淺論六氟化硫斷路器帶電監測

金礦

【摘 ?要】本文以個人觀點和在實際工作中對六氟化硫斷路器在線監測作出自己的見解，并參考其它專業資料對運行六氟化硫斷路器監測、維護提出自己的觀點，詳細分析幾種監測方式以供大家參考。

【關鍵詞】六氟化硫氣體特性;壓力;溫度;水分;檢漏;毒性監測

隨著電力事業的發展，電力系統容量的增加，高壓甚至超高壓供電不斷增多。新型供用電技術和設備不斷涌現。具體到變電系統內，擔負著開斷電路的高壓斷路器也不斷的改進和革新。隨著加工水平和新技術的不斷充實，原有數量眾多的少油斷路器已漸漸的退出了運行的系統。取而代之的六氟化硫斷路器已逐漸占據主導地位。六氟化硫氣體是無色，無臭，不燃，無毒的惰性氣體。化學性能穩定。在電暈和電弧放電過程中，六氟化硫氣體被分解為硫和氟原子。電弧消失后可重新結合成六氟化硫。在比較均勻的電氣中，其絕緣強度約為空氣的2—3倍。在三個表壓下，其絕緣強度可達到絕緣油的水平。再著，六氟化硫氣體具有優良的滅弧性能。有研究者指出，其滅弧能力比空氣大2個數量級。六氟化硫氣體還具有優良的熱化學特性，其電弧結構近似于溫度為徑向矩形分布的弧心。弧心部分溫度高導電性好。弧心外圍部分溫度下降非常陡峭。而外焰部分溫度低，散熱好。因此，六氟化硫電弧電壓低，電弧輸入功率小。對熄弧有利。還有六氟化硫氣體的電弧時間常數小，電弧電流過零后，介質性能的恢復遠比空氣和油介質為快。但六氟化硫氣體也有其不穩定性，六氟化硫氣體只有在45.6 ℃以上才能為恒定的氣態，所以在通常的使用條件下是有液化的可能性的，還有就是六氟化硫氣體的密度和純度直接關系到設備的性能和可靠運行。例如。六氟化硫氣體的泄露就會導致其密度下降。并有可能使氣體內的含水量上升，從而影響到設備的絕緣性能和開斷性能。因此，必須開展對六氟化硫斷路器的帶電測量和狀態監視，及時發現可能出現的異常和故障預兆并進行檢修。保證設備的正常運行。保證網絡的可靠供電。

（一）六氟化硫斷路器氣體壓力監測

六氟化硫斷路器設備投運后，其絕緣性能和滅弧性能在很大程度上決定于六氟化硫氣體狀態，通常應監督氣體密度和氣體純度量個參數。

A-F-B-六氟化硫飽和蒸汽壓力曲線，其右側是氣態區域，A-F-F′線上方是液態區域，F′-F-B線上方是故態區域;F-六氟化硫的熔點（凝點），參數見圖;B-六氟化硫的沸點，即飽和蒸汽壓力為一個大氣壓（0.1Mpa）時的溫度，參數見圖;r-密度（kg/m3）;T-溫度（℃）;P-壓強（MPa）。

本圖用法：找到壓力和溫度對應的坐標交點，畫出密度曲線，氣體溫度變化時，壓力沿曲線移動;A-F線右側為氣態區，密度曲線與此線的交點即為出現液態時的P、T參數。

該曲線簇主要有以下用途：

（1）已知設備的體積和在某一溫度下的壓力值，查出氣體的密度，密度與體積的乘積便是所充氣體的質量;

（2）根據溫度和壓力，可以求出可能液化的溫度;

（3）已知在某一溫度下的額定壓力，可以求出不同溫度下的充氣壓力。

為監視六氟化硫氣體密度，高壓開關設備都配備有氣體密度繼電器（也有稱密度監視器，密度控制器，密度表）。在實際生產過程中。測量六氟化硫氣體密度比較困難。常常以20℃時的氣體壓力來衡量其密度。所以密度繼電器實質上也就是監測設備內歸算至20℃時的氣體壓力的變化。并以相對于20℃時額定氣體壓力的下降多少作為報警值和閉鎖值。現在新型產品將六氟化硫氣體密度繼電器與壓力表合二為一，可隨時進行壓力監測。當氣體密度下降到規定的報警壓力值時。發出報警信號，以便及時進行補氣。當六氟化硫氣體密度繼續下降到閉鎖壓力值時，密度繼電器就會發出閉鎖信號，相應的斷路器等設備就不允許進行操作，以保證設備和系統的安全。

由此可見，密度繼電器在設備運行中起到了關鍵的監測作用，但由于多種原因，六氟化硫氣體密度繼電器在長期運行中，性能可能發生變化，甚至失去監護作用。例如長期不動作后，出現卡澀或不靈活，觸點接觸不良，防震油泄露，使表盤，指針等精密部件長期暴露在空氣中，影響壓力數值的正常讀取，本身由于加工質量問題，產生漏氣等現象，有時還會出現溫度補償性能變差。當環境溫度變化時，可能導致六氟化硫氣體密度繼電器誤動作。因而，適時進行校驗是十分必要的。根據GB50150——1991《電器裝置安裝工程電器設備交接實驗標準》。DL/T596——1996《電力設備預防性實驗規程》等標準都規定了對六氟化硫氣體密度繼電器進行檢測校驗的要求，國電公司發布的《防止電力生產重大事故25項重點要求》中，也明確要求做好運行設備的六氟化硫壓力表和密度繼電器的定期校驗工作。密度繼電器效驗工作在現場也可在實驗室。但對于運行設備，在現場效驗則更為合適。

密度繼電器的校驗可輪換校驗（運行中斷路器的密度繼電器的校驗可用校驗好的密度繼電器替換）。在檢測中，充、放六氟化硫氣體的流量盡量小，要保證等溫操作，實驗裝置原理如圖：

1）打開排氣閥7，輕輕打開六氟化硫氣瓶上的閥門，將六氟化硫氣體緩緩充入，將其內部空氣排除干凈。然后關閉排氣閥和六氟化硫氣瓶。

2）再輕輕打開六氟化硫氣瓶上的閥門，將壓力充至額定壓力，然后緩緩打開排氣閥使其壓力緩慢下降，檢查低壓報警和低壓閉鎖動作壓力。

3）關閉排氣閥，再緩慢升壓，檢查過壓報警動作壓力。

4）將測的數據與標準對照，不合格的更換合格的密度繼電器。

（二）六氟化硫斷路器氣體水分監測

水分對六氟化硫斷路器器的正常運行具有決定性的影響，一旦含水量較高，很容易在絕緣材料表面結露，造成絕緣下降，嚴重時產生閃絡擊穿。六氟化硫氣體內水分含量不僅影響絕緣性能，，也關系到開斷后電弧分解物的組成與含量。在電弧作用下，六氟化硫氣體分解物中WO3、CuF2、WOF4等為粉末狀絕緣物，其中CuF2具有強烈的吸濕性，附著在絕緣物表面，使沿面閃絡電壓下降;HF、H2SO4等強腐蝕性物質對固體有機材料及金屬件起腐蝕作用。WO3、SOF4、SO2F2、SOF2、SO2等均為有毒有害物質，隨含水量的增加而增加。

控制含水量，主要是控制六氟化硫氣體受電弧作用后產生的有毒氟化物含量，所以滅弧室及其相通的氣室的含水量比不滅弧室相通氣室的含水量要求嚴格。

關于含水量的標準，規定交接和大修后，滅弧室及其相通氣室為150ppm，其他氣室為250ppm，運行中滅弧室及其相通氣室為300ppm，其他氣室為500ppm。

溫度對微水測量的影響

一般六氟化硫電氣設備的水分來源有以下幾個方面：新氣中固有的殘留水分;安裝充氣過程也會將水分帶入六氟化硫氣體;密封不良導致的水分滲入;設備零部件，特別是環氧樹脂、聚四氟乙烯支撐件和拉桿中吸收的水分也會部分釋放到六氟化硫氣體中。據研究表明[5]，隨著現在加工工藝的提高，設備密封性能的改善，設備內部零部件向六氟化硫氣體中釋放水分所造成的影響越來越大，成為一個不可忽視的因素。

六氟化硫電氣設備內部構件與其中的六氟化硫氣體構成一個系統，整個系統內水分為一定值（假定外部水分對設備內無滲透），當溫度變化時，氣體中的水分會隨溫度變化而變化[6]。固體對氣體中水分的吸附是一個放熱過程，釋放是一個吸熱過程。當溫度降低時，固相吸附水分，氣相內水分降低;當溫度升高時，固相釋放水分，氣相水分升高。這就是溫度直接影響微水測量的原因。

壓力對微水測量的影響

現行標準中用體積比分數表示六氟化硫氣體的微水含量，忽略了壓力的影響因素。為了便于問題分析，不考慮上文所述設備內部構件對水分的吸附作用，設20℃時，兩容器的壓力分別是P1=0.5MPa，P2=0.8MPa，微水含量均為820mL/L。則式中P1（0℃）、P2（0℃）分別表示換算到0℃時兩個容器內水氣壓。0℃時水的飽和蒸氣壓為611.2Pa，顯然，容器一內在0℃時不會出現凝露，而容器二內在0℃時會剛好出現凝露或者已經出現凝露。即在氣壓不同時，六氟化硫氣體相同的微水含量體積比并不能代表相同的安全性和可靠度。

如果用實時相對濕度（RH%）來表示氣體中的水分含量，則可以避免因為六氟化硫氣體氣壓、溫度帶來的影響。首先，氣體在一定溫度下的相對濕度本身就是氣體中絕對水氣壓的反映（絕對水氣壓=相對濕度百分數×該溫度下的飽和水氣壓），能客觀反應氣體中水氣含量多少。其次，相對濕度直接反應的是一種凝露裕度，相對濕度越小，氣體在該溫度附近越不可能凝露。用相對濕度直接避免了濕度修正到20℃帶來的麻煩。現階段傳感技術快速發展，氧化鋁、高分子聚合物等類型的濕度傳感器對相對濕度的直接測量變得越來越容易。

斷路器投入運行后，檢測濕度須待斷路器的濕度穩定以后再進行。因零部件吸附的水分向六氟化硫氣體擴散，使氣室中水分增高，一般每三各月測一次，有時濕度下降，是由于氣室內裝有吸附劑的作用，過一段時間會保持穩定，此時一年測一次即可。但運行多年后，密封墊老化，瓷套與法蘭的膠合部位會有滲漏，使大氣中的濕度通過這些微孔向六氟化硫氣腔擴散，使氣室中的水分增高，若發現超過標準或大量漏氣時，須適當增加次數，必要時須用氣體回收裝置進行進行凈化處理（停電后）直至合格。并作好記錄。有些設備氣容量很小，密封如果好，可適當延長檢查的周期。

由于不同的儀器測量同一臺設備可以得到不同的數據，有時候差別較大，這可能除了與儀器本身的性能有關外，與所用的氣體管道和操作等因素也有關，所以必須用同一臺儀器測量，以保證數據的可比性，有利于水分變化的趨勢分析。氣體中的水分含量與氣溫有關，一年之中水分隨氣溫的增高而增加。所以應在夏天測量濕度。此外，還有下列一些因素會影響測量的穩定性

不同的氣路材料，接頭對濕度測量結果的影響較大，研究表明采用不銹鋼管對濕度干擾最小。

鋼瓶的放置對測量濕度的影響。鋼瓶立放時測的濕度要比30度角時要高，研究表明，要反映出六氟化硫氣體真實的水分含量，應將鋼瓶倒立成30度角時測量。

測量次數對測量的影響。應對同一氣室中的六氟化硫氣體進行多次測量，第一次測量的數值普遍要比后面測量的數值高，其原因與氣路，接頭的干燥有關。因此，在測試前，應對氣路，接頭進行干燥處理，否則不可測試。

儀器靈敏度對測量的影響，目前濕度測量儀的種類較多。測量結果的分散率也較大。另一方面由于濕度儀在使用過程當中靈敏度也可能會下降，為使被測數據穩定可靠，可選用精度高的儀器，就可減少上述影響，像目前在電力系統中使用比較廣泛的DP19-SH-Ⅲ型六氟化硫微水測量儀，就是比較理想的儀器，原電力部曾規定，應用的“濕度測量儀器”必須進行定期檢定。經檢驗合格后才能使用。檢驗的有效期為一年，以保證儀器的正常使用。

某些以阻容法，電解法為原理的儀器在多次測量經電弧作用過的六氟化硫后，其探頭的靈敏度往往會降低許多。而以露鏡法光學探測原理制造的儀器就避免這種缺點。

六氟化硫斷路器的泄漏監測

漏氣是六氟化硫斷路器和GIS的致命缺陷。設備的密封性能是考核產品質量的關鍵指標之一，所以十分重要。

檢漏分定性和定量測量。定性測量一般均用高靈敏度探頭探測設備規定的漏點，（對于小漏點也可用泡沫法）以聲光報警。其特點是可以正確定位。GIS常見漏氣點有：焊縫，法蘭結合面，充氣嘴和壓力表等。六氟化硫斷路器易漏部分主要有：

對220KV六氟化硫高壓斷路器：各檢測孔，焊縫，六氟化硫氣體充氣嘴，操作機構，法蘭連接面，壓力表連接管路，和滑動密封底座。

對35KV和10KV六氟化硫斷路器：六氟化硫氣體充氣嘴，操動機構，導電桿環氧樹脂密封處及壓力表連接管路。

定量測量有掛瓶檢漏法，整機扣罩法和局部包扎法。

判斷標準為年漏氣率應不大于1%。或按制造廠家的標準，對用局部包扎檢漏，也可按每個密封部位包扎后歷時5小時，測得六氟化硫含量應不大于30PPM的標準。但這種測量比較復雜煩瑣。隨著電子技術的進步。當前市場上已擁有先進的，高靈敏度的，智能化的，輕小和操作方便的儀器。可以直接定量測量MI/sec ?PPM或gm/yr非常方便。此外還可選用無放射性源和無壓儀器，因這類儀器使用方便，像LDD2000型檢漏儀等均屬比較理想的儀器。此外，在進入GIS氣室進行檢漏工作時，必須先通風15分鐘以后再進入，以保證工作人員的安全。

六氟化硫含氧量在線監測

當前，由于六氟化硫氣體的大量使用，其安全性已受到人們的廣泛關注。針對六氟化硫氣體比空氣重，泄漏易聚集，易造成低層空間缺氧，空氣含毒環境對人員的威脅等問題，有關部門已制訂了一系列相應的行業安全法規，法規中明確規定了人員在進入六氟化硫 配電裝置室時必須先通風15分鐘，對空氣中的六氟化硫濃度及氧氣含量進行監測，在六氟化硫配電裝置的低位區應安裝能報警的氧量儀和六氟化硫 氣體泄漏報警儀。

氧量儀主要檢測環境空氣中六氟化硫氣體含量和氧氣含量，當環境中六氟化硫氣體含量超標或缺氧，能實時進行報警，同時自動開啟通風機進行通風，并具有溫濕度檢測、工作狀態語音提示、遠傳報警、歷史數據查詢等諸多豐富功能。它獨有的微量六氟化硫氣體檢測技術，能檢測到1000ppm濃度的六氟化硫氣體，不僅可以達到保障人身安全的目的，而且還能確保設備正常運行，進口高穩定的氧傳感器，可以為現場工作人員提供更多一層可靠保護。現廣泛應用于各種電壓等級的六氟化硫開閉室、六氟化硫開關室、組合電器室（GIS室）、六氟化硫主變室等。

監測系統的特點及主要功能

1、六氟化硫氣體濃度超標檢測，應自動啟動風機通風

當開關室內六氟化硫氣體濃度超過1000ppm時，顯示濃度超標信息，系統控制風機啟動通風，直至空氣中六氟化硫氣體濃度恢復正常為止。

2、氧氣濃度檢測，并自動啟動風機通風

當開關室內氧氣濃度過低（≤19.6%）時，顯示濃度信息，系統控制風機啟動通風，直至空氣中氧氣濃度恢復正常為止。

3、紅外探測功能

系統可以探測到想要進入開關室的工作人員，當人體接近工作室門1.5m范圍（可調節），并且在風機沒有工作時進行語音提示通風，直到人員離開或者啟動風機為止。

4、語音報警和提示

當氧氣濃度低于18%時，輸出觸點報警信號并進行現場語音報警;當六氟化硫氣體濃度超過1000ppm時，輸出觸點報警信號并進行現場語音報警。

系統可以語音提示通風，并在通風結束后播報當前室內的氧氣濃度和六氟化硫氣體的含量狀況，以提醒工作人員是否可以安全進入開關室。

5、定時通風和手動通風并顯示風機上次啟動和停止的時間

系統可以設定風機每天定時啟動和停止的時間，以保證開關室每天至少通風一次。風機在停止狀態時，按下手動啟動按鈕，系統便進行通風，直至再次按下手動啟動按鈕停止通風。

液晶屏顯示風機上次啟動和停止的時間，工作人員可以根據該信息判斷在進入開關室前是否需要進行強制通風。

6、溫度、濕度顯示

溫度顯示范圍：0～99℃ ? ? ?濕度顯示范圍：10～99%RH。

六氟化硫氣體毒性監測

在生產六氟化硫氣體時，會伴有多種有毒氣體產生，并可能混入產品氣中;六氟化硫氣體在電氣設備中經電暈、火花及電弧放電作用，還會產生多種有毒、腐蝕性氣體及固體分解產物。這些氣體主要有氟化亞硫酰（SOF2）、氟化硫酰（SO2F2）、四氟化硫（SF4）、四氟化硫酰（SOF4）、二氧化硫（SO2）、十氟化二硫（S2F10）、一氧十氟化二硫（S2F10O）等;固體分解產物主要有氟化銅（CuF2）、二氟二甲基硅[Si（CH3）2F2]、三氟化鋁（AlF3）粉末等。毒性分解物在工作場所的容許含量見附錄。

現階段常用的分析方法有：化學分析法，熱導一火焰光度串聯法，檢測管法，氣相色譜法，色譜一質譜聯用法，紅外分光光度計法，色譜一紅外聯用法及發射光譜法等

六氟化硫氣體中的毒性分解物，有的可以用吸附劑吸收去掉，有的可以與酸溶液或堿溶液進行化學反應去掉，用各種方法除去六氟化硫氣體中毒性分解物的過程叫做六氟化硫氣體進化處理。

六氟化硫新氣中可能存在一定量的毒性分解物，在使用六氟化硫新氣的過程中，要采用安全防護措施。制造廠提供的六氟化硫氣體應具有制造廠名稱、氣體凈重、灌裝日期、批號及質量檢驗單，否則不準使用。

對新購入的六氟化硫氣體要進行抽樣復檢，參照DL/T595—1996《六氟化硫電氣設備氣體監督細則》實施。復檢結果應符合六氟化硫新氣標準，否則不準使用。

六氟化硫試驗室是進行六氟化硫新氣和運行氣體測試的場所，因此化驗人員經常會接觸有毒氣體、粉塵和毒性化學試劑。試驗室除具備操作毒性氣體和毒性試劑的一般要求外，還應具有良好的底部通風設施（對通風量的要求是15min內使室內換氣一次）。

酸度、可水解氟化物、礦物油測定的吸收操作應在通風柜內進行;色譜分析的有毒試樣尾氣和易燃的氫載氣應從色譜儀排氣口直接引出試驗室;生物毒性試驗的尾氣應經堿液吸收后排出室外。以保證人身安全。

加強六氟化硫氣體及分解物的回收和處理

以六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧的電器設備，在下列四種情況下必須對其內的六氟化硫氣體及分解物進行回收或中和處理。

（1）在新產品開發時，做過絕緣試驗和開斷試驗的試品;

（2）檢修進行過的電器設備;

（3）處理發生故障的電器設備;

（4）淘汰、更換掉的電器設備。

在對六氟化硫氣體及分解物進行回收或中和處理時，要嚴格按如下步驟進行：

①在打開設備前，必須先回收氣體，并抽真空;

②對設備內部進行徹底通風;

③工作人員應帶放毒面具和橡皮手套;

④將金屬氟化物粉塵集中起來，裝入塑料袋并深埋。對電器設備內的吸附劑和回收裝置

吸附罐中吸附劑，按CB/T8905-1996《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢驗導則》的規定“由生產分解氣體的設備中更換下來的吸附劑不要再生”由此我們可按下列方法進行處理：

（a）按20ml/g的比例將吸附劑放入當濃度為IN的氫氧化鈉溶液中，攪拌浸泡24h，

將吸附劑內部可溶于水和可水解、堿解的六氟化硫氣體分解物轉移到氫氧化鈉溶液中。

（b）對浸泡過吸附劑的氫氧化鈉溶液要用當量濃度為0.1N的硫酸進行中和，在溶液呈中性時，方可排放。

（c）對排放后剩余吸附劑及固體物質經水洗后可作為普通垃圾處理或深埋掉。

結束語：在此文中，本人就自己的觀點提出一些對六氟化硫斷路器帶電監測的主要方法。隨著科技的進步和設備的不斷完善，將會出現更多的監測手段和方式，以確保斷路器及其系統的安全可靠運行。

參考文獻：

[1]羅學琛《SF6氣體絕緣全封閉組合電器》。北京。中國電力出版社。1999。

[2] DL/T596—-1996。電力設備預防性試驗規程。北京。中國電力出版社。1997

[3] 李泰軍.《六氟化硫氣體密度及微水含量監測的研究》武漢：華中科技大學電氣學院。2003