Diskussion om problemet med gasförflödning vid installation av tankavbrottsuttagare i kalla regioner

Teknisk förklaring av svavhexafluorid (SF₆) strömbrytare och utmaningar med gasvätning

SF₆ strömbrytare, som använder svavhexafluoridgas – känd för dess utmärkta egenskaper för att släcka bågar och isolera – som bågsläckningsmedium, används vid stora strömmar i elsystem. Dessa brytare är lämpliga för frekventa operationer och situationer som kräver snabb avbrott. I Kina används SF₆ strömbrytare i princip för spänningsnivåer på 110 kV och högre. På grund av de fysiska egenskaperna hos SF₆-gas kan den dock vätas under vissa temperatur- och tryckförhållanden, vilket leder till att densiteten av SF₆-gasen i strömbrytarens tank minskar. När densiteten sjunker till en viss nivå kommer strömbrytaren att utlösa ett skyddslås. I vissa regioner i Kina, som Inner Mongolia, Nordostkina, Xinjiang och Tibet, där temperaturen kan nå -30°C eller ännu lägre under vintern, inträffar företeelsen av låsning orsakad av vätning av SF₆-gas ibland.

Kort beskrivning av SF₆-gasvätning

SF₆-gas har extremt hög kemisk stabilitet. Det är en färglös, odorlös, smaklös och obrytningsbar gas vid normal temperatur och tryck, med utmärkta isolerande och bågsläckande egenskaper.

Den kritiska temperaturen för en gas refererar till den högsta temperaturen vid vilken gasen kan vätas. När temperaturen är högre än detta värde kan gasen inte vätas oavsett hur mycket tryck som appliceras.

För "permanent gaser" som syre, kväve, väte och helium, är deras kritiska temperaturer under -100°C, så gasvätning behöver inte beaktas vid omgivande temperaturer. SF₆-gas är annorlunda; dess kritiska temperatur är 45.6°C. Den kan endast bibehålla en konstant gasform när temperaturen är över 45.6°C. Vid omgivande temperaturer kan den vätas när det externa trycket når ett visst värde. Därför måste problemet med gasvätning beaktas för utrustning som fylls med SF₆-gas.

Tillståndsparameterkurvan för SF₆-gas visas i figur 1. Under villkor av konstant gasdensitet ρ, minskar gastypestrycket i takt med att temperaturen sjunker. När temperaturen sjunker till vätningpunkten A som motsvarar denna gasdensitet börjar gasen vätas, och gasdensiteten minskar sedan.

Verksamhetssituation på plats

Ximeng omvandlingsstation ligger i Chaoke Wula Sumu, Xilinhot stad, Xilingol liga, Inner Mongoli autonoma region. Med en höjd på 914 meter och en breddgrad på 44.2° har den en uppvärmningsperiod på upp till sju månader och klassificeras som en allvarligt kall region i Kina. I stationens AC-filterskog finns 20 st 3AP3 DT tanktyp strömbrytare tillverkade av Hangzhou Siemens installerade, med en spänningsnivå på 550 kV. Dessa strömbrytare är utrustade med täthetsreläer som har en temperaturkompensationsfunktion, och deras indikationer återspeglar förändringar i gasdensitet snarare än tryckförändring. De huvudsakliga parametrarna för strömbrytarna visas i tabell 1.

Under installationsprocessen genomfördes gasfyllning strikt enligt parametrarna från tillverkaren. Det nominella gasfyllningstrycket sattes till 0,8 MPa, alarmtrycket till 0,72 MPa, och låsningstrycket till 0,7 MPa (manometritycke vid 20°C). Tillståndsparameterkurvan för SF₆-gas visas i figur 2. Som synes från figuren, när tanken är väl tät och det inte finns någon gasläckage, kommer gasen i tanken att vätas när temperaturen sjunker till -18°C; ett alarm aktiveras när temperaturen når -21°C; och strömbrytaren låses när temperaturen sjunker till -22°C. Den faktiska verksamhetssituationen på plats visas i figur 3.

Den faktiska situationen på plats är konsekvent med resultaten från tillståndsparameterkurvan.

 Enligt materialleveranssituationen på plats och utrustningsinstallationsframsteg, slutfördes installation, vakuumdrift och gasfyllning av tanktyp strömbrytare i slutet av november. Utrustningsöverlämningsprov och kommissionering arbeten koncentrerades under de första tio dagarna i december. På det här laget hade den omgivande temperaturen sjunkit under -22°C, och alla installerade strömbrytare låstes, vilket gjorde det omöjligt att utföra överlämningsprovet för strömbrytaren normalt och därmed påverkade byggnadsprogramnoderna för hela stationen.

Lösningar

I anslutning till de ovan nämnda låsningsfenomenen på plats föreslås följande lösningar:

Minskning av gasfyllningsmängd

Det kan ses från karakteristiska kurvor för SF₆-gasparametrar att när gasfyllningsmängden i tanken minskar, kommer temperaturen för gasvätning att sjunka, och den motsvarande låsningstemperaturen kommer också att minska. Till exempel, när det nominella gasfyllningstrycket justeras till 0,56 MPa, blir vätningstemperaturen -28°C, och låsningstemperaturen -32°C. På det här laget är vätningstemperaturen lägre än omgivande temperaturen, och det kommer inte att finnas något låsningsfenomen. Men efter minskningen av gasfyllningsmängden kommer bågsläckande prestanda och isoleringsprestanda för strömbrytaren att båda sjunka. Sådana metoder som involverar ändringar i utrustningens slutliga tillstånd och påverkar dess prestanda behöver noggrant studeras och bevisas av designenheten och tillverkaren innan de implementeras.

Om det slutliga tillståndet för utrustningen inte ska ändras, det vill säga, minskning av gasfyllningsmängden till ett visst värde (t.ex. 0,6 MPa) innan överlämningsprovet och återfyllning av gasfyllningsmängden till det nominella värdet efter prov och kommissionering är slutförda. Denna metod kan verka möjlig, men i själva verket är det inte. För det första, efter minskningen av gasfyllningsmängden, försämras isoleringsprestanda för strömbrytaren. Utan exakt demonstration finns det en risk att strömbrytaren kan trängas igenom under spänningsprövning. För det andra, även om prövningen går bra, har prövningsresultaten ingen referensvärde. Utrustningsöverlämningsprövning är en kontroll av tillverkarens produktionskvalitet och installatörens installationskvalitet, och det bör utföras efter att utrustningsinstallationen är helt slutförd. Och gasfyllningsprocessen är tydligt en del av utrustningsinstallationsprocessen.

Användning av blandad gas

För närvarande finns det praktiker både in- och utomlands för att reducera vätningstemperaturen genom att blanda en viss andel av andra gaser (som CF₄, CO₂ och N₂) i SF₆-gas. Men insulerings- och bågsläckande prestanda för blandad gas kan inte nå samma nivå som ren SF₆-gas. Under samma gasfyllningstryck kommer strömbrytarens strömavbrottsförmåga med blandad gas att vara cirka 20% lägre än för en strömbrytare fylld med ren SF₆-gas. Om samma insuleringsprestanda ska uppnås, måste gasfyllningstrycket för blandad gas vara högre än för ren SF₆-gas.

Som ett exempel på SF₆/N₂-blandad gas, kan följande beräkningsformel användas:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

I formeln är Pm gasfyllningstrycket för blandad gas för att uppnå samma insuleringsprestanda, P_SF6 är gasfyllningstrycket för ren SF₆-gas, och x% är procentandelen av SF₆-gas i blandad gas. Från formeln kan man se att för SF₆/N₂-blandad gas som innehåller 20% SF₆-gas, krävs gasfyllningstrycket ungefär 1,4 gånger mer än för ren SF₆-gas. För den aktuella strömbrytaren på plats, behöver gasfyllningstrycket uppnå 1,12 MPa, vilket ställer nya krav på hela strömbrytarens struktur.

Installation av uppvärmningsenheter

Den huvudsakliga externa faktorn för vätning av SF₆-gas är att omgivande temperatur är lägre än dess vätningstemperatur. Om en spåruppvärmare installeras runt tanken för att värma tanken och öka dess temperatur, kan vätningproblemet lösas.

Tanktyp strömbrytare från Hangzhou Siemens använder Schweiz trafag täthetsrelä, som har en temperaturkompensationsfunktion och dess indikation återspeglar förändringen i gasdensitet snarare än tryckförändring. Indikationsprincipen för detta täthetsrelä är att övervaka gasdensiteten genom att jämföra tryckskillnaden mellan gasen i strömbrytarens tank och standardgasen som bärs av täthetsreläet. Som visas i figur 7, när omgivande temperatur förändras inom området över vätningstemperaturen, ändras gastrycket i de två gasrummen samtidigt, tryckskillnaden är noll, expansionsslutet agerar inte, och mätarpilen rör sig inte; när gasen i tanken vätas eller läcker, ökar standardgasens relativt tryck, expansionsslutet agerar, vilket gör att mätarpilen rör sig.

När omgivande temperatur sjunker till vätningstemperaturen aktiveras spåruppvärmaren, och tankens temperatur ökar därefter. Det skapar en temperatur skillnad mellan gasen i tanken och gasen i expansionsslutet, vilket resulterar i en avvikelse i mätarens indikation och hindrar den från att korrekt återspegla det faktiska tillståndet av gasen i tanken.

Slutsats

Denna artikel ger en kort beskrivning av vätningprocessen för SF₆-gas. Angående vätningproblem med SF₆-gas som inträffade under installationen av tanktyp strömbrytare i AC-filterskogen på Ximeng omvandlingsstation, föreslogs och diskuterades tre lösningar: minskning av gasfyllningsmängd, ersättning med blandad gas, och tillägg av uppvärmningsenheter. Genom analys och jämförelse konstaterades att både minskning av gasfyllningsmängd och ersättning med blandad gas skulle påverka gasens isolerings- och bågsläckande prestanda, så de är inte lämpliga. Metoden att använda en spåruppvärmare för att värma tanken för att förhindra gasvätning, trots att den kommer att orsaka en viss felbedömning i mätarens indikation, kan garantera en smidig framfart av utrustningsöverlämningsprövning, så det är en mer lämplig lösning.