Keskustelu kaasun liuottumisongelmasta säiliölaitteiden asennuksessa äärimmäisen kylmässä ilmastossa

SF₆-purkkien tekninen selitys ja kaasun nesteytymisongelmat

SF₆-purkit, jotka käyttävät heksafluoridia-kaasua – tunnettu erinomaisista kaasupiikkilohdustuksen ja eristysominaisuuksista – kaasupiikkilohdustusaineena, ovat laajalti käytössä sähköjärjestelmissä. Nämä purkit sopivat useisiin toimintoihin ja tilanteisiin, joissa tarvitaan nopeaa keskeyttelyä. Kiinassa SF₆-purkkeja käytetään pääasiassa 110 kV:n ja ylän jänniteasteille. Kuitenkin SF₆-kaasun fyysisen ominaisuuden vuoksi se voi nesteytyä tietyissä lämpötila- ja paineolosuhteissa, mikä vähentää SF₆-kaasun tiheyttä purkkiin. Kun tiheys laskee tietyn rajan alapuolelle, purki aktivoi suojauslukituksen. Joissakin Kiinan osissa, kuten Inner Mongoliassa, Pohjois-Kiinassa, Xinjiangissa ja Tiibetissä, missä lämpötila voi lasketa -30°C tai jopa alhaisempaan talvena, SF₆-kaasun nesteytymisen aiheuttama lukitus ilmenee ajoittain.

SF₆-kaasun nesteytyminen lyhyesti

SF₆-kaasu on erittäin kemiallisesti vakaa. Se on väritön, tuoksuton, maustomaton ja sytytmätön kaasu normaalilla lämpötilalla ja paineella, jolla erinomaiset eristys- ja piikkilohdustusominaisuudet.

Kaasun kriittinen lämpötila tarkoittaa korkeinta lämpötilaa, jossa kaasua voidaan nesteyttää. Kun lämpötila on tämän arvon yläpuolella, kaasua ei voida nesteyttää mitä tahansa painetta lisäämällä.

"Kevyitä kaasuja", kuten happi, typi, vety ja helium, kriittiset lämpötilat ovat alle -100°C, joten niiden nesteytystä ei tarvitse ottaa huomioon ympäristölämpötiloissa. SF₆-kaasu on erilainen; sen kriittinen lämpötila on 45.6°C. Se voi säilyttää vakavan kaasumuodon vain, kun lämpötila on yli 45.6°C. Ympäristölämpötiloissa se voi nesteytyä, kun ulkopaine saavuttaa tietyn arvon. Siksi SF₆-kaasulla täytettyjen laitteiden on otettava huomioon kaasun nesteytyminen.

SF₆-kaasun tilaparametrien käyrä on esitetty kuvassa 1. Vakioituneella kaasutiheydellä ρ, kun lämpötila laskee, kaasun paine laskee myös. Kun lämpötila laskee tähän kaasutiheyteen liittyvään nesteytyspisteeseen A, kaasu alkaa nesteytyä, ja kaasun tiheys laskee.

Paikan päällä oleva todellinen tilanne

Ximeng-muunninosasto sijaitsee Chaoke Wula Sumussa, Xilinhotin kaupungissa, Xilingolin liigassa, Inner Mongolian autonomisessa alueessa. Korkeudella 914 metriä ja leveyspiirillä 44.2°, sillä on lämmitysjakso jopa seitsemän kuukautta ja se luokitellaan Kiinassa äärimmäisen kylmäksi alueeksi. Osastossa on asennettu 20 Hangzhou Siemensin valmistamaa 3AP3 DT -purkkia, joiden nominatiivinen jännite on 550 kV. Nämä purkit on varustettu tiheyden mittareilla, joilla on lämpötilakompensaatioominaisuus, ja niiden osoitukset heijastavat kaasutiheyden muutosta, ei painemuutosta. Purkkien pääparametrit on esitetty taulukossa 1.

Asennusprosessissa kaasun täyttö tehtiin tiukasti valmistajan antamien parametrien mukaan. Nominatiivinen kaasun täyttötuki oli asetettu 0.8 MPa:ksi, hälytystuki 0.72 MPa:ksi ja lukitusväli 0.7 MPa:ksi (manometrinen tuki 20°C:ssä). SF₆-kaasun tilaparametrien käyrä on esitetty kuvassa 2. Kuvasta nähdään, että kun purkki on hyvin suljettu eikä kaasua virtaa, purkin sisällä oleva kaasu nesteytyy, kun lämpötila laskee -18°C:een; hälytys aktivoidaan, kun lämpötila saavuttaa -21°C; ja purki lukittuu, kun lämpötila laskee -22°C:een. Paikan päällä oleva todellinen tilanne on esitetty kuvassa 3.

Paikan päällä oleva todellinen tilanne on yhtenevä tilaparametrien käyrästä saatujen tulosten kanssa.

 Valmistuksen materiaalituotannon ja laitteen asennuksen edistymin perusteella, purkkipurkit suorittivat asennuksen, tyhjiöpumpauksen ja kaasuntäytteen viimeistä lokakuuta. Laitteiden siirtymätestit ja komissionointityöt keskittyivät ensimmäiseen kymmenen päivään joulukuussa. Tällöin ympäristölämpötila oli laskenut alle -22°C, ja kaikki asennetut purkit olivat lukittu, mikä esti purkkilaitteiden siirtymätestien suorittamisen normaalisti ja vaikutti koko osaston rakennustyön aikatauluun.

Ratkaisut

Edellä mainittujen lukituksen ilmiöiden vuoksi paikan päällä ehdotetaan seuraavia ratkaisuja:

Kaasuntäytteen määrän vähentäminen

SF₆-kaasun parametrikäyrästä nähdään, että kun purkin sisällä oleva kaasumäärä vähenee, kaasun nesteytyslämpötila laskee, ja vastaava lukituslämpötila laskee myös. Esimerkiksi, kun nominatiivinen kaasuntäyttötuki on säädetty 0.56 MPa:ksi, nesteytystemperatuuri on -28°C, ja lukituslämpötila on -32°C. Tällöin nesteytystemperatuuri on alhaisempi kuin ympäristölämpötila, eikä lukitusilmiötä tapahdu. Kuitenkin, kun kaasuntäytettä vähennetään, purkin piikkilohdustuskyky ja eristyskyky heikkenevät. Tällaiset menetelmät, jotka vaikuttavat laitteen lopputilaan ja sen suorituskykyyn, pitäisi tutkia ja osoittaa huolellisesti ennen toteuttamista valmistaja- ja suunnitteluyksikön toimesta.

Jos laitteen lopputilaa ei haluta muuttaa, eli kaasuntäytettä vähennetään tietyksi arvoksi (esimerkiksi 0.6 MPa) ennen siirtymätestiä ja täydennetään kaasuntäyte nominatiiviseen arvoon testien ja komissionoinnin jälkeen. Tämä menetelmä saattaa näyttää mahdolliselta, mutta se ei ole itse asiassa. Ensinnäkin, kun kaasuntäytettä vähennetään, purkin eristyskyky heikkenee. Ilman tarkkaa osoitusta on mahdollista, että purki voisi tuhoutua kestovolttimittauksessa. Toiseksi, vaikka testi sujuisi silti, testitulokset eivät ole vertailuarvoisia. Laitevalmistuksen siirtymätesti on valmistajan tuotannon ja asentajan asennuksen laadun tarkastus, ja se tulisi suorittaa, kun laitteen asennus on kokonaan valmis. Ja kaasuntäyttöprosessi on selvästi osa laitteen asennusprosessia.

Seosteen käyttö

Nykyisin kotimaassa ja ulkomailla on käytäntöä vähentää nesteytystemperaturia sekoittamalla tietty määrä muita kaasuja (kuten CF₄, CO₂ ja N₂) SF₆-kaasuun. Kuitenkaan seosteella ei saavuteta samanlaista eristys- ja piikkilohdustuskykyä kuin puhtaalla SF₆-kaasulla. Samalla kaasuntäytetyspainetta kytkimen seosteella täytetyn kaasun sähkövirta-keskeyttämisvoima on noin 20% alhaisempi kuin puhtaalla SF₆-kaasulla täytetyn kaasun. Jos sama eristyskyky halutaan saavuttaa, seosteen täytetyn kaasun paineen on oltava korkeampi kuin puhtaalla SF₆-kaasulla.

Otetaan esimerkiksi SF₆/N₂-seoste, jota voidaan käyttää seuraavalla laskukaavalla:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

Kaavassa Pm on seosteen täytetyn kaasun paine, joka saavuttaa saman eristyskyvyn, P_SF6  on puhtaan SF₆-kaasun täytetyn kaasun paine, ja x% on SF₆-kaasun prosenttiosuus seosteessa. Edellä mainitusta kaavasta nähdään, että 20% SF₆-kaasua sisältävälle SF₆/N₂-seosteelle tarvittava täytetyn kaasun paine on noin 1.4 kertaa suurempi kuin puhtaan SF₆-kaasun paine. Paikan päällä olevalle purkille täytetyn kaasun paineen on oltava 1.12 MPa, mikä asettaa uusia vaatimuksia koko purkin rakenteelle.

Lämmityslaiteiden asentaminen

SF₆-kaasun nesteytyminen riippuu pääasiassa ympäristölämpötilasta, joka on alhaisempi kuin sen nesteytystemperatuuri. Jos purkin ympärille asennetaan lämmityslaite, joka lämmittää purkkia ja nostaa sen lämpötilaa, nesteytyisongelma voidaan ratkaista.

Hangzhou Siemensin purkkipurkit käyttävät Sveitsin trafag-tiheyden mittaria, jolla on lämpötilakompensaatioominaisuus, ja sen osoitus heijastaa kaasutiheyden muutosta, ei painemuutosta. Tämän tiheyden mittarin osoitusperiaate on verrata purkin sisällä olevan kaasun paineen ja tiheyden mittarilla kuljetetun standardikaasun paineen välisiä eroja. Kuvassa 7 nähdään, että kun ympäristölämpötila vaihtelee nesteytystemperatuuden yläpuolella, kahden kaasukammion paineet muuttuvat yhtä aikaa, paineeriko on nolla, levitysjänteessä ei ole toimintaa, ja mittarin osoitin ei liiku; kun purkin sisällä oleva kaasu nesteytyy tai virtaa, standardikaasun paine kasvaa suhteessa, levitysjänteen toiminta aiheuttaa mittarin osoittimen liikkumisen.

Kun ympäristölämpötila laskee nesteytystemperatuuteen, lämmityslaite aktivoituu, ja purkin lämpötila nousee. Tämä luo lämpöeran purkin sisällä olevan kaasun ja levitysjänteen sisällä olevan kaasun välillä, mikä aiheuttaa mittarin osoituksen epätarkkuuden ja estää sen heijastamasta purkin sisällä olevan kaasun todellista tilaa.

Johtopäätös

Tässä artikkelissa on lyhyesti kuvattu SF₆-kaasun nesteytyminen. Ximeng-muunninosaston AC-suodatusalueen purkkipurkkien asennuksen aikana ilmenneeseen SF₆-kaasun nesteytymisongelmaan on ehdotettu ja käsitelty kolme ratkaisua: kaasuntäytteen määrän vähentäminen, seosteen käyttö ja lämmityslaiteiden asentaminen. Analyysin ja vertailun perusteella havaittiin, että sekä kaasuntäytteen määrän vähentäminen että seosteen käyttö vaikuttavat kaasun eristys- ja piikkilohdustuskykyyn, joten ne eivät ole soveliaita. Lämmityslaiteiden avulla purkkiin lämmityksen avulla voidaan estää kaasun nesteytyminen, vaikka se aiheuttaa tietyn virheen mittarin osoituksessa, joten se on parempi ratkaisu laitteen siirtymätestin sujuvan etenemisen varmistamiseksi.