SF6斷路器濕度超標(biāo)處理分析與判斷

中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司梧州局 李敬明

通常SF6設(shè)備的氣體中都含有微量水分，水分多少直接影響SF6氣體的使用性能，氣體中的水分一般以水蒸氣的形式存在，當(dāng)溫度降低時(shí)，將凝結(jié)成液態(tài)的露水附著在零件的表面，可能造成絕緣件的沿面閃絡(luò)而引起放電，而且SF6氣體會(huì)在電弧作用下與水分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性和毒性雜質(zhì)，影響斷路器的安全運(yùn)行。

檢修現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生斷路器內(nèi)部濕度超標(biāo)后，必須立即采取措施控制氣室內(nèi)水分含量，為快速處理缺陷，往往通過(guò)對(duì)氣室抽真空、利用干燥空氣對(duì)氣室進(jìn)行沖洗等方法來(lái)減少斷路器內(nèi)部水分含量。現(xiàn)有研究主要集中在對(duì)濕度超標(biāo)的原因進(jìn)行分析，對(duì)不同處理方式下濕度的變化規(guī)律及成因缺乏了解，導(dǎo)致處理過(guò)程中使用的處理方法不準(zhǔn)確，最終經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的處理也未解決故障，影響設(shè)備的正常投運(yùn)，所以了解濕度超標(biāo)后不同處理方式下濕度的變化規(guī)律及成因?qū)μ幚泶胧┑闹贫@得十分重要。

1 情況簡(jiǎn)述

2021年11月20日，檢修人員發(fā)現(xiàn)一相220kV 單斷口瓷柱式斷路器回路電阻超標(biāo)，隨即利用備品對(duì)故障斷路器極柱進(jìn)行更換，由于備品保管不善或更換作業(yè)流程疏漏，導(dǎo)致更換后的SF6斷路器水分超過(guò)行業(yè)規(guī)程要求（新安裝斷路器滅弧室氣室濕度應(yīng)不大于150μL/L），濕度超標(biāo)后由于無(wú)其他備品更換，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)96h 的處理，最終未解決斷路器氣室的濕度超標(biāo)缺陷，采取了再次更換備品的方式，造成設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法投運(yùn)，處理經(jīng)過(guò)及各處理方式下的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 缺陷處理經(jīng)過(guò)

2 氣室內(nèi)水分的變化規(guī)律

SF6斷路器內(nèi)部的水分主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面：斷路器內(nèi)部及內(nèi)絕緣處理不良，含水量較多；新氣本身含有的水分超標(biāo)；裝配工藝中帶入，密封結(jié)構(gòu)不良導(dǎo)致外部水分進(jìn)入；設(shè)備檢修時(shí)，充氣管道附著的水分[1]。水分進(jìn)入氣室內(nèi)部后，水分會(huì)吸附在分子篩吸附劑、絕緣拉桿、其他金屬及電瓷部件表面，隨著外部環(huán)境溫度、氣室內(nèi)部壓力的變化，這些部件水分的吸收與析出直接影響氣室內(nèi)濕度的變化。

2.1 分子篩吸附劑的吸附作用變化規(guī)律

分子篩具有較強(qiáng)的吸水性，其吸附水分后，吸附能力會(huì)大大降低甚至消失。吸附是一種把氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)（吸附質(zhì)）固定在固體表面吸附劑上的物理現(xiàn)象，這種固體（吸附劑）具有大量微孔的活性表面，吸附質(zhì)的分子受到吸附劑表面引力的作用從而固定在上面[2]，分子篩吸附劑吸附水分的能力受溫度與壓力的影響變化，在低溫的情況下吸附能力增加，在高溫的情況下吸附能力減小，變化規(guī)律如圖1所示。隨著壓力的增大，吸附水的量也是在增加的，變化規(guī)律如圖2所示。吸附劑的吸附量和周?chē)沫h(huán)境也有關(guān)，周?chē)h(huán)境的濕度越大，吸附量就增大直到飽和，變化規(guī)律如圖3所示。因此，在吸附時(shí)，要使壓力升到最高，溫度降到最低。解吸時(shí)，則要使壓力降到最低，溫度升到最高。

圖1 吸附容量與溫度的關(guān)系

圖2 吸附容量與壓力的關(guān)系

圖3 吸附容量與環(huán)境的關(guān)系

當(dāng)斷路器內(nèi)部濕度超標(biāo)預(yù)示著分子篩吸附劑已接近飽和狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)一步起到吸附水分的作用。而分子篩吸附劑中的水分是以分子狀態(tài)存在的，無(wú)法通過(guò)抽真空去除，處理過(guò)程中也表明加長(zhǎng)抽真空時(shí)間也難以去除斷路器內(nèi)部的水分，但隨著滅弧室內(nèi)溫度的上升分子篩吸附劑會(huì)有部分水分析出，主要是環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致的吸附劑水分析出，由于現(xiàn)場(chǎng)難以采取措施提高滅弧室的溫度，分子篩吸附劑吸附容量達(dá)到飽和后只能通過(guò)更換吸附劑處理。

2.2 絕緣拉桿中的水分變化規(guī)律

絕緣拉桿的材質(zhì)主要為玻璃纖維、聚酯纖維及芳綸纖維、環(huán)氧樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料組成[3]。材料密度較大，內(nèi)空隙較小，出廠安裝時(shí)也需先進(jìn)行烘干處理，其受潮后水分需在熱作用下才能析出，主要受外部環(huán)境溫度的影響。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，水分的析出與外施電壓成正比。

上訴案例中處理合格后的斷路器氣室濕度在耐壓試驗(yàn)后濕度增長(zhǎng)80%，與絕緣拉桿的受潮有直接關(guān)系，因支柱瓷瓶與滅弧室之間的氣道孔較小，滅弧室與支柱瓷瓶間的氣體尚來(lái)不及交換，整體對(duì)地耐壓主要考驗(yàn)的是絕緣拉桿的絕緣強(qiáng)度，此時(shí)立即開(kāi)展?jié)穸葴y(cè)試，所測(cè)濕度主要為支柱瓷瓶氣室中的水分，水分為絕緣拉桿析出。

2.3 金屬表面及電瓷部件的水分變化規(guī)律

由于金屬及電瓷部件的親水性，水分主要存在金屬及電瓷部件材料表面，通過(guò)抽真空及高純氮?dú)鉀_洗，容易將表面的水分帶出，其主要受真空靜置時(shí)間，高純氮?dú)鉀_洗的次數(shù)變化。

3 處理方式分析與判斷

3.1 抽真空處理

具體方法為將氣室抽真空至133Pa 以下，使氣室內(nèi)部為負(fù)壓，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜置，一般靜置時(shí)間不小于8h，使內(nèi)部零部件吸收的水分得到釋放，然后再進(jìn)行抽真空，將釋放的水分排出。

斷路器內(nèi)部濕度超標(biāo)后，往往預(yù)示著內(nèi)部零部件必定也吸附了一定的水分，這些水分很難通過(guò)短時(shí)間抽真空的方法全部清除，因此相當(dāng)一部分的水分仍會(huì)吸附在零部件中。由于零部件中的水分含量往往大于干燥SF6氣體中的水分含量，在使用過(guò)程中就會(huì)慢慢地向SF6氣體中排放。當(dāng)溫度增加時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加速導(dǎo)致零部件中放出的水分增加，使氣體中的含水量增大；溫度降低時(shí)又可能從氣體中吸附一部分水分，使氣體中的水分含量減少[4]。

抽真空處理只能去除原先預(yù)充氣體中的水分，或金屬及電瓷部件表面水分，對(duì)絕緣拉桿吸附的水分很難通過(guò)短時(shí)間的抽真空去除。而分子篩吸附劑中吸附的水分是以分子狀態(tài)存在的，無(wú)法通過(guò)抽真空去除。

現(xiàn)場(chǎng)抽真空時(shí)間1h 左右，若抽完真空后濕度仍然超標(biāo)，重新抽真空的意義不大，上訴案例中第一次抽真空2h 與第二次抽真空5h 后對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果變化不大，抽真空時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)水分的排出效果不明顯。

3.2 高純氮?dú)鉀_洗

具體方法為將氣室充入高純氮（含氮99.999%）至額定壓力，保持不小于2h，然后放出氮?dú)猓诘獨(dú)獾某淙牒歪尫胚^(guò)程中，將氣室內(nèi)部水分帶出。案例中采用高純氮?dú)鉀_洗可以減少氣室內(nèi)水分含量，高純氮?dú)庾陨頋穸仍?0～40μL/L，由于氮?dú)獾母叻肿訑U(kuò)散性，與內(nèi)部水分交換，可以帶出部分水分，帶出水分的多少與沖洗的次數(shù)及環(huán)境溫度成正比，環(huán)境溫度高時(shí)，帶出的水分相較于溫度低時(shí)多，但在高純氮?dú)鉀_洗3到5次后，會(huì)再次達(dá)到平衡，難以繼續(xù)帶出水分。現(xiàn)場(chǎng)曾考慮將氮?dú)饧訜岷蟪淙耄珜?duì)滅弧室密封件的耐熱程度缺乏了解，最終未實(shí)施。

高純氮?dú)鉀_洗對(duì)水分超標(biāo)有一定作用，效果與沖洗的次數(shù)、環(huán)境溫度有聯(lián)系，但無(wú)法根治水分超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中經(jīng)常發(fā)生經(jīng)此方法處理，投運(yùn)1到2個(gè)月后濕度再次超標(biāo)的情況。處理方法需更換吸附劑后持續(xù)觀察后續(xù)濕度變化情況。

3.3 耐壓試驗(yàn)后再次超標(biāo)

案例中處理合格后的斷路器極柱濕度在耐壓試驗(yàn)后濕度增長(zhǎng)80%，與絕緣拉桿的受潮有直接關(guān)系，因支柱瓷瓶與滅弧室之間的氣道孔較小，耐壓結(jié)束后，滅弧室與支柱瓷瓶間的氣體尚來(lái)不及交換，整體對(duì)地主要考驗(yàn)的是絕緣拉桿的絕緣強(qiáng)度，此時(shí)立即開(kāi)展?jié)穸葴y(cè)試，所測(cè)濕度主要為支柱瓷瓶氣室中的水分，大幅增高的水分為絕緣拉桿析出。

對(duì)于無(wú)并聯(lián)電容的斷路器，此時(shí)可開(kāi)展斷路器介損測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證絕緣拉桿受潮情況，因傳動(dòng)拉桿的介損受周?chē)橘|(zhì)中的水分影響較大，同一溫度下對(duì)應(yīng)不同的水分含量，絕緣拉桿會(huì)有不同的介損，實(shí)測(cè)表面，斷路器的介損主要集中在絕緣拉桿，故測(cè)斷路器介損可以獲得絕緣拉桿的介損。

絕緣拉桿是斷路器內(nèi)部最重要的傳動(dòng)部件和絕緣部件，位于內(nèi)部高低電位之間，對(duì)其機(jī)械性能和絕緣性能都有極高的要求，若多方面試驗(yàn)結(jié)果判斷絕緣拉桿受潮嚴(yán)重，斷路器存在運(yùn)行中爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)不能投運(yùn)需返廠對(duì)極柱進(jìn)行處理。

3.4 更換吸附劑、重新烘干

此時(shí)經(jīng)過(guò)多次抽真空處理、高純氮?dú)鉀_洗后依舊無(wú)法將濕度控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，需采用更換分子篩吸附劑和烘干的方法。由于分子篩吸附劑的作用是保證斷路器長(zhǎng)期運(yùn)行中吸收水分及分解產(chǎn)物，確保長(zhǎng)期運(yùn)行不超標(biāo)，并不是水分處理的控制手段，這也是很多斷路器通過(guò)更換吸附劑將濕度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但運(yùn)行一段時(shí)間后濕度再次超標(biāo)的原因，因?yàn)槭艹钡钠渌悴考⑽吹玫胶娓商幚恚藭r(shí)需對(duì)受潮零部件進(jìn)行烘干處理，但由于受現(xiàn)場(chǎng)條件所限，難以具備打開(kāi)220kV 及以上電壓等級(jí)滅弧室的條件，往往直接采用返廠處理的方式。

4 結(jié)論

一是更換斷路器極柱前，保管良好的極柱中一般含有微正壓，首先應(yīng)采用具備低氣壓測(cè)試模式的SF6水分含量測(cè)試儀先行開(kāi)展?jié)穸葴y(cè)試，實(shí)際測(cè)試表明，保存完好的備品濕度不大于150μL/L，否則應(yīng)對(duì)滅弧室采取更換吸附劑的方式先進(jìn)行處理，然后抽真空處理，高純氮?dú)鉀_洗，若經(jīng)過(guò)處理后仍無(wú)法將濕度控制在合格范圍內(nèi)，說(shuō)明備品受潮，不能直接使用。

二是當(dāng)運(yùn)行中的滅弧室濕度超過(guò)300μL/L 后，抽真空方法無(wú)法徹底處理水分，需更換吸附劑。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法更換吸附劑的設(shè)備，高純氮?dú)鉀_洗可以帶出部分水分，能暫時(shí)將濕度控制在300μL/L 內(nèi)，但經(jīng)驗(yàn)表明經(jīng)此處理方式下的斷路器在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)再次出現(xiàn)濕度超標(biāo)的情況，建議立即處理。若是新安裝的滅弧室，則不具備處理價(jià)值。

三是高純氮?dú)鉀_洗處理合格后的斷路器極柱，需開(kāi)展斷路器斷口間及整體對(duì)地耐壓試驗(yàn)，若耐壓試驗(yàn)后濕度再次超標(biāo)，可同時(shí)開(kāi)展斷路器介損測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可判斷絕緣拉桿受潮，此時(shí)設(shè)備運(yùn)行有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，需返廠處理。