嚴寒地區罐式斷路器安裝過程中氣體液化問題探討

顧杰峰，錢佳琪，張鍇，吳鋒豪，劉提

（1.國網浙江省電力有限公司建設分公司，浙江 杭州 310020；2.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，浙江 杭州 310020）

0 前言

六氟化硫（SF6）斷路器是指采用具有優良滅弧性能和絕緣性能的SF6氣體作為滅弧介質的斷路器，在電力系統中應用廣泛，適用于頻繁操作及要求高速開斷的場合。在我國，110kV及以上電壓等級基本采用SF6斷路器。SF6氣體因其物理特性會在一定溫度、氣壓條件下發生液化，從而導致斷路器罐體內的SF6氣體密度減小，當密度減小到一定程度時，斷路器會發生保護閉鎖。在我國內蒙古、東北、新疆、西藏等部分地區，冬季環境溫度可達-30℃甚至更低，上述因SF6氣體液化導致閉鎖的現象時有發生[2]。

1 SF6氣體液化簡述

SF6氣體具有極高的化學穩定性，在常溫常壓下是無色、無臭、無味、無毒的非易燃氣體，具有優良的絕緣性能和滅弧性能。

氣體臨界溫度是指能將氣體液化的最高溫度，在高于此溫度時，無論外界對該氣體施加多大壓力，都不能使其液化。對于一般所稱的“永久性氣體”如氧氣、氮氣、氫氣、氦氣等，由于其臨界溫度在-100℃以下，在環境溫度下無需考慮氣體的液化問題。而SF6氣體則不然，其臨界溫度為45.6℃，只有在溫度達到45.6℃以上時才能保持恒定的氣體狀態，在環境溫度下，當外界施加壓力達到一定值時即可液化，所以對于充SF6氣體的設備而言，就需要考慮氣體的液化問題。

SF6氣體狀態參數曲線如圖1所示。在一定氣體密度值ρ不變的條件下，隨著溫度的降低，氣體壓力會隨之下降，當溫度下降到該氣體密度下的液化點A點時，氣體開始液化，此后氣體密度也隨之下降。

圖1 SF6氣體狀態參數曲線

2 現場實際情況

錫盟換流站位于內蒙古自治區錫林郭勒盟錫林浩特市朝克烏拉蘇木鎮境內，海拔914m，緯度44.2，供暖期長達7個月，在我國屬于嚴寒地區。站內交流濾波器場共安裝由杭州西門子廠家生產的型號3AP3 DT罐式斷路器20組，額定電壓550kV，裝有帶溫度補償功能的密度繼電器，其指示反映的是氣體的密度變化而不是壓力變化。斷路器主要參數見表1所示。

3AP3 DT罐式斷路器主要參數 表1

安裝過程中，根據廠家提供參數，按要求充氣，額定充氣壓力為0.8MPa，報警壓力為0.72MPa，閉鎖壓力為0.7MPa（20℃時表壓）。SF6氣體狀態參數曲線如下圖2所示，由圖可知，在罐體密封良好不出現氣體泄漏的情況下，-18℃時罐體內氣體將液化，-21℃時將報警，-22℃時將出現閉鎖現象。現場實際觀察圖如圖3～圖6所示，現場實測情況與狀態參數曲線所得結果相符。

圖2 3AP3 DT罐式斷路器SF6氣體狀態參數曲線

圖3 20℃充完SF6氣體時表計讀數

根據現場物資供貨情況及設備安裝進度，罐式斷路器在11月底完成安裝及抽真空注氣工作，設備交接試驗及調試工作集中在12月上旬，此時環境溫度已達到-22℃以下，已安裝斷路器全部發生閉鎖，斷路器設備交接試驗工作無法正常開展，影響全站工期節點。

圖4 -18℃時表計讀數

圖5 -21℃時表計讀數

圖6 -22℃時表計讀數

3 解決方案

針對現場出現的上述閉鎖現象，提出以下幾種解決措施。

3.1 減小充氣量

根據SF6氣體參數特性曲線可以看出，當罐體內充氣量減小時，氣體液化溫度會下降，相應的閉鎖溫度也會隨之下降。如將額定充氣壓力調整為0.56MPa時，液化溫度為-28℃，閉鎖溫度為-32℃。此時液化溫度將低于環境溫度，不存在閉鎖現象。但是充氣量減小后，斷路器滅弧性能和絕緣性能都將下降，這種涉及改變設備最終狀態，且影響到設備性能的方法應由設計單位和廠家做深入研究論證后才能執行。

假如不改變設備最終狀態，即在交接試驗前將充氣量減小到一定值（如0.6MPa），試驗調試完成后再將充氣量補足到額定值。此種方法看似可行，其實不然。首先，減小充氣量后斷路器絕緣性能下降，由于沒有經過準確論證，耐壓試驗過程中有可能出現斷口被擊穿的現象。其次，即使試驗順利通過，試驗結果也不具有參考價值，設備交接試驗是對廠家生產質量和安裝單位安裝質量的檢驗，應在設備安裝完全結束后進行，而充氣過程顯然是設備安裝流程中的一個步驟。

3.2 混合氣體

目前國內外都有通過在SF6氣體中混入一定比例其他氣體（如CF4、CO2和N2等氣體）的方式來降低液化溫度。但混合氣體絕緣性能和滅弧性能都無法達到純SF6氣體的程度，相同充氣壓力下，充混合氣體的斷路器開斷電流能力相比充純SF6氣體的將下降約20%。若想達到相同的絕緣性能，混合氣體的充氣壓力必須高于純SF6氣體的充氣壓力。以SF6/N2混合氣體為例，可用計算式：

P=P（x0/0）

式中，P為達到相同絕緣性能時混合氣體的充氣壓力，P為純SF6氣體的充氣壓力，x%為混合氣體中SF6氣體的百分含量。

由上式可知，對于含有20%SF6氣體的SF6/N2混合氣體，所需充氣壓力約為純SF6氣體充氣壓力的1.4倍，對于現場斷路器而言，充氣壓力需達到1.12MPa，這對整個斷路器結構都將提出新的要求。

3.3 加熱裝置

SF6氣體液化的主要外界因素是環境溫度低于其液化溫度，若在罐體周圍安裝伴熱帶給罐體進行加熱，提高罐體溫度，則可解決液化問題。

杭州西門子公司罐式斷路器使用的是瑞士trafag密度繼電器，帶溫度補償功能，其指示反映的是氣體的密度變化而不是壓力變化。這種密度繼電器的指示原理是，通過比較斷路器罐體中的氣體和密度繼電器自帶的標準氣體之間的壓力差，實現對氣體密度的監測。如圖7所示，當環境溫度在液化溫度以上范圍變化時，兩個氣室內的氣體壓力同時發生變化，壓力差為零，伸縮節不動作，表計指針也不動作；當罐體內氣體發生液化或者泄漏時，標準氣體壓力相對增大，伸縮節動作，致使表計指針發生動作。

圖7 密度繼電器溫度補償示意圖

當環境溫度達到液化溫度時，伴熱帶啟動，罐體溫度升高，這將導致罐體內氣體溫度與伸縮節內氣體溫度存在差異，使得表計的指示產生偏差，不能準確反映罐體內氣體狀況。

4 結論

本文簡述了SF6氣體的液化過程，并針對錫盟換流站交流濾波器場地的罐式斷路器在安裝過程中出現SF6氣體液化問題，提出了三種解決方案并加以討論。三種解決方案分別是減小充氣量、改充混合氣體和增設加熱裝置，分析比較之后發現，減小充氣量和改充混合氣體均會影響氣體的絕緣性能和滅弧性能，不宜采用；使用伴熱帶加熱罐體避免氣體液化的方法，雖然會使表計的指示產生一定誤差，但是設備交接試驗依然能夠順利進行，宜采用。