اضافه‌ولتاژهای ضربه‌ای کوره‌های القایی و انتخاب کابل و سرکابل ۵۲ کیلوولت در شبکه‌های رده ۳۶ کیلوولت

تصویر محصول پارس مفصل آسیا؛ انتخاب رده ولتاژی باید با مشخصات کابل و مطالعه هماهنگی عایقی تطبیق داده شود.

۲۶ مهر ۱۴۰۵

واحد فنی و مهندسی پارس مفصل آسیا

انتخاب کابل و سرکابل برای تغذیه کوره‌های القایی، صرفاً بر اساس ولتاژ نامی شبکه انجام نمی‌شود. در این تأسیسات، کلیدزنی ترانسفورماتور، عملکرد کلیدهای خلأ و شرایط مدار می‌توانند اضافه‌ولتاژهای گذرایی ایجاد کنند که عایق تجهیزات را تحت تنش قرار دهند. به همین دلیل، استفاده از کابل و سرکابل رده ۵۲ کیلوولت می‌تواند در برخی پروژه‌ها راهکاری برای افزایش حاشیه تحمل عایقی باشد؛ مشروط بر آنکه انتخاب تجهیزات بر مبنای مطالعه هماهنگی عایقی انجام شود. استاندارد IEC 60071-1 نیز انتخاب ولتاژهای تحمل تجهیزات را در چارچوب همین هماهنگی تعریف می‌کند. [۱]

منشأ ولتاژهای ضربه‌ای در مدار تغذیه کوره

در این بحث، منظور از ولتاژ ضربه‌ای، اضافه‌ولتاژ گذرایی است که بر ولتاژ عادی شبکه سوار می‌شود. این پدیده باید از هارمونیک‌ها، نوسانات ولتاژ و افزایش ولتاژ با فرکانس قدرت تفکیک شود.

یکی از سازوکارهای مهم، «قطع زودرس جریان» یا Current Chopping در کلید خلأ است. هنگام قطع جریان یک مدار القایی، انرژی ذخیره‌شده در اندوکتانس می‌تواند میان اندوکتانس و ظرفیت‌های مدار تبادل شود و نوسان ولتاژ ایجاد کند. اشتعال مجدد قوس در فاصله کنتاکت‌ها نیز ممکن است تنش‌های گذرای بیشتری به مدار تحمیل کند. شدت این پدیده به مشخصات کلید، ترانسفورماتور، کابل و ظرفیت‌های متصل به مدار وابسته است. بنابراین، برای تمام کوره‌ها نمی‌توان یک مقدار ثابت به‌عنوان «ولتاژ ضربه کوره» اعلام کرد. [۲]

در کوره‌های القایی، محل مورد بررسی باید دقیقاً مشخص باشد: کابل ورودی فشار متوسط، اولیه ترانسفورماتور، ورودی مبدل یا مدار کویل کوره شرایط یکسانی ندارند. استدلال این مقاله درباره سامانه کابل و سرکابل فشار متوسطِ تغذیه کوره است. خطر ناشی از کلیدزنی ترانسفورماتور برای تغذیه‌هایی که در سمت ثانویه تجهیزات الکترونیک قدرت دارند نیز در راهنمای کاربردی توشیبا مورد توجه قرار گرفته است. [۳]

پژوهش‌های مربوط به کلیدزنی ترانسفورماتور کوره‌های قوس الکتریکی نیز اهمیت بررسی این گذراها را نشان می‌دهند. بااین‌حال، نتایج عددی آن مطالعات را نمی‌توان مستقیماً به کوره القایی تعمیم داد؛ کاربرد آن‌ها در اینجا، شناخت سازوکار کلیدزنی و روش تحلیل مدار است. [۴]

رده ۳۶ و ۵۲ کیلوولت دقیقاً به چه معناست؟

در مشخصات کابل، سه کمیت U₀/U(Uₘ) به‌ترتیب ولتاژ نامی هادی نسبت به زمین، ولتاژ نامی بین هادی‌ها و بیشترین ولتاژ سیستم برای تجهیزات را بیان می‌کنند.

برای مثال، کابل ۱۸/۳۰(۳۶) کیلوولت و کابل ۲۶/۴۵(۵۲) کیلوولت دو رده متفاوت‌اند. عبارت «کابل ۳۶ کیلوولت» معمولاً به Uₘ = 36 kV اشاره دارد؛ بنابراین اگر ولتاژ نامی واقعی شبکه ۳۶ کیلوولت باشد، باید رده مناسب آن جداگانه تعیین شود و نباید این دو مفهوم را یکسان گرفت. نمونه‌های این نام‌گذاری در محصولات Nexans قابل مشاهده‌اند. [۵،۶]

در نمونه کابل ۱۸/۳۰ کیلوولت Nexans، مقدار تحمل ضربه ۱۷۰ کیلوولت پیک درج شده است. همچنین کاتالوگ Jointing Tech برای نمونه سرکابل‌های رده ۳۶ و ۵۲ کیلوولت، به‌ترتیب تحمل ضربه صاعقه‌ای ۱۷۰ و ۲۵۰ کیلوولت پیک را اعلام می‌کند. مشخصات نهایی هر محصول باید با دیتاشیت و گزارش آزمون همان محصول تطبیق داده شود. جدول مقایسه در انتهای متن آمده است. [۵،۷]

چرا انتخاب رده ۵۲ کیلوولت می‌تواند مفید باشد؟

در مقایسه نمونه‌های فوق، افزایش سطح تحمل ضربه از ۱۷۰ به ۲۵۰ کیلوولت، تقریباً ۴۷ درصد افزایش در مقدار پیک آزمون ضربه صاعقه‌ای ایجاد می‌کند. از نظر مهندسی، این افزایش می‌تواند حاشیه بیشتری در برابر تنش‌های گذرا فراهم کند.

اما این عدد به معنای افزایش ۴۷ درصدی عمر یا تضمین تحمل تمام ضربه‌های کلیدزنی نیست. شکل موج، شیب پیشانی، تعداد تکرار و محل اعمال اضافه‌ولتاژ نیز اهمیت دارند. حتی در کاتالوگ یادشده، آزمون ضربه صاعقه‌ای و آزمون ضربه کلیدزنی جداگانه درج شده‌اند و برای این دو سرکابل، مقدار آزمون ضربه کلیدزنی «قابل اعمال نیست» اعلام شده است. بنابراین، تحمل ضربه صاعقه‌ای بالاتر را نباید معادل یک گواهی مستقل برای تمام گذراهای کوره دانست. [۷]

بر این مبنا، انتخاب کابل و سرکابل ۵۲ کیلوولت برای مدار تغذیه کوره القایی، زمانی توجیه فنی قوی‌تری دارد که بررسی گذراها نشان دهد حاشیه عایقی رده پایین‌تر کافی نیست یا افزایش قابلیت اطمینان پروژه، سطح تحمل بالاتری را ایجاب می‌کند. این نتیجه، استنباط مهندسی از اصول هماهنگی عایقی است؛ الزام عمومی برای تمام کوره‌های القایی محسوب نمی‌شود. [۱]

ارتقای کابل و سرکابل باید به‌صورت یک سامانه بررسی شود

نصب سرکابل ۵۲ کیلوولت روی کابل رده پایین‌تر، به‌تنهایی کل مسیر را به سامانه ۵۲ کیلوولت تبدیل نمی‌کند. افزون بر رده ولتاژی، سازگاری سرکابل با قطر عایق، ساختمان کابل، شیلد و ابعاد محل اتصال باید توسط سازنده تأیید شود. مطالعه هماهنگی عایقی نیز باید کابل، سرکابل، مفصل، بوشینگ و ترانسفورماتور را در کنار یکدیگر بررسی کند.

استاندارد IEC 60502-4 الزامات آزمون متعلقات تا رده ۱۸/۳۰(۳۶) کیلوولت را پوشش می‌دهد؛ استاندارد IEC 60840 نیز آزمون سامانه‌های کابل و متعلقات رده‌های بالاتر، از جمله رده ۵۲ کیلوولت، را در بر می‌گیرد. در نتیجه، ادعای عملکرد محصول باید بر گزارش آزمون مرتبط با رده و آرایش واقعی آن متکی باشد. [۸،۹]

در نهایت، افزایش سطح عایقی باید همراه با بررسی حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ باشد. بسته به نتیجه مطالعه، برق‌گیر و مدارهای میراکننده مانند RC Snubber می‌توانند برای محدودکردن دامنه یا کاهش شدت گذراها مطرح شوند. انتخاب این تجهیزات و محل نصب آن‌ها باید بر اساس مدار واقعی انجام شود. راهکار قابل اتکا برای تغذیه کوره، ترکیب سطح تحمل عایقی مناسب، حفاظت هماهنگ و نصب صحیح تجهیزات است. [۲،۳]

منابع و استانداردهای مرجع

1. [۱] IEC 60071-1:2019 — Insulation co-ordination: Definitions, principles and rules
2. [۲] Patel, S. — Hitachi Energy: The Hidden Threat: Transient Voltage (2023)
3. [۳] Toshiba — Application Guide for Toshiba Vacuum Interrupters
4. [۴] IPST 2009 — Circuit Breaker Switching Transients at Arc Furnace Installations
5. [۵] Nexans — N2XSY 18/30 kV: Product Technical Data
6. [۶] Nexans — RG16H1R12: 26/45(52) kV
7. [۷] Jointing Tech — Product Catalogue: APED 36/52 kV Terminations، صفحه چاپی ۱۲۵
8. [۸] IEC 60502-4:2023 — Test requirements on cable accessories
9. [۹] IEC 60840:2020+AMD1:2023 — Power cables and accessories: Test methods and requirements

مقالات تخصصی