Diskussion om problemet med gasforvandling under installation af tankbrydere i meget kolde regioner

Teknisk Forklaring af Sulfhexafluorid (SF₆) Bredbrydere og Udfordringer ved Gasvæskning

SF₆ bredbrydere, som anvender sulfhexafluoridgas – kendt for sine fremragende bøgekvælende og isolerende egenskaber – som bøgekvælende medium, er bredt anvendt i kraftsystemer. Disse brydere er egnet til hyppige operationer og situationer, der kræver hurtig afbrydelse. I Kina bruges SF₆ bredbrydere hovedsageligt for spændingsniveauer på 110kV og over. På grund af de fysiske egenskaber hos SF₆ gas kan den imidlertid væskes under bestemte temperatur- og trykforhold, hvilket medfører, at densiteten af SF₆ gas i bryderbeholderen falder. Når densiteten falder til et bestemt niveau, vil bryderen udløse en beskyttelseslås. I nogle regioner i Kina, som Inner Mongolia, Nordøst-Kina, Xinjiang og Tibet, hvor miljøtemperaturen kan nå -30°C eller endda lavere om vinteren, forekommer det fra tid til anden, at SF₆ gasvæskning udløser lås.

Kort Beskrivelse af SF₆ Gasvæskning

SF₆ gas har ekstremt høj kemisk stabilitet. Det er en farve-, duft- og smagsløs, ikke-brændbar gas ved normal temperatur og tryk, med fremragende isolerende og bøgekvælende egenskaber.

Kritisk temperatur for en gas henviser til den højeste temperatur, hvorved gassen kan væskes. Når temperaturen er højere end dette værdi, kan gassen ikke væskes, uanset hvor meget tryk der anvendes.

For "permanente gasser" som ilt, kvælstof, brint og helium er deres kritiske temperaturer under -100°C, så gasvæskning behøver ikke tages i betragtning ved miljøtemperatur. SF₆ gas er anderledes; dets kritiske temperatur er 45.6°C. Den kan kun opretholde en konstant gasform, når temperaturen er over 45.6°C. Ved miljøtemperatur kan den væskes, når det ydre tryk når en bestemt værdi. Derfor skal problemet med gasvæskning tages i betragtning for udstyr fyldt med SF₆ gas.

Tilstandsparameterkurven for SF₆ gas er vist i figur 1. Under en konstant gasdensitet ρ, falder gassettrykket i takt med, at temperaturen falder. Når temperaturen falder til væskningspunkt A, der svarer til denne gasdensitet, begynder gassen at væskes, og gasdensiteten falder derefter.

Den Faktiske Situation På Stedet

Ximeng Omgangsanlæg ligger i Chaoke Wula Sumu, Xilinhot By, Xilingol League, Inner Mongolia Autonomous Region. Med en højde på 914 meter og en breddegrad på 44.2° har det en opvarmningsperiode på op til syv måneder og klassificeres som et alvorligt koldt område i Kina. I anlægets AC filterområde er 20 sæt 3AP3 DT tanktype brydere produceret af Hangzhou Siemens installeret, med en nominel spænding på 550 kV. Disse brydere er udstyret med densitetsrelæer, der har en temperatur-kompensation funktion, og hvis indikationer reflekterer ændringen i gasdensitet snarere end trykforskel. De hovedsagelige parametre for bryderne vises i tabel 1.

Under installationsprocessen blev gasfyldningen udført i strikt overensstemmelse med de parametre, der blev leveret af producenten. Den nominelle gasfyldningstryk blev sat til 0.8 MPa, alarmtrykket til 0.72 MPa, og låsetrykket til 0.7 MPa (manometertryk ved 20°C). Tilstandsparameterkurven for SF₆ gas er vist i figur 2. Som ses på figuren, vil gassen i tanken væskes, når temperaturen falder til -18°C; en alarm vil blive udløst, når temperaturen når -21°C; og bryderen vil blive låst, når temperaturen falder til -22°C. Den faktiske situation på stedet vises i figur 3.

Den faktiske situation på stedet er overensstemmende med resultaterne, der er opnået fra tilstandsparameterkurven.

 Ifølge den faktiske materiallevering og installationsfremskridt, fuldførte tanktype bryderne installation, vakuum-pumping og gasfyldning i slutningen af november. Overdragelsestestene og kommissioneringsarbejdet blev koncentreret i de første ti dage i december. På dette tidspunkt havde miljøtemperaturen faldet under -22°C, og alle de installerede brydere var låst, hvilket gjorde det umuligt at udføre overdragelsestestene normalt og påvirker dermed konstruktionsprogrammet for hele anlæget.

Løsninger

Med hensyn til de ovennævnte låsfenomener på stedet, foreslås følgende løsninger:

Nedsættelse af Gasfyldningsmængden

Det kan ses fra SF₆ gasparameterekarakteristikkurven, at når mængden af gas i tanken falder, falder også væskningstemperaturen, og den tilsvarende låsetemperature falder tilsvarende. For eksempel, når den nominelle gasfyldningstryk justeres til 0.56 MPa, er væskningstemperaturen -28°C, og låsetemperaturen er -32°C. På dette tidspunkt er væskningstemperaturen lavere end miljøtemperaturen, og der vil ikke være noget låsfenomen. Imidlertid vil efter at have reduceret gasfyldningsmængden, både bryderens bøgekvælende præstation og isolerende præstation falde. Sådanne metoder, der involverer ændringer i udstyrets sluttilstand og påvirker dets præstation, skal grundigt studeres og bevises af designenheden og producenten, før de implementeres.

Hvis sluttilstanden for udstyret ikke skal ændres, det vil sige, at reducere gasfyldningsmængden til en bestemt værdi (som 0.6 MPa) før overdragelsestesten og genopfylde gasfyldningsmængden til den nominelle værdi, efter test og kommissionering er fuldført. Dette synes muligt, men i virkeligheden er det ikke. For det første, efter at have reduceret gasfyldningsmængden, forringes bryderens isolerende præstation. Uden præcis demonstration, er der en risiko for, at bryderen kan blive perforeret under spændingstesten. For det andet, selvom testen gennemføres uden problemer, har testresultater ingen referencerværdi. Overdragelsestesten er en kontrol af producentens produktionskvalitet og installatørens installationskvalitet, og den skal udføres, når udstyrsinstallationen er fuldt ud afsluttet. Og gasfyldningsprocessen er tydeligvis en del af udstyrsinstallationsprocessen.

Brug af Blandet Gas

I øjeblikket er der hjemme og i udlandet praksis, der reducerer væskningstemperaturen ved at blande en bestemt andel af andre gasser (som CF₄, CO₂ og N₂) i SF₆ gas. Imidlertid kan den isolerende og bøgekvælende præstation af blandet gas ikke nå niveauet for ren SF₆ gas. Ved samme gasfyldningstryk vil strømbrydningsevnen for en bryder fyldt med blandet gas være ca. 20% lavere end for en bryder fyldt med ren SF₆ gas. Hvis samme isolerende præstation skal opnås, skal gasfyldningstrykket for blandet gas være højere end for ren SF₆ gas.

Med SF₆/N₂ blandet gas som eksempel, kan følgende beregningsformel bruges:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

I formelen er Pm gasfyldningstrykket for blandet gas for at opnå samme isolerende præstation, P_SF6 er gasfyldningstrykket for ren SF₆ gas, og x% er procentindholdet af SF₆ gas i blandet gas. Det kan ses af ovenstående formel, at for SF₆/N₂ blandet gas, der indeholder 20% SF₆ gas, er det nødvendige gasfyldningstryk ca. 1.4 gange det for ren SF₆ gas. For den på stedet placerede bryder, skal gasfyldningstrykket nå 1.12 MPa, hvilket stiller nye krav til hele bryderens struktur.

Installation af Opvarmningsenheder

Den primære eksterne faktor for SF₆ gasvæskning er, at miljøtemperaturen er lavere end dens væskningstemperature. Hvis en tracing heater installeres omkring tanken for at opvarme tanken og øge dens temperatur, kan væskningsproblemet løses.

Tanktype bryderne fra Hangzhou Siemens bruger et Swiss trafag densitetsrelæ, der har en temperatur-kompensation funktion, og dets indikation reflekterer ændringen i gasdensitet snarere end trykforskel. Indikationsprincippet for dette densitetsrelæ er at overvåge gasdensiteten ved at sammenligne trykforskellen mellem gassen i bryderens tank og standardgas, der føres af densitetsrelæet. Som vist i figur 7, når miljøtemperaturen ændres inden for området over væskningstemperaturen, ændres trykket i de to gasrum samtidigt, trykforskellen er nul, udvidelsesleddet handler ikke, og meterpegeren bevæger sig ikke; når gassen i tanken væskes eller læcker, relativt øges standardgaspresset, udvidelsesleddet handler, hvilket får meterpegeren til at bevæge sig.

Når miljøtemperaturen falder til væskningstemperaturen, aktiveres tracing heater, og temperaturen i tanken stiger tilsvarende. Dette skaber en temperaturforskel mellem gassen i tanken og gassen i udvidelsesleddet, hvilket resulterer i en afvigelse i meters indikation og forhindrer, at den præcist reflekterer den faktiske tilstand af gassen i tanken.

Konklusion

Dette papir beskriver kort væskningsprocessen for SF₆ gas. Angående SF₆ gasvæskningsproblemet, der opstod under installationen af tanktype bryderne i AC filterområdet i Ximeng Omgangsanlæg, blev tre løsninger foreslået og diskuteret: nedsættelse af gasfyldningsmængden, erstattelse med blandet gas, og tilføjelse af opvarmningsenheder. Gennem analyse og sammenligning blev det fundet, at både nedsættelse af gasfyldningsmængden og erstattelse med blandet gas ville påvirke de isolerende og bøgekvælende præstationer af gassen, så de er ikke passende. Metoden med at bruge en tracing heater til at opvarme tanken for at forhindre gasvæskning, selvom den vil forårsage en vis fejl i meters indikation, kan sikre, at overdragelsestesten kan fortsætte uden problemer, så det er en mere passende løsning.