高寒地區(qū)高壓斷路器用SF6/CF4混合氣體液化試驗(yàn)分析

楊文良，劉 卓，王振中，王 琰，趙 磊

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

SF6/CF4混合氣體作為解決SF6氣體冬季低溫液化問題的替代氣體，近些年在內(nèi)蒙古高寒地區(qū)得到了廣泛使用[1-2]。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，在20℃時(shí)總充氣壓力為0.75 MPa的SF6/CF4混合氣體斷路器，只要其中的SF6氣體充氣壓力不高于0.45 MPa，就能保證混合氣體斷路器在-40℃時(shí)安全運(yùn)行。由此可見，混合氣體中SF6和CF4的組分比例直接影響到混合氣體的抗低溫液化能力。

目前，內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司所執(zhí)行的交接驗(yàn)收和狀態(tài)評(píng)價(jià)等標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，要求開展的氣體絕緣設(shè)備試驗(yàn)項(xiàng)目均只針對(duì)純SF6氣體，無針對(duì)SF6/CF4混合氣體的試驗(yàn)項(xiàng)目。因此，僅依據(jù)斷路器機(jī)械特性、電氣性能、密封性能和絕緣氣體微水含量、分解物含量等測(cè)試結(jié)果，難以診斷分析混合氣體斷路器在低溫條件下產(chǎn)生低氣壓缺陷的原因。本文針對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)氣溫驟降導(dǎo)致8臺(tái)混合氣體斷路器發(fā)生低氣壓故障的問題，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷性試驗(yàn)及混合氣體組分測(cè)試，同時(shí)，根據(jù)斷路器參數(shù)信息，利用混合氣體斷路器低溫運(yùn)行模擬試驗(yàn)平臺(tái)，模擬了SF6/CF4混合氣體斷路器低溫運(yùn)行工況下低氣壓產(chǎn)生的過程，分析了造成冬季SF6/CF4混合氣體斷路器低氣壓故障的原因[5]。

1 缺陷斷路器測(cè)試檢查情況

8臺(tái)缺陷斷路器中，1號(hào)、2號(hào)斷路器由蘇州A公司生產(chǎn)，3號(hào)—8號(hào)斷路器由江蘇R公司生產(chǎn)；8臺(tái)斷路器配備4個(gè)不同廠家生產(chǎn)的混合氣體密度表?；旌蠚怏w組分測(cè)試結(jié)果和設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 缺陷斷路器設(shè)備信息和氣體組分測(cè)試結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知：

（1）8臺(tái)缺陷斷路器充裝的SF6與CF4的實(shí)際比例均高于設(shè)備的額定氣體比例，其中5號(hào)—8號(hào)斷路器充裝的SF6氣體體積百分?jǐn)?shù)均超過90%。

（2）8臺(tái)缺陷斷路器配裝的混合氣體密度表，所標(biāo)示的SF6與CF4比例與斷路器額定氣體比例存在5%~20%的差異，與斷路器內(nèi)實(shí)際充裝的混合氣體比例相差15%~50%。

（3）1號(hào)、2號(hào)缺陷斷路器的額定氣體絕對(duì)壓力高達(dá)1 MPa，高出其他混合氣體斷路器額定氣體壓力的40%。

鑒于混合氣體斷路器低溫故障可導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備發(fā)生絕緣擊穿或開斷失敗等事故，對(duì)錫林郭勒地區(qū)54座變電站327臺(tái)混合氣體斷路器開展了設(shè)備參數(shù)排查，發(fā)現(xiàn)有110臺(tái)斷路器存在混合氣體密度表不匹配問題；充氣壓力大于1 MPa的斷路器有45臺(tái)。

2 混合氣體斷路器低溫運(yùn)行模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)平臺(tái)模擬了SF6/CF4混合氣體斷路器低溫運(yùn)行工況，試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置及管路作為斷路器的氣室和氣道，經(jīng)深冷恒溫箱改變裝置的環(huán)境溫度后，使用高精度壓力計(jì)和測(cè)溫儀直接測(cè)取裝置內(nèi)氣體參數(shù)。

圖1 混合氣體斷路器低溫運(yùn)行模擬試驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)混合氣體斷路器參數(shù)信息，在運(yùn)混合氣體密度表采用SF6與CF4體積比為53∶47的數(shù)量最多，所以模擬試驗(yàn)以該比例作為參照。模擬試驗(yàn)從低氣溫、密度表參數(shù)配置和高氣壓三個(gè)方面對(duì)裝置內(nèi)的混合氣體參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。為保證儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置內(nèi)氣體溫度與深冷恒溫箱一致，規(guī)定每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)裝置需靜置3 h再測(cè)取試驗(yàn)參數(shù)。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 SF6/CF4混合氣體低溫表現(xiàn)特征

20℃時(shí)，分別向儲(chǔ)氣裝置充入SF6與CF4體積比53∶47，壓 力 為1.0 MPa、0.9 MPa、0.8 MPa、0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa的混合氣體。將深冷恒溫箱的溫度依次從40℃調(diào)為-50℃，記錄裝置內(nèi)混合氣體的壓力和溫度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 比例為53∶47的SF6/CF4混合氣體低溫試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，混合氣體的壓力始終隨著溫度下降而降低，但r分為兩種情況：一是r值基本恒定，說明混合氣體未發(fā)生液化，即氣體密度不變；二是r值突然降低，說明該溫度下混合氣體已發(fā)生液化。在分析表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，參照對(duì)比純SF6氣體狀態(tài)參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)：

（1）在20℃時(shí)充裝壓力為1 MPa的SF6/CF4混合氣體（混合氣體密度為51 kg/m3），在-40℃時(shí)r值突然降低，其液化溫度點(diǎn)與30 kg/m3密度下的純SF6氣體液化溫度點(diǎn)相似；

（2）在20℃時(shí)充裝壓力為0.7 MPa的SF6/CF4混合氣體（混合氣體密度為35 kg/m3），在-50℃時(shí)r值突然降低，其液化溫度點(diǎn)與20 kg/m3密度下的純SF6氣體液化溫度點(diǎn)相似。

綜上可知，SF6/CF4混氣斷路器的液化溫度取決于其內(nèi)部的SF6氣體含量，且混合氣體的液化溫度點(diǎn)可按照其內(nèi)部相應(yīng)密度的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)判斷。5號(hào)—8號(hào)缺陷斷路器中實(shí)際充裝的SF6氣體含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致了其抗液化能力降低，造成混合氣體低溫液化。

3.2 低溫下混合氣體密度表準(zhǔn)確度分析

20℃時(shí)，向試驗(yàn)裝置充入氣壓0.7 MPa（密度表額定氣壓）、氣體比例53∶47的SF6/CF4混合氣體，同時(shí)測(cè)試40℃、20℃、-30℃溫度下SF6與CF4比例為36∶64、53∶47的混合氣體密度表和純SF6氣體密度表的示數(shù)差異，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同氣體比例密度表全溫度測(cè)試誤差結(jié)果 MPa

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）與儲(chǔ)氣裝置內(nèi)混合氣體比例匹配（53∶47）的混合氣體密度表，在-30~40℃溫度范圍內(nèi)，測(cè)得的密度表指示最大偏差達(dá)0.7%，偏差度滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)定的2.5%要求；

（2）與儲(chǔ)氣裝置內(nèi)混合氣體比例不匹配（36∶64和純SF6氣體）的混合氣體密度表，在全溫度測(cè)試中表針指示最大偏差分別為3.5%和5%，測(cè)試結(jié)果超出相關(guān)規(guī)程規(guī)定的2.5%要求。

由此確認(rèn)，混合氣體密度表與所測(cè)混合氣體比例不匹配會(huì)造成密度表指示偏差，低溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致繼電器發(fā)出錯(cuò)誤的低壓報(bào)警或閉鎖信號(hào)。1號(hào)—8號(hào)缺陷斷路器低溫表現(xiàn)特征均與上述分析結(jié)果相印證。

3.3 高氣壓裝置密封性分析

溫度在20℃時(shí),分別向儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置充入氣壓為0.4 MPa和0.9 MPa、SF6與CF4密度比例53∶47的混合氣體，在-30℃和-40℃溫度下分別測(cè)試試驗(yàn)裝置的氣體泄漏情況。為確保模擬試驗(yàn)中所測(cè)的數(shù)據(jù)變化是由氣體泄漏而非低溫液化導(dǎo)致，要求低溫試驗(yàn)結(jié)束后，溫度回升至20℃，再次確認(rèn)裝置內(nèi)氣體減少量，試驗(yàn)結(jié)果見表4。被測(cè)裝置的氣體年泄漏率Fy按照公式（1）計(jì)算[6]。

式中：Δρ為SF6氣體在兩次計(jì)算時(shí)間間隔的密度變化量，kg/m3；ρ1為第一次計(jì)算出的氣體密度，kg/m3；Δt為兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，h；t為以年計(jì)算的時(shí)間，每年取值8760 h。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知：

表4 低氣溫條件下高氣壓試驗(yàn)裝置的氣體泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）當(dāng)試驗(yàn)裝置中充入0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體時(shí)，僅在-40℃溫度下發(fā)生了氣體密度微降情況，折算到氣體年泄漏率為293.76%；當(dāng)回溫至20℃時(shí)，氣體密度的變化停止。此過程中，試驗(yàn)裝置的總氣體年泄漏率為104.97%。由此推斷，低氣溫會(huì)造成試驗(yàn)裝置的密封性能下降。

（2）當(dāng)試驗(yàn)裝置中充入0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體時(shí)，氣溫降至-30℃，裝置內(nèi)的氣體密度微量下降，折算到氣體年泄漏率為127.01%；氣溫降至-40℃，裝置內(nèi)的氣體密度值大幅降低，折算到氣體年泄漏率為3 932.42%。對(duì)照混合氣體內(nèi)相應(yīng)密度的純SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線，判斷-40℃時(shí)部分SF6氣體發(fā)生了低溫液化；當(dāng)回溫至20℃時(shí)，氣體密度值升高。此過程中，試驗(yàn)裝置的總氣體年泄漏率為607.58%，遠(yuǎn)大于試驗(yàn)一的泄漏量。

綜上推斷，在低溫條件下裝置內(nèi)部氣壓過高會(huì)導(dǎo)致其密封性能降低，加重內(nèi)部氣體的泄漏。1號(hào)、2號(hào)缺陷斷路器低溫表現(xiàn)特征與上述分析結(jié)果相印證。

4 結(jié)論和建議

綜合SF6/CF4缺陷斷路器現(xiàn)場(chǎng)檢查和模擬試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論和建議。

（1）SF6/CF4混合氣體斷路器基建安裝環(huán)節(jié)未按照額定比例充裝SF6和CF4氣體，不滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求，是本次多臺(tái)混合氣體斷路器發(fā)生低氣壓故障的主要原因。建議在相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程中增加針對(duì)混合氣體斷路器的現(xiàn)場(chǎng)混合氣體組分測(cè)試要求。

（2）生產(chǎn)制造過程中未充入?yún)?shù)合適的混合氣體，投運(yùn)后會(huì)造成密度表的指示偏差，低溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致繼電器發(fā)出錯(cuò)誤的低壓報(bào)警或閉鎖信號(hào)。建議在相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程中增加核對(duì)混合氣體密度表參數(shù)和測(cè)試全溫度條件下密度表準(zhǔn)確度要求。

（3）設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)未對(duì)高氣壓斷路器采用有效密封加固方法，投運(yùn)后將導(dǎo)致高氣壓斷路器在低氣溫條件下密封性能下降。建議高氣壓斷路器出廠時(shí)開展低溫條件下密封性能檢測(cè)，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。