Diskuse o problému likvidace plynu během instalace nádržových vypínačů v oblastech s těžkými klimatickými podmínkami

Technické vysvětlení obvodových vypínačů s šestifluoridem síry (SF₆) a problémů s likvidací plynu

Obvodové vypínače s šestifluoridem síry, které používají plyn šestifluorid síry – známý svými vynikajícími vlastnostmi k uhasení elektrického oblouku a izolace – jako prostředek pro uhasení oblouku, jsou široce používány v elektrických systémech. Tyto vypínače jsou vhodné pro časté operace a scénáře vyžadující rychlé přerušení. V Číně jsou obvodové vypínače s SF₆ zásadně používány pro napěťové úrovně 110kV a vyšší. V důsledku fyzikálních vlastností plynu SF₆ se může pod určitými teplotními a tlakovými podmínkami likvidovat, což způsobí snížení hustoty plynu SF₆ v nádrži vypínače. Když hustota klesne na určitou hranici, vypínač aktivuje ochranné uzamčení. V některých regionech Číny, jako je Vnitřní Mongolsko, severovýchodní Čína, Sin-ťiang a Tibet, kde mohou zimní teploty dosahovat -30°C nebo i nižší, dochází čas od času k uzamčení v důsledku likvidace plynu SF₆.

Stručné vysvětlení likvidace plynu SF₆

Plyn SF₆ má extrémně vysokou chemickou stabilitu. Při běžné teplotě a tlaku je bezbarvý, bezzápachový, chutný a není ho možné zapálit, s vynikajícími izolačními a obloukovými vlastnostmi.

Kritická teplota plynu se týká nejvyšší teploty, při které se plyn může likvidovat. Pokud je teplota vyšší než tato hodnota, nelze plyn likvidovat, jakkoli by se zvýšil tlak.

Pro „trvalé plyny“ jako je kyslík, dusík, vodík a helium jsou jejich kritické teploty pod -100°C, takže likvidace plynu nemusí být brána v úvahu při okolních teplotách. Plyn SF₆ je jiný; jeho kritická teplota je 45.6°C. Může udržovat konstantní plynný stav pouze při teplotách nad 45.6°C. Při okolních teplotách se může likvidovat, když vnější tlak dosáhne určité hodnoty. Proto pro zařízení plněná plynem SF₆ je třeba zohlednit problém s likvidací plynu.

Stavová parametrická křivka plynu SF₆ je znázorněna na obrázku 1. Při konstantní hustotě plynu ρ se s poklesem teploty snižuje i tlak plynu. Když teplota klesne na teplotu likvidace A odpovídající této hustotě plynu, plyn začne likvidovat a hustota plynu pak klesne.

Skutečná situace na místě

Převodová stanice Ximeng se nachází v Chaoke Wula Sumu, městě Xilinhot, kraji Xilingol, autonomní oblasti Vnitřní Mongolsko. S nadmořskou výškou 914 metrů a zeměpisnou šířkou 44.2° má topnou sezónu až sedm měsíců a je klasifikována jako extrémně chladný region v Číně. V AC filtru stanice jsou nainstalovány 20 sad 3AP3 DT nádržových vypínačů vyráběných společností Hangzhou Siemens s nominálním napětím 550 kV. Tyto vypínače jsou vybaveny relémi hustoty s funkci kompenzace teploty, jejich ukazatele odrážejí změnu hustoty plynu, nikoli změnu tlaku. Hlavní parametry vypínačů jsou uvedeny v tabulce 1.

Během instalace bylo plnění plynem provedeno v souladu s parametry poskytnutými výrobce. Nominální tlak plnění plynem byl nastaven na 0.8 MPa, tlak varování na 0.72 MPa a tlak uzamčení na 0.7 MPa (tlak manometru při 20°C). Stavová parametrická křivka plynu SF₆ je znázorněna na obrázku 2. Jak lze vidět na obrázku, když je nádrž dobře utěsněna a nedochází k úniku plynu, plyn uvnitř nádrže se likviduje, když teplota klesne na -18°C; varování je vyvoláno, když teplota dosáhne -21°C; a vypínač je uzamčen, když teplota klesne na -22°C. Skutečná situace na místě je znázorněna na obrázku 3.

Skutečná situace na místě souhlasí s výsledky získanými ze stavové parametrické křivky.

 Na základě skutečné dodávky materiálů na místě a průběhu instalace zařízení byla instalace, vytěsnění a plnění plynem nádržových vypínačů dokončena na konci listopadu. Odevzdání zařízení a přípravné práce byly koncentrovány v prvních deseti dnech prosince. V té době klesla okolní teplota pod -22°C a všechny nainstalované vypínače byly uzamčeny, což způsobilo, že odevzdání zařízení vypínačů nemohlo být provedeno normálně a to ovlivnilo termíny stavebního plánu celé stanice.

Řešení

S ohledem na výše uvedené jevy uzamčení na místě jsou navržena následující řešení:

Snížení množství plnění plynem

Je vidět ze stavové charakteristické křivky plynu SF₆, že když množství plnění plynem uvnitř nádrže klesne, teplota likvidace plynu klesne a odpovídající teplota uzamčení také klesne. Například, když je nominální tlak plnění plynem upraven na 0.56 MPa, teplota likvidace je -28°C a teplota uzamčení -32°C. V této době je teplota likvidace nižší než okolní teplota a nedochází k jevu uzamčení. Po snížení množství plnění plynem však dojde ke snížení vlastností uhasení oblouku a izolačních vlastností vypínače. Takové metody, které zahrnují změny konečného stavu zařízení a ovlivňují jeho výkon, musí být důkladně studovány a prokázány projekční jednotkou a výrobcem před jejich implementací.

Pokud se konečný stav zařízení nemění, tj. snížení množství plnění plynem na určitou hodnotu (např. 0.6 MPa) před odevzdáním testu a doplnění množství plnění plynem na nominální hodnotu po dokončení testu a přípravy, tento postup může vypadat jako praktický, ale ve skutečnosti není. Za prvé, po snížení množství plnění plynem se izolační vlastnosti vypínače zhorší. Bez přesného prokázání existuje možnost, že vypínač může být proboden během zkoušky odolnosti proti napětí. Za druhé, i když je zkouška úspěšně provedena, výsledky zkoušky nemají žádnou referenční hodnotu. Odevzdání zařízení je kontrolou kvality výroby výrobce a kvality instalace instalátora a mělo by být provedeno po dokončení instalace zařízení. Proces plnění plynem je zjevně krokem v procesu instalace zařízení.

Použití směsi plynů

Aktuálně doma i v zahraničí existují praxe snížení teploty likvidace směšováním určitého podílu jiných plynů (jako CF₄, CO₂ a N₂) do plynu SF₆. Nicméně, izolační a obloukové vlastnosti směsi plynů nemohou dosáhnout úrovně čistého plynu SF₆. Při stejném tlaku plnění plynem bude kapacita přerušení proudu vypínače plněného směsí plynů přibližně 20% nižší než u vypínače plněného čistým plynem SF₆. Pokud se má dosáhnout stejné izolační vlastnosti, musí být tlak plnění směsi plynů vyšší než u čistého plynu SF₆.

Například pro směs SF₆/N₂ lze použít následující výpočetní vzorec:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

Ve vzorci Pm je tlak plnění směsi plynů potřebný k dosažení stejné izolační vlastnosti, P_SF6 je tlak plnění čistého plynu SF₆ a x% je procentní obsah plynu SF₆ ve směsi plynů. Z výše uvedeného vzorce lze vidět, že pro směs SF₆/N₂ obsahující 20 % plynu SF₆ je potřebný tlak plnění přibližně 1,4 krát vyšší než u čistého plynu SF₆. Pro vypínač na místě je potřeba, aby tlak plnění dosáhl 1,12 MPa, což klade nové požadavky na celkovou strukturu vypínače.

Instalace ohřívacích zařízení

Hlavní externí faktor likvidace plynu SF₆ je, že okolní teplota je nižší než jeho teplota likvidace. Pokud je kolem nádrže nainstalován sledovací ohřívač pro ohřev nádrže a zvýšení její teploty, může být problém s likvidací vyřešen.

Nádržové vypínače společnosti Hangzhou Siemens používají švýcarské relé hustoty Trafag, které má funkci kompenzace teploty a jeho indikace odráží změnu hustoty plynu, nikoli změnu tlaku. Princip indikace tohoto relé hustoty spočívá v monitorování hustoty plynu porovnáním rozdílu tlaku mezi plynem v nádrži vypínače a standardním plynem neseným relé hustoty. Jak je znázorněno na obrázku 7, když se okolní teplota mění v rozmezí nad teplotou likvidace, tlak plynu v obou plynových komorách se mění současně, rozdíl tlaku je nulový, expanzní ložisko nečinní a ukazatel nehybe. Když se plyn v nádrži likviduje nebo uniká, tlak standardního plynu relativně naroste, expanzní ložisko působí, což způsobí pohyb ukazatele.

Když klesne okolní teplota na teplotu likvidace, aktivuje se sledovací ohřívač a teplota nádrže se zvýší. To vytvoří teplotní rozdíl mezi plynem uvnitř nádrže a plynem uvnitř expanzního ložiska, což způsobí odchylku v indikaci ukazatele a zabrání tomu, aby přesně odrážela skutečný stav plynu uvnitř nádrže.

Závěr

Tento článek stručně popisuje proces likvidace plynu SF₆. Vzhledem k problému s likvidací plynu SF₆, který se objevil během instalace nádržových vypínačů v AC filtru stanice Ximeng, byla navržena a diskutována tři řešení: snížení množství plnění plynem, nahrazení směsí plynů a přidání ohřívacích zařízení. Analýzou a srovnáním bylo zjištěno, že jak snížení množství plnění plynem, tak nahrazení směsí plynů by ovlivnilo izolační a obloukové vlastnosti plynu, takže nejsou vhodná. Metoda použití sledovacího ohřívače k ohřevu nádrže a prevenci likvidace plynu, ačkoli způsobí určitou chybu v indikaci ukazatele, může zajistit hladký průběh odevzdání zařízení, takže je to vhodnější řešení.