبت أنابيب يتراوح طولها بين 2.8 متر و5.1 متر بسبب ارتفاع السقف وقيود هيكل السقف. أجرى فريق هندسة التطبيقات في شركة Bepto حسابات المقاومة الهيدروليكية لكل موقع - وحدد أن المقاطع العرضية للقنوات من 500 مم × 500 مم إلى 650 مم × 550 مم مطلوبة للأطوال المركبة للحفاظ على مقاومة هيدروليكية مكافئة لتكوين الاختبار. وأُدرجت مواصفات مجاري الهواء المعدلة في وثائق المشتريات قبل المناقصة - مما حال دون حدوث فجوة الامتثال بعد التركيب التي كانت ستحدثها مواصفات الكتالوج الأصلي في جميع المواقع الأحد عشر غير القياسية.

ما هي أخطاء التركيب وتغييرات ما بعد التكليف التي تبطل أداء قناة تخفيف القوس الكهربائي في محطات الجهد العالي الفرعية؟

أخطاء التثبيت التي تبطل أداء تخفيف القوس القوسي

يمكن أن يكون تصميم قناة تخفيف القوس الكهربائي محددًا بشكل صحيح ومع ذلك يفشل في الأداء كما هو مصمم إذا أدى تنفيذ التركيب إلى انحرافات عن التصميم غير معترف بها كتعديلات في نظام الحماية من القوس الكهربائي.

خطأ في التركيب 1 - عدم محاذاة وصلة مجرى الهواء بشكل غير صحيح مما يؤدي إلى انسداد داخلي:
تُنشئ مقاطع أنابيب تنفيس القوس التي تكون غير متحاذية عند الوصلات حوافاً داخلية تعمل كعوائق للتدفق - مما يزيد من المقاومة الهيدروليكية فوق القيمة التصميمية. إن وجود حافة داخلية قطرها 20 مم عند وصلة مجرى مجرى مائي في مجرى مائي قطره 400 مم × 400 مم يقلل من المقطع العرضي الفعال بمقدار 10% ويزيد المقاومة الهيدروليكية بحوالي 21% في موقع الوصلة.

متطلبات التحقق: افحص جميع وصلات مجاري الهواء باستخدام شعلة ومرآة قبل تنشيط اللوحة - تأكد من المحاذاة الداخلية في حدود ± 5 مم في جميع الوصلات.

خطأ في التركيب 2 - أقواس دعم مجاري الهواء المثبتة كأعضاء عرضية داخلية:
تقوم طواقم التركيب من حين لآخر بتركيب أقواس دعم مجاري الهواء كأعضاء عرضية داخلية تمتد داخل القناة - وهو اختصار هيكلي يخلق عائقاً دائماً للتدفق. تقلل الأعضاء المستعرضة الداخلية في مجرى مجرى الهواء مقاس 400 مم × 400 مم من المقطع العرضي الفعال بمقدار 15-25% اعتماداً على أبعاد الدعامة.

متطلبات التحقق: تأكد من أن جميع دعامات دعامات مجاري الهواء خارجية - غير مسموح باستخدام دعامات عرضية داخلية في مسارات مجاري الهواء ذات الأقواس.

خطأ في التركيب 3 - رفرف تنفيس الضغط مركب في اتجاه عكسي:
يجب تركيب لوحات تخفيف ضغط مجرى تنفيس القوس - اللوحات المحملة بنابض أو اللوحات التي تعمل بالجاذبية التي تغلق المجرى في الظروف العادية وتفتح تحت ضغط القوس - مع محاذاة اتجاه الفتح مع اتجاه تدفق الغاز. التركيب العكسي يخلق رفرفًا يفتح عكس اتجاه تدفق الغاز، مما يتطلب ضغطًا أعلى لفتحه ويقلل من المقطع العرضي الفعال للقناة أثناء الفتح.

متطلبات التحقق: تأكد من تطابق اتجاه فتح رفرف تنفيس الضغط مع اتجاه تدفق الغاز - ضع علامة على اتجاه التدفق على القناة أثناء التركيب.

التغييرات اللاحقة للتكليف التي تبطل أداء تخفيف القوس

تعد التغييرات التي تطرأ على المحطة الفرعية بعد بدء التشغيل والتي تؤثر على قناة تخفيف القوس الكهربائي أخطر مصدر لإبطال الحماية من القوس الكهربائي - لأنها تحدث بعد اكتمال التحقق من التشغيل وغالبًا ما لا يتم التعرف عليها كتعديلات في نظام الحماية من القوس الكهربائي.

التغيير 1 - تركيب علبة الكابلات عبر نقطة التفريغ:
كثيرًا ما تقوم إدارة الكابلات الثانوية التي يتم تركيبها بعد بدء تشغيل مجموعة المفاتيح الكهربائية بتوجيه صواني الكابلات عبر نقاط تفريغ قنوات تخفيف القوس الكهربائي أو بجوارها - مما يقلل من مساحة التفريغ الفعالة دون الحاجة إلى مراجعة رسمية لتغيير التصميم. تعمل علبة الكابلات التي تقلل من المساحة الخالية لنقطة التفريغ بمقدار 30% على زيادة الضغط الخلفي للتفريغ بحوالي 100% - مما يضاعف ذروة ضغط اللوحة أثناء حدوث القوس الكهربائي.

التغيير 2 - إضافة لوحات إضافية إلى التشكيلة الحالية:
يؤدي توسيع تشكيلة مجموعة المفاتيح الكهربائية AIS بإضافة لوحات إلى قسم عمود التوصيل الحالي إلى زيادة الحد الأقصى لسيناريو التنفيس المتزامن - مما قد يتجاوز سعة نظام قناة التنفيس المشتركة الحالي. يجب أن تؤدي كل إضافة لوحة إلى قسم عمود التوصيل إلى إعادة تقييم حجم قناة التنفيس المشتركة.

التغيير 3 - تغيير 3 - تغيير استخدام غرفة المحطة الفرعية:
يؤدي تحويل غرفة مجاورة من قبو الكابلات إلى منطقة عمل للأفراد إلى نقل الأشخاص إلى القرب من منطقة تفريغ مجرى تصريف أنابيب تخفيف القوس الكهربائي - دون تغيير موقع نقطة التفريغ أو إنشاء منطقة استبعاد الأفراد المطلوبة للإشغال الجديد.

التغيير 4 - تعديل إعداد مرحل الحماية 4 - تعديل إعداد مرحل الحماية:
تؤدي زيادة هوامش التقدير الزمني لمرحل الحماية لتحسين التنسيق مع الحماية النهائية إلى زيادة وقت إزالة القوس الكهربائي - مما قد يتجاوز مدة اختبار IAC. يجب تقييم كل تغيير في إعداد مرحل الحماية مقابل مدة اختبار IAC للتأكد من استمرار الامتثال.

قائمة التحقق ما بعد التكليف

عنصر التحقق	التردد	الطريقة	معيار القبول
قياس المساحة الخالية من نقطة التفريغ	سنوي	القياس الفيزيائي	≥ 100% من المقطع العرضي للقناة - لا توجد عوائق جديدة
الفحص الداخلي للقناة	كل 3 سنوات	مصباح ومرآة أو منظار ثقب البئر	لا توجد عوائق داخلية، أو تآكل، أو اختلال في المفصل
اختبار تشغيل رفرف تنفيس الضغط	كل 3 سنوات	اختبار التشغيل اليدوي	يفتح بحرية عند الضغط التصميمي - لا يوجد ربط أو تآكل
التحقق من منطقة استبعاد الموظفين	سنوي	مسح الموقع مقابل حساب منطقة الإشعاع الحراري	لا يوجد إشغال دائم داخل منطقة الاستبعاد المحسوبة
التحقق من وقت تصفية الحماية	بعد كل تغيير في إعدادات الترحيل	مراجعة دراسة تنسيق الحماية مراجعة الدراسة	$t_{واضح} \q t{IAC_test}$ تم التأكيد
مراجعة سيناريو التنفيس المتزامن	بعد كل إضافة للوحة	إعادة حساب المقاومة الهيدروليكية	السعة المشتركة للقناة المشتركة ≥ متطلبات التهوية المتزامنة

بروتوكول إدارة التغيير لأنظمة الإغاثة من القوس قوس قزح

يجب أن يمر كل تعديل على المحطة الفرعية يمكن أن يؤثر على أداء قناة تخفيف القوس الكهربائي من خلال مراجعة رسمية لإدارة التغيير (MOC) تتضمن:

1. تقييم أثر الحماية من القوس الكهربائي: هل يؤثر التغيير على المقطع العرضي للقناة، أو طول القناة، أو عدد الانحناءات، أو المساحة الخالية لنقطة التفريغ، أو سيناريو التنفيس المتزامن، أو وقت إزالة الحماية؟
2. إعادة حساب المقاومة الهيدروليكية: إذا تغيرت أي معلمة لتخفيف القوس، أعد حساب المقاومة الهيدروليكية للقناة المركبة وتحقق من أنها لا تزال ضمن ميزانية تكوين الاختبار
3. إعادة التحقق من الامتثال لـ IAC التأكد من أن التكوين المعدل لا يزال ضمن نطاق شهادة اختبار النوع IAC - أو تحديد الحاجة إلى إجراء اختبار تكميلي
4. تحديث منطقة استبعاد الموظفين: إعادة حساب منطقة الإشعاع الحراري لأي تغيير في هندسة نقطة التفريغ وتحديث علامات منطقة الاستبعاد وقيود الوصول

الخاتمة

لا يتم اكتشاف أخطاء تصميم قناة تنفيس القوس الكهربائي في المحطات الفرعية للمفاتيح الكهربائية AIS أثناء مراجعات التصميم أو عمليات التفتيش على التشغيل أو زيارات الصيانة الروتينية - بل يتم اكتشافها أثناء أحداث القوس الكهربائي الداخلية، عندما تفشل قناة التنفيس التي كان من المفترض أن تعمل كما هو مصمم إما في تنفيس طاقة القوس الكهربائي ضمن الحد الهيكلي للوحة أو توجه بلازما القوس الكهربائي والإشعاع الحراري نحو الأفراد الذين كان من المفترض أن يكونوا محميين بشهادة IEC 62271-200 IAC على لوحة اللوحة. إن أخطاء التصميم الستة الحرجة الستة - نقص حجم القناة، وتراكم فقدان الانحناء، وعرقلة نقطة التفريغ، والتنفيس المتزامن متعدد الألواح في وقت واحد، وعدم تطابق مدة القوس، وإغفال منطقة الإشعاع الحراري - كل منها على حدة قادر على جعل نظام الحماية من القوس الكهربائي غير فعال، وتتضاعف الأخطاء عند وجود أخطاء متعددة في نفس التركيب. تعامل مع شهادة اختبار نوع IAC IAC IEC 62271-200 IEC 62271-200 كنقطة البداية لتصميم قناة تخفيف القوس الكهربائي - وليس نقطة النهاية: حساب المقاومة الهيدروليكية للقناة المركبة مقابل مواصفات قناة الاختبار لكل موقع، والتحقق من صحة المنطقة الخالية لنقطة التفريغ ومنطقة استبعاد الأفراد مقابل حساب منطقة الإشعاع الحراري، والتحقق من وقت إزالة الحماية مقابل مدة اختبار IAC لكل تكوين لمخطط الحماية, تنفيذ بروتوكول إدارة التغيير الرسمي الذي يلتقط كل تعديل بعد التكليف الذي يؤثر على أداء تخفيف القوس الكهربائي، وإعادة تقييم سيناريو التنفيس المتزامن في كل مرة يتم فيها إضافة لوحة إلى قسم عمود التوصيل الحالي - لأن قناة تخفيف القوس الكهربائي التي تعمل بشكل صحيح عند وقوع حدث القوس الكهربائي هي التي تم تصميمها وتركيبها وصيانتها كنظام هندسي وليس كملحق كتالوج.

الأسئلة الشائعة حول تصميم قناة تخفيف القوس الكهربائي للمفاتيح الكهربائية AIS

1. “شرح تصنيف القوس الكهربائي الداخلي (IAC AFLR، أساسيات 16/25/31.5 كيلو أمبير)”, https://www.nuventura.com/news/internal-arc-classification-explained-iac-aflr-16-25-31-5-ka-basics. تحدد وثيقة الصناعة هذه فئات أداء السلامة لمجموعة المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المتوسط أثناء أعطال القوس الكهربائي الداخلية. دور الدليل: دعم_عام؛ نوع المصدر: الصناعة. الدعم: التحقق من صحة الغرض ونطاق معيار IEC 62271-200 لتصنيف القوس الكهربائي الداخلي في حاويات المفاتيح الكهربائية. ↩

2. “الحرارة النوعية - الغاز غير الكامل حراريًا”, https://www.grc.nasa.gov/www/BGH/realspec.html. تحدد هذه المادة المرجعية لوكالة ناسا معلمات السعة الحرارية النوعية للهواء في ظل ظروف ديناميكية هوائية متفاوتة. دور الدليل: إحصائية؛ نوع المصدر: حكومي. يدعم: يؤكد الثابت الديناميكي الحراري المستخدم لحساب معدل ارتفاع الضغط السريع داخل لوحة المفاتيح. ملاحظة النطاق: تنطبق على الهواء عند السرعات المنخفضة ودرجات الحرارة القياسية قبل حدوث الإثارة فوق الصوتية. ↩

3. “سرعة تدفق الهواء ومعامل الضغط حول القناة المستطيلة بزاوية 90 درجة”, https://www.scribd.com/document/627960174/Air-Flow-Velocity-and-Pressure-Coefficient-Around-the-90o-Rectangular-Duct-Fluid-Exp-5. يوضح هذا التحليل التجريبي لديناميكيات الموائع التجريبية كيف تتسبب أكواع وانحناءات خطوط الأنابيب في تبديد الطاقة المحلية. دور الدليل: الآلية؛ نوع المصدر: بحث. يدعم: يشرح مبدأ ديناميكيات الموائع بأن انحناءات الأنابيب تزيد من المقاومة الهيدروليكية وتحد بشدة من تنفيس الغاز الفعال. ↩

4. “تقييم وميض القوس الكهربائي عالي الجهد وتطبيقاته - الجزء 2”, https://netaworldjournal.org/2019/09/marroquinrehmanmadani/features/high-voltage-arc-flash-assessment-and-applications-part-2/. تبحث هذه المجلة الهندسية في كيفية تحديد إعدادات مرحل الحماية لأوقات إزالة الأعطال والتعرض التراكمي لطاقة القوس الكهربائي. دور الدليل: الآلية؛ نوع المصدر: الصناعة. يدعم: يؤكد العلاقة السببية بين زمن إزالة الحماية من المنبع وأقصى مدة قوس كهربائي يجب أن تتحملها اللوحة فعليًا. ↩

5. “نماذج احتكاك الأنابيب - المضخة والتدفق”, https://www.pumpandflow.com.au/pipe-friction-models/. يغطي هذا المرجع الهندسي نماذج احتكاك دارسي-ويزباخ وقيم خشونة مخطط مودي لمختلف مواد الأنابيب. دور الدليل: إحصائية؛ نوع المصدر: الصناعة. يدعم: يوفر قيمة معامل الاحتكاك التجريبي اللازمة لحساب ميزانية المقاومة الهيدروليكية الكلية لمجرى مجرى مجرى قناة الإغاثة. ↩