環保氣體環網柜微水含量的研究與探索

Research and Exploration on the Micro-water Content of Environmental Protection GasInsulated Ring Main Units

LI Dege WANG Zhi CHEN Yun LI Zheyuan ZHAO Hui （ChinaElectric PowerResearch InstituteCo.，Ltd.）

Abstract： The SF₆ gas insulated ring main unit has alarge scale and is widely used，making it diffcult to recover and treat the waste gas.To implement thenational“dualcarbon”goalsand green development strategy，we should graduallreduce the usage of SF₆ gas （a greenhouse gas），and comprehensively promote energy conservation and emission reduction in the powergrid.It is inevitable to comprehensively apply environmental protection gasinsulatedring mainunits，whichadopt the technical routes of vacuum arc extinguishing and natural gas insulation （such as dry air and N₂ ）.To ensure the longterm stable insulation performance of environmental protection gases，conducting effective micro-water detection and evaluation of environmental protection gas insulatedring main units basedonthecharacteristicsof switchgear has become atechnicaltopicthatatractsindustryconcern.Thepaperexplainsthe technicalindicators.Then，basedonrelevant literature reports，the paperpoints outthe main sources of micro waterinside the ring mainunitsandthecommonly used measurement techniques.Combined with the main processes curentlyadopted by various manufacturers for micro-water treatment，experimentalresearchiscarriedoutontwokeylinks：reducingmicro-watercausedbyheliumleak detection，and solving theproblemofsurface moisture evaporationofcomponentsduringlong-termuse.Finaly，thepaperproposes effective control measures forthe micro-watercontent of environmental protection gases under different environmental conditions suchas vacuuming，inflation time，drying timeand molecularsieves during theequipmentassembly.The micro-watercontrol measures recommended in the paper areefective and areof concernto relevant practitioners，which provides a reference for engineering practice.

Keywords： environmental protection gas insulated ring main units; micro water; measure; technology; control

0 引言

SF6氣體化學性質穩定，具有優異的絕緣和滅弧性能，全球生產的SF氣體約 90% 用于電力行業，這其中的 80% 是用于開關設備\"，包括中壓充氣式開關柜、環網柜、柱上開關；高壓斷路器、氣體絕緣金屬封閉組合電器等。但由于SF6是一種對環境有很大危害的溫室效應氣體，其全球變暖潛能值（GWP）是C02的23.500倍，并且在大氣中的壽命約為3200年。

基于SF6氣體的危害，世界各國制定了一系列政策來規范和減少其使用，以最大限度降低其對環境的影響。1992年，第一個限制溫室氣體排放的世界公約誕生。之后，《京都協定書》《巴黎協定》等都在繼續加強限制SF6等溫室氣體的排放。我國政府在2000年之后逐漸開始加強這方面的管控措施，習近平總書記在2020年聯合國大會上作出“碳達峰、碳中和”鄭重承諾，加強非CO2溫室氣體管控，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[2-3]。

目前，SF6替代氣體[4-5主要包括真空介質、常規氣體、新型替代氣體以及SF6混合氣體。真空介質具有良好的開斷性能；干燥空氣、N2等常規氣體易制備且價格低廉，可作為絕緣介質；C5、C4等新型替代氣體由于液化溫度較高，需要與其他氣體混合使用，如果配比得當，也具有較高的絕緣性能。因此，在 12～40.5kV 中壓開關設備領域，采用真空作為滅弧介質，干燥空氣或N2作為絕緣介質已經非常成熟，相關產品包括環保氣體絕緣開關柜、環保氣體絕緣環網柜以及柱上斷路器，應用前景廣闊。在高壓開關設備領域，對于 72.5～126kV 電壓等級產品，滅弧介質可以采用真空替代SF6。絕緣介質方面， 72.5kV GIS已實現了干燥空氣絕緣；126kV GIS可以采用C4、C5混合氣體等新型氣體，已研制出相關產品，但尚需進一步試驗及掛網驗證。對于 252kV 及以上電壓等級開關設備，目前僅有SF6混合氣體產品，無法從根本上杜絕SF6氣體的使用。

隨著環保氣體絕緣環網柜的大量推廣應用，在設備生產制造、出廠試驗、型式試驗、安裝調試、運行和維護期間，對環保氣體的質量微水檢測成為電力用戶關注的方向。絕緣氣體微水值作為運維重點檢測指標之一，其檢測結果準確度直接影響環網柜安全穩定運行水平。由于組裝時零部件吸附的水分、充氣裝置帶人的水分、從大氣中滲透的水分等各種途徑使干燥空氣環網柜中水分逐漸增多，可能導致微水超標，會降低絕緣氣體的絕緣性能；還可能侵蝕到環網柜內部部件，破壞零部件的絕緣性能，縮短其使用壽命；過高時，會在設備表面形成凝露，可能導致閃絡現象，嚴重損害環網柜。針對環保氣體環網柜微水含量的研究鮮有文章報道，本文結合環保氣體環網柜從制造到運行的各個階的工作要求，為確保環保氣體的微水含量滿足長期穩定的絕緣質量，開展氣體微水含量研究與探索，便于從業人員了解當前技術發展現狀，對工程應用提供參考借鑒。

1環保氣體環網柜微水技術指標

1.1產品結構介紹

環保氣體絕緣環網柜是國內首創，于2014年開始研制并發展起來的產品，環保氣體是指一種或多種無毒無害的氣體組合，具有良好的絕緣性能和穩定性，在混合或加工的過程中、設備運行中、在電弧、水汽等因素作用下及分解轉化過程中，均不產生對人和環境有毒有害的物質，并且溫室效應系數不大于 CO₂ 。如氮氣、干燥空氣等。與SF6氣體絕緣環網柜的本質區別在于采用干燥空氣或N2替代SF6作為絕緣介質。

目前已有數十余家企業如北京思威馳、上海天靈、沈陽華德海泰、北京雙杰、北京科力恒久、北京科銳、山東泰開、江蘇大全等完成了產品型式試驗并規模化應用。典型12kV環保氣體絕緣環網柜見表1。

環保氣體絕緣環網柜產品結構與傳統的SF6氣體絕緣環網柜一樣，由充氣隔室、電纜室、機構室以及儀表室等組成，如圖1所示。

充氣隔室為密封氣箱，箱體一般采用 3mm 厚的不銹鋼薄板經激光焊接或機器人氬弧焊接而成，非焊接密封連接面均采用氣體密封結構。因此，環保氣體絕緣環網柜對制造工藝的要求比較高。為了防止干燥空氣或N2泄漏后與周圍環境中的大氣混合難以區分，通常充以微量（ 1% ）的示蹤氣體，如He氣。充氣隔室內部安裝有主開關元件，如斷路器以及隔離開關、接地開關等。斷路器采用真空滅弧原理，真空滅弧室固封極柱結構，也有絕緣隔板支撐結構等形式。隔離開關和接地開關一般采用旋轉刀閘式的三工位開關，也有采用獨立隔離開關和接地開關的型式。三工位開關設置在電源側，由真空斷路器分斷主回路后的二次合閘來實現電纜側快速接地功能，可多次快速合接地短路電流，無氣體污染，不會燒蝕隔離觸頭，可實現設備真正免維護，提高了設備的安全運行水平，并且滿足安規要求，如圖2所示。主母線的擴展連接方式有兩種：一種是主母線在氣箱頂部采用絕緣母線進行擴展連接（簡稱頂擴）；另一種是主母線在氣箱側面采用母線連接器進行擴展連接（簡稱側擴）。

1.2微水技術指標

開關設備中含水量過高對設備的絕緣性能會有影響，主要是水分在高壓力低溫下會在固體絕緣表面凝露，使沿面閃絡電壓急劇下降導致事故；另一方面水分也可能侵蝕到設備內部部件，破壞零部件的絕緣性能，縮短設備的使用壽命。因此用環保氣體絕緣的開關設備同傳統SF6開關設備一樣也需要檢測其微水量。

根據DLT404—2018《3.6kV＼～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》規定，對于采用SF6氣體外的其他種類氣體時，其質量、檢測、管理應滿足制造廠產品技術條件規定；充氣隔室內水分含量充許值由制造廠技術條件規定，額定充氣壓力下測得充氣隔室內水分含量（ 20% 時）不得大于 1000ppm （產品靜置24h后）。根據GB50150-2016《電力設備預防性試驗規程》規定，對于滅弧隔室新投運和大修后SF6開關水分含量不得超過 150ppm ，運行中則不超過 300ppm 。文獻[0-出干燥空氣絕緣開關設備含水量標準時應以GB/T11022—2020規定為依據，即運行時額定充氣壓力ΔF20Ω^°C 時測得允許的最大含水量應該使其露點溫度不高于 -5^°C （對應于 20°C 時額定的充氣絕對壓力為 0.8MPa 下的含水量為 537μL/L ），交接驗收時額定充氣壓力下 20°C 時測得允許的最大含水量可更低一些，使其露點溫度不高于 -40°C ，此時的含水量為 25μL/L 。因此，如當額定的充氣壓力為0.8MPa （ 20°C 時的絕對壓力）時，可以取 25μL/ L作為干燥空氣的含水量標準值，使得露點溫度低于 -40°C 。

目前，環保氣體絕緣環網柜采用的是三工位隔離開關 + 真空斷路器形式，隔離開關不具備滅弧能力，開關的滅弧通過真空滅弧室進行，各省市電網公司的環保氣體環網柜招標文件中提到，對環網柜的微水值要求：在額定充氣壓力下非滅弧隔室測得水分含量（ 20°C 時）不得大于 1000ppm ；滅弧隔室測得水分含量（ 20^qC 時）不得大于 150ppm 。因此對于這類氣箱內部氣體含水率按低于1000ppm的標準執行應該是可以的，但對于采用高標準要求的地區，氣體含水率要達到低于 150ppm 這個要求，作為供應商我們也是盡可能得去優化工藝滿足要求。

12千伏環網柜（箱）標準化設計方案這個文件中對 12kV 環保氣體絕緣環網柜的一次方案做出了標準，方案如圖3所示。

目前，當采用干燥空氣充入時，干燥空氣首選采用人工合成氣體，規定體積分數為：氮氣（N2）78% 、氧氣（02） 22% ，其合成用氮氣（ （N₂） 符合GB/T8979—2008中高純氮的質量要求，氧氣（02）符合GB/T8982—2009中中醫用氧的質量要求；也可以采用自然空氣壓縮，其質量應符合GB/T13277.1—2008中2級質量的要求，其氣體含水量可以控制在 10ppm 以下，實際測量如圖4所示。當采用氮氣（N2）充入時，氮氣氣體的質量應符合GB/T8979—2008中高純氮的要求，氮氣通常要求純度不低于99.99% ，其氣體含水量可以控制在 10ppm 以下。

2 微水的產生及測量

2.1微水的來源

從第一章節可知氣體自身的微水可以控制在10ppm 以內，可以判斷出環網柜的微水值跟氣體本身關系不大。目前大部分廠家環網柜微水一般控制在 500ppm 左右，好一點的能控制在 300ppm 左右，還有廠家微水值在 1500～2000ppm 左右。環網柜內部微水主要來源于以下幾點。

（1）絕緣件（套管、側母聯、開關本體）本身自帶的水分。絕緣件內部吸附的水分會不斷析出導致氣體含水率反彈，因此反彈的程度主要取決于絕緣件的含水量。

（2）不銹鋼箱體內壁上殘留的水分。

（3）吸附劑本身含有水分。 2～3mm 的塑料粒子干燥從 1000ppm 到 100ppm 一般需要3＼～5小時以上。

（4）氮檢在檢漏過程中，重復使用的氮氣會存在比較高的水分。

（5）在制造、運輸、安裝、檢修過程中都可能接觸水分。裝配過程中氣箱暴露在空氣中時間較長導致的水分。

（6）產品質量缺陷，由于水分子直徑遠小于氣體分子直徑，微漏砂眼、密封圈安裝不當等微縫隙，水分子可以鉆進去。

2.2微水的測量技術

國內外在微水的測量中有多種方法可以應用，文獻[12-14]提出目前電力系統常用的氣體微水檢測方法主要有重量法、電解法、光譜吸收法、阻容法、露點法。

重量法需要很多實驗室儀器，且測量過程復雜，不適宜在現場應用。電解法優點是價格較低、維修方便，但易受環境的影響。光譜吸收法具有較高的測量精度，操作簡單，選擇性好，穩定性好；但對運行環境要求高，在技術方面還有待于提高。阻容法具有線性好、抗干擾、響應快、測量范圍寬、高穩定的特點，缺點是探頭材質不穩定，需要每年校驗。露點法是利用冷鏡原理測量氣體微水，具有檢測精度高，受環境影響小的優點。

露點儀是SF6現場測試的典型設備。該儀器精度高，測量時間短，操作方便，適合于現場測量使用。露點儀一般檢測露點溫度，即制冷氣體到水蒸氣開始冷凝成液態水時的溫度。氣室內部水分主要來源于表面吸附和基體吸收（內部），以及從裂紋的滲漏和從密封件（外部）的滲透。被吸附的水分是水以分子的形式粘附在封閉殼體和絕緣體的表面；被吸收的水分是水以分子的形式，滲入或滲出（取決于其初始濃度）有機固體，滲透速率與水分子在固體中的擴散率和溶解度成比例。為有效控制氣室內水分含量，一般加人干燥劑以捕獲水分。微水測量結果的溫度折算表與絕緣介質、氣體壓力、絕緣材料、干燥劑等因素有關。

3 微水處理技術

國內絕大部分廠家推出的環保氣體環網柜用的氣體都是氮氣和干燥空氣，經多次試驗驗證，在稍不均勻電場中，采用含水量極低的氮氣和干燥空氣可以實現六氟化硫替代，因此，控制氣箱內的氣體含水量是提高環保柜絕緣水平的方法之一。

目前各廠家針對微水處理主要采取的工藝[15-18]如下。

（1）烘烤處理。先將絕緣件烘烤，絕緣件烘烤后裝入氣箱，氣箱封蓋前把裝配完成的氣箱放入烘箱烘烤，然后立即封箱。這種方式可以縮短裝配完封后蓋的時間。

（2）在氮檢設備上面增加氮氣干燥環節。

（3）氣箱內增加分子篩。

（4）氮檢完成后增加抽真空時間。

（5）在撿漏完成充氣前，沖入熱氮在抽出來，讓熱氮帶走氣箱內表面的水分。

（6）用全自動去水設備把箱體內部氣體抽出來干燥之后再充進去。短時間效果比較明顯，但微水值反彈比較大。

氮檢漏1-20用來檢漏的氮氣成為氣箱微水最嚴重的點，這個氮氣是重復使用，中間多次接觸氣箱內部的空氣導致氣微水值超標。所以控制氣箱微水第一就是要把氦檢的水控制好。目前的普遍采取的方式就是增加氮氣干燥設備、延長抽真空時間和充熱氮氣清洗。通過吸附劑吸收水分；活性氧化鋁[21-22]，不吸收環保氣體，吸收大部分分解物，有較好選擇性，是環保氣體環網柜設備較理想的吸附劑。分子篩干燥劑的吸水分效應是緩慢釋放的，需要幾天時間的跟蹤和比較。

3.1降低氨檢漏過程中帶來的微水

（1）延長氮檢時抽真空的時間

對抽真空時間這一因素進行實驗，氣箱正常裝配，使用安徽皖儀的全自動氮質譜檢漏儀設備進行氮檢，檢漏結束后抽真空5min直接充環保氣體，得到的微水值一般為 3000ppm 左右，具體如圖5所示。

重新裝配氣箱，將抽真空時間延長至 20min 抽真空結束后直接充環保氣體，測試微水含量為1461ppm ，靜置48h后重新進行微水測試，微水含量為 1543ppm 。

（2）增加氮氣干燥設備

重新裝配一個氣箱，使用一次性高純氮氣完成氮檢漏，并抽真空后，充入環保氣體，測試微水含量，得到的微水值為 222ppm ，具體如圖6所示。靜置48h后重新進行微水測試，微水含量為 483ppm，

（3）充熱氮氣清洗

重新裝配一個氣箱，氮檢漏后沖入加熱后的氮氣，再將熱氮抽出來，重復3次，讓熱氮帶走氣箱內表面的水分，然后抽真空完成后直接充人環保氣體，測試微水含量，得到的微水值為 360ppm 左右，如圖7所示。靜置 48h 后重新進行微水測試，微水含量為 567ppm_? 具體數據見表2。

從表2可知，延長抽真空時間這一方法簡單易行，通過長時間的抽真空把箱體內的水分和充氣管道的水分控制在最低點，不需要額外增加設備和程序，短時間內可以大幅降低微水含量，但是產品微水含量仍然很高，難以滿足使用需求。增加氮氣干燥設備、使用一次性高純和充熱氮氣干燥的方案短時間內可以將微水含量控制在 300ppm 左右，但是經過48h靜置重新檢測后，微水含量均有較大增加，難以滿足產品使用需求。這是因為雖然對氣箱內部的絕緣介質進行了干燥處理，但是氣箱及內部零部件本身帶有一定的微水，經過長時間揮發后，會增加氣箱內絕緣氣體的微水含量，使得微水含量測試值升高。想要進一步降低氣箱內微水含量，因此必須解決零部件自身的微水揮發問題。

3.2解決長期使用過程中零部件表面水分揮發問題

（1）增加分子篩

氣箱正常裝配，氣箱內部放置2包250g的分子篩（分子篩干燥劑的主要化學成分是結晶的硅鋁酸鹽），重新進行實驗1、2、3。氮檢漏并抽真空后，充人環保氣體，測試微水含量，靜置48h后，重新進行微水測試。

從以上數據可以看出3種方案的微水含量都有所降低，雖然氣箱及內部零部件本身帶有一定的微水，經過48h揮發后會增加氣箱內絕緣氣體的微水含量，但是分子篩可以不斷吸附氣箱內絕緣氣體的微水，使設備在長期使用過程中微水含量保持在一個較低數值，保證了設備的絕緣性能。

（2）烘烤

氣箱正常裝配，使用烘干機設備將裝配好的氣箱封箱前烘烤 40min ，氮檢抽真空后直接充環保氣體。測試微水含量，靜置48h后，重新進行微水測試。

從以上數據可以看出，通過對氣箱及內部零部件的烘烤，大幅降低了氣箱及零部件吸附的水分，通過使用干燥的氮氣或使用熱氮氣干燥可以降低內部氣體的微水含量，短時間可將微水數值控制在 100ppm 左右，但是經過48h靜置后，重新檢測發現微水含量均略有提升。主要原因為烘烤未能完全氣箱及內部零部件本身攜帶的微水，經過較長時間揮發后，會增加氣箱內絕緣氣體的微水含量，使得3種方案的微水含量都有所增加，因此在設備長期使用過程中，還應考慮吸附零部件揮發的微水。同時由于烘烤耗費的時間比較長，不利生產車間的批量生產，所以這個工藝目前大部分廠家都未采用。

4微水控制措施

（1）環保氣體環網柜樣機組裝期間，嚴格把控安裝現場的環境條件，環境濕度不能超過 70% .溫度在 5～30^°C 之間，避免因為環境濕度過大導致絕緣件受潮影響，對裝入充氣柜內部的零配件在裝配前進行烤干處理，去除零部件中含有的水分，干燥后的零部件宜在 30min 內完成裝配。零部件裝配完畢后，整柜樣機放入高溫箱進行加熱處理，促進水分排出及蒸發，此加熱烘干過程用的時間不宜低于 ^2h ，然后封箱，形成密閉氣室。

（2）環保氣體環網柜組裝完成后應對柜內進行抽真空處理，并使用干燥空氣發生器對柜內進行吹掃，對充氣過程宜進行控制，對充氣管路使用新干燥空氣排氣沖洗3次，觀察充氣管路無漏氣，去除管道內水分和空氣，充氣管采用不銹鋼小口徑或壁厚小于 2mm 的聚四氟乙烯管。

成后應立即封箱，進行抽真空處理。

（3）選擇合適的分子篩，市面上有很多種類的吸附劑，必須找出既能吸附水分，又不吸附干燥空氣等絕緣介質的特殊類型分子篩進行選擇性吸收。經過對比，4A分子篩主要適用于空氣、天然氣等各種化工氣體和液體、制凍劑、藥品、電子材料及易變物質的深度干燥，氬氣純化，甲烷、乙烷、丙烷的分離。對水的選擇性吸附高于任何其他分子。

（4）更換分子篩應選擇干燥的環境，嚴格檢查吸附劑的保存情況，應真空袋包裝，檢查包裝袋無破漏等現象。更換過程應盡快完成，且吸附劑暴露在空氣中的時間不宜超過 15min ，吸附劑安裝完

5結語

隨著環保氣體環網柜大量應用，各品牌制造商推出的以環保氣體作為絕緣介質、采用真空斷路器的開關設備具備完全意義上的環保性能，有助于雙碳目標實現。環保氣體環網柜中的氣體微水含量的控制工藝需未雨綢繆。本文通過3種方案對環網柜的微水進行試驗測試，結合產品初次生產的微水值數據、工藝改進后微水值的變化情況組合考慮，提出適合企業、比較方便、成本低、可靠穩定的行之有效的微水控制措施。

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