Dyskusja na temat problemu skraplania gazu podczas montażu przekaźników w zbiornikach w regionach o surowym klimacie

Techniczne wyjaśnienie wyłomników z siarkowym heksafluorem (SF₆) i problemów z gazowaniem

Wyłomniki SF₆, które wykorzystują gaz siarkowy heksafluor - znany z doskonałych właściwości gaszenia łuku elektrycznego i izolacyjnych - jako medium do gaszenia łuku, są szeroko stosowane w systemach energetycznych. Są one odpowiednie do częstego użytku oraz sytuacji wymagających szybkiego przerywania. W Chinach wyłomniki SF₆ są podstawowo używane dla napięć 110kV i wyższych. Jednak ze względu na fizyczne właściwości gazu SF₆, może on ulegać gazowaniu w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, co powoduje zmniejszenie gęstości gazu SF₆ w zbiorniku wyłomnika. Gdy gęstość spadnie do pewnego poziomu, wyłomnik uruchomi blokadę ochronną. W niektórych regionach Chin, takich jak Mongolia Wewnętrzna, Północno-Wschodnie Chiny, Xinjiang i Tybet, gdzie temperatura otoczenia może osiągać -30°C lub niższą zimą, zjawisko blokady spowodowanej gazowaniem gazu SF₆ występuje od czasu do czasu.

Krótki opis gazowania gazu SF₆

Gaz SF₆ ma ekstremalnie wysoką chemiczną stabilność. Jest to bezbarwny, bezwonny, bezsmakowy i niepalny gaz przy normalnej temperaturze i ciśnieniu, o doskonałych właściwościach izolacyjnych i gaszących łuk elektryczny.

Temperatura krytyczna gazu to najwyższa temperatura, przy której gaz może być gazowany. Gdy temperatura jest wyższa niż ta wartość, gaz nie może być gazowany, niezależnie od zastosowanego ciśnienia.

Dla "stałych gazów" takich jak tlen, azot, wodór i hel, ich temperatury krytyczne są poniżej -100°C, więc gazowanie nie musi być brane pod uwagę przy temperaturach otoczenia. Gaz SF₆ jest inny; jego temperatura krytyczna wynosi 45.6°C. Może utrzymywać stały stan gazowy tylko gdy temperatura jest powyżej 45.6°C. Przy temperaturach otoczenia może być gazowany, gdy zewnętrzne ciśnienie osiągnie określoną wartość. Dlatego dla urządzeń wypełnionych gazem SF₆, należy uwzględnić problem gazowania.

Krzywa parametrów stanu gazu SF₆ przedstawiona jest na Rysunku 1. W warunkach stałej gęstości gazu ρ, gdy temperatura spada, ciśnienie gazu również maleje. Gdy temperatura spadnie do punktu gazowania A odpowiadającego tej gęstości gazu, gaz zaczyna się gazować, a gęstość gazu maleje.

Rzeczywista sytuacja na miejscu

Stacja przekształtnikowa Ximeng znajduje się w Chaoke Wula Sumu, mieście Xilinhot, ligii Xilingol, Regionie Autonomicznym Mongolii Wewnętrznej. Ma ona wysokość 914 metrów nad poziomem morza i szerokość geograficzną 44.2°, okres ogrzewania trwa aż siedem miesięcy i jest klasyfikowana jako region o surowym klimacie zimnym w Chinach. W stacji, w dziale filtrów AC, zainstalowano 20 zestawów wyłomników typu zbiornikowego 3AP3 DT produkcji Hangzhou Siemens, o znamionowym napięciu 550 kV. Wyłomniki te są wyposażone w relé gęstościowe z funkcją kompensacji temperatury, a ich wskazania odzwierciedlają zmianę gęstości gazu, a nie zmianę ciśnienia. Główne parametry wyłomników przedstawione są w Tabeli 1.

W trakcie procesu instalacji dokonano naladowania gazu w ścisłym zgodności z parametrami dostarczonymi przez producenta. Znamionowe ciśnienie naladowania gazu wyniosło 0,8 MPa, ciśnienie alarmowe 0,72 MPa, a ciśnienie blokady 0,7 MPa (ciśnienie manometryczne przy 20°C). Krzywa parametrów stanu gazu SF₆ przedstawiona jest na Rysunku 2. Jak można zauważyć na rysunku, gdy zbiornik jest dobrze zamknięty i nie ma przecieku gazu, gaz w zbiorniku zacznie się gazować, gdy temperatura spadnie do -18°C; alarm zostanie wyzwolony, gdy temperatura osiągnie -21°C; a wyłomnik zostanie zablokowany, gdy temperatura spadnie do -22°C. Rzeczywista sytuacja na miejscu przedstawiona jest na Rysunku 3.

Rzeczywista sytuacja na miejscu jest zgodna z wynikami uzyskanymi z krzywej parametrów stanu.

 Zgodnie z dostawą materiałów na miejscu i postępem montażu, zbiornikowe wyłomniki zostały zainstalowane, opróżnione próżniowo i zaladowane gazem na koniec listopada. Próby przekazania sprzętu i prace startowe skoncentrowane były w pierwszych dziesięciu dniach grudnia. W tym czasie temperatura otoczenia spadła poniżej -22°C, a wszystkie zainstalowane wyłomniki zostały zablokowane, uniemożliwiając normalne przeprowadzenie prób przekazania sprzętu, co wpłynęło na harmonogram budowy całej stacji.

Rozwiązania

W związku z powyższymi zjawiskami blokady na miejscu, proponuje się następujące rozwiązania:

Zmniejszenie ilości naladowanego gazu

Z krzywej charakterystycznej parametrów gazu SF₆ wynika, że gdy ilość naladowanego gazu w zbiorniku maleje, temperatura gazowania spada, a odpowiadająca jej temperatura blokady również maleje. Na przykład, gdy znamionowe ciśnienie naladowania gazu zostanie dostosowane do 0,56 MPa, temperatura gazowania wyniesie -28°C, a temperatura blokady -32°C. W tym przypadku temperatura gazowania jest niższa od temperatury otoczenia, co oznacza, że nie wystąpi zjawisko blokady. Jednak po zmniejszeniu ilości naladowanego gazu, zdolność do gaszenia łuku i właściwości izolacyjne wyłomnika obniżą się. Metody polegające na zmianie końcowego stanu urządzenia i wpływające na jego wydajność powinny zostać dokładnie przebadane i udowodnione przez jednostkę projektową i producenta przed wdrożeniem.

Jeśli końcowy stan urządzenia nie ma być zmieniany, to znaczy, że ilość naladowanego gazu zostanie zmniejszona do pewnej wartości (np. 0,6 MPa) przed testem przekazania, a następnie ilość gazu zostanie uzupełniona do wartości znamionowej po zakończeniu testu i wdrożenia. Ta metoda może wydawać się wykonalna, ale w rzeczywistości nie jest. Po pierwsze, po zmniejszeniu ilości gazu, właściwości izolacyjne wyłomnika pogarszają się. Bez dokładnego udowodnienia istnieje ryzyko, że wyłomnik może zostać przebity podczas testu wytrzymałości na napięcie. Po drugie, nawet jeśli test przebiegnie pomyślnie, wyniki testu nie mają żadnej wartości odniesienia. Test przekazania sprzętu to sprawdzenie jakości produkcji producenta i jakości montażu wykonawcy, który powinien być przeprowadzony po całkowitym zakończeniu montażu sprzętu. Proces naladowania gazu jest jasno krokiem w procesie montażu sprzętu.

Użycie mieszaniny gazów

Obecnie, zarówno w kraju, jak i za granicą, stosuje się mieszanki gazów, aby obniżyć temperaturę gazowania poprzez dodanie pewnej proporcji innych gazów (takich jak CF₄, CO₂ i N₂) do gazu SF₆. Jednakże, właściwości izolacyjne i gaszące łuk mieszanki gazów nie mogą osiągnąć poziomu czystego gazu SF₆. Przy tym samym ciśnieniu naladowania, zdolność do przerwania prądu wyłomnika wypełnionego mieszaniną gazów będzie około 20% niższa niż wyłomnika wypełnionego czystym gazem SF₆. Aby osiągnąć tę samą izolację, ciśnienie naladowania mieszanki gazów musi być wyższe niż ciśnienie czystego gazu SF₆.

Na przykład, dla mieszanki SF₆/N₂, można użyć następującego wzoru obliczeniowego:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

W formule, Pm to ciśnienie naladowania mieszanki gazów, potrzebne do osiągnięcia tej samej izolacji, P_SF6 to ciśnienie naladowania czystego gazu SF₆, a x% jest procentowym udziałem gazu SF₆ w mieszance. Z powyższego wzoru wynika, że dla mieszanki SF₆/N₂ zawierającej 20% gazu SF₆, wymagane ciśnienie naladowania wynosi około 1,4 razy więcej niż dla czystego gazu SF₆. Dla wyłomnika na miejscu, ciśnienie naladowania musi wynieść 1,12 MPa, co stawia nowe wymagania dla całościowej struktury wyłomnika.

Montaż urządzeń grzewczych

Głównym zewnętrznym czynnikiem gazowania gazu SF₆ jest to, że temperatura otoczenia jest niższa niż temperatura gazowania. Jeśli wokół zbiornika zainstalowany zostanie grzejnik śledzący, który ogrzewa zbiornik i zwiększa jego temperaturę, problem gazowania może być rozwiązany.

Zbiornikowe wyłomniki Hangzhou Siemens korzystają ze szwajcarskiego relé gęstościowego Trafag, które ma funkcję kompensacji temperatury, a jego wskazania odzwierciedlają zmianę gęstości gazu, a nie ciśnienia. Zasada działania tego relé gęstościowego polega na monitorowaniu gęstości gazu poprzez porównanie różnicy ciśnień między gazem w zbiorniku wyłomnika a standardowym gazem przewożonym przez relé gęstościowe. Jak pokazano na Rysunku 7, gdy temperatura otoczenia zmienia się w zakresie powyżej temperatury gazowania, ciśnienia gazów w dwóch komorach gazu zmieniają się jednocześnie, różnica ciśnień wynosi zero, przegub rozszerzający nie działa, a wskazówka licznika nie porusza się; gdy gaz w zbiorniku gazuje lub przecieka, ciśnienie gazu standardowego względnie wzrasta, przegub rozszerzający działa, powodując ruch wskazówki licznika.

Gdy temperatura otoczenia spadnie do temperatury gazowania, grzejnik śledzący aktywuje się, a temperatura zbiornika wzrasta odpowiednio. Powstaje wtedy różnica temperatur między gazem w zbiorniku a gazem w przegubie rozszerzającym, co powoduje odchylenie wskazań licznika i zapobiega precyzyjnemu odzwierciedleniu rzeczywistego stanu gazu w zbiorniku.

Podsumowanie

W niniejszym artykule krótko opisano proces gazowania gazu SF₆. W odniesieniu do problemu gazowania gazu SF₆, który wystąpił podczas instalacji zbiornikowych wyłomników w dziale filtrów AC stacji przekształtnikowej Ximeng, zaproponowano i omówiono trzy rozwiązania: zmniejszenie ilości naladowanego gazu, zastąpienie mieszaniną gazów i dodanie urządzeń grzewczych. Analiza i porównanie wykazały, że zarówno zmniejszenie ilości naladowanego gazu, jak i zastąpienie mieszaniną gazów, wpłynęłyby na właściwości izolacyjne i gaszące łuk, dlatego nie są one odpowiednie. Metoda wykorzystująca grzejnik śledzący do ogrzewania zbiornika, aby zapobiec gazowaniu, choć spowoduje pewne odchylenie wskazań licznika, może zagwarantować płynne postępowanie testu przekazania sprzętu, co czyni ją bardziej odpowiednim rozwiązaniem.