淺談SF6組合電器微水超標原因

李偉 焦冠男

摘 要：SF6氣體的負電性，使它的絕緣性能和滅弧性能非常優越，被廣泛應用于電力系統的高壓斷路器中，也為組合電器廣泛應用提供了堅實的基礎。但SF6氣體在電弧的作用下，會產生劇毒的低氟化合物，對人體、設備造成傷害，而SF6氣體的分解，又與氣體中水分的含量的多少有著密切的關系。該文通過對某變電站組合電器微水超標實例分析，對組合電器中微水的危害、來源、影響因素做了詳細的分析，提出微水超標的后的設備內部氣體處理方法、設備處理方法和環境治理辦法。

關鍵詞：組合電器 微水超標 治理

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0117-02

2012年，某供電公司在例行試驗中，發現某220 kV變電站團葫#2線Ⅲ氣室微水超標，達到了826 ppm。在隨后的跟蹤測試中，發現微水值有上升的趨勢，最高達到了1256 ppm。當年的9月對團葫#2線Ⅲ氣室進行了氣體置換及停電抽真空處理。2013年的例行試驗中，發現220 kV西葫#1線、#1主變一次II氣室微水超標，在隨后的跟蹤測試中，發現處理效果不理想，2014年8月5日測試結果為#1主變一次II氣室微水含量反彈至951 ppm、220 kV西葫#1線II氣室微水含量反彈至437 ppm，并發現220 kV團葫#2線微水含量達到1185 ppm。

我們為什么對組合電器中微水的含量這么重視？SF6的分解反應與水分有很大關系。在電弧高溫作用下，很少量的SF6會分解為有毒的SOF2、SO2F2、SF4和SOF4等。電弧分解物的多少與SF6中所含水份有關，因此，把水份控制在規定值以下是非常必要的。

1 SF6氣體的優點

SF6由鹵族元素中最活潑的元素氟原子與硫原子結合而成，其分子結構是6個F原子處于頂點位置而S原子處于中心位置的正八面體，S和F以共價鍵聯結。

SF6氣體是無色、無臭、不燃、無毒的惰性氣體，具有優良的絕緣性能，且不會老化變質。它的比重約為空氣的5倍。在標準大氣壓下，-62℃時液化，在均勻電場中為空氣的2到3倍，在3個大氣壓下絕緣強度與變壓器油相當。在12個大氣壓下，0℃時液化。

SF6氣體的高絕緣強度是由鹵族化合物的負電性，即對電子的吸附能力造成的，使SF6具有強大的滅弧能力。因為SF6分子吸附自由電子后變為負離子，負離子容易和正離子復合形成中性分子，使電弧空間的導電性很快消失。特別在電弧電流接近零值時，這種作用更加顯著。如果利用SF6氣體吹弧，使大量新鮮的SF6分子不斷和電弧接觸，則滅弧更加迅速。

2 SF6氣體缺點

SF6氣體不溶于水和變壓器油，在熾熱的溫度下，它與氧氣、氬氣、鋁及其他許多物質不發生作用。但在電弧和電暈的作用下，SF6氣體會分解，產生低氟化合物，這些化合物又和電極材料、水分、氧氣等進一步反應，組成新的有毒的化合物，會引起絕緣材料的損壞，且這些低氟化合物是劇毒氣體。SF6氣體中水分的多少，對電弧分解物組成的含量有很大的關系。SF6氣體中的水分危害如下。

2.1 水分引起設備化學腐蝕

在常溫下，SF6氣體化學性質非常穩定，當溫度低于500℃時，一般不會自行分解。但是當SF6氣體中含有較多的水分時，溫度在200℃時就會水解，其分解反應式為：

2SF6+6H2O→2SO2+12HF+O2

因此在組合電器中，必須嚴格控制氣體中水分的含量。

2.2 水分對絕緣件的危害

水分在電氣設備中，除了對金屬部件和絕緣部件產生腐蝕作用外，還在它的表面形成凝結水，附在絕緣件的表面，而造成沿面放電。

3 SF6氣體中水分的控制

SF6氣體中水分、有毒氣體都可以用吸附劑來吸收。在組合電器中放入適量的吸附劑，水分、毒氣都可以減少，從而保證運維人員的安全。

表1中是實驗室沒有放置吸附劑的情況下，經過若干次開斷后，累計開斷電流為1190kA，所分解出來的雜質。

從表中可以看出分解物只有4種，CF4是斷路器的噴口的四氟乙烯材料分解下來的，是無害氣體。活性氧化鋁、分子篩是GIS設備中常用的吸附劑。

4 SF6氣體中水分的來源分析

4.1 新SF6氣體在生產中含有水分。

國家電網公司《高壓開關設備管理規范》中，對新SF6氣體質量標準做出規定，要求新氣純度≥99.8%，空氣≤0.05%，四氟化碳≤0.05%，濕度≤8 μg/g，酸度≤0.3 μg/g，可水解氟化物≤1.0 μg/g，新氣無毒性，水分含量標準如表2所示。

4.2 以環氧樹脂為材料的盆式絕緣子，在運行過程中釋放水分

環氧樹脂本身含有0.1%～0.5%ppm的水分，在設備運行過程中，慢慢向外釋放，這部分水分隨著環境溫度的變化而變化。

4.3 嵌入式電流互感器釋放水分

電流互感器在裝配前，均要經過干燥。干燥不徹底，或由烤箱進入組合電器的過程中需要一段時間，使電流互感器吸收空氣中的水分。運行中的電流互感器溫度逐漸升高，內部所含水分漸漸蒸發釋放出來，進入SF6氣體中。

4.4 透過密封件進入的水分

在組合電器中，其內部壓力比較大，但常態下水的壓力要比內部高。水分體積值為10-6×30，充氣壓力值為0.5MPa，水分的壓力值為0.5×30×10-6=0.015×10-3MPa。當外界濕度為70%，溫度為20℃時，水蒸氣的飽和壓力值為2.38×10-3×0.7=1.666×10-3MPa，說明外界水壓力比內部環境的水壓力值要高很多。

4.5 罐體滲漏進入的水分

理論上講，組合電器內部壓力為4～6個大氣壓，外部為1個大氣壓，內部應該向外滲漏才對。但實際情況是氣體內部水蒸氣的壓力小于設備外部環境的水蒸氣壓力，水蒸氣由設備外部向內部滲透。

GIS內部水蒸氣壓力為（環境溫度20℃，外界濕度85%，壓力為0.6 MPa，微水含量為150 ppm時）：

0.6×150×10-6=0.09×10-3 MPa

GIS設備外部壓力（水蒸氣的溫度20℃，其飽和壓力2.33×10-3 MPa，環境濕度85%）：

2.33×10-3×0.85=1.98×10-3 MPa

則GIS設備外部和內部水蒸氣壓力之比為：

K=22

也就是說，GIS設備外部水蒸氣的壓力是內部水蒸氣壓力的22倍。

5 該站GIS設備水分分析

（1）該站地處沿海地區，典型的溫熱帶海洋氣候，空氣濕潤。

（2）該站站址位于山坡下，位置相對低洼。該站GIS設備戶內布置，設備緊湊，輸電線路采用電纜出線，在GIS室下方有一條電纜溝。由于山水滲透的影響，電纜溝內常年有積水，是室內環境濕度高的又一原因。

（3）夏季時，環境濕度大，GIS室內見不到陽光，水分形成凝露，附著在地面、設備支架等部位。可以這樣說，夏季時，GIS設備處于水蒸氣的“蒸籠”中。

該站的微水試驗超標后，運維人員通過檢測GIS設備的各個部位，發現有3個點微滲。通過以上分析可知，這3個微滲點也是本次檢測微水超標的“幫兇”。

（4）吸附劑帶入和釋放的水分。

新生產的吸附劑本身含有一定量的水分。在GIS工作過程中，吸附劑又不斷吸收來自各方面的水分和雜質，逐漸達到飽和。達到水分飽和的吸附劑不再吸收水分，而成為水分增長的“幫兇”，不斷向SF6氣體中釋放水蒸氣。

吸附劑飽和原因分析：該站于2003年11月份投運，設備已經運行12年，期間沒有經過解體檢修、更換吸附劑的情況，吸附劑飽和屬于正常老化現象。

團葫#2線在更換吸附劑、更換新氣體處理一年后，又發現了微水值反彈現象，是因為根據當時的微水值，且有不斷上升的趨勢，依據狀態檢修《SF6組合電器評價導則》扣分標準，確定為嚴重狀態，需要盡快安排停電檢修，時間選擇在了9月底。此間，該公司運檢部多次組織廠家人員、專家進行微水超標原因分析，并利用檢漏測試儀（型號SF6 GAS-LEAK）檢測未發現滲漏點。處理時正好趕上連綿的陰雨天，當時環境濕度始終保持在60%～75%之間。在更換吸附劑及設備組裝的過程中，吸附劑暴露在空氣中，吸收了很多水分，在干燥的過程中沒有完全處理掉。再者，因受當時施工條件限制，電流互感器及絕緣件干燥的不徹底，導致水分沒有完全清除出去。

組合電器在拆解的過程中，發現西葫#1線間隔有兩個絕緣子有放電痕跡，兩個導線觸頭有略微的銹跡，分析認為吸附劑飽和后，SF6氣體內的水分足夠大，在絕緣子、導體上形成凝露。當凝露聚集到一定程度的時候，在高壓下放電，形成放電痕跡。

6 GIS微水超標處理。

本次處理，該公司吸取了上次處理團葫#2線微水超標的教訓，材料方面采取如下處理措施：

（1）施工選擇在環境溫度低、空氣相對干燥的12月份。

（2）更換2個有放電痕跡的絕緣子，2對有銹跡的梅花觸頭。

（3）更換2002—2006年投運的內置電流互感器144只。

（4）停電回路的SF6氣體全部回收，補充新的、合格的SF6氣體。

（5）定位微滲點，采用錨噴的工藝處理，徹底解決微滲問題。

環境方面采取如下處理措施：

（1）5～9月，GIS室每天強力通風30 min。

（2）在GIS室放置4個溫濕度計，環境濕度大于60%時，除了強力通風外，打開GIS室窗戶、大門晾曬，防止凝露。

（3）每天巡視檢查電纜溝內積水情況，發現積水及時啟動排水泵排水，盡量保持低水位。

7 效果評價

采取以上的措施后，通過跟蹤檢測，未發現本站組合電器各氣室微水值有上升的趨勢，一直處于平穩狀態。

8 結語

通過對組合電器微水值超標問題的查找、分析、判斷，找到了SF6氣體內微水超標的全部原因，并有針對性地采取應對措施，使異常回路恢復正常運行。

參考文獻

[1]羅學琛.SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]國家電網公司.高壓開關設備管理規范[S].

[3]國家電網公司生產技術部.電網設備狀態檢修技術標準匯編[S].