مدلسازی محفظه قطع کلیدهای خلاء بمنظور بهینه سازی تنش الکتریکی داخلی و بررسی فرآیند بازیابی عایقی

با توجه به افزایش روزافزون سطح گازهای گلخانه ای و منع استفاده از این گازها در محصولات تولیدی کارخانجات و در جهت اجرای موافقتنامه کیوتو [1-2,11]، در سالهای اخیر جایگزین نمودن کلیدهای sf6 با کلیدهای خلاء که عاری از هرگونه گاز می باشند، با ساختار نسبتا ساده تر و تعداد بسیار بالاتر دفعات قطع و وصل بعنوان یک اولویت در صنعت تولید کلیدهای فشارقوی در حال پیگیری می باشد[1,62]. از مهمترین چالشهای پیش رو در جهت طراحی داخلی محفظه قطع این کلیدها با توجه به عوامل چهارگانه دخیل در شکست الکتریکی در محیط خلاء[1,2] ، کاهش و کنترل شدت میدان الکتریکی بویژه در ناحیه سطح کنتاکتها می باشد[14]. هرگونه تلاش در جهت کاهش شدت میدان مذکور با تاثیر بر چگالی جریان ناشی از پدیده گسیل میدانی [1]، باعث افزایش سطح ولتاژ قابل تحمل در این کلیدها می گردد. به همین دلیل در سالهای اخیر تحقیقات زیادی بویژه در زمینه بهینه سازی ساختار هندسی درون محفظه کلید، صورت پذیرفته است که در همگی آنها تمرکز بر یک ناحیه خاص از محفظه (با تعداد پارامترهای طراحی انگشت شمار و محدود) بخصوص در ناحیه سطوح کنتاکتها بوده است [12-13]، همچنین روش غالب بهینه سازی مورد استفاده در این مطالعات بر پایه استخراج منحنی تغییرات شدت میدان الکتریکی و یافتن نقطه مینیمم منحنی مذکور بنا نهاده شده است. [12-15]. با توجه به تعدد پارامترهای دخیل در طراحی و نیاز به بهینه سازی کلی محفظه، هیچ یک از این مطالعات نتوانسته اند تمامی نواحی بحرانی داخلی کلید را تحت پوشش قرار داده و روش جامعی جهت بهینه سازی ارائه نمایند. در بخش نخست این پایان نامه با استفاده از ابزارهای مدرن تخمین الگو و بهینه سازی تکاملی چندهدفه، روشی جامع و فراگیر جهت کنترل حداکثر شدت میدان الکتریکی در تجهیزات فشار قوی(با تاکید بر کلیدهای خلاء) و مرتفع ساختن مشکل مذکور بدون هیچگونه دخالت و اعمال سلیقه طراح، ارائه گردیده است. در طرح بهینه نهایی بدست آمده شدت میدان الکتریکی داخلی بصورت متوسط 58 درصد کاهش نشان می دهد که افت حدودی 80 درصدی در جریان گسیل میدانی را بدنبال خواهد داشت. همچنین محیط پلاسمایی قوس فلزی ایجاد شده در محیط خلاء، باید خودبخود و در حضور ولتاژهای برگشتی شدید اعمالی از سوی شبکه قدرت، واپاشی نموده و خاصیت عایقی اولیه خود را بازیابد. مدلسازی واپاشی محیط پلاسمایی مذکور درون یک محفظه خلاء نوعی و استخراج شکل موج جریان حاصل از واپاشی پلاسما که انعکاسی از سرعت واپاشی پلاسمای فلزی می باشد بعنوان مهمترین دستاورد در فصل سوم این پایان نامه ارائه گردیده است. بررسی واپاشی پلاسمای کلید با توجه به ساختار پیچیده آن هم اکنون از مهمترین چالشهای پیش روی محققان می باشد و با استفاده از روشهای مختلف ایده های متفاوتی جهت مدلسازی آن پیاده سازی شده است. در ابتدای فصل چهارم با استفاده از تئوری گسترش غلاف یونی تلاش خواهد شد اثر انتخاب جنس کنتاکتها بر پدیده واپاشی پلاسما و بازیابی کوتاه مدت عایقی بتفصیل مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. پس از اتمام ذخایر پلاسمایی محیط و باقیماندن بخارات فلزی بنظر می رسد هنوز فرایند بازیابی عایقی تکمیل نگردیده است[46-48]. در ادامه و در فصل چهارم که از اهمیت بالایی در رفتارشناسی دینامیکی محفطه خلاء برخوردار می باشد، بازه طولانی مدت مذکور که حدود چند میلی ثانیه بطول می انجامد مورد مطالعه قرار گرفته و تلاش می گردد منحنی بازیابی عایقی کلید با استفاده از مدار طراحی شده و با اعمال پالسهای فشار قوی در زمانهای قابل تنظیم محک زده شده و برازش گردد. تلاش خواهد شد عوامل دخیل در قطع ناموفق جریان در کلید مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند. در طراحی مدار پیشنهادی این پایان نامه تلاش شده است برخلاف مطالعات تجربی صورت گرفته تاکنون که با توجه به توپولوژی مدار مورد استفاده جهت آزمایش که به اجبار فاصله دو کنتاکت کاملا ثابت در نظر گرفته می شد، ساختار جدیدی جهت انجام تستها ارائه گردیده و فرایند بازیابی همراه با جداشدن واقعی دو کنتاکت از یکدیگر و مطابق با عملکرد واقعی محفظه، مورد مطالعه قرار گیرد. از مهمترین دستاوردهای این پایان نامه نیازسنجی طراحی یک مکانیزم با عملکرد سنکرون جهت نصب بر روی محفظه در جهت کاهش چگالی پلاسمای تشکیل شده و افزایش راندمان قطع جریان، می باشد.