Дискусия за проблема с газова течност при монтажа на резервоарни прекъсвачи в райони със сериозен студ

Техническо обяснение на пръснателите с шестфлуорид на сулфур (SF₆) и предизвикателствата от газификацията

Пръснателите с SF₆, които използват газ шестфлуорид на сулфур – известен с неговите отлични свойства за гасене на дъга и изолация – като средство за гасене на дъга, са широко приложени в електроенергийните системи. Тези пръснатели са подходящи за често използване и ситуации, изискващи бързо прекъсване. В Китай пръснателите с SF₆ са основно използвани за напрежения от 110 кВ и по-високо. Обачно, поради физическите свойства на газа SF₆, той може да се газифицира при определени температурни и наляганесни условия, което води до намаление на плътността на газа SF₆ в резервоара на пръснателя. Когато плътността спадне до определено ниво, пръснателят активира защитна блокировка. В някои региони на Китай, като Иннер Монголия, Североизточна Китай, Синьцзян и Тибет, където температурата на околната среда може да достигне -30°C или дори по-ниско през зимата, явление на блокировка, причинено от газификацията на SF₆, се случва от време на време.

Кратко описание на газификацията на газа SF₆

Газът SF₆ има изключително висока химическа стабилност. Това е безцветен, безмирисен, безвкусен и негорим газ при нормална температура и налягане, с отлични изолационни и дъгоубийствени свойства.

Критичната температура на газа се отнася до най-високата температура, при която газът може да се газифицира. Когато температурата е по-висока от тази стойност, газът не може да се газифицира, независимо от колко налягане е подложена.

За "постоянни газове" като кислород, азот, водород и хелий, техните критични температури са под -100°C, така че газификациейта не трябва да се взима под внимание при обикновени температури на околната среда. Газът SF₆ е различен; неговата критична температура е 45.6°C. Той може да поддържа постоянна газова форма само когато температурата е над 45.6°C. При обикновени температури, той може да се газифицира, когато външното налягане достигне определена стойност. Следователно, за оборудването, заредено с газ SF₆, проблемът с газификациейта трябва да се вземе под внимание.

Кривата на параметрите на състоянието на газа SF₆ е показана на Фигура 1. При постоянна плътност на газа ρ, с намаление на температурата, налягането на газа съответно намалява. Когато температурата спадне до точката на газификация А, соответствираща на тази плътност на газа, газът започва да се газифицира, и плътността на газа след това намалява.

Фактична ситуация на място

Предавателната станция Ximeng е разположена в Чаке Вула Суму, град Силинхот, лига Силингол, автономен район Иннер Монголия. С височина 914 метра и ширина 44.2°, тя има период на отопление до седем месеца и е класифицирана като строго студен регион в Китай. В движещата част на станцията са инсталирани 20 комплекта пръснатели 3AP3 DT на резервоарен тип, произведени от Hangzhou Siemens, с номинално напрежение от 550 кВ. Тези пръснатели са оборудвани с реле за плътност, които имат функция за температурна компенсация, и техните показания отразяват промяната в плътността на газа, а не промяната в налягането. Основните параметри на пръснателите са показани в Таблица 1.

По време на процеса на инсталация, зареждането с газ е извършено строго в съответствие с параметрите, предоставени от производителя. Номиналното налягане при зареждане с газ е било зададено на 0.8 МПа, сигнализационното налягане на 0.72 МПа, а налягането за блокировка на 0.7 МПа (манометрично налягане при 20°C). Кривата на параметрите на състоянието на газа SF₆ е показана на Фигура 2. Както се вижда от фигурата, когато резервоарът е добре запечатан и няма утечка на газ, газът в резервоара ще се газифицира, когато температурата спадне до -18°C; ще бъде издалечен сигнал за алармиране, когато температурата достигне -21°C; а пръснателят ще бъде блокиран, когато температурата спадне до -22°C. Фактичната ситуация на място е показана на Фигура 3.

Фактичната ситуация на място е съвместима с резултатите, получени от кривата на параметрите на състоянието.

Според фактичната ситуация на доставката на материали и прогреса в инсталацията на оборудването, резервоарните пръснатели завършили инсталацията, вакуумизацията и зареждането с газ в края на ноември. Екипировката за преходни тестове и пускане в експлоатация била концентрирана в първите десет дни на декември. По това време, температурата на околната среда била спаднала под -22°C, и всички инсталирани пръснатели били блокирани, което направило невъзможно нормалното извършване на тестовете на оборудването и затруднило графиката на строителството на цялата станция.

Решения

С оглед на посочените по-горе явления на блокиране на място, се предлагат следните решения:

Намаляване на количеството на зареждане с газ

От характеристичната крива на параметрите на газа SF₆ се вижда, че когато количеството на зареждане с газ в резервоара намалее, температурата на газификацията ще спадне, и съответната температура за блокиране също ще намалее. Например, когато номиналното налягане при зареждане с газ е коригирано до 0.56 МПа, температурата на газификацията е -28°C, а температурата за блокиране е -32°C. В този момент, температурата на газификацията е по-ниска от температурата на околната среда, и няма да се появи явление на блокиране. Но след намаляването на количеството на зареждане с газ, дъгоубийствените и изолационните способности на пръснателя ще намалеят. Такива методи, които засягат крайното състояние на оборудването и влияят на неговата работоспособност, трябва да бъдат подробно изучени и демонстрирани от проектния орган и производителя преди имплементация.

Ако крайното състояние на оборудването не трябва да се променя, тоест, ако количеството на зареждане с газ се намали до определена стойност (например 0.6 МПа) преди преходния тест, и след това се допълни до номиналната стойност след завършване на теста и пускането в експлоатация, този метод изглежда приемлив, но всъщност не е. Първо, след намаляването на количеството на зареждане с газ, изолационните способности на пръснателя се влошават. Без точна демонстрация, има вероятност пръснателят да бъде пробит по време на теста за удържане на напрежение. Второ, дори и ако тестът протече успешно, резултатите му нямат референтна стойност. Преходният тест на оборудването е проверка на качеството на производството на производителя и качеството на инсталацията, и трябва да се извърши след завършване на инсталацията на оборудването. А процесът на зареждане с газ очевидно е етап от процеса на инсталацията на оборудването.

Използване на смесен газ

В момента, в дома и в чужбина, има практики за намаляване на температурата на газификацията, чрез смесване на определен процент от други газове (като CF₄, CO₂ и N₂) в газа SF₆. Обачно, изолационните и дъгоубийствените способности на смесения газ не могат да достигнат равнището на чистия газ SF₆. Под едно и също налягане при зареждане с газ, капацитетът за прекъсване на пръснател, зареден със смесен газ, ще бъде около 20% по-нисък от този на пръснател, зареден с чист газ SF₆. Ако се иска да се постигне същата изолационна способност, налягането при зареждане със смесен газ трябва да бъде по-високо от това при чист газ SF₆.

За пример, за смесения газ SF₆/N₂, може да се използва следната формула за изчисление:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

В формулата, Pm е налягането при зареждане със смесен газ, за да се постигне същата изолационна способност, P_SF6  е налягането при зареждане с чист газ SF₆, а x%  е процентното съдържание на газа SF₆ в смесения газ.От горната формула се вижда, че за смесения газ SF₆/N₂, съдържащ 20% газ SF₆, необходимото налягане при зареждане е около 1.4 пъти по-голямо от това на чист газ SF₆. За пръснателя на място, налягането при зареждане трябва да достигне 1.12 МПа, което поставя нови изисквания за цялата конструкция на пръснателя.

Инсталиране на нагревателни устройства

Основният външен фактор за газификацията на газа SF₆ е, че температурата на околната среда е по-ниска от неговата температура на газификация. Ако се инсталира нагревателно устройство около резервоара, за да се нагрее резервоарът и да се увеличи неговата температура, проблемът с газификацията може да бъде решен.

Резервоарните пръснатели на Hangzhou Siemens използват швейцарския реле за плътност trafag, което има функция за температурна компенсация, и неговите показания отразяват промяната в плътността на газа, а не промяната в налягането. Принципът на указване на това реле за плътност е да мониторира плътността на газа, като сравнява разликата в налягането между газа в резервоара на пръснателя и стандартния газ, носен от реле за плътност. Както е показано на Фигура 7, когато температурата на околната среда се променя в диапазон над температурата на газификация, налягането на газа в двете газови камери се променя едновременно, разликата в налягането е нула, разширяемото съединение не действа, и стрелката на прибора не се движи; когато газът в резервоара се газифицира или има утечка, налягането на стандартния газ относително се увеличава, разширяемото съединение действа, причинявайки стрелката на прибора да се движи.

Когато температурата на околната среда спадне до температурата на газификация, нагревателното устройство се активира, и температурата на резервоара съответно се увеличава. Това създава температурна разлика между газа в резервоара и газа в разширяемото съединение, довеждайки до отклонение в показанията на прибора и предотвратявайки точното отразяване на действителното състояние на газа в резервоара.

Заключение

В тази статия е представен кратък опис на процеса на газификация на газа SF₆. Относно проблема с газификацията на газа SF₆, който се е появило по време на инсталацията на резервоарните пръснатели в движещата част на предавателната станция Ximeng, са предложени и обсъдени три решения: намаляване на количеството на зареждане с газ, замяна със смесен газ и добавяне на нагревателни устройства. Чрез анализ и сравнение, беше установено, че както намаляването на количеството на зареждане с газ, така и замяната със смесен газ, биха влияели на изолационните и дъгоубийствените способности на газа, затова те не са подходящи. Методът за използване на нагревателно устройство, за да се нагрее резервоарът и да се предотврати газификацията на газа, въпреки че ще доведе до определена грешка в показанията на прибора, може да осигури гладкото извършване на теста на оборудването, затова е по-подходящо решение.