A hómérsékletű régiókban telepített tárccserépekben fellépő gáz folyékonyításának problémájának megvitatása

Szénhexafluorid (SF₆) áramköri körzetek és a gáz folyadékké válása jelentkező kihívásai technikai magyarázata

A szénhexafluoridgázzal működő áramköri körzetek, amelyek ismertek nagyszerű ívkitörlési és izoláló tulajdonságok miatt, széles körben használatban vannak az energiarendszerekben. Ezek a körzetek alkalmasak gyakori műveletekre és olyan helyzetekre, amelyekben gyors megszakítás szükséges. Kínában a szénhexafluorid alapú áramköri körzetek alapján 110kV-os és annál magasabb feszültségű rendszerekhez használják. Azonban a szénhexafluoridgáz fizikai tulajdonságai miatt bizonyos hőmérsékleti és nyomás feltételek mellett folyadékké válhat, ami csökkenti a körzet tartályában lévő SF₆ gáz sűrűségét. Amikor a sűrűség bizonyos szinten éri el, a körzet védelmi zárolást aktivál. Kínában, például a belső Mongóliában, a keleti régióban, Xinjiangban és Tibetben, ahol a téli hőmérséklet -30°C vagy még alacsonyabbra eshet, a szénhexafluoridgáz folyadékké válása miatt időnként fordul elő a zárolás.

Szénhexafluoridgáz folyadékké válásának rövid leírása

A szénhexafluoridgáz rendkívül nagy kémiai stabilitással bír. Normál hőmérsékleten és nyomásban ez egy színtelen, illat- és íztelen, nem lángtartó gáz, amely kiváló izoláló és ívkitörlési tulajdonságokkal rendelkezik.

Egy gáz kritikus hőmérséklete a legmagasabb hőmérséklet, amelynél a gáz folyadékké válhat. Ha a hőmérséklet ennél magasabb, akkor bármilyen nyomás mellett a gáz nem folyadékké válik.

Az "állandó gázok", mint például az oxigén, nitrogén, hidrogén és hélium, kritikus hőmérsékletei -100°C alatt vannak, így a közegi hőmérséklet mellett a gáz folyadékké válása nem jelenik meg. A szénhexafluoridgáz másképpen viselkedik; kritikus hőmérséklete 45.6°C. Csak 45.6°C feletti hőmérséklet mellett tud állandó gáz állapotot fenntartani. Közegi hőmérséklet mellett, ha a külső nyomás bizonyos értéket éri el, a gáz folyadékké válhat. Ezért a szénhexafluoridgázzal töltött berendezések esetén a gáz folyadékké válásának problémáját figyelembe kell venni.

A szénhexafluoridgáz állapotparaméter görbéje látvány 1-ben látható. Egy állandó gáz sűrűség ρ mellett, ahogy a hőmérséklet csökken, a gáznak a nyomása is csökken. Amikor a hőmérséklet a gáz sűrűségének megfelelő folyadékké válási pontjához, A-hoz ér, a gáz folyadékké válik, és a gáz sűrűsége csökken.

A helyszíni valós helyzet

A Ximeng Átalakító Állomás Chaoke Wula Sumu, Xilinhot város, Xilingol Liga, Belső Mongólia Autonóm Tartományban található. A település 914 méteres magasságban helyezkedik el, szélességi fok 44.2°, és hősugárzási időszaka hét hónap. Ez Kínában kemény hideg régióba sorolódik. Az állomás AC szűrő parkjában 20 db 3AP3 DT tartály típusú áramköri körzet van telepítve, melyeket Hangzhou Siemens gyártotta, és 550 kV-os feszültségűek. Ezek a körzetek sűrűségi relével vannak felszerelve, amelyek hőmérséklet-kiegyenlítő funkcióval rendelkeznek, és mutatóik a gáz sűrűségének, nem a nyomásának változását tükrözik. A körzetek fő paramétereit táblázat 1. mutatja be.

A telepítés során a gáz kitöltése szigorúan a gyártó által megadott paraméterek szerint történt. A nominális gáznyomás 0.8 MPa volt, a riasztó nyomás 0.72 MPa, a zároló nyomás pedig 0.7 MPa (manometrikus nyomás 20°C-n). A szénhexafluoridgáz állapotparaméter görbéje látvány 2-ben látható. A látványból látható, hogy ha a tartálynak jó szellőzése van, és nincs gáz elvesztése, a tartályban lévő gáz folyadékké válik, amikor a hőmérséklet -18°C-ra csökken; riasztást indít, amikor a hőmérséklet -21°C-re csökken; és a körzet zárolódik, amikor a hőmérséklet -22°C-re csökken. A helyszíni valós helyzet látvány 3-ban látható.

A helyszíni valós helyzet összhangban van az állapotparaméter görbéből származó eredményekkel.

 A helyszínen elérhető anyagok és a berendezések telepítési üteme alapján a tartály típusú áramköri körzetek november végén teljesítették a telepítést, vakuumolást és gázkitöltést. A berendezések átadási tesztjei és a beüzemelés december első tíz napján koncentrálták. Ekkor a környezeti hőmérséklet már -22°C alá csökkent, és minden telepített körzet zárolódott, ami lehetetlenvé tette a körzetek normális átadási tesztjének végrehajtását, így befolyásolva az egész állomás építési ütemvonását.

Megoldások

A fent említett helyszíni zárolási jelenségek figyelembevételével a következő megoldásokat javasoljuk:

Gázkitöltési mennyiség csökkentése

A szénhexafluoridgáz paraméter jellemző görbéje alapján látható, hogy ha a tartályban lévő gázkitöltési mennyiség csökken, a gáz folyadékké válási hőmérséklete is csökken, és a hozzá tartozó zárolási hőmérséklet is ennek megfelelően csökken. Például, ha a nominális gázkitöltési nyomást 0.56 MPa-ra állítják, a folyadékké válási hőmérséklet -28°C lesz, a zárolási hőmérséklet pedig -32°C. Ekkor a folyadékké válási hőmérséklet alacsonyabb, mint a környezeti hőmérséklet, és nincs zárolási jelenség. Azonban a gázkitöltési mennyiség csökkentése után a körzet ívkitörlési és izoláló teljesítménye is csökken. Ilyen módszerek, amelyek változtatást jelentenek a berendezés végleges állapotán, és hatással vannak a teljesítményre, teljes vizsgálatot és igazolást igényelnek a tervező és a gyártó részéről a végrehajtás előtt.

Ha a berendezés végleges állapotát nem változtatják, azaz a gázkitöltési mennyiséget bizonyos értékre (pl. 0.6 MPa) csökkentik az átadási teszt előtt, majd a teszt és a beüzemelés befejezése után a gázkitöltési mennyiséget a nominális értékre állítják vissza. Ez a módszer felülről nézve megoldható, de valójában nem. Először is, a gázkitöltési mennyiség csökkentése után a körzet izoláló teljesítménye romlik. Pontos igazolás nélkül lehetséges, hogy a körzet ívkitörlési része átmeneti nyomás teszt során átütöttetheti. Másodszor, még ha a teszt sikeresen teljesül is, a teszt eredményei nem adnak referenciát. A berendezés átadási tesztje a gyártó termelési minőségének és a telepítő telepítési minőségének ellenőrzése, és az berendezés telepítésének teljes befejezése után kell történnie. A gázkitöltési folyamat egyértelműen a berendezés telepítési folyamatának része.

Vegyes gáz használata

Jelenleg hazai és nemzetközi gyakorlatban is ott vannak, hogy a szénhexafluoridgáz folyadékké válási hőmérsékletének csökkentése érdekében vegyes gázokat (mint például CF₄, CO₂, N₂) adnak hozzá a szénhexafluoridgázhoz. Azonban a vegyes gáz izoláló és ívkitörlési teljesítménye nem éri el a tiszta szénhexafluoridgáz szintjét. Ugyanazon gázkitöltési nyomás mellett a vegyes gázzal töltött körzet áramkitörlő képessége körülbelül 20%-kal alacsonyabb, mint a tiszta szénhexafluoridgázzal töltött körzeté. Ha ugyanolyan izoláló teljesítményt szeretnének elérni, a vegyes gáz gázkitöltési nyomása magasabb kell, hogy legyen, mint a tiszta szénhexafluoridgázé.

A szénhexafluorid/nitrogén vegyes gáz esetében a következő számítási képlet használható:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

A képletben Pm a vegyes gáz gázkitöltési nyomása, amely ugyanolyan izoláló teljesítményt biztosít, P_SF6 a tiszta szénhexafluoridgáz gázkitöltési nyomása, és x% a szénhexafluoridgáz százalékos tartalma a vegyes gázban. A fenti képletből látható, hogy a 20%-os szénhexafluoridgáz tartalmú SF₆/N₂ vegyes gáz esetében a szükséges gázkitöltési nyomás körülbelül 1.4-szerese a tiszta szénhexafluoridgáz gázkitöltési nyomásának. A helyszíni körzet esetében a gázkitöltési nyomásnak 1.12 MPa-nak kell lennie, ami új követelményeket támaszt a körzet egész struktúrájára.It can be seen from the above formula that for the SF₆/N₂ mixed gas containing 20% SF₆ gas, the required gas-filling pressure is about 1.4 times that of pure SF₆ gas. For the on-site circuit breaker, the gas-filling pressure needs to reach 1.12 MPa, which poses new requirements for the entire structure of the circuit breaker.

Fűtőberendezések telepítése

A szénhexafluoridgáz folyadékké válásának fő külső okozója, hogy a környezeti hőmérséklet alacsonyabb, mint a folyadékké válási hőmérséklete. Ha a tartály körül fűtőeszközt telepítenek, amely a tartályt melegíti és hőmérsékletét növeli, a folyadékké válás problémája megoldható.

A Hangzhou Siemens tartály típusú áramköri körzetek sveitsi trafag sűrűségi relével vannak felszerelve, amelyek hőmérséklet-kiegyenlítő funkcióval rendelkeznek, és mutatóik a gáz sűrűségének, nem a nyomásának változását tükrözik. A sűrűségi relé működési elve, hogy a körzet tartályában lévő gáz és a sűrűségi relé által hordozott standard gáz nyomásának különbségével monitorozza a gáz sűrűségét. Látvány 7-ben látható, hogy amikor a környezeti hőmérséklet a folyadékké válási hőmérséklet felett változik, a két gáztartályban lévő gáz nyomása egyidejűleg változik, a nyomáskülönbség nulla, a kiterjesztő csatlakozó nem működik, a mérőmutató nem mozdul; amikor a tartályban lévő gáz folyadékké válik vagy elveszik, a standard gáz relatív nyomása növekszik, a kiterjesztő csatlakozó működik, a mérőmutató mozdul.

Amikor a környezeti hőmérséklet a folyadékké válási hőmérsékletre csökken, a fűtőeszköz aktívázza, és a tartály hőmérséklete ennek megfelelően növekszik. Ez hőmérséklet különbséget hoz létre a tartályban lévő gáz és a kiterjesztő csatlakozóban lévő gáz között, ami eltérést okoz a mérőmutató jelzésében, és megakadályozza, hogy pontosan tükrözi a tartályban lévő gáz valós állapotát.

Következtetés

Ebben a tanulmányban röviden leírtuk a szénhexafluoridgáz folyadékké válási folyamatát. A Ximeng Átalakító Állomás AC szűrő parkjában telepített tartály típusú áramköri körzetek esetében felmerülő szénhexafluoridgáz folyadékké válási problémára három megoldást javasoltunk és megbeszéltünk: a gázkitöltési mennyiség csökkentése, a vegyes gáz használata, és a fűtőeszközök hozzáadása. Az elemzés és összehasonlítás alapján kiderült, hogy a gázkitöltési mennyiség csökkentése és a vegyes gáz használata mindkettő hatással van a gáz izoláló és ívkitörlési teljesítményére, ezért nem alkalmasak. A tartályt melegítő fűtőeszköz használata, bár bizonyos hibát okoz a mérőmutató jelzésében, garantálja a berendezés átadási tesztének sima folyamatát, tehát ez a megfelelőbb megoldás.