Chuyên đề: Vận hành Trạm biến áp cách điện bằng khí GIS
Nguyễn Trường Giang *)
Bộ môn Vận hành và Điều khiển Hệ thống điện, Khoa Kỹ thuật điện
*) Email:
[email protected]
Tóm tắt: Khai thác các đặc tính ưu việt của khí SF6, trạm biến áp cách điện bằng khí GIS sở
hữu nhiều đặc tính ưu việt trên cả phương diện thiết kế và vận hành so với trạm biến áp cách
điện bằng không khí AIS. Trạm biến áp GIS đã và đang được ứng dụng trong nhiều hệ thống
điện hiện đại của các nước trên thế giới. Tại Việt Nam, các trạm biến áp GIS đã và đang được
xây dựng và đưa vào vận hành ở tất cả các cấp điện áp phân phối và cấp điện áp truyền tải.
Trên phương diện quản lý và vận hành, một số vấn đề kỹ thuật được tổng hợp và giới thiệu.
Từ khoá: Khí ê-lê-ga, GIS, AIS
Phần 1: Giới thiệu vật liệu cách điện khí SF6
1. Giới thiệu
Năm 1990, khí ê-lê-ga, còn gọi là sulphur hexa-flouride hay khí SF6, lần đầu tiên được
Moissan và Lebeau tổng hợp tại phòng thí nghiệm [1]. Sau đó, các tính chất vật lý và hoá học
được phát hiện và khai thác ứng dụng. Năm 1937, nghiên cứu ứng dụng công nghiệp đầu tiên
được tập đoàn GE (General Electric Company) thực hiện [1]. Năm 1939, Thomson-Houston
sáng chế nguyên lý ứng dụng SF6 làm cách điện trong cáp điện và tụ điện [1]. Đầu những năm
1960, khí SF6 sản xuất thương mại quy mô lớn cho các ứng dụng xây lắp nhà máy điện được
phát triển tại Mỹ và Châu Âu [1].
Quá trình tổng hợp trực tiếp SF6 được thể hiện trên hình H.1. Flo (F) - có được qua
điện phân - được cho phản ứng với lưu huỳnh (S) tạo ra một lượng đáng kể khí ổn định và toả
nhiệt mạnh.
S + 3F2 → SF6 + 262 kcal
Trong phản ứng toả nhiệt này, một lượng nhất định hợp chất khác của lưu huỳnh và flo
(ví dụ: SF4, SF2, S2F2, S2F10) và các tạp chất khác được tạo thành do sự xuất hiện của hơi ẩm,
không khí và điện cực (dương) các-bon dùng cho điện phân florine. Các sản phẩm phụ này
được loại bỏ bằng một vài quá trình tinh lọc [1].
H.1-Quá trình tổng hợp trực tiếp SF6
2. Tính chất vật lý
Các tính chất vật lý chính của khí ê-lê-ga được thể hiện ở Bảng 1 [1]. Có phân tử khối
là 146,06, SF6 là một trong những khí nặng nhất: mật độ ở 200C và áp suất 0,1MPa (~ 1at) là
6,139kg/m3 (~ gấp 5 lần không khí). SF6 là khí không màu, không mùi, không độc, và không
tồn tại ở trạng thái lỏng (ngoại trừ bị nén).
Bảng 1. Các tính chất vật lý chính của khí SF6
Tính chất
Thông số
3
Độ dẫn nhiệt, kg/m
6,14
0
Nhiệt độ tới hạn, C
45,55
Mật độ tới hạn, kg/m3
730
Áp suất tới hạn, MPa
3,78
Tốc độ truyền âm, m/s
136
Hệ số khúc xạ
1,000783
Nhiệt tạo thành, kJ/mol
-1221,66
Nhiệt dung riêng, J/(mol.K)
96,6
Lưu ý: Các thông số vật lý xác định tại điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ 250C
Phương trình trạng thái Beattie-Bridgeman của SF6 cho nhiệt độ T ≤ 1200K:
pv2 = RT(v + b) - a
trong đó:
p
- áp suất, Pa;
v
- thể tích, m3/mol;
R
- hằng số khí lý tưởng (8,3143J/(mol.K));
T
- nhiệt độ tuyệt đối, K;
a = 15,78×10-6(1 - 0,1062×10-3/v);
b = 0,36×10-6(1 - 0,1062×10-3/v).
Quan hệ Áp suất - Nhiệt độ:
H.2- Đường cong áp suất hơi và các đường mật độ khí theo nhiệt độ
(1)
Đường cong quan hệ áp suất hơi và các đường mật độ khí SF6 theo nhiệt độ được thể
hiện trên H.2. Có thể nhận thấy, trong miền nhiệt độ làm việc (-25 ÷ +500C), sự biến thiên của
áp suất theo nhiệt độ là tuyến tính và khá nhỏ.
Nhiệt dung riêng
So với không khí, nhiệt dung riêng của SF6 lớn hơn khoảng 3,7 lần. Do đó, nó có tác
dụng quan trọng trong việc giảm ảnh hưởng của quá trình phát nóng bên trong thiết bị điện.
Độ dẫn nhiệt
H.3-Độ dẫn nhiệt của khí ê-lê-ga và nitơ
Tuy độ dẫn nhiệt của SF6 thấp hơn so với của không khí nhưng công suất truyền nhiệt
(khả dụng) toàn phần rất ưu việt, nhất là khi xét về sự đối lưu: nó tương tự như công suất truyền
nhiệt toàn phần của các chất khí như H2 (hiđrô), He (hêli), nhưng lại lớn hơn của không khí.
H.3 là đường cong biểu thị quan hệ độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ của SF6 và N2 (nitơ). Đường
cong quan hệ độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ cho thấy phẩm chất ưu việt của khí SF6 về truyền dẫn
nhiệt mà có thể khai thác trong việc dập hồ quang: độ dẫn nhiệt cực đại (đỉnh) đạt được tương
ứng với nhiệt độ phân ly của phân tử SF6 (2100 ÷ 2500K). Quá trình phân ly hấp thụ một lượng
nhiệt đáng kể (mà được sinh ra khi các phân tử tái tạo ở biên (bề mặt) của hồ quang), nhờ vậy,
thúc đẩy tốc độ quá trình trao đổi nhiệt giữa các vùng nóng và vùng có nhiệt độ thấp hơn.
4. Kết luận
Sở hữu nhiều thuộc tính cơ-hoá-lý-điện ưu việt, khí SF6 được ứng dụng ngày càng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là ở ngành công nghiệp điện. Với mục đích chia sẻ
và giúp đỡ sinh viên, đồng nghiệp và các bạn đọc quan tâm hiểu hơn về các tính năng và ứng
dụng của khí SF6 trong ngành công nghiệp điện, tác giả tổng hợp và giới thiệu trong loạt bài
về chủ đề này. Trong kỳ này, tác giả giới thiệu lịch sử ra đời của khí SF6 và các tính chất vật
lý quan trọng của khí SF6. Ở kỳ tiếp theo, các tính chất hoá học và các đặc tính về điện môi
của khí hexafloursulfur sẽ được giới thiệu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Schneider Electric, SF6 properties, and use in MV and HV switchgear, Cahier Technique
Schneider Electric No. 188, 2003.