某變變電站長年平均氣溫在3.4℃,夏季最高氣溫在39.4℃,冬季最低氣溫看達到﹣42.7℃,年平均封凍天數為133天。溫差較大,對戶外電氣設備的使用環境要求較高。35kV變電所使用的SF6斷路器在冬季運行中,當環境低于﹣39℃時,出現SF6氣體壓力下降(降至0.39MPa)而閉鎖斷路器控制回路的現象。而室內使用的10kV的SF6斷路器在冬季運行時,開關室的溫度保證在﹣5℃以上,所以戶內SF6斷路器未出現上述問題。
SF6是一種大分子量,密度較大的氣體,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℃),常溫下SF6氣體壓力與溫度成正比,壓力為SF6氣體的絕緣強度有較大的影響,在較均勻電場下,絕緣強度隨氣體壓力的增加而增加,當增量并不成線性比例。
SF6和其他物質一樣,有固態、液態、氣體三種狀態,SF6物質的三態轉化臨界點如圖1所示。
圖1SF6氣體三態圖 K-臨界點;T-熔點;S-升華點
圖1中KTS曲線表示氣態轉變為液態或固態的臨界線,也就是飽和蒸汽壓力曲線。曲線之右側為氣態區域,曲線之左側為液態和固態區域。由圖1中更可以查得,﹣20℃時額定壓力為0.6MPa,絕對壓力為0.7MPa的SF6氣體,可查得其密度約為47kg/m3,相應的液化溫度約﹣26℃。有的斷路器的額定壓力為0.45MPa,所以,當環境溫度為﹣37℃時,斷路器本體內的SF6氣體就會轉化為液態。如果此時分閘,斷路器的滅弧能力將會降低,可能造成斷路器事故。
對出現的問題進行探討分析可知,SF6型斷路器的使用環境條件為﹣30~+40℃,額定壓力0.45MPa,閉鎖壓力0.4MPa,分析結果也可以用玻義耳一馬略特氣體狀態方程PT/T=P1V1/T1進行計算驗證。其中:P為壓力;V為體積;T為絕緣溫度;P1為變化后壓力;V1為變化后體積;T1為變化后溫度。
當體積不變,SF6氣體壓力隨著溫度的變化而變化,可計算出LM8-35型斷路器的SF6氣體壓力變化值,將參數代入式中得
P1=P×T1/V1=0.45×(273-39)/(273+20)=0.36(MPa)
當SF6氣體溫度由20℃變至﹣39℃時,SF6氣體壓力由0.45MPa變至0.36MPa,已經低于閉鎖壓力0.4MPa了。
根據斷路器的控制保護原理可見,斷路器本體中的SF6氣體壓力,由裝于操作機構箱的壓力表監測,當壓力由于溫度影響降至0.4MPa時,壓力表的常開接點打開,閉鎖了斷路器的跳閘回路。如果這時線路發生故障,保護啟動后,而斷路器不能可靠動作,將會引起事故擴大,造成保護越級動作,或者是設備損壞事故的發生。
通過上述分析,可知造成SF6氣體壓力下降而閉鎖斷路器控制回路的現象是由溫度降低引起。