Thảo luận về vấn đề khí hóa lỏng trong quá trình lắp đặt cầu chì bình trong các vùng có điều kiện thời tiết khắc nghiệt
Giải thích kỹ thuật về cầu chì SF₆ (Sulfur Hexafluoride) và thách thức về việc lỏng hóa khí
Cầu chì SF₆, sử dụng khí sulfur hexafluoride - được biết đến với khả năng dập hồ quang và cách điện tuyệt vời - làm môi trường dập hồ quang, được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện. Những cầu chì này phù hợp cho các hoạt động thường xuyên và các tình huống yêu cầu ngắt mạch tốc độ cao. Trong Trung Quốc, cầu chì SF₆ cơ bản được sử dụng cho các mức điện áp từ 110kV trở lên. Tuy nhiên, do tính chất vật lý của khí SF₆, nó có thể lỏng hóa dưới một số điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, gây giảm mật độ khí SF₆ trong bình cầu chì. Khi mật độ giảm xuống một mức nhất định, cầu chì sẽ kích hoạt khóa bảo vệ. Ở một số vùng của Trung Quốc, như Nội Mông, Đông Bắc Trung Quốc, Tân Cương và Tây Tạng, nơi nhiệt độ môi trường có thể đạt -30°C hoặc thậm chí thấp hơn vào mùa đông, hiện tượng khóa bảo vệ do lỏng hóa khí SF₆ xảy ra không ít.
Mô tả ngắn gọn về lỏng hóa khí SF₆
Khí SF₆ có tính ổn định hóa học cực kỳ cao. Đó là một loại khí không màu, không mùi, không vị và không cháy ở nhiệt độ và áp suất bình thường, với các tính chất cách điện và dập hồ quang xuất sắc.
Nhiệt độ tới hạn của một loại khí là nhiệt độ cao nhất mà khí có thể lỏng hóa. Khi nhiệt độ cao hơn giá trị này, khí không thể lỏng hóa dù áp suất có lớn đến đâu.
Đối với các "khí vĩnh cửu" như oxy, nitơ, hiđrô và heli, nhiệt độ tới hạn của chúng dưới -100°C, vì vậy không cần phải xem xét vấn đề lỏng hóa khí ở nhiệt độ môi trường. Khí SF₆ khác biệt; nhiệt độ tới hạn của nó là 45.6°C. Nó chỉ duy trì trạng thái khí khi nhiệt độ trên 45.6°C. Ở nhiệt độ môi trường, nó có thể lỏng hóa khi áp suất bên ngoài đạt một giá trị nhất định. Do đó, đối với thiết bị chứa khí SF₆, vấn đề lỏng hóa khí cần được xem xét.
Đường cong tham số trạng thái của khí SF₆ được hiển thị trong Hình 1. Trong điều kiện mật độ khí ρ không đổi, khi nhiệt độ giảm, áp suất khí cũng giảm theo. Khi nhiệt độ giảm xuống điểm lỏng hóa A tương ứng với mật độ khí này, khí bắt đầu lỏng hóa, và mật độ khí sau đó giảm.
Tình hình thực tế tại hiện trường
Trạm biến đổi Ximeng nằm ở Chaoke Wula Sumu, thành phố Xilinhot, Liên minh Xilingol, Khu tự trị Nội Mông. Với độ cao 914 mét và vĩ độ 44.2°, trạm có thời gian sưởi ấm kéo dài đến bảy tháng và được phân loại là khu vực lạnh sâu của Trung Quốc. Trong khu lọc AC của trạm, có 20 bộ cầu chì 3AP3 DT dạng bình do Siemens Hangzhou sản xuất, với điện áp định mức 550 kV. Những cầu chì này được trang bị rơ le mật độ có chức năng bù nhiệt, và chỉ báo của chúng phản ánh sự thay đổi mật độ khí thay vì sự thay đổi áp suất. Các thông số chính của cầu chì được hiển thị trong Bảng 1.
Trong quá trình lắp đặt, nạp khí được thực hiện theo đúng các thông số cung cấp bởi nhà sản xuất. Áp suất nạp khí định mức được đặt ở 0.8 MPa, áp suất báo động ở 0.72 MPa, và áp suất khóa ở 0.7 MPa (áp suất đồng hồ ở 20°C). Đường cong tham số trạng thái của khí SF₆ được hiển thị trong Hình 2. Có thể thấy từ hình, khi bình được niêm phong tốt và không có rò rỉ khí, khí bên trong bình sẽ lỏng hóa khi nhiệt độ giảm xuống -18°C; báo động sẽ được kích hoạt khi nhiệt độ đạt -21°C; và cầu chì sẽ bị khóa khi nhiệt độ giảm xuống -22°C. Tình hình thực tế tại hiện trường được hiển thị trong Hình 3.
Tình hình thực tế tại hiện trường phù hợp với kết quả thu được từ đường cong tham số trạng thái.
Theo tình hình cung cấp vật liệu và tiến độ lắp đặt thiết bị tại hiện trường, các cầu chì dạng bình đã hoàn thành việc lắp đặt, hút chân không và nạp khí vào cuối tháng 11. Các công việc kiểm tra bàn giao và vận hành thử nghiệm tập trung vào mười ngày đầu tháng 12. Lúc này, nhiệt độ môi trường đã giảm xuống dưới -22°C, và tất cả các cầu chì đã được lắp đặt đều bị khóa, khiến việc kiểm tra bàn giao thiết bị cầu chì không thể thực hiện bình thường và do đó ảnh hưởng đến các mốc tiến độ xây dựng của toàn trạm.
Các giải pháp
Dựa trên các hiện tượng khóa trên hiện trường được đề cập, các giải pháp sau đây được đề xuất:
Giảm lượng nạp khí
Có thể thấy từ đường cong đặc trưng tham số của khí SF₆, khi lượng nạp khí bên trong bình giảm, nhiệt độ lỏng hóa khí sẽ giảm, và nhiệt độ khóa tương ứng cũng giảm theo. Ví dụ, khi áp suất nạp khí định mức được điều chỉnh xuống 0.56 MPa, nhiệt độ lỏng hóa là -28°C, và nhiệt độ khóa là -32°C. Lúc này, nhiệt độ lỏng hóa thấp hơn nhiệt độ môi trường, và sẽ không có hiện tượng khóa. Tuy nhiên, sau khi giảm lượng nạp khí, hiệu suất dập hồ quang và cách điện của cầu chì sẽ đều giảm. Các phương pháp liên quan đến việc thay đổi trạng thái cuối cùng của thiết bị và ảnh hưởng đến hiệu suất cần được nghiên cứu và chứng minh kỹ lưỡng bởi đơn vị thiết kế và nhà sản xuất trước khi thực hiện.
Nếu không muốn thay đổi trạng thái cuối cùng của thiết bị, nghĩa là giảm lượng nạp khí xuống một giá trị nhất định (như 0.6 MPa) trước khi kiểm tra bàn giao và bổ sung lượng nạp khí lên giá trị định mức sau khi hoàn thành kiểm tra và vận hành thử nghiệm. Phương pháp này có vẻ khả thi, nhưng thực tế thì không. Đầu tiên, sau khi giảm lượng nạp khí, hiệu suất cách điện của cầu chì suy giảm. Không có chứng minh chính xác, có khả năng cầu chì có thể bị đục trong quá trình kiểm tra chịu điện áp. Thứ hai, ngay cả khi kiểm tra qua được thuận lợi, kết quả kiểm tra không có giá trị tham khảo. Kiểm tra bàn giao thiết bị là việc kiểm tra chất lượng sản xuất của nhà sản xuất và chất lượng lắp đặt của người lắp đặt, và nên được thực hiện sau khi lắp đặt thiết bị hoàn toàn xong. Và quy trình nạp khí rõ ràng là một bước trong quá trình lắp đặt thiết bị.
Sử dụng khí hỗn hợp
Hiện nay, ở trong và ngoài nước, có thực hành giảm nhiệt độ lỏng hóa bằng cách pha trộn một tỷ lệ nhất định của các khí khác (như CF₄, CO₂ và N₂) vào khí SF₆. Tuy nhiên, hiệu suất cách điện và dập hồ quang của khí hỗn hợp không thể đạt đến mức của khí SF₆ tinh khiết. Dưới cùng một áp suất nạp khí, khả năng cắt dòng của cầu chì chứa khí hỗn hợp sẽ thấp khoảng 20% so với cầu chì chứa khí SF₆ tinh khiết. Nếu muốn đạt được hiệu suất cách điện tương đương, áp suất nạp khí của khí hỗn hợp phải cao hơn so với khí SF₆ tinh khiết.
Lấy ví dụ về khí hỗn hợp SF₆/N₂, công thức tính toán sau có thể được sử dụng:
Pm=PSF6(100/x%)0.02
Trong công thức, Pm là áp suất nạp khí của khí hỗn hợp để đạt được hiệu suất cách điện tương đương, PSF6 là áp suất nạp khí của khí SF₆ tinh khiết, và x% là phần trăm nội dung của khí SF₆ trong khí hỗn hợp. Có thể thấy từ công thức trên, đối với khí hỗn hợp SF₆/N₂ chứa 20% khí SF₆, áp suất nạp khí cần thiết là khoảng 1.4 lần so với khí SF₆ tinh khiết. Đối với cầu chì tại hiện trường, áp suất nạp khí cần đạt 1.12 MPa, điều này đặt ra yêu cầu mới cho cấu trúc toàn bộ của cầu chì.
Lắp đặt thiết bị sưởi ấm
Nguyên nhân chính bên ngoài dẫn đến lỏng hóa khí SF₆ là nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ lỏng hóa của nó. Nếu lắp đặt thiết bị sưởi ấm quanh bình để làm nóng bình và tăng nhiệt độ, vấn đề lỏng hóa có thể được giải quyết.
Các cầu chì dạng bình của Siemens Hangzhou sử dụng rơ le mật độ của Thụy Sĩ trafag, có chức năng bù nhiệt và chỉ báo của nó phản ánh sự thay đổi mật độ khí thay vì sự thay đổi áp suất. Nguyên tắc chỉ báo của rơ le mật độ này là theo dõi mật độ khí bằng cách so sánh sự chênh lệch áp suất giữa khí trong bình cầu chì và khí chuẩn mang theo rơ le mật độ. Như được hiển thị trong Hình 7, khi nhiệt độ môi trường thay đổi trong phạm vi trên nhiệt độ lỏng hóa, áp suất khí trong hai buồng khí thay đổi đồng thời, chênh lệch áp suất là zero, khớp nối giãn nở không hoạt động, và kim chỉ báo không di chuyển; khi khí trong bình lỏng hóa hoặc rò rỉ, áp suất khí chuẩn tương đối tăng, khớp nối giãn nở hoạt động, gây di chuyển kim chỉ báo.
Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống nhiệt độ lỏng hóa, thiết bị sưởi ấm kích hoạt, và nhiệt độ của bình tăng theo. Điều này tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa khí bên trong bình và khí bên trong khớp nối giãn nở, gây sai lệch trong chỉ báo của đồng hồ và ngăn chặn nó phản ánh chính xác tình trạng thực tế của khí bên trong bình.
Kết luận
Bài viết này mô tả ngắn gọn quá trình lỏng hóa khí SF₆. Về vấn đề lỏng hóa khí SF₆ xảy ra trong quá trình lắp đặt các cầu chì dạng bình trong khu lọc AC của Trạm biến đổi Ximeng, ba giải pháp đã được đề xuất và thảo luận: giảm lượng nạp khí, thay thế bằng khí hỗn hợp, và thêm thiết bị sưởi ấm. Qua phân tích và so sánh, phát hiện rằng cả việc giảm lượng nạp khí và thay thế bằng khí hỗn hợp đều ảnh hưởng đến hiệu suất cách điện và dập hồ quang của khí, vì vậy chúng không phù hợp. Phương pháp sử dụng thiết bị sưởi ấm để làm nóng bình nhằm ngăn chặn lỏng hóa khí, mặc dù sẽ gây ra một lỗi nhất định trong chỉ báo của đồng hồ, nhưng có thể đảm bảo tiến trình kiểm tra bàn giao thiết bị diễn ra suôn sẻ, vì vậy đây là giải pháp phù hợp hơn.
