Projektowanie i wdrożenie urządzenia grzewczego gazowego dla przekaźnika obwodowego SF6 na porcelanowej kolumnie 110kV

Wysokie-napięciowe wyłączniki są jednymi z najważniejszych urządzeń sterujących w systemie energetycznym. Stan ich pracy bezpośrednio wpływa na bezpieczne i stabilne działanie systemu energetycznego. Spośród nich, zewnętrzny porcelanowy typ wyłącznika SF₆ jest jednym z głównych typów wysokiego napięcia. SF₆ ma wysoką elektryczną wytrzymałość, doskonałą zdolność gaszenia łuku elektrycznego oraz właściwości izolacyjne. Jednak w praktyce stwierdzono, że w takich bardzo zimnych regionach jak Zhangjiakou Bashang w prowincji Hebei, niskie temperatury mogą łatwo spowodować skraplanie gazu SF₆, co prowadzi do obniżenia ciśnienia gazu SF₆. Może to wywołać alarm o niskim ciśnieniu dla wyłącznika lub nawet doprowadzić do blokady (blokada wyłącznika oznacza, że wyłącznik nie może ani zamknąć, ani otworzyć), poważnie wpływając na zdolność przerywania i właściwości izolacyjne wyłącznika. Aby rozwiązać ten problem, niniejszy artykuł projektuje urządzenie grzewcze dla 110kV porcelanowego typu wyłącznika SF₆.

1 Alarm o niskim ciśnieniu i sytuacja blokady porcelanowego typu wyłącznika SF₆

W rejonie Bashang w Zhangjiakou, zimowa temperatura może osiągnąć -30 °C. Alarmy o niskim ciśnieniu i nawet awarie blokady wyłączników SF₆ wystąpiły wielokrotnie w podstacjach w rejonie Bashang. W ciągu jednego miesiąca alarm o niskim ciśnieniu wystąpił ponad 30 razy, a awaria blokady ponad 10 razy, co stanowiło poważne potencjalne zagrożenie dla bezpiecznej i stabilnej pracy sieci energetycznej. Badania pokazały, że główną przyczyną alarmów i awarii blokady w 110kV porcelanowym typie wyłącznika SF₆ jest brak urządzenia grzewczego gazu SF₆. Ponieważ komora gazowa SF₆ jest bezpośrednio narażona na środowisko zewnętrznego, gdy temperatura otoczenia spadnie do pewnego poziomu, gaz SF₆ skrapla się, co powoduje, że ciśnienie w komorze gazowej jest niższe od określonych wartości alarmowych i blokady.

2 Problemy z tradycyjnymi rozwiązaniami

Obecnie główne metody rozwiązywania problemów z alarmami o niskim ciśnieniu i blokadami porcelanowego typu wyłącznika SF₆ są następujące:
(1) Napompowanie wyłącznika, aby zwiększyć masę cząsteczkową gazu w zbiorniku, co zwiększa ciśnienie gazu SF₆. Jednak ta metoda nie jest stosowalna w ekstremalnie zimnej pogodzie. Dopełniony gaz SF₆ szybko skrapla się w warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia, i mimo to nie można zwiększyć ciśnienia gazu. Ciśnienie nominalne SF₆ w wyłączniku wynosi zwykle 0,6 MPa, a ciśnienie parowania SF₆ wynosi 0,6 MPa przy -20 °C. Gdy temperatura otoczenia spada, ciśnienie parowania SF₆ również spada. Oznacza to, że w ekstremalnie niskich temperaturach, nawet jeśli wyłącznik jest napompowany, przez ciśnienie parowania gazu SF₆, dopełniony gaz szybko skrapla się, i cel zwiększenia ciśnienia nie jest osiągnięty. Dlatego, gdy temperatura otoczenia jest niższa niż -20 °C, ta metoda nie może przywrócić ciśnienia nominalnego wewnątrz wyłącznika.
(2) Ręczne odłączenie obwodu blokady wyłącznika, aby umożliwić normalne zamykanie i otwieranie wyłącznika. Jednak ta metoda powoduje utratę ochrony elektrycznej blokady. Jeśli ciśnienie gazu wewnątrz wyłącznika nie spełnia wymagań do gaszenia łuku elektrycznego, a nawet izolacji, mogą wystąpić poważne wypadki, a koszty pracy są stosunkowo wysokie.
(3) Używanie metody ogrzewania gazu SF₆, aby rozwiązać problem skraplania się środka gaszącego łuk wyłącznika SF₆ w zimnych regionach. Zgodnie z konkretną strukturą wyłącznika, projektowane jest odpowiednie urządzenie grzewcze, które poprzez ogrzewanie zwiększa temperaturę działania gazu SF₆, unikając skraplania się gazu SF₆ w środowisku o niskiej temperaturze. Urządzenie grzewcze wyłącznika może automatycznie aktywować lub dezaktywować funkcję grzewczą w zależności od zmiany temperatury otoczenia. Personel operacyjny i konserwacyjny może ustawiać wartości temperatury automatycznego włączania i wyłączania w zależności od rzeczywistej temperatury otoczenia. W porównaniu z ręcznym odłączaniem obwodu blokady wyłącznika, ta metoda redukuje koszty pracy związane z eksploatacją i konserwacją. Jednak instalacja urządzenia grzewczego wymaga wysokich kosztów ludzkich i materiałowych, a wykorzystanie ciepła jest stosunkowo niskie.

3 Urządzenie grzewcze dla porcelanowego typu wyłącznika SF₆

Zgodnie z charakterystyką konstrukcyjną porcelanowego typu wyłącznika SF₆ zaprojektowano urządzenie grzewcze, które składa się z trzech części: modułu grzewczego, modułu kontrolera temperatury i modułu zasilania.

3.1 Moduł grzewczy

Miejsce montażu urządzenia grzewczego jest kluczowe, bezpośrednio wpływając na efektywność ogrzewania gazu SF₆. Porcelanowy typ wyłącznika składa się z wielu podstawowych jednostek, w tym komory gaszącej, podporowej izolatora porcelanowego, mechanizmu napędowego, ramy nośnej itp. Poniżej komory gaszącej znajdują się dwa połączone podporowe izolatory porcelanowe, wypełnione gazem SF₆. Główną funkcją podporowego izolatora porcelanowego jest osiągnięcie izolacji od ziemi. Dlatego przy projektowaniu porcelanowego typu wyłącznika musi być zachowana określona odległość izolacyjna, a także zapewniona mechaniczna wytrzymałość materiału ceramicznego. To oznacza, że nie można zamontować przewodzącego urządzenia grzewczego na zewnętrznej powierzchni izolatora porcelanowego [5]. W niniejszym artykule wybrano jako część grzewczą komorę przesyłową. Jednak komora przesyłowa ma nieregularny kształt, a tradycyjne urządzenia grzewcze nie są łatwe do zamontowania. Ponadto komora przesyłowa znajduje się w podstawie porcelanowego typu wyłącznika, gdzie przestrzeń jest wąska. Tradycyjne urządzenia grzewcze są zbyt duże, co może wpłynąć na prawidłowe działanie mechanizmu przesuwu wyłącznika.

Zaprojektowano moduł grzewczy zgodnie z cechami porcelanowego typu wyłącznika w rejonie Zhangjiakou Bashang. Moduł grzewczy składa się z taśmy grzewczej i drutu oporowego. Taśma grzewcza jest wykonana z izolacyjnej kauczukowej silikonowej, a klej termoodporny 3M jest na tył, z otworem na przedniej stronie, jak pokazano na Rysunku 1. Drut oporowy jest owinięty wewnątrz taśmy grzewczej. Taśma grzewcza z izolacyjnej kauczukowej silikonowej i klejem termoodpornym 3M może wytrzymać wysokie temperatury (napięcie AC220V), a kształt i długość taśmy grzewczej mogą być elastycznie dostosowane do kształtu komory przesyłowej lokalnego wyłącznika.

Rysunek 1 przedstawia przednią i tylną stronę modułu grzewczego

3.2 Moduł kontrolera temperatury

Moduł kontrolera temperatury składa się z czujnika i regulatora temperatury. Dokładnie, czujnik jest zamontowany na taśmie grzewczej fazy B porcelanowego typu wyłącznika. Jego funkcja polega na pomiarze temperatury w komorze przesyłowej porcelanowego typu wyłącznika i przekazaniu danych temperatury do regulatora temperatury, jak pokazano na Rysunku 2. Regulator temperatury to mikrokomputerowy regulator temperatury JY-260. Służy do odbioru i wyświetlania temperatury w tym miejscu, a także do sterowania włączaniem i wyłączaniem modułu grzewczego zgodnie z ustawionymi progami temperatury, jak pokazano na Rysunku 3.

Rysunek 2 Czujnik temperatury

Rysunek 3 Termostat

3.3 Moduł zasilania

Moduł zasilania obejmuje zasilacz sterowany temperaturą i zasilacz z wymuszeniem startu, jak pokazano na Rysunku 4. Zasilacz sterowany temperaturą jest podłączony do modułu grzewczego przez regulator temperatury. Zgodnie z temperaturą otoczenia w rejonie Bashang, ustawiono próg pracy zasilacza sterowanego temperaturą, a zasilacz sterowany temperaturą działa normalnie w tym zakresie. Zasilacz z wymuszeniem startu jest bezpośrednio podłączony do modułu grzewczego. Gdy temperatura jest niższa niż próg pracy zasilacza sterowanego temperaturą, aktywowany jest zasilacz z wymuszeniem startu.

Rysunek 4 Zasilacz sterowany temperaturą

3.4 Tryby pracy urządzenia grzewczego

Urządzenie grzewcze porcelanowego typu wyłącznika SF₆ ma dwa tryby ogrzewania.
(1) Tryb sterowania temperaturą: Urządzenie grzewcze używa czujnika zamontowanego na taśmie grzewczej fazy B porcelanowego typu wyłącznika, aby uzyskać temperaturę w komorze przesyłowej porcelanowego typu wyłącznika i przekazać ją do regulatora temperatury. Regulator temperatury odbiera i wyświetla temperaturę taśmy grzewczej porcelanowego typu wyłącznika, a następnie steruje modułem grzewczym zgodnie z ustawionymi progami temperatury.
(2) Tryb wymuszonego startu: Pomijając regulator temperatury, przeprowadza się ciągłe ogrzewanie komory przesyłowej, a gaz SF₆ w porcelanowym typie wyłącznika jest ogrzewany. W ten sposób można uniknąć problemów, takich jak alarmy o niskim ciśnieniu porcelanowego typu wyłącznika i obniżenie zdolności przerywania spowodowane skraplaniem się gazu SF₆.

4 Podsumowanie

W odpowiedzi na częste występowanie alarmów o niskim ciśnieniu i nawet blokad wyłączników w ekstremalnie zimnej pogodzie w rejonie Bashang w Zhangjiakou, niniejszy artykuł projektuje urządzenie grzewcze gazu dla 110kV porcelanowego typu wyłącznika SF₆. To urządzenie może zapewnić bezpieczne i stabilne działanie wyłącznika. Ponadto ma zalety niskich kosztów instalacji i krótkiego czasu instalacji, a także pokazuje dobrą wartość promocyjną.