Ontwerp en implementatie van een gasverwarmingsapparaat voor een 110kV porseleinen zuil SF6 schakelaar

Hoogspanningscircuitbrekers zijn een van de meest cruciale besturingsapparaten in het elektriciteitsnet. De werkingstoestand van hoogspanningscircuitbrekers heeft directe invloed op de veilige en stabiele werking van het elektriciteitsnet. Daaronder vallen de buitenporseleinen stoktype SF₆-circuitbrekers, die een van de belangrijkste typen hoogspanningscircuitbrekers zijn. SF₆ heeft een hoge elektrische doorbraakspanning, uitstekende booggasverdelgingsprestaties en isolatiecapaciteit. Echter, in de praktijk is gebleken dat in zeer koude gebieden zoals Zhangjiakou Bashang in de provincie Hebei, lage temperaturen gemakkelijk kunnen leiden tot verdampte SF₆-gas, wat resulteert in een daling van de druk van SF₆-gas. Dit kan een laagdrukwaarschuwing voor de circuitbreker veroorzaken of zelfs leiden tot een vergrendeling (circuitbreker vergrendeling betekent dat de circuitbreker noch kan sluiten, noch kan openen), waardoor de onderbrekingscapaciteit en de isolatieprestaties van de circuitbreker ernstig worden beïnvloed. Om dit probleem te verhelpen, ontwerpt dit artikel een gasherverwarmingsapparaat voor de 110kV porseleinen stoktype SF₆-circuitbreker.

1 Laagdrukwaarschuwing en Vergrendelingsituatie van de Porseleinen Stoktype SF₆-Circuitbreker

In het Bashang-gebied van Zhangjiakou kan de temperatuur in de winter tot -30 °C dalen. In de substationen in het Bashang-gebied zijn er meerdere malen laagdrukwaarschuwingen en zelfs vergrendelingsfouten van SF₆-circuitbrekers voorgekomen. In slechts één maand trad de laagdrukwaarschuwing meer dan 30 keer op, en de vergrendelingsfout meer dan 10 keer, wat een grote potentiele bedreiging vormt voor de veilige en stabiele werking van het elektriciteitsnet. Onderzoek heeft aangetoond dat de primaire oorzaak van de waarschuwingen en vergrendelingsfouten bij de 110kV porseleinen stoktype SF₆-circuitbreker het ontbreken van een SF₆-gasherverwarmingsapparaat is. Aangezien de SF₆-gaskamer direct blootstaat aan de externe omgeving, zal de SF₆-gas bij een bepaalde temperatuurdaling verdampen, waardoor de druk in de gaskamer lager wordt dan de gespecificeerde waarschuwings- en vergrendeldrukpunten.

2 Problemen met Traditionele Oplossingen

Momenteel zijn de belangrijkste methoden om de problemen van laagdrukwaarschuwingen en vergrendelingen van de porseleinen stoktype SF₆-circuitbreker op te lossen als volgt:
(1) De circuitbreker opblazen om het molecuulgewicht van het gas in de tank te verhogen, waardoor de druk van het SF₆-gas toeneemt. Echter, deze methode is niet toepasbaar in extreem koud weer. Omdat het aangevulde SF₆-gas snel zal verdampen in een laagtemperatuur- en hogedruk-omgeving, en het is nog steeds onmogelijk om de gasdruk te verhogen. De nominale druk van SF₆ in de circuitbreker is doorgaans 0,6 MPa, en de verzadigde dampdruk van SF₆ is 0,6 MPa bij -20 °C. Wanneer de omgevingstemperatuur daalt, zal de verzadigde dampdruk van SF₆ ook dalen. Met andere woorden, in een extreem lage temperatuur-omgeving, zelfs als de circuitbreker wordt opgeblazen, zal het aangevulde gas snel verdampen vanwege de verzadigde dampdruk van SF₆, en het doel van de drukverhoging kan niet worden bereikt. Daarom, wanneer de omgevingstemperatuur lager is dan -20 °C, kan deze methode de nominale druk binnen de circuitbreker niet herstellen.
(2) Het handmatig loskoppelen van de vergrendelingsschakeling van de circuitbreker om de circuitbreker normaal te laten sluiten en openen. Echter, deze methode zorgt ervoor dat de circuitbreker de bescherming van de elektrische vergrendeling verliest. Als de gasdruk binnen de circuitbreker niet voldoet aan de eisen voor booggasverdelging of zelfs isolatie, kunnen ernstige ongelukken optreden, en de arbeidskosten zijn relatief hoog.
(3) Het gebruik van de methode om het SF₆-gas te verwarmen om het probleem van de verdamping van het booggasmedium van de SF₆-circuitbreker in koude gebieden op te lossen. Afhankelijk van de specifieke structuur van de circuitbreker wordt een passend verwarmingsapparaat aangepast, en de werktemperatuur van het SF₆-gas wordt verhoogd door verwarming om de verdamping van het SF₆-gas in een laagtemperatuur-omgeving te voorkomen. Het gasherverwarmingsapparaat van de circuitbreker kan doorgaans automatisch de verwarming activeren of deactiveren volgens de verandering van de omgevingstemperatuur. De operatie- en onderhoudspersoneel kunnen de automatische activering- en deactiveringstemperatuurinstellingen instellen volgens de werkelijke omgevingstemperatuur. In vergelijking met het handmatig loskoppelen van de vergrendelingsschakeling van de circuitbreker, vermindert deze methode de arbeidskosten voor operatie en onderhoud. Echter, de installatie van het verwarmingsapparaat vereist hoge menselijke en materiële kosten, en de thermische benutting is relatief laag.

3 Gasherverwarmingsapparaat voor de Porseleinen Stoktype SF₆-Circuitbreker

Op basis van de structuurkenmerken van de porseleinen stoktype SF₆-circuitbreker is een gasherverwarmingsapparaat ontworpen, dat drie delen omvat: het verwarmingsmodule, het temperatuurreguleringsmodule en het voedingmodule.

3.1 Verwarmingsmodule

De installatielocatie van het verwarmingsapparaat is van groot belang, wat rechtstreeks de verwarmingsefficiëntie van het SF₆-gas beïnvloedt. De porseleinen stoktype circuitbreker bestaat uit meerdere basiseenheden, waaronder de booggaskamer, de ondersteunende porseleinen bushing, het bedieningsmechanisme, het ondersteunende frame, enz. Er zijn twee met elkaar verbonden ondersteunende porseleinen bushings onder de booggaskamer, die gevuld zijn met SF₆-gas. De hoofdfunctie van de ondersteunende porseleinen bushing is om isolatie tegen de grond te realiseren. Daarom moet bij het ontwerpen van de porseleinen stoktype circuitbreker een bepaalde isolatiedistantheid worden gehandhaafd, en de mechanische sterkte van het keramische materiaal moet worden gewaarborgd. Dit betekent dat het niet mogelijk is om een geleidend verwarmingsapparaat op de buitenkant van de porseleinen bushing te installeren [5]. In dit artikel is het verwarmingdeel gekozen als de overdrachtscilinder. Echter, de overdrachtscilinder heeft een onregelmatige vorm, en traditionele verwarmingstoestellen zijn niet gemakkelijk vast te leggen. Bovendien bevindt de overdrachtscilinder zich in de basis van de porseleinen stoktype circuitbreker, en de ruimte is beperkt. Traditionele verwarmingstoestellen zijn te groot van formaat, wat de normale werking van het overdrachtsmechanisme van de circuitbreker kan beïnvloeden.

Een verwarmingsmodule is ontworpen op basis van de kenmerken van de porseleinen stoktype circuitbreker in het Zhangjiakou Bashang-gebied. De verwarmingsmodule bestaat uit een verwarmingstape en een weerstanddraad. De verwarmingstape is gemaakt van isolerend siliciumrubber, en de achterkant is voorzien van 3M hittebestendige lijm, met de uitgang aan de voorkant, zoals getoond in Figuur 1. De weerstanddraad is ingewikkeld in de verwarmingstape. De verwarmingstape gemaakt van isolerend siliciumrubber en 3M hittebestendige lijm kan hoge temperaturen verdragen (de spanning is AC220V), en de vorm en lengte van de verwarmingstape kunnen flexibel worden geselecteerd volgens de vorm van de overdrachtscilinder van de ter plaatse gelegen circuitbreker.

Figuur 1 toont de voor- en achterkant van de verwarmingsmodule

3.2 Temperatuurreguleringsmodule

De temperatuurreguleringsmodule bestaat uit een sensor en een temperatuurregelaar. Specifiek is de sensor geïnstalleerd op de verwarmingstape van fase B van de porseleinen stoktype circuitbreker. Zijn functie is om de temperatuur in de overdrachtscilinder van de porseleinen stoktype circuitbreker te meten en de temperatuurgegevens naar de temperatuurregelaar te versturen, zoals getoond in Figuur 2. De temperatuurregelaar is een JY-260 microcomputer temperatuurregelaar. Het wordt gebruikt om de temperatuur op deze locatie te ontvangen en weer te geven, en de start en stop van de verwarmingsmodule te regelen volgens de vooraf ingestelde temperatuurgrens, zoals weergegeven in Figuur 3.

Figuur 2 Temperatuursensor

Figuur 3 Thermostaat

3.3 Voedingmodule

De voedingmodule omvat een temperatuurgecontroleerde voeding en een gedwongen startvoeding, zoals getoond in Figuur 4. Waarvan de temperatuurgecontroleerde voeding is verbonden met de verwarmingsmodule via de temperatuurregelaar. Volgens de omgevingstemperatuur in het Bashang-gebied wordt de werkgrens van de temperatuurgecontroleerde voeding ingesteld, en de temperatuurgecontroleerde voeding werkt normaal binnen deze grens. De gedwongen startvoeding is direct verbonden met de verwarmingsmodule. Wanneer de temperatuur lager is dan de werkgrens van de temperatuurgecontroleerde voeding, wordt de gedwongen startvoeding geactiveerd.

Figuur 4 Temperatuurgecontroleerde voeding

3.4 Werkmodi van het Verwarmingsapparaat

Het verwarmingsapparaat van de porseleinen stoktype SF₆-circuitbreker heeft twee verwarmingsmodi.
(1) Temperatuurregulatiemodus: Het verwarmingsapparaat gebruikt de sensor geïnstalleerd op de verwarmingstape van fase B van de porseleinen stoktype circuitbreker om de temperatuur in de overdrachtscilinder van de porseleinen stoktype circuitbreker te meten en te versturen naar de temperatuurregelaar. De temperatuurregelaar ontvangt en toont de temperatuur van de verwarmingstape van de porseleinen stoktype circuitbreker, en regelt vervolgens de verwarmingsmodule volgens de vooraf ingestelde temperatuurgrens.
(2) Gedwongen startmodus: Door de temperatuurregelaar te omzeilen, wordt de overdrachtscilinder continu verwarmd, en het SF₆-gas binnen de porseleinen stoktype circuitbreker wordt verwarmd. Op deze manier kunnen problemen zoals laagdrukwaarschuwingen van de porseleinen stoktype circuitbreker en een daling van de onderbrekingscapaciteit veroorzaakt door verdampt SF₆-gas worden voorkomen.

4 Conclusie

Met het oog op de frequente voorkomens van laagdrukwaarschuwingen en zelfs vergrendelingen van circuitbrekers in extreem koud weer in het Bashang-gebied van Zhangjiakou, ontwerpt dit artikel een gasherverwarmingsapparaat voor de 110kV porseleinen stoktype SF₆-circuitbreker. Dit apparaat kan de veilige en stabiele werking van de circuitbreker garanderen. Bovendien heeft het de voordelen van lage installatiekosten en korte installatietijd, en toont goede promotiewaarde.