Discussion sur le Problème de Liquefaction du Gaz lors de l'Installation de Disjoncteurs de Bassin dans les Régions à Froid Extrême

Explication technique des disjoncteurs à hexafluorure de soufre (SF₆) et défis liés à la liquéfaction du gaz

Les disjoncteurs SF₆, qui utilisent le gaz hexafluorure de soufre - connu pour ses excellentes propriétés d'extinction d'arc et d'isolation - comme milieu d'extinction d'arc, sont largement utilisés dans les systèmes électriques. Ces disjoncteurs sont adaptés aux opérations fréquentes et aux scénarios nécessitant une interruption rapide. En Chine, les disjoncteurs SF₆ sont principalement utilisés pour des niveaux de tension de 110 kV et au-dessus. Cependant, en raison des propriétés physiques du gaz SF₆, il peut se liquéfier sous certaines conditions de température et de pression, ce qui entraîne une diminution de la densité du gaz SF₆ dans le réservoir du disjoncteur. Lorsque la densité descend à un certain niveau, le disjoncteur déclenche un verrouillage de protection. Dans certaines régions de Chine, telles que la Mongolie-Intérieure, le Nord-Est, le Xinjiang et le Tibet, où la température ambiante peut atteindre -30°C ou même moins en hiver, le phénomène de verrouillage causé par la liquéfaction du gaz SF₆ se produit de temps en temps.

Brève description de la liquéfaction du gaz SF₆

Le gaz SF₆ a une stabilité chimique extrêmement élevée. Il est incolore, inodore, insipide et non inflammable à température et pression normales, avec d'excellentes propriétés isolantes et d'extinction d'arc.

La température critique d'un gaz fait référence à la plus haute température à laquelle le gaz peut être liquéfié. Lorsque la température est supérieure à cette valeur, le gaz ne peut pas être liquéfié, quelle que soit la pression appliquée.

Pour les "gaz permanents" tels que l'oxygène, l'azote, l'hydrogène et l'hélium, leurs températures critiques sont inférieures à -100°C, donc la liquéfaction du gaz n'a pas besoin d'être prise en compte à des températures ambiantes. Le gaz SF₆ est différent ; sa température critique est de 45,6°C. Il ne peut maintenir un état gazeux constant que lorsque la température est supérieure à 45,6°C. À des températures ambiantes, il peut être liquéfié lorsque la pression externe atteint une certaine valeur. Par conséquent, pour les équipements remplis de gaz SF₆, le problème de la liquéfaction du gaz doit être pris en compte.

La courbe des paramètres d'état du gaz SF₆ est présentée à la Figure 1. Sous la condition d'une densité de gaz constante ρ, à mesure que la température diminue, la pression du gaz diminue également. Lorsque la température descend au point de liquéfaction A correspondant à cette densité de gaz, le gaz commence à se liquéfier et la densité du gaz diminue alors.

Situation sur site

La station de conversion de Ximeng est située à Chaoke Wula Sumu, ville de Xilinhot, Ligue de Xilingol, Région autonome de Mongolie-Intérieure. Avec une altitude de 914 mètres et une latitude de 44,2°, elle a une période de chauffage de sept mois et est classée comme région de grand froid en Chine. Dans le parc de filtres alternatifs de la station, 20 ensembles de disjoncteurs 3AP3 DT de type réservoir fabriqués par Siemens Hangzhou sont installés, avec une tension nominale de 550 kV. Ces disjoncteurs sont équipés de relais de densité dotés d'une fonction de compensation de température, et leurs indications reflètent le changement de densité de gaz plutôt que le changement de pression. Les principaux paramètres des disjoncteurs sont présentés dans le Tableau 1.

Lors du processus d'installation, le chargement en gaz a été effectué en stricte conformité avec les paramètres fournis par le fabricant. La pression de chargement nominale en gaz a été fixée à 0,8 MPa, la pression d'alarme à 0,72 MPa et la pression de verrouillage à 0,7 MPa (pression manométrique à 20°C). La courbe des paramètres d'état du gaz SF₆ est présentée à la Figure 2. Comme on peut le voir sur le graphique, lorsque le réservoir est bien scellé et qu'il n'y a pas de fuite de gaz, le gaz à l'intérieur du réservoir se liquéfiera lorsque la température descendra à -18°C ; une alarme sera déclenchée lorsque la température atteindra -21°C ; et le disjoncteur sera verrouillé lorsque la température descendra à -22°C. La situation réelle sur site est présentée à la Figure 3.

La situation réelle sur site est conforme aux résultats obtenus à partir de la courbe des paramètres d'état.

Selon la situation d'approvisionnement en matériel sur site et le calendrier d'installation de l'équipement, les disjoncteurs de type réservoir ont terminé l'installation, le pompage sous vide et le remplissage en gaz à la fin de novembre. Les essais de réception de l'équipement et les travaux de mise en service ont été concentrés durant les dix premiers jours de décembre. À ce moment-là, la température ambiante avait descendu en dessous de -22°C, et tous les disjoncteurs installés étaient verrouillés, rendant impossible la réalisation des essais de réception de l'équipement de disjoncteur et affectant ainsi les jalons du calendrier de construction de toute la station.

Solutions

Face aux phénomènes de verrouillage mentionnés ci-dessus sur site, les solutions suivantes sont proposées :

Réduction de la quantité de gaz

Il ressort de la courbe caractéristique des paramètres du gaz SF₆ que lorsque la quantité de gaz à l'intérieur du réservoir diminue, la température de liquéfaction du gaz baisse, et la température de verrouillage correspondante diminue également. Par exemple, lorsque la pression de remplissage nominale en gaz est ajustée à 0,56 MPa, la température de liquéfaction est de -28°C, et la température de verrouillage est de -32°C. À ce moment-là, la température de liquéfaction est inférieure à la température ambiante, et il n'y aura pas de phénomène de verrouillage. Cependant, après avoir réduit la quantité de gaz, les performances d'extinction d'arc et d'isolation du disjoncteur diminueront toutes deux. De tels moyens impliquant des modifications de l'état final de l'équipement et affectant ses performances doivent être soigneusement étudiés et démontrés par l'unité de conception et le fabricant avant leur mise en œuvre.

Si l'état final de l'équipement n'est pas modifié, c'est-à-dire en réduisant la quantité de gaz à une certaine valeur (comme 0,6 MPa) avant les essais de réception et en rechargeant la quantité de gaz à la valeur nominale après la fin des essais et de la mise en service. Cette méthode peut sembler réalisable, mais en réalité, elle ne l'est pas. Premièrement, après avoir réduit la quantité de gaz, les performances d'isolation du disjoncteur se détériorent. Sans démonstration précise, il y a une possibilité que le disjoncteur soit percé lors des essais de tenue en tension. Deuxièmement, même si l'essai est passé sans encombre, les résultats de l'essai n'ont aucune valeur de référence. Les essais de réception de l'équipement sont une vérification de la qualité de fabrication du fabricant et de la qualité d'installation de l'installateur, et ils devraient être effectués après que l'installation de l'équipement soit complètement terminée. Et le processus de remplissage en gaz est clairement une étape du processus d'installation de l'équipement.

Utilisation de gaz mélangés

Actuellement, en Chine et à l'étranger, il existe des pratiques visant à réduire la température de liquéfaction en mélangeant une certaine proportion d'autres gaz (tels que CF₄, CO₂ et N₂) au gaz SF₆. Cependant, les performances d'isolation et d'extinction d'arc du gaz mélangé ne peuvent pas atteindre le niveau du gaz SF₆ pur. Sous la même pression de remplissage en gaz, la capacité de coupure de courant d'un disjoncteur rempli de gaz mélangé sera d'environ 20 % inférieure à celle d'un disjoncteur rempli de gaz SF₆ pur. Si on veut obtenir la même performance d'isolation, la pression de remplissage en gaz du mélange doit être supérieure à celle du gaz SF₆ pur.

Prenons le mélange SF₆/N₂ comme exemple, la formule de calcul suivante peut être utilisée :

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

Dans la formule, Pm est la pression de remplissage en gaz du mélange pour atteindre la même performance d'isolation, P_SF6 est la pression de remplissage en gaz du gaz SF₆ pur, et x% est le pourcentage de contenu de gaz SF₆ dans le mélange. On peut voir à partir de la formule ci-dessus que pour le mélange SF₆/N₂ contenant 20 % de gaz SF₆, la pression de remplissage en gaz nécessaire est d'environ 1,4 fois celle du gaz SF₆ pur. Pour le disjoncteur sur site, la pression de remplissage en gaz doit atteindre 1,12 MPa, ce qui pose de nouvelles exigences pour l'ensemble de la structure du disjoncteur.

Installation de dispositifs de chauffage

Le principal facteur externe pour la liquéfaction du gaz SF₆ est que la température ambiante est inférieure à sa température de liquéfaction. Si un chauffage par traçage est installé autour du réservoir pour chauffer le réservoir et augmenter sa température, le problème de liquéfaction peut être résolu.

Les disjoncteurs de type réservoir de Siemens Hangzhou utilisent le relais de densité suisse Trafag, qui a une fonction de compensation de température, et son indication reflète le changement de densité de gaz plutôt que le changement de pression. Le principe d'indication de ce relais de densité consiste à surveiller la densité de gaz en comparant la différence de pression entre le gaz dans le réservoir du disjoncteur et le gaz standard porté par le relais de densité. Comme indiqué à la Figure 7, lorsque la température ambiante change dans la plage au-dessus de la température de liquéfaction, les pressions de gaz dans les deux chambres de gaz changent simultanément, la différence de pression est nulle, le joint d'expansion n'agit pas, et l'aiguille du compteur ne bouge pas ; lorsque le gaz dans le réservoir se liquéfie ou fuit, la pression du gaz standard augmente relativement, le joint d'expansion agit, provoquant le mouvement de l'aiguille du compteur.

Lorsque la température ambiante descend à la température de liquéfaction, le chauffage par traçage s'active, et la température du réservoir augmente en conséquence. Cela crée une différence de température entre le gaz à l'intérieur du réservoir et le gaz à l'intérieur du joint d'expansion, entraînant une déviation dans l'indication du compteur et empêchant qu'il ne reflète précisément la condition réelle du gaz à l'intérieur du réservoir.

Conclusion

Ce document décrit brièvement le processus de liquéfaction du gaz SF₆. Concernant le problème de liquéfaction du gaz SF₆ survenu lors de l'installation des disjoncteurs de type réservoir dans le parc de filtres alternatifs de la station de conversion de Ximeng, trois solutions ont été proposées et discutées : la réduction de la quantité de gaz, le remplacement par un gaz mélangé et l'ajout de dispositifs de chauffage. Après analyse et comparaison, il a été constaté que la réduction de la quantité de gaz et le remplacement par un gaz mélangé affecteraient les performances d'isolation et d'extinction d'arc du gaz, ce qui n'est pas approprié. La méthode consistant à utiliser un chauffage par traçage pour chauffer le réservoir afin d'éviter la liquéfaction du gaz, bien qu'elle puisse causer une certaine erreur dans l'indication du compteur, peut assurer le bon déroulement des essais de réception de l'équipement, ce qui en fait une solution plus appropriée.