Discusión sobre o problema da liquefación de gases durante a instalación de interruptores de tanque en rexións de frío extremo

Explicación técnica dos interruptores de corrente de hexafluoruro de sulfuro (SF₆) e desafíos da liquefación do gas

Os interruptores de corrente de SF₆, que utilizan o gas hexafluoruro de sulfuro coñecido polas súas excelentes propiedades de extinción de arco e aislamento como medio de extinción de arco, son ampliamente aplicados nos sistemas de enerxía. Estes interruptores son adecuados para operacións frecuentes e escenarios que requiren interrupción de alta velocidade. En China, os interruptores de corrente de SF₆ están basicamente usados para niveis de tensión de 110kV ou superiores. No entanto, debido ás propiedades físicas do gas SF₆, pode liquefacerse en determinadas condicións de temperatura e presión, provocando unha diminución da densidade do gas SF₆ no tanque do interruptor. Cando a densidade baixa a un determinado nivel, o interruptor activará un bloqueo de protección. En algúns rexións de China, como Inner Mongolia, Nordeste de China, Xinjiang e Tibet, onde a temperatura ambiente pode chegar a -30°C ou incluso máis baixo no inverno, o fenómeno de bloqueo causado pola liquefación do gas SF₆ ocorre de vez en cando.

Breve descrición da liquefación do gas SF₆

O gas SF₆ ten unha estabilidade química extremadamente alta. É un gas incoloro, inodoro, insípido e non inflamable a temperatura e presión normais, con excelentes propiedades de aislamento e extinción de arco.

A temperatura crítica dun gas refírese á máxima temperatura na que o gas pode ser liquefactado. Cando a temperatura é superior a este valor, o gas non pode ser liquefactado, independentemente da presión aplicada.

Para gases "permanentes" como o oxíxeno, nitróxeno, hidróxeno e helio, as súas temperaturas críticas están por debaixo de -100°C, polo que a liquefación do gas non necesita ser considerada a temperaturas ambientais. O gas SF₆ é diferente; a súa temperatura crítica é de 45.6°C. Só pode manter un estado gaseoso constante cando a temperatura está por encima de 45.6°C. A temperaturas ambientais, pode ser liquefactado cando a presión externa alcanza un determinado valor. Polo tanto, para equipos llenos de gas SF₆, debe terse en conta o problema da liquefación do gas.

A curva de parámetros de estado do gas SF₆ amóstrase na Figura 1. Baixando a temperatura, a presión do gas diminúe en consecuencia cando a densidade do gas ρ é constante. Cando a temperatura desce ao punto de liquefación A correspondente a esta densidade de gas, o gas comeza a liquefactarse e a densidade do gas diminúe.

Situación real no terreo

A estación conversora de Ximeng está situada en Chaoke Wula Sumu, cidade de Xilinhot, liga de Xilingol, rexión autónoma de Inner Mongolia. Con unha altitud de 914 metros e unha latitude de 44.2°, ten un período de calefacción de ata sete meses e clasifícase como unha rexión de frío intenso en China. No recinto de filtros AC da estación, están instalados 20 conxuntos de interruptores de tanque tipo 3AP3 DT fabricados por Hangzhou Siemens, con unha tensión nominal de 550 kV. Estes interruptores están equipados con relés de densidade coa función de compensación de temperatura, e as súas indicacións reflejan o cambio na densidade do gas en lugar do cambio de presión. Os parámetros principais dos interruptores amóstranse na Táboa 1.

Durante o proceso de instalación, a carga de gas realizouse en estrita conformidade cos parámetros proporcionados polo fabricante. A presión de carga de gas nominal establecéuse en 0,8 MPa, a presión de alarma en 0,72 MPa e a presión de bloqueo en 0,7 MPa (presión de manómetro a 20°C). A curva de parámetros de estado do gas SF₆ amóstrase na Figura 2. Como se pode ver na figura, cando o tanque está ben sellado e non hai fuga de gas, o gas dentro do tanque liquefactarase cando a temperatura desce a -18°C; activaríase unha alarma cando a temperatura alcanza -21°C; e o interruptor bloquearíase cando a temperatura desce a -22°C. A situación real no terreo amóstrase na Figura 3.

A situación real no terreo coincide cos resultados obtidos a partir da curva de parámetros de estado.

Segundo a situación de abastecemento de material no terreo e o progreso da instalación do equipo, os interruptores de tanque completaron a instalación, a evacuación a vacío e as operacións de carga de gas a finais de novembro. As probas de entrega do equipo e o traballo de puesta en marcha concentráronse nos primeiros dez días de decembro. Nese momento, a temperatura ambiente había caído por debaixo de -22°C, e todos os interruptores instalados foron bloqueados, facendo imposible realizar as probas de entrega do equipo de interruptores normalmente e, así, afectando aos nodos de programación de construción de toda a estación.

Solucións

En vista dos mencionados fenómenos de bloqueo no terreo, propóñense as seguintes solucións:

Reducción da cantidade de carga de gas

Pódese ver a partir da curva característica de parámetros do gas SF₆ que cando a cantidade de carga de gas dentro do tanque disminúe, a temperatura de liquefación do gas baixará, e a temperatura de bloqueo correspondente tamén diminuirá en consecuencia. Por exemplo, cando a presión de carga de gas nominal se axusta a 0,56 MPa, a temperatura de liquefación é de -28°C, e a temperatura de bloqueo é de -32°C. Nese momento, a temperatura de liquefación é inferior á temperatura ambiente, e non ocorrerá o fenómeno de bloqueo. No entanto, despois de reducir a cantidade de carga de gas, o rendemento de extinción de arco e as propiedades de aislamento do interruptor diminuirán. Métodos que implican cambios no estado final do equipo e que afectan o seu rendemento deben ser estudiados e demostrados a fondo polo organismo de deseño e o fabricante antes da súa implementación.

Se o estado final do equipo non se cambia, é dicir, reducindo a cantidade de carga de gas a un determinado valor (como 0,6 MPa) antes da proba de entrega e repondo a cantidade de carga de gas ao valor nominal despois de completar a proba e a puesta en marcha, este método pode parecer factible, pero en realidade non o é. Primeiro, despois de reducir a cantidade de carga de gas, o rendemento de aislamento do interruptor empeora. Sen unha demostración precisa, existe a posibilidade de que o interruptor sexa perforado durante a proba de resistencia a tensión. Segundo, mesmo que a proba transcorra sen problemas, os resultados da proba non teñen valor de referencia. A proba de entrega do equipo é unha inspección da calidade de fabricación do fabricante e a calidade de instalación do instalador, e debe realizarse despois de que a instalación do equipo esté completamente rematada. E o proceso de carga de gas é claramente un paso no proceso de instalación do equipo.

Uso de gas mixto

Actualmente, en todo o mundo, existen prácticas de reducir a temperatura de liquefación mezclando unha certa proporción de outros gases (como CF₄, CO₂ e N₂) no gas SF₆. No entanto, as propiedades de aislamento e extinción de arco do gas mixto non poden alcanzar o nivel do gas SF₆ puro. Baixas a mesma presión de carga de gas, a capacidade de interrupción de corrente dun interruptor de corrente cargado con gas mixto será aproximadamente un 20% menor que a dun interruptor de corrente cargado con gas SF₆ puro. Se se quere lograr o mesmo rendemento de aislamento, a presión de carga de gas do gas mixto debe ser superior á do gas SF₆ puro.

Tomando como exemplo o gas mixto SF₆/N₂, pode usarse a seguinte fórmula de cálculo:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

Na fórmula, Pm é a presión de carga de gas do gas mixto para lograr o mesmo rendemento de aislamento, P_SF6 é a presión de carga de gas do gas SF₆ puro, e x% é o porcentaxe de contido de gas SF₆ no gas mixto. Pódese ver a partir da fórmula anterior que para o gas mixto SF₆/N₂ que contén o 20% de gas SF₆, a presión de carga de gas necesaria é aproximadamente 1,4 veces a do gas SF₆ puro. Para o interruptor no terreo, a presión de carga de gas debe alcanzar 1,12 MPa, lo que implica novas exigencias para a estrutura completa do interruptor.

Instalación de dispositivos de calefacción

O principal factor externo para a liquefación do gas SF₆ é que a temperatura ambiente é inferior á súa temperatura de liquefación. Se se instala un calentador de seguimento ao redor do tanque para calentar o tanque e aumentar a súa temperatura, pódese resolver o problema de liquefación.

Os interruptores de tanque de Hangzhou Siemens utilizan o relé de densidade suizo trafag, que ten unha función de compensación de temperatura e a súa indicación reflete o cambio na densidade do gas en lugar do cambio de presión. O principio de indicación deste relé de densidade é monitorizar a densidade do gas comparando a diferenza de presión entre o gas no tanque do interruptor e o gas estándar levado polo relé de densidade. Como se mostra na Figura 7, cando a temperatura ambiente cambia dentro do rango superior á temperatura de liquefación, as presións do gas nas dúas cámaras de gas cambian simultaneamente, a diferenza de presión é cero, a articulación expansiva non actúa e a agulla do medidor non se move; cando o gas no tanque liquefacta ou fuga, a presión do gas estándar relativamente aumenta, a articulación expansiva actúa, provocando o movemento da agulla do medidor.

Cando a temperatura ambiente desce á temperatura de liquefación, o calentador de seguimento activa, e a temperatura do tanque aumenta en consecuencia. Isto crea unha diferenza de temperatura entre o gas dentro do tanque e o gas dentro da articulación expansiva, resultando nunha desviación na indicación do medidor e impedindo que reflicta de forma precisa a condición real do gas dentro do tanque.

Conclusión

Este artigo describe brevemente o proceso de liquefación do gas SF₆. En relación co problema de liquefación do gas SF₆ que ocorreu durante a instalación dos interruptores de tanque no recinto de filtros AC da estación conversora de Ximeng, propúxeranse e discutíronse tres solucións: a redución da cantidade de carga de gas, a substitución por gas mixto e a adición de dispositivos de calefacción. A través do análise e comparación, atopouse que tanto a redución da cantidade de carga de gas como a substitución por gas mixto afectarían as propiedades de aislamento e extinción de arco do gas, polo que non son adecuadas. O método de usar un calentador de seguimento para calentar o tanque e prevenir a liquefación do gas, aínda que causará un certo erro na indicación do medidor, pode asegurar o avance sinxelo das probas de entrega do equipo, polo que é unha solución máis axeitada.