การออกแบบและการสร้างอุปกรณ์ทำความร้อนด้วยก๊าซสำหรับตัวตัดวงจร SF6 ที่เสาฟาร์ฟอร์แรงดัน 110kV

สวิทช์วงจรแรงสูงเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ควบคุมที่สำคัญที่สุดในระบบไฟฟ้า การทำงานของสวิทช์วงจรแรงสูงมีผลโดยตรงต่อการดำเนินงานอย่างปลอดภัยและเสถียรของระบบไฟฟ้า โดยเฉพาะสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนภายนอกที่ใช้ก๊าซ SF₆ เป็นหนึ่งในประเภทหลักของสวิทช์วงจรแรงสูง ก๊าซ SF₆ มีความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูง ประสิทธิภาพในการดับอาร์กไฟฟ้า และความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม แต่ในทางปฏิบัติพบว่าในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวจัดเช่น ภาคเหนือของเจ้อเจียง อุณหภูมิต่ำอาจทำให้ก๊าซ SF₆ เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ทำให้ความดันของก๊าซ SF₆ ลดลง ซึ่งอาจทำให้เกิดสัญญาณเตือนความดันต่ำหรือกระทั่งล็อกสวิทช์ (ล็อกสวิทช์หมายความว่าสวิทช์ไม่สามารถปิดหรือเปิดได้) ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความสามารถในการตัดวงจรและประสิทธิภาพการฉนวนของสวิทช์วงจร เพื่อแก้ไขปัญหานี้ บทความนี้ออกแบบอุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน 110kV ที่ใช้ก๊าซ SF₆

1 สถานการณ์สัญญาณเตือนความดันต่ำและการล็อกสวิทช์ของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนที่ใช้ก๊าซ SF₆

ในพื้นที่ภาคเหนือของเจ้อเจียง อุณหภูมิในช่วงฤดูหนาวสามารถต่ำถึง -30 °C สัญญาณเตือนความดันต่ำและการล็อกสวิทช์ของสวิทช์วงจรแรงสูงที่ใช้ก๊าซ SF₆ เกิดขึ้นหลายครั้งในสถานีไฟฟ้าภาคเหนือ ในระยะเวลาเพียงหนึ่งเดือน สัญญาณเตือนความดันต่ำเกิดขึ้นมากกว่า 30 ครั้ง และการล็อกสวิทช์เกิดขึ้นมากกว่า 10 ครั้ง สร้างความเสี่ยงอย่างมากต่อการดำเนินงานอย่างปลอดภัยและเสถียรของระบบไฟฟ้า การวิจัยแสดงให้เห็นว่าสาเหตุหลักของการเกิดสัญญาณเตือนและความล็อกสวิทช์ในสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน 110kV ที่ใช้ก๊าซ SF₆ คือขาดแคลนอุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับก๊าซ SF₆ เนื่องจากช่องก๊าซ SF₆ ถูกเปิดเผยให้สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอก เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมลดลงถึงระดับหนึ่ง ก๊าซ SF₆ จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ทำให้ความดันในช่องก๊าซต่ำกว่าค่าสัญญาณเตือนและความดันที่กำหนดไว้สำหรับการล็อกสวิทช์

2 ปัญหาของวิธีการแก้ไขแบบดั้งเดิม

ปัจจุบัน วิธีการหลักในการแก้ไขปัญหาสัญญาณเตือนความดันต่ำและการล็อกสวิทช์ของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนที่ใช้ก๊าซ SF₆ มีดังนี้:
(1) การเติมก๊าซเข้าไปในสวิทช์เพื่อเพิ่มน้ำหนักโมเลกุลของก๊าซในถัง ทำให้ความดันของก๊าซ SF₆ เพิ่มขึ้น แต่วิธีนี้ไม่เหมาะสมในสภาพอากาศหนาวจัด เนื่องจากก๊าซ SF₆ ที่เติมเข้าไปจะกลายเป็นของเหลวอย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำและแรงดันสูง และไม่สามารถเพิ่มความดันของก๊าซได้ ความดันมาตรฐานของก๊าซ SF₆ ในสวิทช์วงจรคือ 0.6 MPa และแรงดันไอน้ำอิ่มตัวของก๊าซ SF₆ คือ 0.6 MPa ที่อุณหภูมิ -20 °C เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมลดลง แรงดันไอน้ำอิ่มตัวของก๊าซ SF₆ จะลดลง กล่าวคือ ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก แม้ว่าจะเติมก๊าซเข้าไปในสวิทช์ แต่เนื่องจากแรงดันไอน้ำอิ่มตัวของก๊าซ SF₆ ก๊าซที่เติมเข้าไปจะกลายเป็นของเหลวอย่างรวดเร็ว และไม่สามารถเพิ่มความดันได้ ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่า -20 °C วิธีนี้ไม่สามารถฟื้นฟูความดันมาตรฐานภายในสวิทช์วงจรได้
(2) การตัดวงจรล็อกสวิทช์ด้วยมือเพื่อให้สวิทช์สามารถปิดและเปิดได้ตามปกติ แต่วิธีนี้ทำให้สวิทช์วงจรขาดการป้องกันของวงจรล็อกไฟฟ้า หากความดันก๊าซภายในสวิทช์วงจรไม่สามารถตอบสนองต่อความต้องการในการดับอาร์กไฟฟ้าหรือแม้กระทั่งการฉนวนไฟฟ้า อาจเกิดอุบัติเหตุร้ายแรง และต้นทุนแรงงานสูง
(3) การใช้วิธีการทำความร้อนก๊าซ SF₆ เพื่อแก้ไขปัญหาก๊าซดับอาร์กไฟฟ้าของสวิทช์วงจรแรงสูงที่ใช้ก๊าซ SF₆ ในพื้นที่หนาวจัด ตามโครงสร้างเฉพาะของสวิทช์วงจร ทำการปรับแต่งอุปกรณ์ทำความร้อนที่เหมาะสม และเพิ่มอุณหภูมิการทำงานของก๊าซ SF₆ ผ่านการทำความร้อน เพื่อป้องกันการเปลี่ยนสถานะของก๊าซ SF₆ ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ อุปกรณ์ทำความร้อนของสวิทช์วงจรสามารถเปิดหรือปิดการทำงานโดยอัตโนมัติตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อม ผู้ปฏิบัติงานสามารถตั้งค่าอุณหภูมิการเปิดและปิดการทำงานโดยอัตโนมัติตามอุณหภูมิแวดล้อมที่แท้จริง เมื่อเทียบกับการตัดวงจรล็อกสวิทช์ด้วยมือ วิธีนี้ลดต้นทุนแรงงานในการดำเนินงานและบำรุงรักษา แต่การติดตั้งอุปกรณ์ทำความร้อนต้องใช้ต้นทุนแรงงานและวัสดุสูง และมีอัตราการใช้ความร้อนต่ำ

3 อุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนที่ใช้ก๊าซ SF₆

ตามลักษณะโครงสร้างของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนที่ใช้ก๊าซ SF₆ ได้ออกแบบอุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน ซึ่งประกอบด้วยสามส่วน: โมดูลทำความร้อน โมดูลควบคุมอุณหภูมิ และโมดูลพลังงาน

3.1 โมดูลทำความร้อน

ตำแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์ทำความร้อนมีความสำคัญอย่างมาก โดยมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการทำความร้อนของก๊าซ SF₆ สวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนประกอบด้วยหน่วยพื้นฐานหลายส่วน รวมถึงห้องดับอาร์กไฟฟ้า ปลอกพอร์ซเลนรองรับ กลไกการทำงาน และโครงรองรับ ใต้ห้องดับอาร์กไฟฟ้ามีปลอกพอร์ซเลนรองรับสองชิ้นที่เชื่อมต่อกันและเต็มไปด้วยก๊าซ SF₆ หน้าที่หลักของปลอกพอร์ซเลนรองรับคือการให้ฉนวนกับพื้นดิน ดังนั้นในการออกแบบสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน ต้องรักษาระยะห่างฉนวนที่เหมาะสมและรับประกันความแข็งแรงของวัสดุเซรามิก ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถติดตั้งอุปกรณ์ทำความร้อนที่นำไฟฟ้าบนพื้นผิวนอกของปลอกพอร์ซเลนได้ ในบทความนี้ เลือกส่วนที่ทำความร้อนเป็นห้องส่ง แต่ห้องส่งมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ และอุปกรณ์ทำความร้อนแบบดั้งเดิมไม่สามารถติดตั้งได้ง่าย นอกจากนี้ ห้องส่งตั้งอยู่ที่ฐานของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน และมีพื้นที่จำกัด อุปกรณ์ทำความร้อนแบบดั้งเดิมมีขนาดใหญ่เกินไป อาจส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของกลไกส่งของสวิทช์วงจร

ได้ออกแบบโมดูลทำความร้อนตามลักษณะของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนในพื้นที่ภาคเหนือของเจ้อเจียง โมดูลทำความร้อนประกอบด้วยเทปทำความร้อนและสายต้านทาน เทปทำความร้อนทำจากยางซิลิโคนฉนวนไฟฟ้า และด้านหลังมีกาวทนความร้อน 3M พร้อมช่องทางออกที่ด้านหน้า ดังแสดงในรูปที่ 1 สายต้านทานถูกห่อหุ้มภายในเทปทำความร้อน เทปทำความร้อนที่ทำจากยางซิลิโคนฉนวนไฟฟ้าและกาวทนความร้อน 3M สามารถทนต่ออุณหภูมิสูง (แรงดันไฟฟ้า AC220V) และรูปร่างและความยาวของเทปทำความร้อนสามารถเลือกได้อย่างยืดหยุ่นตามรูปร่างของห้องส่งของสวิทช์วงจรที่ติดตั้ง

รูปที่ 1 แสดงด้านหน้าและด้านหลังของโมดูลทำความร้อน

3.2 โมดูลควบคุมอุณหภูมิ

โมดูลควบคุมอุณหภูมิประกอบด้วยเซ็นเซอร์และตัวควบคุมอุณหภูมิ โดยเฉพาะ เซ็นเซอร์ถูกติดตั้งบนเทปทำความร้อนของเฟส B ของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน หน้าที่ของเซ็นเซอร์คือการวัดอุณหภูมิที่ห้องส่งของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน และส่งข้อมูลอุณหภูมิไปยังตัวควบคุมอุณหภูมิ ดังแสดงในรูปที่ 2 ตัวควบคุมอุณหภูมิเป็นตัวควบคุมอุณหภูมิ JY-260 ใช้เพื่อรับและแสดงอุณหภูมิที่ตำแหน่งนี้ และควบคุมการเปิดและปิดของโมดูลทำความร้อนตามค่าอุณหภูมิที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 2 เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ

รูปที่ 3 ตัวควบคุมอุณหภูมิ

3.3 โมดูลพลังงาน

โมดูลพลังงานประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟควบคุมอุณหภูมิและแหล่งจ่ายไฟบังคับเปิด ดังแสดงในรูปที่ 4 แหล่งจ่ายไฟควบคุมอุณหภูมิเชื่อมต่อกับโมดูลทำความร้อนผ่านตัวควบคุมอุณหภูมิ ตามอุณหภูมิแวดล้อมในพื้นที่ภาคเหนือ กำหนดค่าขอบเขตการทำงานของแหล่งจ่ายไฟควบคุมอุณหภูมิ และแหล่งจ่ายไฟควบคุมอุณหภูมิทำงานอย่างปกติภายในขอบเขตดังกล่าว แหล่งจ่ายไฟบังคับเปิดเชื่อมต่อกับโมดูลทำความร้อนโดยตรง เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าขอบเขตการทำงานของแหล่งจ่ายไฟควบคุมอุณหภูมิ แหล่งจ่ายไฟบังคับเปิดจะทำงาน

รูปที่ 4 แหล่งจ่ายไฟควบคุมอุณหภูมิ

3.4 โหมดการทำงานของอุปกรณ์ทำความร้อน

อุปกรณ์ทำความร้อนของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนที่ใช้ก๊าซ SF₆ มีสองโหมดการทำความร้อน
(1) โหมดควบคุมอุณหภูมิ: อุปกรณ์ทำความร้อนใช้เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งบนเทปทำความร้อนของเฟส B ของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน เพื่อรับอุณหภูมิที่ห้องส่งของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน และส่งข้อมูลไปยังตัวควบคุมอุณหภูมิ ตัวควบคุมอุณหภูมิรับและแสดงอุณหภูมิของเทปทำความร้อนของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน แล้วควบคุมโมดูลทำความร้อนตามค่าอุณหภูมิที่ตั้งไว้ล่วงหน้า
(2) โหมดบังคับเปิด: โดยข้ามตัวควบคุมอุณหภูมิ ทำการทำความร้อนอย่างต่อเนื่องที่ห้องส่ง และทำความร้อนก๊าซ SF₆ ภายในสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน วิธีนี้สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาสัญญาณเตือนความดันต่ำของสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลนและลดความสามารถในการตัดวงจรเนื่องจากก๊าซ SF₆ เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว

4 สรุป

เพื่อแก้ไขปัญหาสัญญาณเตือนความดันต่ำและการล็อกสวิทช์ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งในสภาพอากาศหนาวจัดในพื้นที่ภาคเหนือของเจ้อเจียง บทความนี้ออกแบบอุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับสวิทช์วงจรแรงสูงแบบเสาพอร์ซเลน 110kV ที่ใช้ก๊าซ SF₆ อุปกรณ์นี้สามารถรับประกันการดำเนินงานอย่างปลอดภัยและเสถียรของสวิทช์วงจร นอกจากนี้ยังมีข้อดีในการติดตั้งที่มีต้นทุนต่ำและเวลาติดตั้งสั้น แสดงให้เห็นถึงคุณค่าในการขยายการใช้งาน