SF6高壓斷路器分解物的分析及對策

林錦桐

（廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局,廣東 江門 529000）

SF6高壓斷路器分解物的分析及對策

林錦桐

（廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局,廣東 江門 529000）

闡述了SF6氣體分解機理,分析了高壓斷路器正常運行及切斷故障電流氣體分解物的變化情況及對應關系,并結(jié)合500 kV五邑站500 kV開關在臺風期間開關動作情況,對SF6中氣體含量產(chǎn)生和升高的原因進行了分析研究,了解分解物的危害,同時提出相應對策,提高SF6斷路器安全運行的可靠性。

500 kV變電站；SF6斷路器；分解物

0 引言

自法國化學家使用硫在氟氣中燃燒出六氟化硫（SF6）氣體以來，人類已從中受益非淺。SF6分子為單硫多氟的對稱結(jié)構(gòu)，使它具有極強的電負性，這也賦予它優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能[1]。到了19世紀60到70年代，SF6斷路器已廣泛應用于超高壓電力系統(tǒng)中，80年代初已成功研制出363 kV單斷口、550 kV雙斷口和額定開斷電流達80 kA、100 kA的SF6斷路器[1]。

SF6氣體正常工作狀態(tài)下可靠性、穩(wěn)定性很高，但是在一定條件下能分解出各種有毒和腐蝕性氣體，其中含有SO2、H2S等近10種化學物。分解物含量的增加會降低設備耐電強度和絕緣能力，直接影響到運行設備的安全運行，從而導致電氣故障，影響設備安全。

從SF6氣體性質(zhì)、水分的存在對其影響和分解物的產(chǎn)生情況展開分析，并結(jié)合500 kV五邑站500 kV陽五乙線開關運行及動作情況，從分析中說明產(chǎn)生氣體分解物的危害，同時提出相應對策。

1 SF6氣體的性質(zhì)

純凈的SF6氣體是一種無色、無嗅、無毒、不可燃的鹵素化合物，相對密度約為空氣的5倍。SF6氣體多以液態(tài)形式存在于鋼瓶中主要為了便于運輸和貯存。SF6氣體分子吸附自由電子十分強大，在斷路器電弧過零一瞬間，電極間的電子被SF6分子的強電負性吸附上。由于分子質(zhì)量是電子質(zhì)量的幾十萬倍，移動很慢，因此電子無再次沖擊的速度，從而使電弧熄滅。SF6氣體有優(yōu)異的絕緣和滅弧能力，與普通空氣相比，絕緣能力高出2.5～3.0倍，滅弧能力則高出近百倍。在低于150 ℃時，SF6氣體呈現(xiàn)出化學惰性，極少熔于水，微熔于醇，對電器設備中常用的金屬均不發(fā)生化學作用[1]。

2 水分對SF6的影響及分解物的產(chǎn)生

SF6生產(chǎn)過程中或電氣設備運行中的SF6氣體都不可避免含有微量的空氣和水分，而且空氣中水汽通過設備密封這一薄弱環(huán)節(jié)也能滲透到設備內(nèi)部。

首先，先了解水分對電器絕緣的影響，這與其存在形式有關：溫度下降一定時，水蒸氣凝結(jié)成露珠，并附著設備絕緣件表面，將引起沿面放電，降低絕緣能力；溫度上升一定后，露珠恢復成水蒸氣，恢復絕緣特性；當溫度下降到0 ℃以下，水蒸氣變成冰霜，擊穿電壓保持一定值，從以上可以看到水分結(jié)成露珠時對設備絕緣的影響較大。同樣SF6氣體在水分作用下也能發(fā)生反應，生成具有極強腐蝕性的酸性氣體。在200 ℃，當微水含量達到一定數(shù)量時，會發(fā)生以下水解反應： 2SF6+6H2O＝2SO2+12HF+O2。

氫氟酸HF是一種具有極強腐蝕性的酸性氣體，對電器設備材料具有腐蝕作用，對人的皮膚和粘膜有強烈的刺激作用，甚至引起肺水腫、肺炎等。SO2同樣具有強烈刺激性氣體，損害人體呼吸系統(tǒng)?？梢钥吹剿值暮渴荢F61項非常重要的指標。

SF6在正常運行的情況下（小于500 ℃時）分解物極少，正常情況下對電力設備中常用的金屬和其他有機材料均不發(fā)生化學作用。但當SF6設備中發(fā)生絕緣故障時，在大功率電弧、火花放電和電暈放電作用下能使SF6氣體分解發(fā)生化學反應，并生成多種低氟硫化物，主要反應為：SF6＝SF4+2F（四氟化硫酰）

如為純凈的SF6氣體，將隨著溫度降低分解物很快復合，還原為SF6氣體。然而SF6氣體中存在空氣、水分，將與活潑的低氟硫化物產(chǎn)生繼發(fā)性反應，如圖1所示。

圖1 SF6氣體分解圖

斷路器滅弧室觸頭材料Cu、W與SF6氣體及分解物發(fā)生化學反應，產(chǎn)生CuF2和WF6有毒產(chǎn)物。滅弧室內(nèi)SF6氣體成分中水分的增加，使得SF6氣體與絕緣介質(zhì)直接反應,再經(jīng)過一系列復雜的化學反應，產(chǎn)生H2O、SO2和H2S等成分，含量明顯超標[2-3]。

通過以上分析得出，SF6斷路器正常運行中及在大功率電弧、放電作用下，氣體分解產(chǎn)物主要有：CF4、SOF2、H2S、SO2F2、CO、S2OF10、SO2、HF、CO2。對SF6斷路器進行檢測分析，發(fā)現(xiàn)SO2，CO，H2S，H2O 4項指標最多，下面對其進行簡單分析。

二氧化硫SO2：為斷路器頻繁動作時分解的主要特征組分。大功率電弧、放電作用下，SO2含量明顯超標；而正常運行時設備化學反應產(chǎn)生的SO2含量極少[4]。

二氧化碳CO2和一氧化碳CO：當設備內(nèi)部溫度＞500 ℃或電弧、放電下灼傷固體絕緣部件時，產(chǎn)生CO2和CO分解物。

氟化硫H2S（HF）：SF6氣體在正?；蛟陔娀∽饔梅纸獬傻姆螂x子與設備內(nèi)部的水分和空氣發(fā)生反應，會產(chǎn)生HF或H2S[3]。

微水H2O：微水能使SF6氣體在電弧、放電作用下分解的低氟硫化物引起繼發(fā)性反應，產(chǎn)生超標分解物，影響設備絕緣性能。

3 實例分析

2014年7月17日14：29至15：43，雷雨天氣，五邑站500 kV陽五乙線5053開關A相開斷故障短路電流達7次，開關B相開斷故障短路電流3次，開關C相開斷故障短路電流達8次，故障相電流均在4 kA至8 kA范圍內(nèi)，運行人員對5053開關進行一、二次設備檢查，發(fā)現(xiàn)開關本體和壓力值等無異常，對比開關前后動作次數(shù)和主控室監(jiān)控機顯示動作次數(shù)相符。7月18日試驗研究所化學班到達現(xiàn)場抽取5053開關SF6氣體進行化學試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗研究所試驗數(shù)據(jù) μL/L

按以上的分析及試驗數(shù)據(jù)可見5052、5053開關三相在電暈、火花和放電頻繁作用下產(chǎn)生了SF6氣體分解物SO2，其中最頻繁動作的5053開關含有H2S。在7月21日，化學班再次抽取SF6氣體送廣東電力科學研究院詳細檢測，試驗結(jié)果如表2所示。

從檢測結(jié)果判斷開關SF6氣體中H2O在運行中均小于300 μL/L，雖符合電力設備預防性試驗相關規(guī)程規(guī)定，然而SO2、CO、H2S含量的超標則是在H2O的影響之下產(chǎn)生的。

分解產(chǎn)生出的有毒氣體和粉末，對人及動物上呼吸道傷害很大，并對環(huán)境造成了污染和破壞。同時也使斷路器的滅弧能力和絕緣強度大大下降，影響設備安全穩(wěn)定運行。因此，SF6在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試和運行各個環(huán)節(jié)中都應采取有效的措施加以防范和控制。

表2 廣東電力科學研究院試驗數(shù)據(jù)

4 對策

通過以上分析，SF6斷路器正常運行中及在大功率電弧、放電作用下產(chǎn)生多種分解物，其中開關頻繁動作數(shù)據(jù)最為明顯，對設備、運維人員和環(huán)境有一定的影響。為了使設備能安全穩(wěn)定運行，掌握開關詳細運行情況，提出了以下幾點對策。

a) 按月度跟蹤設備消缺情況，利用氣體采樣報告或開關停電計劃制定相應的停、送電運維方案。

b) 針對化學班反饋的分析報告應密切跟蹤分解物的變化情況，數(shù)據(jù)異常應送電科院檢測并通知上級部門。

c) 日常巡視需重點注意開關SF6氣體壓力值，是否有異常聲響等，并認真按計劃記錄SF6氣體壓力值，密切跟蹤變化情況[5-6]。2~3 a做一次微水試驗，如碰惡劣天氣，開關頻繁動作，運行人員應上報相關部門并由化學班立刻進行分解物檢測。

d) 在裝置內(nèi)裝入強力吸附劑，改善密封部件的結(jié)構(gòu)或使用優(yōu)質(zhì)的絕緣材料以盡量降低水分滲入裝置內(nèi)部。

e) 在條件允許下可配置檢測成分多樣，性能優(yōu)異，精準的測試儀器，可及時準確發(fā)現(xiàn)SF6氣體內(nèi)部分解物的異常，跟蹤變化數(shù)據(jù)，超前防止事故的發(fā)生，保證設備的可靠性、安全和穩(wěn)定。

f) 由于SF6氣體分解物屬有毒氣體，對人體有刺激和腐蝕作用，因此化學班在采樣過程中應防止SF6泄漏導致中毒，必要時應佩戴防毒面具和手套等，當發(fā)生SF6氣體泄漏時，現(xiàn)場人員應撤離至上風口再采取有效防范措施。

5 結(jié)束語

SF6氣體中分解物直接影響到電氣設備的安全穩(wěn)定運行，其水分、空氣含量超標會降低開關滅弧能力及絕緣強度，特別在開關頻繁動作、開斷較大的故障電流時，經(jīng)大功率電弧、放電作用下，分解產(chǎn)生出多種有毒氣體和粉末，對設備和運維人員的安全產(chǎn)生一定的危害性。

SF6斷路器氣體中SO2、H2S等含量試驗分析為判斷其內(nèi)部故障提供了技術(shù)支持，這也成為電氣設備內(nèi)部故障診斷手段。因此應從設備安全穩(wěn)定運行、杜絕人身事故的角度出發(fā)，提出各項對策措施，將設備隱患消滅在萌芽狀態(tài)，確保電網(wǎng)安全運行，避免大面積停電等事故事件出現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 電力科學研究院高壓開關研究所.高壓斷路器運行規(guī)程[M].北京：中國電力出版社，1991.

[2] 張海斌，張磊. 對SF6氣體中水分的危害與控制探討[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2014（34）:147-148.

[3] 游榮文，黃逸松.基于S02、H2S含量測試的SF6電氣設備內(nèi)部故障的判斷[J].電力與電工，2004（2）:15-16.

[4] 張仲旗，連鴻松.通過檢測SO2發(fā)現(xiàn)SF6電氣設備故障[J].中國電力，2001（01）: 78-81.

[5] 梁斌儒. 500 kV SF6高壓斷路動作過程產(chǎn)生分解物的分析與對策[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2014（15）: 147-148.

[6] 李穎. SF6電氣設備中水分的危害及防范措施研究[J].科技與生活，2012（23）:168.

Analysis on SF6High Voltage Circuit Breakers Decomposition and Countermeasures for Improvement

LIN Jintong

（Guangdong Power Grid Co., Ltd., Jiangmen Power Supply Bureau, Jiangmen, Guangdong 529000, China）

This paper describes the decomposition mechanism of SF6gas, and the decomposition of SF6gas on normal operation and the decomposition when fault current is cut off are compared. Combined with the 500 kV switching action during typhoons in 500 kV Wuyi substation, the generation and the increase of SF6gas content were analyzed and researched to understand the harm of decomposition, and corresponding strategies are put forward to improve the reliability of the safe operation of SF6circuit breaker.

500 kV station; SF6circuit breakers; decomposition

TM561.3

A

1671-0320（2016）04-0016-04

2016-04-19，

2016-05-19

林錦桐（1985），男，廣東開平人，2009年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學電氣工程及其自動化專業(yè)，工程師，技師，從事變電運行工作。