Discussió sobre el problema de la liquefacció del gas durant la instal·lació de disjuntors de tanca en regions de fred extrem
Explicació tècnica dels interruptors de circuit amb hexafluorur de sòl (SF₆) i els reptes de la liquefacció del gas
Els interruptors de circuit amb gas SF₆, que utilitzen l'hexafluorur de sòl com a medi d'extinció d'arc gràcies a les seves excel·lents propietats d'extinció d'arc i aïllament, són ampliament aplicats en sistemes elèctrics. Aquests interruptors són adequats per a operacions freqüents i escenaris que requereixen una interrupció ràpida. A la Xina, els interruptors de circuit amb SF₆ es fan servir bàsicament per a nivells de tensió de 110kV i superiors. No obstant això, degut a les propietats físiques del gas SF₆, aquest pot liquefactar-se en determinades condicions de temperatura i pressió, provocant una disminució de la densitat del gas SF₆ al dipòsit de l'interruptor de circuit. Quan la densitat baixa a un cert nivell, l'interruptor de circuit activa un bloqueig de protecció. En algunes regions de la Xina, com ara Mongòlia Interior, el nord-est de la Xina, Xinjiang i Tibet, on la temperatura ambiental pot arribar a -30°C o encara més baixa durant l'hivern, el fenomen de bloqueig causat per la liquefacció del gas SF₆ es produeix de vegades.
Breu descripció de la liquefacció del gas SF₆
El gas SF₆ té una estabilitat química extrema. És un gas incolor, inodós, insípid i no inflamable a temperatura i pressió normals, amb excel·lents propietats d'aïllament i extinció d'arc.
La temperatura crítica d'un gas és la temperatura màxima a la qual el gas pot liquefactar-se. Quan la temperatura és superior a aquest valor, el gas no es pot liquefactar, independentment de la pressió aplicada.
Per als "gases permanents" com l'oxigen, nitrogen, hidrogen i héli, les seves temperatures crítiques són inferiors a -100°C, per tant, no cal considerar la liquefacció del gas a temperatures ambientals. El gas SF₆ és diferent; la seva temperatura crítica és de 45.6°C. Només pot mantenir un estat gaseós constant quan la temperatura és superior a 45.6°C. A temperatures ambientals, es pot liquefactar quan la pressió externa arriba a un cert valor. Per tant, per a l'equipament plenat amb gas SF₆, cal considerar el problema de la liquefacció del gas.
La corba de paràmetres d'estat del gas SF₆ es mostra a la Figura 1. Sota la condició d'una densitat de gas ρ constant, a mesura que la temperatura disminueix, la pressió del gas també disminueix. Quan la temperatura baixa al punt de liquefacció A corresponent a aquesta densitat de gas, el gas comença a liquefactar-se, i la densitat del gas disminueix.
Situació real a terreny
La subestació conversora de Ximeng es troba a Chaoke Wula Sumu, ciutat de Xilinhot, Lliga de Xilingol, Regió Autònoma de Mongòlia Interior. Amb una alçada de 914 metres i una latitud de 44.2°, té un període de calefacció de fins a set mesos i es classifica com una regió de fred extrem a la Xina. Al jardí de filtres AC de la subestació, s'han instal·lat 20 conjunts d'interruptors de circuit de tipus dipòsit 3AP3 DT fabricats per Hangzhou Siemens, amb una tensió nominal de 550 kV. Aquests interruptors estan equipats amb relés de densitat amb funció de compensació de temperatura, i les seves indicacions reflecteixen el canvi de densitat del gas en lloc del canvi de pressió. Els paràmetres principals dels interruptors es mostren a la Taula 1.
Durant el procés d'instal·lació, la càrrega de gas es va realitzar estrictament segons els paràmetres proporcionats pel fabricant. La pressió de càrrega nominal es va establir a 0.8 MPa, la pressió d'alarma a 0.72 MPa, i la pressió de bloqueig a 0.7 MPa (pressió de guia a 20°C). La corba de paràmetres d'estat del gas SF₆ es mostra a la Figura 2. Com es pot veure a la figura, quan el dipòsit està ben hermètic i no hi ha fuga de gas, el gas dins del dipòsit es liquefactarà quan la temperatura baixi a -18°C; es dispararà una alarma quan la temperatura arribi a -21°C; i l'interruptor de circuit es bloquejarà quan la temperatura baixi a -22°C. La situació real a terreny es mostra a la Figura 3.
La situació real a terreny és coherent amb els resultats obtinguts de la corba de paràmetres d'estat.
Segons la situació de subministrament de materials a terreny i el progrés d'instal·lació de l'equipament, els interruptors de circuit de tipus dipòsit van completar l'instal·lació, l'evacuació a vuit i la càrrega de gas a finals de novembre. Les proves de transferència de l'equipament i les tasques de posada en marxa es van concentrar en els primers deu dies de desembre. En aquest moment, la temperatura ambiental havia baixat a -22°C, i tots els interruptors de circuit instal·lats s'havien bloquejat, fent impossible realitzar les proves de transferència de l'equipament normalment, i això afectava els punts de cronograma de construcció de tota la subestació.
Solucions
En vista dels fenòmens de bloqueig mencionats a terreny, es proposen les següents solucions:
Reduir la quantitat de càrrega de gas
Es pot veure a partir de la corba característica dels paràmetres del gas SF₆ que quan la quantitat de càrrega de gas dins del dipòsit disminueix, la temperatura de liquefacció del gas baixa, i la temperatura de bloqueig corresponent també disminueix. Per exemple, quan la pressió de càrrega nominal es ajusta a 0.56 MPa, la temperatura de liquefacció és de -28°C, i la temperatura de bloqueig és de -32°C. En aquest moment, la temperatura de liquefacció és inferior a la temperatura ambiental, i no hi haurà cap fenomen de bloqueig. No obstant això, després de reduir la quantitat de càrrega de gas, el rendiment d'extinció d'arc i d'aïllament de l'interruptor de circuit disminuirà. Mètodes que impliquin canvis en l'estat final de l'equipament i afectin el seu rendiment necessiten ser estudiar detingudament i demostrar pels unitats de disseny i el fabricant abans de la seva implementació.
Si no es vol canviar l'estat final de l'equipament, és a dir, reduir la quantitat de càrrega de gas a un cert valor (com 0.6 MPa) abans de la prova de transferència i reemplenar la quantitat de càrrega de gas al valor nominal després de completar la prova i la posada en marxa, aquest mètode pot semblar factible, però en realitat, no ho és. Primer, després de reduir la quantitat de càrrega de gas, el rendiment d'aïllament de l'interruptor de circuit es deteriora. Sense una demostració precisa, hi ha la possibilitat que l'interruptor de circuit es perfori durant la prova de resistència a la tensió. Segon, fins i tot si la prova es passa satisfactòriament, els resultats de la prova no tenen valor de referència. La prova de transferència de l'equipament és una inspecció de la qualitat de producció del fabricant i la qualitat d'instal·lació de l'instal·lador, i s'ha de realitzar després que l'instal·lació de l'equipament estigui totalment acabada. I el procés de càrrega de gas és clarament un pas en el procés d'instal·lació de l'equipament.
Utilitzar gas mixt
Actualment, a casa i a l'estranger, hi ha pràctiques de reduir la temperatura de liquefacció mitjançant la mescla d'una certa proporció d'altres gases (com CF₄, CO₂ i N₂) al gas SF₆. No obstant això, el rendiment d'aïllament i extinció d'arc del gas mixt no pot arribar al nivell del gas SF₆ pur. Sota la mateixa pressió de càrrega, la capacitat d'interrupció de corrent d'un interruptor de circuit plenat amb gas mixt serà aproximadament un 20% menor que la d'un interruptor de circuit plenat amb gas SF₆ pur. Si es vol aconseguir el mateix rendiment d'aïllament, la pressió de càrrega del gas mixt ha de ser superior a la del gas SF₆ pur.
Prenent com a exemple el gas mixt SF₆/N₂, es pot utilitzar la següent fórmula de càlcul:
Pm=PSF6(100/x%)0.02
En la fórmula, Pm és la pressió de càrrega del gas mixt per aconseguir el mateix rendiment d'aïllament, PSF6 és la pressió de càrrega del gas SF₆ pur, i x% és el percentatge de contingut de gas SF₆ en el gas mixt. Es pot veure a partir de la fórmula anterior que per al gas mixt SF₆/N₂ que conté un 20% de gas SF₆, la pressió de càrrega requerida és aproximadament 1.4 vegades la del gas SF₆ pur. Per l'interruptor de circuit a terreny, la pressió de càrrega ha de ser de 1.12 MPa, el que implica noves exigències per a la totalitat de l'estructura de l'interruptor de circuit.
Instal·lar dispositius de calor
El principal factor extern per a la liquefacció del gas SF₆ és que la temperatura ambiental és inferior a la seva temperatura de liquefacció. Si es instal·la un calentador de traça al voltant del dipòsit per a calentar-lo i augmentar-ne la temperatura, es pot resoldre el problema de la liquefacció.
Els interruptors de circuit de tipus dipòsit de Hangzhou Siemens utilitzen el relé de densitat suís trafag, que té una funció de compensació de temperatura, i la seva indicació reflecteix el canvi de densitat del gas en lloc del canvi de pressió. El principi d'indicació d'aquest relé de densitat consisteix a monitorar la densitat del gas comparant la diferència de pressió entre el gas al dipòsit de l'interruptor de circuit i el gas estàndard portat pel relé de densitat. Com es mostra a la Figura 7, quan la temperatura ambiental canvia dins del rang superior a la temperatura de liquefacció, les pressions del gas en les dues cambres de gas canvien simultàniament, la diferència de pressió és zero, la junta d'expansió no actua, i l'agulla del comptador no es mou; quan el gas al dipòsit es liquefacta o es fa fugir, la pressió del gas estàndard augmenta relativament, la junta d'expansió actua, fent que l'agulla del comptador es mogui.
Quan la temperatura ambiental baixa a la temperatura de liquefacció, el calentador de traça s'activa, i la temperatura del dipòsit augmenta en conseqüència. Això crea una diferència de temperatura entre el gas dins del dipòsit i el gas dins de la junta d'expansió, resultant en una desviació en l'indicació del comptador i impedint que aquest reflecteixi de manera precisa la condició real del gas dins del dipòsit.
Conclusió
Aquest article descriu breument el procés de liquefacció del gas SF₆. Respecte al problema de liquefacció del gas SF₆ que va ocórrer durant l'instal·lació dels interruptors de circuit de tipus dipòsit al jardí de filtres AC de la subestació conversora de Ximeng, es van proposar i discutir tres solucions: reduir la quantitat de càrrega de gas, substituir per gas mixt i afegir dispositius de calor. A través de l'anàlisi i la comparació, es va trobar que tant la reducció de la quantitat de càrrega de gas com la substitució per gas mixt afectarien el rendiment d'aïllament i extinció d'arc del gas, per tant, no són adequades. El mètode d'utilitzar un calentador de traça per a calentar el dipòsit per evitar la liquefacció del gas, encara que causarà un cert error en l'indicació del comptador, pot assegurar el bon funcionament de la prova de transferència de l'equipament, per tant, és una solució més apropiada.
