Diskusjon om problemet med gasskondensering under installasjon av tankbrytere i kvalde områder

Teknisk forklaring av svovelhexafluorid (SF₆) sirkuitsbrytere og utfordringer med gasskondensering

SF₆ sirkuitsbrytere, som bruker svovelhexafluoridgass – kjent for sine fremragende egenskaper ved å kvæse bue og isolere – som buetilintetgjøringmedium, er vidt anvendt i kraftsystemer. Disse bryterne er egnet for hyppige operasjoner og scenarier som krever høyhastighetsavbrudd. I Kina brukes SF₆ sirkuitsbrytere generelt for spenningsnivåer på 110kV og over. Imidlertid, grunnet de fysiske egenskapene til SF₆-gassen, kan den kondensere under visse temperatur- og trykkforhold, noe som fører til at tettheten av SF₆-gassen i sirkuitsbrytertanken synker. Når tettheten synker til et visst nivå, vil sirkuitsbryteren utløse en beskyttelseslås. I noen regioner i Kina, som Inner Mongolia, Nordøst-Kina, Xinjiang og Tibet, der lufttemperaturen kan nå -30°C eller enda lavere om vinteren, forekommer fenomenet med låsing som følge av SF₆-gasskondensering fra tid til annen.

Kort beskrivelse av SF₆-gasskondensering

SF₆-gass har ekstremt høy kjemisk stabilitet. Det er en farveløs, lukteløs, smakløs og ubrennbar gass ved vanlig temperatur og trykk, med fremragende isolerende og buekvæsende egenskaper.

Kritisk temperatur for en gass refererer til den høyeste temperaturen ved hvilken gassen kan kondenseres. Når temperaturen er høyere enn denne verdien, kan gassen ikke kondenseres uansett hvor mye trykk det påføres.

For "permanente gasser" som oksygen, nitrogen, hydrogen og helium, er deres kritiske temperaturer under -100°C, så gasskondensering trenger ikke å tas i betraktning ved romtemperatur. SF₆-gass er annerledes; dens kritiske temperatur er 45.6°C. Den kan bare opprettholde en konstant gassform når temperaturen er over 45.6°C. Ved romtemperatur kan den kondenseres når det eksterne trykket når en vis verdi. Derfor må problemet med gasskondensering tas i betraktning for utstyr fylt med SF₆-gass.

Tilstandsparameterkurven for SF₆-gass er vist i figur 1. Under betingelsen med en konstant gassettetthet ρ, synker gasspressingen i takt med at temperaturen synker. Når temperaturen synker til kondenseringpunkt A som svarer til denne gassettettheten, begynner gassen å kondensere, og gassettettheten synker deretter.

På stedet faktisk situasjon

Ximeng Konverteringsstasjon ligger i Chaoke Wula Sumu, Xilinhot By, Xilingol Liga, Inner Mongolia Autonome Region. Med en høyde på 914 meter og en breddegrad på 44.2°, har den en oppteperiode på inntil syv måneder og er klassifisert som et hardkalddområde i Kina. I stasjonens AC-filteranlegg er det installert 20 sett 3AP3 DT tanktype sirkuitsbrytere produsert av Hangzhou Siemens, med en spenningsnivå på 550 kV. Disse bryterne er utstyrt med tetthetsrelayer som har en temperaturkompenseringsfunksjon, og deres indikasjoner reflekterer endringen i gassettetthet snarere enn trykkendring. De viktigste parametrene for bryterne er vist i tabell 1.

Under installasjonsprosessen ble gassing utført i streng overensstemmelse med parametrene som ble gitt av produsenten. Den nominelle gassingstrykket ble satt til 0.8 MPa, alarmtrykket til 0.72 MPa, og låseuttrykket til 0.7 MPa (manometrerykk ved 20°C). Tilstandsparameterkurven for SF₆-gass er vist i figur 2. Som man kan se fra figuren, vil gassen inne i tanken kondensere når temperaturen synker til -18°C; en alarm vil bli utløst når temperaturen når -21°C; og sirkuitsbryteren vil bli låst ut når temperaturen synker til -22°C. Den faktiske situasjonen på stedet er vist i figur 3.

Den faktiske situasjonen på stedet stemmer overens med resultatene som ble funnet fra tilstandsparameterkurven.

 I henhold til materialeleveransen på stedet og utstyrsinstallasjonsfremskrittet, fullførte tanktype sirkuitsbryterne installasjon, vakuumtrekking og gassingoperasjoner i slutten av november. Utrustningsoverføringsprøver og kommisjoneringarbeid var koncentrert i de første ti dagene i desember. På dette tidspunktet hadde lufttemperaturen sunket under -22°C, og alle de installerte sirkuitsbryterne ble låst ut, slik at det ikke var mulig å gjennomføre overføringsprøver normalt på sirkuitsbryterutstyr, noe som påvirket byggetidsnodene for hele stasjonen.

Løsninger

Med tanke på nevnte låseutsituasjoner på stedet, foreslås følgende løsninger:

Reduksjon av gassingmengde

Det kan sees fra SF₆-gassparameterekarakteristikkurven at når mengden gassing inne i tanken reduseres, vil temperaturen for gasskondensering synke, og det tilsvarende låseuttemperaturen vil også synke tilsvarende. For eksempel, når det nominelle gassingstrykket justeres til 0.56 MPa, er kondenseringstemperaturen -28°C, og låseuttemperaturen er -32°C. På dette tidspunktet er kondenseringstemperaturen lavere enn lufttemperaturen, og det vil ikke forekomme noen låseutsituasjon. Imidlertid, etter reduksjon av gassingmengden, vil både buetilintetgjøringsevnen og isoleringskapasiteten til sirkuitsbryteren bade synke. Slike metoder som involverer endringer i det endelige tilstanden av utstyret og påvirker dens ytelse må grundig studeres og demonstreres av designenheter og produsenter før implementering.

Hvis det endelige tilstanden av utstyret ikke skal endres, det vil si, reduserer gassingmengden til en viss verdi (som 0.6 MPa) før overføringsprøve og fyller gassingmengden til det nominelle verdien etter prøve og kommisjonering er fullført. Dette metoden kan virke gjennomførbart, men i virkeligheten er det ikke. Først, etter reduksjon av gassingmengden, vil isoleringskapasiteten til sirkuitsbryteren forverres. Uten nøyaktig demonstrasjon, er det en mulighet at sirkuitsbryteren kan bli truffet under spenningstest. Andre, selv om prøven blir gjennomført smidig, er prøveresultatene uten referanseverdi. Utrustningsoverføringsprøve er en inspeksjon av produksjonskvaliteten til produsenten og installasjonskvaliteten til installereren, og det skal gjennomføres etter utstyrsinstallasjon er helt ferdig. Og gassingprosessen er tydelig en del av utstyrsinstallasjonsprosessen.

Bruk av blandingsgass

For øyeblikket, hjemme og utland, er det praksis for å redusere kondenseringstemperaturen ved å blande en viss andel av andre gasser (som CF₄, CO₂ og N₂) inn i SF₆-gass. Imidlertid, kan isolerings- og buetilintetgjøringsegenskapene til blandingsgassen ikke nå nivået til ren SF₆-gass. Under samme gassingstrykk, vil strømbrytningskapasiteten til en sirkuitsbryter fylt med blandingsgass være omtrent 20% lavere enn en sirkuitsbryter fylt med ren SF₆-gass. Hvis samme isoleringskapasitet skal oppnås, må gassingstrykket av blandingsgass være høyere enn rene SF₆-gass.

Som eksempel på SF₆/N₂-blandingsgass, kan følgende beregningsformel brukes:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

I formelen, Pm er gassingstrykket av blandingsgass for å oppnå samme isoleringskapasitet, P_SF6  er gassingstrykket av ren SF₆-gass, og x%  er prosentandelen av SF₆-gass i blandingsgassen. Det kan sees fra formelen at for SF₆/N₂-blandingsgass som inneholder 20% SF₆-gass, er det nødvendig gassingstrykket omtrent 1.4 ganger det av ren SF₆-gass. For sirkuitsbryteren på stedet, må gassingstrykket nå 1.12 MPa, noe som stiller nye krav til hele strukturen av sirkuitsbryteren.

Installering av varmeanordninger

Hovedytterliggende faktor for SF₆-gasskondensering er at lufttemperaturen er lavere enn dens kondenseringstemperature. Hvis en tracingvarmelegger installeres rundt tanken for å varme tanken og øke dens temperatur, kan kondenseringproblemet løses.

Tanktype sirkuitsbryterne fra Hangzhou Siemens bruker Swiss trafag tetthetsrelé, som har en temperaturkompenseringsfunksjon, og dens indikasjon reflekterer endring i gassettetthet snarere enn trykkendring. Indikasjonsprinsippet for dette tetthetsreléet er å overvåke gassettettheten ved å sammenligne trykkdifferansen mellom gassen i sirkuitsbrytertanken og standardgassen som er boret av tetthetsreléet. Som vist i figur 7, når lufttemperaturen endrer seg innenfor området over kondenseringstemperaturen, endrer trykkene i de to gassrommene samtidig, trykkdifferansen er null, utvidelsesleddet handler ikke, og pekeren beveger seg ikke; når gassen i tanken kondenseres eller leker, relativt øker trykket av standardgassen, utvidelsesleddet handler, som fører til at pekeren beveger seg.

Når lufttemperaturen synker til kondenseringstemperaturen, aktiveres tracingvarmeleggeren, og temperaturen i tanken økes deretter. Dette skaper en temperaturforskjell mellom gassen inne i tanken og gassen inne i utvidelsesleddet, som resulterer i en avvik i instrumentets indikasjon og hindrer det fra å nøyaktig reflektere den faktiske tilstanden av gassen i tanken.

Konklusjon

Denne artikkelen gir en kort beskrivelse av kondenseringprosessen for SF₆-gass. Angående SF₆-gasskondenseringproblemet som oppsto under installasjonen av tanktype sirkuitsbrytere i AC-filteranlegget i Ximeng Konverteringsstasjon, ble tre løsninger foreslått og diskutert: reduksjon av gassingmengde, erstattelse med blandingsgass, og legging til varmeanordninger. Gjennom analyse og sammenligning, ble det funnet at både reduksjon av gassingmengde og erstattelse med blandingsgass ville påvirke isolerings- og buetilintetgjøringsegenskapene til gassen, så de er ikke egnet. Metoden med å bruke en tracingvarmelegger for å varme tanken for å forhindre gasskondensering, selv om det vil forårsake en vis feil i instrumentets indikasjon, kan sikre at utrustningsoverføringsprøven kan gjennomføres jevnt, så det er en mer passende løsning.