طراحی و اجرای دستگاه گرم کننده گاز برای شیرکلید SF6 ستون سرامیک 110kV

بریکرهای ولتاژ بالا یکی از مهم‌ترین دستگاه‌های کنترل در سیستم برق هستند. وضعیت عملکرد بریکرهای ولتاژ بالا به طور مستقیم بر عملکرد ایمن و پایدار سیستم برق تأثیر می‌گذارد. در میان آنها، بریکر ستون سرامیکی خارجی نوع SF₆ یکی از انواع اصلی بریکر ولتاژ بالا است. SF₆ دارای قدرت تحمل الکتریکی بالا، عملکرد خاموش‌سازی قوس عالی و قابلیت عایق‌بندی است. با این حال، در کاربردهای عملی مشاهده شده است که در مناطق بسیار سرد مانند بخش بشانگ شهرستان زانگجیاکو در استان هبئی، دمای پایین می‌تواند باعث تبخیر SF₆ شود که منجر به کاهش فشار گاز SF₆ می‌شود. این می‌تواند به هشدار فشار پایین بریکر یا حتی قفل شدن (به معنای عدم توانایی بریکر برای بسته یا باز شدن) منجر شود که به طور جدی عملکرد خاموش‌سازی و عایق‌بندی بریکر را تحت تأثیر قرار می‌دهد. برای حل این مشکل، این مقاله یک دستگاه گرم‌کننده گاز برای بریکر ستون سرامیکی 110kV نوع SF₆ طراحی کرده است.

1 وضعیت هشدار فشار پایین و قفل شدن بریکر ستون سرامیکی نوع SF₆

در ناحیه بشانگ شهرستان زانگجیاکو، دمای زمستان می‌تواند به -30 °C برسد. هشدارهای فشار پایین و حتی قفل شدن بریکرهای SF₆ چندین بار در زیرстанیون‌های ناحیه بشانگ رخ داده است. تنها در یک ماه، هشدار فشار پایین بیش از 30 بار و قفل شدن بیش از 10 بار رخ داده است که تهدید بزرگی برای عملکرد ایمن و پایدار شبکه برق است. تحقیقات نشان داده است که عامل اصلی هشدار و قفل شدن بریکر 110kV ستون سرامیکی نوع SF₆ عدم وجود دستگاه گرم‌کننده گاز SF₆ است. چون که حفره گاز SF₆ مستقیماً به محیط خارجی مواجه است، وقتی دمای محیط به یک سطح خاص برسد، گاز SF₆ تبخیر می‌شود و فشار درون حفره گاز کمتر از مقادیر هشدار و قفل شدن مشخص شده می‌شود.

2 مشکلات راه‌حل‌های سنتی

در حال حاضر، روش‌های اصلی برای حل مشکلات هشدار فشار پایین و قفل شدن بریکر ستون سرامیکی نوع SF₆ عبارتند از:
(1) پمپ کردن گاز بریکر 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 اعمال نیست. زیرا گاز SF₆ تکمیلی به سرعت در دمای پایین و محیط فشار بالا تبخیر می‌شود و همچنان امکان افزایش فشار گاز وجود ندارد. فشار اسمی گاز SF₆ در بریکر معمولاً 0.6 MPa است و فشار بخار اشباع گاز SF₆ در دمای -20 °C برابر 0.6 MPa است. با کاهش دمای محیط، فشار بخار اشباع گاز SF₆ کاهش می‌یابد. یعنی در محیط با دمای بسیار پایین، حتی اگر بریکر پمپ شود، به دلیل فشار بخار اشباع گاز SF₆، گاز تکمیلی به سرعت تبخیر می‌شود و هدف افزایش فشار به دست نمی‌آید. بنابراین، وقتی دمای محیط کمتر از -20 °C است، این روش نمی‌تواند فشار اسمی داخل بریکر را بازیابی کند.
(2) قطع دستی مدار قفل شدن بریکر برای امکان بسته و باز شدن طبیعی بریکر. با این حال، این روش باعث می‌شود بریکر از محافظت قفل الکتریکی محروم شود. اگر فشار گاز درون بریکر نتواند نیازهای خاموش‌سازی قوس یا حتی عایق‌بندی را برآورده کند، حوادث جدی ممکن است رخ دهد و هزینه کاری نسبتاً بالاست.
(3) استفاده از روش گرم کردن گاز SF₆ برای حل مشکل تبخیر مedium خاموش‌سازی گاز SF₆ در مناطق سرد. بر اساس ساختار خاص بریکر، دستگاه گرم‌کننده متناسب طراحی می‌شود و با گرم کردن دمای گاز SF₆ از تبخیر گاز SF₆ در محیط با دمای پایین جلوگیری می‌شود. دستگاه گرم‌کننده گاز بریکر معمولاً می‌تواند به صورت خودکار با تغییر دمای محیط فعال یا غیرفعال شود. کارکنان عملیات و نگهداری می‌توانند مقادیر دمای فعال و غیرفعال شدن خودکار را بر اساس دمای محیط واقعی تنظیم کنند. در مقایسه با قطع دستی مدار قفل شدن بریکر، این روش هزینه کاری در عملیات و نگهداری را کاهش می‌دهد. با این حال، نصب دستگاه گرم‌کننده نیاز به هزینه‌های انسانی و مادی بالا دارد و نرخ استفاده از گرما نسبتاً پایین است.

3 دستگاه گرم‌کننده برای بریکر ستون سرامیکی نوع SF₆

بر اساس ویژگی‌های ساختاری بریکر ستون سرامیکی نوع SF₆، دستگاه گرم‌کننده برای بریکر ستون سرامیکی نوع SF₆ طراحی شده است که شامل سه بخش است: ماژول گرم‌کننده، ماژول کنترل دما و ماژول تغذیه.

3.1 ماژول گرم‌کننده

مکان نصب دستگاه گرم‌کننده بسیار مهم است و به طور مستقیم بر کارایی گرم کردن گاز SF₆ تأثیر می‌گذارد. بریکر ستون سرامیکی از چند واحد اساسی تشکیل شده است که شامل حفره خاموش‌سازی، بوش سرامیکی پشتیبان، مکانیسم عملیاتی، قاب پشتیبان و غیره است. دو بوش سرامیکی پشتیبان متصل به هم زیر حفره خاموش‌سازی قرار دارند که با گاز SF₆ پر شده‌اند. عملکرد اصلی بوش سرامیکی پشتیبان عایق‌بندی نسبت به زمین است. بنابراین، در طراحی بریکر ستون سرامیکی، باید فاصله عایق‌بندی خاصی حفظ شود و قدرت مکانیکی مواد سرامیکی تضمین شود. این بدان معناست که نمی‌توان دستگاه گرم‌کننده رسانا را روی سطح خارجی بوش سرامیکی نصب کرد [5]. در این مقاله، بخش گرم‌کننده به عنوان حفره انتقال انتخاب شده است. با این حال، حفره انتقال شکل نامنظمی دارد و دستگاه‌های گرم‌کننده سنتی به راحتی ثابت نمی‌شوند. علاوه بر این، حفره انتقال در پایه بریکر ستون سرامیکی قرار دارد و فضای آن بسیار تنگ است. دستگاه‌های گرم‌کننده سنتی از نظر اندازه بزرگ هستند و ممکن است عملکرد طبیعی مکانیسم انتقال بریکر را تحت تأثیر قرار دهند.

ماژول گرم‌کننده بر اساس ویژگی‌های بریکر ستون سرامیکی در ناحیه بشانگ شهرستان زانگجیاکو طراحی شده است. ماژول گرم‌کننده از نوار گرم‌کننده و سیم مقاومتی تشکیل شده است. نوار گرم‌کننده از کائوچو سیلیکون عایق‌بندی شده ساخته شده و لایه چسبنده آن چسب گرمایی 3M است و دهانه خروجی آن در جلو قرار دارد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. سیم مقاومتی در داخل نوار گرم‌کننده پیچیده شده است. نوار گرم‌کننده ساخته شده از کائوچو سیلیکون عایق‌بندی شده و چسب گرمایی 3M می‌تواند دماهای بالا (ولتاژ AC220V) را تحمل کند و شکل و طول نوار گرم‌کننده می‌تواند به صورت انعطاف‌پذیری بر اساس شکل حفره انتقال بریکر محلی انتخاب شود.

شکل 1 نشان‌دهنده جلو و پشت ماژول گرم‌کننده است

3.2 ماژول کنترل دما

ماژول کنترل دما شامل سنسور و کنترل‌کننده دما است. به طور خاص، سنسور روی نوار گرم‌کننده فاز B بریکر ستون سرامیکی نصب شده است. وظیفه آن اندازه‌گیری دما در حفره انتقال بریکر ستون سرامیکی و انتقال داده‌های دما به کنترل‌کننده دما است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. کنترل‌کننده دما یک کنترل‌کننده دما میکروکامپیوتری JY-260 است. این دستگاه برای دریافت و نمایش دما در این مکان و کنترل شروع و توقف ماژول گرم‌کننده بر اساس آستانه دمایی پیش‌تنظیم شده استفاده می‌شود، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 2 سنسور دما

شکل 3 کنترل‌کننده دما

3.3 ماژول تغذیه

ماژول تغذیه شامل تغذیه‌دهنده دماکنترل‌شده و تغذیه‌دهنده شروع اجباری است، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. در میان آنها، تغذیه‌دهنده دماکنترل‌شده از طریق کنترل‌کننده دما به ماژول گرم‌کننده متصل می‌شود. بر اساس دمای محیط در ناحیه بشانگ، آستانه عملکرد تغذیه‌دهنده دماکنترل‌شده تنظیم می‌شود و تغذیه‌دهنده دماکنترل‌شده در این آستانه به طور طبیعی عمل می‌کند. تغذیه‌دهنده شروع اجباری به طور مستقیم به ماژول گرم‌کننده متصل می‌شود. وقتی دما کمتر از آستانه عملکرد تغذیه‌دهنده دماکنترل‌شده است، تغذیه‌دهنده شروع اجباری فعال می‌شود.

شکل 4 تغذیه‌دهنده دماکنترل‌شده

3.4 حالت‌های کاری دستگاه گرم‌کننده

دستگاه گرم‌کننده بریکر ستون سرامیکی نوع SF₆ دو حالت گرم کردن دارد.
(1) حالت کنترل دما: دستگاه گرم‌کننده از سنسور نصب شده روی نوار گرم‌کننده فاز B بریکر ستون سرامیکی برای دریافت دما در حفره انتقال بریکر ستون سرامیکی و انتقال آن به کنترل‌کننده دما استفاده می‌کند. کنترل‌کننده دما دما را دریافت و نمایش می‌دهد و سپس ماژول گرم‌کننده را بر اساس آستانه دمایی پیش‌تنظیم شده کنترل می‌کند.
(2) حالت شروع اجباری: با دور زدن کنترل‌کننده دما، گرم کردن مداوم حفره انتقال انجام می‌شود و گاز SF₆ درون بریکر ستون سرامیکی گرم می‌شود. به این ترتیب، مشکلاتی مانند هشدار فشار پایین بریکر ستون سرامیکی و کاهش توان خاموش‌سازی ناشی از تبخیر گاز SF₆ می‌تواند جلوگیری شود.

4 نتیجه‌گیری

با توجه به رخداد بارز هشدارهای فشار پایین و حتی قفل شدن بریکرهای ولتاژ بالا در آب و هوای بسیار سرد ناحیه بشانگ شهرستان زانگجیاکو، این مقاله یک دستگاه گرم‌کننده گاز برای بریکر ستون سرامیکی 110kV نوع SF₆ طراحی کرده است. این دستگاه می‌تواند عملکرد ایمن و پایدار بریکر را تضمین کند. علاوه بر این، این دستگاه دارای مزایای هزینه نصب پایین و زمان نصب کوتاه است و ارزش ترویجی خوبی دارد.