تطور نهايات كابلات أنظمة العزل الغازي: من النهايات المملوءة بالسوائل إلى الابتكارات الجافة

شهدت وصلات كابلات الطاقة عالية الجهد مع مفاتيح التوزيع المعزولة بالغاز (GIS) تحولاً جذرياً على مدى العقود الخمسة الماضية. فما بدأ كتركيبات ضخمة مملوءة بالزيت تتطلب أعمالاً ميدانية مكثفة، تطور إلى أنظمة مدمجة وجافة وسهلة التركيب، تتميز بسرعة وأمان وموثوقية غير مسبوقة. تتناول هذه المقالة تطور وصلات كابلات GIS، بدءاً من تركيباتها التقليدية المملوءة بالسوائل وصولاً إلى أحدث التقنيات الجافة المستخدمة اليوم.

1. الأيام الأولى: نهايات مملوءة بالسوائل

قبل تطوير وصلات التوصيل الجافة المدمجة، كانت وصلات المحولات ومفاتيح التبديل تُصنع باستخدام وصلات معزولة بالهواء أو مملوءة بالزيت.في أواخر سبعينيات القرن العشرين، تم تصنيع أولى الملحقات باستخدام حجرات الكابلات التي تحتوي على نهايات GIS مملوءة بالزيت أو نهايات المحولات ذات مخاريط الإجهاد المصبوبة مسبقًا.

كانت النهايات التقليدية المملوءة بالسوائل تتكون من عازل داعم (من الخزف أو المركب) مملوء بالزيت أو غاز سادس فلوريد الكبريت، مع مخروط إجهاد مطاطي مصبوب مسبقًا يتم إدخاله على الكابل المُجهز.تم ملء الحيز بين الكابل مع مخروط الإجهاد الخاص به والعازل الداعم بسائل عازل مثل الزيت أو غاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆).كان لهذا التصميم سجل حافل وطويل الأمد، ولكنه كان يحمل أيضاً عيوباً كبيرة..

2. تحديات التصاميم المملوءة بالسوائل

على الرغم من أن النهايات المملوءة بالسوائل كانت فعالة، إلا أنها طرحت العديد من التحديات المستمرة:

تركيب معقد في الموقع
كان لا بد من فتح حجرة كابلات نظام العزل الغازي في الموقع، وقام فني تركيب كابلات الجهد العالي بتركيب العازل الإيبوكسي وإدخال الكابل مع مخروط الضغط والموصل المثبتين. بعد ذلك، تم تفريغ العازل من الهواء وملؤه بالزيت.أما بالنسبة لتوصيلات المحولات، فقد كانت العملية أكثر تعقيدًا، إذ كان لا بد من ضخ زيت المحولات من حجرة الكابلات وإعادة ملئها مرة أخرى..

مخاطر التسرب
تطلب وجود السائل إحكام إغلاق الطرف بعناية فائقة لتجنب أي تسرب قد يؤدي إلى عطل كهربائيكانت النقطة الأكثر أهمية هي نقطة الالتقاء بين الكابل ولوحة قاعدة التوصيل، حيث كان يجب أن يتناسب نظام منع التسرب مع أحجام الكابلات المختلفة.هذا الخطر المحتمل للتسرب يتطلب فحصًا دوريًا للتحقق من مستوى الزيت أو ضغط الغاز.

مخاطر السلامة
في حالة حدوث قوس كهربائي داخلي، قد تتسبب النهايات المملوءة بالسوائل - وخاصة تلك المملوءة بالزيت - في أضرار جسيمة للمعدات المحيطة وتشكل مخاطر على الأفراد.كان لا بد من إحكام إغلاق النظام بشكل مثالي لتجنب أي تسرب وضمان الأداء الجيد طوال عمر المنتج..

متطلبات المساحة
على الرغم من هذه التحديات، تمثلت الميزة الكبيرة لهذه الوصلات الداخلية في التركيب المعزول والمحمي الذي يمكن وضعه داخل المباني بدلاً من الخارج، على الرغم من أن هذا الأمر جاء مصحوبًا بطلب هائل على المساحة..

3. التحول إلى البولي إيثيلين المتشابك والعزل الصلب

شهد تطور مواد عزل الكابلات نقطة تحول رئيسية. فعلى مدى العقود الماضية، تحولت مادة عزل الكابلات السائدة من الورق المشبع بالزيت إلى البولي إيثيلين المتشابك (XLPE).بالإضافة إلى ذلك، تم تغيير مادة العزل لملحقات الكابلات إلى مواد صلبة مثل المطاط العازل مثل مطاط السيليكون (SIR)..

أحدث هذا التحول تغييراً جذرياً في إمكانيات تصميم نهايات الكابلات. فمع الكابلات المعزولة بالبوليمر، لم تعد العوامل الدافعة لاستخدام الزيت موجودة.بدأت الصناعة في استكشاف بدائل خالية من السوائل يمكن أن تقضي على المخاطر المرتبطة بالعزل السائل.

4. ظهور نهايات النوع الجاف

تم إدخال أطراف الختم الخالية من السوائل، والتي تسمى أيضًا النهايات الجافة، مؤخرًا في أنظمة الجهد العالي، ولكنها تستخدم الآن على نطاق واسع لإنهاء الكابلات المبثوقة..

المزايا الرئيسية لتقنية التجفيف:

• القضاء على مخاطر التسرب

• انخفاض خطر الانفجار في حالة حدوث قوس كهربائي داخلي

• لا حاجة لإجراء فحوصات دورية لمستوى السوائل

• وزن أخف وتصميم أكثر إحكاما

تُستخدم أطراف الختم الجاف منذ سنوات عديدة في توصيلات أنظمة العزل الغازي (GIS) حتى مستوى الجهد العالي جدًا (550 كيلو فولت)، وقد أصبحت هذه التصاميم مقبولة على نطاق واسع وتميل بشكل متزايد إلى أن تكون المعيار لمثل هذه التطبيقات.بالنسبة للتطبيقات الداخلية، مثل أنظمة العزل الغازي أو توصيلات المحولات، أصبحت الأنظمة الجافة هي المعيار الآن، حيث تفوق مزاياها بشكل واضح مزايا النظام التقليدي المملوء بالسوائل..

5. ثورة التوصيل

يُعد تطوير تقنية إنهاء كابلات GIS أحد أهم الابتكارات في هذا المجال.أنظمة التوصيل الجافتتوفر أنظمة التوصيل المدمجة والجافة من نوع التوصيل المباشر منذ عام 1966 لتوصيل المحولات وصناديق التوصيل ومفاتيح التبديل المعزولة بالغاز..

ما الذي يجعل تصميم المكونات الإضافية ثوريًا؟

التجميع المسبق في المصنع
يتم تركيب العازل الإيبوكسي (الجلبة) مسبقًا من قبل الشركة المصنعة لنظام العزل الغازي في المصنع.يضمن ذلك تركيبًا مثاليًا ويزيل خطر التلوث في حجرة نظام المعلومات الجغرافية..

تركيب مبسط في الموقع
يتم تركيب جلبة المعدات مسبقًا في المصنع وفقًا لمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) للأنظمة الجافة.في الموقع، يقوم فني تركيب الكابلات ببساطة بتجهيز طرف الكابل وتوصيل الجزء القابل للتوصيل الذي يحتوي على مخروط الضغط وموصل الموصل..

تقليل وقت التركيب
يتم تقليل أوقات التجميع بشكل كبير مقارنة بالوصلات التقليدية، حيث يستغني النظام تمامًا عن مواد العزل السائلة.تتيح خاصية التوصيل السريع إمكانية فصل الكابل بسرعة وسهولة عن مكونات النظام في حالة حدوث عطل..

تصميم صغير الحجم
توفر أنظمة التوصيل المباشر طول تركيب أقصر بنسبة 50% مقارنة بالتصميم التقليديبما أن هذه الأنظمة تعمل على مواد عازلة صلبة، فإنه يمكن تحقيق أي ترتيب مكاني مرغوب فيه - سواء كان أفقيًا أو رأسيًا أو حتى مائلًا من الأعلى أو الأسفل..

موثوقية عالية
يُوفر استخدام المكونات المُصنّعة مسبقاً والمُختبرة مستوى عالياً من السلامة والموثوقية، مع تقليل أخطاء التجميع إلى أدنى حد.يتم استخدام أكثر من 2000 من هذه الأنظمة القابلة للتوصيل في جميع أنحاء العالم في شبكات الكابلات التي تصل إلى 145 كيلو فولت..

6. المخروط الداخلي مقابل المخروط الخارجي: معياران للواجهة

مع تطور تقنية التوصيل الجاف، ظهر تصميمان عامان مختلفان:"inner-cone" و "outer-cone"الأنظمةتم الاستغناء عن أنظمة منع التسرب التقليدية المملوءة بالسوائل واستبدالها بواجهة مطاطية/إيبوكسية تحت ضغط ميكانيكي.

نظام المخروط الداخلي:
يتناسب مخروط الإجهاد داخل العازل الإيبوكسي، مما يُنشئ واجهة مدمجة ومحمية. يُستخدم هذا التصميم على نطاق واسع في تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية، وغالبًا ما يتم توحيده لنطاقات الجهد المتوسط..

نظام المخروط الخارجي:
يُركّب مخروط الإجهاد خارج العازل الإيبوكسي، مما يوفر خصائص ميكانيكية وتركيبية مختلفة. ولكل نظام مؤيدوه، ويواصل المصنّعون تطوير نسخ مختلفة منه لتناسب فئات الجهد الكهربائي والتطبيقات المتنوعة..

7. دور المعايير: من IEC 60859 إلى IEC 62271-209

لقد رافق تطور نهايات كابلات GIS تطوير معايير دولية تحدد الواجهات والأبعاد ومتطلبات الاختبار.

IEC 60859 (1986):صدرت النسخة الأولى من هذا المعيار في عام 1986وقد غطت هذه الوثيقة وصلات الكابلات الخاصة بمفاتيح التبديل المعدنية المعزولة بالغاز حيث تكون نهايات الكابلات مملوءة بالسوائل..

IEC TS 60859 (1999):تم توسيع هذا الإصدار ليشمل كلاً من النهايات المملوءة بالسوائل والنهايات الجافة.

IEC 62271-209 (2007، 2019):يغطي المعيار الحالي عملية توصيل الكابلات المملوءة بالسوائل والكابلات المبثوقة بنظام العزل الغازي (GIS)، حيث تكون نهايات الكابلات إما مملوءة بالسوائل أو من النوع الجاف.يحدد هذا المعيار الواجهات بين نقطة التوصيل ومفاتيح التبديل، مما يضمن إمكانية استبدال المكونات من مختلف الشركات المصنعة..

CIGRE TB 784 (2019):يوفر هذا الكتيب الفني إرشادات تصميم قياسية لواجهة توصيل جافة شائعة الاستخدام لأنظمة العزل الغازي وكابلات الطاقة حتى 145 كيلوفولت..

8. تكنولوجيا التجفيف الناضجة اليوم

أصبحت التصاميم الجافة اليوم ناضجة ومهيمنة في توصيلات الكابلات لربطها بأنظمة العزل الغازي والمحولات حتى 550 كيلوفولت.أما بالنسبة لوصلات الكابلات المتصلة بأنظمة العزل الغازي والمحولات، فإن السوق السائد حاليًا هو تقنية التوصيل الجاف..

تم توسيع تصميم التوصيل القياسي القابل للتوصيل ليشمل مستويات جهد تصل إلى 245 كيلو فولت ومقاطع عرضية للكابلات تصل إلى 1600 مم²وفي الآونة الأخيرة، تم إدخال تقنية التوصيل المباشر لمحطات التوصيل الخارجية ذات الجهد العالي للغاية حتى جهد مقنن يبلغ 550 كيلو فولت..

الفوائد الرئيسية لنهايات أنظمة المعلومات الجغرافية الحديثة من النوع الجاف:

• ممنوع دخول السوائل - مما يزيل مخاطر التسرب والفحوصات الدورية

• وقت تركيب قصير - مما يقلل من العمل في الموقع

• تصميم صغير الحجم - يوفر مساحة قيّمة في المحطة الفرعية

• التجميع المسبق في المصنع - ضمان الجودة وتقليل مخاطر التلوث

• المرونة المكانية - أي اتجاه ممكن

9. الحدود التالية: حلول مستدامة وخالية من مادة SF₆

يستمر تطور نهايات كابلات أنظمة العزل الغازي (GIS) مع التركيز بشكل متزايد على الاستدامة البيئية. فغاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆)، على الرغم من كونه عازلاً ممتازاً، إلا أنه غاز دفيئة قوي. ويعمل القطاع حالياً على تطوير تصاميم لأنظمة العزل الغازي خالية من غاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆) ذات نهايات جافة..

التطورات الأخيرة:

• حققت شركة نيكسانز أول اختبار نوع كهربائي في العالم لنهايات كابلات التيار المستمر 525 كيلو فولت الخالية من غاز سادس فلوريد الكبريت في عام 2023.

• من خلال التخلص من استخدام غاز SF₆، يمكن أن تقلل نهايات الكابلات من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري المحتملة بنسبة 99% أو أكثر.

• يجري الآن تصميم وتنفيذ محطات فرعية معزولة بالغاز (GIS) خالية من غاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆) بجهد 420 كيلوفولت مزودة بنهايات توصيل جافة من النوع القابل للتوصيل.

• يعمل المصنعون على تطوير نهايات متوافقة مع الغازات البديلة مثل الخلائط القائمة على الفلورونيتريل والهواء النظيف مع انقطاع الفراغ..

تعكس رحلة نهايات كابلات GIS التطور الأوسع لهندسة الطاقة - من التصاميم المملوءة بالسوائل والتي تتطلب عمالة كثيفة في السبعينيات إلى أنظمة اليوم الجافة سهلة التوصيل التي يتم تجميعها في المصنع وتركيبها ميدانيًا في غضون ساعات، والمصممة لعقود من الخدمة دون صيانةلقد تم تطوير هذه التقنية من خلال مجموعة ثابتة من الأهداف: القضاء على مخاطر التسرب، وتقليل وقت التركيب، وتوفير المساحة، وتحسين الموثوقية..

مع اتجاه الصناعة نحو حلول خالية من غاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆) ومستويات جهد أعلى، يستمر التطور. لقد أصبح مفهوم التوصيل الجاف، الذي كان ثوريًا في السابق، المعيار الجديد، ما يُعدّ دليلًا على قوة الابتكار في جعل بنيتنا التحتية الكهربائية أكثر أمانًا وموثوقية واستدامة.منذ أنظمة التوصيل الأولى في عام 1966 وحتى نهايات 550 كيلو فولت الجافة اليوم، قطعت ملحقات كابلات GIS شوطًا طويلاً - والرحلة لم تنته بعد.