مكثفات سيراميكية عالية الجهد لأجهزة الترسيب الكهروستاتيكي ومكافحة التلوث

مكثفات سيراميكية عالية الجهد لأجهزة الترسيب الكهروستاتيكي: الحفاظ على مجال الهالة

الملخص

تُعدّ المرسبات الكهروستاتيكية أداةً أساسيةً في مجال التحكم بالجسيمات الصناعية، حيث تُركّب في محطات توليد الطاقة، ومصانع الإسمنت، ومصانع الصلب، ومحارق النفايات لالتقاط الغبار الناعم الذي قد يصل إلى المداخن. وتعتمد كفاءة التجميع على مجال كورونا مستقر وعالي الجهد، ويتم الحفاظ على هذا المجال بواسطة مجموعة مكثفات الجهد العالي في دائرة التغذية. تتناول هذه المقالة كيفية تعرض مكثفات المرسبات الكهروستاتيكية للإجهاد - الانحياز المستمر، وتيار التموج، ودورة التشغيل النبضية، والوميض المتكرر - وكيفية تحديد مواصفات مكثفات السيراميك ذات الجهد العالي لضمان ثبات جهد المجال، واستقرار الكورونا، وبقاء المكثف صالحًا للاستخدام لسنوات طويلة في بيئة رطبة وملوثة.

1. سياق التطبيق: شحن الجسيمات، والحفاظ على المجال

يتدفق غاز الاحتراق بين أقطاب التفريغ وألواح التجميع. يرفع مصدر الجهد العالي جهد أقطاب التفريغ إلى عشرات الكيلوفولتات، مما يؤدي إلى تأيين الغاز المحيط بها؛ تلتصق الأيونات بجزيئات الغبار، وتُدفع الجزيئات المشحونة إلى ألواح التجميع بفعل المجال الكهربائي. يكون تيار التفريغ الهالي صغيرًا، عشرات الميلي أمبيرات لكل مجال، ولكن يجب أن يبقى الجهد ضمن نطاق ضيق: مرتفعًا بما يكفي لشحن الجزيئات، ومنخفضًا بما يكفي لتجنب حدوث شرارة زائدة. تعمل مجموعة المكثفات على ناقل التيار المستمر على تثبيت هذا الجهد بين ذروتي الموجة المُقوَّمة، وهي التي تُطلق دفقة الطاقة عندما يُعيد نظام التحكم تنشيط المجال بعد حدوث شرارة.

بالنسبة لحافلة كهربائية بجهد 60 كيلوفولت وسعة تخزين 50 نانوفاراد، تُنتج كل عملية إعادة تنشيط حوالي 90 جول ونبضة شحن يجب على المكثف توفيرها دون انخفاض كبير في الجهد. يتم اختيار المكثف بناءً على تيار التموج لمقوم النبضات الست أو الاثنتي عشرة، وعلى دورة النبضات في عملية التنشيط، وليس فقط بناءً على متوسط ​​جهد التيار المستمر.

2. المتطلبات الفنية

2.1 جهد التشغيل المستمر والهامش. يتم تحيز المكثف بشكل دائم عند جهد المجال، ويجب أن يحافظ على هذا التحيز بينما ينخفض ​​أو يرتفع خرج المحول والمقوم:

يتم تزويد جهاز ESP بجهد ذروة يبلغ 60 كيلو فولت بواسطة مكثفات ذات جهد مستمر يتراوح بين 75 و90 كيلو فولت. ويستوعب هذا الهامش تجاوز الجهد في حالة عدم التحميل والجهد العابر الذي يلي انهيار الشرارة.

2.2 تيار التموج وفقدان العازل. يقوم المقوم بتغذية ناقل التيار على شكل نبضات، لذا يحمل المكثف تيارًا مموجًا متناوبًا يسخن العازل:

عند تردد تموج 300 هرتز، لا يبدد مكثف سعته 50 نانوفاراد، ذو معامل فقد (tanδ) قدره 0.001 وتموج ذروة إلى ذروة 5 كيلوفولت، سوى بضعة واطات، لكن العازل ذو الفقد العالي يضاعف هذا الرقم ويرفع درجة حرارة قلب المكثف داخل خزان الزيت. يحافظ السيراميك N4700 على انخفاض معامل الفقد (tanδ) عند تردد الطاقة، ولهذا السبب يُهيمن على مهام ناقل ESP.

2.3 طاقة النبض لإعادة التنشيط. بعد حدوث شرارة، ينهار جهد المجال الكهربائي ويجب إعادة بنائه بسرعة. توفر مجموعة المكثفات الطاقة اللازمة لإعادة تكوين الهالة الكهربائية.

يؤدي إعادة التنشيط السريع إلى تحسين كفاءة التجميع لأن الهالة لا تنقطع إلا خلال فترة الشرارة. تعمل المكثفات ذات الحث الداخلي المنخفض والمقاومة المكافئة التسلسلية المنخفضة على إعادة بناء جهد المجال في أقصر وقت، مما يترجم مباشرة إلى كفاءة تجميع أعلى على مدار وردية العمل.

2.4 كورونا، والرطوبة، والتحمل الميكانيكي. بيئة المرسب الكهروستاتيكي معادية: الغبار والرطوبة ومركبات الكبريت والتفريغ الهالي حول المحطات الطرفية:

تعمل مسارات التسرب الطويلة والتغليف الخالي من الفراغات على منع التفريغ الجزئي من الوصول إلى المكون، كما تتحمل أطراف التوصيل اللولبية المتينة اهتزازات أسطح المراوح وآليات الطرق التي تهز الألواح المجمعة.

الشكل 1 - يقع بنك المكثفات عالي الجهد بين مجموعة المحولات والمقومات ومجال ESP، مما يؤدي إلى تنعيم التموج وتوفير الطاقة التي تعيد إنشاء الهالة بعد كل شرارة.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. معايير الاختيار

إرشادات الاختيار. ابدأ بجهد المجال وهامشه، ثم حدد سعة المكثف لتيار التموج في المقوم ولطاقة إعادة التشغيل التي يحتاجها نظام التحكم. تحقق من قيمة tanδ عند تردد التموج الفعلي - فالمكثف الذي يبدو سليمًا عند 50 هرتز قد يسخن بشكل مفرط عند تردد تموج 300 هرتز في مقوم ثلاثي الأطوار. أخيرًا، تأكد من مستوى بدء التفريغ الجزئي: فالمكون الخالي من الفراغات والمختبر ضد التفريغ الجزئي هو الفرق بين بطارية تدوم عشر سنوات وعطل موسمي.

5. حل HVC

6. قبل / بعد الحالة

مناقشة الحالة. استُبدلت مكثفات ناقل الطاقة المشبعة بالزيت في حقل مرسب كهروستاتيكي واحد بوحدة تعمل بالفحم بقدرة 300 ميغاواط، بمكثفات HVC N4700 ذات شكل مقبض الباب. انخفضت درجة حرارة القلب من 40 درجة مئوية فوق درجة الحرارة المحيطة إلى 12 درجة مئوية، وأُعيد بناء جهد الحقل بعد كل شرارة في أقل من 50 مللي ثانية بدلاً من ثانية تقريبًا، واختفت حالات الفشل الموسمية المرتبطة بالرياح الموسمية. تحسّن مستوى العتامة عند ذروة الحمل من هامشي إلى ضمن حدود الانبعاثات المسموح بها، ويعود هذا التحسن إلى ثلاث خصائص: انخفاض قيمة tanδ، وانخفاض قيمة ESL، وتغليف خالٍ من الفراغات تم اختباره بواسطة اختبار التفريغ الجزئي.

7. نقاط التصميم

• قم بتقييم المكثف عند 1.2 ضعف جهد المجال الأقصى وقم بتخفيضه إلى 70-80% للتحيز المستمر.
• حدد حجم بنك الطاقة بناءً على تيار التموج وطاقة إعادة التشغيل؛ فالسعة التي تبدو كافية على الورق قد ترتفع درجة حرارتها بشكل مفرط أثناء التشغيل.
• تحقق من قيمة tanδ عند تردد التموج، وليس عند 50 هرتز.
• يتطلب الأمر مستوى منخفضًا من الحث الكهروستاتيكي لإعادة بناء سريعة للميدان بعد الشرارات - تعتمد كفاءة التجميع على ذلك.
• يتطلب اختبار التفريغ الجزئي فوق 1.5 ضعف الجهد المقنن؛ فالفراغات هي السبب الرئيسي لأعطال الرطوبة الموسمية.

8. المراجع

1. IEC 60335-1 — الأجهزة الكهربائية المنزلية وما شابهها - السلامة (مرجع لممارسات التحكم في المضخات الكهروستاتيكية). جنيف، سويسرا: اللجنة الكهروتقنية الدولية.
2. كي آر باركر، الترسيب الكهروستاتيكي المطبق، الطبعة الأولى. لندن، المملكة المتحدة: بلاكي أكاديميك آند بروفيشنال، 1997.
3. إتش جيه وايت، الترسيب الكهروستاتيكي الصناعيريدينغ، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية: أديسون-ويسلي، 1963.
4. شركة موراتا للتصنيع، خصائص العزل الكهربائي للمكثف الخزفي - ورقة بيانات N4700 / Y5T. كيوتو، اليابان: موراتا.
5. معيار IEEE 1143-2012، دليل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لتصميم واختبار وتطبيق جلبات المحولات والمكثفات المقاومة للرطوبةنيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: IEEE.
6. 王浚、汪泉弟主编،《高电压技术》(هندسة الجهد العالي)، 第2版. 重庆: 重庆大学出版社، 2018. (بالصينية)

صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مرجعية المكثف.