طراحی و اجرای دستگاه گرم کن گاز برای شیرکننده سیال SF6 ستون سرامیکی 110kV

پرتوی برق‌آور با ولتاژ بالا یکی از مهم‌ترین دستگاه‌های کنترل در سیستم برق است. وضعیت عملکرد پرتوی برق‌آور با ولتاژ بالا به طور مستقیم بر عملکرد ایمن و پایدار سیستم برق تأثیر می‌گذارد. از آن جمله، پرتوی برق‌آور نوع خارجی سفالی SF₆ یکی از انواع اصلی پرتوی برق‌آور با ولتاژ بالا است. SF₆ دارای قدرت تحمل الکتریکی بالا، عملکرد خاموش‌کننده قوس الکتریکی عالی و قابلیت عایق‌بندی است. با این حال، در کاربرد عملی مشخص شده است که در مناطق سردسیر مانند منطقه بشانگ در زانگجیاکوئی استان هبئی، دمای پایین به راحتی می‌تواند SF₆ مایع شود که منجر به کاهش فشار گاز SF₆ می‌شود. این می‌تواند به هشدار فشار پایین پرتوی برق‌آور یا حتی قفل شدن (به معنای عدم توانایی بستن یا باز کردن پرتوی برق‌آور) منجر شود که به طور جدی بر قابلیت قطع و عملکرد عایق‌بندی پرتوی برق‌آور تأثیر می‌گذارد. برای حل این مشکل، این مقاله یک دستگاه گرمکن گاز برای پرتوی برق‌آور با ولتاژ ۱۱۰kV سفالی SF₆ طراحی کرده است.

۱ وضعیت هشدار فشار پایین و قفل شدن پرتوی برق‌آور سفالی SF₆

در منطقه بشانگ زانگجیاکوئی، دمای زمستان می‌تواند به -۳۰ °C برسد. هشدار فشار پایین و حتی قفل شدن پرتوی‌های برق‌آور SF₆ چندین بار در زیراستان‌های منطقه بشانگ رخ داده است. تنها در یک ماه، هشدار فشار پایین بیش از ۳۰ بار و قفل شدن بیش از ۱۰ بار رخ داده است که تهدید بزرگی برای عملکرد ایمن و پایدار شبکه برق می‌باشد. تحقیقات نشان داده است که علت اصلی هشدار و قفل شدن در پرتوی برق‌آور با ولتاژ ۱۱۰kV سفالی SF₆ عدم وجود دستگاه گرمکن گاز SF₆ است. چون حفره گاز SF₆ مستقیماً به محیط بیرونی مواجه است، وقتی دمای محیط به یک سطح خاص برسد، گاز SF₆ مایع می‌شود و فشار درون حفره گاز کمتر از مقادیر هشدار و قفل شدن تعیین شده می‌شود.

۲ مشکلات راه‌حل‌های سنتی

در حال حاضر، روش‌های اصلی برای حل مشکلات هشدار فشار پایین و قفل شدن پرتوی برق‌آور سفالی SF₆ به شرح زیر است:
(۱) پر کردن پرتوی برق‌آور برای افزایش وزن مولکولی گاز در ظرف، که باعث افزایش فشار گاز SF₆ می‌شود. با این حال، این روش در آب و هوای بسیار سرد قابل اجرا نیست. چون گاز SF₆ تکمیلی به سرعت در محیط با دمای پایین و فشار بالا مایع می‌شود و هنوز نمی‌تواند فشار گاز را افزایش دهد. فشار اسمی گاز SF₆ در پرتوی برق‌آور معمولاً ۰٫۶ MPa است و فشار بخار اشباع گاز SF₆ در -۲۰ °C برابر ۰٫۶ MPa است. با کاهش دمای محیط، فشار بخار اشباع گاز SF₆ کاهش می‌یابد. یعنی در محیط با دمای بسیار پایین، حتی اگر پرتوی برق‌آور پر شود، به دلیل فشار بخار اشباع گاز SF₆، گاز پر شده به سرعت مایع می‌شود و هدف افزایش فشار به دست نمی‌آید. بنابراین، وقتی دمای محیط کمتر از -۲۰ °C است، این روش نمی‌تواند فشار اسمی درون پرتوی برق‌آور را بازیابی کند.
(۲) قطع دستی مدار قفل شدن پرتوی برق‌آور برای امکان بستن و باز کردن طبیعی پرتوی برق‌آور. با این حال، این روش باعث می‌شود پرتوی برق‌آور از محافظت قفل الکتریکی محروم شود. اگر فشار گاز درون پرتوی برق‌آور نتواند نیازهای خاموش کردن قوس یا حتی عایق‌بندی را برآورده کند، حوادث جدی ممکن است رخ دهد و هزینه کاری نسبتاً بالا است.
(۳) استفاده از روش گرم کردن گاز SF₆ برای حل مشکل مایع شدن مedium خاموش کننده قوس الکتریکی پرتوی برق‌آور SF₆ در مناطق سرد. بر اساس ساختار خاص پرتوی برق‌آور، دستگاه گرمکن متناسب طراحی شده و با گرم کردن دمای عملکرد گاز SF₆ افزایش می‌یابد تا مایع شدن گاز SF₆ در محیط با دمای پایین را جلوگیری کند. دستگاه گرمکن گاز پرتوی برق‌آور معمولاً می‌تواند به صورت خودکار عملکرد گرم کردن را بر اساس تغییر دمای محیط فعال یا غیرفعال کند. کارکنان عملیات و نگهداری می‌توانند مقادیر دمایی فعال و غیرفعال را بر اساس دمای محیط واقعی تنظیم کنند. در مقایسه با قطع دستی مدار قفل شدن پرتوی برق‌آور، این روش هزینه کاری در عملیات و نگهداری را کاهش می‌دهد. با این حال، نصب دستگاه گرمکن نیاز به هزینه‌های انسانی و مادی بالا دارد و نرخ استفاده از گرما نسبتاً پایین است.

۳ دستگاه گرمکن پرتوی برق‌آور سفالی SF₆

بر اساس ویژگی‌های ساختاری پرتوی برق‌آور سفالی SF₆، یک دستگاه گرمکن برای پرتوی برق‌آور سفالی SF₆ طراحی شده است که شامل سه بخش است: ماژول گرم کننده، ماژول کنترل دما و ماژول تغذیه.

۳.۱ ماژول گرم کننده

مکان نصب دستگاه گرمکن بسیار مهم است و به طور مستقیم بر کارایی گرم کردن گاز SF₆ تأثیر می‌گذارد. پرتوی برق‌آور سفالی از چند واحد اصلی تشکیل شده است، از جمله حفره خاموش کننده قوس، بوش سفالی حامل، مکانیسم عملیاتی، قاب حامل و غیره. دو بوش سفالی متصل به هم زیر حفره خاموش کننده قوس قرار دارند که با گاز SF₆ پر شده‌اند. عملکرد اصلی بوش سفالی حامل عایق‌بندی در برابر زمین است. بنابراین، در طراحی پرتوی برق‌آور سفالی، باید فاصله عایق‌بندی خاصی رعایت شود و مقاومت مکانیکی مواد سرامیکی تضمین شود. این بدان معناست که نمی‌توان دستگاه گرمکن رسانا روی سطح بیرونی بوش سفالی نصب کرد [۵]. در این مقاله، بخش گرم کننده به عنوان حفره انتقال انتخاب شده است. با این حال، حفره انتقال شکل نامنظمی دارد و دستگاه‌های گرم کننده سنتی را به راحتی نمی‌توان ثابت کرد. علاوه بر این، حفره انتقال در پایه پرتوی برق‌آور سفالی قرار دارد و فضای آن بسیار محدود است. دستگاه‌های گرم کننده سنتی اندازه بزرگی دارند که ممکن است عملکرد طبیعی مکانیسم انتقال پرتوی برق‌آور را تحت تأثیر قرار دهد.

یک ماژول گرم کننده بر اساس ویژگی‌های پرتوی برق‌آور سفالی در منطقه بشانگ زانگجیاکوئی طراحی شده است. ماژول گرم کننده از نوار گرم کننده و سیم مقاومتی تشکیل شده است. نوار گرم کننده از کائوچو سیلیکون عایق‌بندی شده ساخته شده و لایه چسبنده آن چسب مقاوم به گرما ۳M است، با دهانه خروجی در جلو، مانند آنچه در شکل ۱ نشان داده شده است. سیم مقاومتی داخل نوار گرم کننده پیچیده شده است. نوار گرم کننده ساخته شده از کائوچو سیلیکون عایق‌بندی شده و چسب مقاوم به گرما ۳M می‌تواند دمای بالا (ولتاژ AC220V) را تحمل کند و شکل و طول نوار گرم کننده می‌تواند به طور انعطاف‌پذیری بر اساس شکل حفره انتقال پرتوی برق‌آور محلی انتخاب شود.

شکل ۱ نشان‌دهنده جلو و عقب ماژول گرم کننده

۳.۲ ماژول کنترل دما

ماژول کنترل دما شامل حسگر و کنترل‌کننده دما است. به طور خاص، حسگر روی نوار گرم کننده فاز B پرتوی برق‌آور سفالی نصب شده است. وظیفه آن اندازه‌گیری دمای حفره انتقال پرتوی برق‌آور سفالی و ارسال داده‌های دما به کنترل‌کننده دما است، مانند آنچه در شکل ۲ نشان داده شده است. کنترل‌کننده دما یک کنترل‌کننده دما میکروکامپیوتری JY-260 است. این کنترل‌کننده برای دریافت و نمایش دمای این مکان و کنترل شروع و توقف ماژول گرم کننده بر اساس آستانه دما تنظیم شده است، مانند آنچه در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۲ حسگر دما

شکل ۳ کنترل‌کننده دما

۳.۳ ماژول تغذیه

ماژول تغذیه شامل تغذیه‌دهنده کنترل‌شده با دما و تغذیه‌دهنده شروع اجباری است، مانند آنچه در شکل ۴ نشان داده شده است. از آن جمله، تغذیه‌دهنده کنترل‌شده با دما از طریق کنترل‌کننده دما به ماژول گرم کننده متصل شده است. بر اساس دمای محیط در منطقه بشانگ، آستانه عملکرد تغذیه‌دهنده کنترل‌شده با دما تنظیم شده و تغذیه‌دهنده کنترل‌شده با دما در این آستانه به طور طبیعی عمل می‌کند. تغذیه‌دهنده شروع اجباری مستقیماً به ماژول گرم کننده متصل شده است. وقتی دما کمتر از آستانه عملکرد تغذیه‌دهنده کنترل‌شده با دما باشد، تغذیه‌دهنده شروع اجباری فعال می‌شود.

شکل ۴ تغذیه‌دهنده کنترل‌شده با دما

۳.۴ حالت‌های کاری دستگاه گرمکن

دستگاه گرمکن پرتوی برق‌آور سفالی SF₆ دو حالت گرم کردن دارد.
(۱) حالت کنترل دما: دستگاه گرمکن از حسگر نصب شده روی نوار گرم کننده فاز B پرتوی برق‌آور سفالی برای دریافت دمای حفره انتقال پرتوی برق‌آور سفالی و ارسال آن به کنترل‌کننده دما استفاده می‌کند. کنترل‌کننده دما دما را دریافت و نمایش می‌دهد و سپس ماژول گرم کننده را بر اساس آستانه دما تنظیم شده کنترل می‌کند.
(۲) حالت شروع اجباری: با دور زدن کنترل‌کننده دما، گرم کردن مداوم حفره انتقال انجام می‌شود و گاز SF₆ درون پرتوی برق‌آور سفالی گرم می‌شود. به این ترتیب، مشکلاتی مانند هشدار فشار پایین پرتوی برق‌آور سفالی و کاهش قابلیت قطع به دلیل مایع شدن گاز SF₆ می‌تواند جلوگیری شود.

۴ نتیجه‌گیری

با توجه به رخدادهای مکرر هشدار فشار پایین و حتی قفل شدن پرتوی‌های برق‌آور در آب و هوای بسیار سرد در منطقه بشانگ زانگجیاکوئی، این مقاله یک دستگاه گرمکن گاز برای پرتوی برق‌آور با ولتاژ ۱۱۰kV سفالی SF₆ طراحی کرده است. این دستگاه می‌تواند عملکرد ایمن و پایدار پرتوی برق‌آور را تضمین کند. علاوه بر این، این دستگاه دارای مزایای هزینه نصب پایین و زمان نصب کوتاه است و ارزش ترویجی خوبی دارد.