Disseny i implementació d'un dispositiu de càlida a gas per a un interruptor de circuit SF6 de 110kV amb columnes de porcellana

Els interruptors de alta tensió són un dels aparells de control més crítics en el sistema elèctric. L'estat d'operació dels interruptors de alta tensió afecta directament la seguretat i l'estabilitat del sistema elèctric. Dintre d'aquests, l'interruptor de SF₆ de tipus pòlit de porcellana exterior és un dels principals tipus d'interruptors de alta tensió. El SF₆ té una forta resistència elèctrica, excel·lents propietats d'extinció d'arc i capacitat d'aislament. No obstant això, en les aplicacions pràctiques, s'ha trobat que en zones extremadament fredes com la regió de Bashang a Zhangjiakou, Hebei, les baixes temperatures poden causar la liquefacció del gas SF₆, resultant en una disminució de la pressió del gas SF₆. Això pot desencadenar una alarma de baixa pressió per l'interruptor o fins i tot provocar un bloqueig (el bloqueig de l'interruptor significa que no es pot ni tancar ni obrir), afectant greument la capacitat d'interrompiment i el rendiment d'aislament de l'interruptor. Per resoldre aquest problema, aquest article dissenya un dispositiu de càlida per a l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de 110kV de SF₆.

1 Alarma de baixa pressió i situació de bloqueig de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de SF₆

A la regió de Bashang de Zhangjiakou, la temperatura hivernal pot arribar a -30 °C. S'han produït múltiples vegades alarmes de baixa pressió i fins i tot falles de bloqueig d'interruptors de SF₆ en subestacions de la regió de Bashang. En només un mes, l'alarma de baixa pressió s'ha produït més de 30 vegades, i la falla de bloqueig més de 10 vegades, posant una gran amenaça potencial a la seguretat i estabilitat de la xarxa elèctrica. Les investigacions han demostrat que la causa principal de les alarmes i falles de bloqueig en l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de 110kV de SF₆ és l'absència d'un dispositiu de càlida per al gas SF₆. Com que la cambra de gas SF₆ està directament exposada a l'ambient extern, quan la temperatura ambiental disminueix a un nivell determinat, el gas SF₆ es liquefaci, causant que la pressió a la cambra de gas sigui inferior als valors d'alarma i bloqueig especificats.

2 Problemes amb les solucions tradicionals

Actualment, els mètodes principals per solucionar els problemes d'alarma de baixa pressió i bloqueig de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de SF₆ són els següents:
(1) Inflar l'interruptor per augmentar el pes molecular del gas a la cambra, incrementant així la pressió del gas SF₆. No obstant això, aquest mètode no és aplicable en condicions extremadament fredes. Ja que el gas SF₆ suplementari es liquefarà ràpidament en entorns de baixa temperatura i alta pressió, i encara no serà possible augmentar la pressió del gas. La pressió nominal del SF₆ a l'interruptor és generalment de 0,6 MPa, i la pressió de vapor saturat del SF₆ és de 0,6 MPa a -20 °C. Quan la temperatura ambiental disminueix, la pressió de vapor saturat del SF₆ també disminueix. És a dir, en un entorn de baixa temperatura extrema, fins i tot si s'infla l'interruptor, degut a la pressió de vapor saturat del gas SF₆, el gas inflat es liquefarà ràpidament, i no es podrà aconseguir l'objectiu d'incrementar la pressió. Per tant, quan la temperatura ambiental és inferior a -20 °C, aquest mètode no pot restaurar la pressió nominal a l'interruptor.
(2) Desconnectar manualment el circuit de bloqueig de l'interruptor per permetre que l'interruptor es tanqui i obriga normalment. No obstant això, aquest mètode fa que l'interruptor perdi la protecció del bloqueig elèctric. Un cop la pressió del gas a l'interruptor no compleixi els requisits per l'extinció d'arc o fins i tot l'aislament, poden succeir accidents greus, i el cost laboral és relativament alt.
(3) Utilitzar el mètode de càlida del gas SF₆ per solucionar el problema de la liquefacció del medi d'extinció d'arc de l'interruptor de SF₆ en regions fredes. Segons la estructura específica de l'interruptor, es personalitza un dispositiu de càlida corresponent, i la temperatura operativa del gas SF₆ s'incrementa a través de la càlida per evitar la liquefacció del gas SF₆ en un entorn de baixa temperatura. El dispositiu de càlida de l'interruptor pot activar o desactivar automàticament la funció de càlida segons el canvi de la temperatura ambiental. El personal d'operació i manteniment pot establir els valors de temperatura d'activació i desactivació automàtica segons la temperatura ambiental real. Comparat amb la desconexió manual del circuit de bloqueig de l'interruptor, aquest mètode redueix el cost laboral en l'operació i manteniment. No obstant això, la instal·lació del dispositiu de càlida requereix uns costos humans i materials elevats, i la taxa d'utilització tèrmica és relativament baixa.

3 Dispositiu de càlida per a l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de SF₆

Segons les característiques estructurals de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de SF₆, s'ha dissenyat un dispositiu de càlida que inclou tres parts: el mòdul de càlida, el mòdul de control de temperatura i el mòdul d'alimentació.

3.1 Mòdul de càlida

La ubicació del dispositiu de càlida és molt important, ja que afecta directament l'eficiència de càlida del gas SF₆. L'interruptor de tipus pòlit de porcellana està compost per diverses unitats bàsiques, incloent-hi la cambra d'extinció d'arc, el pòlit de porcellana de suport, el mecanisme d'operació, el suport, etc. Hi ha dos polits de porcellana de suport interconnectats sota la cambra d'extinció d'arc, que estan omplerts de gas SF₆. La funció principal del pòlit de porcellana de suport és assolir l'aislament respecte al terra. Per tant, en el disseny de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana, s'ha de mantenir una certa distància d'aislament, i s'ha de garantir la resistència mecànica del material ceràmic. Això significa que no és possible instal·lar un dispositiu de càlida conductor a la superfície exterior del pòlit de porcellana [5]. En aquest article, s'ha seleccionat la cambra de transmissió com a part de càlida. No obstant això, la cambra de transmissió té una forma irregular, i els dispositius de càlida tradicionals no són fàcils de fixar. A més, la cambra de transmissió es troba a la base de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana, i l'espai és estret. Els dispositius de càlida tradicionals són massa grans, i podrien afectar el funcionament normal del mecanisme de transmissió de l'interruptor.

S'ha dissenyat un mòdul de càlida segons les característiques de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana a la regió de Bashang de Zhangjiakou. El mòdul de càlida està compost per una cinta de càlida i un fil de resistència. La cinta de càlida està feta de caucau silicona aïllant, i l'adhesiu posterior és adhesiu 3M resistente a la calor, amb la sortida a la part frontal, com es mostra a la Figura 1. El fil de resistència està envoltat dins de la cinta de càlida. La cinta de càlida feta de caucau silicona aïllant i l'adhesiu 3M resistente a la calor poden suportar temperatures altes (la tensió és AC220V), i la forma i la longitud de la cinta de càlida es poden seleccionar flexiblement segons la forma de la cambra de transmissió de l'interruptor en lloc.

Figura 1 mostra la part frontal i posterior del mòdul de càlida

3.2 Mòdul de control de temperatura

El mòdul de control de temperatura està compost per un sensor i un controlador de temperatura. Específicament, el sensor està instal·lat a la cinta de càlida de la fase B de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana. La seva funció és mesurar la temperatura a la cambra de transmissió de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana i transmetre les dades de temperatura al controlador de temperatura, com es mostra a la Figura 2. El controlador de temperatura és un controlador de temperatura microinformàtic JY-260. Es utilitza per rebre i mostrar la temperatura en aquesta posició, i controlar l'activació i desactivació del mòdul de càlida segons el llindar de temperatura preestablert, com es mostra a la Figura 3.

Figura 2 Sensor de temperatura

Figura 3 Termostà

3.3 Mòdul d'alimentació

El mòdul d'alimentació inclou una alimentació controlada per temperatura i una alimentació d'arrancada forçada, com es mostra a la Figura 4. Entre elles, l'alimentació controlada per temperatura està connectada al mòdul de càlida a través del controlador de temperatura. Segons la temperatura ambiental a la regió de Bashang, s'estableix el llindar de funcionament de l'alimentació controlada per temperatura, i l'alimentació controlada per temperatura opera normalment dins d'aquest llindar. L'alimentació d'arrancada forçada està connectada directament al mòdul de càlida. Quan la temperatura és inferior al llindar de funcionament de l'alimentació controlada per temperatura, s'activa l'alimentació d'arrancada forçada.

Figura 4 Alimentació controlada per temperatura

3.4 Modes de funcionament del dispositiu de càlida

El dispositiu de càlida de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de SF₆ té dos modes de càlida.
(1) Mode de control de temperatura: El dispositiu de càlida utilitza el sensor instal·lat a la cinta de càlida de la fase B de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana per obtenir la temperatura a la cambra de transmissió de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana i transmetre-la al controlador de temperatura. El controlador de temperatura rep i mostra la temperatura de la cinta de càlida de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana, i a continuació, controla el mòdul de càlida segons el llindar de temperatura preestablert.
(2) Mode d'arrancada forçada: Bypassant el controlador de temperatura, es realitza una càlida contínua de la cambra de transmissió, i es calenta el gas SF₆ interior de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana. D'aquesta manera, es poden evitar problemes com les alarmes de baixa pressió de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana i la disminució de la capacitat d'interrompiment causada pel gas SF₆ liquefactat.

4 Conclusió

Dirigit a la frequència d'alarmes de baixa pressió i fins i tot bloqueigs d'interruptors en condicions extremadament fredes a la regió de Bashang de Zhangjiakou, aquest article dissenya un dispositiu de càlida per al gas de l'interruptor de tipus pòlit de porcellana de 110kV de SF₆. Aquest dispositiu pot assegurar l'operació segura i estable de l'interruptor. A més, té avantatges com un baix cost d'instal·lació i un temps d'instal·lació curt, i mostra un bon valor de promoció.