Design og implementering av et gassoppvarmingsenhet for 110kV porseleinnippe SF6 strømbryter

Høyspenningsbrytere er en av de mest viktige kontrollapparatene i kraftsystemet. Driftsstatusen til høyspenningsbryterne påvirker direkte det sikre og stabile drift av kraftsystemet. Blant disse er utendørs porseleinkolonne SF₆-bryteren en av de hovedtypene av høyspenningsbrytere. SF₆ har en høy elektrisk tålegrense, fremragende slukkeegenskaper og isolasjonsevne. Imidlertid har det blitt funnet at i praktiske anvendelser, spesielt i sterkt kalde områder som Zhangjiakou Bashang i Hebei-provinsen, kan lave temperaturer lett forårsake flytting av SF₆-gassen, noe som fører til en reduksjon i trykket av SF₆-gassen. Dette kan utløse lavtrykkalarmer for bryteren eller enda verre, føre til låsing (bryterlåsing betyr at bryteren ikke kan stenges eller åpnes), noe som alvorlig påvirker bryterens slukkeevne og isolasjonsegenskaper. For å løse dette problemet, er det i denne artikkelen designet en gassoppvarmingsenhet for 110kV porseleinkolonne SF₆-bryteren.

1 Lavtrykkalarm og låsesituasjon for porseleinkolonne SF₆-bryter

I Bashang-området i Zhangjiakou kan vintertemperaturen nå -30 °C. Lavtrykkalarmer og selv låsesituasjoner for SF₆-brytere har oppstått flere ganger i transformatorstasjoner i Bashang-området. I løpet av bare en måned, forekom lavtrykkalarm mer enn 30 ganger, og låsesituasjon mer enn 10 ganger, noe som stiller en stor potensiell trussel mot det sikre og stabile drift av kraftnettverket. Forskning har vist at den primære årsaken til alarm- og låsesituasjoner for 110kV porseleinkolonne SF₆-bryteren er fraværet av en SF₆-gassoppvarmingsenhet. Siden SF₆-gasskammeret er direkte utsatt for eksterne miljøforhold, vil SF₆-gassen flytte når temperaturen faller under et visst nivå, noe som fører til at trykket i gasskammeret blir lavere enn de spesifiserte alarm- og låsetrykkverdiene.

2 Problemer med tradisjonelle løsninger

For øyeblikket er de hovedmetodene for å løse lavtrykkalarm- og låsesituasjoner for porseleinkolonne SF₆-bryter som følger:
(1) Å fylle bryteren for å øke molekylvekten av gassen i tanken, dermed øke trykket av SF₆-gassen. Imidlertid er denne metoden ikke anwendbar ved ekstremt kald vær. Fordi den supplerte SF₆-gassen vil raskt flytte under lavtemperatur og høyt trykk, og det er fortsatt umulig å øke gassetrykket. Det nominelle trykket av SF₆ i bryteren er generelt 0,6 MPa, og det satturerte damptrykket av SF₆ er 0,6 MPa ved -20 °C. Når ambienttemperaturen synker, vil det satturerte damptrykket av SF₆ også synke. Det vil si, i et ekstremt lavtemperaturmiljø, selv om bryteren fylles, vil den fylte gassen raskt flytte pga. det satturerte damptrykket av SF₆-gassen, og formålet med å øke trykket kan ikke oppnås. Derfor, når ambienttemperaturen er lavere enn -20 °C, kan ikke denne metoden gjenopprette det nominelle trykket inne i bryteren.
(2) Manuelt skille bryterens låsekrets for å gjøre det mulig for bryteren å stenge og åpne normalt. Imidlertid fører denne metoden til at bryteren mister beskyttelsen av elektrisk låsing. Hvis gassetrykket inne i bryteren ikke oppfyller kravene for bueutslukking eller selv isolasjon, kan alvorlige ulykker oppstå, og arbeidskostnadene er relativt høye.
(3) Bruke metoden med å oppvarme SF₆-gassen for å løse problemet med flytting av bueluksjonsmediumet for SF₆-bryteren i kalde regioner. Basert på den spesifikke strukturen til bryteren, er det tilpasset en tilsvarende oppvarmingsenhet, og driftstemperaturen av SF₆-gassen er økt gjennom oppvarming for å unngå flytting av SF₆-gassen i et lavtemperaturmiljø. Bryterens gassoppvarmingsenhet kan generelt automatisk aktivere eller deaktivere oppvarmingsfunksjonen basert på endringen i ambienttemperaturen. Drifts- og vedlikeholdsfolk kan sette automatiske aktivering- og deaktiveringstemperaturinnstillinger basert på den faktiske ambienttemperaturen. Sammenlignet med å manuelt skille bryterens låsekrets, reduserer denne metoden arbeidskostnadene i drift og vedlikehold. Imidlertid krever installeringen av oppvarmingsenheten høye menneskelige og materielle kostnader, og varmeutnyttelsesgraden er relativt lav.

3 Oppvarmingsenhet for porseleinkolonne SF₆-bryter

Basert på strukturelle egenskaper til porseleinkolonne SF₆-bryteren, er det designet en oppvarmingsenhet for porseleinkolonne SF₆-bryter, som inkluderer tre deler: oppvarmingsmodulen, temperaturkontrollmodulen og strømforsyningsmodulen.

3.1 Oppvarmingsmodul

Installasjonsstedet for oppvarmingsenheten er av stor betydning, og påvirker direkte oppvarmingseffektiviteten av SF₆-gassen. Porseleinkolonnebryteren består av flere grunnleggende enheter, herunder bueluksjonskammer, støtteporseleinbushing, driftsmekanisme, støttebrett, etc. Det er to forbundne støtteporseleinbushing under bueluksjonskammeret, som er fylt med SF₆-gass. Den hovedfunksjonen til støtteporseleinbushing er å oppnå isolasjon mot bakken. Derfor, når det er designet porseleinkolonnebryter, må en viss isolasjonsavstand være oppretholdt, og mekanisk styrke av keramikkmaterialet må være sikret. Dette betyr at det ikke er mulig å installere en ledekse oppvarmingsenhet på ytre overflaten av porseleinbushing [5]. I denne artikkelen er det valgt overføringskammeret som oppvarmingsdelen. Imidlertid har overføringskammeret en uregelmessig form, og tradisjonelle oppvarmingsenheter er ikke lett å feste. Dessuten er overføringskammeret beliggende i bunnen av porseleinkolonnebryteren, og rommet er trangt. Tradisjonelle oppvarmingsenheter er for store i størrelse, som kan påvirke den normale drift av overføringsmekanismen til bryteren.

Et oppvarmingsmodul er designet basert på karakteristikkene til porseleinkolonnebryteren i Zhangjiakou Bashang-området. Oppvarmingsmodulen består av en oppvarmingsstrikk og en motstandstråd. Oppvarmingsstrikk er laget av isolerende silikonkautsjuk, og baksiden lim er 3M varmebestandig lim, med utgangen på forsiden, som vist i figur 1. Motstandstråden er pakket inni oppvarmingsstrikk. Oppvarmingsstrikk laget av isolerende silikonkautsjuk og 3M varmebestandig lim kan tåle høye temperaturer (spenningsnivået er AC220V), og form og lengde av oppvarmingsstrikk kan fleksibelt velges basert på formen av overføringskammeret til lokal bryter.

Figur 1 viser forside og baksiden av oppvarmingsmodulen

3.2 Temperaturkontrollmodul

Temperaturkontrollmodulen består av en sensor og en temperaturregulator. Spesifikt, er sensoren installert på oppvarmingsstrikk for fase B av porseleinkolonnebryteren. Dens funksjon er å måle temperaturen i overføringskammeret til porseleinkolonnebryteren og sende temperaturedata til temperaturregulatoren, som vist i figur 2. Temperaturregulatoren er en JY-260 mikrodatatemperaturregulator. Den brukes for å motta og vise temperaturen på dette stedet, og styre start og stopp av oppvarmingsmodulen basert på forhåndsinnstilt temperaturterskel, som vist i figur 3.

Figur 2 Temperatursensor

Figur 3 Termostat

3.3 Strømforsyningsmodul

Strømforsyningsmodulen inkluderer en temperaturkontrollert strømforsyning og en tvungen start-strømforsyning, som vist i figur 4. Av dem, er den temperaturkontrollerte strømforsyningen koblet til oppvarmingsmodulen gjennom temperaturregulatoren. Basert på ambienttemperaturen i Bashang-området, er drifterskelen for den temperaturkontrollerte strømforsyningen satt, og den temperaturkontrollerte strømforsyningen fungerer normalt innenfor denne terskelen. Den tvungne start-strømforsyningen er direkte koblet til oppvarmingsmodulen. Når temperaturen er lavere enn drifterskelen for den temperaturkontrollerte strømforsyningen, aktiveres den tvungne start-strømforsyningen.

Figur 4 Temperaturkontrollert strømforsyning

3.4 Arbeidsmodus for oppvarmingsenheten

Oppvarmingsenheten for porseleinkolonne SF₆-bryter har to oppvarmingsmoduser.
(1) Temperaturkontrollmodus: Oppvarmingsenheten bruker sensoren installert på oppvarmingsstrikk for fase B av porseleinkolonnebryteren for å få temperaturen i overføringskammeret til porseleinkolonnebryteren og sende den til temperaturregulatoren. Temperaturregulatoren mottar og viser temperaturen av oppvarmingsstrikk for porseleinkolonnebryteren, og deretter kontrollerer oppvarmingsmodulen basert på forhåndsinnstilt temperaturterskel.
(2) Tvinget startmodus: Ved å omgå temperaturregulatoren, utføres kontinuerlig oppvarming av overføringskammeret, og SF₆-gassen inne i porseleinkolonnebryteren oppvarmes. På denne måten kan problemer som lavtrykkalarmer for porseleinkolonnebryteren og en reduksjon i slukkekapasiteten forårsaket av flytting av SF₆-gassen unngås.

4 Konklusjon

Med tanke på ofte forekommende lavtrykkalarmer og selv låsesituasjoner for brytere i ekstremt kald vær i Bashang-området i Zhangjiakou, er det i denne artikkelen designet en gassoppvarmingsenhet for 110kV porseleinkolonne SF₆-bryter. Denne enheten kan sikre det sikre og stabile drift av bryteren. Dessuten har den fordeler som lav installasjonskostnad og kort installasjonstid, og viser god fremmeverdi.