SF6氣體在線凈化處理技術研究

何滿棠，周 斌，吳樹平

(廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

0 引言

SF6(六氟化硫)氣體是一種滅弧、絕緣性能較高的氣體，主要應用于高壓電器中[1]。SF6受電弧影響將產生一定具有強反應性能的有毒分解物質[2]，在受到與氧氣并存的條件下，同電極材料、水分反應生成大量不同類型的化合物，這些化合物的組分較為復雜，將導致高壓電器內部有機絕緣材料腐蝕受損[3]，對高壓電器運行穩定性與安全性造成極大威脅。同時SF6也是一種溫室氣體，其溫室效應與同量二氧化碳相比將加劇240 000倍左右，對生態自然環境的影響極為嚴重。近些年，SF6氣體分解物及微水含量超標的現象也越來越頻發，嚴重危及設備、電網和運行人員安全。因此,研究一種高效的SF6氣體凈化處理技術具有重要意義。

目前,常見的SF6氣體凈化處理技術可分為物理與化學2種主要形式，如多級高分子膜、深冷相變分離和低溫精餾方法聯合技術[4]、兩級膜分離回收技術[5]。此外，還有包括對設備氣體回收、開蓋清潔及更換吸附劑、抽真空、高濃氮沖洗、抽真空、檢漏和微水檢測等步驟在內的處理技術，可利用這些技術去除SF6氣體內的有毒分解物與雜質等。通常經這種處理形式處理后的SF6氣體無法被直接使用，需返回SF6氣體凈化中心實施凈化處理后才會循環應用。

本文以提升電氣設備運行的穩定性與安全性為目的，研究SF6氣體在線凈化處理技術，實現SF6氣體在線凈化。

1 SF6氣體的在線凈化處理

1.1 狀態判斷及流程設計

如圖1所示，SF6氣體在線凈化處理流程由狀態監測、數據傳輸、后臺顯示和氣體凈化4個環節共同組成。

a.在狀態監測換機中，利用CMOS圖像傳感器攝像頭采集SF6氣體儀表圖像，并通過I/O口將圖像傳遞至STM32 ARM Cortex-M內核單片機處理器內，利用 ARM處理器完成圖像處理[6]，根據現場分析后基于SF6氣體儀表圖像狀態判斷當前時刻SF6氣體壓力狀態。

b.在數據傳輸環節中，利用ZigBee無線通信技術中ZigBee自組網絡，將當前時刻SF6氣體壓力狀態的判斷結果傳輸至ZigBee模塊內，同時利用串口通信功能，將獲取的當前時刻SF6氣體壓力狀態判斷結果打包發送至計算機內。

c.在后臺顯示環節中，由計算機的LabVIEW軟件界面實時顯示當前時刻各SF6氣體儀表壓力狀態判斷結果[7]，并依照歷史數據曲線分析當前時刻SF6氣體儀表狀態趨勢，便于實現實時預警。

d.當SF6氣體儀表狀態趨勢進入預警狀態，則觸發SF6氣體凈化控制功能，完成對應儀表區域SF6氣體的凈化處理。

圖1 SF6氣體在線凈化處理流程

1.2 凈化處理過程設計

SF6氣體凈化處理功能由源氣氣化單元、凈化處理單元、動力單元、深冷單元和鋼瓶共同實現。

SF6氣體鋼瓶倒轉裝置與專業氣化裝置共同組成源氣氣化單元[8-9]。倒轉裝置可將SF6氣體鋼瓶加緊后提升至任意位置固定，使鋼瓶內液化的SF6氣體迅速流出，降低雜氣混入概率。專業氣化裝置的主要功能是通過其內部加熱結構使流入液態SF6氣體迅速氣化，流入處理單元。專業氣化裝置利用動力結構控制SF6氣體流速與壓力，利用過濾結構提升SF6氣體凈化處理的效率[10]。

凈化處理單元包括氣體凈化缸、緩沖裝置、吸附器、流量計、過濾器，以及各種閥門、儀表等組件。處理單元的主要功能是清除SF6氣體內的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和固體顆粒等雜質[11]，同時檢測SF6氣體凈化處理狀態。利用氧化鋁和分子篩多層過濾的氣體凈化缸實現氣體凈化，并在凈化缸出口裝設濾網，避免濾芯異物帶入設備。

動力單元中主要包括入口球閥、減壓閥、緩沖罐、真空泵、安全閥及出口安全閥、冷凝器、空氣分離裝置、真空壓力表和球閥等器件。通過動力單元可將處理單元傳輸過來的SF6氣體傳入冷阱單元，進一步凈化SF6氣體。

深冷主機、深冷容器、低溫注液器和控制器等器件共同組成冷阱單元，可提供制冷與回溫動力實現SF6氣體固液分離[12]，清除SF6氣體內的微量雜質，將凈化完成后的SF6氣體以液態形式注入干凈鋼瓶內。

SF6氣體凈化處理功能具體實現流程如圖2所示。

圖2 SF6氣體凈化處理流程

利用鋼瓶倒轉裝置倒轉鋼瓶并提升至一定高度固定后，將手動球閥的壓力軟管與專業氣化裝置相連，再在將鋼瓶內的高壓液化的SF6液體轉換為(0.60±0.05) MPa的低壓氣體后，傳輸至凈化處理單元內的吸附器。通過吸附器吸附SF6氣體內的雜質后，利用動力單元抽取深冷分離單元冷容器內的尾氣，當尾氣量達到設定閾值后，暫停進氣并實施降溫處理使其溫度降至標準溫度。利用動力單元抽取的深冷容器尾氣存儲于儲氣罐中。當深冷單元的尾氣分離過程滿足預設標準后，通過低溫液泵將深冷容器中的低溫液體轉移到鋼瓶中。

在儲氣罐壓力達到相應值的條件下，利用凈化處理單元再次向深冷容器內導入尾氣，深冷處理后排除氣態空氣，同時實施抽真空處理，之后在低溫低壓條件下將固態SF6液化后灌入鋼瓶。

1.3 SF6混合絕緣氣體的分離凈化

當SF6氣體存在嚴重污染時，會產生大量六氟乙烷、全氟丙烷等分解物[13]，通過以上SF6氣體凈化流程無法完全濾除其中包含的雜質。因此，在完成上一節描述的SF6氣體凈化處理流程后，采用分離技術對其實施進一步凈化處理。

以四氟化碳(CF4)氣體為例，詳細說明SF6混合絕緣氣體的分離凈化處理過程，其過程如圖3所示。

圖3 SF6/CF4混合氣體分離凈化流程

SF6氣體和CF4氣體在液化溫度方面具有明顯差異，如表1所示。

表1 各種氣體的基本特性參數

通過機械方式將SF6/CF4混合氣體壓縮進入深冷分離塔，利用冷阱降溫使SF6氣體以較快的速度轉換至固態形式，聚集在深冷分離塔低層。由于CF4氣體沸點較低，因此冷阱降溫過程中SF4始終保持氣體狀態[14]，聚集在深冷分離塔頂層。完成深冷分離后，將聚集在分離塔頂層的CF4氣體快速壓出，在回收通道內利用SF6采集器濾除CF4氣體內的SF6氣體，獲取高純度CF4氣體。針對深冷分離塔底部聚集的固態SF6，通過加熱升溫的方式使其轉化為液態形式利用液態灌裝機壓充至鋼瓶內，完成SF6/CF4混合氣體分離凈化。

如圖4所示為SF6/CF4混合氣體深冷分離塔結構示意圖。圖4中，深冷分離塔中的虛線與折線分別代表冷凝介質管道與冷凝盤管。

圖4 SF6 /CF4混合氣體深冷分離塔結構

基于各種雜質氣體與SF6氣體沸點、燃點差距相距的特性[15]，在第1.2節分離流程的基礎上采用第1.3節中描述的分離凈化流程，在熱能與相平衡的影響下，SF6氣體中含有的部分易揮發組分持續由液相轉換為氣相，與之相對應的SF6氣體則由氣相轉變為液相，通過循環氣化與冷凝過程持續分離SF6氣體與雜質氣體，最終將獲取高純度的可循環利用的SF6氣體，而此過程中分離出的各種雜質氣體也能夠循環再利用。

2 實例分析

為驗證本文研究的SF6氣體在線凈化處理技術的實際應用性能，與某試驗所合作，分別選取某500 kV變電站、某220 kV變電站和某電廠GIS為研究對象，將本文技術應用于研究對象開關維護中。

2.1 實驗環境

利用本文技術凈化處理SF6氣體過程中主要器件技術參數如表2所示。

表2 SF6氣體凈化流程設備參數

該系統空氣體積分數、凈化速度和回收速度分別為≤0.005%、≥50 kg/h和≥50 kg/h，總功率與年處理量分別在30 kW和55 t左右。

利用本文技術完成SF6氣體凈化后，某試驗所利用SF6分解產物儀、SF6露點儀以及泄漏報警系統等，分別進行SF6氣體的分解產物檢測、水分檢測和環境監測。

SF6氣體在線凈化處理效果評估標準如表3所示。

表3 凈化效果評估標準

2.2 結果分析

2.2.1 某500 kV變電站開關維護

該研究對象針對所需維護的變電站開關內舊SF6氣體實施回收、凈化與循環再利用處理。研究對象內部SF6氣體共3 850 kg。SF6氣體凈化處理結果如表4所示。

表4 凈化處理結果

分析表4可知，經由試驗所分析，該研究對象內利用本文技術回收凈化處理的SF6氣體滿足表3中3項標準，能夠回充至變電站開關內循環使用。

2.2.2 某220 kV變電站開關維護

該研究對象采用本文技術對開關氣體內的SF6氣體實施回收、凈化、回充利用，SF6氣體總量為1 250 kg。SF6氣體凈化處理結果如表5所示。

表5 凈化處理結果

分析表5可知，研究對象中回收的舊SF6氣體經由本文技術進行凈化后，經由試驗所分析，滿足SF6氣體凈化處理效果的3項評估標準，能夠回充至變電站開關內循環使用。

2.2.3 某電廠GIS開關維護

采用本文技術對電廠GIS開關內的SF6氣體進行回收凈化與回充利用處理，SF6氣體總量約為5 630 kg。采用本文技術在維修開關內的SF6氣體回收、凈化處理前后分別取樣實施色譜分析，色譜分析達標后將回充至開關內循環應用。針對需維護母線內的SF6氣體實施回收凈化，對處理前后的氣體分別進行色譜分析與微水檢測。SF6提起凈化處理結果如表6所示。

表6 凈化處理結果

分析表6可知，經由試驗所分析，該研究對象內利用本文技術回收凈化處理的舊SF6氣體滿足相應標準，能夠回充至變電站開關內循環使用。

2.3 應用性能對比

將傳統的多級高分子膜、深冷相變分離和低溫精餾方法聯合技術(傳統技術1)與兩級膜分離回收技術(傳統技術2)作為對比技術，對比本文技術與2種傳統技術在實際應用過程中的應用性能。

2.3.1 能耗對比

為測試本文技術在實際應用過程中的實時能耗，對比本文技術與傳統技術1、傳統技術2在超高壓500 kV變電站開關維護測試中實時能耗，能耗采集周期為5 min。對比不同技術1 h內的實時能耗，結果如圖5所示。

圖5 不同技術實時能耗曲線對比

由圖5可知，傳統技術1在凈化處理SF6氣體過程中的實時能耗波動范圍為0.036～0.048 mJ；傳統技術2在凈化處理SF6氣體過程中的實時能耗波動范圍為0.035～0.052 mJ；本文技術在凈化處理SF6氣體過程中實時能耗波動范圍為0.028～0.031 mJ。由此可知，本文技術在凈化處理SF6氣體過程中的實時能耗顯著低于2種對比技術，且本文技術實時能耗波動趨勢更為平穩，由此可驗證本文技術具有顯著的能耗優勢。

2.3.2 檢修次數與費用對比

在某500 kV變電站應用本文技術后，設備的檢測次數與檢測費用與采用本文技術之前對比情況如圖6所示。采用本文技術前后維修次數與維修費用均取1年內數值。

分析圖6可知，采用本文技術之后，電氣設備維修次數與維修費用均呈現出顯著的下降，說明本文技術能夠實現提升電氣設備運行的穩定性與安全性的目的。

圖6 應用本文技術前后維修次數與費用對比結果

3 結束語

為了提升電氣設備運行的穩定性與安全性，本文研究了SF6氣體在線凈化處理技術。研究發現，氣化裝置利用動力結構控制SF6氣體流速與壓力，再通過其內部加熱結構使流入其中的液態SF6氣體迅速氣化，從而提升了氣體凈化處理的效率。且在分離凈化過程中，根據氣體燃點與沸點的差異能夠提高氣體凈化效果。經實例應用可知，采用本文技術后，SF6氣體回收凈化結果均滿足國家相關標準。