SF6開關(guān)設(shè)備微水含量優(yōu)化處理

朱登軍1,楊鎮(zhèn)寧，楊勇1，劉輝，楊偉杰1，王江濤

(1.國網(wǎng)許昌供電公司，河南 許昌 461000；2.許繼德理施爾電氣有限公司，河南 許昌 461000)

1 引言

近年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，用電負(fù)荷逐年上升，輸變電設(shè)備遍布神州大地，其中有大量的封閉式開關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備中有相當(dāng)一部分采用SF6氣體進(jìn)行滅弧和絕緣，純凈的SF6電氣性能優(yōu)異，這是因?yàn)?SF6的分子和自由電子有非常好的混合性，當(dāng)電子和SF6分子接觸時(shí)幾乎100%的混合而組成重的負(fù)離子，這種性能對(duì)剩余弧柱的消電離及滅弧有極大的使用價(jià)值，即SF6具有很好的負(fù)電性，它的分子能迅速捕捉自由電子而形成負(fù)離子。這些負(fù)離子的導(dǎo)電作用十分遲緩，從而加速了電弧間隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)率，因此有很好的滅弧性能。在1.01×105Pa氣壓下，SF6的滅弧性能是空氣的100倍，并且滅弧后不變質(zhì)，可重復(fù)使用。但如果SF6開關(guān)設(shè)備含水量超標(biāo)，就會(huì)大大降低了其電氣性能[1]，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成潛在的隱患[2]，國家標(biāo)準(zhǔn)《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢驗(yàn)到則》(GB/T 8905-2012)對(duì)水分控制提出了嚴(yán)格要求，按照水分對(duì)SF6體積比(μL/L)，單位ppmV，進(jìn)行量化控制。

表1 投運(yùn)前、交接時(shí)六氟化硫分析項(xiàng)目及質(zhì)量指標(biāo)(不包括混合氣體)

本文針對(duì)SF6開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)制造過程中的微水問題進(jìn)行了深入研究，通過多種途徑，達(dá)到控制微水含量的目的。

表2 運(yùn)行中六氟化硫分析項(xiàng)目及質(zhì)量指標(biāo)(不包括混合氣體)

2 微水危害與來源

SF6氣體中混雜水分通常以水蒸氣的形式存在，溫度較低時(shí)，水蒸氣可能凝結(jié)成露附在設(shè)備內(nèi)部的零部件表面，可能引起內(nèi)部電場(chǎng)變化，引起絕緣水平下降產(chǎn)生沿面放電隱患。而過量的分水在開關(guān)開斷過程中，在電弧作用下SF6氣體分解與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生SF4，SO2F2(氟化硫酰)，HF和SO2等有害物，其中HF等腐蝕性很強(qiáng)，對(duì)設(shè)備造成損壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致絕緣失效，危機(jī)設(shè)備安全。因此，需要嚴(yán)格控制SF6設(shè)備中的微水含量。

SF6開關(guān)設(shè)備中水分的來源主要包括：一是新氣中固有的殘留水分，這是由于生產(chǎn)工藝過程中不可避免的含水量；二是設(shè)備零部件，尤其是環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯類零件，水分存在于這些零件內(nèi)部，在特殊條件下擴(kuò)散到SF6氣體中；三是密封不良導(dǎo)致外界水分的滲入。因此，減小SF6氣體中的含水量可從兩方面著手：通過減小零部件固有水分含量和優(yōu)化設(shè)備真空度及密封措施。

3 微水含量控制

3.1 實(shí)際測(cè)試

以某負(fù)荷開關(guān)為例，該型開關(guān)很多部件尤其是外殼體采用環(huán)氧樹脂澆注而成，內(nèi)部支撐件、主軸、溝片等均采用塑料件，如果不進(jìn)行其他處理而普通放置裝配，對(duì)裝配好的樣機(jī)靜置一段時(shí)間(≥30天)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)標(biāo)態(tài)20℃，氣流量0.6～0.7L/min，則其微水含量測(cè)試結(jié)果如下：

可以看出設(shè)備內(nèi)部微水含量超標(biāo)嚴(yán)重，體積比可達(dá)4306μL/L，從前述分析可知，其微水來源主要包括：①SF6新氣；②環(huán)氧等塑料件；③密封圈等密封件；④內(nèi)部放置的吸附劑；⑤充氣裝置；⑥外界水分滲入；

3.2 微水來源控制

首先是控制新氣質(zhì)量，對(duì)SF6新氣的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，通過微水測(cè)試儀對(duì)所用SF6新氣質(zhì)量進(jìn)行抽檢，檢測(cè)分析結(jié)果顯示，微水含量為25.9ppmV，新氣質(zhì)量在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，證明新氣質(zhì)量合格。

圖1 不做任何處理的微水測(cè)試結(jié)果

圖2 新氣微水測(cè)試結(jié)果

第二，對(duì)設(shè)備零部件包括密封件進(jìn)行烘干處理，由于涉及到密封件，溫度不易過高，否則影響你使用壽命及性能，處理溫度在60℃、70℃、80℃分別進(jìn)行烘干2小時(shí)、3小時(shí)、4小時(shí)處理，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 烘干措施效果

結(jié)果表明：烘干處理可以將零部件尤其是環(huán)氧類塑料件固有分水進(jìn)行烘干，但是這些零部件內(nèi)部水分畢竟有限，單純的烘干處理未達(dá)到預(yù)期效果，而且，處理溫度及時(shí)間的差異不是很大，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，從結(jié)果來看，此類零部件設(shè)置處理溫度以70℃，不超過2小時(shí)為宜。

由于新氣和固有零部件微水含量得到控制后，微水效果仍不十分理想，此時(shí)考慮到零部件裝配過程中可能引起的水汽進(jìn)入，考慮對(duì)安裝后的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間抽真空，以消除內(nèi)部空氣中含有的水汽。抽真空時(shí)間及結(jié)果如下：

表4

從結(jié)果可以看出，對(duì)封閉開關(guān)設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間抽真空可以消除由于設(shè)備裝配導(dǎo)致的內(nèi)部含水量，且抽真空時(shí)間越長，微水含量越低，但也造成生產(chǎn)成本上升，越不經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，可以控制抽真空時(shí)間不超過2小時(shí)。

3.3 吸附措施

上述措施雖然取得一定效果，但開關(guān)設(shè)備內(nèi)部微水含量依然超標(biāo)，為此必須對(duì)設(shè)備內(nèi)部的水分進(jìn)行強(qiáng)力清除，通過選取的合理位置放置吸附劑對(duì)的裝配完并充完SF6后設(shè)備進(jìn)行處理，市面上有很多種類的吸附劑，必須找出既能吸附水分，又不吸附SF6的特殊類型對(duì)分子進(jìn)行選擇性吸收的分子篩。

分子篩種類可以按孔徑大小分：孔道小于50nm、50～2nm、小于2nm分別稱為大孔、介孔、微孔，市面上主要商業(yè)應(yīng)用的有3A、4A、5A以及13X等，A分子篩5A分子篩 13X各類型分子篩的作用如下：

3A分子篩：主要吸附水

4A分子篩主要適用于空氣、天然氣等各種化工氣體和液體、制凍劑、藥品、電子材料及易變物質(zhì)的深度干燥，氬氣純化，甲烷、乙烷、丙烷的分離。對(duì)水的選擇吸附性能高于任何其他分子。

5A分子篩鈣型，它除具有3A，4A分子篩所具有的功效外，還可吸附C3-C4正構(gòu)烷烴，氯乙烷，溴乙烷,丁醇等，可應(yīng)用于正異構(gòu)烴分離、變壓吸附分離及水和二氧化碳的共吸附。

13X分子篩，硅鋁比：SiO2/Al2O3≈2.6-3.0，是為滿足深冷空分行業(yè)的特殊要求，進(jìn)一步提高分子篩對(duì)二氧化碳和水的吸附能力。

經(jīng)過對(duì)比分析，選用大連分子篩廠生產(chǎn)的高壓開關(guān)柜專用分子篩F-03(屬于4A類型)進(jìn)行分子篩選，由于FLN36殼體封閉空間大約為V=30L，按照4000ppmV含水量，則內(nèi)部含有水分質(zhì)量為：

m=4000ρv

則水分質(zhì)量大約為1.2g，按照吸附比20%計(jì)算，則該型開關(guān)所需分子篩質(zhì)量約為6g，實(shí)際中可以增加劑量，以長期控制外界水分的滲入，這里放置劑量為100g。經(jīng)過24小時(shí)吸附后，結(jié)果達(dá)到了304.0ppmV，繼續(xù)靜置36小時(shí)后213.0ppmV，48小時(shí)后為151.5ppmV，結(jié)果如下:

此外，在設(shè)備密封前放置吸附劑的間隔時(shí)間越短，可以避免因未密封造成吸附劑吸取外界空氣中水分，效果越好，反之，間隔時(shí)間超過24小時(shí)，分子篩作用幾乎消失。

表5 分子篩處理結(jié)果

分析以上結(jié)果，由于分子篩吸附水分是一個(gè)過程，需要時(shí)間進(jìn)行緩慢吸附，只要滿足劑量要求，一定時(shí)間后即可達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

由于該型開關(guān)設(shè)備所充SF6氣壓較低(表壓0.04MPa)，且該型開關(guān)存在3個(gè)密封環(huán)節(jié)：上下環(huán)氧樹脂殼體間平面靜密封、充氣閥端面與下環(huán)氧樹脂殼體間平面靜密封、轉(zhuǎn)動(dòng)密封組件與下環(huán)氧樹脂殼體平面靜密封。在低壓力下對(duì)密封的控制難度較大[3]，在實(shí)際生產(chǎn)中很多廠家采用“0”型密封圈甚至雙密封圈，經(jīng)驗(yàn)來說，密封面越大越容易成為薄弱點(diǎn)，通過試驗(yàn)多種類型密封圈，采用“M”型密封圈，多道密封效果較好。

本文從實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行摸索，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了逐個(gè)實(shí)踐探索，從水分來源上進(jìn)行控制，認(rèn)為通過熱烘箱進(jìn)行適當(dāng)溫度、合適時(shí)間的熱烘烤處理，可以將零部件固有水分清除、通過長時(shí)抽真空對(duì)裝配過程中引入的水分清除，通過放置適量吸附劑并注意吸附劑放置時(shí)機(jī)，對(duì)放置過程中的外界滲入水分進(jìn)行最大程度清除，同時(shí)并優(yōu)化密封處理工藝，改善密封部位，從而達(dá)到微水長期控制目的，為對(duì)微水含量有嚴(yán)格要求的各型電氣設(shè)備提供有價(jià)值的參考。