Discussão sobre o Problema da Liquefação de Gás durante a Instalação de Interruptores de Tanque em Regiões de Frio Extremo

Explicação Técnica dos Disjuntores de Gás Sulfur Hexafluoride (SF₆) e Desafios de Liquidação do Gás

Os disjuntores de SF₆, que utilizam gás hexafluoreto de enxofre - conhecido por suas excelentes propriedades de extinção de arco e isolamento - como meio de extinção de arco, são amplamente aplicados em sistemas de energia. Esses disjuntores são adequados para operações frequentes e cenários que exigem interrupção de alta velocidade. Na China, os disjuntores de SF₆ são basicamente usados para níveis de tensão de 110kV e acima. No entanto, devido às propriedades físicas do gás SF₆, ele pode se liquefazer sob certas condições de temperatura e pressão, causando uma diminuição na densidade do gás SF₆ no tanque do disjuntor. Quando a densidade cai para um certo nível, o disjuntor acionará um bloqueio de proteção. Em algumas regiões da China, como a Mongólia Interior, Nordeste, Xinjiang e Tibet, onde a temperatura ambiente pode chegar a -30°C ou até mais baixa no inverno, o fenômeno de bloqueio causado pela liquefação do gás SF₆ ocorre de vez em quando.

Breve Descrição da Liquefação do Gás SF₆

O gás SF₆ tem estabilidade química extremamente alta. É um gás incolor, inodoro, insípido e não inflamável à temperatura e pressão normais, com excelentes propriedades isolantes e de extinção de arco.

A temperatura crítica de um gás refere-se à temperatura máxima na qual o gás pode ser liquefeito. Quando a temperatura é superior a esse valor, o gás não pode ser liquefeito, independentemente da pressão aplicada.

Para "gases permanentes" como oxigênio, nitrogênio, hidrogênio e hélio, suas temperaturas críticas estão abaixo de -100°C, portanto, a liquefação do gás não precisa ser considerada em temperaturas ambiente. O gás SF₆ é diferente; sua temperatura crítica é de 45.6°C. Ele só pode manter um estado gasoso constante quando a temperatura está acima de 45.6°C. Em temperaturas ambiente, ele pode ser liquefeito quando a pressão externa atinge um certo valor. Portanto, para equipamentos preenchidos com gás SF₆, o problema de liquefação do gás precisa ser considerado.

A curva de parâmetros de estado do gás SF₆ é mostrada na Figura 1. Sob a condição de uma densidade de gás constante ρ, à medida que a temperatura diminui, a pressão do gás também diminui. Quando a temperatura cai ao ponto de liquefação A correspondente a essa densidade de gás, o gás começa a se liquefazer, e a densidade do gás então diminui.

Situação Real no Local

A Estação Conversora de Ximeng está localizada em Chaoke Wula Sumu, Cidade de Xilinhot, Liga de Xilingol, Região Autônoma da Mongólia Interior. Com altitude de 914 metros e latitude de 44.2°, tem um período de aquecimento de até sete meses e é classificada como uma região de frio severo na China. No pátio de filtros AC da estação, estão instalados 20 conjuntos de disjuntores de tanque tipo 3AP3 DT fabricados pela Hangzhou Siemens, com tensão nominal de 550 kV. Esses disjuntores são equipados com relés de densidade que têm função de compensação de temperatura, e suas indicações refletem a mudança na densidade do gás, e não a mudança de pressão. Os principais parâmetros dos disjuntores são mostrados na Tabela 1.

Durante o processo de instalação, o enchimento de gás foi realizado estritamente de acordo com os parâmetros fornecidos pelo fabricante. A pressão de enchimento nominal foi definida em 0,8 MPa, a pressão de alarme em 0,72 MPa e a pressão de bloqueio em 0,7 MPa (pressão de manômetro a 20°C). A curva de parâmetros de estado do gás SF₆ é mostrada na Figura 2. Como pode ser visto na figura, quando o tanque está bem vedado e não há vazamento de gás, o gás dentro do tanque se liquefará quando a temperatura cair a -18°C; será acionado um alarme quando a temperatura atingir -21°C; e o disjuntor será bloqueado quando a temperatura cair a -22°C. A situação real no local é mostrada na Figura 3.

A situação real no local está de acordo com os resultados obtidos a partir da curva de parâmetros de estado.

De acordo com a situação de fornecimento de materiais no local e o progresso da instalação do equipamento, os disjuntores de tanque completaram a instalação, bombeamento a vácuo e enchimento de gás no final de novembro. Os testes de transferência de equipamento e as atividades de comissionamento foram concentradas nos primeiros dez dias de dezembro. Neste momento, a temperatura ambiente havia caído abaixo de -22°C, e todos os disjuntores instalados foram bloqueados, tornando impossível realizar os testes de transferência de equipamento de disjuntores normalmente, afetando assim os nós de programação de construção da estação inteira.

Soluções

Diante dos fenômenos de bloqueio mencionados no local, as seguintes soluções são propostas:

Redução da Quantidade de Enchimento de Gás

Pode-se ver a partir da curva característica de parâmetros do gás SF₆ que, quando a quantidade de enchimento de gás dentro do tanque diminui, a temperatura de liquefação do gás diminuirá, e a temperatura de bloqueio correspondente também diminuirá. Por exemplo, quando a pressão de enchimento nominal for ajustada para 0,56 MPa, a temperatura de liquefação será -28°C, e a temperatura de bloqueio será -32°C. Neste momento, a temperatura de liquefação é inferior à temperatura ambiente, e não haverá fenômeno de bloqueio. No entanto, após a redução da quantidade de enchimento, o desempenho de extinção de arco e isolamento do disjuntor diminuirá. Métodos que envolvem alterações no estado final do equipamento e afetam seu desempenho precisam ser estudados e demonstrados a fundo pela unidade de projeto e pelo fabricante antes da implementação.

Se o estado final do equipamento não for alterado, ou seja, se a quantidade de enchimento de gás for reduzida a um certo valor (como 0,6 MPa) antes do teste de transferência e reabastecida com a quantidade nominal após o teste e a comissão serem concluídos, este método pode parecer viável, mas na verdade, não é. Primeiro, após a redução da quantidade de enchimento, o desempenho isolante do disjuntor piora. Sem uma demonstração precisa, existe a possibilidade de que o disjuntor seja perfurado durante o teste de resistência a tensão. Segundo, mesmo que o teste seja passado sem problemas, os resultados do teste não têm valor de referência. O teste de transferência de equipamento é uma inspeção da qualidade de produção do fabricante e da qualidade de instalação do instalador, e deve ser realizado após a instalação do equipamento estar completamente concluída. E o processo de enchimento de gás é claramente uma etapa no processo de instalação do equipamento.

Uso de Gás Misturado

Atualmente, em casa e no exterior, existem práticas de reduzir a temperatura de liquefação misturando uma certa proporção de outros gases (como CF₄, CO₂ e N₂) no gás SF₆. No entanto, o desempenho isolante e de extinção de arco do gás misturado não pode alcançar o nível do gás SF₆ puro. Sob a mesma pressão de enchimento, a capacidade de interrupção de corrente de um disjuntor preenchido com gás misturado será cerca de 20% menor do que a de um disjuntor preenchido com gás SF₆ puro. Se o mesmo desempenho isolante for alcançado, a pressão de enchimento do gás misturado deve ser maior do que a do gás SF₆ puro.

Tomando o gás misto SF₆/N₂ como exemplo, a seguinte fórmula de cálculo pode ser usada:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

Na fórmula, Pm é a pressão de enchimento do gás misto para alcançar o mesmo desempenho isolante, P_SF6 é a pressão de enchimento do gás SF₆ puro, e x% é o percentual de conteúdo de gás SF₆ no gás misturado. Pode-se ver a partir da fórmula acima que, para o gás misto SF₆/N₂ contendo 20% de gás SF₆, a pressão de enchimento necessária é aproximadamente 1,4 vezes a do gás SF₆ puro. Para o disjuntor no local, a pressão de enchimento precisa atingir 1,12 MPa, o que impõe novas exigências para a estrutura completa do disjuntor.

Instalação de Dispositivos de Aquecimento

O principal fator externo para a liquefação do gás SF₆ é que a temperatura ambiente é inferior à sua temperatura de liquefação. Se for instalado um aquecedor de traçado ao redor do tanque para aquecer o tanque e aumentar sua temperatura, o problema de liquefação pode ser resolvido.

Os disjuntores de tanque da Siemens Hangzhou usam o relé de densidade da trafag suíça, que tem função de compensação de temperatura e sua indicação reflete a mudança na densidade do gás, e não a mudança de pressão. O princípio de indicação deste relé de densidade é monitorar a densidade do gás comparando a diferença de pressão entre o gás no tanque do disjuntor e o gás padrão carregado pelo relé de densidade. Como mostrado na Figura 7, quando a temperatura ambiente muda no intervalo acima da temperatura de liquefação, as pressões do gás nas duas câmaras de gás mudam simultaneamente, a diferença de pressão é zero, a junta de expansão não age, e o ponteiro do medidor não se move; quando o gás no tanque se liquefaz ou vaza, a pressão do gás padrão aumenta relativamente, a junta de expansão age, fazendo o ponteiro do medidor se mover.

Quando a temperatura ambiente cai para a temperatura de liquefação, o aquecedor de traçado é ativado, e a temperatura do tanque aumenta em conformidade. Isso cria uma diferença de temperatura entre o gás dentro do tanque e o gás dentro da junta de expansão, resultando em um desvio na indicação do medidor, impedindo-o de refletir com precisão a condição real do gás dentro do tanque.

Conclusão

Este artigo descreve brevemente o processo de liquefação do gás SF₆. Em relação ao problema de liquefação do gás SF₆ que ocorreu durante a instalação dos disjuntores de tanque no pátio de filtros AC da Estação Conversora de Ximeng, três soluções foram propostas e discutidas: redução da quantidade de enchimento de gás, substituição por gás misturado e adição de dispositivos de aquecimento. Através da análise e comparação, descobriu-se que tanto a redução da quantidade de enchimento quanto a substituição por gás misturado afetariam o desempenho isolante e de extinção de arco do gás, portanto, não são adequadas. O método de usar um aquecedor de traçado para aquecer o tanque e prevenir a liquefação do gás, embora cause um certo erro na indicação do medidor, pode garantir o andamento suave do teste de transferência de equipamento, sendo, portanto, uma solução mais apropriada.