基于JZ20-2平臺(tái)SF6斷路器使用安全性及改進(jìn)措施分析

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司,天津 300452)

1 SF6高壓斷路器概述

在電力系統(tǒng)向超高壓、大電網(wǎng)、大容量和自動(dòng)化方向發(fā)展的同時(shí)，用于關(guān)合及開(kāi)斷電力線路，以輸送和倒換電力負(fù)荷以及從電力系統(tǒng)中退出故障設(shè)備以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的高壓開(kāi)關(guān)就顯得尤為重要。SF6氣體無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)毒、不燃燒，屬惰性氣體。在常溫、常壓和較高溫度下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。由于SF6氣體具有以上優(yōu)良的絕緣、滅弧性能,及SF6氣體在絕緣組合電器中所體現(xiàn)出的優(yōu)越性，近30年間SF6氣體在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用取得了驚人的進(jìn)展[1]。上面描述的絕緣、滅弧性能都是針對(duì)純凈的SF6氣體，但是在很多情況下，現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備中的SF6氣體并非總是純凈的，其性能也就不能等同于純凈氣體。SF6氣體在其生產(chǎn)過(guò)程中或者在高能因子的作用下，會(huì)分解產(chǎn)生有毒甚至劇毒、強(qiáng)腐蝕性有害雜質(zhì)，當(dāng)體系中存在水分、空氣、電極材料、設(shè)備材料等，會(huì)導(dǎo)致分解過(guò)程復(fù)雜化，致使分解產(chǎn)物的數(shù)量和種類明顯增加，其危害也顯著加大[2]。因而對(duì)SF6氣體實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)督與安全管理是確保設(shè)備可靠運(yùn)行和人身健康安全的重要保證。

SF6斷路器的滅弧室和支持瓷套中都充有SF6氣體，其壓力在0.5～0.7 MPa之間。在這么高的壓力下，要保證氣體絕對(duì)不滲漏，斷路器必須具有很?chē)?yán)實(shí)的密封結(jié)構(gòu)，這勢(shì)必提高制造成本。為了在保證一定密封程度的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)性，通常允許保持一定的漏氣率，即允許氣體通過(guò)密封面和橡膠圈略有滲漏。一般認(rèn)為，將每年的漏氣率控制在氣體總重量的1%～3%以下是合格的。SF6斷路器一般不會(huì)輕易泄漏,SF6本沒(méi)有毒性,但是泄漏空氣中會(huì)分解成有毒氣體。

2 平臺(tái)SF6斷路器使用情況分析

1)裝有SF6設(shè)備的主開(kāi)關(guān)間，目前沒(méi)有裝設(shè)強(qiáng)力通風(fēng)裝置，風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在室內(nèi)底部。

2)主控制室與SF6配電裝置室要采取氣密性隔離措施，SF6配電裝置室與其下方電纜層、電纜隧道相通的孔洞都應(yīng)封堵。SF6配電裝置室外，應(yīng)設(shè)置“注意通風(fēng)”的標(biāo)志。

3)在SF6斷路器主開(kāi)關(guān)間室低位區(qū)應(yīng)安裝氧量?jī)x和SF6氣體泄漏報(bào)警儀，在工作人員入口處宜裝設(shè)顯示器，并定期檢驗(yàn)，保證完好。

通過(guò)檔案館翻閱當(dāng)時(shí)平臺(tái)建設(shè)時(shí)對(duì)于高低壓配電盤(pán)中SF6斷路器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 高低壓配電盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)

高壓配電盤(pán)SF6斷路器其標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)指定的IEC 56和IEC 298標(biāo)準(zhǔn)。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T596-1996“電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程”對(duì)運(yùn)行中的SF6氣體的試驗(yàn)項(xiàng)目和周期提出了嚴(yán)格的要求，具體標(biāo)準(zhǔn)與要求見(jiàn)表2。

表2 SF6氣體具體標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)GB8905《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則》。1993年國(guó)家電力工業(yè)部93(05)號(hào)文明確DL/T639-1997 六氟化硫電氣設(shè)備運(yùn)行、試驗(yàn)及檢修人員安全防護(hù)細(xì)則。其中對(duì)于充有SF6氣體的電氣設(shè)備有明確的具體要求。

1)SF6電氣設(shè)備安裝室與主控室之間要做氣密性隔離，以防有毒氣體進(jìn)入主控室。

2)設(shè)備安裝室內(nèi)應(yīng)具有良好的通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)量應(yīng)保證在15 min內(nèi)換氣一次。抽風(fēng)口應(yīng)設(shè)在室內(nèi)下部。

3)設(shè)備安裝室底部應(yīng)安裝SF6濃度報(bào)警儀和氧量?jī)x，當(dāng)SF6濃度(體積比)超過(guò)100×10-6，氧含量低于18%時(shí)，儀器應(yīng)報(bào)警。

4)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的定期檢測(cè)應(yīng)參照DL/T596-1997《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。如發(fā)現(xiàn)氣體中毒性分解物的含量不符合要求時(shí)，應(yīng)采取有效的措施，包括氣體凈化處理，更換吸附劑、更新SF6氣體、設(shè)備解體檢修等。

純凈的SF6氣體無(wú)色、無(wú)味、不燃，是沒(méi)有毒性的。但是SF6氣體比重是空氣的5倍，當(dāng)裝有SF6設(shè)備的配電裝置室GIS產(chǎn)生泄露后，SF6氣體積聚在底層空間，達(dá)到一定濃度后，如果工作人員進(jìn)入室內(nèi)，會(huì)造成大腦缺氧，使人窒息而造成重大事故。在電弧和局部放電、高溫等因素影響下，SF6氣體會(huì)發(fā)生分解[3]，其分解物遇水分后生成腐蝕性電解質(zhì)，尤其是某些高毒性分解物，如SF4、S2F2、SOF2、HF、SO2等，如大量吸入人體會(huì)引起頭暈和肺水腫，甚至昏迷及死亡。因此，研制SF6開(kāi)關(guān)室氣體泄漏監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，已經(jīng)變得非常重要。

3 SF6高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)JZ20-2海上平臺(tái)高壓配電室具體環(huán)境及現(xiàn)有技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一套適用于海上平臺(tái)高壓配電室SF6斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

圖1 SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

SF6斷路器在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要由四部分組成：采集器、系統(tǒng)主機(jī)、外圍設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)。采集器負(fù)責(zé)SF6配電裝置室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳送給系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析、比較、判斷，并運(yùn)行相應(yīng)的處理程序。外圍設(shè)備包括報(bào)警設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備，受系統(tǒng)主機(jī)控制。

系統(tǒng)主要檢測(cè)開(kāi)關(guān)室中SF6氣體含量和氧氣含量，當(dāng)環(huán)境中SF6氣體含量超標(biāo)或缺氧，能實(shí)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，并有溫濕度監(jiān)測(cè)，工作狀態(tài)提示，遠(yuǎn)傳報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。氣體傳感器安裝在SF6斷路器下方，用以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6斷路器下方的氧氣濃度和SF6氣體濃度。主機(jī)具有人體紅外探測(cè)，語(yǔ)音提示和語(yǔ)音報(bào)警功能。主機(jī)通過(guò)RS-485總線輪詢、顯示各氣體傳感器的氣體濃度數(shù)據(jù)并在危險(xiǎn)時(shí)給出報(bào)警信息和控制風(fēng)機(jī)工作。主機(jī)還可以通過(guò)RS-485總線實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)參數(shù)修改，組成計(jì)算機(jī)對(duì)SF6開(kāi)關(guān)室環(huán)境在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)組成及安裝方法

SF6開(kāi)關(guān)室環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)主機(jī)、一件溫濕度傳感器和幾件氣體傳感器組成(最多可以掛接64件氣體傳感器)。 系統(tǒng)主機(jī)采用壁掛式安裝，一般安裝在高壓開(kāi)關(guān)室的入口處；隨機(jī)配套的紅外傳感器安裝在開(kāi)關(guān)室門(mén)的上方或者其他適合需要人體探測(cè)的地方；氣體傳感器安裝在開(kāi)關(guān)泄漏時(shí)SF6氣體最容易聚集的地方，一般安裝在SF6斷路器的下方地面上；溫濕傳感器安裝在高壓開(kāi)關(guān)室內(nèi)遠(yuǎn)離熱源和濕源且氣流比較平穩(wěn)的地方。其主機(jī)外形圖及氣體傳感器外形圖見(jiàn)圖2、3。

圖2 SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)

圖3 SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氣體傳感器

氣體傳感器采用具有國(guó)際先進(jìn)水平的界限電流式氧傳感器和新型半導(dǎo)體傳感器作為核心敏感元件，并以高性能嵌入式微控制器和高性能放大器構(gòu)成信號(hào)處理單元。具有精確度高，穩(wěn)定可靠和長(zhǎng)壽命的顯著特點(diǎn)。 氣體傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口，直接輸出氧氣濃度和SF6氣體濃度；并具有兩路擴(kuò)展接口，用以擴(kuò)展其他的功能模塊。

當(dāng)環(huán)境中SF6氣體濃度或氧氣含量發(fā)生變化時(shí)，SF6氣體采集器能立刻捕捉到這一變化，并將檢測(cè)到變化量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)主機(jī)一方面將采集器傳來(lái)的采集數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示出來(lái)，另一方面，通過(guò)運(yùn)算分析，與儲(chǔ)存在主機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)器上的各種固有參數(shù)進(jìn)行比較，作出判斷——各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否超標(biāo)。當(dāng)SF6濃度高于報(bào)警設(shè)定值(亦可自行設(shè)置)或氧氣含量低于報(bào)警設(shè)定值的18%時(shí)，系統(tǒng)主機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行聲光、語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，并上傳報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)論

分析了JZ20-2平臺(tái)高壓配電室中SF6斷路器的使用安全特性，特別針對(duì)SF6斷路器泄漏氣體特性及對(duì)人員危害性進(jìn)行了分析，指出平臺(tái)現(xiàn)有SF6斷路器配電間設(shè)計(jì)所存在的隱患，并針對(duì)現(xiàn)有情況進(jìn)行安全性改進(jìn)，針對(duì)平臺(tái)高壓配電間具體情況設(shè)計(jì)了適用于海上平臺(tái)高壓配電室的SF6斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)前端傳感器將SF6及氧氣含量信息通過(guò)RS-485總線傳送到系統(tǒng)主機(jī)，通過(guò)屏幕顯示給工作人員。若參數(shù)大于預(yù)先設(shè)定閾值則進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，通過(guò)連接上位機(jī)上傳報(bào)警信號(hào)。這套系統(tǒng)可大大提高高壓配電間的安全系數(shù)，減少氣體泄漏引發(fā)的人身傷害。若將這套系統(tǒng)推廣與應(yīng)用SF6斷路器的所有海上平臺(tái)，將可以提高平臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)室的安全性。

[1] 黎 明,黃維樞.SF6氣體及SF6氣體絕緣變電站的運(yùn)行[M].北京：水利電力出版社，1993.

[2] 羅學(xué)深.SF6氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[3] 苑 舜.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2000.