變電站突發(fā)氣體泄漏及其衍生物對環(huán)境影響與防護研究

國網(wǎng)北京電力科學研究院 石磊洪 元伸張 亞楠 孟穎 國網(wǎng)北京市電力公司 聶衛(wèi)剛

0　引言

隨著城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，市中心用電密度日益增高，變電站分布越來越密，并逐漸深入到市中心人口稠密區(qū)。

在稠密的市區(qū)選擇變電站站址相當困難，城市綠化帶或大廈的地下室等都已成為城中變電站站址的選擇之一，將來還會有越來越多的城市建設地下變電站。

地下變電站不同于地面變電站，在設備安全與環(huán)境保護方面具有特殊性，本文從地下變電站發(fā)生突發(fā)氣體泄漏情況時，探討潛在的風險，以及可采取的防護對策。

1　突發(fā)性SF6氣體泄漏及其衍生物分析

變電站發(fā)生突發(fā)氣體泄漏時的氣體主要為SF6氣體，純凈的SF6氣體基本無毒，但產(chǎn)品中如混雜低氟化硫、氟化氫，特別是十氟化硫時，則毒性增強。

在1997年防止全球變暖的京都議定書中，將包括SF6氣體在內的6種氣體列為溫室效應氣體，它們對溫室效應的影響依次為CO2，CH4，N2O，PFC，HFC，SF6。其中CO2氣體對溫室效應的影響最大，占64%，而SF6氣體的影響為最小，僅占0.07%。

長期以來，由于對SF6氣體的使用、管理不善、而導致許多有毒的、具有腐蝕性的氣體和固體分解物被排放到大氣中，不但給我們賴以生存的環(huán)境造成了難以挽救的污染和破壞，同時還危及電器設備的正常運行和人們的身體健康。

1.1　SF6氣體衍生物的來源

六氟化硫分解物的來源主要有以下幾點：

（1）電器設備內的SF6氣體在高溫電弧發(fā)生作用時而產(chǎn)生的某些有毒產(chǎn)物。

例如：SF6氣體在電弧中的分解和與氧的反應：

2SF6+O2→2SOF2+8F（氟化亞硫酰）

2SF6+O2→2SOF4+4F（四氟化硫酰）

SF6→SF4+2F（四氟化硫酰）

SF6→ S+6F（硫）

2SOF4+O2→2SO2F2+4F（氟化硫酰）

（2）電器設備內的SF6氣體分解物與其內的水分發(fā)生化學反應而生成某些有毒產(chǎn)物。

SF4+H2O→SOF2+2HF（氫氟酸）

例如：SF6氣體分解物與水的繼發(fā)性反應：

SOF4+H2O→SO2F2+2HF（氫氟酸）

SOF2+H2O→SO2+2HF（二氧化硫）

SO2F2+2H2O→H2SO4+2HF（硫酸）

（3）電器設備內的SF6氣體及分解物與電極（Cu－W合金）及金屬材料（AL、Cu）反應而生成某些有毒產(chǎn)物。

例如：SF6氣體及分解物與電極或其它材料反應：

3SF6+W→WF6（氣態(tài)）+3SF4

3F+AL→ALF3（固態(tài)粉末）

3SOF2+AL2O3→2ALF3（固態(tài)粉末）+3SO2

SF6+Cu→CuF2(固態(tài)粉末)+SF6

4SF6+W+Cu→2S2F2（氣態(tài)）+3WF6（氣態(tài)）+CuF2（固態(tài)粉末）

表1　可測量的物質估算濃度

（4）電器設備內的SF6氣體及分解物與絕緣材料反應而生成某些有毒產(chǎn)物，如與含有硅成分的環(huán)氧酚醛玻璃絲布板（棒、管）等絕緣件；或以石英砂、玻璃作填料的環(huán)氧樹脂澆注件、模壓件以及瓷瓶、硅橡膠、硅脂等起化學作用，生成SiF4、Si（CH3）2F2等產(chǎn)物。

1.2　空氣中SF6衍生物濃度預估

如果GIS室或主變室一旦有閃絡突發(fā)事故發(fā)生，SF6氣體及其產(chǎn)生的有毒有害的分解產(chǎn)物會瞬間泄漏到空間中，其主要可以測量的物質估算濃度如表1。

1.3 六氟化硫衍生物的毒性及其在工作場所中的允許含量

氟化亞硫酰（SOF2）

無色劇毒氣體，能侵襲肺部，引起肺組織急性水腫，影響氣體交換，使肺部缺氧充血而導致窒息性死亡，它有強烈的惡心臭味，可作為警告信號之用。白鼠和兔子的致死濃度為10×10-6和50×10-6（V/V）。

氟化硫酰（SO2F2）

痙攣性化合物，無色無臭，在較高濃度下對肺組織有刺激作用，引起肺泡出血。白鼠和兔子的致死濃度為200×10-6和400×10-6（V/V）。

四氟化硫（SF4）

無色氣體，有類似SO2的刺激性臭味，毒性與光氣相當，對肺有侵害作用。

二氟化硫（SF2）

沸點35℃，化學性能極不穩(wěn)定，受熱后性能更加活潑，易水解成S，SO2和HF等，其毒性與HF相當（HF有強烈刺激性)。

氟化硫（S2F2）

常溫下為無色氣體，具有很強的毒性，遇水后生成HF，對呼吸系統(tǒng)有類似光氣的破壞性作用。

氟化氫（HF）

無色氣體或液體，具有強烈的刺激性臭味，極易溶解于水，形成氫氟酸，對一般材料具有較強的腐蝕性。HF對皮膚、粘膜有強烈的刺激作用，并能引起肺水腫、肺炎等。

十氟化二硫（S2F10）

常溫常壓下為無色易揮發(fā)液體，系劇毒物質，毒性約為SOF2的300倍。S2F10主要侵襲肺組織，引起肺出血和肺水腫。白鼠的致死濃度為1×10-6 （V/V）。

三氟化鋁（AIF3）

白色粉末狀，通常吸附了大量的有毒氣態(tài)分解產(chǎn)物，故應被視為具有強烈腐蝕性和毒性的物質。ALF3粉塵可刺激皮膚引起皮疹，對呼吸系統(tǒng)及肺部均有侵襲作用。

十氟化二硫一氧（S2F10O）

劇毒物質，對肺組織強烈侵襲作用。白鼠的致死濃度為20×10-6（V/V）。

四位女性，四種截然不同的性格，四種風格各異的抗爭之路，結合起來恰恰構成沃克“婦女主義思想”里完美的黑人婦女形象：獨立、自信、勇敢、博愛。她們最終都平等而和諧地與男性相處，而這正是“婦女主義”與“女權主義”最大的不同之處。

2　電力工作人員防護措施

現(xiàn)場發(fā)生突發(fā)SF6氣體泄漏時，變電站工作人員應立即穿戴SF6專用防護服及防毒面具，并迅速撤出SF6泄漏區(qū)域，工作人員應移動至上風口，嚴格管理人員出入，與泄漏區(qū)域隔離。

SF6專用防毒面具可以有效過濾二氧化硫、氟化氫和氟化硫酰等有毒氣體，可以有效防護變電站工作人員的呼吸道、眼睛和面部皮膚，確保變電站工作人員不受毒氣傷害。而對于應急處理人員應盡量配戴正壓式空氣呼吸器，穿戴SF6專用防護服及防護手套進入事故區(qū)。

搶修人員必須進行體格檢查，尤其是要檢查心臟和肺功能，功能不正常者禁止使用空氣呼吸機及SF6專用防護面罩，禁止進入搶修現(xiàn)場。工作人員佩戴上述防護裝備進行檢修、搶修工作時，禁止單獨一人，需要有專門監(jiān)護在現(xiàn)場監(jiān)護，以防出現(xiàn)意外事故。

工作過程中如出現(xiàn)防護設備意外破損、失效，搶修人員身體不適等不良情況，需盡快撤離，脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處，必要時采用氧氣復蘇儀或人工呼吸就地搶救。后續(xù)救治盡快將傷者送往專業(yè)醫(yī)院進行救治，在送往醫(yī)院的途中不得間斷救治，在醫(yī)療救治時，應及時提供相關信息資料。

注意事項：救護過程中應注意保護自身的安全和傷者不受到二次傷害。工作結束后使用過的防護用具應清洗干凈，檢修人員需要洗澡。

3　泄漏氣體處理方案

3.1　泄漏氣體處理方案概述

目前沒有查詢到專用于地下變電站設備正常檢修SF6氣體的回收、儲存。尤其是突發(fā)性大量的SF6泄漏后，用于空間空氣中的SF6氣體及其故障氣體過濾、回收的裝置。

六氟化硫室內變電站一般分布在大中城市內部，為周邊的企業(yè)、商廠、學校、醫(yī)院等單位進行供電，當六氟化硫室內變電站出現(xiàn)故障造成六氟化硫氣體泄漏時，自動開啟泄漏報警裝置，利用風機進行強制排風，將六氟化硫氣體大量排入室外及人流密集區(qū)，導致環(huán)境及行人的受到污染及傷害，故需要對目前的六氟化硫室內變電站強制排風口使用管路連接，將泄漏到室內的六氟化硫氣體進行回收凈化處理，使檢修人員在室內安全的情況下以最快的時間到達故障六氟化硫電氣設備進行檢修處理。

經(jīng)過現(xiàn)場實地調研之后，專門設計對設備正常檢修時具有回收回充等功能和對設備出現(xiàn)故障大量泄漏時具有回收凈化提純回充等功能裝置。主要組成：氣體環(huán)境監(jiān)測模塊；氣體收集預處理模塊；氣體分離模塊；動力及檢修模塊；SF6氣體儲存模塊等。如圖1：

圖1　回收裝置組成

地下變電站內部的氣體是通過通風系統(tǒng)排到地面的，大部分是集中排放。地下變電站的地面部分一般用作廣場或其他建筑使用，群眾比較集中。SF6是溫室氣體之一，火災也會產(chǎn)生大量有毒氣體。如變電站發(fā)生火災或設備發(fā)生SF6氣體泄漏，而SF6氣體及其分解物回收、再生處理不當時，排出外部的氣體會給大氣環(huán)境造成一定的破壞，產(chǎn)生不良的社會影響，造成公共事件。

當六氟化硫室內變電站出現(xiàn)突發(fā)故障時，由六氟化硫泄漏報警裝置（室內六氟化硫氣體含量≥1000PPM）反饋信號啟動氣體收集預處理模塊；關閉通風系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)；裝置執(zhí)行快速回收并將有毒有害氣體預處理；然后通過氣體分離裝置提高SF6氣體濃度；最后經(jīng)動力檢修模塊將氣體儲存至SF6氣體儲罐中。

當變電站SF6泄漏區(qū)域內的六氟化硫氣體＜1000PPM時六氟化硫氣體泄漏預警回收裝置關閉，啟動通風系統(tǒng)及門禁系統(tǒng)；通風換氣15或30min，達到人員進入指標，開展事故搶修工作。

設備事故搶修結束后，運輸移動回收裝置至現(xiàn)場，對回收的氣體進行提純處理灌裝工作，使整個氣體泄漏預警回收裝置恢復工作狀態(tài)。

3.2　泄漏氣體處理方案試驗

3.2.1　實驗目的

（1）通入試驗氣體，模擬泄漏回收，對地下變電站試驗艙內不同位置高度的六氟化硫泄漏報警變送器進行測試，并對不同位置的變送器進行數(shù)據(jù)采集、變化時間采集（主要針對高濃度傳感器分層顯示數(shù)據(jù)檢測、記錄及低濃度傳感器泄漏回收數(shù)據(jù)監(jiān)測、記錄）。

（2）分別記錄并計算1 0000PPm以上及10000PPm以下時各監(jiān)測點SF6濃度變化

3.2.2　模擬泄漏回收試驗

利用此系統(tǒng)進行地下變電站模擬泄漏回收試驗：通入250Kg六氟化硫試驗氣體，其濃度大于1000PPM時啟動六氟化硫泄漏預警回收系統(tǒng)應急處理流程，對空間中泄漏的SF6氣體及其衍生物進行回收、過濾、分離、儲存；當各個SF6泄漏監(jiān)測點的六氟化硫氣體濃度均小于1000PPM時，關閉應急處理流程，經(jīng)空氣分離裝置，并記錄兩次使用的時間。

（1）10000ppm以上時各監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析

由表2、圖2可以看出，快速回收過程中，各測點出六氟化硫濃度迅速降低，氧氣含量增加。

（2）10000ppm以下時各監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析

3.2.3　泄漏處理試驗分析

由所列圖表可以看出，此裝置方案可以滿足空間泄漏SF6濃度快速降至1000PPM以下。該實驗方案初始經(jīng)壓縮機回收泄漏SF6至10000ppm以下花費時間88min；由10000ppm到1000ppm以下，花費時間139min；從泄漏到開始回收共耗時227min，即3h47min。

經(jīng)試驗驗證，當發(fā)生泄漏事故時，該方案能迅速啟動回收系統(tǒng)將泄漏到空間中的氣體回收儲存符合發(fā)生事故應急預案的法律法規(guī)要求。

圖2　10000ppm以上時各監(jiān)測點SF6濃度時間關系

圖3　10000ppm以下時各監(jiān)測點SF6濃度與時間關系

表2　10000ppm以上時各監(jiān)測點數(shù)據(jù)

表3　10000ppm以下時各監(jiān)測點數(shù)據(jù)

表4　10000ppm以下時各監(jiān)測點數(shù)據(jù)