DOI: https://doi.org/10.5152/electrica.2026.25213
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Hıdır Düzkaya وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفراغ وقوس البلازما
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة حدوث أعطال القوس الداخلي في معدات التبديل المعزولة بالهواء ذات الجهد المتوسط (AIS)، مع التركيز على ديناميات الضغط داخل مقصورات معدات التبديل. باستخدام الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD) وتحليل العناصر المحدودة (FEA)، تحاكي البحث التأثيرات الحرارية والميكانيكية الناتجة عن القوس الداخلي، ملتزمة بمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) 62271-200 لجهد مقدر يبلغ 24 كيلوفولت وتيار قصر يبلغ 21 كيلوأمبير لمدة ثانية واحدة. تكشف المحاكاة عن رؤى حاسمة حول توزيع الضغط والطاقة، مع تأكيد التحقق التجريبي على وجود علاقة قوية بين النتائج المحاكية والملاحظة.
تسلط النتائج الرئيسية الضوء على أهمية هندسة المنتج وتصميم الأجنحة في التخفيف من آثار أعطال القوس الداخلي. توضح الدراسة أن شكل وحجم ومكان الأجنحة تؤثر بشكل كبير على توزيع الضغط وكفاءة العادم، مما يسمح بتخفيف الضغط بسرعة وتقليل الضغط الميكانيكي على الغلاف. علاوة على ذلك، فإن الهندسة العامة لمعدات التبديل ضرورية لإدارة التدفق الداخلي للغازات الساخنة، مما يضمن السلامة الهيكلية أثناء أحداث القوس. تؤكد الدراسة على نهج مدفوع بالمحاكاة لتصميم AIS، مما يعزز تدابير السلامة ويقلل من الحاجة إلى اختبارات فعلية واسعة النطاق، وبالتالي يساهم في موثوقية وسلامة معدات التبديل ذات الجهد المتوسط في التطبيقات الصناعية. يُقترح أن تركز الأعمال المستقبلية على تحسين منتجات AIS الجديدة لتحسين كفاءة التكلفة والوقت.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم لأنظمة الطاقة الكهربائية في البنية التحتية الحديثة، مع تسليط الضوء على انتشارها الواسع عبر المناطق المتقدمة والنامية. يتم وصف شبكة الطاقة الكهربائية على أنها شبكة شاملة تربط مصادر الطاقة، مثل محطات الطاقة، بالمستهلكين، وتشمل كلا من أنظمة النقل – المسؤولة عن نقل الكهرباء من محطات الطاقة إلى المحطات الفرعية – والبنية التحتية للتوزيع، التي توصل الكهرباء إلى المستخدمين النهائيين.
تقليديًا، تم تصميم أنظمة الكهرباء لنقل الطاقة من المحطات المركزية إلى الأحمال السلبية؛ ومع ذلك، هناك تحول ملحوظ في العديد من دول منظمة التعاون والتنمية الاقتصادية (OECD) حيث يتم دمج مرافق توليد الطاقة الجديدة مباشرة في أنظمة التوزيع. هذه التطورات تحول شبكات التوزيع إلى أنظمة نشطة تشارك في استيراد/تصدير الطاقة وتحافظ على جودة الطاقة. تشير الورقة أيضًا إلى أنه بينما يمكن أن تكون أنظمة توزيع الكهرباء عامة أو خاصة أو هجينة، إلا أنها تُدار في الغالب من قبل كيانات عامة في جميع أنحاء العالم، مع بعض الاستثناءات في كندا وبعض دول أمريكا الجنوبية.
الطرق
تستخدم الدراسة مجموعة من المنهجيات لتعزيز فهم أعطال القوس الداخلي في أنظمة معدات التبديل ذات الجهد المتوسط (MV)، باستخدام الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD) وتحليل العناصر المحدودة (FEA) جنبًا إلى جنب مع التحقق من نتائج اختبار نوع القوس الداخلي IEC 62271-200. يتم تصميم منتجات معدات التبديل المعزولة بالقوس (AIS) في بيئة ثلاثية الأبعاد باستخدام SolidWorks، تليها عملية نقل إلى ANSYS للتحليل التفصيلي.
في طرق المحاكاة، يتم تسهيل الانتقال من SolidWorks إلى ANSYS من خلال “نموذج مستورد”، وهو أمر حاسم لكل من تحليلات CFD وFEA، على الرغم من اختلاف أساليبها الإجرائية. قبل توليد الشبكة في FEA، يتم اختيار الخصائص الميكانيكية للمواد المعرضة للضغط بعناية. بالنسبة لتحليل CFD، فإن الصياغة الصحيحة لمعادلات الطاقة ضرورية لضمان حلول الشبكة الدقيقة، والتي يتم إنهاؤها بعد ذلك من خلال تحديد شروط الحدود المناسبة. تهدف هذه المنهجية المنظمة إلى توفير إطار عمل قوي لتحليل أعطال القوس الداخلي في أنظمة معدات التبديل ذات الجهد المتوسط.
النتائج
تصنف نتائج الدراسة إلى نتائج المحاكاة والاختبار، مع التركيز على سلوك أعطال القوس الداخلي في معدات التبديل ذات الجهد المتوسط (MV). تكشف محاكاة الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD) أن طاقة القوس الكهربائي تصل إلى ذروتها عند حوالي 65 ميغاوات أثناء الاشتعال، مع وصول الطاقة التراكمية للقوس إلى حوالي 17,500 كيلوجول بعد 500 مللي ثانية. يتم تحليل ديناميات الضغط في كل من مقصورات القضبان والكابلات، مما يظهر أن تقلبات الضغط تتوافق مع فترات نصف الموجة لطاقة القوس التي تبلغ 10 مللي ثانية. من الجدير بالذكر أن الضغط في مقصورة القضبان يصل إلى ذروته عند 0.5 بار، بينما تشهد مقصورة الكابلات ضغوطًا أعلى قليلاً، تتراوح قيمها من 0.5 إلى 0.7 بار. تشير هذه النتائج إلى أن التصميم يتوافق مع معايير IEC 62271-200 وتبرز فعالية التصميم المدفوع بالمحاكاة في تحسين أنظمة إدارة الضغط.
تشير التحليلات الهيكلية إلى أن أقصى تشوه لوحظ في مقصورة الكابلات هو 40 مم، بينما تشهد مقصورة القضبان أقصى تشوه يبلغ 32 مم. تعتبر هذه القيم للتشوه مقبولة حيث إنها لا تضر بسلامة البيئة المحكم الغاز المطلوبة للتشغيل الآمن. تؤكد نتائج الاختبار بيانات المحاكاة، مع عدم ملاحظة أي تشوه قابل للقياس بعد الاختبار، مما يشير إلى أن توقعات تحليل العناصر المحدودة (FEA) كانت محافظة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية النمذجة الدقيقة والمحاكاة في تعزيز السلامة وكفاءة معدات التبديل ذات الجهد المتوسط تحت ظروف القوس الداخلي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للقوس الداخلي في تصميم معدات التبديل المعزولة بالهواء ذات الجهد المتوسط (AIS)، خاصة فيما يتعلق بسلامة المعدات وسلامة الأفراد. تستخدم الدراسة الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD) وتحليل العناصر المحدودة (FEA) للتحقيق في سلوك ضغط القوس الداخلي مع مرور الوقت، مع التحقق من النتائج مقابل البيانات التجريبية. يتم تحديد معلمات التصميم الرئيسية، مثل هياكل الأجنحة والمدخنة، كعناصر أساسية لتخفيف الضغط الفعال أثناء أحداث القوس الداخلي. تشير النتائج إلى أن التصميم الصحيح يمكن أن يخفف بشكل كبير من الآثار السلبية للأقواس الداخلية، مما يضمن السلامة والسلامة الهيكلية.
علاوة على ذلك، تؤكد الورقة على الأهمية المتزايدة لتخطيط توزيع الطاقة (PDP) في سياق زيادة الطلب على الكهرباء ودمج مصادر الطاقة المتجددة. تشير إلى أن التقدم في التقنيات الحاسوبية، بما في ذلك الخوارزميات الاستدلالية، قد حسّن من كفاءة مشاكل إعادة تكوين الأنظمة الموزعة (DSR)، والتي تعتبر حاسمة لتحديث أنظمة الطاقة. تختتم الدراسة بأن دمج نهج التصميم المدفوع بالمحاكاة لا يعزز فقط تدابير السلامة ولكن يقلل أيضًا من الحاجة إلى اختبارات فعلية واسعة النطاق، مما يسهل تطوير منتجات AIS أكثر موثوقية وفعالية من حيث التكلفة. يُقترح أن تركز اتجاهات البحث المستقبلية على تحسين تصميمات AIS لتلبية احتياجات السوق المتطورة بكفاءة.
DOI: https://doi.org/10.5152/electrica.2026.25213
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Hıdır Düzkaya et al.
Primary Topic: Vacuum and Plasma Arcs
Overview
This study investigates the occurrence of internal arc faults in medium-voltage air-insulated switchgear (AIS), focusing on the pressure dynamics within switchgear compartments. Utilizing computational fluid dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA), the research simulates the thermal and mechanical effects induced by internal arcing, adhering to the International Electrotechnical Commission (IEC) 62271-200 standards for a rated voltage of 24 kV and a short-circuit current of 21 kA for 1 second. The simulations reveal critical insights into pressure and energy distribution, with experimental validation confirming a strong correlation between simulated and observed results.
Key findings highlight the importance of product geometry and flap design in mitigating internal arc fault effects. The study demonstrates that the shape, size, and placement of flaps significantly influence pressure distribution and exhaust efficiency, allowing for rapid pressure relief and minimizing mechanical stress on the enclosure. Furthermore, the overall geometry of the switchgear is crucial for managing the internal flow of hot gases, ensuring structural integrity during arc events. The research validates a simulation-driven approach to AIS design, enhancing safety measures and reducing the need for extensive physical testing, thereby contributing to the reliability and safety of medium-voltage switchgear in industrial applications. Future work is suggested to focus on optimizing new AIS products for improved cost and time efficiency.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the critical role of electric power systems in modern infrastructure, highlighting their extensive reach across developed and developing regions. The electric power grid is described as a comprehensive network that connects energy sources, such as power plants, to consumers, encompassing both transmission systems—responsible for moving electricity from power plants to substations—and distribution infrastructure, which delivers electricity to end users.
Traditionally, electricity systems have been designed to transport power from centralized plants to passive loads; however, there is a notable shift in many Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) countries where new power generation facilities are being integrated directly into distribution systems. This evolution is transforming distribution networks into active systems that engage in energy import/export and maintain power quality. The paper also notes that while electricity distribution systems can be public, private, or hybrid, they are predominantly managed by public entities worldwide, with some exceptions in Canada and select South American nations.
Methods
The study employs a combination of methodologies to enhance the understanding of internal arc faults in medium voltage (MV) switchgear systems, utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA) alongside validation from IEC 62271-200 internal arc type test results. The design of the Arc Insulated Switchgear (AIS) products is conducted in a 3D environment using SolidWorks, followed by a transfer to ANSYS for detailed analysis.
In the simulation methods, the transition from SolidWorks to ANSYS is facilitated through an “imported model,” which is crucial for both CFD and FEA analyses, despite their differing procedural approaches. Prior to the mesh generation in FEA, careful selection of mechanical properties of materials subjected to pressure is performed. For the CFD analysis, the correct formulation of energy equations is essential to ensure accurate mesh solutions, which are subsequently finalized by establishing appropriate boundary conditions. This structured methodology aims to provide a robust framework for analyzing internal arc faults in MV switchgear systems.
Results
The results of the study are categorized into simulation and test results, focusing on the behavior of internal arc faults in medium voltage (MV) switchgear. The computational fluid dynamics (CFD) simulations reveal that the electric arc power peaks at approximately 65 MW during ignition, with cumulative arc energy reaching around 17,500 kJ after 500 ms. The pressure dynamics in both the busbar and cable compartments are analyzed, showing that pressure fluctuations correlate with the arc power’s half-wave periods of 10 ms. Notably, the pressure in the busbar compartment peaks at 0.5 bar, while the cable compartment experiences slightly higher pressures, with values ranging from 0.5 to 0.7 bar. These findings indicate that the design adheres to IEC 62271-200 standards and highlights the effectiveness of simulation-driven design in optimizing pressure management systems.
Structural analysis indicates that the maximum deformation observed in the cable compartment is 40 mm, while the busbar compartment experiences a maximum deformation of 32 mm. These deformation values are deemed acceptable as they do not compromise the integrity of the gas-tight environment required for safe operation. The test results corroborate the simulation data, with no measurable deformation noted post-testing, suggesting that the finite element analysis (FEA) predictions were conservative. Overall, the study emphasizes the importance of accurate modeling and simulation in enhancing the safety and efficiency of MV switchgear under internal arc conditions.
Discussion
The discussion section of this research paper highlights the critical role of internal arcing in the design of medium-voltage air-insulated switchgears (AIS), particularly regarding equipment integrity and personnel safety. The study employs computational fluid dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA) to investigate the time-dependent behavior of internal arc pressure, validating findings against experimental data. Key design parameters, such as flap and chimney structures, are identified as essential for effective pressure relief during internal arc events. The results indicate that proper design can significantly mitigate the adverse effects of internal arcs, ensuring safety and structural integrity.
Furthermore, the paper emphasizes the growing importance of power distribution planning (PDP) in the context of increasing electricity demand and the integration of renewable energy sources. It notes that advancements in computational techniques, including heuristic algorithms, have improved the efficiency of distributed system reconfiguration (DSR) problems, which are crucial for modernizing power systems. The study concludes that the integration of simulation-driven design approaches not only enhances safety measures but also reduces the need for extensive physical testing, thereby facilitating the development of more reliable and cost-effective AIS products. Future research directions are suggested to focus on optimizing AIS designs to meet evolving market needs efficiently.