Deseño e implementación dun dispositivo de calefacción a gas para interruptores SF6 de 110kV con columna de porcelana

Os interruptores de alta tensión son un dos electrodomésticos de control máis cruciais no sistema eléctrico. O estado operativo dos interruptores de alta tensión afecta directamente a seguridade e estabilidade do sistema eléctrico. Entre eles, o tipo de poste de porcelana ao aire libre SF₆ é un dos principais tipos de interruptor de alta tensión. O SF₆ ten unha forza dieléctrica alta, unha excelente capacidade de extinción do arco e capacidade de aislamento. No entanto, na práctica, descubriuse que en áreas extremadamente frías como Zhangjiakou Bashang en Hebei, as baixas temperaturas poden causar facilmente a liquefación do gas SF₆, resultando nunha diminución da presión do gas SF₆. Isto pode activar unha alarma de baixa presión para o interruptor ou incluso levar a un bloqueo (bloqueo do interruptor significa que o interruptor non pode pechar nin abrir), afectando seriamente a capacidade de interrupción e o rendemento do aislamento do interruptor. Para resolver este problema, neste artigo se diseña un dispositivo de calefacción de gas para o interruptor de poste de porcelana de 110kV SF₆.

1 Alarma de baixa presión e situación de bloqueo do interruptor de poste de porcelana SF₆

Na área de Bashang de Zhangjiakou, a temperatura invernal pode chegar a -30 °C. As alarmas de baixa presión e mesmo os fallos de bloqueo dos interruptores SF₆ ocorreram múltiples veces nas subestacións da área de Bashang. En só un mes, a alarma de baixa presión ocorreu máis de 30 veces, e o fallo de bloqueo ocorreu máis de 10 veces, supoñendo unha gran ameaza potencial para a segura e estable operación da rede eléctrica. A investigación mostrou que a causa principal das alarmas e fallos de bloqueo no interruptor de poste de porcelana de 110kV SF₆ é a ausencia dun dispositivo de calefacción de gas SF₆. Dado que a cámara de gas SF₆ está exposta directamente ao ambiente exterior, cando a temperatura ambiente desce a un determinado nivel, o gas SF₆ líquidez, provocando que a presión na cámara de gas sexa menor que os valores de alarma e bloqueo especificados.

2 Problemas con as solucións tradicionais

Actualmente, os métodos principais para resolver os problemas de alarma de baixa presión e bloqueo do interruptor de poste de porcelana SF₆ son os seguintes:
(1) Inflar o interruptor para aumentar o peso molecular do gas no tanque, aumentando así a presión do gas SF₆. No entanto, este método non é aplicable en clima extremadamente frío. Debido a que o gas SF₆ suplementario se liquefaciará rapidamente en ambientes de baixa temperatura e alta presión, e aínda non será posible aumentar a presión do gas. A presión nominal do SF₆ no interruptor xeralmente é de 0,6 MPa, e a presión de vapor saturado do SF₆ é de 0,6 MPa a -20 °C. Conforme a temperatura ambiente desce, a presión de vapor saturado do SF₆ tamén descerá. Isto é, en un ambiente de extremadamente baixa temperatura, mesmo se o interruptor se infla, debido á presión de vapor saturado do gas SF₆, o gas inflado se liquefaciará rapidamente, e non se poderá lograr o obxectivo de aumentar a presión. Polo tanto, cando a temperatura ambiente é inferior a -20 °C, este método non pode restaurar a presión nominal dentro do interruptor.
(2) Desconectar manualmente o circuito de bloqueo do interruptor para permitir que o interruptor peche e abra normalmente. No entanto, este método fai que o interruptor perca a protección do bloqueo eléctrico. Unha vez que a presión do gas dentro do interruptor non cumpra os requisitos para a extinción do arco ou incluso o aislamento, poden ocorrer accidentes graves, e o custo laboral é relativamente alto.
(3) Usar o método de calefacción do gas SF₆ para resolver o problema da liquefación do medio de extinción de arco do interruptor SF₆ en rexións frías. De acordo coa estrutura específica do interruptor, customízase un dispositivo de calefacción correspondente, e a través da calefacción aumenta a temperatura de funcionamento do gas SF₆ para evitar a liquefación do gas SF₆ en un ambiente de baixa temperatura. O dispositivo de calefacción de gas do interruptor xeralmente pode activar ou desactivar automaticamente a función de calefacción segundo a variación da temperatura ambiente. O persoal de operación e manutención pode configurar os valores de temperatura de activación e desactivación automáticas segundo a temperatura ambiente real. Comparado con desconectar manualmente o circuito de bloqueo do interruptor, este método reduce o custo laboral en operación e manutención. No entanto, a instalación do dispositivo de calefacción require un custo humano e material elevado, e a taxa de utilización térmica é relativamente baixa.

3 Dispositivo de calefacción para o interruptor de poste de porcelana SF₆

De acordo coas características estruturais do interruptor de poste de porcelana SF₆, diseñaouse un dispositivo de calefacción para o interruptor de poste de porcelana SF₆, que inclúe tres partes: o módulo de calefacción, o módulo de control de temperatura e o módulo de alimentación.

3.1 Módulo de calefacción

A localización de instalación do dispositivo de calefacción é moi importante, afectando directamente a eficiencia de calefacción do gas SF₆. O interruptor de poste de porcelana está composto por múltiples unidades básicas, incluíndo a cámara de extinción de arco, a manga de porcelana de soporte, o mecanismo de operación, o armazón de soporte, etc. Hai dúas mangas de porcelana de soporte interconectadas debaixo da cámara de extinción de arco, que están recheas de gas SF₆. A función principal da manga de porcelana de soporte é lograr o aislamento contra o terreo. Polo tanto, ao deseñar o interruptor de poste de porcelana, debe manterse unha certa distancia de aislamento, e asegurar a resistencia mecánica do material cerámico. Isto significa que non é posible instalar un dispositivo de calefacción condutor na superficie externa da manga de porcelana [5]. Neste artigo, a parte de calefacción seleccionada é a cámara de transmisión. No entanto, a cámara de transmisión ten unha forma irregular, e os dispositivos de calefacción tradicionais non son fáciles de fixar. Ademais, a cámara de transmisión está situada na base do interruptor de poste de porcelana, e o espazo é estreito. Os dispositivos de calefacción tradicionais son demasiado grandes, o que pode afectar a normal operación do mecanismo de transmisión do interruptor.

Deseñouse un módulo de calefacción de acordo coas características do interruptor de poste de porcelana na área de Zhangjiakou Bashang. O módulo de calefacción está composto por unha fita de calefacción e un filamento de resistencia. A fita de calefacción está feita de caucho de silicón aislante, e o adhesivo trasero é un adhesivo resistente ao calor 3M, coa saída na parte frontal, como se mostra na Figura 1. O filamento de resistencia está envolto dentro da fita de calefacción. A fita de calefacción feita de caucho de silicón aislante e o adhesivo 3M resistente ao calor poden suportar altas temperaturas (a tensión é AC220V), e a forma e lonxitude da fita de calefacción poden escollerse flexiblemente segundo a forma da cámara de transmisión do interruptor no local.

A figura 1 amosa os lados frontal e traseiro do módulo de calefacción

3.2 Módulo de control de temperatura

O módulo de control de temperatura consiste en un sensor e un controlador de temperatura. Especificamente, o sensor está instalado na fita de calefacción da fase B do interruptor de poste de porcelana. A súa función é medir a temperatura na cámara de transmisión do interruptor de poste de porcelana e transmitir os datos de temperatura ao controlador de temperatura, como se mostra na Figura 2. O controlador de temperatura é un controlador de temperatura microinformático JY-260. Empregase para recibir e mostrar a temperatura nesta posición, e controlar o inicio e parada do módulo de calefacción segundo o valor de umbral de temperatura predefinido, como se mostra na Figura 3.

Figura 2 Sensor de temperatura

Figura 3 Termostato

3.3 Módulo de alimentación

O módulo de alimentación inclúe unha fonte de alimentación controlada por temperatura e unha fonte de alimentación de arranque forzado, como se mostra na Figura 4. Entre eles, a fonte de alimentación controlada por temperatura está conectada ao módulo de calefacción a través do controlador de temperatura. Segundo a temperatura ambiente na área de Bashang, estabelecese o valor de umbral de funcionamento da fonte de alimentación controlada por temperatura, e a fonte de alimentación controlada por temperatura funciona normalmente dentro deste umbral. A fonte de alimentación de arranque forzado está conectada directamente ao módulo de calefacción. Cando a temperatura é inferior ao valor de umbral de funcionamento da fonte de alimentación controlada por temperatura, actívase a fonte de alimentación de arranque forzado.

Figura 4 Fonte de alimentación controlada por temperatura

3.4 Modos de funcionamento do dispositivo de calefacción

O dispositivo de calefacción do interruptor de poste de porcelana SF₆ ten dous modos de calefacción.
(1) Modo de control de temperatura: O dispositivo de calefacción usa o sensor instalado na fita de calefacción da fase B do interruptor de poste de porcelana para obter a temperatura na cámara de transmisión do interruptor de poste de porcelana e transmitila ao controlador de temperatura. O controlador de temperatura recibe e mostra a temperatura da fita de calefacción do interruptor de poste de porcelana, e logo controla o módulo de calefacción segundo o valor de umbral de temperatura predefinido.
(2) Modo de arranque forzado: Saltándose o controlador de temperatura, realiza a calefacción continua da cámara de transmisión, e calienta o gas SF₆ dentro do interruptor de poste de porcelana. Desta forma, evítanse problemas como as alarmas de baixa presión do interruptor de poste de porcelana e a diminución da capacidade de interrupción provocada polo gas SF₆ liquefacto.

4 Conclusión

Dirixindo-se á frequente ocorrencia de alarmas de baixa presión e incluso bloqueos de interruptores en clima extremadamente frío na área de Bashang de Zhangjiakou, neste artigo diseña un dispositivo de calefacción de gas para o interruptor de poste de porcelana de 110kV SF₆. Este dispositivo pode asegurar a segura e estable operación do interruptor. Ademais, ten as vantaxes de baixo custo de instalación e tempo de instalación curto, e demostra un buen valor de promoción.