Diskussion über das Problem der Gasverflüssigung bei der Installation von Tank-Schaltanlagen in stark kalten Gebieten

Technische Erklärung von Schwefelhexafluorid (SF₆) Schaltgeräten und Gasverflüssigungsproblemen

SF₆-Schaltgeräte, die Schwefelhexafluoridgas – bekannt für seine ausgezeichneten Bogenlösch- und Isolierungseigenschaften – als Bogenlöschmedium verwenden, finden in Stromversorgungssystemen breite Anwendung. Diese Schaltgeräte sind für häufige Operationen und Szenarien mit hohen Unterbrechungsgeschwindigkeiten geeignet. In China werden SF₆-Schaltgeräte im Wesentlichen für Spannungsebenen von 110kV und höher verwendet. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des SF₆-Gases kann es jedoch unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen verflüssigen, was zu einer Verringerung der Dichte des SF₆-Gases im Gehäuse des Schaltgeräts führt. Wenn die Dichte einen bestimmten Wert unterschreitet, löst das Schaltgerät eine Schutzsperrung aus. In einigen Regionen Chinas, wie Innere Mongolei, Nordostchina, Xinjiang und Tibet, wo die Umgebungstemperatur im Winter auf -30°C oder sogar tiefer sinken kann, tritt das Phänomen der Sperrung durch Verflüssigung von SF₆-Gas gelegentlich auf.

Kurze Beschreibung der Verflüssigung von SF₆-Gas

SF₆-Gas hat eine extrem hohe chemische Stabilität. Es ist farblos, geruchlos, geschmacklos und nicht brennbar bei Normaltemperatur und -druck und weist ausgezeichnete Isolier- und Bogenlösch-Eigenschaften auf.

Die kritische Temperatur eines Gases bezieht sich auf die höchste Temperatur, bei der das Gas verflüssigt werden kann. Wenn die Temperatur über diesem Wert liegt, kann das Gas unabhängig vom Druck nicht verflüssigt werden.

Für "permanente Gase" wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Helium liegen die kritischen Temperaturen unter -100°C, sodass bei Umgebungstemperaturen keine Verflüssigung in Betracht gezogen werden muss. SF₆-Gas ist anders; seine kritische Temperatur beträgt 45,6°C. Es kann nur bei Temperaturen über 45,6°C einen konstanten gasförmigen Zustand aufrechterhalten. Bei Umgebungstemperaturen kann es bei einem bestimmten äußeren Druck verflüssigt werden. Daher muss bei Geräten, die mit SF₆-Gas gefüllt sind, das Problem der Gasverflüssigung berücksichtigt werden.

Die Zustandsparameterkurve des SF₆-Gases ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei konstanter Gasdichte ρ nimmt der Gasdruck entsprechend ab, wenn die Temperatur sinkt. Wenn die Temperatur bis zum Verflüssigungspunkt A, der dieser Gasdichte entspricht, fällt, beginnt das Gas, sich zu verflüssigen, und die Gasdichte nimmt dann ab.

Eigentliche Situation vor Ort

Die Ximeng-Umwandlerstation befindet sich in Chaoke Wula Sumu, Xilinhot Stadt, Xilingol Liga, Autonome Region Innere Mongolei. Mit einer Höhe von 914 Metern und einer geografischen Breite von 44,2° hat sie eine Heizperiode von bis zu sieben Monaten und wird als starke Kältezone in China eingestuft. Im AC-Filterfeld der Station sind 20 Einheiten von 3AP3 DT Tank-Schaltgeräten von Hangzhou Siemens installiert, mit einer Nennspannung von 550 kV. Diese Schaltgeräte sind mit Dichterelais ausgestattet, die eine Temperaturkompensation haben, und ihre Anzeigen spiegeln die Änderung der Gasdichte wider, nicht den Druck. Die Hauptparameter der Schaltgeräte sind in Tabelle 1 dargestellt.

Während des Installationsprozesses wurde die Gasfüllung strikt nach den vom Hersteller bereitgestellten Parametern durchgeführt. Der Nennfülldruck wurde auf 0,8 MPa, der Warnungsdruck auf 0,72 MPa und der Sperrdruck auf 0,7 MPa (Druckmessung bei 20°C) festgelegt. Die Zustandsparameterkurve des SF₆-Gases ist in Abbildung 2 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich, verflüssigt sich das Gas im Behälter, wenn die Temperatur auf -18°C fällt; eine Warnung wird ausgelöst, wenn die Temperatur -21°C erreicht; und das Schaltgerät wird gesperrt, wenn die Temperatur auf -22°C fällt. Die eigentliche Situation vor Ort ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die tatsächliche Situation vor Ort stimmt mit den Ergebnissen der Zustandsparameterkurve überein.

Gemäß dem Materialversorgungszustand vor Ort und dem Fortschritt der Geräteinstallation wurden die Tank-Schaltgeräte Ende November installiert, evakuiert und mit Gas gefüllt. Die Übergabeproben und Inbetriebnahmearbeit wurden in den ersten zehn Tagen Dezember konzentriert. Zu diesem Zeitpunkt war die Umgebungstemperatur unter -22°C gefallen, und alle installierten Schaltgeräte waren gesperrt, was die normalen Übergabeproben an den Schaltgeräten unmöglich machte und den Bauzeitplan der gesamten Station beeinträchtigte.

Lösungen

Angesichts der oben genannten Sperrphänomene vor Ort werden die folgenden Lösungen vorgeschlagen:

Reduzierung der Gasfüllmenge

Es ist aus der charakteristischen Kurve der SF₆-Gasparameter ersichtlich, dass, wenn die Gasfüllmenge im Tank abnimmt, die Verflüssigungstemperatur sinkt, und die entsprechende Sperrtemperatur ebenfalls abnimmt. Zum Beispiel, wenn der Nennfülldruck auf 0,56 MPa angepasst wird, beträgt die Verflüssigungstemperatur -28°C und die Sperrtemperatur -32°C. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verflüssigungstemperatur niedriger als die Umgebungstemperatur, und es tritt kein Sperrphänomen auf. Allerdings sinken nach der Reduzierung der Gasfüllmenge sowohl die Bogenlösch- als auch die Isolationseigenschaften des Schaltgeräts. Solche Methoden, die den Endzustand des Geräts ändern und dessen Leistung beeinflussen, müssen vor der Umsetzung gründlich von der Entwicklungs- und Herstellereinheit untersucht und bewiesen werden.

Wenn der Endzustand des Geräts nicht geändert werden soll, das heißt, die Gasfüllmenge auf einen bestimmten Wert (wie 0,6 MPa) vor der Übergabeprobe reduziert und nach Abschluss der Probe und Inbetriebnahme wieder auf den Nennwert erhöht wird. Diese Methode mag auf den ersten Blick machbar erscheinen, ist aber in der Praxis nicht geeignet. Erstens verschlechtert sich die Isolationseigenschaft des Schaltgeräts nach der Reduzierung der Gasfüllmenge. Ohne genaue Demonstration besteht die Möglichkeit, dass das Schaltgerät während des Spannungsprüfens durchstoßen wird. Zweitens, selbst wenn die Prüfung reibungslos verläuft, haben die Prüfergebnisse keinen Referenzwert. Die Übergabeprobe ist eine Prüfung der Produktionsqualität des Herstellers und der Montagequalität des Installateurs und sollte nach vollständiger Fertigstellung der Geräteinstallation durchgeführt werden. Der Gasfüllvorgang ist eindeutig ein Schritt im Geräteinstallationsprozess.

Verwendung von Mischgasen

Derzeit gibt es sowohl in- als auch ausländische Praktiken, um die Verflüssigungstemperatur durch das Mischen eines bestimmten Anteils anderer Gase (wie CF₄, CO₂ und N₂) in SF₆-Gas zu senken. Allerdings können die Isolier- und Bogenlöschleistungen des Mischgases nicht das Niveau reinen SF₆-Gases erreichen. Bei gleichem Fülldruck beträgt die Stromunterbrechungskapazität eines mit Mischgas gefüllten Schaltgeräts etwa 20% weniger als die eines mit reinem SF₆-Gas gefüllten Schaltgeräts. Um die gleiche Isolierleistung zu erzielen, muss der Fülldruck des Mischgases höher sein als der von reinem SF₆-Gas.

Am Beispiel des SF₆/N₂-Mischgases kann die folgende Berechnungsformel verwendet werden:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

In der Formel ist Pm der Fülldruck des Mischgases, um die gleiche Isolierleistung zu erzielen, P_SF6  ist der Fülldruck des reinen SF₆-Gases, und x%  ist der Prozentsatz des SF₆-Gases im Mischgas. Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass für das SF₆/N₂-Mischgas mit 20% SF₆-Gas der erforderliche Fülldruck etwa 1,4-mal so hoch ist wie der des reinen SF₆-Gases. Für das vor Ort installierte Schaltgerät muss der Fülldruck 1,12 MPa betragen, was neue Anforderungen an die gesamte Struktur des Schaltgeräts stellt.

Installation von Heizeinrichtungen

Der Hauptäußere Faktor für die Verflüssigung von SF₆-Gas ist, dass die Umgebungstemperatur niedriger ist als seine Verflüssigungstemperatur. Wenn ein Spurreiseheizer um den Tank herum installiert wird, um den Tank zu heizen und seine Temperatur zu erhöhen, kann das Verflüssigungsproblem gelöst werden.

Die Tank-Schaltgeräte von Hangzhou Siemens verwenden das Schweizer trafag-Dichterelais, das eine Temperaturkompensation hat und dessen Anzeige die Änderung der Gasdichte widerspiegelt, nicht den Druck. Das Anzeigeprinzip dieses Dichterelais besteht darin, die Gasdichte durch Vergleich des Druckunterschieds zwischen dem Gas im Schaltgerätetank und dem Standardgas, das vom Dichterelais getragen wird, zu überwachen. Wie in Abbildung 7 dargestellt, wenn sich die Umgebungstemperatur innerhalb des Bereichs über der Verflüssigungstemperatur ändert, ändern sich die Gase in den beiden Gaskammern gleichzeitig, der Druckunterschied ist null, die Ausdehnungsfuge wirkt nicht, und der Zeiger bewegt sich nicht; wenn das Gas im Tank verflüssigt oder leckt, erhöht sich der Druck des Standardgases relativ, die Ausdehnungsfuge wirkt, und der Zeiger bewegt sich.

Wenn die Umgebungstemperatur auf die Verflüssigungstemperatur fällt, aktiviert der Spurreiseheizer, und die Temperatur des Tanks steigt entsprechend. Dies schafft einen Temperaturunterschied zwischen dem Gas im Tank und dem Gas in der Ausdehnungsfuge, was zu einer Abweichung der Messanzeige führt und verhindert, dass sie den tatsächlichen Zustand des Gases im Tank genau widerspiegelt.

Fazit

Dieser Artikel beschreibt kurz den Verflüssigungsprozess von SF₆-Gas. Bezüglich des Problems der Verflüssigung von SF₆-Gas, das während der Installation der Tank-Schaltgeräte im AC-Filterfeld der Ximeng-Umwandlerstation auftrat, wurden drei Lösungen vorgeschlagen und diskutiert: Reduzierung der Gasfüllmenge, Ersetzung durch Mischgas und Hinzufügen von Heizeinrichtungen. Durch Analyse und Vergleich stellte sich heraus, dass sowohl die Reduzierung der Gasfüllmenge als auch die Ersetzung durch Mischgas die Isolier- und Bogenlöschleistungen des Gases beeinträchtigen, daher sind sie nicht geeignet. Die Methode, den Tank mit einem Spurreiseheizer zu heizen, um die Gasverflüssigung zu verhindern, obwohl sie zu einem gewissen Fehler in der Messanzeige führt, kann sicherstellen, dass die Übergabeprobe reibungslos durchgeführt werden kann, und ist daher eine angemessenere Lösung.