بحث در مورد مشکل تبخیر گاز در حین نصب شیرهای قطع کننده ظرف در مناطق سردسیر

توضیح فنی درباره قطعکن‌های سولفور هگزافلوئورید (SF₆) و چالش‌های تغییر حالت گاز به مایع

قطعکن‌های SF₆ که از گاز سولفور هگزافلوئورید - شناخته شده برای خاصیت‌های بسیار خوب خاموش کردن قوس الکتریکی و عایق بندی - به عنوان ماده خاموش کننده قوس استفاده می‌کنند، در سیستم‌های برق به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قطعکن‌ها برای عملیات مکرر و سناریوهایی که نیاز به قطع سریع دارند مناسب هستند. در چین، قطعکن‌های SF₆ عموماً برای سطوح ولتاژ ۱۱۰kV و بالاتر استفاده می‌شوند. با این حال، به دلیل خصوصیات فیزیکی گاز SF₆، ممکن است تحت شرایط دما و فشار معینی به حالت مایع تبدیل شود، که باعث کاهش چگالی گاز SF₆ در رزروار قطعکن می‌شود. وقتی چگالی به سطح خاصی کاهش یابد، قطعکن قفل محافظ را فعال می‌کند. در برخی مناطق چین مانند منگولیه داخلی، شمال شرقی چین، سین‌کیانگ و تبت، جایی که در زمستان دمای محیط می‌تواند به ۳۰- درجه سانتیگراد یا حتی پایین‌تر برسد، پدیده قفل شدن به دلیل تغییر حالت گاز SF₆ به مایع به طور مداوم رخ می‌دهد.

توضیح مختصر درباره تغییر حالت گاز SF₆ به مایع

گاز SF₆ دارای پایداری شیمیایی بسیار بالا است. این گاز در دما و فشار معمولی بی‌رنگ، بدون بو، بدون طعم و غیرقابل اشتعال است و خاصیت عایق بندی و خاموش کردن قوس الکتریکی بسیار خوبی دارد.

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

برای گازهای "دائم" مانند اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن و هلیوم، دمای بحرانی آن‌ها کمتر از ۱۰۰- درجه سانتیگراد است، بنابراین تغییر حالت گاز به مایع در دمای محیط نیازی به در نظر گرفتن ندارد. گاز SF₆ متفاوت است؛ دمای بحرانی آن ۴۵.۶ درجه سانتیگراد است. تنها زمانی که دما بالاتر از ۴۵.۶ درجه سانتیگراد است، می‌تواند در حالت گاز ثابت بماند. در دمای محیط، زمانی که فشار خارجی به مقدار خاصی برسد، می‌تواند به حالت مایع تبدیل شود. بنابراین، برای تجهیزات پر شده با گاز SF₆، مشکل تغییر حالت گاز به مایع باید در نظر گرفته شود.

منحنی پارامترهای حالت گاز SF₆ در شکل ۱ نشان داده شده است. در شرایط چگالی گاز ثابت ρ، با کاهش دما، فشار گاز نیز به طور متناسب کاهش می‌یابد. وقتی دما به نقطه تغییر حالت A متناظر با این چگالی گاز کاهش یابد، گاز شروع به تغییر حالت به مایع می‌کند و چگالی گاز نیز کاهش می‌یابد.

شرایط فعلی محلی

ایستگاه تبدیل Ximeng در شهر Chaoke Wula Sumu، شهر Xilinhot، لیگ Xilingol، منطقه خودمختار منگولیه داخلی واقع شده است. با ارتفاع ۹۱۴ متر و عرض جغرافیایی ۴۴.۲ درجه، این منطقه دارای دوره گرمایشی تا ۷ ماه و به عنوان یک منطقه سرد شدید در چین طبقه‌بندی شده است. در محوطه فیلتر AC این ایستگاه، ۲۰ دستگاه از قطعکن‌های ۳AP3 DT نوع رزروار ساخت شرکت Hangzhou Siemens با ولتاژ اسمی ۵۵۰ kV نصب شده‌اند. این قطعکن‌ها با رله‌های چگالی دارای تابع جبران دما مجهز شده‌اند و نشان‌دهنده‌های آن‌ها تغییر چگالی گاز را و نه تغییر فشار را انعکاس می‌دهند. پارامترهای اصلی قطعکن‌ها در جدول ۱ نشان داده شده است.

در طی فرآیند نصب، شارژ گاز به طور دقیق طبق پارامترهای ارائه شده توسط سازنده انجام شد. فشار شارژ گاز اسمی ۰.۸ MPa، فشار هشدار ۰.۷۲ MPa و فشار قفل ۰.۷ MPa (فشار نمایشی در ۲۰ درجه سانتیگراد) تنظیم شد. منحنی پارامترهای حالت گاز SF₆ در شکل ۲ نشان داده شده است. از شکل مشخص است که وقتی رزروار خوب بسته شده و فuga leakage ندارد، گاز داخل رزروار وقتی دما به ۱۸- درجه سانتیگراد کاهش یابد به حالت مایع تبدیل می‌شود؛ هشدار زمانی که دما به ۲۱- درجه سانتیگراد برسد فعال می‌شود؛ و قطعکن زمانی که دما به ۲۲- درجه سانتیگراد کاهش یابد قفل می‌شود. وضعیت واقعی محلی در شکل ۳ نشان داده شده است.

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

 بر اساس وضعیت تأمین مواد محلی و پیشرفت نصب تجهیزات، قطعکن‌های نوع رزروار در پایان نوامبر نصب، خلاء کشی و شارژ گاز شدند. آزمایش‌های واگذاری تجهیزات و کارهای راه‌اندازی در ده روز اول دسامبر متمرکز شد. در این زمان، دمای محیط به ۲۲- درجه سانتیگراد کاهش یافته بود و تمام قطعکن‌های نصب شده قفل شده بودند، که انجام آزمایش‌های واگذاری تجهیزات قطعکن به طور عادی ممکن نبود و بنابراین برنامه‌های ساخت ایستگاه را تحت تأثیر قرار داد.

راه‌حل‌ها

با توجه به پدیده‌های قفل شدن ذکر شده در محل، راه‌حل‌های زیر پیشنهاد می‌شوند:

کاهش مقدار شارژ گاز

از منحنی ویژگی پارامترهای گاز SF₆ می‌توان دریافت که وقتی مقدار شارژ گاز در داخل رزروار کاهش یابد، دمای تغییر حالت گاز به مایع نیز کاهش می‌یابد و در نتیجه دمای قفل نیز کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، وقتی فشار شارژ گاز اسمی به ۰.۵۶ MPa تنظیم شود، دمای تغییر حالت ۲۸- درجه سانتیگراد و دمای قفل ۳۲- درجه سانتیگراد است. در این زمان، دمای تغییر حالت پایین‌تر از دمای محیط است و پدیده قفل شدن رخ نمی‌دهد. با این حال، پس از کاهش مقدار شارژ گاز، عملکرد خاموش کردن قوس الکتریکی و عایق بندی قطعکن هر دو کاهش می‌یابند. روش‌هایی که شامل تغییر حالت نهایی تجهیزات و تأثیر بر عملکرد آن‌ها هستند باید قبل از اجرای آن‌ها به طور کامل مورد مطالعه و تائید توسط واحد طراحی و سازنده قرار گیرند.

اگر حالت نهایی تجهیزات تغییر نکند، یعنی مقدار شارژ گاز به مقدار خاصی (مانند ۰.۶ MPa) قبل از آزمایش واگذاری کاهش یابد و پس از آزمایش و راه‌اندازی کامل مجدداً به مقدار اسمی شارژ شود. این روش به نظر ممکن است، اما در واقع اینطور نیست. اولاً، پس از کاهش مقدار شارژ گاز، عملکرد عایق بندی قطعکن کاهش می‌یابد. بدون تائید دقیق، احتمال وجود دارد که قطعکن در طی آزمایش تحمل ولتاژ سوراخ شود. ثانیاً، حتی اگر آزمایش به طور هموار انجام شود، نتایج آن مرجعی برای استفاده نخواهد 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 شارژ گاز به وضوح یک مرحله از فرآیند نصب تجهیزات است.

استفاده از گاز ترکیبی

در حال حاضر، در داخل و خارج کشور، روش‌هایی وجود دارد که با ترکیب مقدار خاصی از گازهای دیگر (مانند CF₄، CO₂ و N₂) با گاز SF₆، دمای تغییر حالت را کاهش می‌دهند. با این حال، عملکرد عایق بندی و خاموش کردن قوس الکتریکی گاز ترکیبی نمی‌تواند به سطح گاز SF₆ خالص برسد. تحت فشار شارژ گاز یکسان، ظرفیت قطع جریان یک قطعکن پر شده با گاز ترکیبی حدود ۲۰٪ کمتر از یک قطعکن پر شده با گاز SF₆ خالص خواهد بود. اگر همان عملکرد عایق بندی مورد نیاز باشد، فشار شارژ گاز ترکیبی باید بیشتر از گاز SF₆ خالص باشد.

به عنوان مثال گاز ترکیبی SF₆/N₂، می‌توان از فرمول محاسباتی زیر استفاده کرد:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

در فرمول، Pm فشار شارژ گاز ترکیبی برای دستیابی به همان عملکرد عایق بندی است، P_SF6  فشار شارژ گاز SF₆ خالص است و x% درصد محتوای گاز SF₆ در گاز ترکیبی است. از فرمول فوق می‌توان دریافت که برای گاز ترکیبی SF₆/N₂ شامل ۲۰٪ گاز SF₆، فشار شارژ گاز نیاز به حدود ۱.۴ برابر گاز SF₆ خالص است. برای قطعکن محلی، فشار شارژ گاز باید به ۱.۱۲ MPa برسد که نیازهای جدیدی برای ساختار کلی قطعکن ایجاد می‌کند.

نصب دستگاه‌های گرمایشی

عامل اصلی خارجی برای تغییر حالت گاز SF₆ به مایع این است که دمای محیط کمتر از دمای تغییر حالت آن است. اگر یک گرمکن ردیاب حول رزروار نصب شود و رزروار را گرم کند و دمای آن را افزایش دهد، مشکل تغییر حالت حل می‌شود.

قطعکن‌های نوع رزروار Hangzhou Siemens از رله چگالی سوئیسی trafag استفاده می‌کنند که تابع جبران دما دارد و نشان‌دهنده آن تغییر چگالی گاز را و نه تغییر فشار نشان می‌دهد. اصل نشان‌دهنده این رله چگالی این است که چگالی گاز را با مقایسه اختلاف فشار بین گاز در رزروار قطعکن و گاز استاندارد حمل شده توسط رله چگالی نظارت می‌کند. همان‌طور که در شکل ۷ نشان داده شده است، وقتی دمای محیط در محدوده بالاتر از دمای تغییر حالت تغییر می‌کند، فشار گاز در دو حیاط گاز به طور همزمان تغییر می‌کند، اختلاف فشار صفر است، مفصل انبساط عمل نمی‌کند و نشانه‌گر حرکت نمی‌کند؛ وقتی گاز در رزروار به حالت مایع تبدیل شود یا لیک کند، فشار گاز استاندارد نسبتاً افزایش می‌یابد، مفصل انبساط عمل می‌کند و باعث حرکت نشانه‌گر می‌شود.

وقتی دمای محیط به دمای تغییر حالت برسد، گرمکن ردیاب فعال می‌شود و دمای رزروار به طور متناسب افزایش می‌یابد. این امر باعث تفاوت دما بین گاز در داخل رزروار و گاز در مفصل انبساط می‌شود که منجر به انحراف در نشان‌دهنده نشانه‌گر می‌شود و از توانایی آن در نشان دادن وضعیت واقعی گاز در داخل رزروار جلوگیری می‌کند.

نتیجه‌گیری

این مقاله به طور مختصر فرآیند تغییر حالت گاز SF₆ را توصیف می‌کند. در مورد مشکل تغییر حالت گاز SF₆ که در طی نصب قطعکن‌های نوع رزروار در محوطه فیلتر AC ایستگاه تبدیل Ximeng رخ داد، سه راه‌حل پیشنهاد و بررسی شد: کاهش مقدار شارژ گاز، جایگزینی با گاز ترکیبی و اضافه کردن دستگاه‌های گرمایشی. از طریق تحلیل و مقایسه مشخص شد که هر دو روش کاهش مقدار شارژ گاز و جایگزینی با گاز ترکیبی عملکرد عایق بندی و خاموش کردن قوس الکتریکی گاز را تحت تأثیر قرار می‌دهند، بنابراین مناسب نیستند. روش استفاده از گرمکن ردیاب برای گرم کردن رزروار و جلوگیری از تغییر حالت گاز، با اینکه خطای خاصی در نشان‌دهنده نشانه‌گر ایجاد می‌کند، می‌تواند اجرای آزمایش واگذاری تجهیزات را به صورت هموار امکان‌پذیر کند، بنابراین راه‌حل مناسب‌تری است.