關(guān)于變電站六氟化硫氣體回收再利用的思考

朱智博（中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司）

六氟化硫（SF6）氣體具有卓越的電絕緣性和滅弧特性，從1940年開始作為絕緣介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)，如高壓斷路器、高壓開關(guān)、高壓變壓器、互感器、氣封閉組合電容器等。以X油田變電站為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅SF6斷路器就有1 600余臺(tái)，每年對(duì)斷路器進(jìn)行大修、補(bǔ)氣，每年消耗量約700 kg。SF6氣體是目前發(fā)現(xiàn)的溫室效應(yīng)極強(qiáng)的氣體之一，對(duì)于環(huán)境污染嚴(yán)重；SF6氣體在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，對(duì)人體健康有極大危害；同時(shí)，SF6氣體價(jià)格昂貴，每瓶氣體在近萬(wàn)元左右。如果對(duì)氣體能夠科學(xué)的回收再利用，不僅能減少對(duì)環(huán)境、人身的危害，而且可節(jié)約資源和降低經(jīng)濟(jì)成本，基于以上原因，對(duì)SF6氣體的回收工作應(yīng)得到高度重視。

1 SF6氣體電器的應(yīng)用

SF6氣體電器有斷路器、GIS、互感器、避雷器等。最常見的是SF6斷路器，即采用SF6氣體作為滅弧介質(zhì)的斷路器，適用于頻繁操作及要求高速開斷的場(chǎng)合，在國(guó)內(nèi)35 kV及以上電壓等級(jí)的變電站中得到了廣泛使用。

SF6斷路器的工作原理，主要是在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)能切斷和接通高壓線路及各種空載和負(fù)荷電流，而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)繼電保護(hù)裝置的作用能自動(dòng)、迅速、可靠地切除各種過(guò)負(fù)荷電流和短路電流，防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。斷路器內(nèi)部的SF6氣體，則是在分?jǐn)噙^(guò)程中起到快速滅弧的作用和正常運(yùn)行時(shí)起到相地、相間的絕緣作用。同時(shí)，為了保證斷路器的正常工作，內(nèi)部的SF6需要有一定的壓力值，運(yùn)行中是利用SF6密度繼電器來(lái)監(jiān)視氣體壓力變化。當(dāng)SF6氣體壓力下降到第一報(bào)警值時(shí)，密度繼電器動(dòng)作，報(bào)出補(bǔ)氣壓力的信號(hào)。當(dāng)SF6氣體壓力下降到第二報(bào)警值時(shí)，密度繼電器動(dòng)作，報(bào)出閉鎖壓力的信號(hào)，同時(shí)把開關(guān)的跳合閘回路斷開，實(shí)現(xiàn)分、合閘閉鎖。

SF6在150℃以下時(shí)，有良好的化學(xué)惰性，不與斷路器中常用的金屬、塑料及其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在大功率電弧引起的高溫下分解成各種不同成分時(shí)，電弧熄滅后的極短時(shí)間內(nèi)又會(huì)重新合成。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%的混合而組成新的負(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101 kPa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。SF6氣體優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，使SF6斷路器具有如下優(yōu)點(diǎn)：開斷能力強(qiáng)，斷口電壓便于做得較高，允許連續(xù)開斷次數(shù)較多。因此，SF6斷路器在電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用。

2 SF6的特性及危害

SF6氣體是一種具有優(yōu)良滅弧性能和高絕緣的氣體，用于輸變電設(shè)備，具有性能穩(wěn)定、維修周期及使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。由于SF6電器設(shè)備性能優(yōu)越，得到了全面推廣使用。但是SF6具有以下危害:

1）未使用的SF6氣體是無(wú)味、無(wú)色、無(wú)毒的，但由于SF6氣體自身比重比空氣重好幾倍，會(huì)在地面層漂浮。因此，對(duì)于密閉空間內(nèi)存在SF6設(shè)備時(shí)，需安裝含氧量及SF6含量測(cè)試裝置，以免由于氧氣不足，對(duì)檢修人員造成危害。

2）SF6氣體在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由于開斷，產(chǎn)生高壓電弧時(shí)，SF6氣體會(huì)裂解生成部分低氟化物等有毒物質(zhì)。SF6電器設(shè)備運(yùn)行到期報(bào)廢拆除具有使用時(shí)間越長(zhǎng)、開斷次數(shù)越多、SF6氣體中的毒性也就越大，所以SF6氣體不能直接排入大氣，需要進(jìn)行回收處理。

3）SF6氣體在電器設(shè)備運(yùn)行中，由于水份超標(biāo)或動(dòng)靜觸頭的消耗，易發(fā)生絕緣擊穿或過(guò)熱等問(wèn)題，因此需要對(duì)SF6斷路器進(jìn)行定期的大修（包括更換SF6氣體）。

4）同等體積下的SF6氣體對(duì)溫室效應(yīng)的影響為CO2的25 000倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年排放到大氣中的SF6氣體相當(dāng)于1.25×108t CO2氣體。在國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《2006年社會(huì)責(zé)任報(bào)告》中，明確提出“減少污染物和廢棄物排放，回收再利用SF6氣體”的節(jié)能和環(huán)保要求[1-4]。

3 回收裝置工作原理

目前在用的SF6氣體回收裝置，主要由回收系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、儲(chǔ)氣罐及控制系統(tǒng)等組成，具體包括壓縮機(jī)、緩沖器、分離器、過(guò)濾器、熱交換器、安全閥、逆止閥、氣體壓力表、真空泵、真空表、充氣裝置和面板控制等[5-6]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐及管路系統(tǒng)及SF6氣體電器抽真空及真空度測(cè)量、回收SF6氣體液態(tài)儲(chǔ)存、凈化SF6氣體等功能。X供電公司SF6回收裝置系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 X供電公司SF6回收裝置系統(tǒng)原理Fig.1 System schematic of SF6 recovery device of X power supply company

回收裝置按照SF6氣體回收方式分為冷凍液態(tài)方式、高壓液態(tài)方式、高壓氣態(tài)方式[7-8]，考慮到生產(chǎn)成本和SF6運(yùn)輸成本，目前常見的方式以冷凍液態(tài)方式為主?；厥諘r(shí)，利用壓縮機(jī)的抽吸性和壓縮性把SF6電器設(shè)備內(nèi)一定壓力的SF6氣體吸入壓縮機(jī)，并壓縮至某一較高的壓力，利用制冷劑的低蒸發(fā)溫度特性，將較高溫度的SF6氣體冷卻至冷凝溫度進(jìn)行液化、貯存。充放時(shí)，首先利用本裝置的真空泵對(duì)SF6電器設(shè)備（或鋼瓶）和連接管路進(jìn)行抽真空，然后直接利用壓差或利用壓縮機(jī)的抽吸性把產(chǎn)生的壓差將裝置貯存容器內(nèi)的SF6充入SF6電器設(shè)備內(nèi)，直至達(dá)到所需的工作壓力為止。

4 存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)檢修現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，由于使用、管理不當(dāng)?shù)仍?，廢氣直接排放或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾吸附而排放到大氣中。這不僅導(dǎo)致SF6氣體在高溫電弧作用下產(chǎn)生的有毒分解物排放到大氣中，還給人類賴以生存的環(huán)境帶來(lái)污染和破壞，同時(shí)還危及電器設(shè)備的正常運(yùn)行和運(yùn)行檢修人員的身體健康。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，回收工作落實(shí)不到位除了人員主觀原因外，主要是基于目前的回收裝置還具有一定的使用局限性。

由于該裝置功能強(qiáng)大，元件較多，因此體積和重量都較大。目前X油田供電公司使用的裝置體積約為1 800 mm（長(zhǎng)）×1 600 mm（寬）×1 200 mm（高），重量約為400 kg，因此，對(duì)于時(shí)間有限的檢修工作存在以下問(wèn)題：一是重量大，體積大，不便運(yùn)輸，增加運(yùn)輸成本；二是部分變電站院內(nèi)地面不平整，或者院內(nèi)有電纜橋架，或者部分變電站高壓設(shè)備在二樓，或者工作地點(diǎn)狹小等。以上兩類情況均不便于將回收裝置移動(dòng)到相應(yīng)位置進(jìn)行回收工作，極大限制了該工作的局限性。此外，由于目前使用的回收設(shè)備是和GIS配套使用，充氣壓力值無(wú)法調(diào)整，因此需要重新編程，滿足其他設(shè)備的回收需求；充氣接口不兼容，應(yīng)配備其他型號(hào)的SF6氣體電器相應(yīng)的接口。

圖2 改裝后的模塊化系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of modular system after modification

5 改造措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，一體化SF6回收裝置具有體積大、質(zhì)量重的特點(diǎn)，如果能將SF6氣體回收裝置體積縮小，質(zhì)量減輕，并且保持回收效率不變，就可以徹底解決SF6氣體回收裝置在戶內(nèi)變電站難以運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題?；谝陨系囊?，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將—體化SF6回收裝置進(jìn)行模塊化改裝，改裝后的模化塊系統(tǒng)原理見圖2，組成便攜式的回收裝置。

改裝目標(biāo)是將每部分的重量控制在50 kg以內(nèi)，體積不超過(guò)1 000 mm（長(zhǎng)）×1 000 mm（寬）×500 mm（高），符合現(xiàn)場(chǎng)的使用需求。因此將該裝置分為模塊1（充氣裝置、氣體壓力表、儲(chǔ)氣罐等）、模塊2（真空泵、真空表等）、模塊3（壓縮機(jī)、緩沖器、分離器、過(guò)濾器等）、模塊4（控制面板）[9]，每部分之間通過(guò)高壓氣管及控制電纜進(jìn)行連接。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，對(duì)模塊2和模塊3的底部進(jìn)行了加固，保證模塊的穩(wěn)定；裝置的底部安裝了移動(dòng)輪，方便現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)；對(duì)外觀進(jìn)行了防銹處理；各管線的連接、拆裝人性化處理，設(shè)計(jì)管線放置支架，方便拆裝；各部件的安裝空間緊湊，設(shè)計(jì)有電動(dòng)機(jī)、閥門等維護(hù)位置，便于維護(hù)。對(duì)于控制程序問(wèn)題，結(jié)合生產(chǎn)廠家，對(duì)PLC程序進(jìn)行修改，并在控制面板加裝旋鈕進(jìn)行壓力設(shè)定，解決充氣壓力無(wú)法調(diào)整的問(wèn)題。對(duì)于接口問(wèn)題，通過(guò)統(tǒng)計(jì)X油田在用的SF6氣體電器，主要有3種接口，查閱廠家資料并結(jié)合圖紙，進(jìn)行加工，配備三通減壓閥，便于回收充氣工作的開展。

組裝完畢后，需要對(duì)該裝置進(jìn)行密封試驗(yàn)。進(jìn)行抽真空及真空度保持試驗(yàn)、回收氣體速度測(cè)試、充氣速度測(cè)試等功能性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等[10]，均符合規(guī)范要求。一是回收氣體速度，將設(shè)備容積為1 m3、氣壓為0.8 MPa（20℃）的SF6氣體回收到容積為1 m3、初壓為2 MPa的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)氣罐中，當(dāng)設(shè)備殘壓達(dá)到5×10-3MPa時(shí)，回收氣體時(shí)間不超過(guò)1 h；當(dāng)設(shè)備殘壓達(dá)到1.33×10-3MPa時(shí)，回收氣體時(shí)間不超過(guò)2 h。二是充氣速度，對(duì)初壓低于133 Pa的1 m3容器充入SF6氣體至0.8 MPa（20℃）壓力時(shí)，充氣時(shí)間不超過(guò)0.25 h。三是抽真空速度，對(duì)容積為1 m3、初壓為0.1 MPa的容器抽真空至終止壓力小于133 Pa條件下，抽真空速度為1 m3/h、2 m3/h和5 m3/h三種。四是裝置真空度保持真空度達(dá)到133 Pa壓力下，保持5 h后，裝置真空度的上升值應(yīng)不超過(guò)67 Pa。

將該設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別選取戶內(nèi)和戶外變電所各一座，各個(gè)模塊最多需要兩個(gè)人搬運(yùn)，工作量不大，完全能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求，且儲(chǔ)氣罐根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可進(jìn)行靈活調(diào)整。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，發(fā)現(xiàn)氣體回收充氣速度不能滿足檢修時(shí)間要求（有停電計(jì)劃），為了提高回收氣體的速度，通過(guò)采用提高真空泵功率、加大管路直徑、縮短管路路徑等措施，再次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，SF6氣體回收充氣工作可以在2 h之內(nèi)完成，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

6 結(jié)論

便攜式SF6氣體回收裝置的設(shè)計(jì)改造，解決了運(yùn)輸、搬運(yùn)不便、接口不兼容等問(wèn)題，解決了部分區(qū)域不能回收SF6氣體的問(wèn)題，避免對(duì)操作人員造成人身危害，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家碳達(dá)峰碳中和號(hào)召，減少SF6溫室氣體的排放，提高了SF6氣體的資源再利用率，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，X油田變電站SF6氣體每年可回收約500 kg，SF6氣體價(jià)格約200元/kg，可實(shí)現(xiàn)每年節(jié)省費(fèi)用7萬(wàn)元。