Suunnittelu ja toteutus kaasulämmityslaitteelle 110kV-porsaasipylvässä olevalle SF6-sulkevalle

Korkeajännitekytkimet ovat yksi tärkeimmistä ohjauslaitteista sähköverkossa. Korkeajännitekytkimien toimintatila vaikuttaa suoraan sähköverkon turvalliseen ja vakautettuun toimintaan. Ulkoiset porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimet ovat yksi tärkeämpi korkeajännitekytkimen tyyppi. SF₆:lla on korkea sähköinen kestävyys, erinomainen kaasun sammuttaminenominaisuus ja eristämisominaisuus. Kuitenkin käytännössä on havaittu, että esimerkiksi Hebein maakunnan Zhangjiakoun Bashangin kaltaisissa äärimmäisen kylmässä alueessa, alhaiset lämpötilat voivat helposti aiheuttaa SF₆-kaasun liuottumisen, mikä johtaa SF₆-kaasun paineen laskuun. Tämä voi aiheuttaa kytkimen alhaisen paineen hälytyksen tai jopa lukitsemisen (kytkimen lukitseminen tarkoittaa, että kytkintä ei voida sulkea eikä avata), mikä vaikuttaa huomattavasti kytkimen sammutuskykyyn ja eristämisominaisuuksiin. Ratkaistakseen tämän ongelman, tässä artikkelissa on suunniteltu kaasulämmityslaite 110kV porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimeen.

1 Porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimen alhainen painehälytys ja lukitus

Zhangjiakoun Bashangin alueella talven lämpötila voi laskea -30 °C:aan. SF₆-kytkimissä on useita kertoja esiintynyt alhaisen paineen hälytyksiä ja jopa lukituksia Bashangin alueen alihajotelaitoksissa. Vain yhdessä kuukaudessa alhaisen paineen hälytys ilmeni yli 30 kertaa ja lukitusvirhe yli 10 kertaa, mikä muodostaa suuren potentiaalisen uhkan sähköverkon turvalliseelle ja vakautetuille toiminnalle. Tutkimusten mukaan 110kV porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimen hälytys- ja lukitusongelmien pääsyy on se, että SF₆-kaasulla ei ole lämmityslaitetta. Koska SF₆-kaasupussi on suoraan alttiina ulkoiselle ympäristölle, kun ympäristön lämpötila laskee tietylle tasolle, SF₆-kaasu liuottuu, mikä vähentää kaasupussin painetta alle asetetut hälytys- ja lukituspainearvot.

2 Perinteisten ratkaisujen ongelmat

Nykyisin porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimen alhaisen paineen hälytys- ja lukitusongelmiin pyritään ratkaisemaan seuraavilla tavoilla:
(1) Kytkimen laajennus lisää tankin kaasun molekyylin painoa, mikä lisää SF₆-kaasun painetta. Tämä menetelmä ei kuitenkaan sovellu äärimmäisen kylmään säälle. Lisätty SF₆-kaasu liuottuu nopeasti alhaisissa lämpötiloissa ja korkeassa paineessa, ja sitä ei voida lisätä. SF₆-kaasun normaalipaine kytkimessä on yleensä 0,6 MPa, ja SF₆:n kyllästymispaine on 0,6 MPa -20 °C:ssa. Kun ympäristön lämpötila laskee, SF₆:n kyllästymispaine laskee. Toisin sanoen, äärimmäisen alhaisessa lämpötilaympäristössä, vaikka kytkintä laajennetaan, SF₆-kaasun kyllästymispaineen vuoksi lisätty kaasu liuottuu nopeasti, eikä paineen lisäämistä saada aikaan. Siksi, kun ympäristön lämpötila on alhaisempi kuin -20 °C, tällä menetelmällä ei voida palauttaa kytkimen sisäistä normaalipainta.
(2) Kytkimen lukituspiirin manuaalinen irrotus mahdollistaa kytkimen normaalin sulkemisen ja avaamisen. Tämä menetelmä kuitenkin aiheuttaa, että kytkin menettää sähköisen lukituksen suojan. Jos kytkimen sisäinen kaasupaine ei vastaa vaatimuksia kaasun sammuttamiseen tai jopa eristämiseen, voi tapahtua vakavia onnettomuuksia, ja työvoiman kustannukset ovat suhteellisen korkeat.
(3) SF₆-kaasun lämmityksen käyttäminen ratkaisuna SF₆-kytkimen kaasun liuottumisongelmaan kylmissä alueissa. Kytkimen spesifisen rakenteen mukaan suunnitellaan vastaava lämmityslaite, ja SF₆-kaasun toimilämpötila nostetaan lämmityksen avulla, jotta vältetään SF₆-kaasun liuottuminen alhaisessa lämpötilaympäristössä. Kytkimen kaasulämmityslaite voi yleensä automaattisesti aktivoitua tai deaktivoitua ympäristön lämpötilan muutoksen mukaan. Ylläpitohenkilöstö voi asettaa automaattisen aktivoinnin ja deaktivoinnin lämpötilarajat ympäristön lämpötilan mukaan. Tämä menetelmä vähentää työvoiman kustannuksia verrattuna kytkimen lukituspiirin manuaaliseen irrottamiseen. Kuitenkin lämmityslaitteen asennus vaatii suuria ihmisoikeuksia ja materiaaleja, ja lämpöhyödyntämisaste on suhteellisen alhainen.

3 Lämmityslaite porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimeen

Porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimen rakennepidempien mukaan on suunniteltu lämmityslaite, joka koostuu kolmesta osasta: lämmitysmoduulista, lämpöohjaimoduulista ja sähkölähtemoduulista.

3.1 Lämmitysmoduuli

Lämmityslaitteen asennuspaikan valinta on hyvin tärkeä, sillä se vaikuttaa suoraan SF₆-kaasun lämmitysteihin. Porseleemipylvästyypin kytkin koostuu useista perusyksiköistä, mukaan lukien kaasun sammutuspussi, tukeva porseleemiputki, toimintamekanismi, tukeva rakenne jne. Kaasun sammutuspussin alla on kaksi yhteydessä olevaa tukevaa porseleemiputkea, jotka on täytetty SF₆-kaasulla. Tukevan porseleemiputken päätarkoitus on saavuttaa maan eristäminen. Siksi, kun suunnitellaan porseleemipylvästyypin kytkintä, on ylläpidettävä tietty eristävän etäisyys ja varmistettava keramiikkumateriaalin mekaaninen vahvuus. Tämä tarkoittaa, että sähköisen lämmityslaitteen asentaminen porseleemiputken ulkopinnalle ei ole mahdollista [5]. Tässä artikkelissa lämmityspuoli on valittu siirtopussiksi. Kuitenkin siirtopussi on epäsäännöllisen muotoinen, ja perinteiset lämmityslaitteet eivät ole helppo kiinnittää. Lisäksi siirtopussi sijaitsee porseleemipylvästyypin kytkimen pohjassa, ja tila on kapea. Perinteiset lämmityslaitteet ovat liian suuret, mikä voi vaikuttaa kytkimen siirtomekanismin normaaliin toimintaan.

Lämmitysmoduuli on suunniteltu Zhangjiakoun Bashangin alueen porseleemipylvästyypin kytkimen ominaisuuksien mukaan. Lämmitysmoduuli koostuu lämmitysbandista ja vastuslankasta. Lämmitysbandi on tehty eristävää silikonikumiainetta, ja takana on 3M lämpökestävä tarraneste, jonka uloskuva on edessä, kuten kuvassa 1. Vastuslanka on kierretty lämmitysbandin sisälle. Eristävää silikonikumiainetta ja 3M lämpökestävää tarranestettä valmistettu lämmitysbandi kestää korkeita lämpötiloja (jännite on AC220V), ja lämmitysbandin muoto ja pituus voidaan valita joustavasti paikan päällä olevan kytkimen siirtopussin muodon mukaan.

Kuva 1 näyttää lämmitysmoduulin edestä ja takaa

3.2 Lämpöohjaimomoduuli

Lämpöohjaimomoduuli koostuu anturista ja lämpöohjaimesta. Tarkemmin sanottuna anturi on asennettu porseleemipylvästyypin kytkimen B-faasin lämmitysbandille. Sen tehtävänä on mitata porseleemipylvästyypin kytkimen siirtopussin lämpötila ja välittää lämpötiladata lämpöohjaimelle, kuten kuvassa 2. Lämpöohjain on JY-260 mikrotietokoneellinen lämpöohjain. Se vastaanottaa ja näyttää tämän paikan lämpötilan, ja ohjaa lämmitysmoduulin aloittamista ja pysäyttämistä asetetun lämpötilakynnysarvon mukaan, kuten kuvassa 3.

Kuva 2 Lämpöanturi

Kuva 3 Lämpöohjain

3.3 Sähkölähtemoduuli

Sähkölähtemoduuli sisältää lämpöohjatun sähkölähteen ja pakollisen aloituslähteen, kuten kuvassa 4. Lämpöohjatun sähkölähteen on yhdistetty lämmitysmoduuliin lämpöohjaimen kautta. Bashangin alueen ympäristölämpötilan mukaan on asetettu lämpöohjatun sähkölähteen toimintakynnysarvo, ja lämpöohjatun sähkölähteen toiminta on normaalia tässä rajassa. Pakollinen aloituslähde on yhdistetty suoraan lämmitysmoduuliin. Kun lämpötila on alhaisempi kuin lämpöohjatun sähkölähteen toimintakynnysarvo, pakollinen aloituslähde aktivoituu.

Kuva 4 Lämpöohjatun sähkölähteen

3.4 Lämmityslaitteen toimintatavat

Porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimen lämmityslaiteill on kaksi lämmitystapaa.
(1) Lämpöohjattu tila: Lämmityslaite käyttää sensoria, joka on asennettu porseleemipylvästyypin kytkimen B-faasin lämmitysbandille, saadakseen porseleemipylvästyypin kytkimen siirtopussin lämpötilan ja välittää sen lämpöohjaimelle. Lämpöohjain vastaanottaa ja näyttää lämmitysbandin lämpötilan, ja sitten ohjaa lämmitysmoduulia asetetun lämpötilakynnysarvon mukaan.
(2) Pakollinen aloitus: Ohittaen lämpöohjaimen, siirtopussi lämmitetään jatkuvasti, ja porseleemipylvästyypin kytkimen sisäinen SF₆-kaasu lämmitetään. Tällä tavalla voidaan välttää porseleemipylvästyypin kytkimen alhaiset painehälytykset ja kaasun liuottumisen aiheuttama sammutuskyvyn heikentyminen.

4 Johtopäätös

Tämä artikkeli on suunnitellut kaasulämmityslaitteen 110kV porseleemipylvästyypin SF₆-kytkimeen, joka on suunniteltu ratkaisemaan usein esiintyviä alhaisia painehälytyksiä ja lukituksia äärimmäisen kylmässä säällä Zhangjiakoun Bashangin alueella. Tämä laite voi taata kytkimen turvallisen ja vakautetun toiminnan. Lisäksi sillä on etuja, kuten alhaiset asennuskustannukset ja lyhyt asennusaika, ja se osoittaa hyvää edistämismahdollisuutta.