Návrh a realizace plynného ohřívacího zařízení pro 110kV porcelánový sloupcový disjektor SF6

Vysokonapěťové spínače jsou jednou z nejdůležitějších ovládacích součástek v elektrickém systému. Stav provozu vysokonapěťových spínačů přímo ovlivňuje bezpečné a stabilní fungování elektrického systému. Mezi ně patří také venkovní porcelánový sloup SF₆ spínač. SF₆ má vysokou elektrickou odolnost, vynikající vlastnosti pro uhašení oblouku a izolační schopnosti. V praxi se však ukázalo, že v extrémně chladných oblastech, jako je například Zhangjiakou Bashang v provincii Chebei, nízké teploty snadno způsobují tekutinu SF₆ plynu, což vedlo k poklesu tlaku SF₆ plynu. To může vyvolat varování o nízkém tlaku u spínače nebo dokonce jeho uzamčení (uzamčení spínače znamená, že spínač nemůže buď zavřít, ani otevřít), což vážně ovlivňuje přerušovací kapacitu a izolační vlastnosti spínače. Pro řešení tohoto problému byla navržena zařízení pro ohřev plynu pro 110kV porcelánový sloup SF₆ spínač.

1 Varování o nízkém tlaku a situace s uzamčením u porcelánového sloupu SF₆ spínače

V oblasti Bashang v Zhangjiakou mohou zimní teploty klesnout až na -30 °C. V podstanicích v oblasti Bashang se opakovaně vyskytly varování o nízkém tlaku a dokonce i selhání uzamčení u SF₆ spínačů. Během pouhého jednoho měsíce došlo k více než 30 incidentům s varováním o nízkém tlaku a více než 10 incidentům s uzamčením, což představuje velkou potenciální hrozbu pro bezpečné a stabilní fungování elektrické sítě. Výzkum ukázal, že hlavní příčinou těchto varování a uzamčení u 110kV porcelánového sloupu SF₆ spínače je absence ohřívacího zařízení pro SF₆ plyn. Protože komora s SF₆ plynem je přímo vystavena vnějšímu prostředí, když klesne okolní teplota pod určitou úroveň, SF₆ plyn se tekutí, což způsobí, že tlak v komoře bude nižší než stanovené hodnoty pro varování a uzamčení.

2 Problemy s tradičními řešeními

V současné době jsou hlavní metody pro řešení problémů s varováním o nízkém tlaku a uzamčením u porcelánového sloupu SF₆ spínače následující:
(1) Nadměrné plnění spínače pro zvýšení molární hmotnosti plynu v nádrži, čímž se zvyšuje tlak SF₆ plynu. Tento postup však není vhodný v extrémně chladném počasí. Protože doplněný SF₆ plyn se rychle zkapalní v nízkoteplotním a vysokotlakém prostředí a stále není možné zvýšit tlak plynu. Nominální tlak SF₆ v spínači je obvykle 0,6 MPa a nasycený parní tlak SF₆ je 0,6 MPa při -20 °C. S klesající okolní teplotou klesá také nasycený parní tlak SF₆. Jinými slovy, v extrémně nízkoteplotním prostředí, i když je spínač nadměrně plněn, kvůli nasycenému parnímu tlaku SF₆ plynu se doplněný plyn rychle zkapalní a cíl zvýšení tlaku nebude dosažen. Proto, když je okolní teplota nižší než -20 °C, tento postup nemůže obnovit nominální tlak uvnitř spínače.
(2) Ruční odpojení uzamčovacího obvodu spínače, aby bylo možné spínač normálně zavřít a otevřít. Tento postup však způsobí, že spínač ztratí ochranu elektrického uzamčení. Pokud tlak plynu uvnitř spínače nedosáhne požadovaných hodnot pro uhašení oblouku nebo dokonce izolaci, mohou nastat vážné nehody a pracovní náklady jsou relativně vysoké.
(3) Použití ohřevu SF₆ plynu pro řešení problému zkapalnění média pro uhašení oblouku u SF₆ spínače v chladných oblastech. Na základě specifické struktury spínače je navrženo odpovídající ohřívací zařízení, které zvyšuje provozní teplotu SF₆ plynu ohřevem, aby se zabránilo zkapalnění SF₆ plynu v nízkoteplotním prostředí. Ohřívací zařízení spínače může automaticky aktivovat nebo deaktivovat ohřevovou funkci v závislosti na změně okolní teploty. Provozní a údržbářský personál může nastavit automatické aktivační a deaktivační teplotní hodnoty podle skutečné okolní teploty. V porovnání s ručním odpojením uzamčovacího obvodu spínače tento postup snižuje pracovní náklady na provoz a údržbu. Instalace ohřívacího zařízení však vyžaduje vysoké lidské a materiální náklady a tepelná využití je relativně nízké.

3 Ohřívací zařízení pro porcelánový sloup SF₆ spínače

Na základě konstrukčních charakteristik porcelánového sloupu SF₆ spínače bylo navrženo ohřívací zařízení pro porcelánový sloup SF₆ spínač, které zahrnuje tři části: ohřívací modul, modul pro regulaci teploty a zdroj energie.

3.1 Ohřívací modul

Umístění ohřívacího zařízení je velmi důležité, protože přímo ovlivňuje efektivitu ohřevu SF₆ plynu. Porcelánový sloup spínače se skládá z několika základních jednotek, včetně komory pro uhašení oblouku, podpěrné porcelánové trubice, ovládacího mechanismu, nosného rámu atd. Dva propojené podpěrné porcelánové trubice jsou umístěny pod komorou pro uhašení oblouku a jsou vyplněny SF₆ plynem. Hlavní funkce podpěrné porcelánové trubice je dosažení izolace proti zemi. Proto při návrhu porcelánového sloupu spínače musí být zachován určitý izolační rozdíl a musí být zajištěna mechanická pevnost keramického materiálu. To znamená, že není možné nainstalovat vodičové ohřívací zařízení na vnější povrch porcelánové trubice [5]. V tomto článku byla vybrána přenosová komora jako ohřívací část. Přenosová komora má nepravidelný tvar a tradiční ohřívací zařízení není snadné upravit. Kromě toho je přenosová komora umístěna v základně porcelánového sloupu spínače, kde je prostor omezený. Tradiční ohřívací zařízení mají příliš velké rozměry, což může ovlivnit normální fungování přenosového mechanismu spínače.

Byl navržen ohřívací modul podle charakteristik porcelánového sloupu spínače v oblasti Zhangjiakou Bashang. Ohřívací modul se skládá z ohřívací pásky a odporové dráty. Ohřívací páska je vyrobena z izolačního silikonového kaučuku a lepicí vrstva je 3M tepelně odolná lepidlo, s výstupem vpředu, jak je znázorněno na obrázku 1. Odporová drát je zabalen do ohřívací pásky. Ohřívací páska vyrobená z izolačního silikonového kaučuku a 3M tepelně odolného lepidla může odolat vysokým teplotám (napětí je AC220V) a forma a délka ohřívací pásky může být flexibilně vybrána podle tvaru přenosové komory na místě spínače.

Obrázek 1 ukazuje přední a zadní stranu ohřívacího modulu

3.2 Modul pro regulaci teploty

Modul pro regulaci teploty se skládá ze senzoru a termostatu. Konkrétně je senzor nainstalován na ohřívací pásce fáze B porcelánového sloupu spínače. Jeho funkce spočívá v měření teploty v přenosové komoře porcelánového sloupu spínače a přenosu dat o teplotě do termostatu, jak je znázorněno na obrázku 2. Termostat je JY-260 mikroprocesorový termostat. Slouží k přijímání a zobrazování teploty na daném místě a k řízení startu a zastavení ohřívacího modulu podle přednastavené teplotní hranice, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 2 Teplotní senzor

Obrázek 3 Termostat

3.3 Zdroj energie

Zdroj energie zahrnuje teplotně kontrolovaný zdroj a zdroj pro nucený start, jak je znázorněno na obrázku 4. Mezi nimi je teplotně kontrolovaný zdroj připojen k ohřívacímu modulu přes termostat. Podle okolní teploty v oblasti Bashang je nastavena provozní hranice teplotně kontrolovaného zdroje, a ten funguje normálně uvnitř této hranice. Zdroj pro nucený start je přímo připojen k ohřívacímu modulu. Když je teplota nižší než provozní hranice teplotně kontrolovaného zdroje, aktivuje se zdroj pro nucený start.

Obrázek 4 Teplotně kontrolovaný zdroj

3.4 Režimy práce ohřívacího zařízení

Ohřívací zařízení pro porcelánový sloup SF₆ spínače má dva režimy ohřevu.
(1) Režim teplotní kontroly: Ohřívací zařízení používá senzor nainstalovaný na ohřívací pásce fáze B porcelánového sloupu spínače k získání teploty v přenosové komoře porcelánového sloupu spínače a přenosu těchto dat do termostatu. Termostat přijímá a zobrazuje teplotu ohřívací pásky porcelánového sloupu spínače a pak kontroluje ohřívací modul podle přednastavené teplotní hranice.
(2) Režim nuceného startu: Pomocí obejití termostatu probíhá kontinuální ohřev přenosové komory a SF₆ plynu uvnitř porcelánového sloupu spínače. Tímto způsobem lze zabránit problémům, jako jsou varování o nízkém tlaku u porcelánového sloupu spínače a poklesu přerušovací kapacity způsobené zkapalněním SF₆ plynu.

4 Závěr

Vzhledem k častému výskytu varování o nízkém tlaku a dokonce i uzamčení spínačů v extrémně chladném počasí v oblasti Bashang v Zhangjiakou bylo navrženo ohřívací zařízení pro 110kV porcelánový sloup SF₆ spínač. Toto zařízení může zajistit bezpečné a stabilní fungování spínače. Kromě toho má výhody nízkých nákladů na instalaci a krátké doby instalace a ukazuje dobré možnosti pro šíření.