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        高寒地區(qū)高壓斷路器用SF6/CF4混合氣體液化試驗(yàn)分析

        2021-07-16 09:13:34楊文良王振中
        內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:混合氣體試驗(yàn)裝置液化

        楊文良,劉 卓,王振中,王 琰,趙 磊

        (1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010020)

        0 引言

        SF6/CF4混合氣體作為解決SF6氣體冬季低溫液化問(wèn)題的替代氣體,近些年在內(nèi)蒙古高寒地區(qū)得到了廣泛使用[1-2]。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為,在20℃時(shí)總充氣壓力為0.75 MPa的SF6/CF4混合氣體斷路器,只要其中的SF6氣體充氣壓力不高于0.45 MPa,就能保證混合氣體斷路器在-40℃時(shí)安全運(yùn)行。由此可見(jiàn),混合氣體中SF6和CF4的組分比例直接影響到混合氣體的抗低溫液化能力。

        目前,內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司所執(zhí)行的交接驗(yàn)收和狀態(tài)評(píng)價(jià)等標(biāo)準(zhǔn)[3-4],要求開(kāi)展的氣體絕緣設(shè)備試驗(yàn)項(xiàng)目均只針對(duì)純SF6氣體,無(wú)針對(duì)SF6/CF4混合氣體的試驗(yàn)項(xiàng)目。因此,僅依據(jù)斷路器機(jī)械特性、電氣性能、密封性能和絕緣氣體微水含量、分解物含量等測(cè)試結(jié)果,難以診斷分析混合氣體斷路器在低溫條件下產(chǎn)生低氣壓缺陷的原因。本文針對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)氣溫驟降導(dǎo)致8臺(tái)混合氣體斷路器發(fā)生低氣壓故障的問(wèn)題,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷性試驗(yàn)及混合氣體組分測(cè)試,同時(shí),根據(jù)斷路器參數(shù)信息,利用混合氣體斷路器低溫運(yùn)行模擬試驗(yàn)平臺(tái),模擬了SF6/CF4混合氣體斷路器低溫運(yùn)行工況下低氣壓產(chǎn)生的過(guò)程,分析了造成冬季SF6/CF4混合氣體斷路器低氣壓故障的原因[5]。

        1 缺陷斷路器測(cè)試檢查情況

        8臺(tái)缺陷斷路器中,1號(hào)、2號(hào)斷路器由蘇州A公司生產(chǎn),3號(hào)—8號(hào)斷路器由江蘇R公司生產(chǎn);8臺(tái)斷路器配備4個(gè)不同廠家生產(chǎn)的混合氣體密度表?;旌蠚怏w組分測(cè)試結(jié)果和設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 缺陷斷路器設(shè)備信息和氣體組分測(cè)試結(jié)果

        由表1數(shù)據(jù)可知:

        (1)8臺(tái)缺陷斷路器充裝的SF6與CF4的實(shí)際比例均高于設(shè)備的額定氣體比例,其中5號(hào)—8號(hào)斷路器充裝的SF6氣體體積百分?jǐn)?shù)均超過(guò)90%。

        (2)8臺(tái)缺陷斷路器配裝的混合氣體密度表,所標(biāo)示的SF6與CF4比例與斷路器額定氣體比例存在5%~20%的差異,與斷路器內(nèi)實(shí)際充裝的混合氣體比例相差15%~50%。

        (3)1號(hào)、2號(hào)缺陷斷路器的額定氣體絕對(duì)壓力高達(dá)1 MPa,高出其他混合氣體斷路器額定氣體壓力的40%。

        鑒于混合氣體斷路器低溫故障可導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生絕緣擊穿或開(kāi)斷失敗等事故,對(duì)錫林郭勒地區(qū)54座變電站327臺(tái)混合氣體斷路器開(kāi)展了設(shè)備參數(shù)排查,發(fā)現(xiàn)有110臺(tái)斷路器存在混合氣體密度表不匹配問(wèn)題;充氣壓力大于1 MPa的斷路器有45臺(tái)。

        2 混合氣體斷路器低溫運(yùn)行模擬試驗(yàn)

        試驗(yàn)平臺(tái)模擬了SF6/CF4混合氣體斷路器低溫運(yùn)行工況,試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置及管路作為斷路器的氣室和氣道,經(jīng)深冷恒溫箱改變裝置的環(huán)境溫度后,使用高精度壓力計(jì)和測(cè)溫儀直接測(cè)取裝置內(nèi)氣體參數(shù)。

        圖1 混合氣體斷路器低溫運(yùn)行模擬試驗(yàn)平臺(tái)

        根據(jù)混合氣體斷路器參數(shù)信息,在運(yùn)混合氣體密度表采用SF6與CF4體積比為53∶47的數(shù)量最多,所以模擬試驗(yàn)以該比例作為參照。模擬試驗(yàn)從低氣溫、密度表參數(shù)配置和高氣壓三個(gè)方面對(duì)裝置內(nèi)的混合氣體參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。為保證儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置內(nèi)氣體溫度與深冷恒溫箱一致,規(guī)定每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)裝置需靜置3 h再測(cè)取試驗(yàn)參數(shù)。

        3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 SF6/CF4混合氣體低溫表現(xiàn)特征

        20℃時(shí),分別向儲(chǔ)氣裝置充入SF6與CF4體積比53∶47,壓 力 為1.0 MPa、0.9 MPa、0.8 MPa、0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa的混合氣體。將深冷恒溫箱的溫度依次從40℃調(diào)為-50℃,記錄裝置內(nèi)混合氣體的壓力和溫度變化情況,試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

        表2 比例為53∶47的SF6/CF4混合氣體低溫試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)過(guò)程中,混合氣體的壓力始終隨著溫度下降而降低,但r分為兩種情況:一是r值基本恒定,說(shuō)明混合氣體未發(fā)生液化,即氣體密度不變;二是r值突然降低,說(shuō)明該溫度下混合氣體已發(fā)生液化。在分析表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,參照對(duì)比純SF6氣體狀態(tài)參數(shù),可發(fā)現(xiàn):

        (1)在20℃時(shí)充裝壓力為1 MPa的SF6/CF4混合氣體(混合氣體密度為51 kg/m3),在-40℃時(shí)r值突然降低,其液化溫度點(diǎn)與30 kg/m3密度下的純SF6氣體液化溫度點(diǎn)相似;

        (2)在20℃時(shí)充裝壓力為0.7 MPa的SF6/CF4混合氣體(混合氣體密度為35 kg/m3),在-50℃時(shí)r值突然降低,其液化溫度點(diǎn)與20 kg/m3密度下的純SF6氣體液化溫度點(diǎn)相似。

        綜上可知,SF6/CF4混氣斷路器的液化溫度取決于其內(nèi)部的SF6氣體含量,且混合氣體的液化溫度點(diǎn)可按照其內(nèi)部相應(yīng)密度的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)判斷。5號(hào)—8號(hào)缺陷斷路器中實(shí)際充裝的SF6氣體含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值,導(dǎo)致了其抗液化能力降低,造成混合氣體低溫液化。

        3.2 低溫下混合氣體密度表準(zhǔn)確度分析

        20℃時(shí),向試驗(yàn)裝置充入氣壓0.7 MPa(密度表額定氣壓)、氣體比例53∶47的SF6/CF4混合氣體,同時(shí)測(cè)試40℃、20℃、-30℃溫度下SF6與CF4比例為36∶64、53∶47的混合氣體密度表和純SF6氣體密度表的示數(shù)差異,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 不同氣體比例密度表全溫度測(cè)試誤差結(jié)果 MPa

        由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:

        (1)與儲(chǔ)氣裝置內(nèi)混合氣體比例匹配(53∶47)的混合氣體密度表,在-30~40℃溫度范圍內(nèi),測(cè)得的密度表指示最大偏差達(dá)0.7%,偏差度滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)定的2.5%要求;

        (2)與儲(chǔ)氣裝置內(nèi)混合氣體比例不匹配(36∶64和純SF6氣體)的混合氣體密度表,在全溫度測(cè)試中表針指示最大偏差分別為3.5%和5%,測(cè)試結(jié)果超出相關(guān)規(guī)程規(guī)定的2.5%要求。

        由此確認(rèn),混合氣體密度表與所測(cè)混合氣體比例不匹配會(huì)造成密度表指示偏差,低溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致繼電器發(fā)出錯(cuò)誤的低壓報(bào)警或閉鎖信號(hào)。1號(hào)—8號(hào)缺陷斷路器低溫表現(xiàn)特征均與上述分析結(jié)果相印證。

        3.3 高氣壓裝置密封性分析

        溫度在20℃時(shí),分別向儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置充入氣壓為0.4 MPa和0.9 MPa、SF6與CF4密度比例53∶47的混合氣體,在-30℃和-40℃溫度下分別測(cè)試試驗(yàn)裝置的氣體泄漏情況。為確保模擬試驗(yàn)中所測(cè)的數(shù)據(jù)變化是由氣體泄漏而非低溫液化導(dǎo)致,要求低溫試驗(yàn)結(jié)束后,溫度回升至20℃,再次確認(rèn)裝置內(nèi)氣體減少量,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。被測(cè)裝置的氣體年泄漏率Fy按照公式(1)計(jì)算[6]。

        式中:Δρ為SF6氣體在兩次計(jì)算時(shí)間間隔的密度變化量,kg/m3;ρ1為第一次計(jì)算出的氣體密度,kg/m3;Δt為兩次測(cè)量的時(shí)間間隔,h;t為以年計(jì)算的時(shí)間,每年取值8760 h。

        根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知:

        表4 低氣溫條件下高氣壓試驗(yàn)裝置的氣體泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        (1)當(dāng)試驗(yàn)裝置中充入0.4 MPa(20℃)的SF6/CF4混合氣體時(shí),僅在-40℃溫度下發(fā)生了氣體密度微降情況,折算到氣體年泄漏率為293.76%;當(dāng)回溫至20℃時(shí),氣體密度的變化停止。此過(guò)程中,試驗(yàn)裝置的總氣體年泄漏率為104.97%。由此推斷,低氣溫會(huì)造成試驗(yàn)裝置的密封性能下降。

        (2)當(dāng)試驗(yàn)裝置中充入0.9 MPa(20℃)的SF6/CF4混合氣體時(shí),氣溫降至-30℃,裝置內(nèi)的氣體密度微量下降,折算到氣體年泄漏率為127.01%;氣溫降至-40℃,裝置內(nèi)的氣體密度值大幅降低,折算到氣體年泄漏率為3 932.42%。對(duì)照混合氣體內(nèi)相應(yīng)密度的純SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線,判斷-40℃時(shí)部分SF6氣體發(fā)生了低溫液化;當(dāng)回溫至20℃時(shí),氣體密度值升高。此過(guò)程中,試驗(yàn)裝置的總氣體年泄漏率為607.58%,遠(yuǎn)大于試驗(yàn)一的泄漏量。

        綜上推斷,在低溫條件下裝置內(nèi)部氣壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其密封性能降低,加重內(nèi)部氣體的泄漏。1號(hào)、2號(hào)缺陷斷路器低溫表現(xiàn)特征與上述分析結(jié)果相印證。

        4 結(jié)論和建議

        綜合SF6/CF4缺陷斷路器現(xiàn)場(chǎng)檢查和模擬試驗(yàn)結(jié)果,得出以下結(jié)論和建議。

        (1)SF6/CF4混合氣體斷路器基建安裝環(huán)節(jié)未按照額定比例充裝SF6和CF4氣體,不滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求,是本次多臺(tái)混合氣體斷路器發(fā)生低氣壓故障的主要原因。建議在相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程中增加針對(duì)混合氣體斷路器的現(xiàn)場(chǎng)混合氣體組分測(cè)試要求。

        (2)生產(chǎn)制造過(guò)程中未充入?yún)?shù)合適的混合氣體,投運(yùn)后會(huì)造成密度表的指示偏差,低溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致繼電器發(fā)出錯(cuò)誤的低壓報(bào)警或閉鎖信號(hào)。建議在相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程中增加核對(duì)混合氣體密度表參數(shù)和測(cè)試全溫度條件下密度表準(zhǔn)確度要求。

        (3)設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)未對(duì)高氣壓斷路器采用有效密封加固方法,投運(yùn)后將導(dǎo)致高氣壓斷路器在低氣溫條件下密封性能下降。建議高氣壓斷路器出廠時(shí)開(kāi)展低溫條件下密封性能檢測(cè),以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

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