Diseño e Implementación de un Dispositivo de Calefacción a Gas para el Interruptor de SF6 de 110kV con Columna de Porcelana

Los interruptores de alta tensión son uno de los aparatos de control más cruciales en el sistema de energía. El estado operativo de los interruptores de alta tensión afecta directamente la operación segura y estable del sistema de energía. Entre ellos, el interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana al aire libre es uno de los principales tipos de interruptor de alta tensión. El SF₆ tiene una alta resistencia dieléctrica, un excelente rendimiento de extinción de arco y capacidad de aislamiento. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, se ha encontrado que en áreas muy frías como Zhangjiakou Bashang en la provincia de Hebei, las bajas temperaturas pueden causar fácilmente la liquefacción del gas SF₆, lo que resulta en una disminución de la presión del gas SF₆. Esto puede desencadenar una alarma de baja presión para el interruptor o incluso llevar a un bloqueo (el bloqueo del interruptor significa que el interruptor no puede ni cerrarse ni abrirse), afectando seriamente la capacidad de interrupción y el rendimiento de aislamiento del interruptor. Para abordar este problema, este documento diseña un dispositivo de calefacción de gas para el interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana de 110kV.

1 Alarma de baja presión y situación de bloqueo del interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana

En la zona de Bashang de Zhangjiakou, la temperatura invernal puede alcanzar -30 °C. Las alarmas de baja presión e incluso los fallos de bloqueo de los interruptores de SF₆ han ocurrido múltiples veces en subestaciones de la zona de Bashang. En solo un mes, la alarma de baja presión ocurrió más de 30 veces, y el fallo de bloqueo ocurrió más de 10 veces, lo que plantea una gran amenaza potencial para la operación segura y estable de la red eléctrica. Las investigaciones han demostrado que la causa principal de las alarmas y fallos de bloqueo en el interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana de 110kV es la ausencia de un dispositivo de calefacción de gas SF₆. Dado que la cámara de gas SF₆ está expuesta directamente al entorno externo, cuando la temperatura ambiente baja a cierto nivel, el gas SF₆ se liquefacará, lo que hará que la presión en la cámara de gas sea inferior a los valores de alarma y bloqueo especificados.

2 Problemas con las soluciones tradicionales

Actualmente, los principales métodos para resolver los problemas de alarma de baja presión y bloqueo del interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana son los siguientes:
(1) Inflar el interruptor para aumentar el peso molecular del gas en el tanque, lo que aumenta la presión del gas SF₆. Sin embargo, este método no es aplicable en climas extremadamente fríos. Debido a que el gas SF₆ suplementario se licuará rápidamente en ambientes de baja temperatura y alta presión, y aún no será posible aumentar la presión del gas. La presión nominal del SF₆ en el interruptor generalmente es de 0,6 MPa, y la presión de vapor saturado del SF₆ es de 0,6 MPa a -20 °C. A medida que la temperatura ambiente disminuye, la presión de vapor saturado del SF₆ también disminuirá. Es decir, en un entorno de temperatura extremadamente baja, incluso si se infla el interruptor, debido a la presión de vapor saturado del gas SF₆, el gas inflado se licuará rápidamente, y no se logrará el objetivo de aumentar la presión. Por lo tanto, cuando la temperatura ambiente es inferior a -20 °C, este método no puede restaurar la presión nominal dentro del interruptor.
(2) Desconectar manualmente el circuito de bloqueo del interruptor para permitir que el interruptor cierre y abra normalmente. Sin embargo, este método hace que el interruptor pierda la protección del bloqueo eléctrico. Una vez que la presión de gas dentro del interruptor no cumpla con los requisitos de extinción de arco o incluso de aislamiento, pueden ocurrir accidentes graves, y el costo laboral es relativamente alto.
(3) Utilizar el método de calentar el gas SF₆ para resolver el problema de la liquefacción del medio de extinción de arco del interruptor de SF₆ en regiones frías. Según la estructura específica del interruptor, se personaliza un dispositivo de calefacción correspondiente, y se aumenta la temperatura de operación del gas SF₆ a través del calentamiento para evitar la liquefacción del gas SF₆ en un entorno de baja temperatura. El dispositivo de calefacción del interruptor generalmente puede activar o desactivar automáticamente la función de calefacción según el cambio de la temperatura ambiente. El personal de operación y mantenimiento puede configurar los valores de temperatura de activación y desactivación automáticos según la temperatura ambiente real. En comparación con desconectar manualmente el circuito de bloqueo del interruptor, este método reduce el costo laboral en la operación y el mantenimiento. Sin embargo, la instalación del dispositivo de calefacción requiere altos costos humanos y materiales, y la tasa de utilización térmica es relativamente baja.

3 Dispositivo de calefacción para el interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana

De acuerdo con las características estructurales del interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana, se diseña un dispositivo de calefacción para el interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana, que incluye tres partes: el módulo de calefacción, el módulo de control de temperatura y el módulo de alimentación.

3.1 Módulo de calefacción

La ubicación de instalación del dispositivo de calefacción es de gran importancia, ya que afecta directamente la eficiencia de calefacción del gas SF₆. El interruptor de tipo poste de porcelana está compuesto por múltiples unidades básicas, incluyendo la cámara de extinción de arco, la cubierta de soporte de porcelana, el mecanismo de operación, el bastidor de soporte, etc. Hay dos cubiertas de soporte de porcelana interconectadas debajo de la cámara de extinción de arco, que están llenas de gas SF₆. La función principal de la cubierta de soporte de porcelana es lograr el aislamiento contra tierra. Por lo tanto, al diseñar el interruptor de tipo poste de porcelana, se debe mantener una cierta distancia de aislamiento, y se debe garantizar la resistencia mecánica del material cerámico. Esto significa que no es posible instalar un dispositivo de calefacción conductor en la superficie exterior de la cubierta de porcelana [5]. En este documento, se selecciona la parte de transmisión como la parte de calefacción. Sin embargo, la cámara de transmisión tiene una forma irregular, y los dispositivos de calefacción tradicionales no son fáciles de fijar. Además, la cámara de transmisión está ubicada en la base del interruptor de tipo poste de porcelana, y el espacio es estrecho. Los dispositivos de calefacción tradicionales son demasiado grandes, lo que puede afectar la operación normal del mecanismo de transmisión del interruptor.

Se diseña un módulo de calefacción según las características del interruptor de tipo poste de porcelana en la zona de Bashang de Zhangjiakou. El módulo de calefacción está compuesto por una cinta de calefacción y un hilo de resistencia. La cinta de calefacción está hecha de caucho de silicona aislante, y el adhesivo trasero es adhesivo resistente al calor 3M, con la salida en la parte frontal, como se muestra en la Figura 1. El hilo de resistencia está envuelto dentro de la cinta de calefacción. La cinta de calefacción hecha de caucho de silicona aislante y el adhesivo resistente al calor 3M pueden soportar altas temperaturas (la tensión es AC220V), y la forma y longitud de la cinta de calefacción pueden ser seleccionadas flexiblemente según la forma de la cámara de transmisión del interruptor en el sitio.

Figura 1 muestra los lados frontal y posterior del módulo de calefacción

3.2 Módulo de control de temperatura

El módulo de control de temperatura consta de un sensor y un controlador de temperatura. Específicamente, el sensor se instala en la cinta de calefacción de la fase B del interruptor de tipo poste de porcelana. Su función es medir la temperatura en la cámara de transmisión del interruptor de tipo poste de porcelana y transmitir los datos de temperatura al controlador de temperatura, como se muestra en la Figura 2. El controlador de temperatura es un controlador de temperatura microcomputadora JY-260. Se utiliza para recibir y mostrar la temperatura en esta posición, y controlar el inicio y parada del módulo de calefacción según el umbral de temperatura preestablecido, como se muestra en la Figura 3.

Figura 2 Sensor de temperatura

Figura 3 Termostato

3.3 Módulo de alimentación

El módulo de alimentación incluye una fuente de alimentación controlada por temperatura y una fuente de alimentación de arranque forzado, como se muestra en la Figura 4. Entre ellas, la fuente de alimentación controlada por temperatura está conectada al módulo de calefacción a través del controlador de temperatura. Según la temperatura ambiente en la zona de Bashang, se establece el umbral de operación de la fuente de alimentación controlada por temperatura, y la fuente de alimentación controlada por temperatura opera normalmente dentro de este umbral. La fuente de alimentación de arranque forzado está conectada directamente al módulo de calefacción. Cuando la temperatura es inferior al umbral de operación de la fuente de alimentación controlada por temperatura, se activa la fuente de alimentación de arranque forzado.

Figura 4 Fuente de alimentación controlada por temperatura

3.4 Modos de funcionamiento del dispositivo de calefacción

El dispositivo de calefacción del interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana tiene dos modos de calefacción.
(1) Modo de control de temperatura: El dispositivo de calefacción utiliza el sensor instalado en la cinta de calefacción de la fase B del interruptor de tipo poste de porcelana para obtener la temperatura en la cámara de transmisión del interruptor de tipo poste de porcelana y transmitirla al controlador de temperatura. El controlador de temperatura recibe y muestra la temperatura de la cinta de calefacción del interruptor de tipo poste de porcelana, y luego controla el módulo de calefacción según el umbral de temperatura preestablecido.
(2) Modo de arranque forzado: Al pasar por alto el controlador de temperatura, se lleva a cabo el calentamiento continuo de la cámara de transmisión, y se calienta el gas SF₆ dentro del interruptor de tipo poste de porcelana. De esta manera, se pueden evitar problemas como las alarmas de baja presión del interruptor de tipo poste de porcelana y la disminución de la capacidad de interrupción causada por el gas SF₆ liquefacto.

4 Conclusión

Dirigido a la frecuente ocurrencia de alarmas de baja presión e incluso bloqueos de interruptores en climas extremadamente fríos en la zona de Bashang de Zhangjiakou, este documento diseña un dispositivo de calefacción de gas para el interruptor de SF₆ tipo poste de porcelana de 110kV. Este dispositivo puede garantizar la operación segura y estable del interruptor. Además, tiene las ventajas de un bajo costo de instalación y un tiempo de instalación corto, y muestra un buen valor de promoción.