淺談電力行業(yè)SF6氣體的檢測和回收處理工作

房 超， 劉 偉

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院， 安徽 合肥 230022； 2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

SF6是一種無色無味的惰性氣體，具有良好的電氣絕緣性能及優(yōu)異的滅弧性能。其耐電強度為同一壓力下氮氣的2.5倍，擊穿電壓是空氣的2.5倍，滅弧能力是空氣的100倍，是一種優(yōu)于空氣和油之間的新一代超高壓絕緣介質(zhì)材料。因此SF6氣體被廣泛地應(yīng)用于電氣設(shè)備，起到絕緣和滅弧作用；SF6氣體主要用于SF6斷路器及GIS(SF6封閉式組合電器)、SF6負荷開關(guān)設(shè)備、SF6絕緣輸電管線、SF6變壓器及SF6絕緣變電站。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年生產(chǎn)的SF6氣體超過80%用于電力行業(yè)，截至2016年國網(wǎng)公司在役SF6氣體超過一萬多噸。隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備電壓等級不斷提高，SF6氣體的用量越來越大。蘇通GIL綜合管廊工程使用SF6氣體60多噸，單個特高壓變電站使用SF6氣體超過120噸。目前，國網(wǎng)公司已建特高壓變電站50多座，SF6氣體用量巨大。

SF6氣體雖然具有如此多的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中，但是同樣存在著很多缺點。SF6氣體在高溫高壓的氣室中含有少量的水蒸汽，遇設(shè)備正常動作而產(chǎn)生電弧或異常局部放電時SF6氣體會分解，其分解產(chǎn)物(HF和SO2、SOF2、SOF4、SO2F4等)中有劇毒和強腐蝕性物質(zhì)，這些物質(zhì)會腐蝕設(shè)備內(nèi)部金屬元件，進而會造成設(shè)備的故障。從醫(yī)學的角度來講，SF6的各種分解物及生成物對人體同樣具有危害，其影響程度不僅取決于其毒性的大小，還與吸入到人體內(nèi)的量的大小和每個人的身體素質(zhì)有關(guān)。

隨著世界范圍內(nèi)對環(huán)境保護要求的提高，電力行業(yè)的碳排放量也受到了嚴格的限制。1997年，《京都議定書》將SF6氣體列為限制排放的六種溫室氣體之一，并要求發(fā)達國家首先將溫室氣體的排放量凍結(jié)在20世紀90年代的水平，其中受影響較大的就包括在電力行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的SF6氣體。因此，在廣泛應(yīng)用SF6氣體的同時，需要對其進行控制，禁止隨意排放。目前在電力行業(yè)中SF6氣體被納入系統(tǒng)管理。當電氣設(shè)備中SF6氣體質(zhì)量達不到設(shè)備使用要求時，需要專業(yè)人員對其進行回收再處理，使其變成合格的SF6氣體，重新進行使用。這樣不僅很大程度上節(jié)約了氣體使用的成本，同時避免對人體、環(huán)境、設(shè)備等造成損壞。

國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院六氟化硫氣體特性分析與凈化處理技術(shù)實驗室(以下簡稱安徽電科院六氟化硫?qū)嶒炇?作為國網(wǎng)公司唯一一個從事SF6氣體特性分析與凈化處理技術(shù)研究的重點實驗室，SF6相關(guān)專業(yè)工作在全國處于領(lǐng)先水平，致力于采用新技術(shù)、新設(shè)備、新手段和新成果對SF6氣體質(zhì)量全過程監(jiān)控，開展了大量的研究工作，本文從SF6氣體檢測、回收、凈化處理三個方面對相關(guān)工作展開介紹。

1 SF6 氣體檢測技術(shù)

目前，SF6氣體生產(chǎn)方法主要是采用單質(zhì)硫磺與過量氣態(tài)氟直接化合反應(yīng)而成，即S+3F2→SF6+Q(放出熱量)。在合成的粗品中含有多種雜質(zhì)，其雜質(zhì)的組成和含量因原材料的純度、生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì)、工藝條件等因素的影響而有很大差異，雜質(zhì)總含量可達5%，其組成有硫氟化合物，如S2F2、SF2、SF4等，有硫氟氧化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等以及原料中帶入的雜質(zhì)如HF、OF2、CF4、N2、O2等。為了把SF6使用到高壓電氣設(shè)備中，需要凈化粗品中的雜質(zhì)，合成后的SF6氣體還需要經(jīng)過水洗、堿洗、熱解(去除劇毒的十氟化物)、干燥、吸附、冷凍、蒸餾提純等一系列凈化處理過程才能得到純度在99.9%以上的產(chǎn)品。然后再用壓縮機加壓，充入降溫至-80 ℃左右的鋼瓶中，以液態(tài)形式存在。

隨著電力設(shè)備電壓等級的提高，對SF6氣體質(zhì)量的要求也不斷提高，SF6氣體質(zhì)量的標準見表1。最新版GB12022《工業(yè)六氟化硫》[1-3]的幾次修訂，對SF6氣體的質(zhì)量指標要求逐漸提高。

表1 標準GB12022《工業(yè)六氟化硫》對SF6 氣體質(zhì)量要求

從表1中可以看出，國家標準GB/T 12022-2014相較于之前的幾個版本，各項指標逐漸嚴格，其中SF6氣體純度要求提高，增加了SF6氣體中六氟乙烷、八氟丙烷最大含量的限制。目前電力行業(yè)已有標準DL/T 1366-2014《電力設(shè)備用六氟化硫氣體》，用以規(guī)范電力設(shè)備用新SF6氣體的技術(shù)要求、檢驗規(guī)則、運輸和貯存等，對SF6質(zhì)量要求與GB/T 12022-2014相同。對于SF6氣體新氣入網(wǎng)，需要抽樣，開展SF6氣體全項目分析檢測，取得檢測報告后，方可使用。

2 SF6 氣體的檢測

SF6氣體質(zhì)量決定其絕緣滅弧性能，因此SF6氣體的質(zhì)量檢測非常重要。隨著電力行業(yè)的迅速發(fā)展，SF6氣體絕緣設(shè)備增多，對SF6氣 體質(zhì)量監(jiān)督和管理提出了更高的要求。單靠SF6氣體水分含量檢測、泄漏檢測較難實現(xiàn)SF6電氣設(shè)備的故障排查。

氣體絕緣設(shè)備正常運行情況下，SF6氣體分解產(chǎn)物極少。但是在放電作用下或經(jīng)過長期運行，小部分SF6會發(fā)生分解，生成SF4、SF3、SF2和S2F10等多種低氟硫化物。對于純凈的SF6氣體，上述分解產(chǎn)物將復(fù)合成SF6；而運行中SF6氣體不可避免地含有一定量的空氣、水分，化學性質(zhì)活潑的低氟硫化物與空氣、水分發(fā)生反應(yīng)生成SO2、SOF2、HF、SOF4和SO2F2等化合物。SF6氣體在放電能量的作用下分解物的生成機理如圖1所示。

圖1 SF6氣體分解原理圖

通過對SF6氣體中分解產(chǎn)物的檢測，可以幫助判斷設(shè)備運行狀況，發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備故障或潛伏性故障。針對SF6氣體及其分解產(chǎn)物的特性，采用氣質(zhì)譜聯(lián)用儀、動態(tài)離子測試儀、傅立葉變換紅外光譜儀等高精尖儀器，對SF6氣體及其分解產(chǎn)物進行檢測分析研究。通過大量試驗研究，建立了SF6氣體氣質(zhì)聯(lián)用儀、紅外光譜儀、便攜式分解產(chǎn)物儀、便攜式氣相色譜儀等多種檢測方法聯(lián)用的綜合檢測技術(shù)。

SF6氣體現(xiàn)場檢測項目包括純度、濕度、泄漏等檢測項目。采用電化學、色譜法均可實現(xiàn)SF6氣體純度檢測，目前主要使用的是SF6分解檢測儀通過色譜法進行檢測。引進高精度低露點發(fā)生裝置，建立SF6氣體濕度儀的統(tǒng)一比對方法，完善SF6電氣設(shè)備微水檢測手段，目前使用的是SF6氣體綜合測定儀進行露點的檢測。對SF6氣體泄漏激光成像檢測技術(shù)進行研究，建立了SF6氣體泄漏帶電檢測方法，目前主要使用的是SF6定性檢漏儀和SF6氣體泄漏激光成像儀，能快速地發(fā)現(xiàn)泄露點。

3 SF6 氣體的回收

目前，我國大量SF6電氣設(shè)備的運行時間已超過十年，逐步進入檢修期，SF6氣體的運行監(jiān)督和回收處理循環(huán)再利用工作就顯得十分迫切。SFHS-III型SF6回收回充設(shè)備，是安徽電科院專門針對現(xiàn)場SF6氣體回收回充中存在的問題，自行設(shè)計開發(fā)的新一代回收回充設(shè)備，并獲得國家專利。設(shè)備原理圖見圖2。設(shè)備體積小、重量輕、功能齊全、操作簡單，可為實現(xiàn)高效安全的SF6氣體回收、回充提供保證。

圖2 SF6 氣體回收回充設(shè)備原理圖

設(shè)備接口連接要進行回收的氣室，鋼瓶接口連接回收后SF6氣體的儲存鋼瓶，依次打開相應(yīng)閥門，通過壓縮機提供動力，經(jīng)過換熱裝置進行降溫液化使SF6氣體快速地充裝進鋼瓶里。

設(shè)備除了可以進行回收外，還能對SF6氣體進行回充使用，連接抽真空回充接口，打開相應(yīng)閥門進行回充，可快速地把SF6氣體回充至設(shè)備內(nèi)，解決了回充時氣體在鋼瓶內(nèi)汽化結(jié)霜、降低回充速度的問題。同時，該設(shè)備還可對氣室進行抽真空，能快速地把真空抽到目標值[4]。

4 SF6 氣體的凈化處理

安徽電科院六氟化硫?qū)嶒炇已邪l(fā)的SFCL-III型SF6氣體處理系統(tǒng)，可用于處理回收不合格的SF6氣體，使其達到GB12022-2014的標準，使之能進行循環(huán)使用，達到節(jié)能減排、循環(huán)利用的目的。

SF6氣體凈化處理系統(tǒng)流程見圖3[5]，具體如下：

(1) 鋼瓶放倒在鋼瓶推車上面，通過帶手動球閥的壓力軟管連接到處理單元的進氣口處；

(2) 鋼瓶內(nèi)的高壓SF6經(jīng)處理單元緩沖罐后經(jīng)減壓閥壓到0.6 MPa，流向處理單元吸附塔內(nèi)，將SF6氣體中的分解產(chǎn)物及水分等雜質(zhì)吸附后，通過動力單元流向深冷單元；

(3) 利用動力單元的壓縮機間歇抽出深冷單元中的尾氣，并存儲在動力單元儲氣罐內(nèi)；

(4) 當深冷單元的尾氣分離過程達到設(shè)定值后，利用低溫液泵將深冷容器內(nèi)的低溫液體SF6計重充至真空鋼瓶內(nèi)；

(5) 當動力單元儲氣罐的壓力達到一定值后，再流入處理單元儲氣罐，由處理單元重新打入深冷分離單元分離容器中，經(jīng)深冷后手動打開排空閥放掉氣態(tài)空氣并用真空泵抽真空，再將固態(tài)SF6液化后在低溫低壓下灌鋼瓶。

圖3 SF6 氣體凈化處理系統(tǒng)流程圖

處理后的SF6氣體滿足GB/T 12022-2014《工業(yè)六氟化硫》中氣體質(zhì)量指標，可重新充入運行中的電氣設(shè)備，實現(xiàn)SF6氣體的循環(huán)使用。通過氣體的回收、處理、再利用，為氣體使用單位節(jié)約成本，并減少SF6直排入大氣中的環(huán)境危害，這符合我國的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展政策的方向。

5 SF6 回收處理技術(shù)監(jiān)督管理模式

安徽電科院六氟化硫?qū)嶒炇彝ㄟ^多年的SF6氣體專業(yè)工作積累，提出了“分散回收、集中處理、統(tǒng)一檢測、循環(huán)利用”的管理模式。同時，對省級氣體回收凈化處理中心的建設(shè)提出了一套標準配置方案，作為推廣應(yīng)用的依據(jù)。據(jù)此，建立SF6氣體回收利用監(jiān)督管理組織結(jié)構(gòu)，成立安徽省六氟化硫氣體回收處理中心，提出了《安徽省電力公司六氟化硫氣體技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》。

安徽電科院的SF6專業(yè)工作得到了國網(wǎng)公司的認可，在國網(wǎng)公司全面推廣應(yīng)用。根據(jù)國網(wǎng)公司頂層設(shè)計，先后在寧夏、甘肅、湖北、四川、北京、河北等地建立省(市)級六氟化硫氣體處理中心，形成了該地區(qū)SF6氣體實行集中處理后統(tǒng)一分配的管理模式，通過氣體的回收處理再利用為氣體使用單位節(jié)約成本，同時，也使大量的SF6氣體在設(shè)備檢修時得到有效控制，不再直排入大氣，為溫室氣體減排做出貢獻。并編寫了相關(guān)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準以及相關(guān)省級電力企業(yè)SF6氣體監(jiān)督管理規(guī)定，作為工作的指導(dǎo)。

6 結(jié)論

短期內(nèi)，SF6氣體在電力行業(yè)具有舉足輕重的地位，加強SF6氣體質(zhì)量檢測和回收凈化處理工作，有助于提高SF6氣體的循環(huán)利用率，降低環(huán)境影響。

目前，對于我國內(nèi)蒙古、新疆等嚴寒地區(qū)，冬天環(huán)境溫度較低，SF6氣體在設(shè)備中會部分液化，影響絕緣性能，所以在SF6的使用中會使用混合氣體(SF6/N2、SF6/CF4)進行替代，以防在低溫下氣體液化。這項措施也大大減少了SF6的使用量。隨著SF6/N2混合氣體技術(shù)的不斷成熟，第二代GIL(即SF6/N2混合氣體的GIL)獲得了成功的商業(yè)應(yīng)用。[6]國內(nèi)外科研生產(chǎn)單位也在積極尋找SF6氣體的替代介質(zhì)。新型環(huán)保絕緣介質(zhì)一直處于積極探索之中，Alstom公司和ABB公司推出的C4 FK和C5 FK引起了廣泛關(guān)注。[6]我國業(yè)已集中國內(nèi)頂尖科研院校開展技術(shù)攻關(guān)。