Thiết kế và Thực hiện của Thiết bị Đốt Gas cho Công tắc Đường không SF6 110kV

Cầu chì điện áp cao là một trong những thiết bị điều khiển quan trọng nhất trong hệ thống điện. Tình trạng hoạt động của cầu chì điện áp cao trực tiếp ảnh hưởng đến việc vận hành an toàn và ổn định của hệ thống điện. Trong số đó, cầu chì SF₆ cột sứ ngoài trời là một trong những loại cầu chì điện áp cao chính. SF₆ có độ chịu điện cao, khả năng dập hồ quang xuất sắc và khả năng cách điện. Tuy nhiên, trong thực tế, đã phát hiện rằng ở các khu vực lạnh sâu như Bashang, thành phố Zhangjiakou, tỉnh Hà Bắc, nhiệt độ thấp có thể dễ dàng làm khí SF₆ lỏng hóa, dẫn đến giảm áp suất của khí SF₆. Điều này có thể gây ra cảnh báo áp suất thấp cho cầu chì hoặc thậm chí dẫn đến khóa (khóa cầu chì có nghĩa là cầu chì không thể đóng hoặc mở),严重影响了断路器的开断能力和绝缘性能。为了解决这个问题，本文设计了一种110kV瓷柱式SF₆断路器的气体加热装置。

1 瓷柱式SF₆断路器的低压报警及闭锁情况

在张家口坝上地区，冬季温度可达到-30°C。该地区的变电站在冬季多次发生SF₆断路器的低压报警甚至闭锁故障。仅一个月内，低压报警就发生了30多次，闭锁故障也发生了10多次，对电网的安全稳定运行构成了巨大潜在威胁。研究表明，110kV瓷柱式SF₆断路器报警和闭锁故障的主要原因是缺少SF₆气体加热装置。由于SF₆气室直接暴露在外部环境中，当环境温度降至一定程度时，SF₆气体将液化，导致气室内的压力低于规定的报警和闭锁压力值。

2 传统解决方案的问题

目前解决瓷柱式SF₆断路器低压报警及闭锁问题的主要方法如下：
(1) 对断路器充气以增加罐内气体的分子量，从而提高SF₆气体的压力。然而，在极寒天气下这种方法并不适用。因为补充的SF₆气体在低温高压环境下会迅速液化，仍然无法提高气体压力。断路器中SF₆的额定压力一般为0.6 MPa，在-20°C时SF₆的饱和蒸汽压为0.6 MPa。随着环境温度的降低，SF₆的饱和蒸汽压也会下降。也就是说，在极低温度环境下，即使给断路器充气，由于SF₆气体的饱和蒸汽压，充入的气体也会迅速液化，无法达到增压的目的。因此，当环境温度低于-20°C时，此方法无法恢复断路器内部的额定压力。
(2) 手动断开断路器的闭锁回路，使断路器能够正常分合闸。但这种方法会导致断路器失去电气闭锁保护。一旦断路器内部气体压力达不到灭弧甚至绝缘的要求，可能会发生严重事故，并且人工成本较高。
(3) 采用加热SF₆气体的方法来解决寒冷地区SF₆断路器灭弧介质液化的问题。根据断路器的具体结构定制相应的加热装置，通过加热提高SF₆气体的工作温度，避免在低温环境下SF₆气体液化。断路器的气体加热装置一般可以根据环境温度的变化自动启停加热功能。运维人员可以根据实际环境温度设置自动启停温度设定值。与手动断开断路器闭锁回路相比，这种方法降低了运维的人工成本。但加热装置的安装需要较高的人力物力成本，热利用率相对较低。

3 瓷柱式SF₆断路器的加热装置

根据瓷柱式SF₆断路器的结构特点，设计了一种瓷柱式SF₆断路器的加热装置，包括加热模块、温控模块和电源模块三部分。

3.1 加热模块

加热装置的安装位置非常重要，直接影响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、操作机构、支架等。灭弧室下方有两个相互连接的支撑瓷套，其中填充有SF₆气体。支撑瓷套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外表面安装导电加热装置[5]。本文选择传动室作为加热部位。但由于传动室形状不规则，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底部，空间狭小。传统加热装置体积较大，可能会影响断路器传动机构的正常工作。

根据张家口坝上地区的瓷柱式断路器的特点，设计了一种加热模块。加热模块由加热带和电阻丝组成。加热带由绝缘硅橡胶制成，背面粘贴3M耐热胶，前端有引出线，如图1所示。电阻丝包裹在加热带内。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。

图1 显示了加热模块的正面和背面

3.2 温控模块

温控模块由传感器和温控器组成。具体来说，传感器安装在瓷柱式断路器B相的加热带上，其作用是测量瓷柱式断路器传动室的温度并将温度数据传输到温控器，如图2所示。温控器采用JY-260微电脑温控器，用于接收并显示该位置的温度，并根据预设的温度阈值控制加热模块的启停，如图3所示。

图2 温度传感器

图3 温控器

3.3 电源模块

电源模块包括温控电源和强制启动电源，如图4所示。其中，温控电源通过温控器连接到加热模块。根据坝上地区的环境温度，设定温控电源的工作阈值，温控电源在此阈值内正常工作。强制启动电源直接连接到加热模块。当温度低于温控电源的工作阈值时，强制启动电源启动。

图4 温控电源

3.4 加热装置的工作模式

瓷柱式SF₆断路器的加热装置有两种加热模式。
(1) 温控模式：加热装置利用安装在瓷柱式断路器B相加热带上的传感器获取瓷柱式断路器传动室的温度，并将其传输到温控器。温控器接收并显示瓷柱式断路器加热带的温度，然后根据预设的温度阈值控制加热模块。
(2) 强制启动模式：通过绕过温控器，持续对传动室进行加热，加热瓷柱式断路器内部的SF₆气体。这样可以避免瓷柱式断路器的低压报警以及由于SF₆气体液化导致的开断能力下降等问题。

4 结论

针对张家口坝上地区在极寒天气下频繁发生的断路器低压报警甚至闭锁故障，本文设计了一种110kV瓷柱式SF₆断路器的气体加热装置。该装置可以确保断路器的安全稳定运行。此外，它还具有安装成本低、安装时间短的优点，显示出良好的推广价值。

Cầu chì điện áp cao là một trong những thiết bị điều khiển quan trọng nhất trong hệ thống điện. Tình trạng hoạt động của cầu chì điện áp cao trực tiếp ảnh hưởng đến việc vận hành an toàn và ổn định của hệ thống điện. Trong số đó, cầu chì SF₆ cột sứ ngoài trời là một trong những loại cầu chì điện áp cao chính. SF₆ có độ chịu điện cao, khả năng dập hồ quang xuất sắc và khả năng cách điện. Tuy nhiên, trong thực tế, đã phát hiện rằng ở các khu vực lạnh sâu như Bashang, thành phố Zhangjiakou, tỉnh Hà Bắc, nhiệt độ thấp có thể dễ dàng làm khí SF₆ lỏng hóa, dẫn đến giảm áp suất của khí SF₆. Điều này có thể gây ra cảnh báo áp suất thấp cho cầu chì hoặc thậm chí dẫn đến khóa (khóa cầu chì có nghĩa là cầu chì không thể đóng hoặc mở), nghiêm trọng ảnh hưởng đến khả năng ngắt mạch và hiệu suất cách điện của cầu chì. Để giải quyết vấn đề này, bài viết này thiết kế một thiết bị sưởi ấm khí cho cầu chì SF₆ cột sứ 110kV.

1 Cảnh Báo Áp Suất Thấp và Tình Trạng Khóa Của Cầu Chì SF₆ Cột Sứ

Ở khu vực Bashang, thành phố Zhangjiakou, nhiệt độ mùa đông có thể đạt -30 °C. Các trạm biến áp ở khu vực Bashang đã nhiều lần gặp phải cảnh báo áp suất thấp và thậm chí lỗi khóa của cầu chì SF₆ vào mùa đông. Chỉ trong một tháng, cảnh báo áp suất thấp đã xảy ra hơn 30 lần, và lỗi khóa đã xảy ra hơn 10 lần, tạo ra mối đe dọa tiềm tàng lớn đối với việc vận hành an toàn và ổn định của lưới điện. Nghiên cứu cho thấy nguyên nhân chính của các lỗi cảnh báo và khóa của cầu chì SF₆ 110kV cột sứ là do thiếu thiết bị sưởi ấm khí SF₆. Do buồng khí SF₆ được tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài, khi nhiệt độ môi trường giảm xuống mức nhất định, khí SF₆ sẽ lỏng hóa, khiến áp suất trong buồng khí thấp hơn giá trị cảnh báo và khóa được quy định.

2 Vấn Đề Với Các Giải Pháp Truyền Thống

Hiện nay, các phương pháp chính để giải quyết vấn đề cảnh báo áp suất thấp và khóa của cầu chì SF₆ cột sứ bao gồm:
(1) Bơm khí vào cầu chì để tăng trọng lượng phân tử của khí trong bình, từ đó tăng áp suất khí SF₆. Tuy nhiên, phương pháp này không áp dụng được trong thời tiết cực kỳ lạnh. Vì khí SF₆ bổ sung sẽ nhanh chóng lỏng hóa dưới điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao, và vẫn không thể tăng áp suất khí. Áp suất định mức của SF₆ trong cầu chì thường là 0.6 MPa, và áp suất hơi bão hòa của SF₆ là 0.6 MPa ở -20 °C. Khi nhiệt độ môi trường giảm, áp suất hơi bão hòa của SF₆ cũng giảm. Nghĩa là, trong môi trường nhiệt độ cực kỳ thấp, dù đã bơm khí vào cầu chì, do áp suất hơi bão hòa của khí SF₆, khí bơm vào sẽ nhanh chóng lỏng hóa, và mục đích tăng áp suất không thể đạt được. Do đó, khi nhiệt độ môi trường thấp hơn -20 °C, phương pháp này không thể khôi phục áp suất định mức bên trong cầu chì.
(2) Ngắt thủ công mạch khóa của cầu chì để cho phép cầu chì đóng và mở bình thường. Tuy nhiên, phương pháp này khiến cầu chì mất bảo vệ của khóa điện. Một khi áp suất khí bên trong cầu chì không đáp ứng yêu cầu dập hồ quang hoặc thậm chí cách điện, tai nạn nghiêm trọng có thể xảy ra, và chi phí lao động tương đối cao.
(3) Sử dụng phương pháp sưởi ấm khí SF₆ để giải quyết vấn đề lỏng hóa chất dập hồ quang của cầu chì SF₆ trong các vùng lạnh. Dựa trên cấu trúc cụ thể của cầu chì, một thiết bị sưởi ấm tương ứng được tùy chỉnh, và nhiệt độ hoạt động của khí SF₆ được tăng lên thông qua sưởi ấm để tránh lỏng hóa khí SF₆ trong môi trường nhiệt độ thấp. Thiết bị sưởi ấm khí của cầu chì có thể tự động kích hoạt hoặc tắt chức năng sưởi ấm theo sự thay đổi của nhiệt độ môi trường. Nhân viên vận hành và bảo dưỡng có thể đặt giá trị nhiệt độ tự động kích hoạt và tắt theo nhiệt độ môi trường thực tế. So với việc ngắt thủ công mạch khóa của cầu chì, phương pháp này giảm chi phí lao động trong vận hành và bảo dưỡng. Tuy nhiên, việc lắp đặt thiết bị sưởi ấm đòi hỏi chi phí nhân lực và vật liệu cao, và tỷ lệ sử dụng nhiệt tương đối thấp.

3 Thiết Bị Sưởi Ấm Cho Cầu Chì SF₆ Cột Sứ

Dựa trên đặc điểm cấu trúc của cầu chì SF₆ cột sứ, một thiết bị sưởi ấm cho cầu chì SF₆ cột sứ được thiết kế, bao gồm ba phần: mô-đun sưởi ấm, mô-đun kiểm soát nhiệt độ và mô-đun nguồn điện.

3.1 Mô-đun Sưởi Ấm

Địa điểm lắp đặt thiết bị sưởi ấm rất quan trọng, trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả sưởi ấm của khí SF₆. Cầu chì cột sứ bao gồm nhiều đơn vị cơ bản, bao gồm buồng dập hồ quang, bộ phận cột sứ, cơ cấu vận hành, khung đỡ, v.v. Có hai bộ phận cột sứ liên kết phía dưới buồng dập hồ quang, được điền đầy khí SF₆. Chức năng chính của bộ phận cột sứ là đạt được cách điện với đất. Do đó, khi thiết kế cầu chì cột sứ, phải duy trì khoảng cách cách điện nhất định và đảm bảo cường độ cơ học của vật liệu gốm. Điều này có nghĩa là không thể lắp đặt thiết bị sưởi ấm dẫn điện trên bề mặt ngoài của cột sứ [5]. Trong bài viết này, phần sưởi ấm được chọn là buồng truyền. Tuy nhiên, buồng truyền có hình dạng không đều, và các thiết bị sưởi ấm truyền thống không dễ dàng cố định. Hơn nữa, buồng truyền nằm ở đáy của cầu chì cột sứ, và không gian hẹp. Các thiết bị sưởi ấm truyền thống quá lớn, có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của cơ cấu truyền của cầu chì.

Một mô-đun sưởi ấm được thiết kế dựa trên đặc điểm của cầu chì cột sứ ở khu vực Bashang, thành phố Zhangjiakou. Mô-đun sưởi ấm bao gồm băng sưởi và dây điện trở. Băng sưởi được làm bằng cao su silicone cách điện, và keo dán sau là keo dán chịu nhiệt 3M, với đầu ra ở phía trước, như Hình 1. Dây điện trở được bọc bên trong băng sưởi. Băng sưởi làm bằng cao su silicone cách điện và keo dán chịu nhiệt 3M có thể chịu được nhiệt độ cao (điện áp là AC220V), và hình dạng và chiều dài của băng sưởi có thể được lựa chọn linh hoạt theo hình dạng của buồng truyền của cầu chì tại chỗ.

Hình 1 Hiển thị mặt trước và mặt sau của mô-đun sưởi ấm

3.2 Mô-đun Kiểm Soát Nhiệt Độ

Mô-đun kiểm soát nhiệt độ bao gồm cảm biến và bộ điều khiển nhiệt độ. Cụ thể, cảm biến được lắp đặt trên băng sưởi của pha B của cầu chì cột sứ. Chức năng của nó là đo nhiệt độ tại buồng truyền của cầu chì cột sứ và truyền dữ liệu nhiệt độ đến bộ điều khiển nhiệt độ, như Hình 2. Bộ điều khiển nhiệt độ là bộ điều khiển nhiệt độ vi tính JY-260. Nó được sử dụng để nhận và hiển thị nhiệt độ tại vị trí này, và điều khiển mô-đun sưởi ấm theo ngưỡng nhiệt độ được đặt trước, như Hình 3.

Hình 2 Cảm biến nhiệt độ

Hình 3 Bộ điều khiển nhiệt độ

3.3 Mô-đun Nguồn Điện

Mô-đun nguồn điện bao gồm nguồn điện được điều khiển bởi nhiệt độ và nguồn điện khởi động ép buộc, như Hình 4. Trong đó, nguồn điện được điều khiển bởi nhiệt độ được kết nối với mô-đun sưởi ấm thông qua bộ điều khiển nhiệt độ. Theo nhiệt độ môi trường ở khu vực Bashang, ngưỡng hoạt động của nguồn điện được điều khiển bởi nhiệt độ được đặt, và nguồn điện hoạt động bình thường trong ngưỡng này. Nguồn điện khởi động ép buộc được kết nối trực tiếp với mô-đun sưởi ấm. Khi nhiệt độ thấp hơn ngưỡng hoạt động của nguồn điện được điều khiển bởi nhiệt độ, nguồn điện khởi động ép buộc được kích hoạt.

Hình 4 Nguồn điện được điều khiển bởi nhiệt độ

3.4 Các Chế Độ Hoạt Động Của Thiết Bị Sưởi Ấm

Thiết bị sưởi ấm cho cầu chì SF₆ cột sứ có hai chế độ sưởi ấm.
(1) Chế độ điều khiển nhiệt độ: Thiết bị sưởi ấm sử dụng cảm biến được lắp đặt trên băng sưởi của pha B của cầu chì cột sứ để lấy nhiệt độ tại buồng truyền của cầu chì cột sứ và truyền đến bộ điều khiển nhiệt độ. Bộ điều khiển nhiệt độ nhận và hiển thị nhiệt độ của băng sưởi của cầu chì cột sứ, sau đó điều khiển mô-đun sưởi ấm theo ngưỡng nhiệt độ được đặt trước.
(2) Chế độ khởi động ép buộc: Bằng cách bỏ qua bộ điều khiển nhiệt độ, sưởi ấm liên tục buồng truyền và khí SF₆ bên trong cầu chì cột sứ. Như vậy, có thể tránh được các vấn đề như cảnh báo áp suất thấp của cầu chì cột sứ và giảm khả năng ngắt mạch do khí SF₆ lỏng hóa.

4 Kết Luận

Đối với tình trạng cảnh báo áp suất thấp và thậm chí khóa của cầu chì trong thời tiết cực kỳ lạnh ở khu vực Bashang, thành phố Zhangjiakou, bài viết này thiết kế một thiết bị sưởi ấm khí cho cầu chì SF₆ cột sứ 110kV. Thiết bị này có thể đảm bảo việc vận hành an toàn và ổn định của cầu chì. Ngoài ra, nó còn có ưu điểm là chi phí lắp đặt thấp và thời gian lắp đặt ngắn, và thể hiện giá trị推广应用良好。