Обсуждение проблемы сжижения газа при установке танковых выключателей в условиях сурового холодного климата

Техническое объяснение выключателей на основе гексафторида серы (SF₆) и проблем газообразования

Выключатели на основе гексафторида серы (SF₆), использующие газ SF₆, известный своими отличными дугогасящими и изоляционными свойствами, как средство для тушения дуги, широко применяются в энергетических системах. Эти выключатели подходят для частых операций и сценариев, требующих высокоскоростного прерывания. В Китае выключатели SF₆ в основном используются для напряжений 110 кВ и выше. Однако, из-за физических свойств газа SF₆, он может конденсироваться при определенных температурных и давлении условиях, что приводит к снижению плотности газа SF₆ в резервуаре выключателя. Когда плотность падает до определенного уровня, выключатель активирует блокировку защиты. В некоторых регионах Китая, таких как Внутренняя Монголия, Северо-Восточный Китай, Синьцзян и Тибет, где зимой температура окружающей среды может достигать -30°C или даже ниже, явление блокировки, вызванное конденсацией газа SF₆, происходит время от времени.

Краткое описание конденсации газа SF₆

Газ SF₆ обладает крайне высокой химической стабильностью. Это бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха и негорючий газ при нормальной температуре и давлении, с отличными изоляционными и дугогасящими свойствами.

Критическая температура газа — это максимальная температура, при которой газ можно сжижить. Когда температура выше этого значения, газ не может быть сжижен, независимо от давления.

Для "постоянных газов", таких как кислород, азот, водород и гелий, их критические температуры ниже -100°C, поэтому сжижение газа не нужно учитывать при температуре окружающей среды. Газ SF₆ отличается; его критическая температура составляет 45.6°C. Он может сохранять постоянное газообразное состояние только при температуре выше 45.6°C. При температуре окружающей среды он может сжижаться, когда внешнее давление достигает определенного значения. Поэтому для оборудования, заполненного газом SF₆, необходимо учитывать проблему сжижения газа.

Кривая параметров состояния газа SF₆ показана на рисунке 1. При постоянной плотности газа ρ, с понижением температуры давление газа также снижается. Когда температура падает до точки конденсации A, соответствующей этой плотности газа, газ начинает сжижаться, и плотность газа затем уменьшается.

На месте фактическая ситуация

Подстанция Си Мэн расположена в Чаоко Ула Суму, городе Силиньхот, лиге Силиньго, автономном районе Внутренняя Монголия. На высоте 914 метров и широте 44.2°, она имеет отопительный период до семи месяцев и классифицируется как регион с суровым холодным климатом в Китае. В фильтр-ярде переменного тока станции установлены 20 комплектов выключателей типа 3AP3 DT, изготовленных компанией Hangzhou Siemens, с номинальным напряжением 550 кВ. Эти выключатели оснащены реле плотности с функцией температурной компенсации, и их показания отражают изменение плотности газа, а не давления. Основные параметры выключателей представлены в таблице 1.

В процессе установки заправка газом была проведена строго в соответствии с параметрами, предоставленными производителем. Номинальное давление заправки было установлено на уровне 0,8 МПа, давление тревоги — 0,72 МПа, а давление блокировки — 0,7 МПа (манометрическое давление при 20°C). Кривая параметров состояния газа SF₆ показана на рисунке 2. Как видно из рисунка, при хорошей герметичности бака и отсутствии утечки газа, газ внутри бака будет конденсироваться, когда температура опустится до -18°C; тревога будет срабатывать, когда температура достигнет -21°C; и выключатель будет заблокирован, когда температура опустится до -22°C. Фактическая ситуация на месте показана на рисунке 3.

Фактическая ситуация на месте соответствует результатам, полученным из кривой параметров состояния.

 С учетом ситуации с поставкой материалов на месте и прогресса установки оборудования, монтаж, откачка вакуума и заправка газом баковых выключателей были завершены в конце ноября. Передача оборудования, испытания и пусконаладочные работы были сосредоточены в первые десять дней декабря. В это время температура окружающей среды опустилась ниже -22°C, и все установленные выключатели были заблокированы, что сделало невозможным нормальное проведение передачи оборудования выключателей, что повлияло на график строительства всей подстанции.

Решения

Учитывая вышеупомянутые явления блокировки на месте, предлагаются следующие решения:

Уменьшение количества заправки газом

Из характеристической кривой параметров газа SF₆ видно, что при уменьшении количества заправки газом внутри бака, температура конденсации газа снизится, и соответствующая температура блокировки также снизится. Например, если номинальное давление заправки будет скорректировано до 0,56 МПа, температура конденсации составит -28°C, а температура блокировки — -32°C. В этом случае температура конденсации ниже температуры окружающей среды, и явления блокировки не будет. Однако после уменьшения количества заправки газом, дугогасящие и изоляционные свойства выключателя ухудшатся. Такие методы, связанные с изменениями конечного состояния оборудования и влияющие на его производительность, должны быть тщательно изучены и продемонстрированы проектной организацией и производителем перед их внедрением.

Если конечное состояние оборудования не должно изменяться, то есть, уменьшение количества заправки газом до определенного значения (например, 0,6 МПа) перед передачей и последующее восполнение количества заправки газом до номинального значения после завершения испытаний и пусконаладочных работ. Этот метод кажется возможным, но на самом деле он не таков. Во-первых, после уменьшения количества заправки газом, изоляционные свойства выключателя ухудшаются. Без точной демонстрации существует вероятность, что выключатель может пробиться во время испытания на прочность. Во-вторых, даже если испытание пройдет успешно, результаты испытаний не будут иметь ценности. Передача оборудования — это проверка качества производства производителя и качества установки монтажника, и она должна проводиться после полного завершения установки оборудования. А процесс заправки газом явно является этапом процесса установки оборудования.

Использование смеси газов

В настоящее время, как в стране, так и за рубежом, существуют практики снижения температуры конденсации путем добавления определенной пропорции других газов (таких как CF₄, CO₂ и N₂) в газ SF₆. Однако изоляционные и дугогасящие свойства смеси газов не могут достичь уровня чистого газа SF₆. При одинаковом давлении заправки, прерыватель, заполненный смесью газов, будет иметь примерно на 20% меньшую пропускную способность, чем прерыватель, заполненный чистым газом SF₆. Если требуется достижение того же уровня изоляции, давление заправки смеси газов должно быть выше, чем давление заправки чистого газа SF₆.

На примере смеси SF₆/N₂, можно использовать следующую формулу расчета:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

В формуле Pm — это давление заправки смеси газов для достижения того же уровня изоляции, P_SF6 — это давление заправки чистого газа SF₆, а x% — процентное содержание газа SF₆ в смеси газов. Из вышеуказанной формулы видно, что для смеси SF₆/N₂, содержащей 20% газа SF₆, требуемое давление заправки будет примерно в 1,4 раза больше, чем для чистого газа SF₆. Для выключателя на месте, давление заправки должно достигать 1,12 МПа, что предъявляет новые требования к всей конструкции выключателя.

Установка нагревательных устройств

Основным внешним фактором, вызывающим конденсацию газа SF₆, является температура окружающей среды, которая ниже его температуры конденсации. Если вокруг бака установить нагревательный кабель, чтобы нагревать бак и повышать его температуру, проблема конденсации может быть решена.

Баковые выключатели компании Hangzhou Siemens используют швейцарское реле плотности trafag, которое имеет функцию температурной компенсации, и его показания отражают изменение плотности газа, а не давления. Принцип индикации этого реле плотности заключается в мониторинге плотности газа путем сравнения разницы давления между газом в баке выключателя и стандартным газом, который несет реле плотности. Как показано на рисунке 7, когда температура окружающей среды изменяется в диапазоне выше температуры конденсации, давление газа в двух газовых камерах меняется одновременно, разница давления равна нулю, расширительное соединение не действует, и указатель не движется; когда газ в баке конденсируется или утекает, давление стандартного газа относительно увеличивается, расширительное соединение действует, вызывая движение указателя.

Когда температура окружающей среды опускается до температуры конденсации, включается нагревательный кабель, и температура бака соответственно повышается. Это создает разницу температур между газом внутри бака и газом внутри расширительного соединения, что приводит к отклонению показаний указателя и препятствует точному отражению фактического состояния газа внутри бака.

Заключение

В данной статье кратко описывается процесс конденсации газа SF₆. В отношении проблемы конденсации газа SF₆, возникшей при установке баковых выключателей в фильтр-ярде переменного тока подстанции Си Мэн, были предложены и обсуждены три решения: уменьшение количества заправки газом, замена на смесь газов и добавление нагревательных устройств. В результате анализа и сравнения было установлено, что как уменьшение количества заправки газом, так и замена на смесь газов, повлияют на изоляционные и дугогасящие свойства газа, поэтому они не подходят. Метод использования нагревательного кабеля для нагрева бака, чтобы предотвратить конденсацию газа, хотя и вызывает некоторую погрешность в показаниях указателя, может обеспечить успешное проведение передачи оборудования, поэтому это более подходящее решение.