تصميم وتنفيذ جهاز تدفئة الغاز لموصل SF6 عازل فخاري 110 كيلوفولت

المفتاحات ذات الجهد العالي هي من أهم الأجهزة التحكمية في النظام الكهربائي. حالة تشغيل المفتاحات ذات الجهد العالي تؤثر مباشرة على التشغيل الآمن والاستقرار للنظام الكهربائي. ومن بينها، فإن مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري الخارجي من نوع SF₆ هو أحد أنواع المفتاحات الرئيسية ذات الجهد العالي. يمتلك SF₆ قوة تحمل كهربائية عالية وأداءً ممتازًا لإخماد القوس الكهربائي وقدرة عزل. ومع ذلك، وجد في التطبيقات العملية أنه في المناطق الباردة جدا مثل منطقة بشانغ في مدينة تشانغجياكو بمقاطعة خبي، يمكن للحرارة المنخفضة أن تسبب تسييل غاز SF₆ مما يؤدي إلى انخفاض ضغط غاز SF₆. هذا قد يثير إنذار الضغط المنخفض للمفتاح أو حتى يؤدي إلى قفل (قفل المفتاح يعني أنه لا يمكن إغلاقه أو فتحه)، مما يؤثر بشكل كبير على قدرة القطع والأداء العازل للمفتاح. لحل هذه المشكلة، تم تصميم جهاز تسخين للغاز لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆ بـ 110kV.

1 حالة الإنذار الضغط المنخفض وقفل مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆

في منطقة بشانغ بمدينة تشانغجياكو، يمكن أن تصل درجة الحرارة الشتوية إلى -30 °C. حدثت حالات الإنذار الضغط المنخفض وحتى قفل مفاتيح SF₆ عدة مرات في محطات التحويل في منطقة بشانغ. في شهر واحد فقط، حدث الإنذار الضغط المنخفض أكثر من 30 مرة، وحدثت حالات القفل أكثر من 10 مرات، مما يشكل تهديدًا كبيرًا محتملاً للتشغيل الآمن والاستقرار للشبكة الكهربائية. أظهرت الدراسات أن السبب الرئيسي لحالات الإنذار والقفل في مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆ بـ 110kV هو عدم وجود جهاز تسخين لغاز SF₆. نظرًا لأن غرفة غاز SF₆ مكشوفة مباشرة للبيئة الخارجية، عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة إلى مستوى معين، سيتحول غاز SF₆ إلى سائل، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط الغاز داخل الغرفة عن القيم المحددة للإنذار والقفل.

2 مشاكل الحلول التقليدية

حاليا، الأساليب الرئيسية لحل مشاكل الإنذار الضغط المنخفض وقفل مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆ هي كما يلي:
(1) شحن المفتاح لزيادة وزن الجزيء للغاز في الخزان، مما يزيد من ضغط غاز SF₆. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة غير مطبقة في الطقس شديد البرودة. لأن غاز SF₆ المضاف سيتحول بسرعة إلى سائل تحت ظروف درجة الحرارة المنخفضة والضغط العالي، ولا يمكن زيادة ضغط الغاز. الضغط المحدد لغاز SF₆ في المفتاح عادة ما يكون 0.6 MPa، والضغط البخاري المشبع لغاز SF₆ هو 0.6 MPa عند درجة حرارة -20 °C. مع انخفاض درجة الحرارة المحيطة، سيقل الضغط البخاري المشبع لغاز SF₆. وهذا يعني أنه في بيئة بدرجات حرارة منخفضة للغاية، حتى بعد شحن المفتاح، بسبب الضغط البخاري المشبع لغاز SF₆، سيتحول الغاز المضاف بسرعة إلى سائل، ولا يمكن تحقيق هدف زيادة الضغط. لذلك، عندما تكون درجة الحرارة المحيطة أقل من -20 °C، لا يمكن لهذه الطريقة استعادة الضغط المحدد داخل المفتاح.
(2) فصل الدائرة القفلية للمفتاح يدويًا لتمكين المفتاح من الإغلاق والفتح بشكل طبيعي. ومع ذلك، تتسبب هذه الطريقة في فقدان المفتاح للحماية الكهربائية القفلية. إذا لم يتوافق الضغط الداخلي للمفتاح مع متطلبات إخماد القوس الكهربائي وحتى العزل، قد تحدث حوادث خطيرة، وتكون تكلفة العمل مرتفعة نسبيًا.
(3) استخدام طريقة تسخين غاز SF₆ لحل مشكلة التسييل الوسط المطفئ لمفاتيح SF₆ في المناطق الباردة. بناءً على الهيكل المحدد للمفتاح، يتم تصميم جهاز تسخين مخصص، ويتم زيادة درجة حرارة غاز SF₆ عبر التسخين لتجنب تسييل غاز SF₆ في البيئة ذات درجة الحرارة المنخفضة. يمكن لجهاز تسخين المفتاح عمومًا تفعيل أو تعطيل وظيفة التسخين تلقائيًا وفقًا للتغير في درجة الحرارة المحيطة. يمكن للأفراد المسؤولين عن التشغيل والصيانة تحديد قيم درجة الحرارة لتفعيل وإلغاء التفعيل التلقائي وفقًا للدرجة الحرارة المحيطة الفعلية. مقارنة بفصل الدائرة القفلية للمفتاح يدويًا، هذه الطريقة تقلل من تكلفة العمل في التشغيل والصيانة. ومع ذلك، يتطلب تركيب جهاز التسخين تكلفة عالية من حيث الأيدي العاملة والمواد، ومعدل الاستخدام الحراري نسبيًا منخفض.

3 جهاز تسخين لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆

بناءً على خصائص الهيكل لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆، تم تصميم جهاز تسخين لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆، والذي يتضمن ثلاثة أجزاء: الوحدة التسخينية، وحدة التحكم في درجة الحرارة، ووحدة التغذية الكهربائية.

3.1 الوحدة التسخينية

مكان تركيب جهاز التسخين مهم للغاية، حيث يؤثر مباشرة على كفاءة تسخين غاز SF₆. يتكون مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من عدة وحدات أساسية، بما في ذلك غرفة إخماد القوس الكهربائي، وأنبوب العزل الفخاري الداعم، والآلية التشغيلية، والإطار الداعم، وغيرها. هناك أنبوبين داعمين فخاريين متصلين أسفل غرفة إخماد القوس الكهربائي، وهما مليئان بغاز SF₆. الوظيفة الرئيسية لأنابيب العزل الفخاري الداعمة هي تحقيق العزل ضد الأرض. لذلك، عند تصميم مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري، يجب الحفاظ على مسافة عازلة معينة، وضمان القوة الميكانيكية للمادة السيراميكية. هذا يعني أنه لا يمكن تركيب جهاز تسخين موصل على السطح الخارجي لأنبوب العزل الفخاري [5]. في هذه الورقة، تم اختيار الجزء التسخيني كغرفة النقل. ومع ذلك، فإن غرفة النقل لها شكل غير منتظم، ولا يمكن تثبيت الأجهزة التسخينية التقليدية بسهولة. بالإضافة إلى ذلك، تقع غرفة النقل في قاعدة مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري، والمساحة ضيقة. الأجهزة التسخينية التقليدية كبيرة الحجم وقد تؤثر على التشغيل الطبيعي لآلية النقل للمفتاح.

تم تصميم وحدة تسخينية بناءً على خصائص مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري في منطقة بشانغ بمدينة تشانغجياكو. تتكون الوحدة التسخينية من شريط تسخين وسلك مقاومة. يتم صنع الشريط التسخيني من مطاط السيليكون العازل، والصمغ الخلفي هو صمغ مقاوم للحرارة من 3M، مع مخرج في الأمام، كما هو موضح في الشكل 1. يتم لف سلك المقاومة داخل الشريط التسخيني. يمكن للشريط التسخيني المصنوع من مطاط السيليكون العازل والصمغ مقاوم للحرارة من 3M تحمل درجات حرارة عالية (الجهد هو AC220V)، ويمكن اختيار شكل وطول الشريط التسخيني بمرنة وفقًا لشكل غرفة النقل للمفتاح الموجود في الموقع.

الشكل 1 يوضح الجانب الأمامي والخلفي للوحدة التسخينية

3.2 وحدة التحكم في درجة الحرارة

تنقسم وحدة التحكم في درجة الحرارة إلى مستشعر ومتحكم في درجة الحرارة. تحديدا، يتم تركيب المستشعر على الشريط التسخيني لمرحلة B من مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري. وظيفته قياس درجة الحرارة في غرفة النقل لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري ونقل بيانات درجة الحرارة إلى المتحكم في درجة الحرارة، كما هو موضح في الشكل 2. المتحكم في درجة الحرارة هو متحكم درجة حرارة JY-260. يستخدم لتلقي وعرض درجة الحرارة في هذا الموضع، وتحكم بدء وإيقاف الوحدة التسخينية وفقًا للعتبة المحددة مسبقًا لدرجة الحرارة، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 2 مستشعر درجة الحرارة

الشكل 3 متحكم درجة الحرارة

3.3 وحدة التغذية الكهربائية

تشمل وحدة التغذية الكهربائية مصدر تغذية متحكم بالحرارة ومصدر تغذية بدء قسري، كما هو موضح في الشكل 4. من بينها، يتم ربط مصدر التغذية المتحكم بالحرارة بوحدة التسخين عبر المتحكم في درجة الحرارة. وفقًا لدرجة الحرارة المحيطة في منطقة بشانغ، يتم تحديد عتبة التشغيل لمصدر التغذية المتحكم بالحرارة، ويقوم مصدر التغذية المتحكم بالحرارة بالعمل بشكل طبيعي ضمن هذه العتبة. يتم ربط مصدر التغذية بدء قسري مباشرة بوحدة التسخين. عندما تكون درجة الحرارة أقل من عتبة التشغيل لمصدر التغذية المتحكم بالحرارة، يتم تنشيط مصدر التغذية بدء قسري.

الشكل 4 مصدر التغذية المتحكم بالحرارة

3.4 أنماط عمل جهاز التسخين

يحتوي جهاز التسخين لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆ على نمطين للتسخين.
(1) وضع التحكم في درجة الحرارة: يستخدم جهاز التسخين المستشعر المثبت على الشريط التسخيني لمرحلة B من مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري لقياس درجة الحرارة في غرفة النقل لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري ونقلها إلى المتحكم في درجة الحرارة. يقوم المتحكم في درجة الحرارة بتلقي وعرض درجة الحرارة للشريط التسخيني لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري، ثم يتحكم في الوحدة التسخينية وفقًا للعتبة المحددة مسبقًا لدرجة الحرارة.
(2) وضع بدء قسري: عن طريق تجاوز المتحكم في درجة الحرارة، يتم تسخين غرفة النقل بشكل مستمر، ويتم تسخين غاز SF₆ داخل مفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري. بهذه الطريقة، يمكن تجنب مشاكل مثل الإنذار الضغط المنخفض لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري وانخفاض قدرة القطع بسبب تسييل غاز SF₆.

4 الخاتمة

لمعالجة التكرار المتكرر لحالات الإنذار الضغط المنخفض وحتى قفل المفاتيح في الطقس شديد البرودة في منطقة بشانغ بمدينة تشانغجياكو، تم تصميم جهاز تسخين للغاز لمفتاح الجهد العالي ذو العمود الفخاري من نوع SF₆ بـ 110kV. يمكن لهذا الجهاز ضمان التشغيل الآمن والاستقرار للمفتاح. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع بمزايا تكلفة التركيب المنخفضة وزمن التركيب القصير، ويظهر قيمة ترويجية جيدة.