GIS設備中吸附劑的合理選擇與設計要點

劉靖羽　李培

摘 要：為控制水分和SF6氣體分解物的含量，以GIS為代表的SF6絕緣類電力設備內部必須加裝吸附裝置，利用吸附劑吸收GIS內部殘留的水分和電弧分解物。本文詳細分析了GIS設備水分超標的主要原因和水分對GIS設備的危害，介紹了GIS設備對吸附劑的基本要求、吸附劑的種類及特性、吸附劑合理用量等內容，同時針對GIS的典型故障，介紹了吸附裝置的設計要點。

關鍵詞：水分超標；吸附劑；吸附裝置

中圖分類號：TM50 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0050-04

Reasonable Selection and Design of Adsorbent in GIS Equipment

LIU Jingyu LI Pei

（Pinggao Toshiba （Henan） Switch Parts Manufacturing Co.， Ltd，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： In order to control the content of moisture and SF6 gas decomposition products， the SF6 insulation type electric power equipment， which is represented by GIS， must be equipped with an adsorption device inside， and the adsorbent can absorb the residual moisture and arc decomposition products inside the GIS. This paper analyzed in detail the main causes of GIS equipment moisture and water hazards to GIS equipment， introduced the basic requirements of GIS equipment， adsorbent type and characteristics， the amount of adsorbent and other content， while for the typical GIS fault， the design of the adsorption device was introduced.

Keywords： moisture superscale；adsorbent； adsorption plant

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備簡稱GIS，是由斷路器（GCB）、隔離開關（DS）和接地開關（ES）等開關電器以及電壓互感器、電流互感器、避雷器和封閉母線等單元組成的開關裝置。GIS設備具有結構緊湊、環境耐受能力強、抗震能力強、操作安全等優點。在GIS設備中，作為滅弧與絕緣介質的SF6氣體中是不允許有水分存在的，但在實際裝配和運行過程中，會不可避免地有極少量水分侵入到設備內部，當水分含量超過一定濃度時，會使GIS設備的絕緣能力降低。同時，被電弧分解的低氟化物受潮后會使設備絕緣水平下降，嚴重時會使沿絕緣件表面出現閃絡放電，給設備的可靠運行帶來不利影響，這就需要在開關設備內加裝吸附裝置，用吸附劑把殘留的水分和SF6氣體的分解物吸收掉[1-3]。

1 水分超標的主要原因及危害

1.1 SF6氣體水分超標的主要原因

GIS設備內部的水分來源主要有以下幾方面：GIS內部絕緣件及殼體內壁處理效果不佳，含水量較多；SF6新氣體本身就含有水分；裝配工藝無法避免在作業過程中進入水分；GIS設備密封結構不可靠，運行中水分滲入到設備內部等[4-5]。現在分別對其進行詳細分析。

1.1.1 SF6新氣中的水分超標。在《工業六氟化硫》（GB/T 12022—2014）標準中，對SF6氣體中水分的含量作了明確規定，充氣前必須確認SF6氣體是否合格。造成新氣不合格的原因：一是制氣廠對新氣檢測不嚴格；二是運輸過程和存放環境不符合要求；三是存儲時間過長。

1.1.2 產品零部件（特別是絕緣件）帶入的水分。在裝配前對絕緣件沒有進行干燥處理或干燥處理不充分。由于裝配場地溫度、濕度及表面狀態的不同，吸附在GIS設備殼體內壁及內部零件表面的水分也不盡相同。根據測量數據可知，絕緣物表面吸附水分的平均值為5g/m2（內壁有涂料的殼體視為絕緣物），金屬件及瓷套的表面按1g/m2來計算。組裝前必須對部品進行干燥處理。

1.1.3 吸附劑帶進的水分。吸附劑對SF6氣體中水分和各種主要分解物都具有較好的吸附能力，假如吸附劑活化處理時間短，沒有進行徹底干燥，安裝時暴露在空氣中時間過長而受潮，吸附劑可能帶進部分水分。

1.1.4 設備充SF6氣體時帶進的水分。GIS設備充氣時，如果不按有關規程和工藝要求進行操作，如充氣時SF6氣瓶未倒立放置，管路、接口不干燥或裝配時暴露在空氣中的時間過長工等，都會導致水分帶進。因此，必須按照國家相關技術標準及工藝規程充SF6氣體。

1.1.5 運行中通過密封部位滲入的水分。盡管GIS設備內部的氣體壓力高于大氣壓力，但就水分而言，外部的水分壓力比設備內部的要大得多。在內外水分壓差的作用下，水分通過密封薄弱環節進入設備內部。

1.1.6 GIS設備的泄漏點滲透的水分。充氣口、管路接頭、法蘭處滲漏和鋁鑄件砂孔等泄漏點，是水分滲透GIS設備內部的通道，空氣中的水蒸氣逐漸滲透到設備的內部。由于該過程是一個持續的過程，時間越長，滲透的水分就越多。

1.1.7 GIS設備在組裝維修檢查和補氣過程中混入水分。設備安裝和檢修維護過程中也會將空氣中的水分帶入設備內部，如絕緣件在空氣中暴露的時間過長而受潮，吸附劑活化處理時間不夠，干燥不徹底，安裝時暴露在空氣中的時間過長等，可能帶入數量可觀的水分。

1.2 SF6氣體水分超標的危害

SF6氣體水分超標帶來的危害主要體現在：造成GIS設備開斷性能的下降、絕緣能力的降低、對零部件的化學腐蝕及毒性化合物對人身和環境的不利影響等[6]。

1.2.1 對開斷性能的影響。試驗結果表明，水分對SF6開關設備的開斷性能有一定影響。分析認為：SF6被電弧分解后，主要分解物是SF4+，其次是SF2+、F2-等。當水分存在時，SF4與水發生化學反應生成SOF2和HF，使斷口間重新復合的SF6分子數減少，即水分妨礙了SF6分解物的復合，影響了斷口間介質強度的恢復速度。再加上部分硫酸在高溫時分解，使水分增加，這種惡性循環的結果，使弧隙SF6分解物增加而復合量減少，吸附電子的能力下降，造成SF6開關設備開斷能力降低。

1.2.2 對絕緣性能的影響。研究表明，當SF6氣體中的水分超過一定濃度時，不僅會使固體絕緣件的性能下降，而且隨著外部溫度的變化，這些水分會在設備內部的絕緣件和金屬部件表面產生凝結，降低絕緣件表面的電阻并改變其電場分布，從而大大降低絕緣件的性能。另外，運行中的SF6開關設備，當絕緣件表面覆蓋有SF6電弧分解物時，受潮的固態分解物呈半導體特性，使絕緣件表面的絕緣電阻下降，可能導致高電壓擊穿。

1.2.3 對零部件的腐蝕。SF6氣體及其分解物與水產生化學反應生成HF及H2SO4等腐蝕性物質。這些物質對SF6開關設備內的金屬件或絕緣件產生嚴重的腐蝕作用而使絕緣劣化，降低GIS設備的使用壽命和性能。通過研究發現，短路開斷試驗后的產品，環氧樹脂絕緣件表面有小米大小的腐蝕砂眼，銅件有明顯的變色現象等。

1.2.4 毒性化合物對人身和環境的影響。SF6氣體化學性質十分穩定、不易分解，但當設備內部出現絕緣缺陷引起局部放電（Partial Discharge，PD）時，會使SF6氣體發生不同程度的分解，生成如SF2、SF3和SF4等低氟硫化物，與SF6氣體中存在的水分等雜質發生反應生成更多穩定的化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、SF4、CO2、HF和H2S等。其中部分分解物分有一定毒性，如SOF2、SO2F2、SO2和SF4等，這些毒性氣體極易泄漏，不僅威脅設備維修人員的生命安全，而且對周圍生態和大氣環境造成極其嚴重的污染。

2 GIS設備對吸附劑性能的要求

針對SF6開關設備中存在的水分和SF6氣體分解物，現在普遍采用的方法是使用吸附劑進行吸附。吸附劑一般有以下特點：大的比表面、適宜的孔結構及表面結構；對吸附質有強烈的吸附能力；一般不與吸附質和介質發生化學反應；制造方便，容易再生；有良好的機械強度等。SF6開關設備中選用的吸附劑具有吸附水分和SF6氣體分解產物的雙重作用。從保證電氣設備的可靠運行及保護環境的角度出發，對吸附劑提出了以下基本要求。

①因SF6氣體在電氣設備中主要作為絕緣或滅弧介質，因此，吸附劑不吸附或基本不吸附SF6氣體。②吸附劑的成分中不能含有導電或低介電常數的物質，以防止其粉塵影響電氣設備的絕緣性能。③在水分和多種SF6氣體分解物共存的情況下，吸附劑都應具有較好的吸附能力。④吸附劑要有足夠的機械強度，在強烈振動的使用環境中不開裂、不粉化。同時，在SF6開關設備開斷過程中，在強大的氣流、氣壓作用及強大的電弧能量和高溫作用下，也必須不開裂、不粉化。⑤吸附劑在吸附水分后不潮解，不與SF6氣體分解物發生反應。即使有反應，也不能產生二次有害氣體。

3 吸附劑的吸附特性及合理用量

在SF6開關設備中，最常用的吸附劑有5種：活性氧化鋁、4A分子篩、5A分子篩、13X分子篩和F-03分子篩等[7-11]。針對上述5種吸附劑的特性，國內科研單位曾做過試驗比較。試驗結果表明：F-03分子篩的吸附性能優于活性氧化鋁、4A分子篩及5A分子篩。其中，活性氧化鋁吸附SO2效果差；5A分子篩吸附SOF2、SO2效果不佳；4A分子篩吸附SOF2、SO2效果最差，且吸附S2F10O和水分的能力也不如其他類型的吸附劑。KDHF-03分子篩是F-03分子篩的改進型產品，與F-03相比，KDHF-03分子篩吸附量提高了10%，抗壓強度從50N/粒提高到100N/粒。

3.1 吸附劑對水分的吸附特性

試驗結果表明，吸附劑對水分的吸附率會隨著露點的增加而增加，水蒸氣的分壓力增加時，吸附劑對水分的吸附率也隨之增加。不同種類的吸附劑對水分的吸附率也不相同，露點相同或水蒸氣分壓力相同時，分子篩對水分的吸附率要優于活性氧化鋁。對同一種吸附劑，吸附劑量越大時，干燥速度越快，即達到相同露點或水蒸氣分壓力的時間越短。

3.2 吸附劑對SF6分解氣體的吸附特性

SF6氣體在高溫電弧的作用下產生分解氣體，分解氣體的主要成分是SOF2。另外，由于水分的存在，還有HF、SO2等。試驗表明：分子篩13X對SF6氣體的吸附率達23.39%（質量比），因此分子篩13X不宜作為SF6電器設備用吸附劑。而5A型分子篩對SF6氣體的吸附率為0.24%（質量比），4A型分子篩不吸附SF6氣體。分析認為：若按氣體分子運動理論計算，SF6的分子直徑為6.4?。SOF2的分子直徑為4～5?，對4A型分子篩SOF2只是掛在孔上，SOF2的分子可以進入到5A型分子篩的細孔徑內部（如圖1所示），分子篩上附著的水發生化學反應，生成SO2和HF（SOF2+H2O→SO2+2HF）。HF與分子篩產生化學反應而被吸附，SO2因分子直徑小而不被吸附。

3.3 吸附劑的合理用量

在SF6開關設備中，吸附劑的加入量應滿足以下基本要求：①要將SF6開關設備內的水分含量控制在設備運行時的允許值以內；②要能吸附開關設備在累計開斷容量內所產生的氣體分解物；③不要為了更換吸附劑而導致排放SF6氣體。

4 吸附裝置的設計要點

如果吸附裝置設計不合理，會造成嚴重的質量事故。例如，某變電站220kV GIS設備曾發生B相接地故障。經調查發現，是由于吸附裝置的材質選擇不合理造成的[12-15]。事故調查情況簡述如下。

2010年9月23日，220kV電范#1線發生B相接地故障，通過SF6氣體分解物測試發現電范#1線線路刀閘氣室SO2氣體含量為2.45×10-4，可判定發生過放電故障，其他氣室組分正常。拆解后發現B相線路刀閘氣室上部吸附劑罩及吸附劑均已燒掉，B相吸附劑蓋板有大量氟化物，C相吸附劑罩的網格也有4處斷裂，如圖2所示。

吸附裝置若采用塑料材質，將存在下列問題：①GIS多安裝在室外，隨季節變化驟冷驟熱易造成塑料材質老化，最終引起破損；②吸附劑自身有一定質量，對于在GIS頂部或側面安裝的吸附劑罩，長時間在吸附劑質量作用下易發生變形破裂；③塑料材質熱膨脹系數為80～120μm/℃，不銹鋼材質熱膨脹系數為14～16μm/℃，兩者差別較大，在溫度變化時，GIS金屬殼體熱脹冷縮程度要小于塑料吸附劑罩，因此尺寸越大的吸附劑罩破損越嚴重。

圖3是一種推薦的吸附裝置，吸附劑裝設在SF6開關設備的底部或側面，通過可拆裝的金屬蓋板實現對吸附劑的裝入或更換。

設計吸附裝置時應特別注意：①吸附劑應放置在不銹鋼或等同強度材質的吸附裝置內，并與罐體安裝緊固，避免運行中因振動發生脫落；②考慮到開關操作時會發生振動，吸附劑會因振動而磨損并產生粉塵，所以為了不讓粉塵進入設備內，應把吸附劑裝在濾布做的袋子里再放進吸附裝置內，這種濾布是用來擋塵的，其機械強度要強，不受分解氣體侵蝕且具有不影響吸附能力的較強的透氣性；③為防止金屬異物進入設備內部，吸附裝置優先裝在下方，使其具有異物捕獲功能；④當設備上有用于裝配的手孔蓋時，優先將吸附劑安裝在手孔蓋內側，以降低成本；⑤為便于現場更換吸附劑，吸附裝置不宜裝在高處，同時吸附裝置也不宜過重，必要時可改進吸附裝置的結構或材質；⑥嚴禁將吸附劑安裝在泄壓通道內側，影響泄壓效果。

5 結語

為控制GIS設備中的水分和電弧分解物的含量，在SF6氣室中必須加裝吸附劑，利用吸附劑吸收內部殘留的水分和電弧分解物。GIS設備中應優先選用KDHF-03分子篩等吸附性能優良的吸附劑，吸附劑的加入量應滿足GIS設備內的水分含量控制在允許值以內，同時能吸附GIS設備在累計開斷容量內所產生的氣體分解物。吸附裝置的設計必須科學合理，否則會造成嚴重的質量事故。

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