極寒地域でのタンク回路遮断器の設置時のガス液化問題に関する議論
六フッ化硫黄（SF₆）回路遮断器とガス液化の課題に関する技術的説明
六フッ化硫黄（SF₆）ガスは、その優れた消弧および絶縁特性で知られており、このガスを消弧媒体として使用するSF₆回路遮断器は電力システムで広く応用されています。これらの遮断器は頻繁な操作や高速遮断が必要な場面に適しています。中国では、SF₆回路遮断器は基本的に110kV以上の電圧レベルで使用されています。しかし、SF₆ガスの物理的性質により、特定の温度と圧力条件下で液化することがあり、これにより回路遮断器タンク内のSF₆ガスの密度が減少します。密度が一定のレベルまで低下すると、回路遮断器は保護ロックアウトをトリガーします。中国の一部地域、例えば内モンゴル、東北地方、新疆、チベットなどでは、冬場の気温が-30℃以下になることもありますので、SF₆ガスの液化によるロックアウト現象が時々発生します。
SF₆ガスの液化についての簡単な説明
SF₆ガスは非常に高い化学的安定性を持っています。常温常圧下では無色、無臭、無味、非可燃性のガスであり、優れた絶縁および消弧特性があります。
ガスの臨界温度とは、ガスが液化される最高温度を指します。この値を超えると、どれだけ圧力を加えてもガスは液化されません。
酸素、窒素、水素、ヘリウムなどの「永久ガス」の場合、その臨界温度は-100℃以下であり、通常の環境温度ではガスの液化を考慮する必要はありません。一方、SF₆ガスは異なる特性を持ち、その臨界温度は45.6℃です。温度が45.6℃以上であれば常に気体状態を維持できますが、外部圧力が一定の値に達した場合、環境温度下で液化することが可能です。そのため、SF₆ガスを充填した設備では、ガスの液化問題を考慮する必要があります。
SF₆ガスの状態パラメータ曲線は図1に示されています。ガス密度ρが一定の条件で、温度が下がるとガス圧力もそれに応じて減少します。このガス密度に対応する液化点Aに温度が下がると、ガスは液化を始め、ガス密度は減少します。
現場の実際の状況
シメン転換所は、内モンゴル自治区錫林郭勒盟錫林浩特市チャオケ・ウラ・スムに位置しており、標高914メートル、緯度44.2°で、暖房期間が7ヶ月にも及ぶ寒冷地に分類されています。この変電所の交流フィルターヤードには、杭州シーメンス製の3AP3 DTタンク型回路遮断器20基が設置されており、定格電圧は550kVです。これらの遮断器には温度補償機能を持つ密度リレーが装備されており、その表示はガス密度の変化ではなく圧力の変化を反映しています。回路遮断器の主なパラメータは表1に示されています。
設置過程において、ガス充填はメーカーが提供したパラメータに厳密に従って行われました。定格ガス充填圧力は0.8MPa、警報圧力は0.72MPa、ロックアウト圧力は0.7MPa（20℃での計器圧力）でした。SF₆ガスの状態パラメータ曲線は図2に示されています。この図から、タンクが良好に密封されていてガス漏れがない場合、温度が-18℃に下がるとタンク内のガスは液化し始め、-21℃に達すると警報が発生し、-22℃に下がると回路遮断器がロックアウトされます。実際の現場の状況は図3に示されています。
実際の現場の状況は、状態パラメータ曲線から得られた結果と一致しています。
現場の材料供給状況と設備設置の進捗に基づき、タンク型回路遮断器は11月末に設置、真空引き、ガス充填作業を完了しました。設備引渡し試験と調整作業は12月上旬に集中して行われました。この時期、環境温度は-22℃以下に下がり、設置されたすべての回路遮断器がロックアウトされ、回路遮断器の設備引渡し試験を正常に行うことができず、全所の建設スケジュールノードに影響を与えました。
解決策
上記の現場でのロックアウト現象に対し、以下の解決策が提案されています：
ガス充填量の削減
SF₆ガスパラメータ特性曲線から、タンク内のガス充填量が減少すると、ガスの液化温度が下がり、対応するロックアウト温度も低下することがわかります。例えば、定格ガス充填圧力を0.56MPaに調整すると、液化温度は-28℃、ロックアウト温度は-32℃になります。このとき、液化温度は環境温度よりも低いため、ロックアウト現象は発生しません。しかし、ガス充填量を削減すると、回路遮断器の消弧性能と絶縁性能がともに低下します。このような最終状態を変更し、性能に影響を与える方法については、設計単位とメーカーが実施前に徹底的に研究と検討を行う必要があります。
最終状態を変更しない場合、つまり、引渡し試験前にガス充填量を一定の値（例えば0.6MPa）に減らし、試験と調整が完了後にガス充填量を定格値に戻すという方法は表面上は可能に見えますが、実際にはそうではありません。まず、ガス充填量を減らすと、回路遮断器の絶縁性能が悪化します。正確な検証がないと、耐電圧試験中に回路遮断器が貫通する可能性があります。第二に、試験が順調に通過したとしても、試験結果は参考価値がありません。設備引渡し試験は、メーカーの生産品質と設置業者の設置品質の検査であり、設備設置が完全に完了した後に実施されるべきです。そして、ガス充填プロセスは明らかに設備設置プロセスの一部です。
混合ガスの使用
現在、国内外で、他のガス（例えばCF₄、CO₂、N₂）を一定の割合でSF₆ガスに混ぜることで液化温度を下げることが行われています。しかし、混合ガスの絶縁および消弧性能は純粋なSF₆ガスのレベルには達しません。同じガス充填圧力下で、混合ガスを充填した回路遮断器の遮断容量は、純粋なSF₆ガスを充填した回路遮断器の約20%低いです。同じ絶縁性能を得るためには、混合ガスのガス充填圧力は純粋なSF₆ガスよりも高くなければなりません。
SF₆/N₂混合ガスを例に挙げると、以下の計算式を使用できます：
Pm=PSF6(100/x%)0.02
この式では、Pmは同じ絶縁性能を得るための混合ガスのガス充填圧力、PSF6は純粋なSF₆ガスのガス充填圧力、x%は混合ガス中のSF₆ガスの含有率を表します。上記の式から、SF₆/N₂混合ガスが20%のSF₆ガスを含む場合、必要なガス充填圧力は純粋なSF₆ガスの約1.4倍となります。現場の回路遮断器の場合、ガス充填圧力は1.12MPaに達する必要があり、これは回路遮断器全体の構造に新たな要件を課します。
加熱装置の設置
SF₆ガスの液化の主な外部要因は、環境温度がその液化温度よりも低いことです。タンク周囲にトレーシングヒーターを設置してタンクを加熱し、温度を上げることで液化問題を解決できます。
杭州シーメンスのタンク型回路遮断器は、温度補償機能を持つスイストラファグ密度リレーを使用しています。この密度リレーの表示は、圧力の変化ではなくガス密度の変化を反映しています。この密度リレーの表示原理は、回路遮断器タンク内のガスと密度リレーが持つ標準ガスとの間の圧力差を比較することでガス密度を監視します。図7に示すように、環境温度が液化温度以上の範囲内で変化すると、両ガス室のガス圧力は同時に変化し、圧力差はゼロとなり、膨張ジョイントは動作せず、メーターポインタは動かず、タンク内のガスが液化または漏れると、標準ガスの圧力が相対的に増加し、膨張ジョイントが動作し、メーターポインタが動きます。
環境温度が液化温度に下がると、トレーシングヒーターが起動し、タンクの温度が上昇します。これにより、タンク内のガスと膨張ジョイント内のガスとの間に温度差が生じ、メーターの表示に誤差が生じ、タンク内のガスの実際の状態を正確に反映できなくなります。
結論
本稿では、SF₆ガスの液化過程について簡単に説明しました。シメン転換所の交流フィルターヤードにおけるタンク型回路遮断器の設置時に発生したSF₆ガスの液化問題に対して、ガス充填量の削減、混合ガスへの置き換え、加熱装置の追加という3つの解決策を提案し、議論しました。分析と比較を通じて、ガス充填量の削減と混合ガスへの置き換えは、ガスの絶縁および消弧性能に影響を与えることがわかったため、適切ではないと結論付けられました。トレーシングヒーターを使用してタンクを加熱し、ガスの液化を防ぐ方法は、メーターの表示に一定の誤差が生じるものの、設備引渡し試験の円滑な進行を確保できるため、より適切な解決策であると言えます。
