氣體絕緣組合電器設備充氣裝置改進及SF6氣體分解物處理

吳鑫杰

(寧波寶新不銹鋼有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

氣體絕緣組合電器設備(GIS)是一種將母線、斷路器、電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、隔離開關和避雷器等高壓元件組合在一起的電器設備。SF6是無色、無味、無毒、不易燃燒的人造惰性氣體，密度為空氣的5倍，具有優良的絕緣性能，是一種理想的滅弧介質[1]。近幾年，以SF6氣體作為絕緣介質的電氣設備得到廣泛應用。

GIS具有可靠性和安全性高、安裝占地面積小、使用壽命長、檢修周期長、維護工作量小、適用范圍廣等優點[2]，越來越多地應用于電壓等級35 kV以上的變電站。

1 現狀描述

GIS內部設計了多個氣隔，充滿了SF6氣體。有關研究表明，GIS內部的局部放電會引起SF6氣體的分解，分解主要產物包括SF4，SF3和SF2，分解過程可逆[3]。但SF6氣體在與空氣及水蒸氣混合的情況下，分解物會進一步發生化學反應，生成SOF2，SO2F2，SOF4，HF及CF4等，且分解不可逆[4]。

因此，當GIS內部SF6氣體中含水和空氣較多時，會產生兩方面危害：一是SF6氣體的電弧分解物在水分、空氣的參與下會產生很多有害物質，從而腐蝕斷路器內部結構材料并威脅檢修人員安全；二是過多的水分會使絕緣表面濕潤，導致其絕緣強度下降，威脅安全運行。

GIS運行過程中，在密封元件老化及壓力測試等情況下，GIS內部SF6氣體壓力會下降，出現低壓報警，這時就需要補充SF6氣體。目前常用的補氣方法是用SF6氣瓶對GIS直接充氣，每次補充SF6氣體時都會帶入一定量的空氣，而空氣中又含有一定的水分，當含水量達到一定值后，就會對GIS造成危害。另外，在補充SF6氣體的過程中，充氣管路中多余的SF6氣體會直接排放至大氣，而大氣中的SF6是導致全球升溫的一個原因[5]，因此嚴禁直接向大氣排放SF6氣體。

2 解決方案

針對以上問題，在現有的SF6氣體充氣裝置上進行改進，設計一種新的SF6氣體充氣裝置。新的SF6氣體充氣裝置采用“雙通道”設計，由吹掃通道和充氣通道組成，結構如圖1所示。吹掃通道由空氣管路、空氣閥、壓力表、膠囊閥和膠囊組成；充氣通道由SF6氣瓶、減壓閥、充氣管路、壓力表和氣隔閥組成；回收剩余SF6氣體的容器采用球形軟膠囊結構。

圖1 SF6氣體充氣裝置示意

在充氣管路上安裝2個三通管，分別連接空氣管路和膠囊，在空氣管路和膠囊之間形成一個吹掃通道，可將充氣管路中的空氣以及剩余的SF6氣體排入膠囊中，有效解決了充氣過程中空氣進入GIS以及剩余SF6氣體排放至大氣的問題。另外，采用壓縮空氣吹掃剩余的SF6氣體，不僅操作現場取氣體方便，而且還可以提高操作的安全性。

3 改進后的充氣技術

改進后的GIS補充SF6氣體裝置操作步驟如下。

(1)關閉減壓閥、空氣閥、氣隔閥和膠囊閥，按SF6氣體充氣裝置示意圖連接好管路。

(2)擠壓球形軟膠囊，讓其內部空氣排出后與膠囊閥連接。

(3)先打開減壓閥和膠囊閥，再打開SF6氣瓶，放氣20 s后關閉膠囊閥。充氣管路中的空氣被SF6氣體排入膠囊中，避免了充氣管路內空氣進入GIS，解決了GIS中SF6氣體含水量過多的問題。

(4)打開氣隔閥，進行GIS的SF6充氣，達到氣隔規定壓力時，關閉SF6氣瓶、氣隔閥和減壓閥。SF6充氣應緩慢進行，操作不宜太快。液態SF6氣體充分氣化后方可進入GIS氣隔，保證GIS氣隔中SF6氣體壓力為真實檢測壓力，避免了“虛假壓力”現象。壓縮的 SF6氣體從氣瓶流出的整個氣化過程中，需要從空氣中吸收大量的熱量，若SF6充氣操作過快，就會導致充氣通道中充氣管路、接頭等設備溫度快速大幅度下降，出現“結露”現象，嚴重時甚至會出現“霜凍”現象，縮短設備使用壽命。

(5)打開膠囊閥和空氣閥，用壓縮空氣吹掃20 s后，關閉膠囊閥和空氣閥。這樣，充氣管路剩余SF6氣體就被壓縮空氣排入膠囊中，膠囊送至實驗室或專業單位進行處理。當一個球形軟膠囊充滿氣體后，關閉膠囊閥，可以方便地安裝一個新膠囊，避免了充氣管路內剩余SF6氣體直接排放到大氣。

4 SF6分解物處理

SF6氣體在與空氣及水蒸氣混合的情況下，會分解產生SOF2，SO2F2，SOF4，HF及CF4等氣體。其中SOF2，SO2F2和SOF4氣體不僅會對人的眼睛造成刺痛，還會對呼吸系統有強烈的刺激，有臭雞蛋氣味，令人作嘔，嚴重時可造成呼吸困難[6-7]；另外，SF6氣體在放電或電弧的作用下，還會產生一些粉末狀的固體分解物，對人體危害極大。SF6分解物處理步驟如下。

(1)進入GIS設備房間前，首先打開屋內風機通風10 min左右。

(2)處理SF6分解物時，工作人員要佩戴防毒面具，穿防護服，戴專用的帽子和手套，建議戴平光眼鏡，避免眼睛、皮膚等身體部位與SF6分解物直接接觸。

(3)處理SF6氣態分解物時，應通過裝有小蘇打溶液的裝置收集，然后交實驗室或專業單位處理，嚴禁直接排放至大氣。

(4)處理SF6固態分解物時，用專用的吸塵器收集分解物，注意此吸塵器不得它用。SF6固態分解物有毒，必須交實驗室或專業單位處理。

(5)凡用過的抹布、清潔袋、過濾器、吸附劑、蘇打粉及破舊的防護服等均應用塑料袋裝好，交實驗室或專業單位處理。

(6)目前國內常用的SF6分解物處理辦法是將SF6固態分解物和與之相關的東西都放在金屬容器里，然后深埋地下，不允許焚燒處理。

(7)防毒面具、帽子、手套、眼鏡等必須用小蘇打溶液洗干凈，再用清水洗干凈。

(8)工作人員皮膚裸露部分均要用小蘇打溶液沖洗，然后用肥皂沖洗，最后再用清水洗凈抹干。

5 實施效果

2015年7月15日，某冷軋生產企業總降變電所區域對原有SF6充氣裝置進行了改造，采用了新的SF6充氣裝置，操作簡單、方便、安全、環保，很好地解決了充氣過程中空氣進入GIS和剩余SF6排放至大氣兩個問題，具有一定的工程推廣價值。

6 結束語

隨著科學技術的快速發展，新材料、新技術不斷涌現，GIS也會隨之出現大的變革，諸如N2等氣體將會替代SF6氣體，大面積推廣使用；同時，生化科學家們也在積極探討SF6分解物處理的新工藝、新方法，共同保護我們賴以生存的環境。

參考文獻：

[1]黃國平.淺談變電檢修中SF6開關出現的問題與解決方案[J].通訊世界,2014(13):38-39.

[2]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，1999.

[3]陳聰.GIS局部放電下SF6氣體分解產物的實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

[4]楊楚.氣體絕緣組合電器(GIS)典型絕緣缺陷的局部放電模型研究[D].武漢：華中科技大學，2016.

[5]吳金秀，肖穩安，張華.SF6氣體的輻射強迫和全球增溫潛能的研究[J].大氣科學，2009，33(4)：825-834.

[6]張曉星，姚堯，唐炬，等.SF6放電分解氣體組分分析的現狀和發展[J].高電壓技術，2008，34(4)：664-669.

[7]朱芬菲.六氟化硫氣體分析技術[M].北京：兵器工業出版社，1998.