Discusión sobre el Problema de Liquefacción de Gases durante la Instalación de Interruptores de Celda en Regiones de Frío Extremo
Explicación Técnica de los Interruptores de Circuito de Hexafluoruro de Azufre (SF₆) y los Desafíos de Liquefacción del Gas
Los interruptores de circuito SF₆, que utilizan el gas hexafluoruro de azufre, conocido por sus excelentes propiedades de extinción de arco y aislamiento, como medio de extinción de arco, se aplican ampliamente en sistemas de potencia. Estos interruptores son adecuados para operaciones frecuentes y escenarios que requieren interrupción de alta velocidad. En China, los interruptores de circuito SF₆ se utilizan básicamente para niveles de voltaje de 110kV y superiores. Sin embargo, debido a las propiedades físicas del gas SF₆, puede liquefacerse bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, lo que provoca una disminución de la densidad del gas SF₆ en el tanque del interruptor de circuito. Cuando la densidad disminuye a cierto nivel, el interruptor de circuito activará un bloqueo de protección. En algunas regiones de China, como Mongolia Interior, el Noreste, Xinjiang y Tíbet, donde la temperatura ambiente puede alcanzar -30°C o incluso más baja en invierno, el fenómeno de bloqueo causado por la liquefacción del gas SF₆ ocurre de vez en cuando.
Breve Descripción de la Liquefacción del Gas SF₆
El gas SF₆ tiene una estabilidad química extremadamente alta. Es un gas incoloro, inodoro, insípido e inflamable a temperatura y presión normales, con excelentes propiedades aislantes y de extinción de arco.
La temperatura crítica de un gas se refiere a la temperatura máxima a la cual el gas puede ser liquefacto. Cuando la temperatura es superior a este valor, el gas no puede ser liquefacto, sin importar cuánta presión se aplique.
Para los "gases permanentes" como el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y helio, sus temperaturas críticas están por debajo de -100°C, por lo que la liquefacción del gas no necesita considerarse a temperaturas ambientales. El gas SF₆ es diferente; su temperatura crítica es de 45.6°C. Solo puede mantener un estado gaseoso constante cuando la temperatura es superior a 45.6°C. A temperaturas ambientales, puede ser liquefacto cuando la presión externa alcanza un cierto valor. Por lo tanto, para equipos llenos de gas SF₆, es necesario considerar el problema de la liquefacción del gas.
La curva de parámetros de estado del gas SF₆ se muestra en la Figura 1. Bajo la condición de una densidad de gas constante ρ, a medida que la temperatura disminuye, la presión del gas disminuye en consecuencia. Cuando la temperatura desciende al punto de liquefacción A correspondiente a esta densidad de gas, el gas comienza a liquefactarse, y la densidad del gas disminuye entonces.
Situación Real en Sitio
La Estación Convertidora de Ximeng está ubicada en Chaoke Wula Sumu, Ciudad de Xilinhot, Liga de Xilingol, Región Autónoma de Mongolia Interior. Con una altitud de 914 metros y una latitud de 44.2°, tiene un período de calefacción de hasta siete meses y se clasifica como una región de frío severo en China. En el patio de filtros AC de la estación, se instalan 20 conjuntos de interruptores de circuito de tipo tanque 3AP3 DT fabricados por Hangzhou Siemens, con un voltaje nominal de 550 kV. Estos interruptores están equipados con relés de densidad que tienen una función de compensación de temperatura, y sus indicaciones reflejan el cambio en la densidad del gas en lugar del cambio de presión. Los parámetros principales de los interruptores de circuito se muestran en la Tabla 1.
Durante el proceso de instalación, la carga de gas se realizó estrictamente de acuerdo con los parámetros proporcionados por el fabricante. La presión de carga de gas nominal se estableció en 0.8 MPa, la presión de alarma en 0.72 MPa y la presión de bloqueo en 0.7 MPa (presión de manómetro a 20°C). La curva de parámetros de estado del gas SF₆ se muestra en la Figura 2. Como se puede ver en la figura, cuando el tanque está bien sellado y no hay fugas de gas, el gas dentro del tanque se liquefactará cuando la temperatura descienda a -18°C; se activará una alarma cuando la temperatura alcance -21°C; y el interruptor de circuito se bloqueará cuando la temperatura descienda a -22°C. La situación real en el sitio se muestra en la Figura 3.
La situación real en el sitio es consistente con los resultados obtenidos de la curva de parámetros de estado.
Según la situación de suministro de materiales en el sitio y el progreso de la instalación del equipo, los interruptores de circuito de tipo tanque completaron la instalación, la evacuación de vacío y la carga de gas a finales de noviembre. Las pruebas de entrega del equipo y el trabajo de puesta en marcha se concentraron en los primeros diez días de diciembre. En ese momento, la temperatura ambiente había descendido por debajo de -22°C, y todos los interruptores de circuito instalados se bloquearon, lo que hizo imposible realizar las pruebas de entrega del equipo de interruptores de circuito normalmente, afectando así los nodos de programación de construcción de toda la estación.
Soluciones
Teniendo en cuenta los mencionados fenómenos de bloqueo en el sitio, se proponen las siguientes soluciones:
Reducción de la Cantidad de Carga de Gas
Se puede observar en la curva de características de parámetros del gas SF₆ que cuando la cantidad de carga de gas dentro del tanque disminuye, la temperatura de liquefacción del gas disminuirá, y la temperatura de bloqueo correspondiente también disminuirá en consecuencia. Por ejemplo, cuando la presión de carga de gas nominal se ajusta a 0.56 MPa, la temperatura de liquefacción es de -28°C, y la temperatura de bloqueo es de -32°C. En este caso, la temperatura de liquefacción es inferior a la temperatura ambiente, y no habrá fenómeno de bloqueo. Sin embargo, después de reducir la cantidad de carga de gas, el rendimiento de extinción de arco y el rendimiento aislante del interruptor de circuito disminuirán. Tales métodos que implican cambios en el estado final del equipo y afectan su rendimiento necesitan ser estudiados y demostrados a fondo por la unidad de diseño y el fabricante antes de su implementación.
Si el estado final del equipo no se va a cambiar, es decir, reducir la cantidad de carga de gas a un cierto valor (como 0.6 MPa) antes de la prueba de entrega y rellenar la cantidad de carga de gas hasta el valor nominal después de la prueba y la puesta en marcha. Este método puede parecer factible, pero en realidad, no lo es. Primero, después de reducir la cantidad de carga de gas, el rendimiento aislante del interruptor de circuito empeora. Sin una demostración precisa, existe la posibilidad de que el interruptor de circuito se perforara durante la prueba de resistencia al voltaje. Segundo, incluso si la prueba se realiza sin problemas, los resultados de la prueba no tienen valor de referencia. La prueba de entrega del equipo es una inspección de la calidad de producción del fabricante y la calidad de instalación del instalador, y debe realizarse después de que la instalación del equipo esté completamente terminada. Y el proceso de carga de gas es claramente un paso en el proceso de instalación del equipo.
Uso de Gas Mixto
Actualmente, en el país y en el extranjero, existen prácticas de reducir la temperatura de liquefacción mezclando una cierta proporción de otros gases (como CF₄, CO₂ y N₂) con el gas SF₆. Sin embargo, los rendimientos aislante y de extinción de arco del gas mixto no pueden alcanzar el nivel del gas SF₆ puro. Bajo la misma presión de carga de gas, la capacidad de interrupción de corriente de un interruptor de circuito lleno de gas mixto será aproximadamente 20% menor que la de un interruptor de circuito lleno de gas SF₆ puro. Si se desea lograr el mismo rendimiento aislante, la presión de carga de gas del gas mixto debe ser mayor que la del gas SF₆ puro.
Tomando como ejemplo el gas mixto SF₆/N₂, se puede usar la siguiente fórmula de cálculo:
Pm=PSF6(100/x%)0.02
En la fórmula, Pm es la presión de carga de gas del gas mixto para lograr el mismo rendimiento aislante, PSF6 es la presión de carga de gas del gas SF₆ puro, y x% es el porcentaje de contenido de gas SF₆ en el gas mixto. Se puede observar en la fórmula anterior que para el gas mixto SF₆/N₂ que contiene 20% de gas SF₆, la presión de carga de gas requerida es aproximadamente 1.4 veces la del gas SF₆ puro. Para el interruptor de circuito en el sitio, la presión de carga de gas necesita alcanzar 1.12 MPa, lo que plantea nuevos requisitos para toda la estructura del interruptor de circuito.
Instalación de Dispositivos de Calefacción
El principal factor externo para la liquefacción del gas SF₆ es que la temperatura ambiente es inferior a su temperatura de liquefacción. Si se instala un calentador de trazado alrededor del tanque para calentar el tanque y aumentar su temperatura, se puede resolver el problema de la liquefacción.
Los interruptores de circuito de tipo tanque de Hangzhou Siemens utilizan el relé de densidad trafag suizo, que tiene una función de compensación de temperatura y su indicación refleja el cambio en la densidad del gas en lugar del cambio de presión. El principio de indicación de este relé de densidad es monitorear la densidad del gas comparando la diferencia de presión entre el gas en el tanque del interruptor de circuito y el gas estándar llevado por el relé de densidad. Como se muestra en la Figura 7, cuando la temperatura ambiente cambia dentro del rango superior a la temperatura de liquefacción, las presiones de gas en las dos cámaras de gas cambian simultáneamente, la diferencia de presión es cero, la junta expansiva no actúa y el puntero del medidor no se mueve; cuando el gas en el tanque se liquefactor o se filtra, la presión del gas estándar aumenta relativamente, la junta expansiva actúa, causando que el puntero del medidor se mueva.
Cuando la temperatura ambiente desciende a la temperatura de liquefacción, el calentador de trazado se activa y la temperatura del tanque aumenta en consecuencia. Esto crea una diferencia de temperatura entre el gas dentro del tanque y el gas dentro de la junta expansiva, resultando en una desviación en la indicación del medidor y evitando que refleje con precisión la condición real del gas dentro del tanque.
Conclusión
Este artículo describe brevemente el proceso de liquefacción del gas SF₆. Con respecto al problema de la liquefacción del gas SF₆ que ocurrió durante la instalación de los interruptores de circuito de tipo tanque en el patio de filtros AC de la Estación Convertidora de Ximeng, se propusieron y discutieron tres soluciones: reducir la cantidad de carga de gas, reemplazar con gas mixto y agregar dispositivos de calefacción. A través del análisis y la comparación, se encontró que tanto la reducción de la cantidad de carga de gas como el reemplazo con gas mixto afectarían los rendimientos aislante y de extinción de arco del gas, por lo que no son adecuadas. El método de utilizar un calentador de trazado para calentar el tanque y prevenir la liquefacción del gas, aunque causará cierto error en la indicación del medidor, puede garantizar el progreso sin problemas de la prueba de entrega del equipo, por lo que es una solución más apropiada.
