淺議新疆地區SF6瓷柱式斷路器使用混合氣體技術改造問題

摘 要 基于新疆電網的特殊地理環境，大量瓷柱式SF6 斷路器在冬季氣溫低于-30℃后出現的氣體液化問題，直接影響設備開斷性能。對此類SF6 斷路器設備的技術改造，成了檢修單位必須面對的一個問題。

關鍵詞 瓷柱式斷路器 SF6 混合氣體 氣體組分分析 技術改造

由于新疆地區地廣人稀的地理環境，電網規劃設計時變電站多選址在戶外無人曠野，而且站內一次設備也常選用敞開式設備。其中純SF6 氣體作為滅弧和絕緣介質的瓷柱式斷路器在冬季戶外氣溫低于-30℃后，經常出現SF6 氣體液化導致氣體密度降低的問題。由于電網大負荷下開關設備需要較大的短路開斷容量，該問題將對斷路器、電網的安全運行造成較大影響。

一、低溫下SF6 氣體液化對設備性能的影響

SF6 氣體有優良的熱特性，絕緣性能恢復快，有強負電性，是一種具有優異滅弧性能的氣體。 SF6 在電弧高溫作用下發生分解： SF6 →S+F2，以硫和氟原子的狀態存在，同時吸收大量的能量。在滅弧后，大部分硫和氟原子又迅速組合為SF6 分子：S+F2→ SF6 。但有少部分與水、空氣等雜質反應產生有毒物質：SF6+H2O→SOF2+HF。SF6氣體分子分解時吸收的能量多，對弧柱的冷卻作用強。

在氣溫低于-30℃超低溫的環境下，根據公式Berttie-Bridgman可知SF6氣體極易產生低溫液化，造成SF6氣體密度下降，必然導致高壓SF6斷路器的滅弧性能和絕緣能力的降低，影響高壓 斷路器的正常運行。根據某廠試驗可知， LW-252/Y5000-63型斷路器氣體額定壓力由0.6MPa降低到0.4MPa時，其額定短路開斷電流將由63kA降低至50kA。

二、使用SF6混合氣體的技術背景

1. SF6斷路器氣體液化問題的常用解決辦法與問題。

（1）提高斷路器中氣體的溫度，減少液化程度，即通過加大氣體加熱裝置的功率和加裝氣體管路加熱帶來來保證低溫環境下SF6氣體密度。該思路的問題在于已成型的瓷柱式斷路器由于斷路器自身結構并不能直接對斷路器滅弧室部分進行加熱。若在機構部位進行加熱，經過長距離的熱傳導后能量損耗極大，效果不明顯。同時，新增的加熱裝置一般在設備底部機構部分，加熱裝置對于密封件、端子排和繼電器等均有不良影響。所以，該思路僅對溫度不是太低地區的部分型號斷路器有效。

（2）降低斷路器內的額定氣體壓力，以防止出現氣體低溫液化現象。由實際工程中應用的SF6氣體狀態參數曲線圖（圖一）可以方便的知道較低額定壓力的 氣體在超低溫環境下的確不存在液化問題。但是，這必然會犧牲斷路器的額定短路開斷能力。所以對于電網負荷較大，需要保證斷路器設備額定短路開斷能力的地區無法使用。

圖一 氣體狀態參數曲線

2.SF6混合氣體的原理及優缺點。

根據道爾頓分壓定律，任何容器內的氣體混合物中，如果各組分之間不發生化學反應，則每一種氣體都均勻地分布在整個容器內，它所產生的壓強和它單獨占有整個容器時所產生的壓強相同。混合氣體的總壓力等于其中各組分的分壓力之和。SF6混合氣體的總壓力等于SF6氣體分壓力和另一組分氣體的分壓力之和，即P總=P1+P2 。公式中：P1-SF6 氣體分壓力，MPa； P2-另一組分氣體分壓力，MPa； P總-氣體總壓力，MPa 。但是，斷路器氣室中SF6氣體性質，仍舊為P1下的性質。若改為混合氣體后當總壓力為0.7MPa時，SF6氣體按比例為0.27MPa 。由實際工程中應用的SF6氣體狀態參數曲線圖可知，此時的SF6氣體液化溫度將會低于-50℃，足夠滿足超低溫地區的日常使用。

三、常用的SF6混合氣體種類及差別

SF6混合氣體選擇的目的是在低溫環境中能夠保證斷路器正常運行和完成開斷電弧的操作。所以SF6混合氣體必須具有較低的液化溫度、較高的介電強度和較好的化學穩定性。液化溫度低才能保證在工作環境的溫度和氣壓下，氣體介質不液化；介電強度高則可以確保斷路器斷口能夠承受長期運行的額定電壓和暫態過電壓；化學穩定性好則不會對周圍環境造成腐蝕或污染。同時，作為滅弧介質，SF6混合氣體該具有良好的熱物理和熱化學性質。應該具有較大的導熱系數、定壓比熱、絕熱系數、電導率、以及高溫電弧產物無毒或毒性較低，電弧產物不污染或腐蝕滅弧室。在開斷能力方面應該接近SF6氣體。最后，經濟性上應較為便宜。雖然現階段對于多種氣體均有研究，但是常見的備選氣體主要如下： N2、CF4、CO2和空氣等。

對于上述氣體科研人員前期已進行了大量研究，初期較為偏向使用N2氣體，但是在后期發現CF4氣體與其他氣體相比絕緣性能更為優良，液化點較低的性能差別不大。同時CF4氣體密度大于N2和CO2具有更好的散熱效果，故而現階段廠家多推薦使用SF6 /CF4 混合氣體。

SF6/CF4混合氣體的壓力較低時，采用Antoine蒸汽壓方程和氣液平衡基本定律進行計算，如下所示

ln[pOA/（105pa）]A1-B1/[（T/K）+C1] 式（1）

ln[pOB/（105pa）]A2-B2/[（T/K）+C2] 式（2）

pOAx=py 式（3）

pOB（1-x）=p（1-y） 式（4）

式中：pOA為組分1的飽和蒸汽壓；pOB為組分2的飽和蒸汽壓；p為混合氣體的飽和蒸汽壓；T為混合氣體的液化點；A1，B1，C1 為組分1的Antoine常數；A2，B2，C2為組分2的Antoine常數；x，y為氣液平衡時組分1的液相、汽相摩爾比列。有式（1-4）推導出：

pyexp{B1/[（T/K）+C1]-A1}+p（1-y）exp{B2/[（T/K）+C2]-A2}=1式（5）

設充入斷路器的混合氣體的初始壓力和溫度分別為 ，在低壓下近似按理想氣體普適方程得到：

p0/T0=p/T 式（6）

由式（5）和（6）聯立迭代即可求得混合氣體的飽和蒸汽壓和液化點。針對0.22MPa和0.5MPa壓力下的不同氣體進行計算液化點如下表。

由表中數據可以看出SF6/CF4混合氣體對于解決低溫液化問題效果良好。由于混合氣體的絕緣性能和滅弧能力比不上純 SF6氣體，因此充混合氣體的電氣設備的工作氣壓，按經驗需要再提高0.1MPa，但此時SF6氣體分壓比純SF6氣體時的工作氣壓低得多，所以不會出現液化間題，即采用混合氣體可以使液化溫度明顯降低。

四、工程應用中的問題及注意事項

1.SF6/CF4混合氣體的充氣、補氣與回收。

（1）新投運斷路器混合氣體的充氣。SF6/CF4混合氣體的混合問題，根據道爾頓分壓定律可知，沒有必要先將兩種滅弧介質成分混合后再充入開關設備中。所以現場作業時先充入SF6氣體至其分壓力的規定值，然后再充入CF4氣體至混合氣體的最終壓力值。例如：某SF6：CF4=45：55混合氣體斷路器的額定壓力為0.6MPa，則可先向斷路器充入SF6氣體至0.27MPa.然后再充入CF4 氣體至0.6MPa。由于氣體的擴散和對流作用，甚至在設備長期投運的情況下，氣體的混合仍保持得很均勻。

對純SF6斷路器進行技術改造時，可在停電狀態下使用回收裝置將斷路器內SF6氣體壓力抽至額定分壓力后，再沖入CF4直至額定壓力。

（2）在運的SF6 /CF4混合氣體斷路器的補氣。若斷路器存在大量的滲漏時，需要先對斷路器進行停電檢修。此時斷路器內部氣體已完成回收，檢修后可按照4.1.1方法處理。

對于斷路器輕微滲漏后經處理后可直接補氣工作，不建議直接補充固定比例的混合氣體。應先使用專門定制的 組分測試儀進行組分測試以確定氣體組分，然后根據當前壓力值計算斷路器內部 和 氣體的質量m1。同時計算出額定壓力下兩主要氣體成分的重量m2。最后在現場使用精密的計重工具，按照下述公式沖入固定量的混合氣體△m。需充入氣體質量為△m=m2-m1。

（3）SF6/CF4混合氣體的回收。SF6/CF4混合氣體介質斷路器中的氣體在檢修時很難做到混合氣體單一組分的分離，故很難回收再利用。另外SF6是非常強烈的溫室效應氣體，不能直接排放入大氣中。現階段檢修時應使用SF6回收狀置回收斷路器內全部氣體至氣瓶內作為廢氣，并交由專業機構處理。

2.SF6/CF4混合氣體的密度繼電器動作值整定與檢漏問題。

SF6/CF4混合氣體斷路器中仍舊可以使用普通的SF6密度繼電器在監測內部氣體壓力，同時溫度補償功能不受影響。在斷路器交接或大修試驗中，密度繼電器必須進行動作值整定，由于SF6混合氣體的電氣特性與相同壓力的純SF6氣體不相同，可根據具體制造廠家提供的值進行整定。現有純SF6氣體斷路器改充SF6混合氣體前，應由制造廠家提供型式試驗報告和新的整定值。當然，現階段國外已有針對SF6/CF4混合氣體的專用密度繼電器，新投運設備時可直接采購。

SF6/CF4混合氣體斷路器若發生壓力不正常下降，需要檢漏時.檢漏的方法仍然可分為定性和定量兩種方法。泄漏點的定性查找，目前一般使用比較先進的紅外檢測裝置。由于紅外檢漏自身的原理與 氣體含量沒有關系，所以檢測方法與純SF6氣體時一樣。SF6/CF4混合氣體泄漏的定量測試仍可以用掛瓶撿漏法、局部包扎法或者整機扣罩法。必須注意的時原有的檢漏儀只能探測到 氣體的體積濃度K，所以漏氣率計算公式時，必須在K之前乘以系數A=1/SF6。系數 1/1/SF6 占混合氣體的百分比。

3.SF6/CF4混合氣體的微水量標準要求與測試問題。

SF6/CF4混合氣體斷路器中氣體的水分仍舊會在滅弧過程中生成氫氟酸，并也會影響絕緣性能，所以微水量仍是一個重要的指標。根據道爾頓分壓定律，處于擴散平衡的混合氣體中，每一種氣體成分均是按它單獨存在時那樣分布的。因此，氣體中水蒸氣在什么條件下凝結成露或冰。只取決于氣體中水蒸氣分壓力和密度在什么溫度下達到它的飽和值，而與同一空間中是否存在其他物質無關。所以，對于SF6/CF4混合氣體斷路器的微水量仍應當采用純SF6氣體斷路器的國家標準：運行中為300ppm，而交接為其一半150ppm。

關于微水量的檢測方法應與純SF6氣體斷路器的一樣。采用電解法和露點法等測量，使用原有儀器即可。

4.斷路器機械特性的變化。

SF6/CF4混合氣體斷路器的滅弧室結構與純SF6氣體斷路器的一樣由瓷套、靜弧觸頭座裝配、噴管、壓氣缸、動弧觸頭等部件組成。但是由于在SF6/CF4混合氣體中的電弧直徑要大于純SF6氣體中的電弧，SF6/CF4混合氣體介質的滅弧能力比純SF6氣體介質有所降低。所以，新制造的斷路器拉伐爾噴管的喉部直徑、噴口上游區的長度、噴口下游擴張角以及壓氣室活塞的面積等都要有所改變。因此在斷路器機械特性的測試、調整時，一定要按照廠家說明書要求來調整好行程、超程、分合閘速度等。

對于原純SF6介質的斷路器在調整時，一定要根據廠家給出的新數據進行調整。根據經驗來說斷路器的分閘時間、分、合閘速度均會有一定變化。同時，在斷路器滅弧室中最容易被電弧燒損的部件是噴口，所以在斷路器解體大修時，可以對技術改造的斷路器更換新的適應SF6/CF4混合氣體噴口，以提高設備可靠性。

5.原純SF6介質斷路器技術改造的一些急需解決的問題。

對于無條件進行更換的原純SF6介質斷路器，低溫液化問題可采用更換混合氣體的方式進行解決，但廠家必須提供具有國家相關部門認可資質單位出具的全套型式試驗報告，相關型式試驗報告上報網省公司一級運維檢修部審查通過后，方可實施，并補充建立完善檢修、試驗等相應規程規范。

另外，現階段SF6/CF4混合氣體在國內、外雖然已有較多得運行經驗，但是，我國仍未有相關的國家標準。電網運行單位應密切關注國家相關技術標準的變化，以調整自身運維設備。

五、結束語

采用SF6/CF4混合氣體作為斷路器的滅弧、絕緣介質，在ABB、西門子等國外電氣公司與西開、平高等國內公司已經獲得應用，并取得了多年的運行經驗。該技術對于解決 液化問題有很好的效果，但是其在我國應用并不廣泛。SF6/CF4混合氣體介質斷路器的檢修工作經驗比較薄弱，因此，本文就混合氣體斷路器的特點和檢修進行了分析和補充。

參考文獻

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