Discussie over het probleem van gasverdamping tijdens de installatie van tankschakelaars in streng koude gebieden

Technische uitleg van zeshexafluoride (SF₆) schakelaars en de uitdagingen bij gasvervloeibaarheid

SF₆-schakelaars, die gebruik maken van zeshexafluoridegas - bekend om zijn uitstekende boogblus- en isolatieeigenschappen - als boogblusmedium, worden breed toegepast in elektriciteitsnetwerken. Deze schakelaars zijn geschikt voor frequente bedieningen en scenario's waar snelle onderbreking vereist is. In China worden SF₆-schakelaars in principe gebruikt voor spanningniveaus van 110kV en hoger. Echter, vanwege de fysieke eigenschappen van SF₆-gas, kan het vloeibaar worden onder bepaalde temperatuur- en drukomstandigheden, waardoor de dichtheid van SF₆-gas in de schakelaartank afneemt. Wanneer de dichtheid tot een bepaald niveau daalt, zal de schakelaar een beschermingsblokkade activeren. In sommige regio's in China, zoals Inner Mongolia, Noordoost-China, Xinjiang en Tibet, waar de omgevingstemperatuur in de winter -30°C of lager kan dalen, komt het verschijnsel van blokkade door verandering van SF₆-gas in vloeibare toestand regelmatig voor.

Korte beschrijving van SF₆-gasvervloeibaarheid

SF₆-gas heeft extreem hoge chemische stabiliteit. Het is een kleurloos, geurloos, smaakloos en niet-brandbaar gas bij normale temperatuur en druk, met uitstekende isolatie- en boogbluseigenschappen.

De kritieke temperatuur van een gas verwijst naar de hoogste temperatuur waarbij het gas kan vervloeibaar worden. Wanneer de temperatuur hoger is dan deze waarde, kan het gas ongeacht de toegepaste druk niet vervloeibaar worden.

Voor "permanente gassen" zoals zuurstof, stikstof, waterstof en helium, liggen hun kritieke temperaturen onder -100°C, dus hoeft gasvervloeibaarheid bij omgevingstemperaturen niet te worden overwogen. SF₆-gas is anders; zijn kritieke temperatuur is 45,6°C. Het kan alleen een constante gasvorm behouden wanneer de temperatuur boven 45,6°C ligt. Bij omgevingstemperaturen kan het vloeibaar worden wanneer de externe druk een bepaalde waarde bereikt. Daarom moet bij apparatuur gevuld met SF₆-gas rekening worden gehouden met het probleem van gasvervloeibaarheid.

De toestandsparametercurve van SF₆-gas is weergegeven in Figuur 1. Onder de voorwaarde van een constante gasdichtheid ρ, neemt de gasdruk af naarmate de temperatuur daalt. Wanneer de temperatuur daalt tot het vloeipunt A dat overeenkomt met deze gasdichtheid, begint het gas te vervloeibaar worden, en de gasdichtheid neemt dan af.

Ter plaatse werkelijke situatie

Het Ximeng-converterstation is gelegen in Chaoke Wula Sumu, Xilinhot City, Xilingol League, Autonome Regio Inner Mongolia. Met een hoogte van 914 meter en een breedtegraad van 44,2° heeft het een verwarmingstermijn van zeven maanden en wordt het geclassificeerd als een streng koude regio in China. In het AC-filterterrein van het station zijn 20 sets 3AP3 DT tank-type schakelaars van Hangzhou Siemens geïnstalleerd, met een nominale spanning van 550 kV. Deze schakelaars zijn uitgerust met dichtheidsrelais die een temperatuurcompensatiefunctie hebben, en hun indicaties weerspiegelen de verandering in gasdichtheid in plaats van drukverandering. De belangrijkste parameters van de schakelaars staan in Tabel 1.

Tijdens de installatieproces werd gasvulling strikt volgens de door de fabrikant opgegeven parameters uitgevoerd. De nominale gasvuldruk was ingesteld op 0,8 MPa, de alarmdruk op 0,72 MPa en de blokkadedruk op 0,7 MPa (manometerdruk bij 20°C). De toestandsparametercurve van SF₆-gas is weergegeven in Figuur 2. Uit de figuur blijkt dat wanneer de tank goed afgesloten is en er geen gaslekken zijn, het gas in de tank vloeibaar wordt wanneer de temperatuur daalt tot -18°C; een alarm wordt getriggerd wanneer de temperatuur -21°C bereikt; en de schakelaar wordt geblokkeerd wanneer de temperatuur daalt tot -22°C. De werkelijke situatie ter plaatse is weergegeven in Figuur 3.

De werkelijke situatie ter plaatse is consistent met de resultaten verkregen uit de toestandsparametercurve.

Volgens de ter plaatse materialenleveringssituatie en de voortgang van de installatie, werden de tanktype schakelaars eind november geïnstalleerd, onder vacuüm gezet en met gas gevuld. De overdrachtstests en de inbedrijfstelling werden geconcentreerd in de eerste tien dagen van december. Op dat moment was de omgevingstemperatuur gedaald tot onder -22°C, en alle geïnstalleerde schakelaars werden geblokkeerd, waardoor de overdrachtstests van de schakelaars niet normaal konden worden uitgevoerd, wat de bouwkundige schema-knooppunten van het hele station beïnvloedde.

Oplossingen

Met betrekking tot de bovengenoemde blokkadeverschijnselen ter plaatse, worden de volgende oplossingen voorgesteld:

Gasvulhoeveelheid verminderen

Uit de karakteristieke curve van de SF₆-gasparameters blijkt dat wanneer de gasvulhoeveelheid in de tank afneemt, de temperatuur waarop het gas vloeibaar wordt, ook daalt, en de overeenkomstige blokkadetemperatuur neemt eveneens af. Bijvoorbeeld, wanneer de nominale gasvuldruk wordt aangepast tot 0,56 MPa, is de vloeitemperatuur -28°C en de blokkadetemperatuur -32°C. Op dat moment is de vloeitemperatuur lager dan de omgevingstemperatuur, en er zal geen blokkadeverschijnsel optreden. Echter, na het verminderen van de gasvulhoeveelheid, zullen zowel de boogbluseigenschappen als de isolatie-eigenschappen van de schakelaar afnemen. Dergelijke methoden die de eindtoestand van de apparatuur wijzigen en de prestaties ervan beïnvloeden, moeten grondig worden bestudeerd en gedemonstreerd door de ontwerpeenheid en de fabrikant voordat ze worden geïmplementeerd.

Als de eindtoestand van de apparatuur niet gewijzigd mag worden, dat wil zeggen, de gasvulhoeveelheid tot een bepaalde waarde (zoals 0,6 MPa) vermindert voordat de overdrachtstest wordt uitgevoerd, en de gasvulhoeveelheid na de test en inbedrijfstelling wordt aangevuld tot de nominale waarde. Deze methode lijkt haalbaar, maar in feite is dat niet zo. Ten eerste, nadat de gasvulhoeveelheid is verminderd, verslechtert de isolatie-eigenschap van de schakelaar. Zonder nauwkeurige demonstratie is er een kans dat de schakelaar tijdens de spanningstest doorboord wordt. Ten tweede, zelfs als de test soepel verloopt, hebben de testresultaten geen referentiewaarde. De overdrachtstest is een inspectie van de productiekwaliteit van de fabrikant en de installatiekwaliteit van de installateur, en moet worden uitgevoerd nadat de installatie van de apparatuur volledig is afgerond. En het gasvulproces is duidelijk een stap in het installatieproces van de apparatuur.

Gemengd gas gebruiken

Momenteel zijn er binnen- en buitenlandse praktijken om de vloeitemperatuur te verlagen door een bepaald percentage van andere gassen (zoals CF₄, CO₂ en N₂) in SF₆-gas te mengen. Echter, de isolatie- en boogbluseigenschappen van het gemengde gas kunnen het niveau van puur SF₆-gas niet bereiken. Onder dezelfde gasvuldruk zal de stroomonderbrekingscapaciteit van een schakelaar gevuld met gemengd gas ongeveer 20% lager zijn dan die van een schakelaar gevuld met puur SF₆-gas. Als dezelfde isolatie-eigenschappen moeten worden bereikt, moet de gasvuldruk van het gemengde gas hoger zijn dan die van puur SF₆-gas.

Met SF₆/N₂ gemengd gas als voorbeeld, kan de volgende berekeningformule worden gebruikt:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

In de formule is Pm de gasvuldruk van het gemengde gas om dezelfde isolatie-eigenschappen te bereiken, P_SF6 is de gasvuldruk van puur SF₆-gas, en x% is het percentage SF₆-gas in het gemengde gas. Uit de bovenstaande formule blijkt dat voor SF₆/N₂ gemengd gas met 20% SF₆-gas, de benodigde gasvuldruk ongeveer 1,4 keer die van puur SF₆-gas is. Voor de ter plaatse schakelaar moet de gasvuldruk 1,12 MPa bereiken, wat nieuwe eisen stelt aan de gehele structuur van de schakelaar.

Verwarmingsapparatuur installeren

De hoofduitwendige factor voor de vloeibaarheid van SF₆-gas is dat de omgevingstemperatuur lager is dan de vloeitemperatuur. Als een traceringsverwarmer rond de tank wordt geïnstalleerd om de tank te verwarmen en de temperatuur te verhogen, kan het probleem van vloeibaarheid worden opgelost.

De tanktype schakelaars van Hangzhou Siemens gebruiken de Zwitserse trafag dichtheidsrelais, die een temperatuurcompensatiefunctie heeft en waarvan de indicatie de verandering in gasdichtheid weerspiegelt, in plaats van drukverandering. Het indicatieprincipe van dit dichtheidsrelais is om de gasdichtheid te bewaken door de drukverschillen tussen het gas in de schakelaartank en het standaardgas dat door het dichtheidsrelais wordt meegedragen, te vergelijken. Zoals in Figuur 7 wordt weergegeven, wanneer de omgevingstemperatuur varieert binnen het bereik boven de vloeitemperatuur, veranderen de gasdrukken in de twee gaskamers gelijktijdig, het drukverschil is nul, de expansiejunctie werkt niet, en de meterwijzer beweegt niet; wanneer het gas in de tank vloeibaar wordt of lekt, neemt de druk van het standaardgas relatief toe, de expansiejunctie werkt, waardoor de meterwijzer beweegt.

Wanneer de omgevingstemperatuur daalt tot de vloeitemperatuur, activeert de traceringsverwarmer, en de temperatuur van de tank neemt toe. Dit creëert een temperatuursverschil tussen het gas in de tank en het gas in de expansiejunctie, wat leidt tot een afwijking in de meterindicatie en voorkomt dat het accurate weerspiegelt de werkelijke toestand van het gas in de tank.

Conclusie

Dit artikel geeft een korte beschrijving van het vloeiproces van SF₆-gas. Met betrekking tot het probleem van SF₆-gasvervloeibaarheid dat zich voordeed tijdens de installatie van de tanktype schakelaars in het AC-filterterrein van het Ximeng-converterstation, werden drie oplossingen voorgesteld en besproken: het verminderen van de gasvulhoeveelheid, het vervangen door gemengd gas, en het toevoegen van verwarmingsapparatuur. Door analyse en vergelijking bleek dat zowel het verminderen van de gasvulhoeveelheid als het vervangen door gemengd gas de isolatie- en boogbluseigenschappen van het gas zou beïnvloeden, en daarom niet geschikt zijn. De methode van het gebruik van een traceringsverwarmer om de tank te verwarmen en gasvervloeibaarheid te voorkomen, hoewel het een bepaalde fout in de meterindicatie zal veroorzaken, kan de soepele voortgang van de overdrachtstest van de apparatuur garanderen, en is dus een meer geschikte oplossing.