Проектирование и внедрение газового нагревательного устройства для 110 кВ фарфорового столбчатого выключателя SF6

Высоковольтные выключатели являются одним из самых важных устройств управления в энергосистеме. Состояние высоковольтных выключателей напрямую влияет на безопасную и стабильную работу энергосистемы. Среди них, наружный фарфоровый опорный выключатель SF₆ является одним из основных типов высоковольтных выключателей. SF₆ обладает высокой электрической прочностью, отличными дугогасящими свойствами и способностью к изоляции. Однако на практике было обнаружено, что в таких холодных регионах, как Ба Шань в провинции Хэбэй, низкие температуры могут легко вызвать конденсацию газа SF₆, что приводит к снижению давления газа SF₆. Это может вызвать срабатывание сигнала низкого давления или даже блокировку (блокировка выключателя означает, что он не может ни закрываться, ни открываться), что серьезно влияет на дугогасящие и изолирующие свойства выключателя. Для решения этой проблемы в данной статье разработано устройство подогрева газа для фарфорового опорного выключателя SF₆ на 110 кВ.

1 Сигнал низкого давления и блокировка фарфорового опорного выключателя SF₆

В районе Ба Шань зимняя температура может достигать -30 °C. В подстанциях района Ба Шань неоднократно возникали сигналы низкого давления и даже блокировки выключателей SF₆. В течение одного месяца сигналы низкого давления возникали более 30 раз, а блокировки — более 10 раз, что представляет значительную угрозу для безопасной и стабильной работы энергосети. Исследования показали, что основная причина срабатывания сигналов и блокировок 110-киловольтного фарфорового опорного выключателя SF₆ — отсутствие устройства подогрева газа SF₆. Поскольку камера газа SF₆ напрямую контактирует с внешней средой, при снижении температуры окружающей среды до определенного уровня газ SF₆ конденсируется, что приводит к снижению давления в камере ниже установленных пороговых значений для сигнала и блокировки.

2 Проблемы традиционных решений

Сейчас основные методы решения проблем с сигналом низкого давления и блокировкой фарфорового опорного выключателя SF₆ следующие:
(1) Наполнение выключателя для увеличения молекулярного веса газа в баке, что увеличивает давление газа SF₆. Однако этот метод не применим в условиях экстремально низких температур. Дополненный газ SF₆ быстро конденсируется при низких температурах и высоком давлении, и все равно невозможно увеличить давление газа. Номинальное давление SF₆ в выключателе обычно составляет 0,6 МПа, а насыщенное парциальное давление SF₆ при -20 °C также 0,6 МПа. При понижении температуры окружающей среды насыщенное парциальное давление SF₆ падает. То есть, в условиях экстремально низкой температуры, даже если выключатель заполнен, из-за насыщенного парциального давления газа SF₆, добавленный газ быстро конденсируется, и цель повышения давления не достигается. Поэтому, когда температура окружающей среды ниже -20 °C, этот метод не может восстановить номинальное давление внутри выключателя.
(2) Ручное отключение цепи блокировки выключателя, чтобы он мог нормально закрываться и открываться. Однако этот метод приводит к потере защиты электрической блокировки. Если давление газа внутри выключателя не соответствует требованиям для гашения дуги или даже изоляции, могут произойти серьезные аварии, и затраты на труд относительно высоки.
(3) Использование метода нагрева газа SF₆ для решения проблемы конденсации дугогасящей среды выключателя SF₆ в холодных районах. В соответствии с конкретной конструкцией выключателя разрабатывается соответствующее устройство нагрева, которое через нагрев повышает рабочую температуру газа SF₆, чтобы избежать его конденсации в условиях низкой температуры. Устройство нагрева газа выключателя обычно автоматически включает или выключает функцию нагрева в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Персонал по эксплуатации и обслуживанию может установить значения температуры для автоматического включения и выключения в зависимости от фактической температуры окружающей среды. По сравнению с ручным отключением цепи блокировки выключателя, этот метод снижает затраты на труд при эксплуатации и обслуживании. Однако установка устройства нагрева требует больших затрат на материалы и труд, а коэффициент полезного действия тепла относительно низкий.

3 Устройство нагрева для фарфорового опорного выключателя SF₆

На основе конструктивных особенностей фарфорового опорного выключателя SF₆ разработано устройство нагрева, которое включает три части: модуль нагрева, модуль управления температурой и модуль питания.

3.1 Модуль нагрева

Место установки устройства нагрева имеет большое значение,直接影响了SF₆气体的加热效率。瓷柱式断路器由多个基本单元组成，包括灭弧室、支撑瓷套管、操作机构、支撑框架等。灭弧室下方有两个相互连接的支撑瓷套管，其中填充有SF₆气体。支撑瓷套管的主要功能是实现对地绝缘。因此，在设计瓷柱式断路器时，必须保持一定的绝缘距离，并确保陶瓷材料的机械强度。这意味着不能在瓷套管的外表面安装导电加热装置[5]。本文选择传动室作为加热部分。然而，传动室形状不规则，传统的加热装置不易固定。此外，传动室位于瓷柱式断路器的基座内，空间狭小。传统加热装置体积过大，可能会影响断路器传动机构的正常运行。 根据张家口坝上地区的瓷柱式断路器特点，设计了一种加热模块。该加热模块由加热带和电阻丝组成。加热带采用绝缘硅橡胶制成，背面粘贴3M耐热胶，正面设有出线口，如图1所示。电阻丝缠绕在加热带内部。由绝缘硅橡胶制成的加热带和3M耐热胶可以承受高温（电压为AC220V），并且可以根据现场断路器传动室的形状灵活选择加热带的形状和长度。

Рисунок 1 показывает переднюю и заднюю стороны модуля нагрева

3.2 Модуль управления температурой

Модуль управления температурой состоит из датчика и терморегулятора. Конкретно, датчик установлен на нагревательном поясе фазы B фарфорового опорного выключателя. Его функция — измерять температуру в передаточной камере фарфорового опорного выключателя и передавать данные о температуре в терморегулятор, как показано на рисунке 2. Терморегулятор — это микрокомпьютерный терморегулятор JY-260. Он используется для приема и отображения температуры в этом месте, а также для управления включением и выключением модуля нагрева в соответствии с предустановленным пороговым значением температуры, как показано на рисунке 3.

Рисунок 2 Температурный датчик

Рисунок 3 Термостат

3.3 Модуль питания

Модуль питания включает в себя температурно-управляемый источник питания и источник питания принудительного включения, как показано на рисунке 4. Температурно-управляемый источник питания подключен к модулю нагрева через терморегулятор. В соответствии с температурой окружающей среды в районе Ба Шань устанавливается пороговое значение работы температурно-управляемого источника питания, и он работает в пределах этого порога. Источник питания принудительного включения подключен напрямую к модулю нагрева. Когда температура ниже порогового значения работы температурно-управляемого источника питания, активируется источник питания принудительного включения.

Рисунок 4 Температурно-управляемый источник питания

3.4 Режимы работы устройства нагрева

Устройство нагрева фарфорового опорного выключателя SF₆ имеет два режима нагрева.
(1) Режим управления температурой: устройство нагрева использует датчик, установленный на нагревательном поясе фазы B фарфорового опорного выключателя, для получения температуры в передаточной камере фарфорового опорного выключателя и передачи ее в терморегулятор. Терморегулятор принимает и отображает температуру нагревательного пояса фарфорового опорного выключателя, а затем управляет модулем нагрева в соответствии с предустановленным пороговым значением температуры.
(2) Режим принудительного включения: путем обхода терморегулятора осуществляется непрерывный нагрев передаточной камеры, и греется газ SF₆ внутри фарфорового опорного выключателя. Таким образом, можно избежать проблем, таких как сигналы низкого давления фарфорового опорного выключателя и снижение дугогасящих свойств, вызванных конденсацией газа SF₆.

4 Заключение

Для решения частых проблем с сигналами низкого давления и даже блокировками выключателей в условиях экстремально низких температур в районе Ба Шань в городе Чжанцзякоу, в данной статье разработано устройство нагрева газа для фарфорового опорного выключателя SF₆ на 110 кВ. Это устройство обеспечивает безопасную и стабильную работу выключателя. Кроме того, оно имеет преимущества низкой стоимости установки и короткого времени установки, и демонстрирует хорошую перспективу применения.