بحث حول مشكلة تكثيف الغاز أثناء تركيب مفصلي الدائرة في المناطق الباردة شديدة البرودة

سولفور هگزافلوراید (SF₆) سوئیچ‌ها و چالش‌های مایع شدن گاز

سوئیچ‌های SF₆ که از گاز سولفور هگزافلوراید استفاده می‌کنند - که به خاطر خاصیت‌های بسیار خوب خاموش کردن قوس الکتریکی و عایق‌بندی شناخته شده‌اند - به عنوان ماده خاموش کننده قوس در سیستم‌های برق به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سوئیچ‌ها برای عملیات مکرر و سناریوهایی که نیاز به قطع سریع دارند مناسب هستند. در چین، سوئیچ‌های SF₆ عموماً برای سطوح ولتاژ ۱۱۰kV و بالاتر استفاده می‌شوند. با این حال، به خاطر ویژگی‌های فیزیکی گاز SF₆، آن ممکن است تحت شرایط دما و فشار خاص مایع شود که باعث کاهش چگالی گاز SF₆ در ظرف سوئیچ می‌شود. وقتی چگالی به سطح خاصی برسد، سوئیچ حفاظت را فعال می‌کند. در برخی مناطق چین مانند منگولی داخلی، شمال شرقی چین، سین‌کیانگ و تبت، جایی که دمای محیط در زمستان می‌تواند به -30°C یا حتی پایین‌تر برسد، پدیده قفل شدن به خاطر مایع شدن گاز SF₆ از زمان به زمان رخ می‌دهد.

توضیح مختصر درباره مایع شدن گاز SF₆

گاز SF₆ دارای پایداری شیمیایی بسیار بالاست. در دما و فشار معمولی، یک گاز بی‌رنگ، بدون بو، بدون طعم و غیرقابل اشتعال است که دارای خاصیت عایق‌بندی و خاموش کردن قوس بسیار خوب است.

دمای بحرانی یک گاز به بالاترین دمایی اشاره دارد که گاز می‌تواند در آن مایع شود. وقتی دما بالاتر از این مقدار باشد، گاز حتی با اعمال فشار زیاد نمی‌تواند مایع شود.

برای گازهای "پایدار" مانند اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن و هلیم، دمای بحرانی آنها زیر -100°C است، بنابراین نیازی به در نظر گرفتن مایع شدن گاز در دماهای محیطی نیست. گاز SF₆ متفاوت است؛ دمای بحرانی آن 45.6°C است. فقط می‌تواند حالت گازی ثابت خود را در دماهای بالاتر از 45.6°C حفظ کند. در دماهای محیطی، زمانی که فشار خارجی به مقدار خاصی برسد، می‌تواند مایع شود. بنابراین، برای تجهیزات پر شده با گاز SF₆، مشکل مایع شدن گاز باید در نظر گرفته شود.

منحنی پارامترهای حالت گاز SF₆ در شکل 1 نشان داده شده است. در شرایطی که چگالی گاز ρ ثابت است، با کاهش دما، فشار گاز نیز کاهش می‌یابد. وقتی دما به نقطه مایع شدن A مربوط به این چگالی گاز برسد، گاز شروع به مایع شدن می‌کند و چگالی گاز کاهش می‌یابد.

وضعیت واقعی محل

ایستگاه تبدیل کننده شیمونگ در شهر شیلینگول، منطقه خودمختار منگولی داخلی واقع شده است. با ارتفاع 914 متر و عرض جغرافیایی 44.2°، دوره گرمایش آن تا هفت ماه است و به عنوان منطقه سرد شدید چین طبقه‌بندی شده است. در محوطه فیلتر AC این ایستگاه، 20 دستگاه سوئیچ نوع 3AP3 DT ساخت شرکت Hangzhou Siemens نصب شده است که ولتاژ اسمی 550 kV دارند. این سوئیچ‌ها با رله‌های چگالی دارای تابع جبران دما مجهز شده‌اند و نشان‌دهنده‌های آنها تغییرات چگالی گاز را نشان می‌دهند و نه تغییرات فشار. پارامترهای اصلی سوئیچ‌ها در جدول 1 نشان داده شده‌اند.

در طی فرآیند نصب، پر کردن گاز به طور دقیق بر اساس پارامترهای ارائه شده توسط سازنده انجام شد. فشار پر کردن گاز اسمی به 0.8 MPa تنظیم شد، فشار هشدار به 0.72 MPa و فشار قفل شدن به 0.7 MPa (فشار داشبورد در 20°C). منحنی پارامترهای حالت گاز SF₆ در شکل 2 نشان داده شده است. از شکل مشخص است که وقتی ظرف خوب بسته شده و هیچ نشتی گازی وجود ندارد، گاز داخل ظرف زمانی که دما به -18°C برسد مایع می‌شود؛ هشدار زمانی که دما به -21°C برسد فعال می‌شود و سوئیچ زمانی که دما به -22°C برسد قفل می‌شود. وضعیت واقعی محل در شکل 3 نشان داده شده است.

وضعیت واقعی محل با نتایج به دست آمده از منحنی پارامترهای حالت سازگار است.

 بر اساس وضعیت تأمین مواد محلی و پیشرفت نصب تجهیزات، سوئیچ‌های نوع ظرف در پایان نوامبر نصب، خلاء و پر کردن گاز شدند. آزمایش‌های واگذاری تجهیزات و کارهای راه‌اندازی در ده روز اول دسامبر متمرکز شدند. در این زمان، دمای محیطی به زیر -22°C رسیده بود و تمام سوئیچ‌های نصب شده قفل شده بودند که انجام آزمایش‌های واگذاری تجهیزات سوئیچ به طور عادی ممکن نبود و بنابراین برنامه‌های ساخت ایستگاه را تحت تأثیر قرار داد.

راه‌حل‌ها

با توجه به پدیده‌های قفل شدن فوق الذکر در محل، راه‌حل‌های زیر پیشنهاد می‌شوند:

کاهش مقدار پر کردن گاز

از منحنی مشخصات پارامتری گاز SF₆ می‌توان دریافت که وقتی مقدار پر کردن گاز در داخل ظرف کاهش یابد، دمای مایع شدن گاز کاهش می‌یابد و دمای قفل شدن نیز به طور متناسب کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، وقتی فشار پر کردن گاز اسمی به 0.56 MPa تنظیم شود، دمای مایع شدن -28°C و دمای قفل شدن -32°C خواهد بود. در این زمان، دمای مایع شدن کمتر از دمای محیطی است و پدیده قفل شدن رخ نمی‌دهد. با این حال، پس از کاهش مقدار پر کردن گاز، عملکرد خاموش کردن قوس و عایق‌بندی سوئیچ هر دو کاهش می‌یابند. روش‌هایی که شامل تغییرات در حالت نهایی تجهیزات و تأثیر بر عملکرد آنها می‌شوند، باید قبل از اجرایی شدن به طور جامع توسط واحد طراحی و سازنده مطالعه و نشان داده شوند.

اگر حالت نهایی تجهیزات تغییر نکند، یعنی مقدار پر کردن گاز به مقدار خاصی (مانند 0.6 MPa) قبل از آزمایش واگذاری کاهش یابد و پس از اتمام آزمایش و راه‌اندازی، مقدار پر کردن گاز به مقدار اسمی تکمیل شود. این روش ممکن است به نظر ممکن باشد، اما در واقع اینطور نیست. اولاً، پس از کاهش مقدار پر کردن گاز، عملکرد عایق‌بندی سوئیچ بدتر می‌شود. بدون نشان دادن دقیق، احتمالی وجود دارد که سوئیچ در طی آزمایش تحمل ولتاژ سوراخ شود. ثانیاً، حتی اگر آزمایش به طور موفقیت‌آمیز انجام شود، نتایج آزمایش مرجعی نخواهند بود. آزمایش واگذاری تجهیزات یک بررسی از کیفیت تولید سازنده و کیفیت نصب نصب‌کننده است و باید پس از اتمام کامل نصب تجهیزات انجام شود. و فرآیند پر کردن گاز به وضوح یک مرحله از فرآیند نصب تجهیزات است.

استفاده از گاز مخلوط

در حال حاضر، در داخل و خارج کشور، روش‌هایی وجود دارد که با مخلوط کردن مقدار خاصی از گازهای دیگر (مانند CF₄، CO₂ و N₂) با گاز SF₆، دمای مایع شدن را کاهش می‌دهند. با این حال، خصوصیات عایق‌بندی و خاموش کردن قوس گاز مخلوط نمی‌تواند به سطح گاز SF₆ خالص برسد. تحت فشار پر کردن گاز یکسان، ظرفیت قطع جریان یک سوئیچ پر شده با گاز مخلوط حدود 20٪ کمتر از یک سوئیچ پر شده با گاز SF₆ خالص خواهد بود. اگر همان عملکرد عایق‌بندی مورد نظر باشد، فشار پر کردن گاز مخلوط باید بیشتر از گاز SF₆ خالص باشد.

به عنوان مثال، برای گاز مخلوط SF₆/N₂، می‌توان از فرمول محاسبه زیر استفاده کرد:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

در این فرمول، Pm فشار پر کردن گاز مخلوط برای دستیابی به همان عملکرد عایق‌بندی است، P_SF6  فشار پر کردن گاز SF₆ خالص است و x%  درصد محتوای گاز SF₆ در گاز مخلوط است. از این فرمول می‌توان دریافت که برای گاز مخلوط SF₆/N₂ که 20٪ گاز SF₆ دارد، فشار پر کردن گاز مورد نیاز حدود 1.4 برابر گاز SF₆ خالص است. برای سوئیچ محلی، فشار پر کردن گاز باید به 1.12 MPa برسد که نیازهای جدیدی برای ساختار کلی سوئیچ ایجاد می‌کند.

نصب دستگاه‌های گرم‌کننده

عامل اصلی خارجی برای مایع شدن گاز SF₆ این است که دمای محیطی کمتر از دمای مایع شدن آن است. اگر یک گرم‌کننده ردیابی دور ظرف نصب شود تا ظرف را گرم کند و دمای آن را افزایش دهد، مشکل مایع شدن حل خواهد شد.

سوئیچ‌های نوع ظرف Hangzhou Siemens از رله چگالی Trafag سوئیسی استفاده می‌کنند که دارای تابع جبران دما است و نشان‌دهنده‌های آن تغییرات چگالی گاز را نشان می‌دهند و نه تغییرات فشار. اصل نشان‌دهی این رله چگالی این است که با مقایسه اختلاف فشار بین گاز در ظرف سوئیچ و گاز استاندارد حمل شده توسط رله چگالی، چگالی گاز را نظارت می‌کند. همان‌طور که در شکل 7 نشان داده شده است، وقتی دمای محیطی در محدوده بالاتر از دمای مایع شدن تغییر می‌کند، فشار گاز در دو حفره گازی همزمان تغییر می‌کند، اختلاف فشار صفر است، مفصل انعطاف‌پذیر عمل نمی‌کند و اشاره‌گر متر حرکت نمی‌کند؛ وقتی گاز در ظرف مایع شود یا نشتی داشته باشد، فشار گاز استاندارد نسبتاً افزایش می‌یابد، مفصل انعطاف‌پذیر عمل می‌کند و اشاره‌گر متر حرکت می‌کند.

وقتی دمای محیطی به دمای مایع شدن برسد، گرم‌کننده ردیابی فعال می‌شود و دمای ظرف به طور متناسب افزایش می‌یابد. این امر باعث تفاوت دمایی بین گاز داخل ظرف و گاز داخل مفصل انعطاف‌پذیر می‌شود که باعث انحراف در نشان‌دهی متر و مانع از نشان دادن دقیق وضعیت واقعی گاز داخل ظرف می‌شود.

نتیجه‌گیری

این مقاله به طور مختصر فرآیند مایع شدن گاز SF₆ را توصیف می‌کند. در مورد مشکل مایع شدن گاز SF₆ که در طی نصب سوئیچ‌های نوع ظرف در محوطه فیلتر AC ایستگاه تبدیل کننده شیمونگ رخ داد، سه راه‌حل پیشنهاد شد و مورد بررسی قرار گرفت: کاهش مقدار پر کردن گاز، جایگزینی با گاز مخلوط و افزودن دستگاه‌های گرم‌کننده. از طریق تحلیل و مقایسه، مشخص شد که هر دو روش کاهش مقدار پر کردن گاز و جایگزینی با گاز مخلوط عملکرد عایق‌بندی و خاموش کردن قوس گاز را تحت تأثیر قرار می‌دهند، بنابراین مناسب نیستند. روش استفاده از گرم‌کننده ردیابی برای گرم کردن ظرف و جلوگیری از مایع شدن گاز، اگرچه باعث خطا در نشان‌دهی متر می‌شود، می‌تواند پیشرفت آزمایش واگذاری تجهیزات را تضمین کند، بنابراین راه‌حل مناسب‌تری است.