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სიმაღლის ელექტროცული გართულებები არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი კონტროლის მოწყობილობა ენერგეტიკაში. სიმაღლის ელექტროცული გართულებების ფუნქციონირება ダイレクトに影響を与えます。この中で、屋外ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカーは高電圧回路ブレーカーの主要なタイプの一つです。SF₆は高い電気耐力、優れた消弧性能、および絶縁能力を持っています。しかし、実際の応用では、河北省張家口巴上のような極寒地域では、低温がSF₆ガスを液化させやすく、これがSF₆ガスの圧力を低下させることが判明しています。これにより、回路ブレーカーの低圧警報を引き起こし、さらにはロックアウト（回路ブレーカーのロックアウトとは、回路ブレーカーが開閉できなくなる状態）を引き起こす可能性があり、回路ブレーカーの切断容量と絶縁性能に深刻な影響を与えることがあります。この問題に対処するために、本稿では110kVポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカー用のガス加熱装置を設計しました。

1. ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカーの低圧警報とロックアウト状況

張家口巴上の冬季温度は-30°Cに達することがあります。巴上地域の変電所では、SF₆回路ブレーカーの低圧警報やロックアウト障害が複数回発生しています。わずか1ヶ月間で、低圧警報が30回以上、ロックアウト障害が10回以上発生し、電力網の安全かつ安定した運行に大きな潜在的な脅威となっています。研究によれば、110kVポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカーの警報とロックアウト障害の主な原因は、SF₆ガス加熱装置がないことです。SF₆ガス室が直接外部環境に露出しているため、周囲温度が一定レベルまで下がると、SF₆ガスが液化し、ガス室内の圧力が規定の警報およびロックアウト圧力値よりも低くなるからです。

2. 従来の解決策の問題点

現在、ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカーの低圧警報とロックアウト問題を解決する主な方法は以下の通りです：
(1) 回路ブレーカーにガスを充填してタンク内のガスの分子量を増やし、SF₆ガスの圧力を上げる方法があります。しかし、この方法は極度の寒冷地では適用できません。補充されたSF₆ガスは低温・高圧環境下で急速に液化し、ガス圧を上げることが不可能だからです。回路ブレーカーのSF₆の定格圧力は通常0.6 MPaであり、-20°CでのSF₆の飽和蒸気圧は0.6 MPaです。周囲温度が下がると、SF₆の飽和蒸気圧も下がります。つまり、極低温環境下では、たとえ回路ブレーカーにガスを充填しても、SF₆ガスの飽和蒸気圧により充填されたガスが急速に液化し、圧力を上げる目的を達成することはできません。そのため、周囲温度が-20°C以下の場合、この方法では回路ブレーカー内の定格圧力を復元することはできません。
(2) 手動で回路ブレーカーのロックアウト回路を解除し、回路ブレーカーが正常に開閉できるようにすることもあります。しかし、この方法は回路ブレーカーが電気的ロックアウト保護を失うことを意味します。一旦回路ブレーカー内のガス圧が消弧または絶縁の要件を満たさなくなった場合、重大な事故が発生する可能性があり、労働コストも比較的高くなります。
(3) 冷涼地域におけるSF₆回路ブレーカーの消弧媒体の液化問題を解決するため、SF₆ガスを加熱する方法があります。具体的な回路ブレーカー構造に応じて対応する加熱装置をカスタマイズし、加熱を通じてSF₆ガスの動作温度を上げることで、低温環境下でのSF₆ガスの液化を防ぎます。回路ブレーカーのガス加熱装置は通常、周囲温度の変化に応じて自動的に加熱機能をオンまたはオフすることができます。運用・保守担当者は実際の周囲温度に基づいて自動オン/オフ温度設定値を設定することができます。回路ブレーカーのロックアウト回路を手動で解除する方法と比較して、この方法は運用・保守の労働コストを削減します。ただし、加熱装置の設置には多くの人的・物的コストが必要であり、熱利用効率も比較的低いです。

3. ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカー用加熱装置

ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカーの構造特性に基づいて、ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカー用の加熱装置を設計しました。この装置は加熱モジュール、温度制御モジュール、電源モジュールの3つの部分から構成されています。

3.1 加熱モジュール

加熱装置の設置場所は非常に重要で、SF₆ガスの加熱効率に直接影響します。ポーセリン支柱型回路ブレーカーは、消弧室、支持ポーセリンブッシング、操作機構、支持フレームなど、複数の基本ユニットで構成されています。消弧室の下には2つの相互接続された支持ポーセリンブッシングがあり、これらはSF₆ガスで満たされています。支持ポーセリンブッシングの主な機能は接地に対する絶縁を実現することです。したがって、ポーセリン支柱型回路ブレーカーを設計する際には、一定の絶縁距離を維持し、セラミック材料の機械強度を確保する必要があります。これは、ポーセリンブッシングの外表面に導電性の加熱装置を設置することはできないことを意味します。本稿では、加熱部として伝送室を選択しました。しかし、伝送室は形状が不規則であり、従来の加熱装置は固定するのが難しいです。さらに、伝送室はポーセリン支柱型回路ブレーカーの基部に位置しており、スペースが狭いです。従来の加熱装置は大きすぎ、回路ブレーカーの伝送機構の正常な動作に影響を与える可能性があります。

張家口巴上のポーセリン支柱型回路ブレーカーの特性に基づいて、加熱モジュールを設計しました。加熱モジュールは加熱テープと抵抗線で構成されています。加熱テープは絶縁シリコーンゴム製で、背面には3M耐熱粘着剤を使用し、前面に出口があります（図1参照）。抵抗線は加熱テープ内に巻き付けられています。絶縁シリコーンゴム製の加熱テープと3M耐熱粘着剤は高温（AC220V）に耐えることができ、形状と長さは現場の回路ブレーカーの伝送室の形状に応じて柔軟に選択できます。

図1：加熱モジュールの表側と裏側

3.2 温度制御モジュール

温度制御モジュールはセンサーと温度制御器で構成されています。具体的には、センサーはポーセリン支柱型回路ブレーカーのB相の加熱テープに設置されています。その機能は、ポーセリン支柱型回路ブレーカーの伝送室の温度を測定し、温度データを温度制御器に送信することです（図2参照）。温度制御器はJY-260マイクロコンピュータ温度制御器です。この位置の温度を受け取り表示し、予め設定された温度閾値に基づいて加熱モジュールの起動と停止を制御します（図3参照）。

図2：温度センサー

図3：サーモスタット

3.3 電源モジュール

電源モジュールには温度制御電源と強制起動電源が含まれています（図4参照）。温度制御電源は温度制御器を通じて加熱モジュールに接続されます。巴上地域の周囲温度に基づいて、温度制御電源の動作閾値を設定し、この閾値内で温度制御電源は正常に動作します。強制起動電源は直接加熱モジュールに接続され、温度が温度制御電源の動作閾値以下になると強制起動電源が作動します。

図4：温度制御電源

3.4 加熱装置の動作モード

ポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカーの加熱装置には2つの加熱モードがあります。
(1) 温度制御モード：加熱装置はポーセリン支柱型回路ブレーカーのB相の加熱テープに設置されたセンサーを使用して、ポーセリン支柱型回路ブレーカーの伝送室の温度を取得し、それを温度制御器に送信します。温度制御器はポーセリン支柱型回路ブレーカーの加熱テープの温度を受け取り表示し、予め設定された温度閾値に基づいて加熱モジュールを制御します。
(2) 強制起動モード：温度制御器をバイパスすることで、伝送室の連続加熱を行い、ポーセリン支柱型回路ブレーカー内のSF₆ガスを加熱します。この方法により、ポーセリン支柱型回路ブレーカーの低圧警報やSF₆ガスの液化による切断容量の低下などの問題を回避することができます。

4. 結論

張家口巴上地域の極寒天候下で頻繁に発生する回路ブレーカーの低圧警報やロックアウトに対処するために、本稿では110kVポーセリン支柱型SF₆回路ブレーカー用のガス加熱装置を設計しました。この装置は回路ブレーカーの安全かつ安定した運行を保証することができます。また、設置コストが低く、設置時間が短いという利点があり、良好な普及価値があります。