SF6斷路器及氣體管理

程航，王建偉，邊玉國(guó)

(1.蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校，甘肅 蘭州 730050;2.咸陽(yáng)供電公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 引言

SF6斷路器是以SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的斷路器。它與空氣斷路器同屬于氣吹斷路器，不同之處在于:①工作氣壓較低;②在吹弧過(guò)程中，氣體不排向大氣，而在封閉系統(tǒng)中循環(huán)使用。和真空斷路器相比，SF6開(kāi)關(guān)由于其優(yōu)異的電氣性能，不會(huì)產(chǎn)生截流。而真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷較小電流時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)截流而產(chǎn)生截流過(guò)電壓，并且截流值越大，產(chǎn)生的過(guò)電壓越高。另外，SF6開(kāi)關(guān)可通過(guò)多種途徑進(jìn)行氣壓檢測(cè)和并可實(shí)現(xiàn)電氣或機(jī)械聯(lián)鎖，真空開(kāi)關(guān)的真空度無(wú)法監(jiān)視。

2 SF6氣體特性

SF6氣體在通常狀態(tài)下是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃燒化學(xué)性能穩(wěn)定的氣態(tài)物質(zhì)，它的密度大約是空氣的5倍。由于其分子的負(fù)電性，具有很強(qiáng)的吸附自由電子而形成負(fù)離子的能力，阻礙放電的形成與發(fā)展，因而其耐電強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的絕緣性能，均勻電場(chǎng)中的介電強(qiáng)度約為相同氣壓下空氣的2.5～3倍;它的離解溫度低，且離解能量大，具有優(yōu)異的滅弧性能，在1.01×105Pa氣壓下，SF6的滅弧性能是空氣的100倍。

在均勻電場(chǎng)中，如圖1所示，SF6氣體的擊穿電壓符合巴申定律，在溫度不變時(shí)，均勻電場(chǎng)中SF6氣體的擊穿電壓Ub是氣體壓力和電極間距離乘積pd的函數(shù)，即Ub=f(pd)。因此SF6開(kāi)關(guān)在設(shè)計(jì)時(shí)要注意電場(chǎng)均勻程度、極間距離等要盡量合理。在制造時(shí)要特別注意電極表面狀態(tài)對(duì)擊穿電壓的影響，尤其要注意電極表面金屬微?；蚧覊m會(huì)劇烈降低SF6的擊穿電壓(如圖2所示)。因此應(yīng)采取各種措施使電極表面光潔程度符合設(shè)計(jì)要求;同時(shí)要保證氣壓在小于1～2MPa的范圍內(nèi)(常用的氣壓范圍為0.1～0.9MPa)。

圖1 均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系

圖2 自由鋁球形微粒對(duì)SF6擊穿電壓Ub的影響

3 SF6氣體管理

目前，SF6高壓斷路器已廣泛應(yīng)用在 110kV、330kV等不同電壓等級(jí)的變電站，SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備的安裝、維護(hù)與檢修基本上以SF6氣體管理為中心，氣體管理得好，產(chǎn)品運(yùn)行可靠性就高。SF6氣體管理涉及正確使用SF6高壓斷路器及對(duì)SF6的水份、雜質(zhì)及密封管理等多個(gè)方面。

3.1 SF6高壓斷路器檢修質(zhì)量控制

SF6斷路器的檢修應(yīng)在大氣濕度低于60%的干燥天氣進(jìn)行，同時(shí)注意防止灰塵、雜質(zhì)和水分侵入其內(nèi)部。

3.1.1 SF6氣體的回收、凈化、儲(chǔ)存

SF6斷路器在檢修前，應(yīng)先將斷路器分閘，釋放操作機(jī)構(gòu)的能量，用SF6氣體回收裝置將斷路器內(nèi)的氣體回收，回收時(shí)氣體中水份和SF6氣體分解產(chǎn)物通過(guò)凈化器被吸附，氣室殘存氣體必須用真空泵抽出，使斷路器內(nèi)真空度高于1乇。

3.1.2 滅弧室的檢修

滅弧室檢修主要是檢查噴口燒傷程度，按規(guī)定確定是否更換;相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位均涂滑脂，滅弧室部件一定要注意清潔，嚴(yán)防灰塵、水分、纖維物質(zhì)等進(jìn)入內(nèi)部;斷路器的金屬部件可用清洗劑或汽油清洗，絕緣件應(yīng)用無(wú)水酒精和丙酮清洗。

3.1.3 部件間的密封面

與SF6氣體接觸的零部件及密封圈可涂一薄層聚四氟乙烯潤(rùn)滑脂，密封圈外側(cè)法蘭面應(yīng)涂中性凡士林或防凍脂。密封面、槽要求光亮潔凈、無(wú)劃痕、無(wú)銹斑，并涂以適量密封脂。

3.1.4 氣室的干燥處理

斷路器氣室內(nèi)的吸附劑應(yīng)在解體時(shí)更換，新?lián)Q上的吸附劑應(yīng)先在200～300℃的烘箱中烘燥處理12小時(shí)以上，吸附劑裝入滅弧室之后，立即抽真空，以免吸附劑吸附空氣中的大量水份而失效。

3.2 SF6氣體的雜質(zhì)管理

斷路器中的SF6被電弧分解后生成許多低氟化物，大多數(shù)在極短時(shí)間內(nèi)復(fù)合成SF6，少量殘留在SF6氣體中。

3.2.1 回收程序

回收氣體時(shí)按下列工作程序進(jìn)行:

(1)用充放氣裝置經(jīng)吸附劑將斷路器氣室內(nèi)的氣體回收到貯氣罐內(nèi);

(2)用壓縮機(jī)回收剩余氣體，到0.5表壓左右時(shí)，再用真空泵將其抽出經(jīng)吸附劑排放到空氣中;

(3)斷路器氣室通風(fēng)2小時(shí)之后，檢修人員再戴口罩或?yàn)V毒面具，戴乳膠手套開(kāi)始檢修工作。

工作時(shí)盡量不讓皮膚接觸SF6分解物，分解物遇大氣中的水份后會(huì)形成氫氟酸，對(duì)皮膚有腐蝕作用。開(kāi)關(guān)內(nèi)殘留的分解氣體對(duì)鼻腔和人眼有刺激，接觸過(guò)多會(huì)使眼紅發(fā)炎，因此檢修時(shí)應(yīng)盡量避免鼻、眼接觸SF6分解氣體。

經(jīng)過(guò)活性炭過(guò)濾的SF6分解氣體，其毒性基本清除，但要注意影響吸附效果的因素，新購(gòu)置的吸附劑，無(wú)包裝損壞、受潮現(xiàn)象時(shí)，可直接開(kāi)箱使用。吸附劑在爐中降溫后取出，不可在高溫時(shí)從爐中取出，以免受潮。

3.2.2 回收氣體重新使用的可能性與必要性

斷路器在檢修時(shí)，回收的氣體經(jīng)過(guò)多次吸附劑過(guò)濾之后，當(dāng)SF6純度達(dá)到99.8%以上，當(dāng)水份含量符合要求時(shí)，可以重新充入開(kāi)關(guān)使用。對(duì)于用氣較多的SF6罐式斷路器及GIS中的斷路器，如一臺(tái)330kV SF6罐式斷路器用氣450kg，這一考慮是很有必要的。對(duì)于柱式斷路器是否必要這樣做，要綜合考慮觀場(chǎng)是否允許較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)處理氣體，要權(quán)衡一下節(jié)省氣體與停電損失的利弊。

3.3 SF6氣體的水份管理

3.3.1 水份進(jìn)入開(kāi)關(guān)的途徑

水份進(jìn)入開(kāi)關(guān)的途徑有四種:

(1)SF6氣體本身的水份;

(2)產(chǎn)品零部件(尤其是絕緣件)中吸附的水份;

(3)產(chǎn)品安裝時(shí)從大氣中帶入的水份;

(4)運(yùn)行中的設(shè)備，通過(guò)密封圈向開(kāi)關(guān)內(nèi)部滲入的水份。

運(yùn)行開(kāi)關(guān)雖然內(nèi)部氣壓高于大氣壓，但就水分壓而言，外部的水分壓比開(kāi)關(guān)內(nèi)部要大得多，如:

20℃，相對(duì)濕度為70%時(shí)，大氣水分壓為:

P1=0.7 ×23.8 ×10－3kg/cm2

=16.7 ×10－3kg/cm2

而20℃時(shí)水蒸汽的飽和氣壓為23.8×10－3kg/cm2，見(jiàn)表 1。

表1 水蒸汽的飽和氣壓(10－3kg/cm2)

假定額定SF6氣壓為5kg/cm2的運(yùn)行開(kāi)關(guān)內(nèi)部的SF6含水份為100ppm(V)，內(nèi)部水分壓為:

P2=5 ×100 ×10－6=0.5 ×10－3kg/cm2

內(nèi)外水分壓差為:16.7×10－3/0.5 ×10－3=33 倍

如果外界相對(duì)濕度更大，氣溫更高，飽和蒸汽壓越大，水份越容易揮發(fā)，則內(nèi)外水分壓差更大，水份通過(guò)密封薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)入開(kāi)關(guān)內(nèi)部的可能性更大。

3.3.2 水份對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響

水份對(duì)斷路器開(kāi)斷性能的影響是不容忽視。SF6被電弧分解后，主要的分解物是 SF4+，其次是SF2+、SF5+及負(fù)離子F2－、F－及SF－，在電弧電流過(guò)零之后這些正、負(fù)離子很快(0.1ms之內(nèi))復(fù)合成負(fù)電性的SF6，使開(kāi)關(guān)斷口間的介質(zhì)強(qiáng)度迅速恢復(fù)，但水份的存在，對(duì)電弧電流過(guò)零之后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)起阻得作用，有可能導(dǎo)致滿容量開(kāi)斷失敗。這是由于SF4被水解(SF4+H2O→SOF2+2HF)，使斷口間重新復(fù)合的SF6分子數(shù)變少了。

水份對(duì)開(kāi)關(guān)絕緣性能的影響非常明顯。當(dāng)水份不足以在絕緣物表面產(chǎn)生凝露時(shí)，即水份氣壓低于飽和氣壓數(shù)值時(shí)，產(chǎn)品的絕緣性能一般不受影響。當(dāng)SF6氣體含水份較重時(shí)，受潮的固體分解物呈半導(dǎo)體特性，使絕緣子表面絕緣電阻下降，可能導(dǎo)致高電壓擊穿，或者因表面絕緣能力下降而在兩端電極附近產(chǎn)生局部放電，時(shí)間長(zhǎng)了也會(huì)導(dǎo)致貫通性閃絡(luò)。

3.3.3 水份的控制值

對(duì)于SF6高壓斷路器，各制造廠及運(yùn)行部門(mén)都要求有嚴(yán)格的密封工藝，同時(shí)規(guī)定SF6氣體的含水量不得超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)(300ppm)。運(yùn)行中斷路器每年要進(jìn)行水份檢測(cè)，水份要控制在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)。

對(duì)于剛投運(yùn)的新設(shè)備或檢修后剛投運(yùn)的設(shè)備，希望將水份控制到更低的水平，其必要性是考慮到開(kāi)關(guān)在運(yùn)行時(shí)大氣中的水份可能進(jìn)入開(kāi)關(guān)而使SF6的水份增加。

對(duì)于GIS的非斷路器間隔，額定運(yùn)行氣壓較低，又無(wú)電弧分解物時(shí)，水份的管理值可以放得寬些(≤1000ppm)。

3.3.4 控制水份的方法

(1)另部件在檢修清擦凈后都必須在烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥處理(200℃·4h)，然后才能裝于開(kāi)關(guān)，并應(yīng)避免在濕度大的天氣進(jìn)行開(kāi)關(guān)裝配。

(2)開(kāi)關(guān)組裝完后，應(yīng)更換活化后的或新開(kāi)箱的吸附劑并立即封入開(kāi)關(guān)內(nèi)，抽真空至1乇后繼續(xù)再抽0.5～1h，以排除水份。

開(kāi)關(guān)剛投入運(yùn)行時(shí)如果水份合格，運(yùn)行一段時(shí)間后水份超標(biāo)，說(shuō)明開(kāi)關(guān)的某個(gè)密封環(huán)節(jié)可能有損壞，此時(shí)應(yīng)及時(shí)安排開(kāi)關(guān)停電處理。

4 結(jié)論

SF6的氣體管理是SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備管理的薄弱環(huán)節(jié)，SF6的安裝、維護(hù)與檢修必須以氣體管理為中心，做好SF6的氣體管理工作，特別控制好SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備的氣體水份，是SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備安全可靠運(yùn)行的根本保證。

［1］ 尚振球，郭文元.高壓電器［M］.西安:西安交通大學(xué)，1992.

［2］ 趙誠(chéng).SF6開(kāi)關(guān)裝置的水份控制及霜融水［J］.高壓電器，1999.

［3］ 張冠生.電器理論基礎(chǔ)［M］.福州:福州大學(xué)，1992.

［4］ 周澤存，等 .高電壓技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.