Progettazione e Implementazione di un Dispositivo di Riscaldamento a Gas per Interruttore SF6 a Colonna in Porcellana da 110kV
I circuit breaker ad alta tensione sono uno degli elettrodomestici di controllo più cruciali nel sistema elettrico. Lo stato operativo dei circuit breaker ad alta tensione influenza direttamente la sicura e stabile operatività del sistema elettrico. Tra questi, il circuit breaker all'aria aperta del tipo a supporto in porcellana SF₆ è uno dei principali tipi di circuit breaker ad alta tensione. L'SF₆ ha una elevata resistenza elettrica, un'eccellente capacità di spegnimento dell'arco e capacità isolante. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, si è scoperto che in aree molto fredde come Zhangjiakou Bashang nella provincia di Hebei, le basse temperature possono facilmente causare la liquefazione del gas SF₆, determinando una diminuzione della pressione del gas SF₆. Questo può attivare un allarme di bassa pressione per il circuit breaker o addirittura portare a un blocco (il blocco del circuit breaker significa che il circuit breaker non può né chiudersi né aprirsi), influenzando seriamente la capacità di interruzione e le prestazioni isolate del circuit breaker. Per risolvere questo problema, questo articolo progetta un dispositivo di riscaldamento del gas per il circuit breaker a supporto in porcellana da 110kV di tipo SF₆.
1 Allarme di bassa pressione e situazione di blocco del circuit breaker a supporto in porcellana di tipo SF₆
Nella zona di Bashang di Zhangjiakou, la temperatura invernale può raggiungere -30 °C. Gli allarmi di bassa pressione e i guasti di blocco dei circuit breaker SF₆ sono avvenuti più volte nelle sottostazioni della zona di Bashang. In un solo mese, l'allarme di bassa pressione si è verificato oltre 30 volte e il guasto di blocco oltre 10 volte, ponendo una grande minaccia potenziale alla sicura e stabile operatività della rete elettrica. Le ricerche hanno dimostrato che la causa principale degli allarmi e dei guasti di blocco del circuit breaker a supporto in porcellana da 110kV di tipo SF₆ è l'assenza di un dispositivo di riscaldamento del gas SF₆. Poiché la camera del gas SF₆ è esposta direttamente all'ambiente esterno, quando la temperatura ambiente scende a un certo livello, il gas SF₆ si liquefierà, causando una pressione nella camera del gas inferiore ai valori di allarme e blocco specificati.
2 Problemi con le soluzioni tradizionali
Attualmente, i principali metodi per risolvere i problemi di allarme di bassa pressione e blocco del circuit breaker a supporto in porcellana di tipo SF₆ sono i seguenti:
(1) Gonfiare il circuit breaker per aumentare il peso molecolare del gas nella camera, aumentando così la pressione del gas SF₆. Tuttavia, questo metodo non è applicabile in condizioni meteorologiche estremamente fredde. Poiché il gas SF₆ supplementare si liquefierà rapidamente in ambienti a bassa temperatura e alta pressione, e non sarà possibile aumentare la pressione del gas. La pressione nominale di SF₆ nel circuit breaker è generalmente di 0,6 MPa, e la pressione di vapore saturato di SF₆ è di 0,6 MPa a -20 °C. Con la diminuzione della temperatura ambiente, la pressione di vapore saturato di SF₆ diminuirà. Cioè, in un ambiente a temperatura estremamente bassa, anche se il circuit breaker viene gonfiato, a causa della pressione di vapore saturato del gas SF₆, il gas gonfiato si liquefierà rapidamente, e non sarà possibile raggiungere lo scopo di aumentare la pressione. Pertanto, quando la temperatura ambiente è inferiore a -20 °C, questo metodo non può ripristinare la pressione nominale all'interno del circuit breaker.
(2) Disconnettere manualmente il circuito di blocco del circuit breaker per consentire al circuit breaker di chiudere e aprire normalmente. Tuttavia, questo metodo fa perdere al circuit breaker la protezione del blocco elettrico. Se la pressione del gas all'interno del circuit breaker non soddisfa i requisiti di spegnimento dell'arco o persino di isolamento, potrebbero verificarsi gravi incidenti, e il costo del lavoro è relativamente alto.
(3) Utilizzare il metodo di riscaldamento del gas SF₆ per risolvere il problema di liquefazione del mezzo di spegnimento dell'arco del circuit breaker SF₆ nelle regioni fredde. In base alla struttura specifica del circuit breaker, viene personalizzato un dispositivo di riscaldamento corrispondente, e la temperatura di funzionamento del gas SF₆ viene aumentata attraverso il riscaldamento per evitare la liquefazione del gas SF₆ in un ambiente a bassa temperatura. Il dispositivo di riscaldamento del circuit breaker può generalmente attivare o disattivare automaticamente la funzione di riscaldamento in base al cambiamento della temperatura ambiente. Il personale di manutenzione può impostare i valori di temperatura di attivazione e disattivazione automatica in base alla temperatura ambiente effettiva. Rispetto alla disconnessione manuale del circuito di blocco del circuit breaker, questo metodo riduce il costo del lavoro in termini di manutenzione. Tuttavia, l'installazione del dispositivo di riscaldamento richiede costi umani e materiali elevati, e l'efficienza termica è relativamente bassa.
3 Dispositivo di riscaldamento per il circuit breaker a supporto in porcellana di tipo SF₆
In base alle caratteristiche strutturali del circuit breaker a supporto in porcellana di tipo SF₆, è stato progettato un dispositivo di riscaldamento per il circuit breaker a supporto in porcellana di tipo SF₆, che comprende tre parti: il modulo di riscaldamento, il modulo di controllo della temperatura e il modulo di alimentazione.
3.1 Modulo di riscaldamento
La posizione di installazione del dispositivo di riscaldamento è di grande importanza, influenzando direttamente l'efficienza di riscaldamento del gas SF₆. Il circuit breaker a supporto in porcellana è composto da diverse unità di base, incluse la camera di spegnimento, la guaina di supporto in porcellana, il meccanismo di operazione, il telaio di supporto, ecc. Ci sono due guaine di supporto in porcellana interconnesse sotto la camera di spegnimento, riempite con gas SF₆. La funzione principale della guaina di supporto in porcellana è di realizzare l'isolamento contro il terreno. Pertanto, quando si progetta il circuit breaker a supporto in porcellana, deve essere mantenuta una certa distanza di isolamento, e deve essere garantita la resistenza meccanica del materiale ceramico. Ciò significa che non è possibile installare un dispositivo di riscaldamento conduttivo sulla superficie esterna della guaina in porcellana [5]. In questo articolo, la parte di riscaldamento è selezionata come la camera di trasmissione. Tuttavia, la camera di trasmissione ha una forma irregolare, e i dispositivi di riscaldamento tradizionali non sono facili da fissare. Inoltre, la camera di trasmissione si trova nella base del circuit breaker a supporto in porcellana, e lo spazio è stretto. I dispositivi di riscaldamento tradizionali sono troppo grandi, il che può influire sul normale funzionamento del meccanismo di trasmissione del circuit breaker.
È stato progettato un modulo di riscaldamento in base alle caratteristiche del circuit breaker a supporto in porcellana nell'area di Zhangjiakou Bashang. Il modulo di riscaldamento è composto da una fascia riscaldante e un filo resistivo. La fascia riscaldante è realizzata in silicone isolante, e l'adesivo posteriore è un adesivo resistente al calore 3M, con l'uscita anteriore, come mostrato in Figura 1. Il filo resistivo è avvolto all'interno della fascia riscaldante. La fascia riscaldante realizzata in silicone isolante e l'adesivo resistente al calore 3M possono resistere a temperature elevate (la tensione è AC220V), e la forma e la lunghezza della fascia riscaldante possono essere selezionate flessibilmente in base alla forma della camera di trasmissione del circuit breaker sul sito.
Figura 1 mostra i lati anteriore e posteriore del modulo di riscaldamento
3.2 Modulo di controllo della temperatura
Il modulo di controllo della temperatura è composto da un sensore e un regolatore di temperatura. Specificatamente, il sensore è installato sulla fascia riscaldante della fase B del circuit breaker a supporto in porcellana. La sua funzione è quella di misurare la temperatura nella camera di trasmissione del circuit breaker a supporto in porcellana e trasmettere i dati di temperatura al regolatore di temperatura, come mostrato in Figura 2. Il regolatore di temperatura è un regolatore di temperatura a microcomputer JY-260. Viene utilizzato per ricevere e visualizzare la temperatura in questa posizione, e controllare l'avvio e lo stop del modulo di riscaldamento in base alla soglia di temperatura preimpostata, come mostrato in Figura 3.
Figura 2 Sensore di temperatura
Figura 3 Termostato
3.3 Modulo di alimentazione
Il modulo di alimentazione include un alimentatore a controllo di temperatura e un alimentatore a avvio forzato, come mostrato in Figura 4. Tra questi, l'alimentatore a controllo di temperatura è collegato al modulo di riscaldamento tramite il regolatore di temperatura. In base alla temperatura ambiente nell'area di Bashang, viene impostata la soglia di funzionamento dell'alimentatore a controllo di temperatura, e l'alimentatore a controllo di temperatura funziona normalmente all'interno di questa soglia. L'alimentatore a avvio forzato è collegato direttamente al modulo di riscaldamento. Quando la temperatura è inferiore alla soglia di funzionamento dell'alimentatore a controllo di temperatura, viene attivato l'alimentatore a avvio forzato.
Figura 4 Alimentatore a controllo di temperatura
3.4 Modalità di funzionamento del dispositivo di riscaldamento
Il dispositivo di riscaldamento del circuit breaker a supporto in porcellana di tipo SF₆ ha due modalità di riscaldamento.
(1) Modalità di controllo della temperatura: Il dispositivo di riscaldamento utilizza il sensore installato sulla fascia riscaldante della fase B del circuit breaker a supporto in porcellana per ottenere la temperatura nella camera di trasmissione del circuit breaker a supporto in porcellana e trasmetterla al regolatore di temperatura. Il regolatore di temperatura riceve e visualizza la temperatura della fascia riscaldante del circuit breaker a supporto in porcellana, e quindi controlla il modulo di riscaldamento in base alla soglia di temperatura preimpostata.
(2) Modalità di avvio forzato: Bypassando il regolatore di temperatura, viene eseguito il riscaldamento continuo della camera di trasmissione, e il gas SF₆ all'interno del circuit breaker a supporto in porcellana viene riscaldato. In questo modo, si possono evitare problemi come gli allarmi di bassa pressione del circuit breaker a supporto in porcellana e la diminuzione della capacità di interruzione causata dal gas SF₆ liquefatto.
4 Conclusione
In risposta alla frequente occorrenza di allarmi di bassa pressione e persino blocchi dei circuit breaker in condizioni meteorologiche estremamente fredde nell'area di Bashang di Zhangjiakou, questo articolo progetta un dispositivo di riscaldamento del gas per il circuit breaker a supporto in porcellana da 110kV di tipo SF₆. Questo dispositivo può assicurare l'operatività sicura e stabile del circuit breaker. Inoltre, presenta i vantaggi di un costo di installazione basso e un tempo di installazione breve, e mostra un buon valore di promozione.
