極端氣溫下防止SF6氣體液化的新措施

摘要：由于忻州地區(qū)所處黃土高原，有部分縣為高寒地區(qū)，極端最低氣溫-40 ℃，導(dǎo)致部分變電站因氣溫較低，SF6氣體液化造成斷路器閉鎖動(dòng)作的事件發(fā)生，嚴(yán)重影響變電設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。我們開展了《改善高寒地區(qū)變電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境科技創(chuàng)新》研究，該項(xiàng)目的開展，可有效改善SF6設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，極大的提高SF6斷路器運(yùn)行工況，確保設(shè)備、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū) SF6斷路器 防止SF6氣體液化 措施

1 措施的研究背景

SF6是一種無色、無味、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、不燃、在常溫常壓下呈氣態(tài)的物質(zhì)。這種物質(zhì)導(dǎo)熱、滅弧、絕緣效果較好，所以在10～220kV斷路器中被當(dāng)做絕緣中滅弧介質(zhì)得到了推廣和應(yīng)用。SF6斷路器具有良好的開斷性能，不用維護(hù)，而且使用方便、安全可靠，可廣泛應(yīng)用在實(shí)際工作中。近幾年來，電網(wǎng)設(shè)備更新?lián)Q代較快，全部設(shè)備性能有了明顯提高，110kV及以上斷路器已全部更換為SF6設(shè)備，極大的提高了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。但由于忻州地區(qū)所處黃土高原，有部分縣為高寒地區(qū)，極端最低氣溫-40℃，導(dǎo)致部分變電站因氣溫較低，SF6氣體液化造成斷路器閉鎖動(dòng)作的事件發(fā)生，嚴(yán)重影響變電設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。義井220KV變電站，220kV斷路器原來廠家規(guī)定SF6氣體密度繼電器額定壓力是0.6MPa，報(bào)警壓力0.52MPa，閉鎖壓力0.5MPa；因氣溫原因，更換SF6氣體密度繼電器后額定壓力是0.5MPa，報(bào)警壓力0.45MPa，閉鎖壓力0.4MPa，從而降低了斷路器的短路開斷能力，給斷路器開斷短路電流埋下了隱患。

為此，研究低溫氣象條件下，因SF6氣體液化造成SF6斷路器閉鎖動(dòng)作的措施就顯得尤為重要。

2 措施研究的意義

為了改變這種對(duì)設(shè)備、電網(wǎng)運(yùn)行極為不利的局面，我們開展了《改善高寒地區(qū)變電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境科技創(chuàng)新》研究，該項(xiàng)目的開展，可有效改善SF6設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，極大的提高SF6斷路器運(yùn)行工況，確保設(shè)備、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

忻州供電公司義井220kV變電站位于神池縣境內(nèi)，年平均氣溫4.3-4.6℃，一月份氣溫最低，平均氣溫為：-14℃，極端最低氣溫：-41.5℃；年平均降水量為481.3毫米，年平均日照時(shí)數(shù)為2816.7小時(shí)，無霜期平均110天。境內(nèi)常年多刮偏西風(fēng)，年平均風(fēng)速4.1米/秒。溫差大，戶外電氣設(shè)備對(duì)氣溫環(huán)境方面的要求就變得比較嚴(yán)格。該變電站使用的SF6型斷路器在冬季運(yùn)行中，若外界氣溫達(dá)到-30℃，則SF6氣體壓力會(huì)下降到0.498MPa，發(fā)生閉鎖斷路器控制回路的現(xiàn)象。

4 原因分析

SF6是一種大分子量、密度較大的氣體（在壓力0.1MPa、溫度20℃時(shí)的密度為6.25kg/m3），其臨界溫度（即通過加大壓力可使之液化的最高溫度）為-45.6℃（N2為-147℃，O2為-118.8℃），SF6的氣體壓力在常溫條件下和溫度成正比，SF6氣體的絕緣強(qiáng)度與壓力之間存在著密切的聯(lián)系，在較均勻電場(chǎng)下，絕緣強(qiáng)度的增減與氣體壓力的增減成正比，但增量并不成線性比例。

SF6包括氣、液、固三種狀態(tài)，下圖1是這三種狀態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界點(diǎn)圖：

圖1中AFB曲線表示氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或固態(tài)的臨界線，也就是飽和蒸汽壓力曲線。曲線之右側(cè)為氣態(tài)區(qū)域，曲線之左側(cè)為液態(tài)和固態(tài)區(qū)域。由圖1中可查得，20℃時(shí)額定壓力為0.6MPa；而LW10B-252型斷路器的額定壓力為0.6MPa，所以，當(dāng)環(huán)境溫度為-30℃時(shí)，斷路器本體內(nèi)的SF6氣體是在氣態(tài)液態(tài)的臨界點(diǎn)，如果溫度持續(xù)下降會(huì)轉(zhuǎn)化成液態(tài)。若這在個(gè)時(shí)候分閘，可能影響斷路器的滅弧作用，嚴(yán)重者斷路器可能發(fā)生故障。

對(duì)上述問題產(chǎn)生的根源進(jìn)行整體的分析后我們不難發(fā)現(xiàn)，SF6型斷路器的使用環(huán)境條件為-30℃～+40℃，額定壓力和閉鎖壓力分別為0.6MPa、0.5MPa，通過玻義耳-馬略特氣體狀態(tài)方程PV/T=P1V1/T1進(jìn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。式中，P、P1、V、V1、T、T1、分別表示壓力、變化后的壓力、體積、變化后的體積溫度（絕對(duì)溫度） 、變化后的溫度。

當(dāng)體積不變，SF6氣體壓力隨著溫度的變化而變化，可計(jì)算出LW10B-252型斷路器的SF6氣體壓力變化值，將參數(shù)代入式中得：

P1=P×T1/T0.45MPa×（273℃-30℃）/（273℃+20℃）=0.498MPa

當(dāng)SF6氣體溫度由-20℃變至-30℃時(shí)，SF6氣體壓力由0.6MPa變至0.498MPa，已經(jīng)低于閉鎖壓力0.5MPa了。

根據(jù)斷路器的控制及保護(hù)原理可以進(jìn)行如下推斷：通過安裝在操作機(jī)構(gòu)箱上的壓力表對(duì)斷路器本體中的SF6氣體壓力進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)溫度變化使壓力降至0.5MP時(shí)，壓力表的電接點(diǎn)閉合，斷路器的跳閘回路也隨之閉合，若此時(shí)線路出現(xiàn)故障，線路保護(hù)被開啟以后，而斷路器不能可靠動(dòng)作，可能加劇線路故障的危害，最終損壞設(shè)備，或使保護(hù)越級(jí)動(dòng)作。由此可見，溫度是導(dǎo)致SF6氣體壓力下降使斷路器控制回路閉鎖的必要原因。

5 目前的解決方法

國(guó)內(nèi)目前在SF6氣體中混入一定比例的其他氣體（如CF4或N2氣體）能解決SF6氣體在高寒地區(qū)冬天寒冷的環(huán)境溫度下飽和、壓力或密度降低的問題。但以SF6、N2或者CE4混合氣體為絕緣和滅弧介質(zhì)的SF6短路器的絕緣開斷能力和熱開斷能力都要降低一個(gè)等級(jí)，且混合的比例極難掌握，不便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，實(shí)用性不大。

6 防止SF6氣體液化新措施的技術(shù)路線

在斷路器SF6儲(chǔ)氣罐外部安裝一個(gè)加熱裝置，裝置由溫控器、交流接觸器、電熱器組成，由防SF6液化管理系統(tǒng)綜合監(jiān)控。使用交流220V電源，每相加熱功率為200W，當(dāng)加熱裝置內(nèi)部溫度低于-10℃時(shí)，裝置自動(dòng)投入，開始加熱，熱量通過絕緣電加熱帶，以絕緣導(dǎo)熱的形式傳導(dǎo)至SF6儲(chǔ)氣罐金屬外殼，再傳導(dǎo)給斷路器內(nèi)部的SF6氣體，加熱裝置外面用橡塑保溫材料密封起來，可以防止熱量散失，當(dāng)加熱裝置內(nèi)部溫度分別達(dá)到50℃時(shí)，溫控裝置自動(dòng)停止，開始保溫。

防SF6液化管理系統(tǒng)對(duì)每個(gè)加熱點(diǎn)設(shè)置同設(shè)備編號(hào)相同的編碼，及時(shí)監(jiān)控每個(gè)加熱點(diǎn)的運(yùn)行情況。正常工作信號(hào)的傳輸由溫控器工作信號(hào)接點(diǎn)提供到后臺(tái)機(jī)防SF6液化管理系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)與現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)接口，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因?yàn)镾F6氣體的熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）在常溫下比空氣低30%，但由于SF6氣體分子量大（146.05），熱容量大，如果包括氣體對(duì)流效應(yīng)，總的熱傳導(dǎo)能力遠(yuǎn)比空氣好。而SF6氣體的化學(xué)性質(zhì)是非常穩(wěn)定的，在已知的氣態(tài)物質(zhì)中是穩(wěn)定性最好的物質(zhì)之一，其惰性與氮?dú)庀嗨?。在純凈狀態(tài)下，甚至在玻璃熔融溫度500-600℃下也不分解。一般在150℃以下，化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的。

7 目標(biāo)及預(yù)期效果

推行上述措施以后，SF6氣體壓力由于環(huán)境溫度下降而出現(xiàn)閉鎖控制回路和發(fā)生液化的現(xiàn)象得到了有效地控制，實(shí)踐表明，這些新的舉措可以在實(shí)際工作中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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