Проектування та реалізація газового нагрівального пристрою для 110кВ фарфорової стовпчастої вакуумної вимикачі SF6

Високовольтові вимикачі є одними з найважливіших пристроїв керування в енергетичній системі. Стан роботи високовольтових вимикачів безпосередньо впливає на безпечну та стабільну роботу енергетичної системи. Серед них, зовнішній фарфоровий стовпчастий SF₆-вимикач є одним з основних типів високовольтових вимикачів. SF₆ має високу електричну стійкість, відмінні характеристики гасіння дуги та ізоляційні властивості. Однак, у практичному застосуванні виявлено, що в надзвичайно холодних районах, таких як Бащанський район міста Чжанцзякоу провінції Хебей, низькі температури можуть легко призводити до розчинення газу SF₆, що спричиняє зниження тиску газу SF₆. Це може спричинити попередження про низький тиск для вимикача або навіть заблокувати його (блокування вимикача означає, що вимикач не може закриватися або відкриватися), що серйозно впливає на здатність переривання та ізоляційні характеристики вимикача. Для вирішення цієї проблеми, у цій статті проектовано нагрівальний пристрій для 110кВ фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача.

1 Попередження про низький тиск та блокування фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача

У Бащанському районі міста Чжанцзякоу зимова температура може досягати -30 °C. Попередження про низький тиск та навіть блокування SF₆-вимикачів вже багато разів відбувалися на підстанціях Бащанського району. За лише один місяць попередження про низький тиск відбувалося більше 30 разів, а блокування — більше 10 разів, що становить велику потенційну загрозу для безпечної та стабільної роботи мережі. Дослідження показали, що основна причина попереджень та блокувань 110кВ фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача полягає у відсутності нагрівального пристрою для газу SF₆. Оскільки камера газу SF₆ прямо виставлена ​​до зовнішнього середовища, коли температура оточуючого середовища опускається до певного рівня, газ SF₆ розчиняється, що призводить до зниження тиску в камері газу нижче заданих значень попередження та блокування.

2 Проблеми з традиційними методами вирішення

На даний момент основні методи вирішення проблем попередження про низький тиск та блокування фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача такі:
(1) Наповнення вимикача, щоб збільшити молекулярну вагу газу в баку, що збільшує тиск газу SF₆. Однак, цей метод не застосовується у надзвичайно холодну погоду. Оскільки доповнений газ SF₆ швидко розчиниться в умовах низької температури та високого тиску, і все одно неможливо збільшити тиск газу. Рейтинговий тиск SF₆ у вимикачу зазвичай становить 0,6 МПа, а насичений паровий тиск SF₆ становить 0,6 МПа при -20 °C. При зниженні температури оточуючого середовища, насичений паровий тиск SF₆ знизиться. Тобто, у надзвичайно холодному середовищі, навіть якщо вимикач наповнений, через насичений паровий тиск газу SF₆, наповнений газ швидко розчиниться, і мета збільшення тиску не буде досягнута. Тому, коли температура оточуючого середовища нижче -20 °C, цей метод не може відновити рейтинговий тиск всередині вимикача.
(2) Ручне відключення блокувального контуру вимикача, щоб дозволити вимикачу нормально закриватися та відкриватися. Однак, цей метод призводить до втрати захисту електричного блокування вимикачем. Якщо тиск газу всередині вимикача не відповідає вимогам для гасіння дуги або навіть ізоляції, можуть виникнути серйозні аварії, а трудові витрати високі.
(3) Використання методу нагріву газу SF₆ для вирішення проблеми розчинення дугозагасного середовища SF₆-вимикача в холодних регіонах. Згідно з конкретною конструкцією вимикача, виготовляється відповідний нагрівальний пристрій, і через нагрівання підвищується робоча температура газу SF₆, щоб уникнути розчинення газу SF₆ в умовах низької температури. Нагрівальний пристрій вимикача зазвичай автоматично активує або деактивує нагрівальну функцію згідно зі зміною температури оточуючого середовища. Персонал, який займається обслуговуванням, може встановлювати значення температури для автоматичного вмикаючи та вимикаючи нагрівального пристрою згідно з фактичною температурою оточуючого середовища. У порівнянні з ручним відключенням блокувального контуру вимикача, цей метод зменшує трудові витрати на обслуговування. Однак, встановлення нагрівального пристрою потребує високих людських та матеріальних витрат, а ефективність використання тепла відносно низька.

3 Нагрівальний пристрій для фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача

Згідно з конструктивними характеристиками фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача, було розроблено нагрівальний пристрій, який включає три частини: нагрівальний модуль, модуль керування температурою та модуль живлення.

3.1 Нагрівальний модуль

Місце встановлення нагрівального пристрою має велике значення, що безпосередньо впливає на ефективність нагріву газу SF₆. Фарфоровий стовпчастий вимикач складається з багатьох базових одиниць, включаючи камеру гасіння дуги, підтримуючий фарфоровий изолятор, механізм управління, підставу тощо. Під камерою гасіння дуги знаходяться два взаємопов'язані підтримуючі фарфорові изолятори, заповнені газом SF₆. Основна функція підтримуючого фарфорового изолятора полягає у забезпеченні ізоляції від землі. Тому, при розробці фарфорового стовпчастого вимикача, повинна бути збережена певна відстань ізоляції, а також забезпечена механічна міцність керамічного матеріалу. Це означає, що неможливо встановити провідний нагрівальний пристрій на зовнішній поверхні фарфорового изолятора [5]. У цій статті вибрано передачу камери як частина нагріву. Однак, камера передачі має нерегулярну форму, і традиційні нагрівальні пристрої важко фіксуються. Більше того, камера передачі розташована в основі фарфорового стовпчастого вимикача, і простір там вузький. Традиційні нагрівальні пристрої занадто великі, що може вплинути на нормальне функціонування механізму передачі вимикача.

Було розроблено нагрівальний модуль згідно з характеристиками фарфорового стовпчастого вимикача у Бащанському районі міста Чжанцзякоу. Нагрівальний модуль складається з нагрівального стрічкового пристрою та резистивного дроту. Нагрівальний стрічковий пристрій виготовлений з ізоляційного силиконового каучуку, а на зворотній стороні наклеєний 3M термостійкий клей, з виходом на передній стороні, як показано на рисунку 1. Резистивний дріт обгорнутий всередині нагрівального стрічкового пристрою. Нагрівальний стрічковий пристрій, виготовлений з ізоляційного силиконового каучуку та 3M термостійкого клею, може витримувати високі температури (напруга AC220V), а форма та довжина нагрівального стрічкового пристрою може бути гнучко вибрана згідно з формою камери передачі на місцевому вимикачі.

Рисунок 1 показує передню та задню сторони нагрівального модуля

3.2 Модуль керування температурою

Модуль керування температурою складається з датчика та контролера температури. Конкретно, датчик встановлений на нагрівальному стрічковому пристрої фази B фарфорового стовпчастого вимикача. Його функція полягає в вимірюванні температури камери передачі фарфорового стовпчастого вимикача та передачі даних про температуру до контролера температури, як показано на рисунку 2. Контролер температури — це JY-260 мікрокомп'ютерний контролер температури. Він використовується для отримання та відображення температури в цьому місці, а також для керування запуском та зупинкою нагрівального модуля згідно з предварительно установленными температурними порогами, як показано на рисунку 3.

Рисунок 2 Датчик температури

Рисунок 3 Термостат

3.3 Модуль живлення

Модуль живлення включає температурний блок живлення та блок живлення для примусового запуску, як показано на рисунку 4. Серед них, температурний блок живлення підключений до нагрівального модуля через контролер температури. Згідно з температурою оточуючого середовища в Бащанському районі, встановлюється поріг роботи температурного блоку живлення, і температурний блок живлення працює нормально в рамках цього порогу. Блок живлення для примусового запуску підключений безпосередньо до нагрівального модуля. Коли температура нижче порогу роботи температурного блоку живлення, блок живлення для примусового запуску активується.

Рисунок 4 Температурний блок живлення

3.4 Режими роботи нагрівального пристрою

Нагрівальний пристрій фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача має два режими нагріву.
(1) Режим керування температурою: Нагрівальний пристрій використовує датчик, встановлений на нагрівальному стрічковому пристрої фази B фарфорового стовпчастого вимикача, для отримання температури камери передачі фарфорового стовпчастого вимикача та передачі її до контролера температури. Контролер температури отримує та відображає температуру нагрівального стрічкового пристрою фарфорового стовпчастого вимикача, а потім керує нагрівальним модулем згідно з предварительно установленными температурними порогами.
(2) Режим примусового запуску: Обходячи контролер температури, проводиться постійний нагрів камери передачі, і нагрівається газ SF₆ всередині фарфорового стовпчастого вимикача. Таким чином, уникнено проблеми, такі як попередження про низький тиск фарфорового стовпчастого вимикача та зниження здатності переривання, спричинені розчиненням газу SF₆.

4 Висновки

З метою вирішення часто виникаючих проблем попередження про низький тиск та навіть блокування вимикачів у надзвичайно холодну погоду в Бащанському районі міста Чжанцзякоу, у цій статті розроблено нагрівальний пристрій для газу 110кВ фарфорового стовпчастого SF₆-вимикача. Цей пристрій може гарантувати безпечну та стабільну роботу вимикача. Більше того, він має переваги низької вартості встановлення та короткого часу встановлення, і показує добре перспективи для поширення.