Razmatranje problema likvefakcije plina tijekom instalacije rezervornih prekidača u područjima s teškim klimatskim uvjetima

Tehničko objašnjenje prekidača s šestifluoridom siroviha (SF₆) i izazovi vezani uz tekućenje plina

Prekidači s SF₆ plinom, koji koriste šestifluorid siroviha poznat po svojim odličnim svojstvima za ugašanje lukova i izolaciju, kao medij za ugašanje luka, široko se primjenjuju u električnim sustavima. Ovi prekidači su prikladni za česte operacije i situacije koje zahtijevaju brzo prekidanje. U Kini, prekidači s SF₆ plinom uglavnom se koriste za naponske razine od 110 kV i više. Međutim, zbog fizičkih svojstava SF₆ plina, može doći do njegovog tekućenja pod određenim temperaturnim i tlakotnim uvjetima, što dovodi do smanjenja gustoće SF₆ plina u rezervoaru prekidača. Kada gustoća pada na određenu razinu, prekidač će aktivirati zaštitni zaključavanje. U nekim regijama Kine, poput Vnutra Mongolije, Sjeveroistočne Kine, Xinjianga i Tibeta, gdje zimska okružna temperatura može doseći -30°C ili niže, fenomen zaključavanja izazvan tekućenjem SF₆ plina se događa povremeno.

Kratko objašnjenje tekućenja SF₆ plina

SF₆ plin ima izuzetno visoku kemijsku stabilnost. To je bezbojni, besmrdan, bezukusan i nespaljivi plin pri normalnoj temperaturi i tlaku, s odličnim izolacijskim i svojstvima za ugašanje lukova.

Kritična temperatura plina odnosi se na najvišu temperaturu pri kojoj se plin može tekuciti. Kada je temperatura veća od ove vrijednosti, plin se ne može tekuciti bez obzira na koliko veliki tlak se primijeni.

Za "stalne plinove" poput kisika, azota, vodika i helija, njihove kritične temperature su ispod -100°C, pa se problem tekućenja plina ne mora uzeti u obzir pri okružnim temperaturama. SF₆ plin je drugačiji; njegova kritična temperatura je 45.6°C. Može održavati konstantnu plinsku stanju samo kada je temperatura iznad 45.6°C. Pri okružnim temperaturama, može se tekuciti kada vanjski tlak doseže određenu vrijednost. Stoga, za opremu ispunjenu SF₆ plinom, potrebno je uzeti u obzir problem tekućenja plina.

Krivulja stanja parametara SF₆ plina prikazana je na slici 1. Pod uvjetom konstantne gustoće plina ρ, kako temperatura opada, tlak plina također opada. Kada temperatura padne do točke tekućenja A koja odgovara toj gustoći plina, plin počinje tekućiti, a gustoća plina onda opada.

Stvarna situacija na terenu

Prijelazna postaja Ximeng smještena je u Chaoke Wula Sumu, gradu Xilinhot, ligi Xilingol, autonomne regije Vnutra Mongolija. S nadmorskom visinom od 914 metara i geografskom širinom od 44.2°, ima ogrjevni period do sedam mjeseci i klasificirana je kao ekstremno hladna regija u Kini. U AC filtrirnoj dvorištu postaje instalirano je 20 sklopova 3AP3 DT tank tipa prekidača proizvedenih od strane Hangzhou Siemens, s nominalnim naponom od 550 kV. Ovi prekidači opremljeni su reljefima gustoće s funkcijom kompenzacije temperature, a njihove pokazateljnice odražavaju promjene gustoće plina, a ne promjene tlaka. Glavni parametri prekidača prikazani su u tablici 1.

Tijekom procesa instalacije, punjenje plinom provodilo se strogo prema parametrima pruženim od strane proizvođača. Nominalni tlak punjenja plinom postavljen je na 0,8 MPa, alarmni tlak na 0,72 MPa, a tlak za zaključavanje na 0,7 MPa (gajevski tlak pri 20°C). Krivulja stanja parametara SF₆ plina prikazana je na slici 2. Kao što se može vidjeti na slici, kada je rezervoar dobro zatvoren i nema curenja plina, plin unutar rezervoara počinje tekuciti kada temperatura pada do -18°C; alarm se aktivira kada temperatura doseže -21°C; a prekidač se zaključava kada temperatura pada do -22°C. Stvarna situacija na terenu prikazana je na slici 3.

Stvarna situacija na terenu u skladu je s rezultatima dobivenim iz krivulje stanja parametara.

 Prema situaciji sa snabdevanjem materijala na terenu i napretku instalacije opreme, tank tipa prekidači završili su instalaciju, vakuumiranje i punjenje plinom kasom studenog. Prijemne ispite opreme i radove povezane s predajom opreme koncentrirali su se u prvih deset dana prosinca. U tom trenutku, okružna temperatura pala je ispod -22°C, a svi instalirani prekidači bili su zaključani, što je onemogućilo normalno provedbu prijemnih ispitivanja opreme prekidača i time utjecalo na planirane termine građevinskih radova cijele postaje.

Rješenja

Uzimajući u obzir gore navedene pojave zaključavanja na terenu, predlažu se sljedeća rješenja:

Smanjenje količine punjenja plinom

Iz krivulje karakteristika parametara SF₆ plina može se vidjeti da kada količina punjenja plinom unutar rezervoara smanji, temperatura tekućenja plina će pasti, a odgovarajuća temperatura zaključavanja također će pasti. Na primjer, kada je nominalni tlak punjenja plinom prilagođen na 0,56 MPa, temperatura tekućenja je -28°C, a temperatura zaključavanja -32°C. U tom trenutku, temperatura tekućenja je niža od okružne temperature, a neće doći do pojave zaključavanja. Međutim, nakon smanjenja količine punjenja plinom, svojstva za ugašanje luka i izolacijska svojstva prekidača oba će pasti. Takve metode koje uključuju promjene konačnog stanja opreme i utječu na njena svojstva trebaju biti temeljito proučene i demonstrirane od strane projektne jedinice i proizvođača prije implementacije.

Ako konačno stanje opreme ne treba mijenjati, to jest, smanjiti količinu punjenja plinom na određenu vrijednost (poput 0,6 MPa) prije prijemnog testa i dopuniti količinu punjenja plinom na nominalnu vrijednost nakon završetka testiranja i povezivanja. Ova metoda može izgledati moguća, ali zapravo nije. Prvo, nakon smanjenja količine punjenja plinom, izolacijska sposobnost prekidača pogoršava se. Bez točne demonstracije, postoji mogućnost da bi prekidač bio proboden tijekom testa otpornosti na napon. Drugo, čak i ako bi test uspješno prošao, rezultati testa nemaju referentnu vrijednost. Prijemni ispit opreme predstavlja provjeru kvalitete proizvodnje proizvođača i kvalitete instalacije instalatera, i trebao bi se provesti nakon potpune završetke instalacije opreme. Proces punjenja plinom jasno je korak u procesu instalacije opreme.

Korištenje mešovitog plina

Trenutno, doma i u inozemstvu, postoje prakse smanjenja temperature tekućenja miješanjem određenog udjela drugih plinova (poput CF₄, CO₂ i N₂) u SF₆ plin. Međutim, izolacijska i svojstva za ugašanje lukova mešovitog plina ne mogu dostići razinu čistog SF₆ plina. Pod istim tlakom punjenja plinom, kapacitet prekidača ispuni mešovitim plinom bit će oko 20% niži nego kod prekidača ispuni čistim SF₆ plinom. Ako se želi postići ista izolacijska sposobnost, tlak punjenja mešovitog plina mora biti veći od tlaka punjenja čistog SF₆ plina.

Na primjer, za SF₆/N₂ mešoviti plin, može se koristiti sljedeća formula:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

U formuli, Pm je tlak punjenja mešovitog plina za postizanje iste izolacijske sposobnosti, P_SF6 je tlak punjenja čistog SF₆ plina, a x% jeste postotak sadržaja SF₆ plina u mešovitom plinu. Iz gornje formule može se vidjeti da za SF₆/N₂ mešoviti plin s 20% SF₆ plina, potreban tlak punjenja plinom treba biti otprilike 1,4 puta veći od tlaka punjenja čistog SF₆ plina. Za prekidač na terenu, tlak punjenja plinom treba dosegnuti 1,12 MPa, što stavlja nove zahtjeve na cijelu strukturu prekidača.

Instalacija uređaja za zagrijavanje

Glavni vanjski faktor za tekućenje SF₆ plina jest da je okružna temperatura niža od temperature tekućenja. Ako se instalira grejanje oko rezervoara kako bi se zagrijao rezervoar i povećala njegova temperatura, problem tekućenja može se riješiti.

Tank tipa prekidači od Hangzhou Siemens koriste švicarski trafag reljef gustoće, koji ima funkciju kompenzacije temperature, a njegova pokazateljica odražava promjene gustoće plina, a ne promjene tlaka. Princip pokazateljice ovog reljefa gustoće jest nadzor gustoće plina usporedbom razlike tlaka između plina u rezervoaru prekidača i standardnog plina nosio reljefa gustoće. Kao što je prikazano na slici 7, kada se okružna temperatura mijenja u rasponu iznad temperature tekućenja, tlak plina u dva gasna prostora mijenja se istovremeno, razlika u tlaku je nula, spajanje za ekspanziju ne djeluje, a kazaljka mjerača se ne pomiče; kada se plin u rezervoaru tekuciti ili curenje dogodi, tlak standardnog plina relativno poraste, spajanje za ekspanziju djeluje, što dovodi do pomaka kazaljke mjerača.

Kada okružna temperatura pada na temperaturu tekućenja, aktivira se grejanje, a temperatura rezervoara se povećava. To stvara temperaturnu razliku između plina unutar rezervoara i plina unutar spajanja za ekspanziju, što dovodi do odstupanja u pokazateljici mjerača i sprečava točno odražavanje stvarnog stanja plina unutar rezervoara.

Zaključak

Ovaj rad kratko opisuje proces tekućenja SF₆ plina. S obzirom na problem tekućenja SF₆ plina koji se dogodio tijekom instalacije tank tipa prekidača u AC filtrirnoj dvorištu Prijelazne postaje Ximeng, predložene su i raspravljane tri rješenja: smanjenje količine punjenja plinom, zamjena mešovitim plinom i dodavanje uređaja za zagrijavanje. Analizom i usporedbom otkriveno je da bi smanjenje količine punjenja plinom i zamjena mešovitim plinom utjecale na izolacijska i svojstva za ugašanje luka, pa nisu prikladna. Metoda korištenja uređaja za zagrijavanje kako bi se sprečilo tekućenje plina, iako će uzrokovati određenu grešku u pokazateljici mjerača, može osigurati glatko provedbu prijemnih ispitivanja opreme, pa je to prikladnije rješenje.