110kV Porselen Kolon SF6 Kesicisiz Gaz Isıtma Cihazı Tasarımı ve Uygulaması

Yüksek gerilimli devre kesiciler, güç sistemindeki en kritik kontrol cihazlarından biridir. Yüksek gerilimli devre kesicilerin çalışma durumu, güç sisteminin güvenli ve istikrarlı çalışmasını doğrudan etkiler. Bunlar arasında, dış mekan seramik posta tipi SF₆ devre kesicisi, yüksek gerilimli devre kesicilerin ana tiplerinden biridir. SF₆, yüksek elektriksel dayanım gücüne, mükemmel körük söndürme performansına ve yalıtım kapasitesine sahiptir. Ancak, uygulamalarda, Hebei Eyaleti'ndeki Zhangjiakou Bashang gibi çok soğuk bölgelerde düşük sıcaklıkların, SF₆ gazının sıvılaşmasına neden olabileceğinin tespit edilmesi, bu gazın basıncında düşüşe yol açmaktadır. Bu, devre kesicisinde düşük basınç alarmını tetikleyebilir veya hatta kilitlemeyi (devre kesicisinin ne kapatabileceği ne de açabileceği anlamına gelir) oluşturabilir, bu da devre kesicisinin körük söndürme kapasitesini ve yalıtım performansını ciddi şekilde etkileyebilir. Bu sorunu çözmek için bu makale, 110kV seramik posta tipi SF₆ devre kesicisi için bir gaz ısıtma cihazı tasarlamaktadır.

1 Seramik Posta Tipi SF₆ Devre Kesicisinin Düşük Basınç Alarmı ve Kilitleme Durumu

Zhangjiakou Bashang bölgesinde kış aylarında sıcaklık -30 °C'ye kadar düşebilmektedir. Bashang bölgesindeki alt merkezlerde SF₆ devre kesicilerinde birden fazla kez düşük basınç alarmı ve hatta kilitleme arızaları yaşanmıştır. Sadece bir ay içinde, düşük basınç alarmı 30'dan fazla kez, kilitleme arızası ise 10'dan fazla kez oluşmuştur, bu da güç ağına güvenli ve istikrarlı bir operasyon için büyük potansiyel bir tehdit oluşturmuştur. Araştırma, 110kV seramik posta tipi SF₆ devre kesicisindeki alarm ve kilitleme arızalarının asıl nedeninin, SF₆ gazı ısıtma cihazının olmaması olduğunu göstermiştir. SF₆ gaz odasının doğrudan dış ortama maruz kalması, çevresel sıcaklığın belirli bir seviyeye düştüğünde, SF₆ gazının sıvılaşmasına ve dolayısıyla gaz odasındaki basıncın belirlenen alarm ve kilitleme basınç değerlerinden daha düşük olmasına neden olmuştur.

2 Geleneksel Çözümlerle İlgili Sorunlar

Şu anda, seramik posta tipi SF₆ devre kesicisindeki düşük basınç alarmı ve kilitleme sorunlarını çözmek için kullanılan ana yöntemler şunlardır:
(1) Devre kesicisine hava vererek tanktaki gazın moleküler ağırlığını artırarak, böylece SF₆ gazının basıncını artırmak. Ancak, bu yöntem aşırı soğuk hava koşullarında uygulanamaz. Çünkü eklenen SF₆ gazı düşük sıcaklık ve yüksek basınç ortamlarında hızlıca sıvılaşacaktır ve hala gaz basıncını artırmak mümkün olmayacaktır. Devre kesicisindeki SF₆'nin nominal basıncı genellikle 0.6 MPa'dır ve -20 °C'de SF₆'nin doygun buhar basıncı 0.6 MPa'dır. Çevresel sıcaklığın düşmesiyle birlikte, SF₆'nin doygun buhar basıncı da düşecektir. Yani, aşırı düşük sıcaklık ortamında, devre kesicisine hava verilse bile, SF₆ gazının doygun buhar basıncı nedeniyle eklenen gaz hızlıca sıvılaşacaktır ve basıncı artırmak mümkün olmayacaktır. Bu nedenle, çevresel sıcaklık -20 °C'nin altında olduğunda, bu yöntem devre kesicinin iç basıncını nominal değere geri getiremez.
(2) Devre kesicisinin kilitleme devresini manuel olarak devre dışı bırakarak, devre kesicisinin normal olarak kapatabilmesi ve açabilmesi sağlanır. Ancak, bu yöntem devre kesicisinin elektriksel kilitleme korumasını kaybetmesine neden olur. Bir kez devre kesicinin içindeki gaz basıncı körük söndürme veya hatta yalıtım gerekliliklerini karşılamazsa, ciddi kazalar meydana gelebilir ve işgücü maliyeti oldukça yüksektir.
(3) Soğuk bölgelerde SF₆ devre kesicisinin körük söndürme ortamının sıvılaşması sorununu çözmek için SF₆ gazını ısıtma yöntemi kullanılır. Devre kesicinin spesifik yapısına göre uygun bir ısıtma cihazı özel olarak tasarlanır ve ısıtma yoluyla SF₆ gazının çalışma sıcaklığı artırılır, böylece düşük sıcaklık ortamında SF₆ gazının sıvılaşmasını önler. Devre kesicisinin gaz ısıtma cihazı genellikle çevresel sıcaklık değişimine göre otomatik olarak ısıtma fonksiyonunu etkinleştirip devre dışı bırakabilir. İşletme ve bakım personeli, gerçek çevresel sıcaklığa göre otomatik etkinleştirme ve devre dışı bırakma sıcaklık ayar değerlerini ayarlayabilir. Devre kesicisinin kilitleme devresini manuel olarak devre dışı bırakmaktan farklı olarak, bu yöntem işletme ve bakımı sırasında işgücü maliyetini azaltır. Ancak, ısıtma cihazının kurulumu yüksek insan ve malzeme maliyetleri gerektirir ve termal kullanım oranı nispeten düşüktür.

3 Seramik Posta Tipi SF₆ Devre Kesicisi için Isıtma Cihazı

Seramik posta tipi SF₆ devre kesicisinin yapısal özelliklerine göre, seramik posta tipi SF₆ devre kesicisi için bir ısıtma cihazı tasarlandı. Bu cihaz, ısıtma modülü, sıcaklık kontrol modülü ve güç kaynağı modülü olmak üzere üç bölümden oluşmaktadır.

3.1 Isıtma Modülü

Isıtma cihazının montaj konumu, SF₆ gazının ısıtma verimliliğini doğrudan etkileyen önemli bir faktördür. Seramik posta tipi devre kesicisi, körük söndürme odası, destek seramik tüpü, çalışma mekanizması, destek çerçevesi dahil olmak üzere birçok temel birime sahiptir. Körük söndürme odasının altında iki adet birbirine bağlı destek seramik tüp bulunmaktadır ve bu tüpler SF₆ gazıyla doldurulmuştur. Destek seramik tüpünün asıl işlevi, zemine karşı yalıtımı sağlamaktır. Bu nedenle, seramik posta tipi devre kesicisi tasarlanırken, belirli bir yalıtım mesafesi korunmalıdır ve seramik malzemenin mekanik dayanımı sağlanması gerekir. Bu, seramik tüpün dış yüzeyine iletken bir ısıtma cihazı yerleştirmenin mümkün olmadığını ifade eder [5]. Bu makalede, ısıtma kısmı iletim odası olarak seçilmiştir. Ancak, iletim odası düzenli bir şekle sahip değildir ve geleneksel ısıtma cihazlarının sabitlenmesi zordur. Ayrıca, iletim odası seramik posta tipi devre kesicisinin tabanında yer alır ve alan dar gibidir. Geleneksel ısıtma cihazları boyut olarak büyük olup, devre kesicinin iletim mekanizmasının normal çalışmasını etkileyebilir.

Zhangjiakou Bashang bölgesindeki seramik posta tipi devre kesicinin özelliklerine göre bir ısıtma modülü tasarlandı. Isıtma modülü, ısıtma bantından ve direnç telinden oluşmaktadır. Isıtma bantı yalıtım silikon lastiği ile yapılmıştır ve arkasındaki yapıştırıcı 3M ısıya dayanıklı yapıştırıcıdır, ön tarafta çıkış bulunur, Şekil 1'de gösterildiği gibi. Direnç teli, ısıtma bantının içine sarılmıştır. Yalıtım silikon lastiği ile yapılan ısıtma bantı ve 3M ısıya dayanıklı yapıştırıcı, yüksek sıcaklıklara (gerilim AC220V) dayanabilir ve ısıtma bantının şekli ve uzunluğu, devre kesicinin yerel iletim odasının şekline göre esnek olarak seçilebilir.

Şekil 1, ısıtma modülünün ön ve arka yüzlerini göstermektedir

3.2 Sıcaklık Kontrol Modülü

Sıcaklık kontrol modülü, sensör ve sıcaklık kontrolcüsünden oluşmaktadır. Özellikle, sensör, seramik posta tipi devre kesicinin B fasesindeki ısıtma bandına monte edilmiştir. Bu sensörün görevi, seramik posta tipi devre kesicisinin iletim odasındaki sıcaklığı ölçmek ve bu sıcaklık verilerini sıcaklık kontrolcüsüne iletmektir, Şekil 2'de gösterildiği gibi. Sıcaklık kontrolcüsü, JY-260 mikro bilgisayarlı sıcaklık kontrolcüsüdür. Bu, bu konumdaki sıcaklığı alıp gösterecek ve önceden belirlenmiş sıcaklık eşiğine göre ısıtma modülünün başlatılmasını ve durdurulmasını kontrol edecektir, Şekil 3'te gösterildiği gibi.

Şekil 2 Sıcaklık sensörü

Şekil 3 Termostat

3.3 Güç Modülü

Güç modülü, sıcaklık kontrollü güç kaynağı ve zorla başlatma güç kaynağı içerir, Şekil 4'te gösterildiği gibi. Bunlardan, sıcaklık kontrollü güç kaynağı, sıcaklık kontrolcüsü aracılığıyla ısıtma modülüne bağlanır. Bashang bölgesindeki çevresel sıcaklıkta, sıcaklık kontrollü güç kaynağının çalışma eşiği belirlenir ve sıcaklık kontrollü güç kaynağı bu eşiğin içinde normal olarak çalışır. Zorla başlatma güç kaynağı, doğrudan ısıtma modülüne bağlanır. Sıcaklık, sıcaklık kontrollü güç kaynağının çalışma eşiğinden düşük olduğunda, zorla başlatma güç kaynağı aktive edilir.

Şekil 4 Sıcaklık kontrollü güç kaynağı

3.4 Isıtma Cihazının Çalışma Modları

Seramik posta tipi SF₆ devre kesicisi için ısıtma cihazı iki ısıtma moduna sahiptir.
(1) Sıcaklık kontrol modu: Isıtma cihazı, seramik posta tipi devre kesicisinin B fasesindeki ısıtma bandına monte edilen sensör aracılığıyla, seramik posta tipi devre kesicisinin iletim odasındaki sıcaklığı ölçer ve bu sıcaklığı sıcaklık kontrolcüsüne gönderir. Sıcaklık kontrolcüsü, seramik posta tipi devre kesicisinin ısıtma bandındaki sıcaklığı alır ve gösterir, ardından önceden belirlenmiş sıcaklık eşiğine göre ısıtma modülünü kontrol eder.
(2) Zorla başlatma modu: Sıcaklık kontrolcüsü atlanarak, iletim odasının sürekli ısıtılması sağlanır ve seramik posta tipi devre kesicisinin içindeki SF₆ gazı ısıtılır. Bu şekilde, seramik posta tipi devre kesicisindeki düşük basınç alarmı ve sıvılaşmış SF₆ gaz nedeniyle körük söndürme kapasitesindeki düşüş gibi sorunlar önlenir.

4 Sonuç

Zhangjiakou Bashang bölgesinde aşırı soğuk hava koşullarında devre kesicilerde sıkça görülen düşük basınç alarmı ve hatta kilitleme olaylarına yönelik, bu makalede 110kV seramik posta tipi SF₆ devre kesicisi için bir gaz ısıtma cihazı tasarlanmıştır. Bu cihaz, devre kesicinin güvenli ve istikrarlı çalışmasını sağlayabilir. Ayrıca, düşük kurulum maliyeti ve kısa kurulum süresi avantajlarına sahiptir ve iyi bir tanıtım potansiyeline sahiptir.