Projeto e Implementação de um Dispositivo de Aquecimento a Gás para o Disjuntor SF6 de 110kV com Coluna de Porcelana

Os disjuntores de alta tensão são um dos dispositivos de controle mais cruciais no sistema de energia. O estado operacional dos disjuntores de alta tensão afeta diretamente a operação segura e estável do sistema de energia. Entre eles, o disjuntor SF₆ de postes de porcelana externos é um dos principais tipos de disjuntor de alta tensão. O SF₆ possui uma alta resistência elétrica, excelente desempenho de extinção de arco e capacidade de isolamento. No entanto, na prática, foi observado que em áreas severamente frias, como Zhangjiakou Bashang, na província de Hebei, as baixas temperaturas podem facilmente causar a liquefação do gás SF₆, resultando em uma diminuição da pressão do gás SF₆. Isso pode acionar um alarme de baixa pressão para o disjuntor ou até mesmo levar a um bloqueio (bloqueio do disjuntor significa que o disjuntor não pode nem fechar nem abrir), afetando seriamente a capacidade de interrupção e o desempenho de isolamento do disjuntor. Para resolver esse problema, este artigo projeta um dispositivo de aquecimento de gás para o disjuntor SF₆ de postes de porcelana de 110kV.

1 Situação de Alarme de Baixa Pressão e Bloqueio do Disjuntor SF₆ de Postes de Porcelana

Na área de Bashang, em Zhangjiakou, a temperatura no inverno pode chegar a -30 °C. Os alarmes de baixa pressão e até falhas de bloqueio nos disjuntores SF₆ ocorreram várias vezes nas subestações da área de Bashang. Em apenas um mês, o alarme de baixa pressão ocorreu mais de 30 vezes, e a falha de bloqueio ocorreu mais de 10 vezes, representando uma grande ameaça potencial à operação segura e estável da rede de energia. Pesquisas mostraram que a causa principal dos alarmes e falhas de bloqueio no disjuntor SF₆ de postes de porcelana de 110kV é a ausência de um dispositivo de aquecimento de gás SF₆. Como a câmara de gás SF₆ está exposta diretamente ao ambiente externo, quando a temperatura ambiente cai a certo nível, o gás SF₆ liquefaz, fazendo com que a pressão na câmara de gás seja menor que os valores de alarme e bloqueio especificados.

2 Problemas com Soluções Tradicionais

Atualmente, os principais métodos para resolver os problemas de alarme de baixa pressão e bloqueio do disjuntor SF₆ de postes de porcelana são os seguintes:
(1) Inflar o disjuntor para aumentar o peso molecular do gás no tanque, aumentando assim a pressão do gás SF₆. No entanto, este método não é aplicável em condições extremamente frias. Porque o gás SF₆ suplementar liquefará rapidamente em ambientes de baixa temperatura e alta pressão, e ainda será impossível aumentar a pressão do gás. A pressão nominal do SF₆ no disjuntor geralmente é de 0,6 MPa, e a pressão de vapor saturado do SF₆ é de 0,6 MPa a -20 °C. À medida que a temperatura ambiente diminui, a pressão de vapor saturado do SF₆ também diminui. Ou seja, em um ambiente de temperatura extremamente baixa, mesmo que o disjuntor seja inflado, devido à pressão de vapor saturado do gás SF₆, o gás inflado liquefará rapidamente e o objetivo de aumentar a pressão não será alcançado. Portanto, quando a temperatura ambiente estiver abaixo de -20 °C, este método não poderá restaurar a pressão nominal dentro do disjuntor.
(2) Desconectar manualmente o circuito de bloqueio do disjuntor para permitir que o disjuntor se abra e feche normalmente. No entanto, este método faz com que o disjuntor perca a proteção do bloqueio elétrico. Uma vez que a pressão do gás dentro do disjuntor não atenda aos requisitos de extinção de arco ou até mesmo de isolamento, acidentes graves podem ocorrer, e o custo de mão de obra é relativamente alto.
(3) Usar o método de aquecimento do gás SF₆ para resolver o problema de liquefação do meio de extinção de arco do disjuntor SF₆ em regiões frias. De acordo com a estrutura específica do disjuntor, um dispositivo de aquecimento correspondente é personalizado, e a temperatura de operação do gás SF₆ é aumentada através do aquecimento para evitar a liquefação do gás SF₆ em um ambiente de baixa temperatura. O dispositivo de aquecimento do disjuntor pode, geralmente, ativar ou desativar automaticamente a função de aquecimento de acordo com a mudança da temperatura ambiente. O pessoal de operação e manutenção pode definir os valores de ativação e desativação automáticas de temperatura de acordo com a temperatura ambiente real. Comparado com a desconexão manual do circuito de bloqueio do disjuntor, este método reduz o custo de mão de obra na operação e manutenção. No entanto, a instalação do dispositivo de aquecimento requer altos custos de mão de obra e materiais, e a taxa de utilização térmica é relativamente baixa.

3 Dispositivo de Aquecimento para o Disjuntor SF₆ de Postes de Porcelana

De acordo com as características estruturais do disjuntor SF₆ de postes de porcelana, um dispositivo de aquecimento para o disjuntor SF₆ de postes de porcelana é projetado, incluindo três partes: o módulo de aquecimento, o módulo de controle de temperatura e o módulo de alimentação.

3.1 Módulo de Aquecimento

A localização de instalação do dispositivo de aquecimento é de grande importância, afetando diretamente a eficiência de aquecimento do gás SF₆. O disjuntor de postes de porcelana é composto por várias unidades básicas, incluindo a câmara de extinção de arco, a bucha de suporte de porcelana, o mecanismo de operação, a estrutura de suporte, etc. Existem duas buchas de suporte de porcelana interconectadas abaixo da câmara de extinção de arco, preenchidas com gás SF₆. A função principal da bucha de suporte de porcelana é alcançar o isolamento em relação ao solo. Portanto, ao projetar o disjuntor de postes de porcelana, deve-se manter uma certa distância de isolamento e garantir a resistência mecânica do material cerâmico. Isso significa que não é possível instalar um dispositivo de aquecimento condutivo na superfície externa da bucha de porcelana [5]. Neste artigo, a parte de aquecimento é selecionada como a câmara de transmissão. No entanto, a câmara de transmissão tem uma forma irregular, e os dispositivos de aquecimento tradicionais não são fáceis de serem fixados. Além disso, a câmara de transmissão está localizada na base do disjuntor de postes de porcelana, e o espaço é estreito. Os dispositivos de aquecimento tradicionais são muito grandes, o que pode afetar a operação normal do mecanismo de transmissão do disjuntor.

Um módulo de aquecimento é projetado de acordo com as características do disjuntor de postes de porcelana na área de Bashang, em Zhangjiakou. O módulo de aquecimento é composto por uma fita de aquecimento e um fio resistivo. A fita de aquecimento é feita de silicone de borracha isolante, e o adesivo traseiro é adesivo resistente ao calor 3M, com a saída na frente, conforme mostrado na Figura 1. O fio resistivo é enrolado dentro da fita de aquecimento. A fita de aquecimento feita de silicone de borracha isolante e o adesivo resistente ao calor 3M podem suportar altas temperaturas (a voltagem é AC220V), e a forma e o comprimento da fita de aquecimento podem ser selecionados flexivelmente de acordo com a forma da câmara de transmissão do disjuntor no local.

Figura 1 mostra os lados frontal e traseiro do módulo de aquecimento

3.2 Módulo de Controle de Temperatura

O módulo de controle de temperatura consiste em um sensor e um controlador de temperatura. Especificamente, o sensor é instalado na fita de aquecimento da fase B do disjuntor de postes de porcelana. Sua função é medir a temperatura na câmara de transmissão do disjuntor de postes de porcelana e transmitir os dados de temperatura para o controlador de temperatura, conforme mostrado na Figura 2. O controlador de temperatura é um controlador de temperatura microcomputador JY-260. Ele é usado para receber e exibir a temperatura nessa posição e controlar o início e a parada do módulo de aquecimento de acordo com o limite de temperatura pré-definido, conforme ilustrado na Figura 3.

Figura 2 Sensor de temperatura

Figura 3 Termostato

3.3 Módulo de Alimentação

O módulo de alimentação inclui uma fonte de alimentação controlada por temperatura e uma fonte de alimentação de partida forçada, conforme mostrado na Figura 4. Entre elas, a fonte de alimentação controlada por temperatura está conectada ao módulo de aquecimento através do controlador de temperatura. De acordo com a temperatura ambiente na área de Bashang, o limiar de operação da fonte de alimentação controlada por temperatura é definido, e a fonte de alimentação controlada por temperatura opera normalmente dentro desse limiar. A fonte de alimentação de partida forçada está conectada diretamente ao módulo de aquecimento. Quando a temperatura está abaixo do limiar de operação da fonte de alimentação controlada por temperatura, a fonte de alimentação de partida forçada é ativada.

Figura 4 Fonte de alimentação controlada por temperatura

3.4 Modos de Operação do Dispositivo de Aquecimento

O dispositivo de aquecimento do disjuntor SF₆ de postes de porcelana tem dois modos de aquecimento.
(1) Modo de controle de temperatura: O dispositivo de aquecimento usa o sensor instalado na fita de aquecimento da fase B do disjuntor de postes de porcelana para obter a temperatura na câmara de transmissão do disjuntor de postes de porcelana e transmiti-la ao controlador de temperatura. O controlador de temperatura recebe e exibe a temperatura da fita de aquecimento do disjuntor de postes de porcelana e, em seguida, controla o módulo de aquecimento de acordo com o limite de temperatura pré-definido.
(2) Modo de partida forçada: Ao contornar o controlador de temperatura, é realizada a aquecimento contínuo da câmara de transmissão, e o gás SF₆ dentro do disjuntor de postes de porcelana é aquecido. Dessa forma, problemas como alarmes de baixa pressão do disjuntor de postes de porcelana e a diminuição da capacidade de interrupção causada pelo gás SF₆ liquefeito podem ser evitados.

4 Conclusão

Visando a ocorrência frequente de alarmes de baixa pressão e até bloqueios de disjuntores em condições extremamente frias na área de Bashang, em Zhangjiakou, este artigo projeta um dispositivo de aquecimento de gás para o disjuntor SF₆ de postes de porcelana de 110kV. Este dispositivo pode garantir a operação segura e estável do disjuntor. Além disso, possui as vantagens de baixo custo de instalação e tempo de instalação curto, e demonstra um bom valor de promoção.