Entwurf und Implementierung eines Gasheizgeräts für einen 110kV-Porzellanständer-SF6-Schaltkreisbrecher

Hochspannungsschaltgeräte sind eines der wichtigsten Steuerungselemente im Stromnetz. Der Betriebsstatus von Hochspannungsschaltgeräten beeinflusst direkt die sichere und stabile Betriebsführung des Stromnetzes. Dazu zählt auch der Freiluft-Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrecher, der eine der Hauptarten von Hochspannungsschaltkreisbrechern darstellt. SF₆ hat eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, exzellente Bogenlöschleistung und Isolationsfähigkeit. In der Praxis wurde jedoch festgestellt, dass in extrem kalten Gebieten wie Zhangjiakou Bashang in der Provinz Hebei niedrige Temperaturen leicht zur Verflüssigung des SF₆-Gases führen können, was zu einem Druckabfall des SF₆-Gases führt. Dies kann einen Niederdruck-Alarm für den Schaltkreisbrecher auslösen oder sogar zu einer Sperrung (d.h. der Schaltkreisbrecher kann weder geschlossen noch geöffnet werden) führen, was die Unterbrechungsleistung und die Isolationsleistung des Schaltkreisbrechers erheblich beeinträchtigt. Um dieses Problem zu lösen, wird in dieser Arbeit ein Gasheizgerät für den 110kV-Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrecher entworfen.

1 Niederdruck-Alarm und Sperrungssituation des Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrechers

In der Bashang-Region von Zhangjiakou kann die Wintertemperatur bis zu -30 °C sinken. In Umspannwerken in der Bashang-Region sind mehrfach Niederdruck-Alarm- und sogar Sperrungsausfälle von SF₆-Schaltkreisbrechern aufgetreten. In nur einem Monat trat der Niederdruck-Alarm mehr als 30 Mal auf, und es gab mehr als 10 Sperrungsausfälle, was eine große potenzielle Bedrohung für die sichere und stabile Betriebsführung des Stromnetzes darstellt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Hauptursache für die Alarm- und Sperrungsausfälle beim 110kV-Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrecher das Fehlen eines SF₆-Gasheizgeräts ist. Da der SF₆-Gasraum direkt der äußeren Umgebung ausgesetzt ist, verflüssigt sich das SF₆-Gas, wenn die Umgebungstemperatur unter einen bestimmten Punkt fällt, was dazu führt, dass der Druck im Gasraum unter den vorgesehenen Alarm- und Sperrungsdruckwerten liegt.

2 Probleme mit herkömmlichen Lösungen

Derzeit sind die hauptsächlichen Methoden zur Lösung der Niederdruck-Alarm- und Sperrungsprobleme des Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrechers wie folgt:
(1) Das Aufblasen des Schaltkreisbrechers, um das Molekulargewicht des Gases im Tank zu erhöhen, wodurch der Druck des SF₆-Gases erhöht wird. Diese Methode ist jedoch bei extrem kaltem Wetter nicht anwendbar. Denn das nachgefüllte SF₆-Gas wird unter niedriger Temperatur und hohem Druck schnell verflüssigen, und es ist trotzdem nicht möglich, den Gasdruck zu erhöhen. Der Nennwertdruck von SF₆ im Schaltkreisbrecher beträgt in der Regel 0,6 MPa, und der Sättigungsverdampfungsdampfdruck von SF₆ beträgt 0,6 MPa bei -20 °C. Mit sinkender Umgebungstemperatur sinkt der Sättigungsverdampfungsdampfdruck von SF₆. Das bedeutet, dass in einer extrem kalten Umgebung, selbst wenn der Schaltkreisbrecher aufgeblasen wird, das eingefügte Gas aufgrund des Sättigungsverdampfungsdampfdrucks von SF₆ schnell verflüssigt, und das Ziel, den Druck zu erhöhen, nicht erreicht werden kann. Daher kann diese Methode, wenn die Umgebungstemperatur unter -20 °C fällt, den Nennwertdruck innerhalb des Schaltkreisbrechers nicht wiederherstellen.
(2) Die manuelle Trennung des Sperrungskreises des Schaltkreisbrechers, um den Schaltkreisbrecher normal schließen und öffnen zu können. Diese Methode führt jedoch dazu, dass der Schaltkreisbrecher den Schutz durch die elektrische Sperrung verliert. Sobald der Gasdruck innerhalb des Schaltkreisbrechers die Anforderungen für die Bogenlöschung oder sogar die Isolation nicht mehr erfüllt, können ernste Unfälle auftreten, und die Arbeitskosten sind relativ hoch.
(3) Die Verwendung der Methode, das SF₆-Gas zu heizen, um das Problem der Verflüssigung des Bogenlöschmediums des SF₆-Schaltkreisbrechers in kalten Regionen zu lösen. Je nach spezifischer Struktur des Schaltkreisbrechers wird ein entsprechendes Heizgerät angefertigt, und durch Heizen wird die Betriebstemperatur des SF₆-Gases erhöht, um die Verflüssigung des SF₆-Gases in einer kalten Umgebung zu vermeiden. Das Gasheizgerät des Schaltkreisbrechers kann in der Regel automatisch die Heizfunktion gemäß dem Wechsel der Umgebungstemperatur aktivieren oder deaktivieren. Die Betriebs- und Wartungspersonal können die automatische Aktivierungs- und Deaktivierungstemperaturwerte gemäß der tatsächlichen Umgebungstemperatur einstellen. Im Vergleich zur manuellen Trennung des Sperrungskreises des Schaltkreisbrechers reduziert diese Methode die Arbeitskosten bei der Betriebs- und Wartung. Allerdings erfordert die Installation des Heizgeräts hohe Personalkosten und Materialkosten, und die Wärmenutzungsrate ist relativ gering.

3 Heizgerät für den Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrecher

Gemäß den strukturellen Merkmalen des Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrechers wurde ein Heizgerät für den Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrecher entworfen, das drei Teile umfasst: den Heizmodul, den Temperatursteuermodul und den Energieversorgungsmodul.

3.1 Heizmodul

Die Installationsposition des Heizgeräts ist von großer Bedeutung und beeinflusst direkt die Heizeffizienz des SF₆-Gases. Der Porzellanständer-Schaltkreisbrecher besteht aus mehreren Grundelementen, einschließlich dem Bogenlöschraum, dem Stützporzellanisolator, dem Betriebsmechanismus, dem Stützrahmen usw. Es gibt zwei miteinander verbundene Stützporzellanisolatoren unter dem Bogenlöschraum, die mit SF₆-Gas gefüllt sind. Die Hauptfunktion des Stützporzellanisolators besteht darin, die Isolierung gegen Erde zu gewährleisten. Daher muss bei der Auslegung des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers ein bestimmter Isolationsabstand eingehalten und die mechanische Festigkeit des Keramikmaterials gesichert werden. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, ein leitfähiges Heizgerät auf der Außenseite des Porzellanisolators zu installieren [5]. In dieser Arbeit wurde der Übertragungsraum als Heizteil ausgewählt. Der Übertragungsraum hat jedoch eine unregelmäßige Form, und traditionelle Heizgeräte lassen sich nicht leicht befestigen. Darüber hinaus befindet sich der Übertragungsraum in der Basis des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers, und der Raum ist eng. Traditionelle Heizgeräte sind zu groß, was möglicherweise den normalen Betrieb des Übertragungsmechanismus des Schaltkreisbrechers beeinträchtigen könnte.

Ein Heizmodul wurde gemäß den Merkmalen des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers in der Bashang-Region von Zhangjiakou entworfen. Das Heizmodul besteht aus einem Heizband und einem Widerstanddraht. Das Heizband besteht aus isolierendem Silikonkautschuk, und der Rückenkleber ist 3M hitzebeständiger Kleber, mit dem Ausgang vorne, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Widerstanddraht ist innerhalb des Heizbands umwickelt. Das Heizband aus isolierendem Silikonkautschuk und der 3M hitzebeständige Kleber können hohe Temperaturen (die Spannung beträgt AC220V) aushalten, und die Form und Länge des Heizbands können flexibel nach der Form des Übertragungsraums des lokalen Schaltkreisbrechers ausgewählt werden.

Abbildung 1 zeigt die Vorder- und Rückseite des Heizmoduls

3.2 Temperatursteuermodul

Das Temperatursteuermodul besteht aus einem Sensor und einem Temperaturregler. Konkret ist der Sensor am Heizband der Phase B des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers installiert. Seine Funktion besteht darin, die Temperatur im Übertragungsraum des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers zu messen und die Temperaturdaten an den Temperaturregler zu übertragen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Temperaturregler ist ein JY-260 Mikrocomputertemperaturregler. Er dient dazu, die Temperatur an dieser Position zu empfangen und anzuzeigen und die Start- und Stoppfunktion des Heizmoduls gemäß dem voreingestellten Temperaturschwelle zu steuern, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 2 Temperatursensor

Abbildung 3 Thermostat

3.3 Energieversorgungsmodul

Das Energieversorgungsmodul umfasst eine temperaturgesteuerte Energieversorgung und eine zwangsstartende Energieversorgung, wie in Abbildung 4 dargestellt. Dabei ist die temperaturgesteuerte Energieversorgung über den Temperaturregler mit dem Heizmodul verbunden. Gemäß der Umgebungstemperatur in der Bashang-Region wird der Betriebsschwellwert der temperaturgesteuerten Energieversorgung eingestellt, und die temperaturgesteuerte Energieversorgung arbeitet normal innerhalb dieses Schwellwerts. Die zwangsstartende Energieversorgung ist direkt mit dem Heizmodul verbunden. Wenn die Temperatur unter den Betriebsschwellwert der temperaturgesteuerten Energieversorgung fällt, wird die zwangsstartende Energieversorgung aktiviert.

Abbildung 4 Temperaturgesteuerte Energieversorgung

3.4 Arbeitsmodi des Heizgeräts

Das Heizgerät des Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrechers hat zwei Heizmodi.
(1) Temperatursteuerungsmodus: Das Heizgerät verwendet den Sensor, der am Heizband der Phase B des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers installiert ist, um die Temperatur im Übertragungsraum des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers zu erfassen und an den Temperaturregler zu übertragen. Der Temperaturregler empfängt und zeigt die Temperatur des Heizbands des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers an und steuert dann das Heizmodul gemäß dem voreingestellten Temperaturschwelle.
(2) Zwangsstartmodus: Indem der Temperaturregler umgangen wird, wird eine kontinuierliche Heizung des Übertragungsraums durchgeführt, und das SF₆-Gas innerhalb des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers wird geheizt. Auf diese Weise können Probleme wie Niederdruckalarme des Porzellanständer-Schaltkreisbrechers und eine Verringerung der Unterbrechungsleistung aufgrund des verflüssigten SF₆-Gases vermieden werden.

4 Schlussfolgerung

Ziel dieser Arbeit war es, ein Gasheizgerät für den 110kV-Porzellanständer-SF₆-Schaltkreisbrecher zu entwerfen, um die häufig auftretenden Niederdruckalarme und sogar Sperrungen von Schaltkreisbrechern in extrem kalten Wetterbedingungen in der Bashang-Region von Zhangjiakou zu lösen. Dieses Gerät kann die sichere und stabile Betriebsführung des Schaltkreisbrechers sicherstellen. Darüber hinaus bietet es die Vorteile von niedrigen Installationskosten und kurzer Installationszeit und zeigt einen guten Verwertungswert.