Обговорення проблеми рідкого газу під час встановлення бакових вимикачів у регіонах з сильним холодом

Технічне пояснення щодо вимикачів на шістифторованому сірку (SF₆) та проблем з рідкісненням газу

Вимикачі на шістифторованому сірку (SF₆), які використовують газ шістифторований сірка — відомий своїми відмінними властивостями пригасання дуги та ізоляції — як середовище для пригашення дуги, широко застосовуються в енергетичних системах. Ці вимикачі підходять для частих операцій та ситуацій, де потрібно швидке переривання. В Китаї вимикачі на SF₆ в основному використовуються для напруги 110 кВ і вище. Однак через фізичні властивості газу SF₆, він може рідкіснитися при певних температурних та тискових умовах, що призводить до зменшення щільності газу SF₆ у баку вимикача. Коли щільність опускається до певного рівня, вимикач активує блокування захисту. У деяких регіонах Китаю, таких як Внутрішня Монголія, Північний Схід, Синьцзян та Тибет, де температура навколишнього середовища може досягати -30°C або навіть нижче зимою, явище блокування через рідкіснення газу SF₆ відбувається час від часу.

Короткий опис рідкіснення газу SF₆

Газ SF₆ має надзвичайно високу хімічну стабільність. Це безбарвний, беззапахний, безвкусний та невтампливний газ при нормальних температурі та тиску, з відмінними властивостями ізоляції та пригасання дуги.

Критична температура газу — це найвища температура, при якій газ може бути рідкіснений. Коли температура вища за це значення, газ не може бути рідкіснений, незалежно від прикладеного тиску.

Для "постійних газів", таких як кисень, азот, водень та гелій, їх критичні температури нижче -100°C, тому рідкіснення газу не потрібно враховувати при навколишніх температурах. Газ SF₆ відрізняється; його критична температура становить 45.6°C. Він може підтримувати постійний газоподібний стан лише при температурі вище 45.6°C. При навколишніх температурах він може бути рідкіснений, коли зовнішній тиск досягає певного значення. Тому для обладнання, заповненого газом SF₆, потрібно враховувати проблему рідкіснення газу.

Крива параметрів стану газу SF₆ показана на рисунку 1. При сталій щільності газу ρ, зі зниженням температури тиск газу також знижується. Коли температура опускається до точки рідкіснення A, відповідної цій щільності газу, газ починає рідкіснитися, і щільність газу знижується.

На місцеві реальні умови

Перетворювальна станція Сімінг розташована в Чаке Вула Суму, місто Хулун-Буир, Ліга Сілін-Гол, Автономний район Внутрішньої Монголії. З висотою 914 метрів та широтою 44.2°, вона має період опалення до семи місяців і класифікується як регіон зі стрімким холодом в Китаї. На АС-фільтровій ділянці станції встановлено 20 комплектів вимикачів типу 3AP3 DT, виготовлених компанією Hangzhou Siemens, з номінальною напругою 550 кВ. Ці вимикачі оснащені реле щільності з функцією компенсації температури, і їх показники відображають зміну щільності газу, а не тиску. Основні параметри вимикачів показані в таблиці 1.

Під час процесу встановлення заповнення газом проводилось в строгому відповідності з параметрами, наданими виробником. Номінальний тиск заповнення газом був встановлений на 0.8 МПа, сигнал тривоги — на 0.72 МПа, а тиск блокування — на 0.7 МПа (манометричний тиск при 20°C). Крива параметрів стану газу SF₆ показана на рисунку 2. Як видно з рисунку, коли бак добре герметизований і немає витоку газу, газ усередині баку рідкісниться, коли температура опускається до -18°C; сигнал тривоги спрацьовує, коли температура досягає -21°C; а вимикач блокується, коли температура опускається до -22°C. Реальна ситуація на місці показана на рисунку 3.

Реальна ситуація на місці відповідає результатам, отриманим з кривої параметрів стану.

 Згідно з наявною ситуацією з поставками матеріалів та прогресом встановлення обладнання, вимикачі типу бак були встановлені, випаровані та заповнені газом в кінці листопада. Передача обладнання та роботи з комісіонування були проведено в перші десять днів грудня. На цей момент навколишня температура опустилася нижче -22°C, і всі встановлені вимикачі були заблоковані, що призводило до неможливості нормального проведення передачі обладнання вимикачів, що в свою чергу впливало на графік робіт на усьому об'єкті.

Рішення

З урахуванням вищезазначених явищ блокування на місці, пропонуються наступні рішення:

Зменшення кількості заповнення газом

З кривої характеристик параметрів газу SF₆ видно, що при зменшенні кількості заповнення газом у баку, температура рідкіснення газу знизиться, і відповідно знизиться температура блокування. Наприклад, коли номінальний тиск заповнення газом змінюється на 0.56 МПа, температура рідкіснення становить -28°C, а температура блокування — -32°C. В цьому випадку температура рідкіснення нижча за навколишню температуру, і явища блокування не буде. Однак, після зменшення кількості заповнення газом, характеристики пригасання дуги та ізоляції вимикача знижаться. Такі методи, що включають зміни кінцевого стану обладнання та впливають на його характеристики, повинні бути детально вивчені та доведені проектною організацією та виробником перед їх реалізацією.

Якщо кінцевий стан обладнання не змінюється, тобто кількість заповнення газом зменшується до певного значення (наприклад, 0.6 МПа) перед передачею, а після завершення тестування та комісіонування кількість заповнення газом поповнюється до номінального значення. Цей метод може здаватися можливим, але насправді це не так. По-перше, після зменшення кількості заповнення газом, ізоляційні характеристики вимикача погіршуються. Без точного підтвердження є можливість, що вимикач може бути пробитий під час випробування на стійкість до напруги. По-друге, навіть якщо випробування пройшло гладко, результати випробування не мають жодної референтної цінності. Передача обладнання — це перевірка якості виробництва виробника та якості встановлення встановлювача, і вона повинна бути проведена після повного завершення встановлення обладнання. Процес заповнення газом явно є кроком у процесі встановлення обладнання.

Використання суміші газів

На даний момент, как в Україні, так і за кордоном, існують практики зниження температури рідкіснення шляхом змішування певної пропорції інших газів (наприклад, CF₄, CO₂ та N₂) з газом SF₆. Однак, ізоляційні та характеристики пригасання дуги суміші газів не можуть досягти рівня чистого газу SF₆. При однаковому тиску заповнення, пропускна здатність вимикача, заповненого сумішшю газів, буде приблизно на 20% нижчою, ніж вимикача, заповненого чистим газом SF₆. Для досягнення такої ж ізоляційної характеристики, тиск заповнення суміші газів повинен бути вищим, ніж тиск чистого газу SF₆.

Наприклад, для суміші SF₆/N₂ можна використовувати наступну формулу:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

У формулі, Pm — це тиск заповнення суміші газів для досягнення такої самої ізоляційної характеристики, P_SF6 — це тиск заповнення чистого газу SF₆, а x% — це відсоткова кількість газу SF₆ у суміші. З вищезазначеного формулу видно, що для суміші SF₆/N₂, що містить 20% газу SF₆, необхідний тиск заповнення становить приблизно 1.4 рази більший, ніж для чистого газу SF₆. Для вимикача на місці, тиск заповнення повинен досягати 1.12 МПа, що ставить нові вимоги до всієї конструкції вимикача.

Встановлення нагрівальних пристроїв

Основний зовнішній фактор, що впливає на рідкіснення газу SF₆, полягає в тому, що навколишня температура нижча за його температуру рідкіснення. Якщо встановити нагрівальний пристрій навколо бака, щоб нагрівати бак і підвищувати його температуру, проблема рідкіснення може бути вирішена.

Вимикачі типу бак, виготовлені компанією Hangzhou Siemens, використовують швейцарські реле щільності Trafag, які мають функцію компенсації температури, і їх показники відображають зміну щільності газу, а не тиску. Принцип показу цих реле щільності полягає у контролі щільності газу шляхом порівняння різниці тисків між газом у баку вимикача та стандартним газом, який зберігається в релі. Як показано на рис. 7, коли навколишня температура змінюється в діапазоні вище температури рідкіснення, тиски газів у двох камерівках змінюються одночасно, різниця тисків дорівнює нулю, елемент розширення не діє, і стрілка приладу не рухається; коли газ у баку рідкісниться або втекає, тиск стандартного газу відносно зростає, елемент розширення діє, що призводить до руху стрілки приладу.

Коли навколишня температура опускається до температури рідкіснення, нагрівальний пристрій активується, і температура баку відповідно зростає. Це створює різницю температур між газом усередині баку та газом у елементі розширення, що призводить до відхилення показу приладу і не дозволяє йому точно відображати фактичний стан газу у баку.

Висновки

Ця стаття коротко описує процес рідкіснення газу SF₆. Щодо проблеми рідкіснення газу SF₆, яка виникла під час встановлення вимикачів типу бак на АС-фільтровій ділянці перетворювальної станції Сімінг, було запропоновано та обговорено три рішення: зменшення кількості заповнення газом, заміна сумішшю газів та додавання нагрівальних пристроїв. Шляхом аналізу та порівняння було виявлено, що як зменшення кількості заповнення газом, так і заміна сумішшю газів впливають на ізоляційні та характеристики пригасання дуги, тому вони не підходять. Метод використання нагрівального пристрою для нагріву баку, щоб запобігти рідкісненню газу, хоч і призведе до певної помилки у показу приладу, може гарантувати гладкий хід передачі обладнання, тому це більш відповідне рішення.